DE102019208117A1

DE102019208117A1 - Sensor- und/oder Wandlervorrichtung und Verfahren zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil

Info

Publication number: DE102019208117A1
Application number: DE102019208117.7A
Authority: DE
Inventors: Michael CURCIC; Nils Felix Kuhlmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2020-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensor- und/oder Wandlervorrichtung mit einem Sensierteil (10), welches zumindest teilweise dazu ausgebildet ist, in seiner Umgebung ein Mess-Magnetfeld (Hmeasure) zu bewirken, einem magnetfeldsensitiven Element (12), wobei das Sensierteil (10) mittels einer zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung derart verformbar und/oder in Bezug zu dem magnetfeldsensitiven Element (12) verstellbar ist, dass eine in dem magnetfeldsensitiven Element (12) vorliegende Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (Hmeasure) variiert, und einer Elektronikeinrichtung (16), welche dazu ausgelegt ist, anhand zumindest eines elektrischen Signals bezüglich der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (Hmeasure) in dem magnetfeldsensitiven Element (12) mindestens ein Sensor- oder Wandlersignal (18) auszugeben, wobei die Elektronikeinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, anhand zumindest des elektrischen Signals eine durch Variierung der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (Hmeasure) in dem magnetfeldsensitiven Element (12) ausgelöste Änderung einer Ferromagnetischen Resonanzfrequenz zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements (12) das mindestens eine Sensor- oder Wandlersignal (18) auszugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensor- und/oder Wandlervorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil.
Stand der Technik
In der DE 31 27 937 A1 ist ein Drucksensor beschrieben, welcher eine Membrandose mit einem an der Membrandose angebrachten Magneten und ein magnetfeldempfindliches Element aufweist, wobei eine Ausgangsspannung des magnetfeldempfindlichen Elements von einem Abstand des Magneten zu dem magnetfeldempfindlichen Element abhängt. Unter Einwirkung eines Messdrucks auf die Membrandose ist der Abstand des Magneten zu dem magnetfeldempfindlichen Element veränderbar.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Sensor- und/oder Wandlervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zur Nutzung der Ferromagnetischen Resonanz eines magnetfeldsensitiven Elements zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil. Unter dem Sensieren der Krafteinwirkung kann beispielsweise ein Messen einer physikalischen Kraft der Krafteinwirkung oder ein Messen einer die Krafteinwirkung wiedergebenden physikalischen Größe verstanden werden.
Außerdem kann unter dem Wandeln der Krafteinwirkung ein Umwandeln der Krafteinwirkung in ein (elektrisches) Wandlersignal, z.B. ein Umwandeln von Schallwellen in das (elektrische) Wandlersignal, verstanden werden. Die vorliegende Erfindung ist somit vielseitig einsetzbar.
Insbesondere kann mittels der vorliegenden Erfindung eine indirekt durch die physikalische Kraft ausgelöste Änderung/Verschiebung einer Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements zur Ausgabe mindestens eines Sensor- oder Wandlersignals genutzt werden. Da Frequenzmessungen potentiell sehr genau sind, kann somit die gemessene physikalische Kraft oder die gemessene physikalische Größe mit einer vergleichsweise hohen Messgenauigkeit bestimmt werden. Ebenso kann das mindestens eine Wandlersignal mit einer relativ hohen Genauigkeit der Krafteinwirkung/den zu wandelnden Schallwellen entsprechen. Außerdem sind Ferromagnetische Resonanzfrequenzen in der Regel relativ hohe Frequenzen, so dass in beiden Fällen (nahezu) kein „1/f-Rauschen“ auftreten kann. Die Gegenstände der vorliegenden Erfindung eignen sich somit vorteilhafter zum relativ genauen Messen von Kräften oder physikalischen Größen oder zum verlässlichen Umwandeln von Krafteinwirkungen, wie insbesondere Schallwellen, in das mindestens eine (elektrische) Wandlersignal.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die zum Ausführen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Komponenten, wie beispielsweise das Sensierteil, das magnetfeldsensitive Element und die Elektronikeinrichtung, problemlos mit einer relativ geringen Baugröße ausgebildet werden können. Die Baugrößen des Sensierteils, des magnetfeldsensitiven Elements und/oder der Elektronikeinrichtung können beispielsweise im Mikrometerbereich liegen. Die vorliegende Erfindung erleichtert damit eine Miniaturisierung von Sensor- und/oder Wandlervorrichtungen, und trägt damit auch zu einer Steigerung einer Verwendbarkeit von Sensor- und/oder Wandlervorrichtungen bei.
Es wird hier auch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Sensor- und/oder Wandlervorrichtung problemlos mit einer Baugröße ausgebildet werden kann, welche unter der herkömmlichen Mindestbaugröße eines standardgemäßen Sensors mit kapazitiven Sensierelementen liegt. Im Gegensatz zu einem derartigen Sensor nach dem Stand der Technik, welcher auf einem kapazitiven Messprinzip basiert, muss bei der erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Wandlervorrichtung auch keine Leckstromproblematik befürchtet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung mit einer zu dem magnetfeldsensitive Element benachbarten Spannungsmessschicht derart ausgebildet, dass, zumindest bei einer Ferromagnetischen Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements, der inverse Spin-Hall-Effekt einen Spinstrom in der Spannungsmessschicht in eine Spannung umwandelt, wobei die Elektronikeinrichtung dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung zumindest des an der Spannungsmessschicht abgegriffenen elektrischen Signals die Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitive Elements zu ermitteln. Der inverse Spin-Hall-Effekt kann somit auf einfache Weise zum „Auslesen“ der Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements genutzt werden.
Vorzugsweise umfasst die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung auch einen Stromleiter, welcher mittels der Elektronikeinrichtung derart bestrombar ist, dass ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld erzeugbar ist, welches, zumindest sofern eine Frequenz des zeitlich oszillierenden Magnetfelds der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements entspricht, eine Ferromagnetischen Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements auslöst. Somit kann der Stromleiter als vergleichsweise einfach ausgebildetes und relativ kostengünstig herstellbares Elektronikteil zum „Auslesen“ der Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements mitverwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung ist das magnetfeldsensitive Element zumindest teilweise aus mindestens einem ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material geformt. Beispielsweise kann das magnetfeldsensitive Element zumindest teilweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Kobalt-Eisen-Bor-Legierung, einem Yttrium-Eisen-Granat und/oder einer heuslerschen Legierung als dem mindestens einen ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material geformt sein. Somit ist eine Vielzahl von kostengünstigen und vergleichsweise einfach verarbeitbaren Materialien für die Herstellung des magnetfeldsensitiven Elements verwendbar.
Vorzugsweise umfasst das Sensierteil mindestens ein Material mit permanentmagnetischen Eigenschaften und/oder mindestens eine Spule. Das Sensierteil kann somit vergleichsweise einfach ausgebildet sein.
Insbesondere kann das Sensierteil eine verwölbbare Membran oder eine seismische Masse umfassen. Ein derartiges Sensierteil kann für eine Vielzahl von Verwendungszwecken eingesetzt werden, wobei mittels einer Verformung und/oder einer mechanischen Auslenkung des Sensierteils die Magnetfeldstärke des von dem Sensierteil bewirkten Mess-Magnetfelds im Volumen des magnetfeldsensitiven Elements verlässlich veränderbar ist. Insbesondere kann das Sensierteil als die verwölbbare Membran oder als die seismische Masse ausgebildet sein.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung ein magnetfeldsensitives Referenz-Element, welches in einem größeren Mindestabstand zu dem Sensierteil als das magnetfeldsensitive Element angeordnet ist, umfassen. Mittels des magnetfeldsensitiven Referenz-Elements kann somit ein (in einer äußeren Umgebung der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung vorherrschendes) externes Magnetfeld mit berücksichtigt werden. Die hier beschriebene Weiterbildung der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung steigert somit eine Messgenauigkeit von mittels der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung ausgeführten Messungen. Insbesondere kann das magnetfeldsensitive Referenz-Element auch zum Messen einer magnetischen Feldstärke des externen Magnetfelds eingesetzt werden.
Die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung kann beispielsweise ein Drucksensor, ein Drehratensensor, ein Lagesensor, ein Beschleunigungssensor oder ein Mikrofon sein. Die hier aufgezählten Ausbildungsmöglichkeiten der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil die oben erläuterten Vorteile, welches die Schritte umfasst: Ausgeben mindestens eines Sensor- oder Wandlersignals anhand zumindest eines elektrischen Signals bezüglich einer Magnetfeldstärke eines Mess-Magnetfelds in einem magnetfeldsensitiven Element während das Sensierteil, welches zumindest teilweise dazu ausgebildet ist, in seiner Umgebung das Mess-Magnetfeld zu bewirken, mittels der zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung derart verformt und/oder in Bezug zu dem magnetfeldsensitiven Element verstellt wird, dass die in dem magnetfeldsensitiven Element vorliegende Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds variiert, durch Ermitteln einer durch Variierung der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds in dem magnetfeldsensitiven Element ausgelösten Änderung einer Ferromagnetischen Resonanzfrequenz anhand zumindest des elektrischen Signals, und Ausgeben des mindestens einen Sensor- oder Wandlersignals unter Berücksichtigung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen von Sensor- und/oder Wandlervorrichtungen weitergebildet werden kann.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung; und
2 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung.
Die in 1 schematisch dargestellte Sensor- und/oder Wandlervorrichtung umfasst ein Sensierteil 10, welches zumindest teilweise dazu ausgebildet ist, in seiner Umgebung ein Mess-Magnetfeld H_measure zu bewirken. Außerdem weist die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung ein magnetfeldsensitives Element 12 auf. Das Sensierteil 10 ist mittels einer zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung derart verformbar und/oder in Bezug zu dem magnetfeldsensitiven Element 12 verstellbar, dass eine in dem magnetfeldsensitiven Element 12 vorliegende Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds H_measure variiert. Man kann dies auch so umschreiben, dass das Sensierteil 10 mittels der zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung derart verformt und/oder in Bezug zu dem magnetfeldsensitiven Element 12 verstellt wird, dass eine in dem magnetfeldsensitiven Element 12 vorliegende magnetische Flussdichte des Mess-Magnetfelds H_measure variiert. Die mittels der zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung bewirkte Abstandsänderung des Sensierteils 10 zu dem magnetfeldsensitiven Element 12 ist in 1 mittels eines Pfeils 14 schematisch wiedergegeben. Im Gegensatz zu dem Sensierteil 10 ist das magnetfeldsensitive Element 12 vorzugsweise ohne eine Beschädigung der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung weder verformbar noch verstellbar.
Des Weiteren umfasst die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung auch eine (in 1 nur schematisch dargestellte) Elektronikeinrichtung 16. Die Elektronikeinrichtung 16 ist dazu ausgelegt, anhand zumindest eines (nicht skizzierten) elektrischen Signals bezüglich der Magnetfeldstärke/magnetischen Flussdichte des Mess-Magnetfelds H_measure in dem magnetfeldsensitiven Element 12 mindestens ein Sensor- oder Wandlersignal 18 auszugeben. Insbesondere ist die Elektronikeinrichtung 16 dazu ausgelegt, anhand zumindest des elektrischen Signals eine durch Variierung der Magnetfeldstärke /magnetischen Flussdichte des Mess-Magnetfelds H_measure in dem magnetfeldsensitiven Element 12 ausgelöste Änderung einer Ferromagnetischen Resonanzfrequenz zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 das mindestens eine Sensor- oder Wandlersignal 18 auszugeben. Unter der durch Variierung der Magnetfeldstärke /magnetischen Flussdichte des Mess-Magnetfelds H_measure in dem magnetfeldsensitiven Element 12 ausgelöste Änderung seiner Ferromagnetischen Resonanzfrequenz kann auch eine Verschiebung oder eine Verstimmung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 verstanden werden. Als das mindestens eine Sensor- oder Wandlersignal 18 kann beispielsweise ein Wert einer physikalischen Kraft der Krafteinwirkung und/oder ein Wert einer die Krafteinwirkung wiedergebenden physikalischen Größe (als Sensorsignal) ausgegeben werden. Ebenso kann als das mindestens eine Sensor- oder Wandlersignal 18 auch ein elektrisches Wandlersignal, wie insbesondere ein einen zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung wiedergebendes elektrisches Wandlersignal ausgegeben werden.
Die mittels der 1 schematisch wiedergegebene Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nutzt somit die Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 zur Erkennung der mittels des Pfeils 14 in 1 wiedergegebenen Abstandsänderung des Sensierteils 10 zu dem magnetfeldsensitiven Element 12. Da die im Volumen des magnetfeldsensitiven Elements 12 vorliegende Magnetfeldstärke/magnetische Flussdichte des Mess-Magnetfelds H_measure proportional zu einem Abstand zwischen dem Sensierteil 10 und dem magnetfeldsensitiven Element 12 ist, reagiert die Ferromagnetische Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 sehr „sensitiv“ auf die Abstandsänderung des Sensierteils 10 zu dem magnetfeldsensitiven Element 12. Eine Auswertung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 eignet sich somit vorteilhaft zum Festlegen/Ausgeben des mindestens einen Sensor- oder Wandlersignals 18. Beispielsweise können der Wert der physikalischen Kraft der Krafteinwirkung und/oder der Wert der die Krafteinwirkung wiedergebenden physikalischen Größe mittels der Auswertung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 mit einer relativ hohen Messgenauigkeit festgelegt werden. Ebenso ist gewährleistet, dass das mindestens eine als Sensor- oder Wandlersignal 18 ausgegebene Wandlersignal mit einer hohen Genauigkeit der Krafteinwirkung oder dem zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung entspricht.
Unter der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 ist eine Frequenz zu verstehen, bei welcher eine sogenannte Ferromagnetische Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12 auftritt. Als Ferromagnetische Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12 bezeichnet man eine resonante Absorption von elektromagnetischer Strahlung eines mit einer Frequenz gleich der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz zeitlich variierenden Magnetfelds durch das magnetfeldsensitive Element 12.
In der Ausführungsform der 1 umfasst das Sensierteil 10 beispielhaft eine verwölbbare Membran 20, welche mittels einer externen Druckkraft oder darauf auftreffender Schallwellen verwölbbar ist. Außerdem umfasst das Sensorteil eine Schicht 22 aus mindestens einem Material mit permanentmagnetischen Eigenschaften auf. Die Schicht 22 ist derart an der Membran 20 abgeschieden, dass bei einer mittels der externen Druckkraft oder darauf auftreffender Schallwellen bewirkten Verwölbung der Membran 20 ein Abstand zwischen der Schicht 22 und dem magnetfeldsensitiven Element 12 variiert. Alternativ kann jedoch auch die Membran 20 selbst aus mindestens einem Material mit permanentmagnetischen Eigenschaften geformt sein. Unter dem mindestens einen Material mit permanentmagnetischen Eigenschaften kann z.B. mindestens ein ferromagnetisches Material und/oder mindestens ein ferrimagnetisches Material verstanden werden. Anstelle oder als Ergänzung zu dem mindestens einen Material mit permanentmagnetischen Eigenschaften kann das Sensierteil 10 auch mindestens eine Spule umfassen, mittels deren Bestromung das Mess-Magnetfeld H_measure (mit-)erzeugbar ist. Unter der mindestens einen Spule kann auch eine Mikrospule verstanden werden.
Außerdem ist eine Ausbildbarkeit des Sensierteils 10 nicht auf die verwölbbare Membran 20 beschränkt. Beispielsweise kann das Sensierteil 10 auch eine seismische Masse umfassen. In diesem Fall kann die seismische Masse mittels eines Masse-Feder-Systems derart an und/oder in der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung angeordnet sein, dass die extern darauf ausgeübte physikalische Kraft eine mechanische Auslenkung der seismischen Masse bewirkt. Das Masse-Feder-System kann insbesondere ein gedämpftes Masse-Feder-System sein. Wahlweise kann die seismische Masse mittels der zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung entweder aus ihrer Ruheposition/Ruhestellung oder aus einer von einer (optionalen) Aktoreinrichtung angeregten Bewegung mechanisch auslenkbar sein. Auch die seismische Masse kann mindestens ein Material mit permanentmagnetischen Eigenschaften und/oder mindestens eine Spule/Mikrospule zur Erzeugung des Mess-Magnetfelds Hmeasure umfassen.
Vorzugsweise ist das magnetfeldsensitive Element 12 zumindest teilweise aus mindestens einem ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material geformt. Bevorzugter Weise ist das magnetfeldsensitive Element 12 aus mindestens einem ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material mit einer magnetischen Dämpfung von höchstens 0.1 gebildet. Beispielsweise kann das magnetfeldsensitive Element 12 zumindest teilweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Kobalt-Eisen-Bor-Legierung (CoFeB), einem Yttrium-Eisen-Granat (YIG) und/oder einer heuslerschen Legierung/Heusler-Legierung als dem mindestens einen ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material geformt sein. Als Nickel-Eisen-Legierung kann das magnetfeldsensitive Element 12 insbesondere Permalloy (Ni80Fe20) umfassen. Als das Yttrium-Eisen-Granat kann insbesondere Y₃Fe₅O₁₂ bei der Ausbildung des magnetfeldsensitiven Elements 12 verwendet werden. Außerdem kann das magnetfeldsensitive Element 12 als heuslersche Legierung insbesondere NiMnSb umfassen. Das magnetfeldsensitive Element 12 kann jedoch auch andere Materialien jeweils als Alternative oder Zusatz zu den bereits genannten Materialien umfassen.
In der Ausführungsform der 1 ist das magnetfeldsensitive Element 12 eine magnetfeldsensitive Schicht 12. Eine Ausbildbarkeit des magnetfeldsensitiven Elements 12 ist jedoch nicht auf eine bestimmte Form des magnetfeldsensitiven Elements 12 beschränkt.
Beispielhaft weist die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung der 1 eine zu dem magnetfeldsensitiven Element 12 benachbarte Spannungsmessschicht 24 auf, in welcher, zumindest bei einer Ferromagnetischen Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12, der inverse Spin-Hall-Effekt einen Spinstrom in eine Spannung/Gleichspannung, umwandelt. Als Spinstrom kann eine „Ausbreitung“ der präzidierenden Magnetisierung in der Spannungsmessschicht 24 bei der Ferromagnetischen Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12 bezeichnet werden. Der inverse Spin-Hall-Effekt wandelt dann diesen Spinstrom in eine einfach messbare elektrische DC-Spannung um.
Der inverse Spin-Hall-Effekt kann somit vorteilhaft zum Erkennen/„Auslesen“ der Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 als Antwort auf die Variierung der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds H_measure genutzt werden. Die Spannungsmessschicht 24 umfasst vorzugsweise ein nichtmagnetisches metallisches Material. Bevorzugter Weise umfasst die Spannungsmessschicht 24 ein nichtmagnetisches metallisches Material mit einer vergleichsweise großen Spin-Bahn-Kopplung, wie beispielsweise Platin (Pt). Die Spannungsmessschicht 24 kann insbesondere aus Platin (Pt) sein.
Die Elektronikeinrichtung 16 ist dazu ausgelegt, unter Berücksichtigung zumindest des an der Spannungsmessschicht 24 abgegriffenen elektrischen Signals die Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 zu ermitteln. Das an der Spannungsmessschicht 24 abgegriffene elektrische Signal ist somit in dem Beispiel der 1 ein Spannungssignal. Beispielsweise können eine erste Elektrode 26a und eine zweite Elektrode 26b an zwei voneinander weg gerichteten Seitenflächen der Spannungsmessschicht 24 ausgebildet sein.
In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung dazu ausgelegt, ein (in 1 nicht eingezeichnetes) zeitlich oszillierendes Magnetfeld mit einer variierbaren Frequenz zum Auslesen der Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 zu erzeugen. Zumindest sofern die (aktuelle) Frequenz des zeitlich oszillierenden Magnetfelds der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 entspricht, tritt eine Ferromagnetische Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12 auf und löst den Spinstrom aus, welcher durch den inversen Spin-Hall-Effekt als Gleichspannung gemessen werden kann. Die Ferromagnetische Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 ist jedoch abhängig von der im Volumen des magnetfeldsensitiven Elements 12 vorliegenden Magnetfeldstärke/magnetische Flussdichte des Mess-Magnetfelds H_measure. Somit hängt auch die (aktuelle) Frequenz des zeitlich oszillierenden Magnetfelds, bei welcher eine Ferromagnetische Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12 auftritt und der Spinstrom ausgelöst wird, von der im Volumen des magnetfeldsensitiven Elements 12 vorliegenden Magnetfeldstärke/magnetische Flussdichte des Mess-Magnetfelds H_measure ab. Die in 1 mittels des Pfeils 14 wiedergegebene Abstandsänderung des Sensierteils 10 zu dem magnetfeldsensitiven Element 12 führt somit zu einer Änderung/Verschiebung der (aktuellen) Frequenz des zeitlich oszillierenden Magnetfelds, bei welcher eine Ferromagnetische Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12 auftritt und der Spinstrom ausgelöst wird. Da die (aktuelle) Frequenz des von der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung erzeugten zeitlich oszillierenden Magnetfelds bekannt ist, kann die Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 anhand des an der Spannungsmessschicht 24 abgegriffenen elektrischen Signals mit einer relativ guten Auslesegenauigkeit und einer (im Wesentlichen) vernachlässigbaren Fehlerhäufigkeit ausgelesen werden.
Die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung der 1 nutzt einen Stromleiter 28 zur Erzeugung des zeitlich oszillierenden Magnetfelds. Dazu ist der Stromleiter 28 mittels der Elektronikeinrichtung 16 derart bestrombar, dass das zeitlich oszillierende Magnetfeld erzeugt wird, welches, zumindest sofern seine Frequenz der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 entspricht, eine Ferromagnetische Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements 12 auslöst. Beispielhaft ist der Stromleiter 28 mittels einer (optionalen) Isolierschicht 30 von dem schichtförmigen magnetfeldsensitiven Element 12 getrennt, während die Spannungsmessschicht 24 als weitere Schicht auf einer von dem Stromleiter 28 weg gerichteten Seite des magnetfeldsensitiven Elements 12 liegt. Der in 1 wiedergegebene Schichtaufbau aus dem Stromleiter 28, der (optionalen) Isolierschicht 30, der magnetfeldsensitiven Schicht 12 und der Spannungsmessschicht 24 kann als ein Magnetometer bezeichnet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass dieser Schichtaufbau nur beispielhaft zu interpretieren ist.
Vorzugsweise umfasst die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung auch einen Permanentmagneten oder eine Spuleneinrichtung, sodass mittels des Permanentmagneten oder mittels eines Bestromens der Spuleneinrichtung ein vordefiniertes Hintergrund-Magnetfeld H_bias in dem Volumen des magnetfeldsensitiven Elements 12 bewirkbar ist. Das Hintergrund-Magnetfeld H_bias bewirkt eine Vorzugsmagnetisierung innerhalb des magnetfeldsensitiven Elements 12, welche die resonante Absorption der elektromagnetischen Strahlung des zeitlich oszillierenden Magnetfelds bei Übereinstimmung von dessen (aktueller) Frequenz mit der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 ermöglicht.
Eine in dem Volumen des magnetfeldsensitiven Elements 12 vorliegende Magnetfeldstärke/magnetische Flussdichte Beff ist somit nach Gleichung (Gl. 1) definiert mit: $B_{e f f} = μ_{0}_{*} (H_{b i a s} + H_{m e a s u r e})$
Da das Hintergrund-Magnetfeld H_bias bekannt oder verlässlich messbar ist, macht die Mitberücksichtigung des Hintergrund-Magnetfelds H_bias beim Ermitteln der Änderung/Verschiebung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements 12 aufgrund der Abstandsänderung des Sensierteils 10 zu dem magnetfeldsensitiven Element 12 in der Regel keine Probleme.
Die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung kann speziell ein Drucksensor, ein Drehratensensor, ein Lagesensor, ein Beschleunigungssensor oder ein Mikrofon sein. Die hier aufgezählten Ausbildungsmöglichkeiten für die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung noch ein (nicht dargestelltes) magnetfeldsensitives Referenz-Element umfassen, welches in einem größeren Mindestabstand zu dem Sensierteil 10 als das magnetfeldsensitive Element 12 angeordnet ist. Vorzugsweise ist das magnetfeldsensitive Referenz-Element so weit von dem Sensierteil 10 beabstandet, dass eine in dem magnetfeldsensitiven Referenz-Element vorliegende Magnetfeldstärke/magnetische Flussdichte nicht/kaum von dem Mess-Magnetfeld H_measure beeinträchtigt ist. Allerdings ist es wünschenswert, wenn die in dem magnetfeldsensitiven Referenz-Element vorliegende Magnetfeldstärke/magnetische Flussdichte von dem Hintergrund-Magnetfeld H_bias und einem (in einer äußeren Umgebung der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung vorherrschenden) externen Magnetfeld abhängt. Mittels eines Auslesens der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Referenz-Elements können somit das Hintergrund-Magnetfeld H_bias verifiziert und/oder das externe Magnetfeld gemessen werden.
Das magnetfeldsensitive Referenz-Element kann somit zur Referenzmessung eingesetzt werden, wodurch sichergestellt werden kann, dass das mindestens eine ausgegebene Sensor- oder Wandlersignal 18 der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nicht/kaum von externen Magnetfeldern beeinträchtigt ist. Insbesondere eine Messgenauigkeit der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung kann mittels dessen Ausbildung mit dem magnetfeldsensitiven Referenz-Element verbessert werden. Wahlweise kann das magnetfeldsensitive Referenz-Element auch zur Messung und Ausgabe eines das externe Magnetfeld quantifizierenden Werts verwendet werden. Die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung kann somit auch als „Kombielement“ ausgebildet sein, welches zusätzlich zu einem Magnetometer noch mindestens einen weiteren Sensor, wie z.B. einen Drucksensor, einen Drehratensensor, einen Lagesensor und/oder einen Beschleunigungssensor, und mindestens einen Wandler, wie speziell ein Mikrofon, umfasst.
Die Ferromagnetische Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Referenz-Elements kann mittels der Elektronikeinrichtung 16 und des erzeugten zeitlich oszillierenden Magnetfelds, speziell mittels des Stromleiters 28, auf die oben erläuterte Weise ausgelesen werden. Das magnetfeldsensitive Referenz-Element kann aus dem gleichen mindestens einen ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material geformt sein, aus welchem auch das magnetfeldsensitive Element 12 gebildet ist. Eine Weiterbildung der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung mit dem magnetfeldsensitiven Referenz-Element ist somit vergleichsweise kostengünstig realisierbar.
2 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren umfasst die Verfahrensschritte S1 und S2, welche ausgeführt werden, während das Sensierteil, welches zumindest teilweise dazu ausgebildet ist, in seiner Umgebung ein Mess-Magnetfeld zu bewirken, mittels der zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung derart verformt und/oder in Bezug zu einem magnetfeldsensitiven Element verstellt wird, dass die in dem magnetfeldsensitiven Element vorliegende Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds variiert. Die Verfahrensschritte S1 und S2 werden ausgeführt, um mindestens ein Sensor- oder Wandlersignal anhand zumindest eines elektrischen Signals bezüglich einer Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds in dem magnetfeldsensitiven Element auszugeben.
In einem Verfahrensschritt S1 wird eine durch Variierung der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds in dem magnetfeldsensitiven Element ausgelöste Änderung einer Ferromagnetischen Resonanzfrequenz anhand zumindest des elektrischen Signals ermittelt. Anschließend wird als Verfahrensschritt S2 das mindestens eine Sensor- oder Wandlersignal unter Berücksichtigung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements ausgegeben.
Die Verfahrensschritte S1 und S2 können beispielsweise mittels der vorausgehend erläuterten Sensor- und/oder Wandlervorrichtung ausgeführt werden. Das hier beschriebene Verfahren schafft die oben bereits erläuterten Vorteile der Sensor- und/oder Wandlervorrichtung. Bezüglich der zum Ausführen des Verfahrens geeigneten Komponenten wird auf die oben erläuterte Sensor- und/oder Wandlervorrichtung verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3127937 A1 [0002]

Claims

Sensor- und/oder Wandlervorrichtung mit: einem Sensierteil (10), welches zumindest teilweise dazu ausgebildet ist, in seiner Umgebung ein Mess-Magnetfeld (H_measure) zu bewirken; einem magnetfeldsensitiven Element (12), wobei das Sensierteil (10) mittels einer zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung derart verformbar und/oder in Bezug zu dem magnetfeldsensitiven Element (12) verstellbar ist, dass eine in dem magnetfeldsensitiven Element (12) vorliegende Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (H_measure) variiert; und einer Elektronikeinrichtung (16), welche dazu ausgelegt ist, anhand zumindest eines elektrischen Signals bezüglich der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (H_measure) in dem magnetfeldsensitiven Element (12) mindestens ein Sensor- oder Wandlersignal (18) auszugeben; dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, anhand zumindest des elektrischen Signals eine durch Variierung der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (Hmeasure) in dem magnetfeldsensitiven Element (12) ausgelöste Änderung einer Ferromagnetischen Resonanzfrequenz zu ermitteln und unter Berücksichtigung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements (12) das mindestens eine Sensor- oder Wandlersignal (18) auszugeben.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung mit einer zu dem magnetfeldsensitive Element (12) benachbarten Spannungsmessschicht (24) derart ausgebildet ist, dass, zumindest bei einer Ferromagnetischen Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements (12), der inverse Spin-Hall-Effekt einen Spinstrom in der Spannungsmessschicht (24) in eine Spannung umwandelt, und wobei die Elektronikeinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung zumindest des an der Spannungsmessschicht (24) abgegriffenen elektrischen Signals die Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitive Elements (12) zu ermitteln.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung einen Stromleiter (28) umfasst, welcher mittels der Elektronikeinrichtung (16) derart bestrombar ist, dass ein zeitlich oszillierendes Magnetfeld erzeugbar ist, welches, zumindest sofern eine Frequenz des zeitlich oszillierenden Magnetfelds der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements (12) entspricht, eine Ferromagnetischen Resonanz des magnetfeldsensitiven Elements (12) auslöst.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das magnetfeldsensitive Element (12) zumindest teilweise aus mindestens einem ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material geformt ist.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach Anspruch 4, wobei das magnetfeldsensitive Element (12) zumindest teilweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Kobalt-Eisen-Bor-Legierung, einem Yttrium-Eisen-Granat und/oder einer heuslerschen Legierung als dem mindestens einen ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material geformt ist.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensierteil (10) mindestens ein Material (22) mit permanentmagnetischen Eigenschaften und/oder mindestens eine Spule umfasst.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensierteil (10) eine verwölbbare Membran (20) oder eine seismische Masse umfasst.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung ein magnetfeldsensitives Referenz-Element, welches in einem größeren Mindestabstand zu dem Sensierteil (10) als das magnetfeldsensitive Element (12) angeordnet ist, umfasst.
Sensor- und/oder Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensor- und/oder Wandlervorrichtung ein Drucksensor, ein Drehratensensor, ein Lagesensor, ein Beschleunigungssensor oder ein Mikrofon ist.
Verfahren zum Sensieren oder Wandeln einer Krafteinwirkung auf ein Sensierteil (10) mit dem Schritt: Ausgeben mindestens eines Sensor- oder Wandlersignals (18) anhand zumindest eines elektrischen Signals bezüglich einer Magnetfeldstärke eines Mess-Magnetfelds (H_measure) in einem magnetfeldsensitiven Element (12) während das Sensierteil (10), welches zumindest teilweise dazu ausgebildet ist, in seiner Umgebung das Mess-Magnetfeld (H_measure) zu bewirken, mittels der zu sensierenden oder zu wandelnden Krafteinwirkung derart verformt und/oder in Bezug zu dem magnetfeldsensitiven Element (12) verstellt wird, dass die in dem magnetfeldsensitiven Element (12) vorliegende Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (H_measure) variiert; gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln einer durch Variierung der Magnetfeldstärke des Mess-Magnetfelds (H_measure) in dem magnetfeldsensitiven Element (12) ausgelösten Änderung einer Ferromagnetischen Resonanzfrequenz anhand zumindest des elektrischen Signals (S1); und Ausgeben des mindestens einen Sensor- oder Wandlersignals (18) unter Berücksichtigung der ermittelten Änderung der Ferromagnetischen Resonanzfrequenz des magnetfeldsensitiven Elements (12)(S2).