DE102013011160A1

DE102013011160A1 - Anordnung und Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases

Info

Publication number: DE102013011160A1
Application number: DE201310011160
Authority: DE
Inventors: Sebastian Weber; Jochen Schmitt; Jürgen Rühl
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, in einem aus diamagnetischem Material ausgebildeten Strömungskanal (2) mit rechteckförmigem Querschnitt umfasst mindestens einen Elektromagneten (21), der ein das paramagnetische Gas anregendes, magnetisches Wechselfeld im Bereich des Strömungskanals (2, 2b, 2c, 2e) erzeugt und wenigstens ein außerhalb des Strömungskanals (2) angeordnetes magnetoresistives Sensorteilelement, dessen Empfindlichkeitsrichtung senkrecht zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld steht. Mit einer Auswerteschaltung wird die Widerstandsänderung des wenigstens einen magnetoresistiven Sensorteilelements infolge der Anregung des paramagnetischen Gases erfasst. Eine gerade Anzahl von mindestens zwei magnetoresistiven Sensorteilelementen (4.1, 4.2) ist symmetrisch zu dem Strömungskanal (2, 2b, 2c, 2e) angeordnet und elektrisch in einer Gradientenanordnung geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
Bekanntes Funktionsprinzip einer solchen Anordnung, die auch als anisotroper magnetoresistiver Effekt-Magnetfeldsensor bezeichnet werden kann, ist die Ablenkung eines magnetischen Feldes durch ein paramagnetisches Gas in einem Strömungskanal, der orthogonal zu dem das Gas beaufschlagenden bzw. anregenden Magnetfeld verläuft (Veröffentlichung: Mikrosystemtechnik Kongress 2011, 10.–12.10.2011 in Darmstadt, ISBN 978-3-8007-3367-5 VDE Verlag GmbH Berlin/Offenbach). Aufgrund des anregenden Magnetfelds wird eine signifikante, außerhalb des Strömungskanals erfassbare Magnetfeldkomponente erzeugt, die orthogonal zu dem anregenden Magnetfeld gerichtet ist. Diese Magnetfeldkomponente ist mit einem magnetoresistiven richtungsempfindlichen Magnetfeldsensor erfassbar, der aus magnetoresistiven Sensorteilelementen in einer Brückenschaltung besteht. Nach diesem an sich vorteilhaften paramagnetischen Messprinzip wird nur ein schwaches für die Konzentration eines paramagnetischen Gases signifikantes Magnetfeld orthogonal zu dem anregenden Magnetfeld erzeugt, wobei ersteres typisch fünf bis sieben Größenordnungen kleiner als das anregende Magnetfeld ist. Um ein dennoch ausreichendes Messsignal zu erzeugen, ist eine asymmetrische Position des Magnetfeldsensors zu dem Strömungskanal vorgesehen.
Dementsprechend ist auch eine bekannte Komponente für eine Vorrichtung zur Bestimmung des Anteils an Sauerstoff in einem Gas gemäß EP 2 320 243 B1 , mit einem als Vollbrücke geschalteten AMR Magnetfeldsensor ausgebildet, in Richtung dessen empfindlicher Achse ein anregendes Magnetfeld und der Strömungskanal asymmetrisch zueinander angeordnet sind. Außer AMR Magnetfeldsensoren, die auf dem anisotropen Magnetowiderstandseffekt beruhen, ist auch speziell die Verwendung von TMR-Magnetfeldsensoren vorgeschlagen, die auf dem Prinzip des magnetischen Tunnelwiderstands beruhen. Im Rahmen des Grundgedankens, der der Komponente für die Vorrichtung zur Bestimmung des Anteils an Sauerstoff in einem Gas zugrundeliegt, kommen auch GMR-Sensoren in Betracht, die auf dem Riesen-Magnetowiderstandseffekt beruhen. Weiterhin ist es im Zusammenhang mit einer solchen Komponente zur Bestimmung des Anteils an Sauerstoff in einem Gas bekannt, als anregendes Magnetfeld ein moduliertes Magnetfeld mit einem Elektromagneten zu erzeugen, um ein Rauschen des mit dem Magnetfeldsensor erzeugten Messsignals herabzusetzen und eine empfindliche und genaue Bestimmung insbesondere eines Sauerstoffanteils in einem Gas bzw. der Sauerstoffkonzentration zu ermöglichen. Gleichwohl kann das Messsignal noch durch Störeinflüsse beeinflusst werden, welche die Genauigkeit der Bestimmung der Konzentration von paramagnetischen Gasen, insbesondere Sauerstoffgas, herabsetzen.
Zu solchen Störursachen gehören äußere niederfrequente Störfelder, das Erdmagnetfeld sowie eine Verkippung des Magnetfeldsensors bzw. dessen magnetoresistiver Widerstandselemente gegenüber dem anregenden Magnetfeld.
Um ein unkompliziertes Magnetfeldmessgerät mit vier magnetoresistiven Sensorelementen in Brückenschaltung zu schaffen, welches von Herstellungstoleranzen und Temperaturdrift der Sensorelemente möglichst unabhängige Magnetfeldmesswerte erzeugt, ist es bekannt, eine auf die Brückenschaltung wirkende Magnetisierungsspule mit Stromimpulsen zu speisen, so dass sich mit jedem Impuls die magnetische Vorzugsrichtung von Sensorelement-Paaren der Brückenschaltung ändert ( DE 34 42 278 C2 ). Ein solches Magnetfeldmessgerät umfasst auch eine Auswerteschaltung, die aus einem mit einem Nullzweig der Brückenschaltung verbundenen phasenempfindlichen Gleichrichter bestehen kann, welcher die Amplitude und Phasenlage der am Nullzweig anliegenden Wechselspannung erfasst und über eine Anzeigevorrichtung anzeigt. Ein solches Magnetfeldmessgerät ist allerdings nicht zur Bestimmung der Konzentration von paramagnetischen Gasen vorgesehen und geeignet.
Kompensationsverfahren zur Messung von Magnetfeldgradienten und damit verbundener Größen sind ebenfalls an sich bekannt: Gemäß der DE 197 22 834 A1 werden die mittels einer Wheatstone-Brücke aus Reihenschaltungen von magnetoresistiven Schichtstreifen gemessenen Magnetfelder mit einem Steuerstrom bzw. Kompensationsstrom kompensiert. Hierzu befinden sich über oder unter den magnetoresistiven Schichtstreifen isolierte Dünnschicht-Streifenleiter, durch die der messbare Steuerstrom bzw. Kompensationsstrom fließen kann, der somit ein Maß für den Magnetfeldgradienten darstellt. Dieses magnetoresistive Gradiometer wird jedoch nicht in einer Anordnung zur Bestimmung des Anteils an paramagnetischen Gasen in einem Strömungskanal eingesetzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass Störeinflüsse, zu denen die weiter oben erwähnten äußeren Störeinflüsse gehören, zumindest herabgesetzt, wenn nicht beseitigt werden.
Diese Aufgabe wird durch die Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einer Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, in einem aus diamagnetischem Material ausgebildeten Strömungskanal mit rechteckförmigem Querschnitt mittels mindestens eines ein das paramagnetische Gas anregende, magnetische Wechselfeld im Bereich des Strömungskanals erzeugenden Elektromagneten und wenigstens eines außerhalb des Strömungskanals angeordneten magnetoresistiven Sensorteilelements, dessen Empfindlichkeitsrichtung senkrecht zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld steht, sowie mit einer Auswerteschaltung, mit der die Widerstandsänderung des wenigstens einen magnetoresistiven Sensorteilelements infolge der Anregung des paramagnetischen Gases erfassbar ist, ausgegangen.
Die Anordnung ist mit den besonderen Merkmalen ausgebildet, dass strukturell eine gerade Anzahl von mindestens zwei magnetoresistiven Sensorteilelementen symmetrisch zu dem Strömungskanal angeordnet sind und elektrisch in einer Gradientenanordnung angeordnet sind. Mit den mindestens zwei Sensorteilelementen kann eine Gradientenmessung zwischen den mit ihnen erfassten magnetischen Feldstärkenkomponenten in ihren Empfindlichkeitsrichtungen rechtwinklig zu der Richtung des anregenden, möglichst homogenen magnetischen Wechselfelds an den Positionen der mindestens zwei Sensorteilelemente symmetrisch zu dem Strömungskanal erfolgen, wobei die Symmetrieachse in Richtung des Verlaufs des Strömungskanals bzw. der virtuellen Hauptachse der Anordnung liegt.
Das magnetische Wechselfeld, das sich insbesondere zeitlich sinusförmig oder rechteckförmig ändern kann, wird auch als moduliertes Magnetfeld bezeichnet. Bei rechteckförmigem Verlauf des magnetischen Wechselfelds können anders als bei sinusförmigem Verlauf in den mit den magnetoresistiven Sensorteilelementen erzeugten Signalen Störspitzen auftreten, deren Beseitigung mit Filtern möglich ist.
Die Gradientenanordnung der mindestens zwei magnetoresistiven Sensorteilelemente umfasst insbesondere eine elektrische Schaltungsanordnung, in der ein Messsignal entsprechend der Differenz oder des Gradienten der mit den mindestens zwei Sensorteilelementen erzeugten Signale, die jeweils der von ihnen erfassten magnetischen örtlichen Feldstärkenkomponente entsprechen, gebildet wird.
Bevorzugt sind die symmetrisch zu dem Strömungskanal bzw. dessen fiktiver Hauptachse angeordneten magnetoresistiven Sensorteilelemente jeweils eines Paars nach Anspruch 2 im Wesentlichen identisch. Dies fördert eine einfache, wirksame Minimierung von Störeinflüssen.
Besonders vorteilhaft ist die Wechselfeldanregung kombiniert mit einer synchron gesteuerten phasenempfindliche Verarbeitung des Messsignals, nämlich eines Wechselsignals, welches aus der Wechselfeldanregung der Sensorteilelemente resultiert, mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter nach Anspruch 14, wonach die Anordnung in Verbindung mit ihrer Auswerteschaltung geeignet ist, ein Ausgangssignal einer zeitlich konstanten Polarität zu erzeugen, das mit dem anregenden magnetischen Wechselfeld phasensynchron korreliert ist. Damit kann der Nutzanteil des Messsignals in einem Ausgangssignal der Anordnung bzw. der Auswerteschaltung hervorgehoben werden.
Zumindest bei einer Anordnung von mindestens zwei magnetoresistiven Sensorteilelementen in gerader Anzahl symmetrisch zu dem Strömungskanal auf einem als Einheit montierbaren Sensorelement nach Anspruch 6 kann der Einfluss eines Störfelds, welches durch Verkippung entsteht und für die Sensorteilelemente auf beiden Seiten des Strömungskanals gleich orientiert ist, durch Differenzbildung oder Quotientenbildung der Signale aus den Sensorteilelementen in der Gradientenanordnung weitgehend eliminiert werden. Außerdem werden zum Beispiel äußere niederfrequente Störfelder und das permanent vorhandene Erdmagnetfeld als Störeinflüsse weitestgehend herabgesetzt. Zumindest letztere vorteilhafte Wirkungen werden auch in dem Fall erzielt, in dem die magnetoresistiven Sensorteilelemente nicht auf einem als einzige Einheit montierbaren und elektrisch kontaktierbaren Sensorelement aufgebracht sind, sondern z. B. auf je einem Sensorelement an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals.
Die Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, ist vielfältig gewerblich anwendbar, z. B. zur Bestimmung des Anteils von Sauerstoffgas in einem Prozessgas oder in der Medizintechnik.
Zum Erzielen einer relativ hohen Empfindlichkeit der Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases beträgt nach Anspruch 3 der Abstand der symmetrisch zu dem Strömungskanal angeordneten Sensorteilelemente zueinander weniger als das Doppelte der Kanalbreite des Strömungskanals, jedoch mindestens die Hälfte der Kanalbreite. Damit wird auch erreicht, dass Störfelder in weitgehend gleicher Weise auf die symmetrisch zu dem Strömungskanal angeordneten Sensorteilelemente einwirken und durch die Gradientenanordnung weitestgehend eliminiert werden.
Die vorgenannten Vorteile der Gradientenanordnung werden mit verhältnismäßig geringem Aufwand bereits dadurch erzielt, dass gemäß Anspruch 4 jedes der beiden magnetoresistiven Sensorteilelemente mindestens zwei magnetoresistive Widerstandselemente mit entgegengesetzter Empfindlichkeitsrichtung umfasst, die eine Halbbrückenschaltung bilden. Die Gradientenanordnung kann mit mindestens zwei solchen Halbbrückenschaltungen realisiert werden, die symmetrisch zu dem Strömungskanal angeordnet sind und Teile einer Schaltungsanordnung zu einer Differenzbildung sind.
Die Empfindlichkeit der Anordnung kann zur Bildung des resultierenden Messsignals und zur Unterdrückung von Störeinflüssen dadurch nach Anspruch 5 verbessert werden, dass jedes der beiden magnetoresistiven Sensorteilelementen mindestens vier magnetoresistive Widerstandselemente mit paarweise entgegengesetzter Empfindlichkeitsrichtung umfasst, die jeweils in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Solche Sensorteilelemente können auch als Feldsensoren bezeichnet werden, da mit ihnen die absolute magnetische Feldstärke an ihrer Position in Empfindlichkeitsrichtung der Vollbrückenschaltung erfasst wird.
Um das die Konzentration eines paramagnetischen Gases repräsentierende Nutzsignal oder Messsignal deutlicher von dem Widerstandsrauschen der in der Anordnung vorgesehenen magnetoresistiven Sensorteilelemente abzuheben, d. h. um das Signal-/Rauschverhältnis zu verbessern, können gemäß Anspruch 7 mehrere Sensorteilelemente nebeneinander und elektrisch parallel angeordnet werden.
Zu dem gleichen Zweck und zur Verringerung von Kippfehlern der Sensorelemente können nach Anspruch 8 mehrere Sensorelemente entlang des Strömungskanals angeordnet sein, deren Sensorteilelemente in einer zur Bildung eines Messsignals geeigneten Messsignalschaltungsanordnung als Gradientenanordnung angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft zur Vermeidung von Kippfehlern sind nach Anspruch 9 mehrere Paare von zwei magnetoresistiven Sensorteilelementen entlang des Strömungskanals auf einem einzigen Sensorelement bzw. Sensorchip angeordnet und in einer Messsignalschaltungsanordnung als Gradientenanordnung angeordnet, wobei elektrische Verbindungen in dem Sensorelement integriert sein können.
Zum Erreichen einer relativ hohen Messempfindlichkeit kann das Sensorelement der Anordnung nach Anspruch 10 in Flip-chip-Technik montiert und elektrisch kontaktiert sein, womit das Sensorelement nahe an einer Außenseite einer den Strömungskanal begrenzenden Wandung positioniert werden kann.
Zu dem gleichen vorteilhaften Zweck kann nach Anspruch 11 das Sensorelement als begrenzende Wand des Strömungskanals ausgebildet und angeordnet sein.
Generell sind zur Maximierung der Messempfindlichkeit die magnetoresistiven Sensorteilelemente nach Anspruch 12 im Wesentlichen in der Ebene der oberen Kanalwand oder der unteren Kanalwand positioniert. Die obere Kanalwand und die untere Kanalwand sind die Kanalwände, die sich über die Breite des Strömungskanals mit rechteckförmigem Querschnitt erstrecken und typisch horizontal angeordnet sind.
Da die magnetoresistiven Sensorteilelemente ein Feld bzw. eine Feldkomponente erfassen, welches von dem anregenden magnetischen Wechselfeld abhängt, sind die Signale, welche von den Sensorteilelementen in dem Wechselfeld abgegeben werden, sich entsprechend zeitlich ändernde Wechselsignale. Wenn diese Signale auch in ihrer Verknüpfung in der Schaltungsanordnung der Sensorteilelemente ein Wechselsignal ergeben, kann dieses als Messsignal gemäß Anspruch 13 von einem Signalausgang der Schaltungsanordnung der Sensorteilelemente über einen Kondensator zur weiteren Verarbeitung des Messsignals ausgekoppelt werden. Ein Nullpunktfehler oder Offset der Schaltungsanordnung, der durch die Umgebungstemperatur und/oder das Lebensdauerverhalten der Schaltungsanordnung bedingt ist, wirkt sich dann nicht genauigkeitsmindernd auf das aus dem Messsignal gebildete Ausgangssignal aus.
Wie oben erwähnt, kann der Nutzanteil des Messsignals in dem Ausgangssignal besonders ausgeprägt durch phasensynchrone Korrelation mit dem anregenden magnetischen Wechselfeld erreicht werden, wobei ein Ausgangssignal einer zeitlich konstanten Polarität erzeugt wird, dessen Betrag der Nutzanteil des Messsignals ist.
Zu diesem Zweck kann insbesondere gemäß Anspruch 15 der gemeinsame Signalausgang der Sensorteilelemente der Anordnung mit einem Messsignaleingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters verbunden sein, der mit einem Referenzsignal gleicher Frequenz und bekannter Phase – bezogen auf das magnetische Wechselfeld bzw. dessen Erregung – gesteuert wird.
Der phasenempfindliche Gleichrichter, auch als Trägerfrequenzverstärker oder Lock-in Verstärker bezeichnet, bewirkt nach dem an sich bekannten Kreuzkorrelationsprinzip eine Multiplikation des gegebenenfalls vorverstärkten Messsignals mit dem Referenzsignal und anschließend eine Tiefpassfilterung des Produktsignals. Damit sind sehr genaue empfindliche selektive Messungen möglich, wobei das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters als Gleichspannungssignal praktisch keinen Nullpunktfehler und allenfalls stark unterdrückte Störsignale wie statistisch verteiltes Rauschen aufweist.
Alternativ und weniger aufwendig als der phasenempfindliche Gleichtrichter können zu dem gleichen Zweck Mittel zur Betriebsspannungsumkehr der magnetoresistiven Sensorteilelemente synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld nach Anspruch 16 vorgesehen sein. Diese Mittel zur Betriebsspannungsumkehr können einfach aus einem taktgesteuerten Spannungsumschalter in der Bauweise eines Kreuzschalters bestehen. Grundsätzlich wird durch die Umkehr der Betriebsspannung der magnetoresistiven Teilelemente die Polarität des von einem gemeinsamen Signalausgang der Sensorteilelemente ausgekoppelten Messsignals, aus dem das Nutzsignal gebildet wird, geändert sowie die Polarität des Offsets, dem das Nutzsignal überlagert ist. Da die Betriebsspannungsumkehr gemäß Anspruch 16 synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld erfolgt, in dem der Strömungskanal angeordnet ist, so entsteht an dem gemeinsamen Signalausgang der die Anregung des Gases in dem Strömungskanal erfassenden Sensorteilelemente, insbesondere einem Brückenausgang, wenn die Sensorteilelemente als Halbbrücke oder Vollbrücke nach Anspruch 4 bzw. Anspruch 5 geschaltet sind, ein pulsierender Sinus oder eine Quasi-Gleichspannung. Ein mögliches induziertes Störsignal durch Induktion in Leiterbahnen der Anordnung der magnetoresistiven Sensorteilelemente, das dem Nutzsignal überlagert ist, kann von diesem mittels eines Tiefpassfilters getrennt werden. Ein Offset der Anordnung der Sensorteilelemente, insbesondere ein Brückenoffset, wird durch diese Maßnahme eliminiert.
Als magnetoresistive Widerstandselemente können außer AMR Magnetfeldsensoren, die auf dem anisotropen Magnetowiderstandseffekt beruhen, auch TMR Magnetfeldsensoren auf dem Prinzip des magnetischen Tunnelwiderstands, oder GMR Sensoren, die auf dem Riesenmagnetowiderstandseffekt beruhen, verwendet werden oder ummagnetisierbare (geflipte) richtungsempfindliche AMR Widerstandselemente, mit denen in der Anordnung gemäß Anspruch 17 ebenfalls die vorteilhafte Wirkung einer phasensynchronen Korrelation des Messsignals mit dem anregenden magnetischen Wechselfeld erzielbar ist.
Hierzu umfasst die Anordnung nach Anspruch 17 mit den ummagnetisierbaren (geflipten) richtungsempfindlichen AMR Widerstandselementen für jedes aus diesen gebildete magnetoresistive Sensorteilelement jeweils eine mit einem Flippuls gespeiste Ummagnetisierungsspule, in deren Magnetfeld die AMR Widerstandselemente des magnetoresistiven Sensorteilelements nach dem Flipprinzip ummagnetisierbar sind, und der Flippuls wird synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld in einem Flippulstreiber erzeugt. Infolge der durch den Flippuls hervorgerufenen Ummagnetisierung der richtungsempfindlichen AMR Widerstandselemente erfolgt in deren Signalen, die von einem gemeinsamen Signalausgang der Sensorteilelemente als Messsignal ausgekoppelt werden, bzw. Brückenspannungen bei Brückenschaltung der Sensorteilelemente, jeweils eine Phasenumkehr von 180° zwischen beiden Flipzuständen. Das Messsignal wird durch Differenzbildung zwischen zwei jeweils zu aufeinanderfolgenden Flipzuständen gehörenden Signalen bzw. Brückenspannungen gebildet. In Verbindung mit einem anregenden sinusförmige verlaufenden magnetischen Wechselfeld erhält man auch hier einen pulsierenden Sinus oder, wenn der Elektromagnet, der das magnetische Wechselfeld erzeugt, mit einem Rechtecksignal angeregt wird, eine Quasi-Gleichspannung als Messsignal, das mit einem Tiefpass zu einem geglätteten Ausgangssignal umgeformt werden kann. Ein in der Brückenspannung bzw. in dem von dem gemeinsamen Signalausgang der Sensorteilelemente ausgekoppelten Signal enthaltener Brückenoffset kann durch obige Differenzbildung oder phasenempfindliche Gleichrichtung beseitigt werden. Das Flipprinzip dient somit zur Sicherstellung eindeutiger magnetischer Betriebszustände der das Messsignal erzeugenden Sensorelemente und kann mit obigen zusätzlichen Maßnahmen zur Offseteliminierung eingesetzt werden.
Zur sicheren Erzeugung des anregenden magnetischen Wechselfelds mit einem Treiber für einen Elektromagneten und, soweit in der Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases vorhanden, synchronen Umschaltung weiterer Komponenten wie einem Umschalter zur Betriebsspannungsumkehr, einem Flippuls-Treiber und/oder einem phasenempfindlichen Gleichrichter, ist nach Anspruch 18 ein Taktgenerator vorgesehen, der mit diesen Komponenten in Verbindung steht, um sie anzusteuern.
In einer Weiterbildung der Anordnung zur Bestimmung der Konzentration von paramagnetischen Gasen nach Anspruch 19 kann die Anordnung der magnetoresistiven Sensorteilelemente zusätzlich eine Kompensationseinrichtung mit einer Spule umfassen, mittels der die durch das paramagnetische Gas verursachte, an den Orten der magnetoresistiven Sensorteilelemente in deren Empfindlichkeitsrichtung liegende Komponente des Magnetfeldes kompensierbar ist. Die hierzu in einem Regelkreis angeordnete Spule, die ein Kompensationsstrom durchfließt, erzeugt in den Sensorteilelementen ein magnetisches Feld in deren Empfindlichkeitsrichtung, mit dem ein Ausgang der Sensorteilelemente auf Null eingeregelt wird. Der hierzu benötigte Kompensationsstrom wird zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases gemessen. Er ist ein Messsignal verbesserter Linearität, in dem auch ein die exakte Bestimmung der Konzentration des paramagnetischen Gases störender Temperatureinfluss minimiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird nach Anspruch 20 zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, eine Gradientenmessung, also Messung lokaler Feldstärkeunterschiede, eines magnetischen Feldes rechtwinklig zur Richtung eines das Gas anregenden magnetischen Wechselfeldes, unter Verwendung mindestens eines Paars magnetoresistiver Sensorteilelemente durchgeführt, die symmetrisch zu einem Strömungskanal des Gases angeordnet sind. Aus dem durch die Gradientenmessung gebildeten Messsignal wird ein Ausgangssignal einer zeitlich konstanten Polarität gebildet, das zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld phasensynchron(kreuz-)korreliert ist.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, in einem Strömungskanal werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
1a eine Draufsicht auf eine Struktur einer Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases mit einem Sensorelement über einem Strömungskanal und einem Träger,
1b eine Draufsicht auf eine Struktur einer Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases mit zwei Sensorelementen, beidseitig neben dem Strömungskanal auf dem Träger,
2 die Struktur gemäß 1a in deren Schnittebene A-A,
3 die Struktur gemäß 1b in deren Schnittebene B-B,
4 eine weitere Ausführungsform ähnlich derjenigen in den 1a und 2, wobei jedoch der Strömungskanal in eine Trägerstruktur integriert ist, in einer Schnittebene analog zu der Schnittebene A-A in 1a,
5 eine Ausführungsform ähnlich derjenigen in 4, wobei jedoch zwei Sensorteilelemente beidseitig des Strömungskanals direkt auf der Trägerstruktur mit integriertem Strömungskanal angeordnet sind, in einer Schnittebene analog zu der Schnittebene A-A in 1a,
6 einen Schnitt in einer Schnittebene analog zu der Schnittebene A-A in 1a, durch eine Ausführungsform mit einem Sensorelement, welches als begrenzende Wand des Strömungskanals ausgebildet und angeordnet ist,
7 einen Schnitt in einer Schnittebene analog zu der Schnittebene A-A in 1a durch eine Ausführungsform mit einem Sensorelement, umfassend zwei Sensorteilelemente beidseitig des Strömungskanals, die auf der dem Strömungskanal zugewandten Seite des Sensorelements angeordnet sind,
8 eine schaubildliche Darstellung auf eine Ausführungsform mit vier längs eines Strömungskanals angeordneten Sensorchips bzw. Sensorelementen, von denen jeder bzw. jedes zwei Sensorteilelemente auf außen gegenüberliegenden Seiten eines Strömungskanals aufweist,
9 eine schaubildliche Darstellung wie in 8 auf eine Ausführungsform mit einem einzigen Sensorchip, auf dem vier Paare Sensorteilelemente längs des Verlaufs des Strömungskanals angeordnet sind,
10 eine vereinfacht dargestellte Messschaltungsanordnung zur Erzeugung eines Messsignals mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter, in Ergänzung der Struktur der Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases beispielsweise nach 1b und 2 zu einer Gradientenanordnung, sowie zum Steuern der Anordnung,
11 eine vereinfacht dargestellte Messschaltungsanordnung zur Erzeugung eines Messsignals mit einer Betriebsspannungsumkehr und einem ausgangsseitigen Tiefpass anstelle eines phasenempfindlichen Gleichrichters, in Ergänzung der Struktur und der Anordnung zu Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, beispielsweise nach 1b und 2 zu einer Gradientenanordnung, sowie zum Steuern der Anordnung,
12 eine vereinfacht dargestellte Messschaltungsanordnung zur Erzeugung eines Messsignals mit ummagnetisierbaren, richtungsempfindlichen AMR Widerstandselementen, mit einem ausgangsseitigen Koppelkondensator und einem Tiefpass, wiederum in Ergänzung der Struktur der Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, beispielsweise nach 1b und 2 zu einer Gradientenanordnung, sowie zum Steuern der Anordnung, und
13 eine vereinfacht dargestellte Messschaltungsanordnung zur Erzeugung eines Messsignals mit ummagnetisierbaren, richtungsempfindlichen AMR Widerstandselementen, mit einer Betriebsspannungsumkehr und mit einem ausgangsseitigen, phasenempfindlichen Gleichrichter, in Ergänzung der Struktur der Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, beispielsweise nach 1b und 2 zu einer Gradientenanordnung, sowie zum Steuern der Anordnung.
Gleiche Elemente in den verschiedenen Anordnungen bzw. Ausführungsformen sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
In den 1a und 1b ist jeweils im Wesentlichen die Struktur einer Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, bzw. zur Bestimmung des Anteils an paramagnetischem Gas in einem Gas, dargestellt.
Ein mit diamagnetischem Material begrenzter Strömungskanal 2 rechteckförmigen Querschnitts, der das Gas der zu bestimmenden Konzentration führt, ist, wie die zu 1a zugeordnete 2 sowie die zu 1b zugeordnete 3 zeigen, auf einem Träger 3 angeordnet. Der Strömungskanal kann beispielsweise aus Glas bestehen.
Zu jeder der Anordnungen 1a und 1b gehören zwei magnetoresistive Sensorteilelemente, z. B. 4.1, 4.2 in der Anordnung gemäß 1a bzw. 4.3, 4.4 in der Anordnung gemäß 1b, die symmetrisch zu dem Strömungskanal 2 angeordnet sind.
Jedes der beiden Sensorteilelemente 4.1, 4.2 in 1a weist vier magnetoresistive Widerstandselemente 5.1 bis 5.4 bzw. 5.5 bis 5.8 auf, die jeweils mit paarweise entgegengesetzter Empfindlichkeitsrichtung als je eine Vollbrücke in dem Sensorteilelement 4.1 bzw. in dem Sensorteilelement 4.2 angeordnet sind. Die jeweils entgegengesetzten Empfindlichkeitsrichtungen der magnetoresistiven Widerstandselemente 5.1 bis 5.8 zur Messung eines magnetischen Felds sind durch die verschiedenen Barberpole-Strukturen in den 1a, 1b angedeutet. Jedes der beiden Sensorteilelemente 4.1, 4.2 bzw. jede der beiden Vollbrücken ist zur Messung der Komponente eines magnetischen Felds an ihrer Position in ihren Empfindlichkeitsrichtungen geeignet.
Die magnetoresistiven Teilelemente 4.3 und 4.4 in 1b umfassen jeweils nur zwei magnetoresistive Widerstandselemente 5.11, 5.12 bzw. 5.9, 5.10 mit entgegengesetzten Empfindlichkeitsrichtungen, die jeweils in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind, so dass jedes Sensorteilelement 4.3 bzw. 4.4 ebenfalls geeignet ist, eine Komponente des magnetischen Felds an seiner Position in seinen Empfindlichkeitsrichtungen zu messen.
Die Sensorteilelemente 4.1 und 4.2 können auf einem gemeinsamen Sensorchip als ein einziges Sensorelement 6.1 einer Anordnung zur Bestimmung der Konzentration von paramagnetischen Gasen, wie in 1a dargestellt, angeordnet sein.
Statt dessen kann auch jedes der Sensorteilelemente 4.3, 4.4 auf einem eigenen Sensorelement 6.2 bzw. 6.3, angeordnet sein, wie in 1b gezeigt.
Generell sind die Sensorelemente mit je einem Sensorchip bzw. Chip ausgebildet.
Aus 2 ist die Lage des Sensorelements 6.1 über dem Strömungskanal 2 ersichtlich, der einen rechteckförmigen Querschnitt mit einer Kanalbreite 7 aufweist. Die Sensorteilelemente 4.1, 4.2 sind symmetrisch zu dem Strömungskanal 2 in einem größeren Abstand 8 als die Kanalbreite 7 angeordnet, wobei der Abstand der Sensorteilelemente 4.1, 4.2 jedoch kleiner als die doppelte Kanalbreite 7 ist.
Im Unterschied zu der Anordnung in 2 ist die Anordnung in 3 entsprechend 1b in der Weise ausgebildet, dass die Sensorelemente 6.2, 6.3 beidseitig außen neben dem Strömungskanal auf dem Träger 3 angeordnet sind und dass jeweils ein Sensorteilelement 4.4 bzw. 4.3 symmetrisch zu dem Strömungskanal 2 auf dem Sensorelement 6.2 bzw. 6.3 aufgebracht ist.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, sind die magnetoresistiven Teilelemente 4.1, 4.2 bzw. 4.3, 4.4 im Wesentlichen in der Ebene der oberen Kanalwand 2a des Strömungskanals positioniert, um eine hohe Messempfindlichkeit zu erzielen. Die Anordnung gemäß 3 kann hierzu ohne Weiteres bemessen werden. In der Anordnung gemäß 2 ist der Höhenabstand zwischen den Sensorteilelementen 4.1, 4.2 bis zu der oberen Kanalwand gleich der Dicke des Chips des Sensorelements 6.1.
In den Ausführungsformen gemäß den 4–7 ist der Strömungskanal 2b bzw. 2c durch eine Trägerstruktur 10 bzw. 10a mit integriertem Strömungskanal 2b bzw. 2c besonders kompakt ausgebildet.
Dabei ist die in 4 gezeigte Ausführungsform ähnlich derjenigen in den 1a und 2 mit nur einem Sensorelement 6.4 ausgebildet, welches direkt auf der Trägerstruktur 10 aufgebracht ist.
In der Ausführungsform gemäß 5 befinden sich die beiden Sensorteilelemente 4.1, 4.2 beidseitig des Strömungskanals 2b ohne Sensorchip eines Sensorelements dicht an dessen oberer Kanalwand 2d.
In der Ausführungsform gemäß 6 ist der Höhenabstand zwischen einem oberen Abschluss des Strömungskanals 2c und den Sensorteilelementen 4.1, 4.2 dadurch gering, dass die obere begrenzende Wand des Strömungskanals 2c durch das Sensorelement 6.5 gebildet wird.
In der Ausführungsform mit einer Trägerstruktur 10, die eine obere Kanalwand 2d aufweist, kann nach 7 der Abstand der Sensorteilelemente 4.1, 4.2 zu der Ebene der oberen Kanalwand 2d dadurch gering gehalten werden, dass die Sensorteilelemente 4.1, 4.2 gegenüber der oberen Kanalwand 2d an der Unterseite des Sensorelements 6.6 angebracht sind. Hierzu werden die Sensorteilelemente 4.1, 4.2 mit dem Sensorchip bzw. Sensorelement 6.4 verklebt und erhitzt, worauf das Sensorelement 6.6 mittels zwischen ihm und einer Außenseite der Trägerstruktur 10 angeordneten Lötkugeln 11 bis 14 auf die Trägerstruktur 10 aufgelötet werden kann.
Aus 8 ist ersichtlich, wie vier Sensorelemente 6.7 bis 6.10, die durch je einen Sensorchip realisiert sind, der symmetrisch zu einem Strömungskanal 2e jeweils zwei Sensorteilelemente, z. B. 4.5, 4.6 auf dem Sensorelement 6.7, aufweist, in Richtung des Verlaufs des Strömungskanals 2e aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Sensorteilelemente, z. B. 4.5, 4.6, der Sensorelemente 6.7 bis 6.10, sind in einer Messsignalschaltungsanordnung elektrisch so miteinander verbunden, dass sie ein Messsignal entsprechend dem Gradienten bzw. der Differenz der Magnetfeldkomponenten generieren, die durch paramagnetische Gase in dem Strömungskanal 2e unter Einwirkung eines magnetischen Wechselfelds erzeugt werden und mit den Sensorteilelementen eines Paars in deren Empfindlichkeitsrichtung symmetrisch beidseitig des Strömungskanals erfasst werden. Somit kann in der Messsignalschaltungsanordnung ein Messsignal entsprechend dem Gradienten der magnetischen Feldstärken links und rechts des Strömungskanals 2e in 8 gebildet werden. Mit dieser Anordnung der Sensorelemente 6.7 bis 6.10 bzw. deren Sensorteilelemente kann das Signal/Rauschverhältnis verbessert werden, und Montageungenauigkeiten können ausgeglichen bzw. eliminiert werden.
Die Ausführungsform gemäß 9 weist auf einem einzigen größeren Sensorelement 6.11 eine Reihe von Paaren Sensorteilelemente auf, die jeweils symmetrisch links und rechts des Strömungskanals ähnlich wie die Sensorteilelemente in 8 angeordnet sind. Zwei Sensorteilelemente sind in 9 mit 4.7, 4.8 bezeichnet. Die Sensorteilelemente bzw. deren magnetoresistiven Widerstandselemente sind mit elektrischen Verbindungen 15 verbunden, die in dem Sensorelement 6.11 verlaufen können, wie in 9 angedeutet. Mit dieser Ausführungsform wird eine besonders gleichmäßige Ausrichtung der Sensorelemente erreicht.
In den 1a, 1b ist eine Strömungsrichtung eines Gases in dem Strömungskanal 2, dessen Anteil an paramagnetischen Gasen ermittelt werden soll, mit einem Pfeil 16 angedeutet. Das Gas braucht aber zu dieser Ermittlung nicht zu strömen. Im Messbetrieb der Anordnungen gemäß den 1a, 1b wird ein das Gas in dem Strömungskanal 2 anregendes magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in den 1a, 1b auf der Zeichenebene senkrecht steht. Hierzu dient ein in 10 nur angedeuteter Elektromagnet 21. Die Komponente des magnetischen Felds, welches durch das magnetische Wechselfeld angeregte parametrische Gase in dem Strömungskanal 2 erzeugen, erfassen die magnetoresistiven Widerstandselemente 5.1 bis 5.12 in 1a bzw. 5.9 bis 5.12 in 1b, deren Empfindlichkeitsrichtungen rechtwinklig zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld verlaufen.
Eine Messschaltungsanordnung, welche die Struktur der Anordnung z. B. gemäß 1b und 2 zu einer magnetischen Gradientenanordnung vervollständigt und ein Messsignal der Konzentration parametrischer Gase in dem Strömungskanal 2 erzeugt, ist vereinfacht in 10 dargestellt.
Hierin ist der Strömungskanal 2 mit einer unterbrochenen Linie angedeutet, an dessen Seiten, wie in 1b dargestellt, zwei magnetoresistive Sensorteilelemente angeordnet sind, von denen eines aus zwei richtungsempfindlichen AMR Widerstandselementen 5.9 und 5.10 und ein zweites aus zwei richtungsempfindlichen AMR Widerstandselementen 5.11, 5.12 besteht. Die AMR Widerstandselemente 5.9 und 5.10 weisen zueinander entgegengesetzte Empfindlichkeitsrichtungen auf, ebenso die AMR Widerstandselemente 5.11 und 5.12. Die damit gebildeten beiden magnetoresistiven Sensorteilelemente können als Halbbrückensensoren bezeichnet werden. Zwischen jeweils den beiden AMR Widerstandselementen 5.9, 5.10 bzw. 5.11, 5.12 werden Signale abgegriffen, aus denen über einen Vorverstärker 17 ein Messsignal durch Differenzbildung erzeugt wird, welches den magnetischen Feldstärkengradienten zwischen den Orten der beiden Halbbrückensensoren beinhaltet und zu einem Ausgangssignal für die Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, in dem Strömungskanal 2 verarbeitet wird.
Zu der Signalverarbeitung ist in der Ausführungsform gemäß 10 ein phasenempfindlicher Gleichrichter 18 vorgesehen, der das Ausgangssignal an einen Ausgang 18' abgibt. Der phasenempfindliche Gleichrichter 18 oder Lock-in Verstärker enthält in bekannter typischer Weise einen Mischer bzw. Multiplizierer, der das Messsignal, hier vor dem Ausgang des Vorverstärkers 17 und einem Referenzsignal, hier einem Rechtecksignal aus einem Taktgenerator 19 der Anordnung, multipliziert. Zur Anpassung zwischen dem Takt des Taktgenerators an das Messsignal bzw. Nutzsignal kann in dem phasenempfindlichen Gleichrichter ein Phasenverschieber vorgesehen sein. Ausgangsseitig ist der Mischer bzw. Multiplizierer des phasenempfindlichen Gleichrichters mit einem Tiefpass verbunden, um eine zeitliche Mittelung über mehrere Signalperioden durchzuführen. Die resultierende Ausgangsspannung als Gleichspannung an dem Ausgang 18' ist proportional zu dem zu bestimmenden Nutzsignal bekannter Phase und Frequenz.
Der Taktgenerator 19 steuert über einen Treiber 20 auch den Magnetisierungsstrom des Elektromagneten 21, der somit ein anregendes magnetisches Wechselfeld erzeugt, in dem der Strömungskanal 2 angeordnet ist und mit dem der phasenempfindliche Gleichrichter 18 synchronisiert ist. Das von den AMR Widerstandselementen 5.9 bis 5.12 erzeugten Messsignal ist somit entsprechend der Taktfrequenz synchron zu dem phasenempfindlichen Gleichrichter moduliert. Durch die phasenempfindliche Gleichrichtung des Messsignals kann eine dem Nutzsignal proportionale Ausgangsspannung weitgehend unabhängig von Störsignalen erzeugt werden.
Die Messschaltungsanordnung gemäß 11 unterscheidet sich von derjenigen in 10 dadurch, dass in der Messschaltungsanordnung nach 11 die Halbbrücken, die mit den magnetoresistiven Widerstandselementen 5.9, 5.10 bzw. 5.11, 5.12 gebildet sind, nicht mit einer konstanten Betriebsspannung gespeist werden, sondern über einen Spannungsumschalter 22 mit einer Wechselspannung bzw. Rechteckspannung synchron zu dem erregenden Wechselfeld, welches mit dem Elektromagneten 21 erzeugt wird. Hierzu sind ein Steuereingang des Treibers 20 des Elektromagneten 21 sowie der Spannungsumschalter 22, der als Kreuzschalter ausgebildet ist, mit Ausgängen des Taktgenerators 19 verbunden. Weiterhin wird das mit den magnetoresistiven Widerstandselementen 5.9, 5.10 bzw. 5.11, 5.12 der Halbbrückenschaltungen erzeugte Messsignal, welches über den Vorverstärker 17 von dem Brückenausgang abgegriffen wird, keinem phasenempfindlichen Gleichrichter zugeführt, sondern lediglich einem dieses glättenden Tiefpass 23 mit einem Ausgang 23'.
Durch die periodische Betriebsspannungsumkehr synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld ändern jeweils das Nutzsignal bzw. Messsignal, welches von den Halbbrücken über den Vorverstärker 17 abgegriffen wird, einschließlich einer Nullpunktverschiebung (Offset) die Polarität und man erhält einen pulsierenden Sinus bzw. eine Quasi-Gleichspannung als Messsignal, in dem der Brückenoffset eliminiert ist. Ein möglicherweise in Leiterbahnen der Anordnung induziertes Störsignal, welches in dem Messsignal enthalten sein kann, wird durch den Tiefpass 23 zumindest reduziert, so dass an dem Ausgang 23' des Tiefpasses 23 praktisch nur das Nutzsignal als Ausgangssignal ansteht.
Die Messschaltungsanordnung gemäß 12 weist im Unterschied zu den Messschaltungsanordnungen gemäß den 10 und 11 ummagnetisierbare richtungsempfindliche AMR Widerstandselemente 5.9, 5.10 bzw. 5.11, 5.12 in Halbbrückenschaltungen auf, die unter der Einwirkung jeweils eines durch eine Ummagnetisierungsspule bzw. Flipspule 24 erzeugten Magnetfelds ummagnetisierbar sind. Hierzu wird jeweils die Ummagnetisierungsspule 24 über einen Flippulstreiber 25 mit einem Flippuls synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld, welches durch den Elektromagneten mit der Spule 21 wie in den anderen Ausführungsformen erzeugt wird, beaufschlagt. Durch Ummagnetisierung der magnetoresistiven Widerstandselemente 5.9, 5.10 bzw. 5.11, 5.12 in den Halbbrücken erfolgt jeweils eine Phasenumkehr des von dem Brückenausgang über den Vorverstärker 17 abgreifbaren Messsignals, so dass dieses wiederum als pulsierender Sinus oder Quasi-Gleichspannung vorliegt, wobei noch eine Nullpunktabweichung bzw. ein Brückenoffset in dem Messsignal enthalten sein kann, welcher durch die Auskopplung über einen Kondensator 26 am Eingang des Tiefpasses 23, der über den Kondensator 26 von dem Vorverstärker 17 beaufschlagt wird, eliminiert ist. Von einem phasenempfindlichen Gleichrichter wie in 10 braucht in diesem Fall zur Offset-Eliminierung kein Gebrauch gemacht zu werden. Eine induzierte Fehlerspannung wird analog zu der Anordnung in 11 durch den Tiefpass 23 unterdrückt.
Die Messschaltungsanordnung, die in 13 vereinfacht dargestellt ist, beruht wie diejenige nach 12 auf ummagnetisierbaren richtungsempfindlichen AMR Widerstandselementen 5.9, 5.10 bzw. 5.11, 5.12 in zwei Halbbrücken mit jeweils einer zugeordneter Ummagnetisierungsspule 24, kombiniert mit einer Betriebsspannungsumschaltung der Halbbrücken mit einem Spannungsumschalter 22 gemäß 11 und einer phasenempfindlichen Gleichrichtung mit dem phasenempfindlichen Gleichrichter 18 wie in 10. In dieser Messschaltungsanordnung werden durch den gemeinsamen Taktgenerator 19 die Betriebsspannung und das Ummagnetisierungsfeld für die ummagnetisierbaren richtungsempfindlichen AMR Widerstandselemente synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld, in dem die magnetoresistiven Widerstandselemente 5.9, 5.10 bzw. 5.11, 5.12 angeordnet sind, umgesteuert. In dieser Kombination beinhaltet das am Ausgang des Vorverstärkers 17 abgreifbare (Mess-)Signal noch den Offset der Brückenschaltung, der erst in dem nachfolgenden phasenempfindlichen Gleichrichter eliminiert wird, wie in der Messschaltungsanordnung nach 10.
Es sind weitere vorteilhafte Kombinationen von Merkmalen der in den 10 bis 13 dargestellten Messschaltungsanordnungen realisierbar, die ein Wechselsignal als Messsignal erzeugen und mit Mitteln zur Bildung eines Ausgangssignals einer zeitlich konstanten Polarität, das mit dem anregenden magnetischen Wechselfeld phasensynchron(kreuz-)korreliert ist, kombiniert werden können. Die weiter oben dargestellten Kombination des anregenden magnetischen Wechselfelds nur mit einer synchronen Betriebsspannungsumkehr benötigt lediglich eine Tiefpass Filterung des Messsignals und die Kombination des anregenden magnetischen Wechselfelds mit einer Anordnung ummagnetisierbarer richtungsempfindlicher AMR Widerstandssensoren nach dem Flip-Prinzip nur eine Maßnahme zur Beseitigung des Brückenoffset, zum Beispiel durch Auskopplung des Messsignals bzw. der Brückenspannung über einen Kondensator, um eine gewünschte, dem Nutzsignal proportionale Gleichspannung als Ausgangssignal zu erhalten. Ein als Lock-in Verstärker ausgebildeter phasenempfindlicher Gleichrichter ist also nicht in jedem Fall erforderlich.
Bezugszeichenliste

1a, 1b: Anordnung zur Bestimmung der Konzentration
2, 2b, 2c, 2e: Strömungskanal
2a, 2d: obere Kanalwand
3: Träger
4.1 bis 4.8: magnetoresistive Sensorteilelemente
5.1 bis 5.12: magnetoresistive Widerstandselemente
6.1 bis 6.11: Sensorelemente
7: Kanalbreite
8, 8a, 9: Abstand der Sensorteilelemente
10, 10a, 10b: Trägerstruktur mit integriertem Kanal
11 bis 14: Lötkugeln
15: elektrische Verbindungen
16: Strömungsrichtung (Pfeil)
17: Vorverstärker
18: phasenempfindlicher Gleichrichter
18a: Messsignaleingang
18b: Referenzsignaleingang
18': Ausgang
19: Taktgenerator
20: Treiber
21: Spule eines Elektromagneten
22: Spannungsumschalter (Kreuzschalter)
23: Tiefpass
23': Ausgang
24: Ummagnetisierungsspule
25: Flippulstreiber
26: Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2320243 B1 [0004]
DE 3442278 C2 [0006]
DE 19722834 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Mikrosystemtechnik Kongress 2011, 10.–12.10.2011 in Darmstadt, ISBN 978-3-8007-3367-5 VDE Verlag GmbH Berlin/Offenbach [0003]

Claims

Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, in einem aus diamagnetischem Material ausgebildeten Strömungskanal (2, 2b, 2c, 2e) mit rechteckförmigem Querschnitt mittels mindestens eines ein das paramagnetische Gas anregende, magnetische Wechselfeld im Bereich des Strömungskanals (2, 2b, 2c, 2e) erzeugenden Elektromagneten (23) und wenigstens eines außerhalb des Strömungskanals (2, 2b, 2c, 2e) angeordneten magnetoresistiven Sensorteilelements, dessen Empfindlichkeitsrichtung senkrecht zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld steht, sowie mit einer Auswerteschaltung, mit der die Widerstandsänderung des wenigstens einen magnetoresistiven Sensorteilelements infolge der Anregung des paramagnetischen Gases erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von mindestens zwei magnetoresistiven Sensorteilelementen (4.1 bis 4.8) symmetrisch zu dem Strömungskanal (2, 2b, 2c, 2e) angeordnet sind und elektrisch in einer Gradientenanordnung angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrisch zu dem Strömungskanal (2, 2b, 2c, 2e) angeordneten magnetoresistiven Sensorteilelemente (4.1 bis 4.8) jeweils eines Paars im Wesentlichen identisch sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (8, 8a, 9) der symmetrisch zu dem Strömungskanal (2, 2b, 2c, 2e) angeordneten Sensorteilelemente zueinander (4.1 bis 4.8) in Richtung der Kanalbreite (7) des Strömungskanals (2, 2b, 2c, 2e) weniger als das Doppelte der Kanalbreite (7), jedoch mindestens die Hälfte der Kanalbreite (7) beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Sensorteilelement (4.1 bis 4.8) mindestens zwei magnetoresistive Widerstandselemente (5.1 bis 5.12) mit entgegengesetzter Empfindlichkeitsrichtung umfasst, die in einer Halbbrückenschaltung angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Sensorteilelement (4.1 bis 4.8) mindestens vier magnetoresistive Widerstandselemente (5.1 bis 5.12) mit paarweise entgegengesetzter Empfindlichkeitsrichtung umfasst, die in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein magnetoresistives Sensorteilelement (4.1 bis 4.8) auf einem als Einheit montierbaren und elektrisch kontaktierbaren Sensorelement (6.1 bis 6.11) aufgebracht ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere magnetoresistive Sensorteilelemente (4.1 bis 4.8) nebeneinander und elektrisch parallel angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensorelemente (6.7 bis 6.10) entlang des Strömungskanals (2e) angeordnet sind, deren Sensorteilelemente (4.5, 4.6) in einer Messsignalschaltungsanordnung als Gradientenanordnung angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von zwei magnetoresistiven Sensorteilelementen (4.7, 4.8) entlang des Strömungskanals (2e) auf einem einzigen Sensorelement (6, 11) angeordnet sind und in einer Messsignalschaltungsanordnung als Gradientenanordnung angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (6.1 bis 6.11) in Flip-chip-Technik montiert ist und elektrisch kontaktiert ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (6.5) als eine begrenzende Wand des Strömungskanals (2c) ausgebildet und angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven Sensorteilelemente (4.1 bis 4.8) im Wesentlichen in der Ebene der oberen Kanalwand (2a, 2d) oder der unteren Kanalwand positioniert sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messsignalauskopplung von einem Signalausgang der Sensorteilelemente zur weiteren Verarbeitung des Messsignals über einen Kondensator (26) erfolgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in Verbindung mit ihrer Auswerteschaltung geeignet ist, ein Ausgangssignal einer zeitlich konstanten Polarität zu erzeugen, das mit dem anregenden magnetischen Wechselfeld phasensynchron korreliert ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem Messsignalausgang der Sensorteilelemente verbundene Auswerteschaltung einen phasenempfindlichen Gleichrichter (18) umfasst, der synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld gesteuert ist.
Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel zur Betriebsspannungsumkehr der magnetoresistiven Sensorteilelemente synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven Widerstandselemente (5.1 bis 5.12) ummagnetisierbare (geflipte) richtungsempfindliche AMR Widerstandselemente sind, dass das jeweils aus den ummagnetisierbaren richtungsempfindlichen AMR Widerstandselementen gebildete magnetoresistive Sensorteilelement (4.1 bis 4.8) jeweils eine mit einem Flippuls gespeiste Ummagnetisierungsspule (24) aufweist, in deren Magnetfeld die AMR Widerstandselemente des magnetoresistiven Sensorteilelements (4.1 bis 4.8) nach dem Flip-Prinzip ummagnetisierbar sind, wobei der Flippuls in einem Flippulstreiber (25) synchron zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld generierbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktgenerator (19) vorgesehen ist, der zur gemeinsamen Taktung mit einem Steuereingang eines Treibers (22) für mindestens einen das anregende Wechselfeld erzeugenden Elektromagneten (23), gegebenenfalls einem Steuereingang eines Umschalters (24) als Mittel zur Betriebsspannungsumkehr der magnetoresistiven Sensorteilelemente (4.1 bis 4.8), einem Referenzsignaleingang (18b) des phasenempfindlichen Gleichrichters (18) und/oder einem Steuereingang eines Flipspultreibers (25) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den magnetoresistiven Sensorteilelementen (4.1 bis 4.8) eine Kompensationseinrichtung mit einer Spule zugeordnet ist, mittels der die durch das paramagnetische Gas verursachte, an den Positionen der magnetoresistiven Sensorteilelemente in Empfindlichkeitsrichtung der Sensorelemente erfasste Komponente des Magnetfeldes kompensierbar ist.
Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases, insbesondere Sauerstoffgas, mit magnetoresistiven Widerstandselementen (5.1 bis 5.12) durch Messung eines magnetischen Felds rechtwinklig zur Richtung eines das Gas anregenden magnetischen Wechselfelds, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gradientenmessung des magnetischen Felds unter Verwendung mindestens eines Paars magnetoresistiver Sensorteilelemente durchgeführt wird, die symmetrisch zu einem Strömungskanal der Gase/des Gases aus diamagnetischem Material angeordnet sind, und dass aus einem durch die Gradientenmessung gebildeten Messsignal ein Ausgangssignal einer zeitlich konstanten Polarität gebildet wird, das zu dem anregenden magnetischen Wechselfeld phasensynchron korreliert ist.