DE102021109408A1 - Magnetfeldsensor und Sensoranordnung - Google Patents

Magnetfeldsensor und Sensoranordnung Download PDF

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Raphael Kuhnen
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor (6) zur Detektion eines Magnetfelds (B), umfassend ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement (1), welches Sensorelement (1) zumindest eine erste Schicht (2) aus einem magnetostriktiven Material, eine zweite Schicht (3) aus einem piezoelektrischen Material, und zumindest eine Elektrode (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall aufweist, und eine Elektronik (7), wobei der Magnetfeldsensor (6), insbesondere die Elektronik (7), dazu ausgestaltet ist, das Sensorelement (1) mittels eines Anregesignals (A) zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen des Sensorelements (1) zu empfangen und in ein Empfangssignal (E) umzuwandeln, das Anregesignal (A) ausgehend vom Empfangssignal (E) zu erzeugen, und anhand des Empfangssignals (E) eine mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehende Größe zu ermitteln.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor zur Detektion eines Magnetfelds umfassend ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement und eine Sensoranordnung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor.
  • Feldgeräte zur Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer, beispielsweise chemischen oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden im Prinzip alle Messgeräte bzw. Sensoranordnungen als Feldgerät bezeichnet werden, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
  • Viele unterschiedliche Feldgeräte beruhen auf der Messung magnetischer Felder und der Bestimmung und/oder Ermittlung der jeweiligen Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand einer mit dem jeweiligen Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe. Zur Detektion des Magnetfelds kommen dabei in der Regel unterschiedliche Arten von Magnetfeldsensoren zum Einsatz. Die Genauigkeit derartiger Feldgeräte hängt in großem Maße von der Messgenauigkeit der Magnetfeldsensoren ab.
  • Es wäre somit wünschenswert, ein Magnetfeld auf möglichst einfache Art und Weise möglichst präzise detektieren zu können.
  • Magnetoelektrische Sensoren dienen der Detektion von Magnetfeldern und basieren auf der mechanischen Kraftkopplung von magnetostriktiven und piezoelektrischen Materialien.
  • Magnetostriktive Materialien sind dadurch gekennzeichnet, dass in Folge eines angelegten Magnetfelds eine Deformation des Materials auftritt. In diesem Zusammenhang wird zwischen der Joule-Magnetostriktion, unter welcher eine Längenänderung infolge einer Änderung der Magnetisierung verstanden wird, dem Villary-Effekt, dem inversen magnetostriktiven Effekt, bei welchem eine Änderung der magnetischen Eigenschaften in Folge einer mechanischen Spannung auftritt, und dem Delta-E-Effekt, welcher eine Änderung des Elastizitätsmoduls infolge einer Änderung der Magnetisierung beschreibt, unterschieden. Magnetostriktive Materialien sind beispielsweise gegeben durch ferromagnetische Übergangsmetalle, wie Eisen, Nickel oder Cobalt oder deren Legierungen, z. B. Legierungen aus Kobalt und Eisen, aus Gallium und Eisen bzw. Galfenol, oder Terbium, Dysprosium und Eisen bzw. Terfenol, sowie verschiedene weiteren Verbindungen der Übergangsmetalle mit seltenen Erden oder auch verschiedenen ferromagnetischen Gläsern.
  • Piezoelektrische Materialien sind durch die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung infolge einer elastischen Verformung gekennzeichnet. Piezoelektrische Materialien sind beispielsweise gegeben durch Bleizirkonattitanat, Polycinylidenfluorid oder Aluminiumnitrid.
  • Bei einem magnetoelektrischen Sensor ist ein magnetostriktives Material fest an ein piezoelektrisches Material gekoppelt. Infolge eines angelegten magnetischen Felds erfährt das magnetostriktive Material eine Längenänderung in Richtung des einwirkenden Magnetfelds und/oder eine Änderung des Elastizitätsmoduls. Die Längenausdehnung übt eine Kraft auf das piezoelektrische Material aus, welche zu einer Änderung der Polarisation und dadurch zum Auftreten einer Spannung führt, welche elektrisch detektierbar ist. Eine Änderung des Elastizitätsmoduls wiederum führt zu einem geänderten Übertragungsverhalten, welches ebenfalls detektierbar ist. Beispielsweise ist es in diesem Zusammenhang bekannt geworden, mittels des piezoelektrischen Materials mechanische Schwingungen in dem magnetoelektrischen Sensor anzuregen. Eine Änderung des Elastizitätsmoduls infolge eines angelegten Magnetfels führt in diesem Falle zu einem geänderten Schwingungsverhalten, welches beispielsweise anhand einer Frequenz und/oder Amplitude der mechanischen Schwingungen auswertbar ist.
  • Für den Aufbau eines magnetoelektrischen Sensors sind zahlreiche unterschiedliche mögliche Ausgestaltungen bekannt geworden. In vielen Fällen kommt eine mehrlagige Schichtstruktur zum Einsatz, die zumindest eine Schicht aus dem magnetostriktiven, eine Schicht aus dem piezoelektrischen Material und ggf. eine Elektrode zum Abgreifen der Spannung umfasst. Oft hat die Schichtstruktur die Form eines Streifens, welcher an einem Ende befestigt ist. Durch das Anlegen eines Magnetfelds kommt es dann zu einer Verbiegung des Streifens und zum Auftreten eines elektrischen Spannungssignals als Empfangssignal.
  • Unter Einfluss eines periodischen, zeitlich variablen Magnetfelds mit einer vorgebbaren Frequenz führen magnetoelektrische Sensoren erzwungene Schwingungen aus. Dabei sind resonante Schwingungen besonders vorteilhaft, da in diesem Falle bereits vergleichsweise kleine Magnetfeldänderungen vergleichsweise große Spannungen hervorrufen. Verschiedene Möglichkeiten zur Einstellung einer Resonanzfrequenz eines magnetoelektrischen Sensors sind beispielsweise aus US2010/0015918A1 , DE102011008866A1 oder WO2020/253908A1 bekannt geworden.
  • Eine Auswertung der elektrischen Spannung hinsichtlich der Frequenz erfolgt typischerweise mittels eines sogenannten Sweep-Verfahrens, bei welchem das Empfangssignal als Funktion der Frequenz aufgezeichnet und die Frequenz, bei welchem die Amplitude des Empfangssignals maximal ist, gesucht wird. Bei derartigen Auswerteverfahren steigt nachteilig die benötigte Dauer zum Auffinden der Resonanzfrequenz deutlich mit der erzielbaren Genauigkeit. Eine genaue Detektion der Resonanzfrequenz ist demnach sehr zeitaufwendig. Zudem ist eine Signalauswertung, bei welcher eine maximale Amplitude bestimmt werden muss, vergleichsweise aufwendig.
  • Auch andere häufig angewendete Auswertemethoden, wie beispielsweise die optische Weglängenmessung, sind vergleichsweise zeitaufwendig.
  • Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor mit einem magnetoelektrischen Sensorelement bereitzustellen, bei welchem auf möglichst einfache und gleichzeitig genaue Art und Weise eine Auswertung des Empfangssignals und damit des Sensorverhaltens erfolgen kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch den Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 sowie die Sensoranordnung nach Anspruch 9.
  • Hinsichtlich des Magnetfeldsensors wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch einen Magnetfeldsensor zur Detektion eines Magnetfelds, umfassend ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement, welches Sensorelement zumindest eine erste Schicht aus einem magnetostriktiven Material, eine zweite Schicht aus einem piezoelektrischen Material, und zumindest eine Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, aufweist. Der Magnetfeldsensor umfasst ferner eine Elektronik. Der Magnetfeldsensor, insbesondere die Elektronik sind erfindungsgemäß dazu ausgestaltet, das Sensorelement mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen des Sensorelements zu empfangen und in ein Empfangssignal umzuwandeln, das Anregesignal ausgehend vom Empfangssignal zu erzeugen, und anhand des Empfangssignals eine mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe zu ermitteln.
  • Das Magnetfeld bzw. die mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe wird anhand des Empfangssignals, welches ein elektrisches Spannungssignal ist, ausgewertet. Das Anregesignal, insbesondere eine Frequenz des Anregesignals wird direkt anhand des Empfangssignals, insbesondere einer Frequenz des Empfangssignals erzeugt. Dabei kann das Anregesignal derart erzeugt werden, dass das Sensorelement Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz, insbesondere einer Resonanzfrequenz, ausführt. Auf diese Art und Weise schwingt das Sensorelement dauerhaft mit der vorgebbaren Frequenz. Zur Ermittlung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe muss also vorteilhaft lediglich das Empfangssignal, insbesondere hinsichtlich der Frequenz des Empfangssignals, ausgewertet werden.
  • Das Sensorelement kann beispielsweise mittels an sich bekannter Beschichtungstechniken mit oder ohne vorbestimmtes Substrat hergestellt werden, beispielsweise können Prozesse der Siliziumtechnologie angewendet werden.
    In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sensorelement um ein MEMS-Sensorelement, also um ein mikro-elektro-mechanisches (MEMS) System.
  • Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass das Sensorelement zu Resonanzschwingungen anregbar ist. Resonante Schwingungen führen zu einer Erhöhung der erreichbaren Messgenauigkeit hinsichtlich der Detektion des Magnetfelds und sind besonders energieeffizient.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist der Magnetfeldsensor, insbesondere die Elektronik, dazu ausgestaltet, das Anregesignal ausgehend vom Empfangssignal zu erzeugen derart, dass eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal vorliegt. In diesem Fall ist das Sensorelement Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung des Sensorelements zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden, welche allesamt für die vorliegende Erfindung anwendbar sind.
  • In einer Ausgestaltung umfasst die Elektronik, insbesondere zur Einstellung der vorgebbaren Phasenverschiebung, eine Phasenregeleinheit, insbesondere eine auf dem Prinzip eines Lock-In Verstärkers basierende Phasenregeleinheit, einen Phasenschieber, einen Ringspeicher oder einen Filter, insbesondere einen adaptiven Filter mit einstellbarer Mittenfrequenz. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch keineswegs auf die hier expliziten Varianten zur Einstellung der Sollphasenverschiebung beschränkt.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Sensorelement zumindest eine Elektrode, welche insbesondere zum Abgreifen des Empfangssignals dient. Vorzugsweise erstreckt sich die Elektrode über einen Großteil oder im Wesentlichen vollständig entlang einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements bzw. der zweiten Schicht. Die Verwendung einer einzigen Elektrode sowohl zum Senden als auch zum Empfangen ist dann insbesondere vorteilhaft hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit, da die elektrische Spannung über ein großes bzw. maximales Volumen des piezoelektrischen Materials abgreifbar ist. Darüber hinaus vereinfacht ein derartiges Vorgehen den Herstellungsprozess des magnetoelektrischen Sensors erheblich.
    Es ist aber ebenfalls denkbar, das Sensorelement derart auszugestalten, dass mehrere Elektroden vorhanden sind.
  • So umfasst eine Ausgestaltung des Magnetfeldsensors, dass das Sensorelement zumindest zwei elektrisch isolierte Elektroden umfasst, welche insbesondere in unterschiedlichen Bereichen auf die zweite Schicht aufgebracht sind. In diesem Fall kann beispielsweise die erste Elektrode zum Anregen der Schwingungen und die zweite Elektrode zum Erfassen des Empfangssignals dienen.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Magnetfeldsensors beinhaltet, dass die Elektronik dazu ausgestaltet ist, abwechselnd einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus auszuführen. Insbesondere ist die Elektronik dazu ausgestaltet, in dem ersten Betriebsmodus das Sensorelement mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und in dem zweiten Betriebsmodus die Anregung des Sensorelements zu unterbrechen, die mechanischen Schwingungen des Sensorelements zu empfangen und in ein Empfangssignal umzuwandeln, und anhand des Empfangssignals eine mit dem Magnetfeld in Beziehung stehende Größe und/oder eine Dämpfung, insbesondere eine Dämpfung des Sensorelements, zu ermitteln. Die beiden Betriebsmodi werden vorzugsweise periodisch abwechselnd ausgeführt. Dabei wird das Empfangssignal nur während des zweiten Betriebsmodus ausgewertet. Durch die Bereitstellung der beiden Betriebsmodi können vorteilhaft zusätzlich Störeinflüsse und insbesondere auch eine Dämpfung des Sensorelements ermittelt und ggf. bei der Ermittlung der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe berücksichtigt werden.
  • Es ist von Vorteil, wenn es sich bei der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe um die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Permeabilität handelt.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Sensoranordnung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen. Die Sensoranordnung, insbesondere eine Detektionsvorrichtung der Sensoranordnung, welche den Magnetfeldsensor umfasst, ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, die Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe zu bestimmen und/oder überwachen.
  • Vorteilhaft umfasst die Sensoranordnung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines, insbesondere statischen oder periodischen Magnetfelds im Bereich des Magnetfeldsensors und ggf. auch im Bereich des Mediums.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung beinhaltet, dass der Magnetfeldsensor und/oder die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfelds derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld in Abhängigkeit eines Werts für die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums beeinflussbar ist, und dass die Sensoranordnung dazu ausgestaltet ist, die Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand der mit dem Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe zu bestimmen und/oder zu überwachen. Vorzugsweise ist die Sensor-Vorrichtung innerhalb eines Innenvolumens des Behältnisses und der Magnetfeldsensor außerhalb des Behältnisses angeordnet.
  • Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass die Sensoranordnung eine Sensor-Vorrichtung umfasst, welche Sensor-Vorrichtung derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass zumindest eine magnetische Eigenschaft einer Komponente der Sensor-Vorrichtung von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig und das Magnetfeld der Magnetfeld-Vorrichtung vermittels der Sensor-Vorrichtung in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße beinflussbar ist.
  • Es ist von Vorteil, wenn es sich bei der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums um die Temperatur, den Druck, die Leitfähigkeit, oder einen Durchfluss des Mediums handelt.
  • Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem Magnetfeldsensor beschriebenen Ausgestaltungen mutatis mutandis auf die erfindungsgemäße Sensoranordnung anwendbar sind und umgekehrt.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
    • 1: zwei mögliche Ausgestaltungen für ein magnetoelektrisches Sensorelement;
    • 2: bevorzugte Ausgestaltungen einer Elektronik eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors; und
    • 3 eine bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
  • In den Figuren sind gleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 sind zwei bevorzugte Ausgestaltungen für ein magnetoelektrisches Sensorelement 1 gezeigt. Das Sensorelement 1 aus 1a weist eine erste Schicht 2 aus einem piezoelektrischen Material und eine zweite Schicht 3 aus einem magnetostriktiven Material auf, welche übereinander angeordnet und mechanisch miteinander gekoppelt sind. Das Sensorelement 1 ist in Form einer Schichtstruktur, beispielsweise in Form eines MEMS-Bauteils aufgebaut. In anderen Ausgestaltungen können weitere Schichten oder zudem ein Substrat vorhanden sein.
  • Auf der ersten Schicht 2 aus dem piezoelektrischen Material ist entlang der Oberfläche O eine Elektrode 4 aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht, welche zum Erfassen eines Empfangssignals von dem Sensorelement 1 in Form einer elektrischen Spannung dient. Eine zweite Elektrode kann entweder durch die zweite Schicht 3 aus dem magnetostriktiven Material gegeben sein, da magnetostriktive Materialien typischerweise elektrisch leitfähig sind. Dann kann die elektrische Spannung zwischen Elektrode 4 und der zweiten Schicht 3 abgegriffen werden. Es ist aber ebenfalls denkbar, eine separate Zusatzelektrode 5 vorzusehen, wie in 1a gezeigt (jedoch nicht zwingend notwendig), und die elektrische Spannung zwischen den Elektroden 4 und 5 abzugreifen.
  • Im Gegensatz zu der in 1a gezeigten Ausgestaltung umfasst das Sensorelement 1 aus 1b zwei Elektroden 4a und 4b, wobei es sich bei der ersten Elektrode 4a um eine Anregeelektrode und bei der zweiten Elektrode 4b um eine Empfangselektrode handelt. Die beiden Elektroden 4a und 4b sind elektrisch voneinander isoliert und in unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche O der ersten Schicht 2 aus dem piezoelektrischen Material aufgebracht.
  • In 2 sind verschiedene Ausgestaltungen für einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor 6 mit einem magnetoelektrischen Sensorelement 1 und einer Elektronik 7 dargestellt. Das Sensorelement 1 wird mittels des Anregesignals A zu mechanischen Schwingungen angeregt und die mechanischen Schwingungen des Sensorelements 1 werden empfangen und in ein Empfangssignal E umgewandelt.
  • Die in 2a schematisch dargestellte Elektronik 7 umfasst optional einen A/D und einen D/A Wandler; andere Ausgestaltungen können aber auch eine analoge Elektronik 7 zum Gegenstand haben. Darüber hinaus umfasst die Elektronik 7 eine Einheit 8, mittels welcher eine vorgebbare Sollphasenverschiebung ΔΦ zwischen dem Anregesignal A und dem Empfangssignal E einstellbar ist, um das Anregesignal A ausgehend vom Empfangssignal E erzeugen zu können. Bei der Einheit 8 kann es sich beispielsweise um eine Phasenregeleinheit, insbesondere eine auf dem Prinzip eines Lock-In Verstärkers basierende Phasenregeleinheit, einen Phasenschieber, oder einen Ringspeicher handeln.
  • Eine weitere mögliche Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Elektronik 7 ist Gegenstand von 2b. Bei dieser Variante wird die Phasenverschiebung ΔΦ mittels eines adaptiven Filters 8a eingestellt. Wie im Falle von 2a durchläuft das Empfangssignal E zuerst einen Analog-Digital Wandler, bevor es dem adaptiven Filter 8a zugeführt wird. Zur Einstellung der Phasenverschiebung ΔΦ wird die Filtercharakteristik des adaptiven Filters passend eingestellt. Die Einstellung der Filtercharakteristik kann beispielsweise durch eine Phasenregeleinheit 9 vorgenommen werden, mittels welcher eine Mittenfrequenz fm des adaptiven Filters 8a derart geregelt wird, dass zwischen Anregesignal A und Empfangssignal E die vorgebbare Phasenverschiebung ΔΦ vorliegt. Die Phasenregeleinheit 9 wiederum kann beispielsweise auf dem Prinzip eines Lock-In-Verstärkers basieren.
  • Die Verwendung eines adaptiven Filters 8a zur Einstellung der Phasenverschiebung ΔΦ ermöglicht eine Einstellung unabhängig von auftretenden Störeinflüssen, wie beispielsweise Fremdvibrationen und ist damit besonders robust, insbesondere gegenüber Fremdvibrationen.
  • Bevor das Anregesignal A von der Elektronik 7 zum Sensorelement 1 geführt wird, durchläuft es einen Digital-Analog-Wandler. Ferner umfasst der Magnetfeldsensor 6 hier ein optionales Schaltelement 10, um die Durchführung eines ersten und zweiten Betriebsmodus zu ermöglichen, wobei das Sensorelement 1 im ersten Betriebsmodus zu mechanischen Schwingungen angeregt wird (Schaltelement 10 geschlossen) und die Anregung im zweiten Betriebsmodus unterbrochen wird (Schaltelement 10 geöffnet).
  • 3 schließlich betrifft eine bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 11 zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums M in einem Behältnis 12. Für das hier gezeigte Beispiel ist eine Sensor-Vorrichtung 13 innerhalb des Behältnisses 12 (hier ein Behälter) angeordnet und an der Wandung des Behältnisses 12 befestigt. Die Sensor-Vorrichtung 13 umfasst eine Komponente 15, für die zumindest eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M abhängig ist, welche vorliegend in Form eines dünnen, länglichen Elements ausgestaltet ist. Beispielsweise kann es sich bei dieser Komponente 15 um ein Element aus einem ferromagnetischen oder magnetostriktiven Material handeln. Vorliegend ist die Komponente 15 auf einem Träger 14 angeordnet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, weswegen der Träger 14 gestrichelt dargestellt ist.
  • Die Sensoranordnung 11 umfasst ferner eine Magnetfeld-Vorrichtung 16 zur Erzeugung eines Magnetfelds B im Bereich der Sensor-Vorrichtung 13, zumindest einem Teil des Mediums M und im Bereich einer Detektionsvorrichtung 17, welche einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor 6 umfasst. Das Magnetfeld B durchdringt also die Detektionsvorrichtung 17, die Sensor-Vorrichtung 13 und das Medium M. Das Magnetfeld B wird von der Sensor-Vorrichtung 13 bzw. von der Komponente 15 beeinflusst, so dass anhand des seitens der Detektionsvorrichtung 17 erfassten bzw. detektierten Magnetfelds B, bzw. anhand einer erfassten bzw. detektierten mit dem Magnetfeld B in Beziehung stehenden Größe, die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums M bestimmt und/oder überwacht werden kann.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Sensorelement
    2
    Erste Schicht
    3
    Zweite Schicht
    4
    Elektrode, 4a, 4b Elektroden
    5
    Rückelektrode
    6
    Magnetfeldsensor
    7
    Elektronik
    8
    Einheit zur Einstellung einer Phasenverschiebung
    8a
    adaptiver Filter
    9
    Phasenregeleinheit
    10
    Schaltelement
    11
    Sensoranordnung
    12
    Behältnis
    13
    Sensor-Vorrichtung
    14
    Träger
    15
    Komponente, bei der eine magnetische Eigenschaft von der Prozessgröße abhängt
    16
    Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds
    17
    Detektionsvorrichtung
    M
    Medium
    B
    Magnetfeld
    A
    Anregesignal
    E
    Empfangssignal
    ΔΦ
    Phasenverschiebung
  • 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
    • US 2010/0015918 A1 [0010]
    • DE 102011008866 A1 [0010]
    • WO 2020/253908 A1 [0010]

Claims (13)

  1. Magnetfeldsensor (6) zur Detektion eines Magnetfelds (B), umfassend - ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement (1), welches Sensorelement (1) zumindest ◯ eine erste Schicht (2) aus einem magnetostriktiven Material, ◯ eine zweite Schicht (3) aus einem piezoelektrischen Material, und ◯ zumindest eine Elektrode (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, aufweist, und - eine Elektronik (7), wobei der Magnetfeldsensor (6), insbesondere die Elektronik (7), dazu ausgestaltet ist, - das Sensorelement (1) mittels eines Anregesignals (A) zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen des Sensorelements (1) zu empfangen und in ein Empfangssignal (E) umzuwandeln, - das Anregesignal (A) ausgehend vom Empfangssignal (E) zu erzeugen, und - anhand des Empfangssignals (E) eine mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehende Größe zu ermitteln.
  2. Magnetfeldsensor (6) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Sensorelement (1) um ein MEMS-Sensorelement handelt.
  3. Magnetfeldsensor (6) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorelement (1) zu Resonanzschwingungen anregbar ist.
  4. Magnetfeldsensor (6) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (6), insbesondere die Elektronik (7), dazu ausgestaltet ist, das Anregesignal (A) ausgehend vom Empfangssignal (E) zu erzeugen derart, dass eine vorgebbare Phasenverschiebung (ΔΦ) zwischen dem Anregesignal (A) und dem Empfangssignal (E) vorliegt.
  5. Magnetfeldsensor (6) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche wobei die Elektronik (7) eine Phasenregeleinheit, insbesondere eine auf dem Prinzip eines Lock-In Verstärkers basierende Phasenregeleinheit, einen Phasenschieber, einen Ringspeicher oder einen Filter (8a), insbesondere einen adaptiven Filter mit einstellbarer Mittenfrequenz, umfasst.
  6. Magnetfeldsensor (6) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorelement (1) zumindest zwei elektrisch isolierte Elektroden (4a, 4b) umfasst, welche insbesondere in unterschiedlichen Bereichen auf die zweite Schicht (3) aufgebracht sind.
  7. Magnetfeldsensor (6) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektronik (7) dazu ausgestaltet ist, abwechselnd einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus auszuführen, insbesondere ist die Elektronik (7) dazu ausgestaltet, in dem ersten Betriebsmodus das Sensorelement (1) mittels eines Anregesignals (A) zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und in dem zweiten Betriebsmodus die Anregung des Sensorelements (1) zu unterbrechen, die mechanischen Schwingungen des Sensorelements (1) zu empfangen und in ein Empfangssignal (E) umzuwandeln, und anhand des Empfangssignals (E) eine mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehende Größe und/oder eine Dämpfung zu ermitteln.
  8. Magnetfeldsensor (6) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehenden Größe um die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Permeabilität handelt.
  9. Sensoranordnung (11) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums (5) in einem Behältnis (12) umfassend einen Magnetfeldsensor (6) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche.
  10. Sensoranordnung (11) nach Anspruch 9, umfassend eine Vorrichtung (16) zur Erzeugung eines, insbesondere periodischen Magnetfelds (B) im Bereich des Magnetfeldsensors (6).
  11. Sensoranordnung (11) nach Anspruch 9 und 10, wobei der Magnetfeldsensor (6) und/oder die Vorrichtung (16) zur Erzeugung des Magnetfelds (B) derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass das Magnetfeld (B) in Abhängigkeit eines Werts für die Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums (M) beeinflussbar ist, und wobei die Sensoranordnung (11) dazu ausgestaltet ist, die Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand der mit dem Magnetfeld (B) in Beziehung stehenden Größe zu bestimmen und/oder zu überwachen.
  12. Sensoranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 9-11, umfassend eine Sensor-Vorrichtung (13), welche Sensor-Vorrichtung (13) derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass zumindest eine magnetische Eigenschaft einer Komponente (15) der Sensor-Vorrichtung (13) von der Prozessgröße und/oder Kenngröße abhängig und das Magnetfeld (B) der Magnetfeld-Vorrichtung (16) vermittels der Sensor-Vorrichtung (13) in Abhängigkeit der Prozessgröße und/oder Kenngröße beinflussbar ist.
  13. Sensoranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 9-12, wobei es sich bei der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums (M) um die Temperatur, den Druck, die Leitfähigkeit oder einen Durchfluss des Mediums (M) handelt.
DE102021109408.9A 2021-04-14 2021-04-14 Magnetfeldsensor und Sensoranordnung Pending DE102021109408A1 (de)

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