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Die Erfindung betrifft einen Metallsensor gemäß Patentanspruch 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Metallsensoren zum Auffinden von magnetisierbaren, beispielsweise metallischen, Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich bekannt, die Spulen zur Anregung von Magnetfeldern sowie zum Messen von Änderungen des magnetischen Flusses aufweisen. Objekte werden dadurch erkannt, dass die gemessenen Flussänderungen sich unterscheiden, je nachdem, ob ein Objekt vorhanden ist oder nicht. Die gemessene Flussänderung ist zum Teil direkte Folge des anregenden Magnetfeldes, sowie zum Teil die Folge des vom Objekt ausgehenden Magnetfeldes. Das vom Objekt ausgehende Magnetfeld ist in der Regel eine Folge des anregenden Magnetfelds.
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Magnetfeldsensoren, beispielsweise AMR- und GMR-Sensoren, haben einen eingeschränkten linearen Messbereich, d. h. bei zu großen Magnetfeldern werden sie in die Sättigung getrieben oder funktionieren überhaupt nicht mehr. Für die Applikation Metallsensor, bei der metallische/magnetisierbare Objekte in großen Entfernungen (10–20 cm) detektiert werden sollen, ist es jedoch erforderlich, hinreichend große anregende Magnetfelder zu erzeugen. Um den Sensor vor diesen Magnetfeldern zu bewahren, kann man das Magnetfeld im objektfreien Fall am Ort des Sensors kompensieren, so dass dieser ein Nullsignal liefert. Befindet sich ein metallisches/magnetisierbares Objekt im Magnetfeld, so geht von dem Objekt als Folge des anregenden Magnetfelds ein weiteres Magnetfeld aus, welches sich dem anregenden und dem kompensierenden Magnetfeld überlagert. Damit verschwindet die Summe aller dieser Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors nicht mehr und der Magnetfeldsensor liefert ein von einem Nullsignal verschiedenes Signal, was zur Detektion des Objektes verwendet werden kann. Die zum Anmeldetag unveröffentlichte Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2010 043 078.1 beschreibt einen Metallsensor, der zwei Spulen zur Erzeugung eines Primärfeldes und eines Kompensationsfeldes aufweist, die sich am Ort eines Magnetfeldsensors des Metallsensors gegenseitig kompensieren, falls sich kein magnetisierbares Objekt in der Umgebung des Metallsensors befindet. Die Anwesenheit eines magnetisierbaren Objektes bewirkt ein nichtverschwindendes Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors.
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Für eine hinreichende Kompensation des anregenden Magnetfelds am Ort des Sensors ist es erforderlich, die das anregende Magnetfeld erzeugende Spule, die das kompensierende Magnetfeld erzeugende Spule und den Sensor selbst mit hoher Genauigkeit relativ zueinander zu positionieren und auszurichten. Mit gewickelten Spulen ist dies nur schwer möglich. Es bietet sich daher an, Printspulen zu verwenden. Nachteil von Printspulen ist jedoch, dass mit Printspulen nur eine geringe Zahl von Windungen erreicht werden kann, wenn man sich auf kleine Spulendurchmesser beschränkt. Große Spulendurchmesser sind aus Gründen der gewünschten Sensorbaugröße nicht möglich. Bei kleinen Windungszahlen erfordern die notwendigen Magnetfeldstärken jedoch Spulenströme, die sich für handgehaltene, batteriebetriebene Geräte nicht wirtschaftlich realisieren lassen. Zudem führen die erforderlichen Ströme zu einer Eigenerwärmung der Spulen, die ebenfalls nachteilig ist und im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung der Spule führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Metallsensor mit einem mehrlagigen Spulensystem bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Metallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Metallsensor umfasst ein erstes Trägersubstrat, ein zweites Trägersubstrat, eine erste Spule, eine zweite Spule und einen Magnetfeldsensor. Dabei sind die Trägersubstrate als dünne Schichten ausgebildet und in einem Stapel angeordnet. Die erste Spule umfasst einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Die zweite Spule umfasst einen dritten Abschnitt und einen vierten Abschnitt. Der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt sind auf dem ersten Trägersubstrat angeordnet, während der zweite Abschnitt und der vierte Abschnitt auf dem zweiten Trägersubstrat angeordnet sind. Vorteilhafterweise lassen sich durch die Unterteilung der Spulen in auf verschiedenen Trägersubstraten angeordnete Abschnitte bereits mit Spulen mit kleinen Durchmessern und geringen Windungszahlen auf den einzelnen Trägersubstraten ausreichend große Magnetfelder erzielen. Außerdem erleichtert der Aufbau des Metallsensors aus Trägersubstraten im Vergleich zu gewickelten Spulen die Einhaltung erforderlicher Fertigungstoleranzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Magnetfeldsensor direkt in den mehrlagigen Spulenaufbau integriert werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass der Metallsensor als abgeschlossenes Modul separat gefertigt und anschließend in ein beliebiges Gerät integriert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Metallsensors sind die Trägersubstrate als Leiterplatten-Trägermaterial ausgebildet, wobei die Abschnitte der Spulen als leitende Strukturen auf dem Leiterplatten-Trägermaterial angeordnet sind. Vorteilhafterweise können die Spulen dann als Printspulen ausgebildet sein.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Metallsensors weisen die Trägersubstrate leitende Durchkontaktierungen auf, die den ersten Abschnitt leitend mit dem zweiten Abschnitt und den dritten Abschnitt leitend mit dem vierten Abschnitt verbinden. Vorteilhafterweise ermöglichen die Durchkontaktierungen eine platzsparende Ausführung des Metallsensors.
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Bevorzugt können die erste Spule und die zweite Spule derart bestromt werden, dass ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, wobei eine Komponente des ersten Magnetfelds in eine Richtung senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats am Ort des Magnetfeldsensors näherungsweise verschwindet, falls sich kein magnetisierbares Objekt in der Umgebung des Metallsensors befindet. Vorteilhafterweise ergibt sich dann ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis des durch den Magnetfeldsensor gelieferten Signals. Vorteilhafterweise ergibt sich dann eine hohe Dynamik des von dem Magnetfeldsensor gelieferten Signals.
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In einer bevorzugten Ausführung des Metallsensors sind die erste Spule und die zweite Spule konzentrisch angeordnet. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch ein in zwei Raumrichtungen symmetrischer Feldlinienverlauf der durch die Spulen angeregten Magnetfelder.
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In einer Ausführungsform des Metallsensors ist der Magnetfeldsensor in einer Richtung senkrecht zur Ebene des ersten Trägersubstrats mittig zwischen einer Oberseite des Stapels und einer Unterseite des Stapels angeordnet. Vorteilhafterweise kompensieren sich die durch die erste Spule und die zweite Spule angeregten Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors dann gegenseitig, falls sich kein magnetisierbares Objekt in der Umgebung des Metallsensors befindet.
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In einer Ausführungsform des Metallsensors weist das erste Trägersubstrat eine Ausnehmung auf, wobei der Magnetfeldsensor in der Ausnehmung angeordnet ist. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine besonders kompakte Ausführung des Metallsensors.
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In einer Weiterbildung des Metallsensors umfasst der Metallsensor ein weiteres Trägersubstrat, wobei die erste Spule und die zweite Spule weitere Abschnitte umfassen, die auf dem weiteren Trägersubstrat angeordnet sind. Vorteilhafterweise erhöhen sich dadurch die Feldstärken der durch die erste Spule und die zweite Spule anregbaren Magnetfelder.
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In einer Weiterbildung des Metallsensors umfasst der Stapel eine Mehrzahl weitere Trägersubstrate mit weiteren Spulenabschnitten. Vorteilhafterweise lassen sich dadurch die Feldstärken der durch die erste Spule und die zweite Spule anregbaren Magnetfelder vervielfachen.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Metallsensors umfasst der Stapel eine Mehrzahl weitere Trägersubstrate mit weiteren Spulenabschnitten, wobei die weiteren Trägersubstrate eine sich periodisch wiederholende Struktur innerhalb des Stapels bilden. Vorteilhafterweise lässt sich die durch den Metallsensor anregbare Magnetfeldstärke dann einfach durch eine Wiederholung der periodischen Struktur skalieren.
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In einer Ausgestaltung des Metallsensors sind die erste Spule und die zweite Spule in Reihe geschaltet. Vorteilhafterweise ist dadurch sichergestellt, dass die erste Spule und die zweite Spule unabhängig von äußeren Einflüssen stets von der gleichen elektrischen Stromstärke durchflossen werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 bis 8 schematische Darstellungen einzelner Lagen eines Metallsensors;
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9 eine schematische Schnittansicht der zu einem Stapel zusammengefügten Lagen des Metallsensors; und
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10 ein schematisches Messgerät mit erfindungsgemäßem Metallsensor.
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1 bis 8 zeigen schematische Darstellungen einzelner Lagen eines mehrlagig aufgebauten Metallsensors 100. Der Metallsensor 100 kann zum Auffinden von magnetisierbaren, beispielsweise metallischen, Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich dienen. Die zu detektierenden Objekte können beispielsweise eine Entfernung von 10 cm oder 20 cm vom Metallsensor 100 haben.
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Jede der in 1 bis 8 dargestellten Lagen ist als dünne Schicht ausgebildet und weist auf einer Oberfläche der jeweiligen Lage angeordnete leitende Strukturen auf. Diese können z.B. aus Kupfer bestehen. Die einzelnen Lagen können beispielsweise aus Leiterplatten-Trägermaterial, aus Dünn- oder Dickschichtkeramiken (beispielsweise LTCC-Technologie), aus faltbaren Polymersubstraten oder aus einem anderen Material bestehen. Die leitenden Strukturen können beispielsweise aufgedruckt sein. Alternative Herstellungsmethoden umfassen beispielsweise Fräsen, Laserfräsen, Photolithographie und Ätzen. Die als dünne Schichten ausgebildeten Lagen weisen bevorzugt Dicken zwischen 100 µm und 5 mm auf.
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1 zeigt eine Aufsicht auf eine erste Lage 110. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine zweite Lage 120. 3 zeigt eine Aufsicht auf eine dritte Lage 130. In 1 bis 3 ist jeweils eine auf einer Oberseite der jeweiligen Lage 110, 120, 130 angeordnete Struktur dargestellt. 4 zeigt eine Aufsicht auf eine Oberseite 171 einer Mittellage 170 und die auf dieser Oberseite 171 angeordneten Strukturen. 5 zeigt in einer Durchsicht auf einer Unterseite 172 der Mittellage 170 angeordnete Strukturen. 6 zeigt eine Durchsicht einer vierten Lage 140. 7 zeigt eine Durchsicht einer fünften Lage 150. 8 zeigt eine Durchsicht einer sechsten Lage 160. 6 bis 8 zeigen in Durchsicht jeweils Strukturen, die auf einer Rückseite der jeweils dargestellten Lage 140, 150, 160 angeordnet sind.
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Der Metallsensor 100 umfasst eine äußere Spule 300 und eine innere Spule 400. Die Spulen 300, 400 sind jeweils kreisförmig ausgebildet und zueinander konzentrisch angeordnet. Es wäre jedoch auch möglich, die Spulen 300, 400 anders als kreisförmig auszubilden und/oder nicht konzentrisch zueinander anzuordnen. Die äußere Spule 300 weist einen größeren Durchmesser auf als die innere Spule 400. Die äußere Spule 300 umfasst einen ersten Abschnitt 310, der auf der ersten Lage 110 angeordnet ist, einen zweiten Abschnitt 320, der auf der zweiten Lage 120 angeordnet ist, einen dritten Abschnitt 330, der auf der dritten Lage 130 angeordnet ist, einen vierten Abschnitt 340, der auf der vierten Lage 140 angeordnet ist, einen fünften Abschnitt 350, der auf der fünften Lage 150 angeordnet ist, und einen sechsten Abschnitt 360, der auf der sechsten Lage 160 angeordnet ist. Die innere Spule 400 umfasst einen ersten Abschnitt 410, der auf der ersten Lage 110 angeordnet ist, einen zweiten Abschnitt 420, der auf der zweiten Lage 120 angeordnet ist, einen dritten Abschnitt 430, der auf der dritten Lage 130 angeordnet ist, einen vierten Abschnitt 440, der auf der vierten Lage 140 angeordnet ist, einen fünften Abschnitt 450, der auf der fünften Lage 150 angeordnet ist, und einen sechsten Abschnitt 460, der auf der sechsten Lage 160 angeordnet ist.
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Der erste Abschnitt 310 der äußeren Spule 300 weist an seinem äußeren Ende einen ersten elektrischen Kontakt 311 auf. Vom ersten Kontakt 311 ausgehend verläuft der erste Abschnitt 310 der äußeren Spule 300 im Uhrzeigersinn nach innen, wo er über eine erste Verbindung 312 leitend mit einem äußeren Ende des ersten Abschnitts 410 der inneren Spule 400 verbunden ist. Von der ersten Verbindung 312 verläuft der innere Abschnitt 410 der inneren Spule 400 entgegen des Uhrzeigersinns weiter nach innen bis zu einem ersten elektrischen Kontakt 411 des ersten Abschnitts 410 der inneren Spule 400. Der zweite Abschnitt 320 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 321 auf, ab dem sich der zweite Abschnitt 320 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial innen liegenden zweiten Kontakt 322 erstreckt. Der zweite Abschnitt 420 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 421 auf, ab dem sich der zweite Abschnitt 420 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial äußeren zweiten Kontakt 422 erstreckt. Der dritte Abschnitt 330 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 331 auf, ab dem sich der dritte Abschnitt 330 im Uhrzeigersinn bis zu einem zweiten Kontakt 332 erstreckt. Der dritte Abschnitt 430 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 431 auf, ab dem sich der dritte Abschnitt 430 im Uhrzeigersinn bis zu einem zweiten Kontakt 432 erstreckt, der radial außen liegt. Der vierte Abschnitt 340 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 341 auf, ab dem sich der vierte Abschnitt 340 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial innen liegenden zweiten Kontakt 342 erstreckt. Der vierte Abschnitt 440 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 441 auf, ab dem sich der vierte Abschnitt 440 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial außen liegenden zweiten Kontakt 442 erstreckt. Der fünfte Abschnitt 350 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 351 auf, ab dem sich der fünfte Abschnitt 350 im Uhrzeigersinn bis zu einem radial innen liegenden zweiten Kontakt 352 erstreckt. Der fünfte Abschnitt 450 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 451 auf, ab dem sich der fünfte Abschnitt 450 im Uhrzeigersinn bis zu einem radial außen liegenden zweiten Kontakt 452 erstreckt. Der sechste Abschnitt 360 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 361 auf, ab dem sich der sechste Abschnitt 360 entgegen des Uhrzeigersinns radial nach innen erstreckt. Der sechste Abschnitt 460 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 461 auf, ab dem sich der sechste Abschnitt 460 der inneren Spule 400 entgegen des Uhrzeigersinns radial nach außen erstreckt. Das radial äußere Ende des sechsten Abschnitts 460 der inneren Spule 400 ist über eine zweite Verbindung 362 elektrisch leitend mit dem radial inneren Ende des sechsten Abschnitts 360 der äußeren Spule 300 verbunden.
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9 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Stapel 101, der aus den Lagen 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170 der 1 bis 8 gebildet ist. Hierbei sind die Lagen 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170 in einer z-Richtung 104 übereinander angeordnet. Die z-Richtung 104 ist also senkrecht zur Zeichnungsebene der 1 bis 8 orientiert. Der Stapel 101 weist eine erste Oberfläche 102 auf, die durch eine Oberfläche der ersten Lage 110 gebildet wird, und eine der ersten Oberfläche 102 gegenüberliegende zweite Oberfläche 103, die durch eine Oberfläche der sechsten Lage 160 gebildet wird. Im Einzelnen folgen im Stapel 101 aufeinander die erste Lage 110, ein erstes Exemplar der zweiten Lage 120, ein erstes Exemplar der dritten Lage 130, ein zweites Exemplar der zweiten Lage 120, ein zweites Exemplar der dritten Lage 130, die Mittellage 170, ein erstes Exemplar der vierten Lage 140, ein erstes Exemplar der fünften Lage 150, ein zweites Exemplar der vierten Lage 140, ein zweites Exemplar der fünften Lage 150 und die sechste Lage 160. Die ersten Exemplare der zweiten Lage 120 und der dritten Lage 130 bilden ein erstes Paket 210. Die zweiten Exemplare der zweiten Lage 120 und der dritten Lage 130 bilden ein zweites Paket 220. Die ersten Exemplare der vierten Lage 140 und der fünften Lage 150 bilden ein drittes Paket 230. Die zweiten Exemplare der vierten Lage 140 und der fünften Lage 150 bilden ein viertes Paket 240. Das erste Paket 210 und das zweite Paket 220 entsprechen einander somit in ihrem Aufbau. Ebenso entsprechen das dritte Paket 230 und das vierte Paket 240 einander in ihrem Aufbau. Das erste Paket 210 und das zweite Paket 220 bilden eine erste periodische Struktur, die im in 9 beispielhaft dargestellten Stapel 101 zweimal hintereinander auftritt. Die erste periodische Struktur könnte auch gar nicht, nur einmal oder häufiger als zweimal auftreten. Das dritte Paket 230 und das vierte Paket 240 bilden eine zweite periodische Struktur, die im beispielhaften Stapel 101 ebenfalls zweimal auftritt. Auch die zweite periodische Struktur könnte weniger häufig oder häufiger als zweimal auftreten. Der Wiederholungsfaktor der zweiten periodischen Struktur kann sich auch vom Wiederholungsfaktor der ersten periodischen Struktur unterscheiden.
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Die erste Lage 110 weist eine erste äußere Durchkontaktierung 315 auf, die durch die erste Lage 110 verläuft und den ersten Kontakt 311 des ersten Abschnitts 310 der äußeren Spule 300 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 321 des zweiten Abschnitts 320 der äußeren Spule 300 auf der zweiten Lage 120 verbindet. Außerdem weist die erste Lage 110 eine erste innere Durchkontaktierung 415 auf, die den ersten Kontakt 411 des ersten Abschnitts 410 der inneren Spule 400 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 421 des zweiten Abschnitts 420 der inneren Spule 400 verbindet. Die zweite Lage 120 weist eine zweite äußere Durchkontaktierung 325 auf, die den zweiten Kontakt 322 des zweiten Abschnitts 320 der äußeren Spule 300 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 332 des dritten Abschnitts 330 auf der dritten Lage 130 verbindet. Außerdem weist die zweite Lage 120 eine zweite innere Durchkontaktierung 425 auf, die den ersten Kontakt 421 des zweiten Abschnitts 420 der inneren Spule 400 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 431 des dritten Abschnitts 430 der inneren Spule 400 auf der dritten Lage 130 verbindet. Die dritte Lage 130 weist eine dritte äußere Durchkontaktierung 335 auf, die den ersten Kontakt 331 des dritten Abschnitts 330 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 321 des zweiten Abschnitts 320 auf der zweiten Lage 120 bzw. elektrisch leitend mit einem ersten Kontakt 173 auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 verbindet. Außerdem weist die dritte Lage 130 eine dritte innere Durchkontaktierung 435 auf, die den ersten Kontakt 431 des dritten Abschnitts 430 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 421 des zweiten Abschnitts 420 auf der zweiten Lage 120 bzw. elektrisch leitend mit einem zweiten Kontakt 174 auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 verbindet. Die Mittellage 170 weist eine siebte Durchkontaktierung 177 auf, die den zweiten Kontakt 174 auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 elektrisch leitend mit einem vierten Kontakt 176 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 verbindet. Die vierte Lage 140 weist eine vierte äußere Durchkontaktierung 345 auf, die einen dritten Kontakt 175 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 341 des vierten Abschnitts 340 der äußeren Spule 300 verbindet. Beim zweiten Exemplar der vierten Lage 140 verbindet die vierte äußere Durchkontaktierung 345 den ersten Kontakt 341 des vierten Abschnitts 340 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 351 des fünften Abschnitts 350 der äußeren Spule 300 auf der fünften Lage 150. Außerdem weist die vierte Lage 140 eine vierte innere Durchkontaktierung 445 auf, die den ersten Kontakt 441 des vierten Abschnitts 440 elektrisch leitend mit dem vierten Kontakt 176 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 verbindet. Beim zweiten Exemplar der vierten Lage 140 verbindet die vierte innere Durchkontaktierung 445 den ersten Kontakt 441 des vierten Abschnitts 440 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 451 des fünften Abschnitts 450 auf der fünften Lage 150. Die fünfte Lage 150 weist eine fünfte äußere Durchkontaktierung 355 auf, die den zweiten Kontakt 352 des fünften Abschnitts 350 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 342 des vierten Abschnitts 340 verbindet. Außerdem weist die fünfte Lage 150 eine fünfte innere Durchkontaktierung 455 auf, die den zweiten Kontakt 452 des fünften Abschnitts 450 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 442 des vierten Abschnitts 440 verbindet. Die sechste Lage 160 weist eine sechste äußere Durchkontaktierung 365 auf, die den ersten Kontakt 361 des sechsten Abschnitts 360 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 351 des fünften Abschnitts 350 verbindet. Außerdem weist die sechste Lage 160 eine sechste innere Durchkontaktierung 465 auf, die den ersten Kontakt 461 des sechsten Abschnitts 460 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 451 des fünften Abschnitts 450 verbindet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Stapels 101 sind die Durchkontaktierungen 177, 315, 325, 335, 345, 355, 365, 415, 425, 435, 445, 455, 465 als vergrabene Durchkontaktierungen (buried via) ausgebildet. Es wäre jedoch auch möglich, Durchkontaktierungen anderer Art vorzusehen.
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Die erste Lage 110 weist ferner eine Mehrzahl von Kontaktflächen 190 auf, die im Stapel 101 auf der ersten Oberfläche 102 angeordnet und damit einer externen elektrischen Kontaktierung zugänglich sind. Über die Kontaktflächen 190 kann der Stapel 101 des Metallsensors 100 mit Strom beaufschlagt werden. Außerdem können über die Kontaktflächen 190 von einem Magnetfeldsensor des Metallsensors 100 ausgegebene Messsignale ausgelesen werden, wie unten erläutert wird. Sämtliche Lagen 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170 des Stapels 101 weisen Anschluss-Durchkontaktierungen 191 auf, die elektrisch leitende Verbindungen zu den Kontaktflächen 190 durch den Stapel 101 führen. Es wäre auch möglich, die Anschluss-Durchkontaktierungen 191 lediglich in der ersten Lage 110, der zweiten Lage 120, der dritten Lage 130 und der Mittellage 170 vorzusehen. Auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 ist der erste Kontakt 173 elektrisch leitend mit einer der Kontaktflächen 190 verbunden. Auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 ist der dritte Kontakt 175 elektrisch leitend mit einer weiteren Kontaktfläche der Kontaktflächen 190 verbunden.
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Wird eine elektrische Spannung zwischen der mit dem ersten Kontakt 173 verbundenen Kontaktfläche 190 und der mit dem dritten Kontakt 175 elektrisch leitend verbundenen Kontaktfläche 190 angelegt, so wird ein elektrischer Stromfluss durch die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 ermöglicht. Dabei fließt der elektrische Strom vom ersten Kontakt 173 über die dritte äußere Durchkontaktierung 335, den ersten Kontakt 331, im Uhrzeigersinn durch den dritten Abschnitt 330, über den zweiten Kontakt 332, die zweite äußere Durchkontaktierung 325, den zweiten Kontakt 322, im Uhrzeigersinn durch den zweiten Abschnitt 320, über den ersten Kontakt 321, die erste äußere Durchkontaktierung 315, den ersten Kontakt 311, im Uhrzeigersinn durch den ersten Abschnitt 310, über die erste Verbindung 312, gegen den Uhrzeigersinn durch den ersten Abschnitt 410 der inneren Spule 400, über den ersten Kontakt 411, die erste innere Durchkontaktierung 415, den ersten Kontakt 421, gegen den Uhrzeigersinn durch den zweiten Abschnitt 420, durch den zweiten Kontakt 422, die zweite innere Durchkontaktierung 425, den zweiten Kontakt 432, gegen den Uhrzeigersinn durch den dritten Abschnitt 430, durch den ersten Kontakt 431, die dritte innere Durchkontaktierung 435, den zweiten Kontakt 174, die siebte Durchkontaktierung 177, den vierten Kontakt 176, die vierte innere Durchkontaktierung 445, den ersten Kontakt 441, gegen den Uhrzeigersinn durch den vierten Abschnitt 440 der inneren Spule 400, durch den zweiten Kontakt 442, die fünfte innere Durchkontaktierung 455, den zweiten Kontakt 452, gegen den Uhrzeigersinn durch den fünften Abschnitt 450, durch den ersten Kontakt 451, die sechste innere Durchkontaktierung 465, den ersten Kontakt 461, gegen den Uhrzeigersinn durch den sechsten Abschnitt 460, durch die zweite Verbindung 362, im Uhrzeigersinn durch den sechsten Abschnitt 360 der äußeren Spule 300, durch den ersten Kontakt 361, die sechste äußere Durchkontaktierung 365, den ersten Kontakt 351, im Uhrzeigersinn durch den fünften Abschnitt 350, durch den zweiten Kontakt 352, die fünfte äußere Durchkontaktierung 355, den zweiten Kontakt 342, im Uhrzeigersinn durch den vierten Abschnitt 340, durch den ersten Kontakt 341, die vierte äußere Durchkontaktierung 345 zum dritten Kontakt 175. Selbstverständlich kann der Strom auch in die umgekehrte Richtung fließen. Im erläuterten Beispiel werden alle Abschnitte 310, 320, 330, 340, 350, 360 der äußeren Spule 300 im Uhrzeigersinn durchströmt, während alle Abschnitte 410, 420, 430, 440, 450, 460 der inneren Spule 400 gegen den Uhrzeigersinn von Strom durchflossen werden. Somit sind die durch die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 generierten Magnetfelder einander entgegengesetzt. Die Windungszahlen der äußeren Spule 300 und der inneren Spule 400 und die Durchmesser der Spulen 300, 400 sind so gewählt, dass sich diese Magnetfelder in der Mitte des Stapels 101 in z-Richtung 104 gegenseitig kompensieren.
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Die erste Lage 110, die zweite Lage 120 und die dritte Lage 130 weisen im Zentrum der äußeren Spule 300 und der inneren Spule 400 jeweils eine Ausnehmung 180 auf, die sich somit im Stapel 101 von der ersten Oberfläche 102 entgegen der z-Richtung 104 bis in das Zentrum des Stapels 101 erstreckt. In der Ausnehmung 180 ist ein Magnetfeldsensor 181 angeordnet, der ausgebildet ist, eine Amplitude eines in z-Richtung 104 orientierten Magnetfelds zu detektieren. Der Magnetfeldsensor 181 kann beispielsweise ein magnetoresistiver Magnetfeldsensor sein. Der Magnetfeldsensor 181 ist auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 elektrisch leitend mit Sensorkontakten 179 verbunden, die wiederum über die Anschluss-Durchkontaktierungen 191 mit Kontaktflächen 190 in Verbindung stehen. Die Mittellage 170 weist außerdem eine achte Durchkontaktierung 178 auf, über die einige der Sensorkontakte 179 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 mit den Anschluss-Durchkontaktierungen 191 verbunden sind. Grund hierfür ist die symmetrisch auf die Oberseite 171 und die Unterseite 172 der Mittellage 170 verteilte Führung der Zuleitungen zum Magnetfeldsensor 181, durch die ein induktives Einkoppeln des durch die Spulen 300, 400 erzeugten Magnetfelds in das an diesen Leitungen anliegende Sensor-Messsignal vermieden wird. Die sensitive Ebene des Magnetfeldsensors 181 ist in z-Richtung 104 möglichst genau im Zentrum des Stapels 101 angeordnet. Nötigenfalls können die vierte Lage 140 und die fünfte Lage 150 eine geringere Zahl an Wiederholungen aufweisen als die zweite Lage 120 und die dritte Lage 130.
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Der anhand der 1 bis 9 erläuterte Metallsensor 100 hat den Vorteil, dass durch die Aufteilung der äußeren Spule 300 und der inneren Spule 400 in unterschiedliche Abschnitte ein hohes Magnetfeld auch mit kleinen Spulendurchmessern und geringen Windungszahlen erreicht werden kann. Die Zusammensetzung des Stapels 101 aus verschiedenen Lagen 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170 hat den Vorteil, dass sich erforderliche Fertigungstoleranzen leicht erzielen lassen. In der beschriebenen Ausführungsform des Metallsensors 100 sind die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 seriell verschaltet. Es wäre jedoch auch möglich, die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 getrennt voneinander zu bestromen. Es wäre auch möglich, weitere Spulen zur Kompensation vorzusehen. Ebenfalls denkbar ist, den Magnetfeldsensor 181 in z-Richtung 104 nicht im Zentrum des Stapels 101 anzuordnen. Auch könnten mehrere Magnetfeldsensoren 181 an unterschiedlichen Orten angeordnet sein, an denen das durch die Spulen 300, 400 erzeugte Magnetfeld bei Abwesenheit eines magnetisierbaren Objekts jeweils kompensiert wird. Die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 könnten auch in asymmetrischer Weise auf die einzelnen Lagen 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170 des Stapels 101 verteilt werden.
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10 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Messgeräts 500, das einen Metallsensor 100 der vorgenannten Art umfasst. Das Messgerät 500 ist als handgehaltenes Messgerät ausgebildet und dient zur Detektion von in einem Medium eingeschlossenen Objekten. Beispielsweise kann das Messgerät 500 zum Auffinden von metallischen oder magnetisierbaren Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich dienen.
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Das Messgerät 500 weist ein Gehäuse 510 auf. Innerhalb des Gehäuses 510 ist der Metallsensor 100 angeordnet. Das Gehäuse 510 weist eine Anzeigevorrichtung 520 auf, die dazu dienen kann, einem Benutzer des Messgeräts 500 ein Vorhandensein eines detektierten Objekts anzuzeigen. Die Anzeigevorrichtung 520 kann beispielsweise ein Bildschirm oder eine Leuchtdiode sein. Das Messgerät 500 weist außerdem ein Bedienelement 530 auf, mit dem ein Benutzer des Messgeräts 500 das Messgerät 500 ein-, aus- und umschalten kann. Ferner weist das Gehäuse 510 des Messgeräts 500 eine Markierungshilfe 540 auf, die als durch das Messgerät 500 verlaufender Durchbruch ausgebildet ist. Wird das Messgerät 500 durch einen Benutzer beispielsweise an einer Wand entlang geführt, und detektiert das Messgerät 500 ein Vorhandensein eines in der Wand befindlichen Gegenstands, so kann der Benutzer des Messgeräts 500 die Position des detektierten Objekts durch den Durchbruch der Markierungshilfe 540 markieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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