DE102014225057A1

DE102014225057A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands

Info

Publication number: DE102014225057A1
Application number: DE102014225057.9A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands. Die Vorrichtung ist ausgebildet mit: einem ersten Messelement (10) mit einer ersten Magnetisierungsverteilung; einem zweiten Messelement (20) mit einer zweiten Magnetisierungsverteilung; einer Anregungseinrichtung (32), mittels welcher die erste und/oder die zweite Magnetisierungsverteilung zu einer periodischen Bewegung anregbar ist; einer Erfassungseinrichtung (34), mittels welcher eine elektrische Messgröße erfassbar ist, welche eine Frequenz und/oder eine Frequenzänderung der angeregten periodische Bewegung indiziert, wobei sich die Frequenz und/oder die Frequenzänderung in Abhängigkeit von dem Abstand (d) zwischen dem ersten Messelement (10) und dem zweiten Messelement (20) aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Magnetisierungsverteilung und der zweiten Magnetisierungsverteilung einstellt; und einer Bestimmungseinrichtung (30) zum Bestimmen des Abstands (d) zwischen dem ersten Messelement (10) und dem zweiten Messelement (20) basierend auf der erfassten elektrischen Messgröße.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands.
Stand der Technik
Zum Messen kleiner Abstände, insbesondere unterhalb des Mikrometerbereichs, werden herkömmlicherweise kapazitive Messverfahren eingesetzt.
In der DE 11 2007 000 433 T5 ist ein Sensor zum Erfassen eines Abstands zu einem interessierenden Objekt beschrieben, welcher mindestens eine kapazitive Platte und eine Messschaltung aufweist. Die kapazitive Platte ist so konfiguriert, dass sie einen Kondensator mit einer Kapazität bildet, die mit dem Abstand variiert. Die Messschaltung ist mit der mindestens einen kapazitiven Platte gekoppelt und so konfiguriert, dass sie die Kapazität misst.
In der wissenschaftlichen Publikation mit dem Titel „Topology and Origin of Effective Spin Meron Pairs in Ferromagnetic Multilayer Elements", Wintz et al., Phys. Rev. Lett. 110, 177201, DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.177201, veröffentlicht am 22. April 2013, ist eine Anwendung von magnetischen Wirbelzuständen als Antennen für drahtlose Datenwege beschrieben.
Eine Kraft, welche aus einer Gyrationsbewegung eines gyrierenden magnetischen Wirbels resultiert und welche „spin-motive force” genannt wird, ist in dem Artikel „Spin-motive force due to a gyrating magnetic vortex", K. Tanabe, D. Chiba, J. Ohe, S. Kasai, H. Kohno, S. E. Barnes, S. Maekawa, K. Kobayashi, T. Ono, Nature Communications 3, Artikelnummer 845, veröffentlicht am 22. Mai 2012, beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands vorgesehen, mit:
einem ersten Messelement mit einer ersten Magnetisierungsverteilung; einem zweiten Messelement mit einer zweiten Magnetisierungsverteilung; einer Anregungseinrichtung, mittels welcher die erste und/oder die zweite Magnetisierungsverteilung zu einer periodischen Bewegung anregbar ist; einer Erfassungseinrichtung, mittels welcher eine elektrische Messgröße erfassbar ist, welche eine Frequenz und/oder eine Frequenzänderung der angeregten periodische Bewegung indiziert, wobei sich die Frequenz und/oder die Frequenzänderung in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem ersten Messelement und dem zweiten Messelement aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Magnetisierungsverteilung und der zweiten Magnetisierungsverteilung einstellt; und einer Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen des Abstands zwischen dem ersten Messelement und dem zweiten Messelement basierend auf der erfassten elektrischen Messgröße.
Das erste und/oder das zweite Messelement ist bevorzugt als ein flaches magnetisiertes Plättchen oder eine magnetisierte Schicht ausgebildet, welches bzw. welche als in einer Ebene, oder zu einer Ebene parallel, angeordnet beschreibbar ist.
Unter einer Messgröße, welche eine Frequenz oder Frequenzänderung indiziert, soll insbesondere verstanden werden, dass die Messgröße einen eindeutigen oder zumindest innerhalb eines vorbestimmten Messbereichs eindeutigen Rückschluss auf die Frequenz oder die Frequenzänderung erlaubt. Insofern kann es sich bei der Messgröße auch um die Frequenz oder die Frequenzänderung selbst handeln. Unter einer elektromagnetischen Messgröße soll eine Messgröße verstanden werden, welche sich aufgrund von elektromagnetischen Effekten, also insbesondere elektrischen und/oder magnetischen Effekten, einstellt oder solche Effekte beschreibt, beispielsweise eine Spannung, ein elektrischer Widerstand, eine Stromstärke, eine Flussdichte etc.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands vorgesehen, mit den Schritten: Bereitstellen eines ersten Messelements mit einer ersten Magnetisierungsverteilung und eines zweiten Messelements mit einer zweiten Magnetisierungsverteilung in dem zu bestimmenden Abstand voneinander; Anregen der ersten Magnetisierungsverteilung und/oder der zweiten Magnetisierungsverteilung zu einer periodischen Bewegung; Erfassen einer elektrischen Messgröße, welche eine Frequenz und/oder eine Frequenzänderung der angeregten periodische Bewegung indiziert, wobei sich die Frequenz und/oder die Frequenzänderung in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem ersten Messelement und dem zweiten Messelement aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Magnetisierungsverteilung und der zweiten Magnetisierungsverteilung einstellt; und Bestimmen des Abstands zwischen dem ersten Messelement und dem zweiten Messelement basierend auf der erfassten elektrischen Messgröße.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass mindestens zwei Magnetisierungsverteilungen, welche sich auf verschiedenen Seiten eines zu messenden Abstands befinden, miteinander magnetisch koppeln und dass durch Anregen zumindest einer der Magnetisierungsverteilungen zu einer periodischen Bewegung Rückschlüsse auf eine Resonanzfrequenz des Systems der magnetisch gekoppelten Magnetisierungsverteilungen in dem zu messenden Abstand gezogen werden können, aus welcher wiederum der zu messende Abstand ermittelbar ist.
Basierend auf dieser Erkenntnis schafft die Erfindung eine vielseitig einsetzbare Vorrichtung zum Bestimmen eines zu messenden Abstands. Da das Bestimmen des Abstands auf einer Frequenzbestimmung oder einer Frequenzmessung basiert, kann sich eine sehr hohe Sensitivität ergeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch besonders platzsparend ausgeführt werden. Beispielsweise können die Messelemente gemäß der Vorrichtung laterale Kantenlängen von unter fünfhundert, bevorzugt unter dreihundert Nanometern aufweisen. Weiterhin können mittels der Vorrichtung Abstände im Nanometerbereich, also beispielsweise Abstände mit dreistelligen, zweistelligen oder einstelligen Nanometerwerten auflösbar sein. Gegenüber beispielsweise herkömmlichen kapazitiven Messprinzipien ergibt sich keine Leckstromproblematik und keine Schnappspannungsproblematik. Im Vergleich zu einem piezoresistiven Messprinzip kann ein Messrauschen verringerbar sein.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die die erste und/oder die zweite Magnetisierungsverteilung eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Wirbelkern. Der Wirbelkern wird bisweilen auch Vortexkern genannt wird (englisch: „vortex core”). Dabei handelt es sich um dreidimensionale Magnetisierungsverteilungen, welche einen Wirbel aufweisen, der als „tornadoartig” bezeichenbar ist. Solche wirbelförmigen Magnetisierungsverteilungen können zu besonders deutlichen, von einer Bewegung der wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung abhängigen elektrischen Messgrößen führen, wodurch sich die Präzision der Vorrichtung verbessern kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform indiziert die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße eine Resonanzfrequenz und/oder eine Resonanzfrequenzänderung der gekoppelten ersten und zweiten Magnetisierungsverteilung. Bei der Resonanzfrequenz kann es sich um eine Eigenfrequenz einer von mehreren Eigenmoden des Sytems aus der gekoppelten ersten und zweiten Magnetisierungsverteilung handeln. Häufig ist die gyrotrope Bewegung nur durch Frequenzen in einem engen Spektralbereich um eine Resonanzfrequenz des Messelements anregbar. Somit kann festgelegt werden, dass, jedwede Frequenz der angeregten periodischen Bewegung als Resonanzfrequenz behandelt wird und/oder dass jedwede Frequenz der angeregten periodischen Bewegung innerhalb eines vorbestimmten Spektralbereichs um eine Resonanzfrequenz als die Resonanzfrequenz in dem vorbestimmten Spektralbereich behandelt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße ein gemäß der angeregten periodischen Bewegung zeitlich veränderlicher elektrischer Widerstand.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Messelement und/oder das zweite Messelement in einem magnetischen Tunnelkontakt angeordnet ist, wobei die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße ein magnetischer Tunnnelwiderstand ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Messelement und/oder das zweite Messelement in einem Schichtstapel angeordnet, wobei die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße ein Riesenmagnetowiderstand des Schichtstapels ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der elektrische Widerstand aufgrund eines zeitlich veränderlichen Winkels zwischen einer elektrischen Stromdichte und der ersten oder zweiten, zu der periodischen Bewegung angeregten, Magnetisierungsverteilung zeitlich veränderlich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mittels der Anregungseinrichtung zum Anregen der periodischen Bewegung ein periodisches elektromagnetisches Feld erzeugbar, welches das erste und/oder das zweite Messelement zumindest teilweise durchdringt. Vorteilhafterweise durchdringt das elektromagnetische Feld das zweite Messelement vollständig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Induktionseinrichtung, wobei die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße eine gemäß der angeregten periodischen Bewegung in der Induktionseinrichtung induzierte Induktionsspannung ist. Vorteilhafterweise ist die Induktionseinrichtung eine Spule mit n Windungen, insbesondere mit einer einzelnen Windung. Vorzugsweise ist die Induktionseinrichtung derart angeordnet, dass durch die zu erwartende angeregte Bewegung der ersten und/oder zweiten Magnetisierungs-verteilung eine maximale Flussänderung in der Induktionseinrichtung entsteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße eine elektrische Spannung an dem ersten Messelement und/oder an dem zweiten Messelement. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße ein elektrischer Strom durch das erste Messelement und/oder durch das zweite Messelement.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mittels der Erfassungseinrichtung erfassbare elektrische Messgröße eine Impedanz des ersten Messelements und/oder des zweiten Messelements.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch beispielhafte Konfigurationen für ein Messelement mit einer wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung in einem Grundzustand des Messelements;
2 schematisch eine dreidimensionale Darstellung der Magnetisierungsverteilung eines Messelements mit positiver Polarität und positiver Chiralität;
3 exemplarisch die vier in 1 dargestellten Konfigurationen für das Messelement, wobei die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung jeweils zu einer gyrotropen Bewegung angeregt ist;
4 eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Messprinzips gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 schematisch einen weiteren Ausschnitt aus der Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
12 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt schematisch beispielhafte Konfigurationen für ein Messelement 5 mit einer wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung in einem Grundzustand des Messelements 5. Dabei sind vier Konfigurationen möglich, welche durch ihre Polarität P gleich plus oder minus eins und ihre Chiralität C gleich plus oder minus eins charakterisierbar sind. In 1 ist die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung des Messelements 5 durch eine Unterteilung des Messelements 5 in vier, zur besseren Unterscheidung voneinander markierte, Zonen 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, zusammenfassend kurz als 4-i bezeichnet, angedeutet. Die Messelemente 5 sollen in einer x-y-Ebene liegen, wobei die x-Richtung und die y-Richtung aufeinander, sowie auf einer z-Richtung senkrecht stehen.
Die in den Zonen 4-i angeordneten Pfeile deuten grob eine Richtung der in der x-y-Ebene liegenden Magnetisierungsvektoren innerhalb der jeweiligen Zone an. Der in z-Richtung gerichtete Pfeil deutet den Wirbelkern 7, 9 der wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung an, welcher senkrecht aus der x-y-Ebene herausragt. Je nach einer Dicke des Messelements 5 in z-Richtung kann der Wirbelkern 7, 9 beispielsweise zwischen fünf und zehn Nanometer lang sein. Obgleich die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung im Grundzustand statisch ist, ist sie anhand von einer Analogie mit einem Bewegungsvektor-feld beschreibbar. Ist die Magnetisierungsverteilung derart angeordnet, dass ein mit den gleichen Vektoren beschriebenes Bewegungsvektorfeld innerhalb der x-y-Ebene gegen den Uhrzeigersinn, das heißt im mathematischen Drehsinn der x-y-Ebene, rotieren würde, liegt ein Wirbel der wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung mit einer Chiralität C = +1 vor. Würde das entsprechende Bewegungsvektorfeld im Uhrzeigersinn rotieren, läge ein Wirbel mit einer Chiralität C = –1 vor. Zeigt der Wirbelkern aus der x-y-Richtung heraus in positive z-Richtung, liegt positive Polarität P = +1 vor, welche durch ein Kreispunkt-Symbol ⊙, einem Punkt in einem Kreis, dargestellt wird. Zeigt der Wirbelkern aus der x-y-Ebene heraus in negativer z-Richtung, liegt eine negative Polarität, P = –1, vor, welche durch ein Kreiskreuzsymbol ⊗, ein Kreuz in einem Kreis, dargestellt ist. Die Gesamtmagnetisierung in x- und y-Richtung ist im Grundzustand gleich Null.
In 1 ist das Messelement 5 jeweils quadratisch dargestellt, wobei das Messelement 5 selbstverständlich auch andere Formen, beispielsweise Kreisformen, Rechtecksformen, elliptische Formen, Dreiecksformen etc. nehmen kann. Der Anschaulichkeit halber wird jedoch im Folgenden stets angenommen, dass sich der Wirbelkern in der x-y-Ebene in seiner Ruhelage, das heißt ohne ein externes elektromagnetisches Feld, genau an einem Ruhepunkt 3 an dem geometrischen Mittelpunkt des quadratischen Messelements 5 befindet. Durch Anlegen eines externen elektromagnetischen Feldes, insbesondere eines magnetischen Feldes mit einer magnetischen Flussdichte B →, kann erreicht werden, dass der Wirbelkern, und mit ihm die in der x-y-Ebene liegenden Magnetisierungsvektoren um den Ruhepunkt 3 des Wirbelkerns rotieren. Diese Bewegung wird auch „Gyrieren” oder „gyrotrope Bewegung” der Magnetisierungsverteilung genannt. Die gyrotrope Bewegung kann resonant mit einem oszillierenden Magnetfeld oder einer oszillierenden Stromdichte erfolgen. Die Form des Magnetfelds ist dabei beispielsweise B → = (B_xsin(ω_0·t + ϕ_x), B_ysin(ω_0·t + ϕ_y), B_z) und die Form der Stromdichte ist etwa j → = (j_xsin(ω_0·t + ϕ_x), j_ysin(ω_0·t + ϕ_y), j_z) , wenn der Kern in z-Richtung zeigt. Abhängig von lateralen Abmessungen des Messelements, das heißt Abmessungen in x- und/oder y-Richtung, sowie der genauen Geometrie des Messelements 5, liegt die Resonanzfrequenz ⌷_0 des einzelnen Messelements 5 vorzugsweise im Bereich 50 Megahertz bis 2 Gigahertz.
Messelemente 5 jeder der vier Konfigurationen sind für ein erfindungsgemäßes Verfahren verwendbar. In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn die genaue Konfiguration eines, mehrerer oder jedes Messelements 5 vorbekannt ist. Zum Einstellen einer gewünschten Polarität kann beim Herstellen des Messelements ein Gradientenfeld angelegt werden. Zum Einstellen einer gewünschten Chiralität kann das Gradientenfeld zusätzlich geschwenkt angelegt werden.
Die Messelemente können in einigen Ausführungsformen aus einem, vorzugsweise wirbelförmig, magnetisierten Nickel-Eisen-Gemisch, Kobald-Eisen-Bor, und/oder Galfenol (Eisen-Gallium) bestehen.
2 zeigt schematisch eine dreidimensionale Darstellung der Magnetisierungsverteilung eines Messelements mit positiver Polarität und positiver Chiralität, P = +1 und C = +1. Die einzelnen Kegel in 2 stellen eine Auswahl der Magnetisierungsvektoren dar. Es ist deutlich erkennbar, wie die Magnetisierungsvektoren bei größerem Abstand R von dem Wirbelkern 7 nur geringe Komponenten in z-Richtung aufweisen, während Magnetisierungsvektoren mit immer kleinerem Abstand R von dem Wirbelkern 7 immer größere Komponenten in z-Richtung aufweisen.
3 zeigt exemplarisch die vier in 1 dargestellten Konfigurationen für das Messelement 5, wobei die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung jeweils zu einer gyrotropen Bewegung angeregt ist. Der Wirbelkern 7, 9 gyriert mit einem Radius r um den Ruhepunkt 3 des Wirbelkerns 7, 9 entlang einer Kreisbahn 6. Der Radius der Kreisbahn hängt beispielsweise von einer Amplitude eines anregenden externen Magnetfelds oder eines anregenden spinpolarisierenden Stroms ab. Liegt ein Wirbelkern 7 mit positiver Polarität, P = +1, vor, rotiert der Wirbelkern 7 und entsprechend auch die Magnetisierungsverteilung in der x-y-Ebene gegen den Uhrzeigersinn, bei einem Wirbelkern 9 mit negativer Polarität, P = –1, rotiert der Wirbelkern 9 sowie die Magnetisierungsverteilung in der x-y-Ebene gegen den Uhrzeigersinn. Für das beispielhaft angelegte magnetische Feld oder die beispielhaft angegebene Stromdichte führt die jeweilige Chiralität, C = +1 oder C = –1, lediglich zu einer Phasenverschiebung um 180°, hat aber keinen Einfluss auf den Drehsinn des Wirbelkerns 7, 9.
4 zeigt eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Messprinzips gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Entsprechend dem Erfindungsgedanken werden mindestens zwei Messelemente, das heißt ein erstes Messelement 10 und ein zweites Messelement 20 derart aneinander herangeführt, dass eine erste wirbelförmige Magnetisierungsverteilung des ersten Messelements 10 und eine zweite wirbelförmige Magnetisierungsverteilung des zweiten Messelements 20 magnetisch miteinander koppeln. Insbesondere werden das erste und das zweite Messelement 10, 20 lateral aneinander herangeführt, das heißt beide liegen innerhalb der x-y-Ebene oder innerhalb einer zu der x-y-Ebene parallelen Ebene, wobei auch der zu messende Abstand d innerhalb der x-y-Ebene liegt. Alternativ können in manchen Ausführungsformen auch mehrere oder alle Messelemente ganz oder teilweise in z-Richtung, mit oder ohne Versatz in x- und/oder y-Richtung, gestapelt werden.
Statt zwei Messelementen 10, 20 können auch n, n ≥ 2, Messelemente miteinander, insbesondere lateral, in magnetische Korrespondenz gebracht werden, derart, dass die wirbelförmigen Magnetisierungsverteilungen der n Messelemente magnetisch miteinander koppeln. Diese Kopplung führt dazu, dass die n-fache Entartung der gyrotropen Bewegungen mit der jeweiligen Resonanzfrequenz ⌷_0 (bei gleichartigen Messelementen) aufgehoben wird und sich n gekoppelte gyrotrope Bewegungsmoden mit jeweiligen Eigenfrequenzen ⌷_n ausbilden. Verändert sich der zu messende Abstand d zwischen dem ersten und dem zweiten Messelement 10, 20, verändert sich der Grad der Kopplung zwischen den wirbelförmigen Magnetisierungsverteilungen und damit die Eigenfrequenzen ⌷_n der gekoppelten Bewegungsmoden. Werden mehr als zwei Messelemente 10, 20 verwendet, können beispielsweise gleich viele Messelemente auf je einer Seite des zu messenden Abstands d angeordnet werden. Je nach Anwendung kann aber alternativ auch beidseitig des zu messenden Abstandes d eine jeweils unterschiedliche Anzahl von Messelementen angeordnet sein. Dabei können die wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung magnetisch nicht nur mit dem jeweils „nächsten Nachbarn”, sondern auch mit dem „übernächsten Nachbarn” oder noch weiter entfernten Messelementen koppeln.
In 4a) ist eine beispielhaft angenommen Grundkonfiguration gezeigt, mit C = +1, P + 1 für das erste Messelement 10, links dargestellt, und mit C = –1, P = –1 für das zweite Messelement, rechts dargestellt. Die Resonanzfrequenz der Messelemente 10, 20 jeweils für sich allein genommen ist ⌷0. In 4b) sind dieselben Messelemente 10, 20 bei einer ersten (von zwei möglichen resonanten) gekoppelten gyrotropen Bewegungen, mit einer Frequenz ⌷1 bei resonanter Anregung dargestellt, wobei ⌷1 < ⌷0. In 4c) sind dieselben Messelemente 10, 20 bei einer zweiten (der zwei möglichen resonanten) gekoppelten gyrotropen Bewegungen, mit einer Frequenz ⌷-2 bei resonanter Anregung dargestellt, wobei ⌷2 > ⌷0.
Somit kann durch eine Frequenzmessung, insbesondere durch eine Resonanzfrequenzmessung, ein Rückschluss auf den zu messenden Abstand d erfolgen.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein erstes Messelement 10 mit einer ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung und ein zweites Messelement 20 mit einer zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung sowie eine Anregungseinrichtung 32, mittels welcher die erste und/oder die zweite wirbelförmige Magnetisierungsverteilung zu einer periodischen Bewegung anregbar ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Erfassungseinrichtung 34, mittels welcher eine elektromagnetische Messgröße erfassbar ist, welche eine Frequenz und/oder eine Frequenzänderung der angeregten periodischen Bewegung indiziert, wobei sich die Frequenz und/oder die Frequenzänderung in Abhängigkeit von dem Abstand d zwischen dem ersten Messelement 10 und dem zweiten Messelement 20 aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Magnetisierungsverteilung und der zweiten Magnetisierungsverteilung einstellt.
Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine Bestimmungseinrichtung 30 zum Bestimmen des Abstands d zwischen dem ersten Messelement 10 und dem zweiten Messelement 20 basierend auf der erfassten elektromagnetischen Messgröße auf.
6 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist eine Variante der ersten Ausführungsform. Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst die Anregungseinrichtung 32 eine stromdurchflossene Mikrostreifenleitung 12, an oder auf welcher das erste Messelement 10 angeordnet ist. Als Mikrostreifenleitungen werden Streifenleitungen bezeichnet, die aus einem leitfähigen Streifen bestehen, der durch ein dielektrisches Substrat von einer leitfähigen Fläche getrennt sind. Gemäß der zweiten Ausführungsform handelt es sich bei der Mikrostreifenleitung um eine Kupferleitung. Es sind aber auch Mikrostreifenleitungen aus anderen Metallen oder leitenden Materialien oder Materialgemischen denkbar, beispielsweise aus einer Kupfer-Gold-Legierung.
An einen ersten Pol 15-1 der Mikrostreifenleitung 12 wird ein oszillierender, insbesondere sinusförmiger elektrischer Strom I, I = I_0·sin(⌷·t) mit einer Amplitude I_0 und einer Frequenz ⌷ angelegt, wodurch ein oszillierendes magnetisches Feld 13 mit einer Flussdichte B = B_0·sin(⌷·t) mit einer Amplitude B_0 erzeugt wird. Das heißt, mittels der Mikrostreifenleitung 12 der Anregungseinrichtung 32 ist ein oszillierendes magnetisches Feld 13 erzeugbar, welches das erste Messelement 10 ganz oder teilweise durchdringt und somit eine Bewegung der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung des ersten Messelements 10 anregt. Das erste Messelement 10 ist gemäß der zweiten Ausführungsform eine in der x-y-Ebene, parallel zu der Mikrostreifenleitung 12, angeordnete flache magnetische Schicht mit der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung. Das erste Messelement 10 wird im Wesentlichen durch eine in-Ebene(engl. „in-plane”)-Komponente in y-Richtung des magnetischen Felds 13 durchsetzt, wodurch die Gyration angeregt wird. Mit anderen Worten ist es im Volumen des ersten Messelements 10 überwiegend die y-Komponente des magnetischen Felds 13, welche den größten Anteil an dem Absolutwert der Feldvektoren des magnetischen Felds 13 beisteuert.
Der oszillierende elektrische Strom I ist mittels einer Stromerzeugungseinrichtung (nicht gezeigt) erzeugbar, wobei die Frequenz ⌷ des erzeugten oszillierenden elektrischen Stroms I mittels einer Frequenz-Anpassungseinrichtung (nicht gezeigt) anpassbar ist, insbesondere derart, dass die Frequenz ⌷ einer Resonanzfrequenz ⌷_res der angeregten Bewegung der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung, welche mit der zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung (in 6 nicht gezeigt) gekoppelt ist, gleich ist. Ändert sich der Abstand d (in 6 nicht gezeigt) zwischen dem ersten Messelement 10 und dem zweiten Messelement 20 (in 6 nicht gezeigt), ändert sich auch die Resonanzfrequenz ⌷_res.
Die Anregungseinrichtung 32 kann, etwa mittels der Erfassungseinrichtung 34 und/oder mittels der Bestimmungseinrichtung 30, gesteuert werden, mittels der Frequenz-Anpassungseinrichtung die Frequenz ⌷ nach dem Ändern des Abstands d derart anzupassen, dass sie der geänderten Resonanzfrequenz ⌷_res' gleich ist. Zum Bestimmen der Resonanzfrequenz ⌷_res und/oder der geänderten Resonanzfrequenz ⌷_res' kann die Frequenz-Anpassungseinrichtung einen vorbestimmten Frequenzbereich von Frequenzen des oszillierenden elektrischen Stroms durchfahren.
Aus der Änderung der Resonanzfrequenz ⌷_res aufgrund des Änderns des Abstands d wird mittels der Bestimmungseinrichtung 30 automatisch, etwa basierend auf einem vorbestimmtem Rechenmodell, die Änderung des Abstands d bestimmt. Aus einem vorbestimmten Wert des Abstands d vor der Änderung, welcher beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt wurde, ist so der Wert des geänderten, zu messenden Abstands d ermittelbar.
Alternativ oder zusätzlich kann auch in einer Datenbank der Bestimmungseinrichtung 30 vermerkt sein, welche geänderte Resonanzfrequenz ⌷_res' welchem Wert des Abstands d entspricht, sodass mittels der Bestimmungseinrichtung 30 basierend auf der geänderten Resonanzfrequenz ⌷_res' direkt der Abstand d bestimmbar ist.
7 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform handelt es sich um eine Variante der zweiten Ausführungsform, wobei das erste Messelement 10 von einem oszillierenden elektrischen Strom I durchflossen werden kann, wodurch die Bewegung der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung anregbar ist. Die Anregungseinrichtung 32 umfasst dazu einen ersten Abschnitt 14-1 und einen zweiten Abschnitt 14-2 einer Mikrostreifenleitung. Zwischen den ersten Abschnitt 14-1 und den zweiten Abschnitt 14-2 ist zum Leiten des an dem ersten Pol 15-1 des ersten Abschnitts 14-1 eingespeisten elektrischen Stroms I an den zweiten Pol 15-2 des zweiten Abschnitts 14-2 das erste Messelement 10 angeordnet und galvanisch mit dem ersten und dem zweiten Abschnitt 14-1, 14-2 gekoppelt.
8 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die vierte Ausführungsform ist eine Variante der ersten Ausführungsform, kann aber auch als Variante beispielsweise der dritten Ausführungsform oder anderer Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise kann wie in der dritten Ausführungsform die periodische Bewegung der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung mittels eines durch das erste Messelement 10 fließenden elektrischen Stroms angeregt werden, während das Erfassen der Frequenz und/oder der Frequenzänderung der periodischen Bewegung an dem ersten oder zweiten Messelement 10, 20 gemäß der vierten Ausführungsform durchgeführt wird.
Gemäß der vierten Ausführungsform weist die Erfassungseinrichtung 34 eine Mikrospule 36 als eine Induktionseinrichtung auf, in welcher eine elektrische Spannung induzierbar ist und welche an der Induktionseinrichtung, hier der Mikrospule 36, abgreifbar ist.
Gemäß der vierten Ausführungsform ist die Mikrospule 36 derart ausgebildet und angeordnet, dass mindestens eine Querschnittsfläche 37 einer Windung der Mikrospule 36 parallel zu dem in der x-y-Ebene angeordneten zweiten Messelement 20 angeordnet ist. In den 8a), 8b) und 8c) ist die Querschnittsfläche 37 schraffiert dargestellt. Die Mikrospule 36 kann eine oder mehrere Windungen aufweisen. In dem in 8a) dargestellten Beispiel ist im Ruhezustand des zweiten Messelements 20, also ohne eine angeregte gyrotrope Bewegung der zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung, im Wesentlichen die Hälfte, vorzugsweise genau die Hälfte, einer Oberfläche 35, welche, in z-Richtung beabstandet und parallel zu der mindestens einen Querschnittsfläche 37 der Windung der Mikrospule 36, angeordnet ist, von der Querschnittsfläche 37 überdeckt wird. Das heißt, eine virtuelle Projektion der Querschnittsfläche 37 auf die x-y-Ebene überdeckt vorzugsweise die Hälfte einer virtuellen Projektion der Oberfläche 35 des zweiten Messelements 20 auf die x-y-Ebene.
Im Ruhezustand in 8a) ruht der Wirbelkern 7 des zweiten Messelements 20 an seinem Ruhepunkt 3, hier im geometrischen Zentrum der Oberfläche 35. Wird die periodische Bewegung der zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung, über die Kopplung der zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung an die erste wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung des ersten Messelements 10, angeregt, gyriert der Wirbelkern 7 innerhalb der Oberfläche 35 und damit relativ zu der Querschnittsfläche 37 der Mikrospule 36. In 8b) ist ein erster Extremfall dargestellt, in welchem der Wirbelkern maximal entfernt von einer Projektion der Querschnittsfläche 37 auf die Oberfläche 35 liegt. In 8b) ist ein zweiter Extremfall dargestellt, in welchem der Wirbelkern maximal innerhalb der Projektion der Querschnittsfläche 37 auf die Oberfläche 35 liegt. In dem ersten Extremfall ist der magnetische Fluss durch die Querschnittsfläche 37 der Mikrospule 36 minimal, in dem zweiten Extremfall maximal.
Die periodische Änderung des magnetischen Flusses zwischen dem ersten und dem zweiten Extremfall aufgrund der periodischen Bewegung der zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung, insbesondere des Wirbelkerns 7, induziert eine Induktionsspannung an der Mikrospule 36. Die induzierte Induktionsspannung ist, an der Mikrospule 36 als Induktionseinrichtung, abgreifbar und mittels der Bestimmungseinrichtung 30 zum Bestimmen des Abstands d zwischen dem ersten und dem zweiten Messelement 10, 20 auswertbar. Somit dient die induzierte Induktionsspannung als elektromagnetische Messgröße, welche die Frequenz der angeregten periodischen Bewegung indiziert.
9 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die fünfte Ausführungsform ist eine Variante der zweiten Ausführungsform, kann aber auch als Variante anderer Ausführungsformen verwendet werden. Die Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform basiert auf einem anisotropen magnetoresistiven Effekt, welcher auch kurz AMR-Effekt genannt werden kann.
Das Bestimmen des Abstand d gemäß der fünften Ausführungsform beruht darauf, dass der Widerstand einer magnetischen Schicht als erstes Messelement 10 abhängig ist von Winkeln zwischen einer Stromdichte, welche das erste Messelement 10 durchfließt, und Magnetisierungsvektoren der ersten Magnetisierungsverteilung des ersten Messelements 10. Sind die erste Magnetisierungsverteilung und die Stromdichte größtenteils parallel zueinander, ist der elektrische Widerstand des ersten Messelements 10 größer als wenn diese größtenteils senkrecht aufeinander stehen.
Gemäß der fünften Ausführungsform wird das erste Messelement 10 an einer ersten Kante von einem ersten Mikrostreifenleitungsabschnitt 17-1 galvanisch kontaktiert und an einer zweiten Kante, welche der ersten gegenüber angeordnet ist, von einem zweiten Mikrostreifenleistungsabschnitt 17-2 galvanisch kontaktiert, wobei der erste Mikrostreifenleitungsabschnitt 17-1 mit dem ersten Pol 15-1, und der zweite Mikrostreifenleitungsabschnitt 17-2 mit dem zweiten Pol 15-2 elektrisch verbunden ist. Der erste Mikrostreifenleitungsabschnitt 17-1 überlappt zum Ausbilden einer ersten Elektrode einen ersten Teilbereich 18-1 einer Oberfläche 39 des ersten Messelements 10, welche parallel zu der x-y-Ebene angeordnet ist. Der zweite Mikrostreifenleitungs-abschnitt 17-2 überlappt zum Ausbilden einer zweiten Elektrode einen zweiten Teilbereich 18-2 der Oberfläche 39 des ersten Messelements 10. Der erste Teilbereich 18-1 und der zweite Teilbereich 18-2 sind voneinander in x-Richtung derart beabstandet, dass ein dritter Teilbereich 18-3 der Oberfläche 39 des ersten Messelements 10 mit keinem der Mikrostreifenleitungsabschnitte 17-1, 17-2 überlappt. Der dritte Teilbereich 18-3 weist bevorzugt eine größere Fläche auf als der erste Teilbereich 18-1 und der zweite Teilbereich 18-2, besonders bevorzugt eine größere Fläche als der erste Teilbereich 18-1 und der zweite Teilbereich 18-2 zusammengenommen.
9 zeigt vier Momentaufnahmen eines im Uhrzeigersinn gyrierenden, also um seinen Ruhepunkt 3 rotierenden, Wirbelkerns 7 zur Erläuterung der Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform. Der an den ersten Pol 15-1 angelegte Strom bzw. die Stromdichte oszilliert in diesem Beispiel in x-Richtung. Zu den in den 9a) und 9b) dargestellten Zeitpunkten befindet sich der Wirbelkern 7 in dem dritten Teilbereich 18-3, und zwar in x-Richtung näher an dem Ruhepunkt 3 des Wirbelkerns 7 als an dem ersten oder zweiten Teilbereich 18-1, 18-2, nämlich in x-Richtung genau auf der Höhe des Ruhepunkts 3. Zu dem in 9c) dargestellten Zeitpunkt befindet sich der Wirbelkern 7 in, genauer: an, dem ersten Teilbereich 18-1 und zu dem in 9d) dargestellten Zeitpunkt in, genauer: an, dem zweiten Teilbereich 18-2 der Oberfläche 35 des ersten Messelements 10.
In den Positionen gemäß 9a) und 9c) ist der elektrische Widerstand des ersten Messelements 10 für den angelegten Strom größer als in den Positionen gemäß den 9b) und 9d).
Grund hierfür ist, dass in dem Situationen gemäß 9b) bzw. 9d) der Strom durch ein deutlich kleineres Gebiet mit überwiegend paralleler Magnetisierungsverteilung fließen muss/kann als in den Situationen gemäß 9a) und 9c). Auch andere Elektrodenanordnungen wären möglich, solange der angelegte Strom auf zeitlich unterschiedlich starke Anteile der Magnetisierungsverteilung in der x-y-Ebene trifft, während der Wirbelkern 7 auf der Kreisbahn 6 gyriert.
Weiter kann man aus der Tatsache, dass der elektrische Widerstand des ersten Messelements 10 in den Position gemäß 9a) und 9c) gleich groß ist, sowie in den Positionen gemäß 9b) und 9d) gleich groß ist, folgern, dass die elektrische Widerstandsänderung proportional zur doppelten Gyrationsfrequenz des Wirbelkerns 7 ist.
10 zeigt schematisch einen weiteren Ausschnitt aus der Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der erste und der zweite elektrische Pol 15-1, 15-2 sind mit einer ersten Stromquelle 42 verbunden, mittels welcher ein erster elektrischer Strom I_1 mit einer ersten Frequenz ⌷_1 an das erste Messelement 10 anlegbar ist. Eine elektrisch isolierende Schicht 40 isoliert das erste Messelement 10 elektrisch von einer Mikrostreifenleitung 41 der Anregungseinrichtung. An die Mikrostreifenleitung 41 ist mittels einer zweiten Stromquelle 44, welche Teil der Anregungseinrichtung ist, ein zweiter elektrischer Strom I_2 mit einer zweiten Frequenz ⌷_2 anlegbar. Die Mikrostreifenleitung 41 sowie der erste und der zweite Mikrostreifenleistungsabschnitt 17-1, 17-2 sind vorzugsweise aus einer Kupfer-Gold-Legierung. Durch Anlegen des zweiten elektrischen Stroms I_2 an die Mikrostreifenleitung 41 ist ein oszillierendes Magnetfeld erzeugbar, mittels welchem die periodische Bewegung der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung des ersten Messelements 10 anregbar ist.
Gemäß der fünften Ausführungsform weist die Erfassungseinrichtung die Frequenz-Anpassungseinrichtung 46 auf, welche dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Frequenz ⌷_1, ⌷_2 einzustellen, welche von der ersten und der zweiten Stromquelle 42, 44 erzeugt wird, wobei die erste Frequenz ⌷_1 stets doppelt so groß eingestellt wird wie die zweite Frequenz ⌷_2. Optional kann auch eine Phasen-Anpassungseinrichtung als Teil der Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten elektrischen Strom I_1 und dem zweiten elektrischen Strom I_2 einstellbar oder durchfahrbar ist. Gemäß dem Ohm'schen Gesetz U(t) = I(t)·R(t) ergibt sich ein konstanter erster elektrischer Spannungsanteil sowie ein um Null oszillierender zweiter Spannungsanteil einer abgreifbaren elektrischen Spannung. Der um Null oszillierende zweite Spannungsanteil weist eine dritte Frequenz ⌷_3 auf, welche doppelt so groß ist wie die erste Frequenz ⌷_1 und somit viermal so groß wie die zweite Frequenz ⌷_2. Basierend auf dem konstanten ersten Spannungsanteil kann die Position bzw. die Dynamik des Wirbelkerns 7 ermittelt werden.
Mittels der Frequenz-Anpassungseinrichtung 46 sind dazu Frequenzwerte eines vorbestimmten Frequenzbereichs für die erste Frequenz ⌷_1 des angelegten ersten Stroms I_1 (und damit entsprechend für die zweite Frequenz ⌷_2 des angelegten zweiten Stroms I_2) durchfahrbar, bis sich an den elektrischen Polen 15-1, 15-2 der konstante Spannungsanteil einstellt. Optional kann alternativ oder zusätzlich auch mittels der Phasen-Anpassungseinrichtung eine Phase zwischen dem ersten und dem zweiten angelegten Strom I_1, I_2 durchfahren werden, bis sich der konstante erste Spannungsanteil einstellt. Eine Spannungsmesseinrichtung 48 der Erfassungseinrichtung ist dazu ausgebildet, den sich einstellenden konstanten ersten Spannungsanteil zu messen. Die Resonanzfrequenz ⌷_res der gekoppelten ersten und zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilungen des ersten und des zweiten Messelements 10, 20 wird, beispielsweise mittels der Bestimmungseinrichtung oder bereits mittels der Erfassungseinrichtung, automatisch als derjenige Frequenzwert der ersten Frequenz ⌷_1 bestimmt, bei welchem der konstante erste Spannungsanteil auftritt. Somit dient der sich einstellende konstante erste elektrische Spannungsanteil, genauer: dessen Auftreten, als elektromagnetische Messgröße, welche die Frequenz der angeregten periodischen Bewegung in Resonanz, nämlich die erste Frequenz ⌷_1, indiziert.
Wie auch in einigen anderen Ausführungsformen wird basierend auf der bestimmten Resonanzfrequenz ⌷_res der gekoppelten ersten und zweiten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilungen des ersten und des zweiten Messelements 10, 20 der Abstand d zwischen dem ersten und dem zweiten Messelement 10, 20 bestimmt, beispielsweise mittels der Datenbank der Bestimmungseinrichtung, welche Informationen umfassen kann, in Abhängigkeit von welchem Wert der Resonanzfrequenz ⌷_res welcher Wert für den zu bestimmenden Abstand d zu bestimmen ist.
11 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform ist als eine Variante der Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform bezeichenbar, wobei dem Bestimmen des Abstands d statt des anisotropen magnetoresistiven Effekts ein magnetischer Tunnelwiderstand und/oder ein Riesenmagnetowiderstand zugrunde gelegt wird. Die Vorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß der fünften Ausführungsform weiterhin in der Art der Kontaktierung des ersten Messelements 10. Die anhand von 11 beschriebenen Prinzipien sind aber auch in anderen Ausführungsformen verwendbar.
Dazu ist in einem Schichtstapel 51 zwischen dem ersten Messelement 10 mit der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung und einer Schicht 52 mit fixierter Magnetisierungsverteilung eine Tunnelbarriere 50 angeordnet. Die Schicht 52 ist aus einem Kobalt-Eisen-Bor-Gemisch ausgebildet. An einer ersten Stapelgrundfläche 55-1 des Schichtstapels 51 wird das erste Messelement 10 mittels einer ersten Elektrode 53-1 elektrisch kontaktiert. An einer zweiten Stapelgrundfläche 55-2 des Schichtstapels 51, welche von der ersten Stapelgrundfläche 55-1 abgewandt ist, wird die Schicht 52 mit der fixierten Magnetisierungsverteilung mittels einer zweiten Elektrode 53-2 kontaktiert. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 53-1, 53-2 ist mittels einer Stromquelle 54 der erste elektrische Strom I_1 mit der ersten Frequenz ⌷_1 anlegbar, wobei die erste Frequenz ⌷_1 mittels der Frequenz-Anpassungseinrichtung 46 anpassbar ist. Der elektrische Widerstand des Schichtstapels 51 ist proportional zu der zweiten Frequenz ⌷_2 des zweiten elektrischen Stroms I_2, mittels welchem die periodische Bewegung der ersten wirbelförmigen Magnetisierungsverteilung des ersten Messelements 10 angeregt wird.
11a) zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Teils der Vorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform mit einer schematischen Querschnittsansicht des Schichtstapels 51. 11b) erläutert die fixe Magnetisierungsverteilung der Schicht 52, gemäß welcher alle oder die überwiegende Mehrheit der Magnetisierungsvektoren der Schicht 52 parallel zueinander ausgerichtet sind, und zwar parallel zu der x-Richtung und senkrecht zu der z-Richtung, entlang welcher der Schichtstapel 51 gestapelt ist. 11c) erläutert die wirbelförmige Magnetisierungsverteilung des ersten Messelements 10.
Auch gemäß der sechsten Ausführungsform wird, wie in Bezug auf die fünfte Ausführungsform beschrieben, anhand eines entstehenden konstanten ersten elektrischen Spannungsanteils, wenn die zweite Frequenz ⌷_2 der Resonanzfrequenz ⌷_res entspricht und die erste Frequenz ⌷_1 proportional zu der zweiten Frequenz, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches ⌷_1, der zweiten Frequenz ⌷_2 ist, die Resonanzfrequenz ⌷_res bestimmt und aus der Resonanzfrequenz ⌷_res der zu bestimmende Abstand d ermittelt.
Alternativ kann in der fünften oder sechsten Ausführungsform statt des entstehenden konstanten ersten elektrischen Spannungsanteils auch ein Auftreten des um Null oszillierenden zweiten Spannungsanteils mit der dritten Frequenz ⌷_3, welche gleich der vierfachen zweiten Frequenz ⌷_1 ist, erfasst werden. Somit dient der sich einstellende, um Null oszillierende zweite Spannungsanteil mit der dritten Frequenz ⌷_3, genauer: dessen Auftreten, als elektromagnetische Messgröße, welche die Frequenz der angeregten periodischen Bewegung in Resonanz, nämlich die erste Frequenz ⌷_1, indiziert.
12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Bestimmen eines Abstands gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß der siebten Ausführungsform ist zur Verwendung in einer der Vorrichtungen gemäß der ersten bis sechsten Ausführungsformen geeignet und kann speziell dazu ausgebildet sein. Insbesondere ist das Verfahren gemäß der siebten Ausführungsform gemäß allen in Bezug auf die erste bis siebte Ausführungsform beschriebenen Varianten und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anpassbar und umgekehrt. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
In einem Schritt S01 werden ein erstes Messelements 10 mit einer ersten Magnetisierungsverteilung und ein zweites Messelement 20 mit einer zweiten Magnetisierungsverteilung in dem zu bestimmenden Abstand d voneinander bereitgestellt. In einem Schritt S02 wird die erste Magnetisierungsverteilung und/oder die zweite Magnetisierungsverteilung zu einer periodischen Bewegung angeregt.
In einem Schritt S03 wird eine elektrische Messgröße erfasst, welche eine Frequenz und/oder eine Frequenzänderung der angeregten periodische Bewegung indiziert, wobei sich die Frequenz und/oder die Frequenzänderung in Abhängigkeit von dem Abstand d zwischen dem ersten Messelement 10 und dem zweiten Messelement 20 aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Magnetisierungsverteilung und der zweiten Magnetisierungsverteilung einstellt. In einem Schritt S04 wird der Abstand d zwischen dem ersten Messelement 10 und dem zweiten Messelement 20 basierend auf der erfassten elektrischen Messgröße bestimmt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise können die Messelemente nicht nur lateral zueinander, sondern in beliebigen Richtung im dreidimensionalen Raum zueinander angeordnet werden.
Je nach der beabsichtigten Anwendung können das Anregen der periodischen Bewegung und das Erfassen der Frequenz der angeregten periodischen Bewegung an demselben Messelement, oder auch an verschiedenen Messelementen erfolgen. Soll beispielsweise eine Seite der Messvorrichtung vorteilhaft ohne elektrische Schaltungen ausgebildet werden, können das Anregen und das Erfassen an demselben Messelement erfolgen, während das andere Messelement nicht an eine elektrische Schaltung angeschlossen ist. Soll ein besonders präzises Bestimmen des Abstands d erfolgen, können das Anregen und das Erfassen an zwei verschiedenen Messelementen durchgeführt werden, zwischen welchen optional auch noch weitere Messelement angeordnet sein können. Somit kann ein etwaiger störender Einfluss des anregenden elektromagnetischen Felds auf die Erfassungseinrichtung vermindert werden.
Die geometrische Form der Messelemente kann beliebig an die gewünschte Anwendung angepasst werden und kann beispielsweise kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig, dreieckig oder allgemein n-eckig sein. Bevorzugt wird eine flache Ausbildung der Messelemente, insbesondere mit einer Höhe von weniger als zehn Mikrometern, besonders bevorzugt mit einer Höhe von weniger als acht Mikrometern, ganz besonders bevorzugt mit einer Höhe von weniger als sechs Mikrometern.
Es können auch mehr als zwei Messelemente, bevorzugt eine gerade Anzahl von Messelementen, vorgesehen sein, wodurch sich eine Bandstruktur von miteinander gekoppelten Eigenfrequenzen der Magnetisierungsverteilungen der Messelemente ergeben kann.
Statt einer Mikrostreifenleitung können auch andere Varianten zum elektrischen Kontaktieren der Messelemente gewählt werden, beispielsweise Bonddrähte und/oder Durchkontaktierungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch umgekehrt zum Einstellen eines einzustellenden Soll-Abstandswerts basierend auf der elektrischen Messgröße verwendet werden, wobei ein Sollwert für die elektrische Messgröße basierend auf dem einzustellenden Soll-Abstandswert ermittelt wird, beispielsweise unter Verwendung der Datenbank der Bestimmungseinrichtung, und wobei der einzustellende Soll-Abstandswert eingestellt wird, indem der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Messelement so verändert wird, bis ein aktuell erfasster Wert der elektrischen Messgröße dem Sollwert gleich ist.
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

DE 112007000433 T5 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Topology and Origin of Effective Spin Meron Pairs in Ferromagnetic Multilayer Elements”, Wintz et al., Phys. Rev. Lett. 110, 177201, DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.177201, veröffentlicht am 22. April 2013 [0004]
„Spin-motive force due to a gyrating magnetic vortex”, K. Tanabe, D. Chiba, J. Ohe, S. Kasai, H. Kohno, S. E. Barnes, S. Maekawa, K. Kobayashi, T. Ono, Nature Communications 3, Artikelnummer 845, veröffentlicht am 22. Mai 2012 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstands mit: einem ersten Messelement (10) mit einer ersten Magnetisierungsverteilung; einem zweiten Messelement (20) mit einer zweiten Magnetisierungsverteilung; einer Anregungseinrichtung (32), mittels welcher die erste und/oder die zweite Magnetisierungsverteilung zu einer periodischen Bewegung anregbar ist; einer Erfassungseinrichtung (34), mittels welcher eine elektrische Messgröße erfassbar ist, welche eine Frequenz und/oder eine Frequenzänderung der angeregten periodische Bewegung indiziert, wobei sich die Frequenz und/oder die Frequenzänderung in Abhängigkeit von dem Abstand (d) zwischen dem ersten Messelement (10) und dem zweiten Messelement (20) aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Magnetisierungsverteilung und der zweiten Magnetisierungsverteilung einstellt; und einer Bestimmungseinrichtung (30) zum Bestimmen des Abstands (d) zwischen dem ersten Messelement (10) und dem zweiten Messelement (20) basierend auf der erfassten elektrischen Messgröße.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und/oder die zweite Magnetisierungsverteilung eine wirbelförmige Magnetisierungsverteilung mit einem Wirbelkern (7, 9) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei die mittels der Erfassungseinrichtung (34) erfassbare elektrische Messgröße eine Resonanzfrequenz und/oder eine Resonanzfrequenzänderung der gekoppelten ersten und zweiten Magnetisierungsverteilung indiziert.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die mittels der Erfassungseinrichtung (34) erfassbare elektrische Messgröße ein gemäß der angeregten periodischen Bewegung zeitlich veränderlicher elektrischer Widerstand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Messelement (10) und/oder das zweite Messelement (20) in einem magnetischen Tunnelkontakt angeordnet ist; und wobei die mittels der Erfassungseinrichtung (34) erfassbare elektrische Messgröße ein magnetischer Tunnnelwiderstand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Messelement (10) und/oder das zweite Messelement (20) in einem Schichtstapel (51) angeordnet ist; und wobei die mittels der Erfassungseinrichtung (34) erfassbare elektrische Messgröße ein Riesenmagnetowiderstand des Schichtstapels (51) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der elektrische Widerstand aufgrund eines zeitlich veränderlichen Winkels zwischen einer elektrischen Stromdichte und der ersten oder zweiten, zu der periodischen Bewegung angeregten, Magnetisierungsverteilung zeitlich veränderlich ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei mittels der Anregungseinrichtung (32) zum Anregen der periodischen Bewegung ein periodisches elektromagnetisches Feld (13) erzeugbar ist, welches das erste und/oder das zweite Messelement (10, 20) zumindest teilweise durchdringt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, mit: einer Induktionseinrichtung (36); wobei die mittels der Erfassungseinrichtung (34) erfassbare elektrische Messgröße eine gemäß der angeregten periodischen Bewegung in der Induktionseinrichtung (36) induzierte Induktionsspannung ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei die mittels der Erfassungseinrichtung (34) erfassbare elektrische Messgröße eine elektrische Spannung an dem ersten Messelement (10) und/oder an dem zweiten Messelement (20) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei die mittels der Erfassungseinrichtung (34) erfassbare elektrische Messgröße eine Impedanz des ersten Messelements (10) und/oder des zweiten Messelements (20) ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Abstands mit den Schritten: Bereitstellen (S01) eines ersten Messelements (10) mit einer ersten Magnetisierungsverteilung und eines zweiten Messelements (20) mit einer zweiten Magnetisierungsverteilung in dem zu bestimmenden Abstand (d) voneinander; Anregen (S02) der ersten Magnetisierungsverteilung und/oder der zweiten Magnetisierungsverteilung zu einer periodischen Bewegung; Erfassen (S03) einer elektrischen Messgröße, welche eine Frequenz und/oder eine Frequenzänderung der angeregten periodische Bewegung indiziert, wobei sich die Frequenz und/oder die Frequenzänderung in Abhängigkeit von dem Abstand (d) zwischen dem ersten Messelement (10) und dem zweiten Messelement (20) aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen der ersten Magnetisierungsverteilung und der zweiten Magnetisierungsverteilung einstellt; und Bestimmen (S04) des Abstands (d) zwischen dem ersten Messelement (10) und dem zweiten Messelement (20) basierend auf der erfassten elektrischen Messgröße.