DE102017217295A1

DE102017217295A1 - Drucksensor und Verfahren zum Messen eines Drucks mittels eines Drucksensors

Info

Publication number: DE102017217295A1
Application number: DE102017217295.9A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor (100) mit einem Sensorelement (102) mit einer Sensorschicht (106), deren lokales Magnetfeld sich druckabhängig ändert. Das Sensorelement (102) ist ausgebildet, um bei einem Leiten einer Spinwelle durch die Sensorschicht (106) ein Messsignal (114) bereitzustellen, das eine von dem lokalen Magnetfeld abhängige Phasenverschiebung der Spinwelle repräsentiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Drucksensoren basieren beispielsweise häufig auf einem kapazitiven oder piezoresistiven Messprinzip. Bei ersterem können üblicherweise zwei Kondensatorelektroden verwendet werden, wobei eine der beiden als druckempfindliche Membran ausgebildet sein kann. Bei Druckbeaufschlagung kann die Membran ausgelenkt werden, wodurch sich ein Abstand der Elektroden und damit eine elektrische Kapazität verändert. Die Kapazitätsänderung ist proportional zum anliegenden Druck und kann als Messgröße dienen. Bei piezoresistiven Sensorelementen können typischerweise piezoresistive Widerstandselemente auf einer Membran angeordnet sein, die sich selbst durch Beaufschlagen mit einem Druck auslenken kann. Da sich eine Länge und somit ein Widerstand der Widerstandselemente hierbei verändert, kann mittels einer Widerstandsmessung auf den angelegten Druck rückgeschlossen werden.
Die DE 2 219054 A offenbart Dehnungsmessstreifen zur Lieferung binär codierter elektrischer Ausgangssignale. Hierbei ist ein Druckmesser beschrieben, welcher eine dünne anisotrope magnetostriktive Schicht umfasst. Die Druckmessung beruht auf der Drehung der leichten Achse der magnetostriktiven Schicht unter Einwirkung einer mechanischen Spannung.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Drucksensor, ein Verfahren zum Messen eines Drucks mittels eines Drucksensors und ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere ein Drucksensor bereitgestellt werden, bei dem Spinwellen als Erfassungsprinzip ausgenutzt werden. Hierbei kann eine Druckmessung beispielsweise durch eine Messung einer Phasenverschiebung einer Spinwelle infolge einer Änderung eines lokalen Magnetfeldes an einem Spinwellenleiter ermöglicht werden. Die Änderung des lokalen Magnetfeldes kann aufgrund einer Druckeinwirkung erfolgen. Die gemessene Phasenverschiebung kann hierbei ein Maß für den anliegenden Druck repräsentieren. Anders ausgedrückt kann ein Drucksensor bereitgestellt werden, bei dem eine Druckänderung zu einer Änderung eines lokalen Magnetfeldes an einem Spinwellenleiter führen kann, was insbesondere über die Phasenverschiebung einer Spinwelle in dem Spinwellenleiter detektierbar ist. Als Messgröße kann somit eine magnetfeldabhängige Phasenverschiebung einer Spinwelle dienen, die durch den Spinwellenleiter propagiert. Beispielsweise kann der Drucksensor einem Mach-Zender-Interferometer ähnlich ausgeführt sein.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen insbesondere aufgrund einer Genauigkeit von Phasenmessungen eine hohe Sensitivität erreicht werden. Ferner kann durch einen Betrieb bei hohen Frequenzen ein 1/f-Rauschen verringert oder vermieden werden. Zudem kann der Drucksensor bei geringer Baugröße realisiert werden und beispielsweise zur Differenzdruck-Bestimmung auf einfache Weise erweitert werden. Anders als bei kapazitiven Messprinzipien können Leckströme verringert oder vermieden werden. Ein solcher Drucksensor sowie ein solches Erfassungsverfahren kann vorteilhaft beispielsweise für Mikrofone, Beschleunigungssensoren, Lagesensoren und Drehratensensoren verwendet bzw. angewandt werden.
Es wird ein Drucksensor mit folgendem Merkmal vorgestellt:

einem Sensorelement mit einer Sensorschicht, deren lokales Magnetfeld sich druckabhängig ändert, wobei das Sensorelement ausgebildet ist, um bei einem Leiten einer Spinwelle durch die Sensorschicht ein Messsignal bereitzustellen, das eine von dem lokalen Magnetfeld abhängige Phasenverschiebung der Spinwelle repräsentiert.

Das Sensorelement kann beispielsweise als ein Schichtverbund ausgeführt sein. Die Sensorschicht kann zumindest eine Schicht aufweisen. Unter einer Spinwelle kann eine kollektive Präzession von Spins in der magnetisch geordneten Sensorschicht verstanden werden. Dabei kann die Spinwelle als eine Störung in Form einer Abweichung des Spins einzelner Teilchen aufgefasst werden, die sich wie eine Schallwelle durch einen Festkörper ausbreitet. Zum Leiten der Spinwelle durch die Sensorschicht kann zumindest ein elektrisch anregbares Antennenelement in die Sensorschicht integriert sein, beispielsweise in Gestalt einer Mikrostreifenantenne. Unter einem Messsignal kann ein zum Bestimmen eines Druckwerts geeignetes elektrisches Signal verstanden werden. Das Messsignal kann beispielsweise von einem in die Sensorschicht integrierten Antennenelement zum Detektieren der Spinwelle erzeugbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensorschicht ferromagnetisch und zusätzlich oder alternativ ferrimagnetisch sein. Beispielsweise kann die Sensorschicht einen ferromagnetischen Stoff wie Permalloy, CoFeB oder Heusler-Verbindungen und zusätzlich oder alternativ einen ferrimagnetischen Stoff wie Yttrium-Eisengranat, kurz YIG, oder Cobalteisenstein aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Sensorschicht dauerhaft magnetisch ist.
Auch kann die Sensorschicht ein erstes Antennenelement zum Erzeugen der Spinwelle und ein beabstandet zum ersten Antennenelement angeordnetes zweites Antennenelement zum Detektieren der Spinwelle aufweisen. Unter einem Antennenelement kann beispielsweise ein Abschnitt einer Streifenleitung, insbesondere einer Mikrostreifenleitung, verstanden werden. Dadurch kann mit geringem Aufwand eine platzsparende Einheit zur elektrischen Erzeugung und Detektion der Spinwelle in die Sensorschicht integriert werden.
Der Drucksensor kann vorteilhafterweise ein erstes Magnetelement zum Erzeugen eines äußeren Magnetfelds und ein zweites Magnetelement zum Erzeugen eines vordefinierten Magnetfelds an der Sensorschicht aufweisen. Bei einem Magnetelement kann es sich etwa um einen Permanentmagneten oder eine Spule handeln. Dadurch kann das lokale Magnetfeld an der Sensorschicht auf einfache und druckabhängig veränderliche Weise erzeugt werden.
Dabei können das erste Magnetelement und das Sensorelement druckabhängig relativ zueinander beweglich angeordnet sein. Das zweite Magnetelement und das Sensorelement können relativ zueinander in einem konstanten Abstand angeordnet sein. Hierbei kann aufgrund einer Druckeinwirkung eine Relativbewegung zwischen dem ersten Magnetelement und dem Sensorelement und somit eine Änderung des lokalen Magnetfeldes der Sensorschicht bewirkt werden. Somit kann ein Druck auf einfache und präzise Weise gemessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform können hierbei das erste Magnetelement oder das Sensorelement an einer druckabhängig auslenkbaren Membran und zusätzlich oder alternativ mechanischen Wippeneinheit angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Drucksensor auf mechanisch unaufwendige Weise realisiert werden kann und Druckänderungen genau erfasst werden können.
Ferner können das erste Magnetelement und zusätzlich oder alternativ das zweite Magnetelement einen Antiferromagneten zum Fixieren einer Vorzugsmagnetisierung aufweisen. Dadurch kann auch eine unidirektionale Anisotropie erzeugt werden, auch Exchange Bias genannt.
Der Drucksensor kann zumindest ein weiteres Sensorelement mit einer weiteren Sensorschicht aufweisen, deren lokales Magnetfeld sich druckabhängig ändert. Dabei kann das weitere Sensorelement ausgebildet sein, um beim Leiten einer weiteren Spinwelle durch die weitere Sensorschicht ein weiteres Messsignal bereitzustellen, das eine von dem lokalen Magnetfeld abhängige Phasenverschiebung der weiteren Spinwelle repräsentiert. Auch kann der Drucksensor ein zumindest weiteres zweites Magnetelement zum Erzeugen eines vordefinierten Magnetfelds an der weiteren Sensorschicht aufweisen. Beispielsweise kann der Druck dadurch besonders genau als Differenz zwischen der durch das Messsignal repräsentierten Phasenverschiebung und der durch das weitere Messsignal repräsentierten Phasenverschiebung gemessen werden.
Der Drucksensor kann ferner eine Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines Druckwerts unter Verwendung mindestens des Messsignals aufweisen. Somit kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um den Druckwert unter Verwendung des Messsignals, des weiteren Messsignals oder beider Messsignale zu erzeugen. Unter einer Auswerteeinrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Auswerteeinrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Durch diese Ausführungsform kann eine sehr genaue Druckmessung erreicht werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Messen eines Drucks mittels einer vorstehend genannten Ausführungsform eines Drucksensors, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Schritt umfasst:
Erzeugen des Druckwerts unter Verwendung mindestens des Messsignals.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4 eine schematische Darstellung eines Drucksensors mit zwei Sensorelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung eines Drucksensors mit zwei Sensorelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung eines Drucksensors mit zwei Sensorelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Drucksensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drucksensor 100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einem Sensorelement 102 in Form eines Schichtstapels aus einem nicht magnetischen Substrat 104 und einer darauf platzierten Sensorschicht 106, die als Spinwellenleiter fungiert, ausgeführt. Beispielhaft gezeigt ist eine Anordnung zur Anregung von BVMSW-Spinwellen, wobei BVMSW für backward volume magnetostatic spin waves steht. Die Sensorschicht 106 ist magnetisch. Insbesondere weist die Sensorschicht 106 ferromagnetische Stoffe wie Permalloy, CoFeB, Heusler-Verbindungen, etc. oder ferrimagnetische Stoffe wie YIG auf.
Das Sensorelement 102 weist ferner eine Einheit zur elektrischen Erzeugung und Detektion einer Spinwelle in der Sensorschicht 106 auf. Diese Einheit weist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Antennenelement 110 zum Erzeugen der Spinwelle, auch Input-Antenne genannt, und ein beabstandet zum ersten Antennenelement 110 angeordnetes zweites Antennenelement 112 zum Detektieren der Spinwelle, auch Output-Antenne genannt, auf. Wie aus 1 ersichtlich, verlaufen die beiden Antennenelemente 110 und 112 beispielsweise parallel zueinander über eine gesamte Breite der Sensorschicht 106. Die beiden Antennenelemente 110 und 112 sind gemäß einem Ausführungsbeispiel zumindest abschnittsweise je als eine Streifenleitung, insbesondere als eine Mikrostreifenleitung, auch Microstripline-Antenne genannt, ausgeführt.
Das Sensorelement 102 ist ausgebildet, um beim Leiten der Spinwelle durch die Sensorschicht 106 mittels der beiden Antennenelemente 110 und 112 ein Messsignal 114 bereitzustellen, das eine von einem sich druckabhängig ändernden, lokalen Magnetfeld der Sensorschicht 106 abhängige Phasenverschiebung der Spinwelle repräsentiert. Anhand der Phasenverschiebung kann ein Druck bzw. Umgebungsdruck ermittelt werden.
Ein äußeres Magnetfeld H_Bias an der Sensorschicht 106 ist mit einem horizontalen Pfeil gekennzeichnet.
Als grundlegende Komponente des Drucksensors 100 dient die als Spinwellenleiter fungierende Sensorschicht 106. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Dispersionsrelation einer Spinwelle vom äußeren Magnetfeld H abhängt. Für die in 1 beispielhaft gezeigte Anordnung für die Anregung sogenannter Backward Volume Magnetostatic Spin Waves (BVMSW) lautet die Dispersionsrelation beispielsweise: $ω_{B V M S W}^{2} = ω_{H} [ω_{H} + ω_{M} (\frac{1 - e^{- k d}}{k d})],$
wobei wobei ω_H = γµ₀H_eff und ω_M = γµ₀M_S und γ das gyromagnetische Verhältnis, M_s die Sättigungsmagnetisierung, d die Probendicke und k der Wellenvektor sind. Das Magnetfeld H_eff kann hierbei wie folgt erhalten werden: H_eff = H_anisotropy+H_exchange+H_demag+H_extern, wobei H_anisotropy ein anisotropes Magnetfeld, H_exchange ein Wechselmagnetfeld, H_demag ein Demagnetisierungsmagnetfeld und H_extern ein externes Magnetfeld repräsentiert. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden allerdings H_anisotropy+H_exchange+H_demag nicht geändert und nur Hextern = H geändert.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Drucksensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei entspricht die Darstellung von 2 der Darstellung aus 1 mit Ausnahme dessen, dass in 2 zusätzlich ein erstes Magnetelement 220 des Drucksensors 100 gezeigt ist. Zudem ist in 2 ein Druck p bzw. Umgebungsdruck p durch parallele Pfeile veranschaulicht.
Das erste Magnetelement 220 ist hierbei in Gestalt eines Permanentmagneten ausgeführt. Das erste Magnetelement 220 ist an einer beweglichen bzw. druckabhängig auslenkbaren Membran 222 angeordnet. Somit sind das erste Magnetelement 220 und das Sensorelement 102 bzw. die Sensorschicht 106 des Sensorelements 102 druckabhängig relativ zueinander beweglich angeordnet. Das erste Magnetelement 220 ist ausgebildet, um ein Magnetfeld an der Sensorschicht 106 des Sensorelements 102 des Drucksensors 100 zu erzeugen.
Anders ausgedrückt zeigt 2 ein Beispiel einer Anregung von BVMSW-Moden mit einer Membran, an welcher das Magnetelement 220 bzw. der Permanentmagnet befestigt ist. Im Allgemeinen kann das Prinzip auf andere Anregungsformen bzw. Aufbauten angewendet werden, wie beispielsweise FVMSW, BCMSW, MSSW oder dergleichen.
Das erste Magnetelement 220 bzw. der Permanentmagnet, der hier in z-Richtung magnetisiert ist, erzeugt zusammen mit dem Bias-Feld am Ort der als Spinwellenleiter fungierenden Sensorschicht 106 ein lokales, effektives, externes Magnetfeld H(z)=H_Bias+H_Magnet. Ändert sich der Abstand (hier in x-Richtung) zwischen Membran 222 bzw. erstem Magnetelement 220 und der als Spinwellenleiter fungierenden Sensorschicht 106, so führt dies zu einer Änderung des effektiven Magnetfeldes H(z).
Das effektive lokale Feld H(z) wird je nach Auslenkung der Membran 222 verstärkt bzw. geschwächt, was schließlich zu einer Erhöhung bzw. Verringerung der Wellenzahl k einer Spinwelle bei einer Frequenz ω₀ führt. Die Frequenz ω₀ ist entsprechend der Anordnung bzw. der zugrunde liegenden Dispersionsrelation zu wählen. Bezeichne I die Länge, auf der das effektive lokale Feld H(z) wirkt, so wird die Phasenverschiebung $Δ ϕ = \int_{0}^{l} [k (z) - k_{0}] d z$
akkumuliert. Durch Messung dieser Phasenverschiebung kann der Druck p, der auf die Membran 222 wirkt, ermittelt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Drucksensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drucksensor 100 entspricht hierbei dem Drucksensor aus 2 mit Ausnahme dessen, dass das erste Magnetelement 220 an sich hierbei beweglich bzw. druckabhängig beweglich ausgeführt ist. Das erste Magnetelement 220 ist als ein Permanentmagnet oder eine Spule ausgeführt. Die Kombination aus dem Sensorelement 102 und dem ersten Magnetelement 220 kann als ein abstandssensitiver Phasenschieber (APS) bezeichnet werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Drucksensors 100 mit zwei Sensorelementen 102 und 402 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der in 4 gezeigte schematische Aufbau entspricht dem eines Mach-Zender-ähnlichen Spinwellen-Drucksensors. Dabei umfasst der Drucksensor 100 zusätzlich zum Sensorelement 102 ein weiteres Sensorelement 402, das analog zum Sensorelement 102 eine weitere Sensorschicht aufweist, deren lokales Magnetfeld sich ebenfalls druckabhängig ändert. Wie das Sensorelement 102 ist auch das weitere Sensorelement 402 ausgebildet, um beim Leiten einer Spinwelle durch die weitere Sensorschicht ein weiteres Messsignal 414, das eine von dem lokalen Magnetfeld der weiteren Sensorschicht abhängige Phasenverschiebung der weiteren Spinwelle repräsentiert, bereitzustellen.
Ein Leistungsverteiler 430 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um unter Verwendung einer Wechselspannung ein erstes elektrisches Signal 432 zur Anregung der Sensorschicht und ein zweites elektrisches Signal 434 zur Anregung der weiteren Sensorschicht bereitzustellen.
Eine Auswerteeinrichtung 440, hier in Gestalt eines Mischers, ist ausgebildet, um die beiden Messsignale 432 und 434 von den jeweiligen Sensorelementen 102 und 402 bzw. drucksensitiven bzw. abstandssensitiven Phasenschiebern 102 und 402 zu empfangen und diese zum Erzeugen eines Druckwerts 442 miteinander zu mischen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinrichtung 440 den Druckwert 442 durch Bestimmen einer Differenz zwischen der durch das Messsignal 114 repräsentierten Phasenverschiebung und der durch das weitere Messsignal 414 repräsentierten Phasenverschiebung erzeugt.
Durch dieses besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor 100 robust gegen äußere Magnetfelder. Realisiert wird das durch den Einsatz von mindestens zwei Sensorelement-Magnetelement-Paaren 102 und 402 bzw. zwei drucksensitiven bzw. abstandssensitiven Phasenschiebern 102 und 402, die in einer Mach-Zender-ähnlichen Anordnung aufgebaut sind. Dabei wird eine Differenzbildung im Sensorkern zur Druckmessung genutzt. Als Messgröße dient die Differenz der beiden Phasenverschiebungen ΔΦ = ΔΦ₁ - ΔΦ₂ in den beiden drucksensitiven bzw. abstandssensitiven Phasenschiebern 102 und 402, wobei ΔΦ₁ die Phasenverschiebung im ersten drucksensitiven bzw. abstandssensitiven Phasenschieber 102 und ΔΦ₂ die Phasenverschiebung im zweiten drucksensitiven bzw. abstandssensitiven Phasenschieber 402 darstellt. Die Differenzbildung ist hier elektronisch, vorzugsweise durch einen Mischer, realisiert, da der resultierende Gleichanteil nach dem Mischer proportional zu cos(ΔΦ) ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Drucksensors 100 mit zwei Sensorelementen 102 und 402 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist der Drucksensor 100 in einer Draufsicht dargestellt. Der Drucksensor 100 entspricht oder ähnelt hierbei hinsichtlich eines Aufbaus einem Mach-Zender-Spinwellen-Interferometer. Die Sensorelemente 102 und 402 repräsentieren dabei drucksensitive bzw. abstandssensitive Phasenschieber.
Von dem Drucksensor 100 sind in der Darstellung von 5 hierbei das Sensorelement 102, das weitere Sensorelement 402, zwei Sensorschichten 106, zwei erste Antennenelemente 110, zwei zweite Antennenelemente 112, zwei erste Magnetelemente 220, die Membran 222 und eine mechanische Wippe 724 gezeigt. An der mechanischen Wippe 724 sind die beiden ersten Magnetelemente 220 angeordnet. Die mechanische Wippe 724 ist mit der druckabhängig auslenkbaren Membran 222 gekoppelt.
6 zeigt eine schematische Darstellung des Drucksensors 100 aus 5. Hierbei ist der Drucksensor 100 aus 5 in einer Schnittansicht oder Teilschnittansicht dargestellt. Dabei sind von dem Drucksensor 100 in der Darstellung von 6 das Sensorelement 102, das weitere Sensorelement 402, die ersten Magnetelemente 220, die Membran 222, ein zweites Magnetelement 720 und die Wippe 724 gezeigt. Das zweite Magnetelement 720 ist ausgebildet, um das vordefinierte Magnetfeld (H_Bias ) an den Sensorschichten der Sensorelemente 102 und 402 zu erzeugen. Die Sensorelemente 102 und 402 weisen das zweite Magnetelement 720 als eine gemeinsam genutzte Komponente auf.
Bei dem als Mach-Zender-Spinwellen-Interferometer ausgeführten Drucksensor 100 wird gemäß dem in 5 bzw. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ansprechend auf den Druck p, der an der Membran 222 in eine Kraft F umgesetzt wird, mittels der Wippe 724 eine gegenphasige Bewegung der ersten Magnetelemente 220 relativ zu den Sensorschichten 106 bewirkt.
Gemäß dem in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei dem Drucksensor 100 mechanischer Druck in eine gegenphasige Bewegung der ersten Magnetelemente 220 bzw. Permanentmagnete relativ zu den Sensorschichten 106 umgesetzt. Hier dient die Membran 222 als ein Teil der mechanischen Wippe 724. Genauer gesagt ist die durch den Druck p auslenkbare Membran 222 mit einem ersten Ende der mechanischen Wippe 724 gekoppelt. An einem zweiten Ende der Wippe 794 sind die ersten Magnetelemente 220 so angeordnet, dass beispielsweise bei einer gegebenen Auslenkung der Membran 222 das erste Magnetelement 220, das dem ersten Sensorelement 102 bzw. dem ersten APS zugeordnet ist, seinen Abstand zu diesem erhöht, wobei das erste Magnetelement 220, welches dem zweiten Sensorelement 402 bzw. dem zweiten APS zugeordnet ist, seinen Abstand zu diesem um den gleichen Betrag erniedrigt.
Je nach Ausführungsbeispiel umfasst das Drucksensor 100 folgende Merkmale:

- mindestens eine magnetische Schicht, die als Spinwellenleiter dient, wobei es sich beispielsweise um Ferromagnete wie Permalloy, CoFeB oder Heusler-Verbindungen usw. handelt oder alternativ ferrimagnetische Stoffe wie YIG eingesetzt werden können;
- eine Einheit zur elektrischen Erzeugung und Detektion von Spinwellen im Spinwellenleiter, etwa in Form von Mikrostreifenleitungsantennen; und
- mindestens einen ersten Magnetfeldgenerator und einen zweiten Magnetfeldgenerator, beispielsweise in Gestalt eines Permanentmagneten oder einer Spule, zum Erzeugen von Magnetfeldern, wobei jeder Magnetfeldgenerator auch durch einen Antiferromagneten mithilfe des sogenannten Exchange Bias in einer Vorzugsmagnetisierung festgehalten werden kann, wobei zumindest ein Magnetfeldgenerator optional an einer Membran befestigt ist oder über eine mechanische Wippe befestigt ist und durch eine Abstandsänderung das lokale Magnetfeld am Spinwellenleiter ändert.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 zum Messen eines Drucks mittels eines Drucksensors kann beispielsweise unter Verwendung des vorangehend anhand von einer der 1 bis 6, insbesondere einer der 4 bis 6, beschriebenen Drucksensors ausgeführt werden. Dabei wird in einem optionalen Schritt 710 zunächst ein elektrisches Signal zur Erzeugung der Spinwelle in der Sensorschicht des Sensorelementes generiert. In einem weiteren Schritt 720 wird ansprechend auf das Generieren des elektrischen Signals ein Messsignal empfangen und zur Bestimmung des Druckwerts in geeigneter Weise ausgewertet, beispielsweise durch einen Vergleich mit Referenzwerten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Sensorelemente eingesetzt werden, werden in dem Schritt 710 die beiden elektrischen Signale zur Erzeugung der Spinwellen in den jeweiligen Sensorschichten der Sensorelemente generiert. In dem weiteren Schritt 720 werden ansprechend auf das Generieren der elektrischen Signale die beiden Messsignale empfangen und zur Bestimmung des Druckwerts in geeigneter Weise ausgewertet, beispielsweise miteinander verglichen oder kombiniert.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2219054 A [0003]

Claims

Drucksensor (100) mit folgendem Merkmal: einem Sensorelement (102) mit einer Sensorschicht (106), deren lokales Magnetfeld sich druckabhängig ändert, wobei das Sensorelement (102) ausgebildet ist, um bei einem Leiten einer Spinwelle durch die Sensorschicht (106) ein Messsignal (114) bereitzustellen, das eine von dem lokalen Magnetfeld abhängige Phasenverschiebung der Spinwelle repräsentiert.
Drucksensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Sensorschicht (106) ferromagnetisch und/oder ferrimagnetisch ist.
Drucksensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Sensorschicht (106) ein erstes Antennenelement (110) zum Erzeugen der Spinwelle und ein beabstandet zu dem ersten Antennenelement (110) angeordnetes zweites Antennenelement (112) zum Detektieren der Spinwelle aufweist.
Drucksensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem ersten Magnetelement (220) zum Erzeugen eines äußeren Magnetfelds (H_Magnet) und mit einem zweiten Magnetelement (720) zum Erzeugen eines vordefinierten Magnetfelds (H_Bias) an der Sensorschicht (106).
Drucksensor (100) gemäß Anspruch 4, bei dem das erste Magnetelement (220) und das Sensorelement (102) druckabhängig relativ zueinander beweglich angeordnet sind.
Drucksensor (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem das erste Magnetelement (220) oder das Sensorelement (102) an einer druckabhängig auslenkbaren Membran und/oder mechanischen Wippeneinheit angeordnet ist.
Drucksensor (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das erste Magnetelement (220) und/oder das zweite Magnetelement (720) einen Antiferromagneten zum Fixieren einer Vorzugsmagnetisierung aufweist.
Drucksensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem weiteren Sensorelement (402) mit einer weiteren Sensorschicht, deren lokales Magnetfeld sich druckabhängig ändert, wobei das weitere Sensorelement (402) ausgebildet ist, um beim Leiten einer weiteren Spinwelle durch die weitere Sensorschicht ein weiteres Messsignal (414) bereitzustellen, das eine von dem lokalen Magnetfeld abhängige Phasenverschiebung der weiteren Spinwelle repräsentiert, und mit zumindest einem weiteren zweiten Magnetelement (720) zum Erzeugen eines vordefinierten Magnetfelds (H_Bias) an der weiteren Sensorschicht.
Drucksensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Auswerteeinrichtung (440) zum Erzeugen eines Druckwerts (412) unter Verwendung mindestens des Messsignals (114).
Verfahren (700) zum Messen eines Drucks mittels eines Drucksensors (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (700) zumindest folgenden Schritt umfasst: Erzeugen (720) des Druckwerts (412) unter Verwendung mindestens des Messsignals (114).