DE4442441C2

DE4442441C2 - Miniaturized coil arrangement manufactured in planar technology for the detection of ferromagnetic substances

Info

Publication number: DE4442441C2
Application number: DE4442441A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl Gottfried-Gottfried; Heinz Dr Kueck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2014-11-30
Also published as: DE4442441A1; DE59503700D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Stoffen mit von Null ver schiedener magnetischer Permeabilität, insbesondere ferromagnetischer Stoffe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for the detection of substances with zero ver different magnetic permeability, especially ferromagnetic materials, according to the preamble of claim 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann neben der Detektion von Stoffen mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität auch zur indirekten Messung von verschiedenen anderen Größen eingesetzt werden. Dazu muß die zu messende Größe eine Veränderung der magnetischen Permeabilität in der direk ten Umgebung der erfindungsgemäßen Anordnung verursachen.The arrangement according to the invention can be used in addition to the detection of substances non-zero magnetic permeability also for indirect measurement of various other sizes. To do this, the must measuring quantity a change in the magnetic permeability in the direct cause th environment of the arrangement according to the invention.

Dies ist beispielsweise bei der Relativbewegung zwischen einer ferromagneti schen Struktur (z. B. einer Struktur bzw. einem Maßstab mit äquidistanten ferromagnetischen Markierungen) und der erfindungsgemäßen Anordnung der Fall. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Translation einer Zahnstange oder eine Rotation eines Zahnrades, die sich relativ zur erfindungsgemäßen An ordnung bewegen, erkannt werden. In Verbindung mit einem inkrementalen Verfahren können so Position und/oder Winkel bestimmt werden. This is the case, for example, with the relative movement between a ferromagneti structure (e.g. a structure or a scale with equidistant ferromagnetic markings) and the arrangement of the invention Case. In this way, for example, a translation of a rack or a rotation of a gear that is relative to the invention Move order, be recognized. In conjunction with an incremental The position and / or angle can be determined in this way.

Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Materialuntersuchung. Mit einer oder mehre ren erfindungsgemäßen Anordnungen können Werkstücke abgetastet werden. Die entstehenden Signale sind ein Maß für die magnetischen Eigenschaften bzw. die lokale Variation der magnetischen Eigenschaften (z. B. bestimmter ferromagnetischer Bereiche in Edelstahl) und können so zur Beurteilung und Erkennung eines Werkstückes dienen. Für die Vorwärts- oder Rückwärtsbewe gungserkennung eines Körpers bewegt sich etwa eine am Körper angebrachte Struktur aus äquidistanten, magnetischen Markierungen an zwei erfindungs gemäßen Anordnungen, die um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind, vorbei, wobei aus der Signallage der beiden Signale die Bewegungsrichtung der Struktur und damit die des Körpers bestimmt werden kann.Another area of application is material testing. With one or more Ren arrangements according to the invention can be scanned workpieces. The signals generated are a measure of the magnetic properties or the local variation of the magnetic properties (e.g. certain ferromagnetic areas in stainless steel) and can be used for assessment and Detect a workpiece. For moving forward or backward Detection of a body moves, for example, one attached to the body Structure of equidistant, magnetic markings on two invention appropriate arrangements, which are rotated by 90 ° relative to each other, over, with the direction of movement from the signal position of the two signals the structure and thus that of the body can be determined.

Aus der DE 40 18 149 A1 ist eine Einrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Drehmomentes eines rotierenden, tordierten zylinderförmigen Körpers bekannt. Die Oberfläche des Körpers enthält dazu zwei beabstandete magnetfelderzeu gende Anordnungen. Diesen beiden Anordnungen sind jeweils ortsfeste Ma gnetfeldsensoren zugeordnet, wobei jeder dieser Magnetfeldsensoren als eine Spulenwicklung um einen ferromagnetischen Magnetkern in Dünnschichttech nik ausgebildet ist. Gemessen wird die Phasenverschiebung der in den beiden Magnetfeldsensoranordnungen induzierten Spannungsimpulse, die durch die magnetfelderzeugenden Anordnungen des rotierenden Körpers über eine Um magnetisierung der Magnetkerne in den Magnetfeldsensoranordnungen be wirkt werden. Nachteilig ist insbesondere, daß die Detektionseinrichtung aus zwei Teilen besteht, nämlich einer ortsfesten Magnetfeldsensoranordnung und einer auf dem zu messenden Körper anzubringenden magnetfelderzeugenden Anordnung. Des weiteren muß die Magnetfeldsensoranordnung dem zu mes senden Körper geometrisch angepaßt sein, um zur Detektion ausreichende Spannungsimpulse zu erhalten. DE 40 18 149 A1 describes a device for contactless determination of the Torque of a rotating, twisted cylindrical body is known. The surface of the body contains two spaced magnetic fields orders. These two arrangements are fixed Ma Assigned magnetic field sensors, each of these magnetic field sensors as one Coil winding around a ferromagnetic magnetic core in thin-film technology nik is trained. The phase shift is measured in the two Magnetic field sensor arrangements induced voltage pulses by the Magnetic field generating arrangements of the rotating body over an order magnetization of the magnetic cores in the magnetic field sensor arrangements be effective. A particular disadvantage is that the detection device is made of consists of two parts, namely a fixed magnetic field sensor arrangement and a magnetic field generator to be attached to the body to be measured Arrangement. Furthermore, the magnetic field sensor arrangement must be measured send body be geometrically adapted to sufficient for detection To receive voltage pulses.

Aus der DE 36 42 770 A1 ist ein Induktivgeber bekannt, der aus einem einen oder mehrere Polschuhe aufweisenden Permanentmagnet sowie einer auf einen Kunststoffkörper gewickelten Detektionsspule besteht. Dabei wurde das Ziel angestrebt, den Induktivgeber fertigungstechnisch sehr einfach, jedoch mit wesentlicher Funktionsverbesserung und mit deutlich verbessertem Schutz gegenüber Störungen durch Umwelteinflüsse herzustellen. Nachteilig sind die zufolge des Permanentmagnetes und der gewickelten Spule vergleichsweise sehr großen geometrischen Abmessungen sowie die Notwendigkeit, die Form des Permanentmagnetes der Form der gewickelten Spule anzupassen (bzw. umgekehrt), um ausreichend hohe Induktionssignale zu erhalten.From DE 36 42 770 A1 an inductive sensor is known which consists of one or several permanent magnet magnets and one on one Plastic body wound detection coil. It became the goal aspired to manufacture the inductive encoder very easily, but with significant functional improvement and with significantly improved protection against disturbances caused by environmental influences. They are disadvantageous comparatively due to the permanent magnet and the wound coil very large geometric dimensions as well as the need to shape adapt the permanent magnet to the shape of the wound coil (or vice versa) in order to obtain sufficiently high induction signals.

In der DE 33 15 549 ist eine dreidimensionale, in Schichttechnik ausgebildete flache Spule mit einem Nickel-Eisen-Kern offenbart, wobei insgesamt fünf übereinanderliegende Schichten mit entsprechenden Durchkontaktierungen zwischen den elektrisch leitenden Schichten verwendet werden. Damit sollen größere Induktivitäten pro Flächeneinheit erzielbar sein und auch andere in duktive Bauelemente, wie z. B. Transformatoren, in einfacher Weise in größe rer Anzahl herstellbar sein. Ferner sind aus der JP 4-333204 (A) und der DE 42 05 957 A1 miniaturisierte Flachspulen, die in einer Metallisierungsebene ausgebildet sind, bekannt. In der DE 42 05 957 A1 sind zudem zwei solcher Flach spulen in Serie geschaltet. Derartige Flachspulen eignen sich gut für die Ver wendung bei Weg- oder Winkelsensoren.DE 33 15 549 describes a three-dimensional layering technique flat coil with a nickel-iron core disclosed, a total of five superimposed layers with corresponding vias can be used between the electrically conductive layers. With that greater inductivities per unit area can be achieved and also others in ductive components, such as. B. transformers, in a simple manner in size number can be produced. Furthermore, JP 4-333204 (A) and DE 42 05 957 A1 miniaturized flat coils in a metallization level are known. In DE 42 05 957 A1 two such flat are also coils connected in series. Such flat coils are well suited for the Ver for displacement or angle sensors.

Aus der DE 31 33 061 A1 ist ein Drehwinkelmeßfühler bekannt, der einen Perma nentmagnet als flußerzeugendes Bauelement und eine Spule mit Kern als flußdetektierendes Bauelement aufweist. Eine Flußführung mittels ferromagne tischer Materialien existiert nicht; Ausbreitungsmedium ist die Luft. Der vom Permanentmagneten ausgehende Magnetfluß wird in Abhängigkeit der Winkelstellung eines drehbar gelagerten ferromagnetischen Körpers geändert und ruft an den elektrischen Impulsen, die durch die Meßspule geschickt werden, eine Veränderung der Impulsbreite hervor. Durch diese spezielle Detektionsart gelang es, sowohl die Linearität zu verbessern als auch eine zuverlässige Drehwinkelermittlung mit hoher Genauigkeit zu erreichen. Zudem ist eine spezielle geometrische Form des Permanentmagneten nicht mehr erforderlich, sondern er kann eine übliche Konfiguration aufweisen. Nachteilig ist die nicht gezielte Führung des magnetischen Flusses, die in Verbindung mit der Verwendung eines Permanentmagneten eine Miniaturisierung des Drehwinkelmeßfühlers in den Sub-Millimeterbereich unmöglich macht. Darüberhinaus ist die Nichtsteuerbarkeit dem magnetischen Flusses eines Permanentmagneten von Nachteil, da sie den Einsatz hochempfindlicher elektrischer Meßverfahren nicht zuläßt, demzufolge einer Verkleinerung des Drehwinkelmeßfühlers sehr enge Grenzen gesetzt sind und optimale Signalqualitäten nicht erreicht werden können.From DE 31 33 061 A1 a rotation angle sensor is known which has a perma nentmagnet as a flux-generating component and a coil with a core as has flow-detecting component. A river guide using ferromagne table materials do not exist; Air is the medium of dispersion. The from Permanent magnet outgoing magnetic flux is dependent on the Angular position of a rotatably mounted ferromagnetic body changed and calls on the electrical impulses sent through the measuring coil a change in the pulse width. Through this special The type of detection succeeded in improving both the linearity and one to achieve reliable rotation angle determination with high accuracy. In addition is no longer a special geometric shape of the permanent magnet required, but it can have a conventional configuration. Disadvantageous is the non-targeted guidance of the magnetic flux associated with miniaturization of the use of a permanent magnet Rotation angle sensor in the sub-millimeter range makes impossible. Furthermore, the uncontrollability of magnetic flux is one Permanent magnets disadvantage because they are highly sensitive to use electrical measuring method not allows, consequently a reduction in the angle of rotation sensor very narrow Limits are set and optimal signal qualities cannot be achieved can.

In der DE 42 38 861 A1 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines axial beweglichen Körpers beschrieben. Eine oder mehrere Spulen dienen zu gleich als flußerzeugende als auch als flußdetektierende Bauelemente. Der zu detektierende Körper hat eine ferromagnetische Schicht, die den magnetischen Fluß in der Meßspule ändert. Dadurch verändert sich auch die Induktivität dieser Spule, was als Impedanzänderung mit einer (Halb)brückenschaltung ausgewer tet wird. Die Ziele der Schrift sind eine höhere Ansprechempfindlichkeit und eine weitestgehende Unabhängigkeit von Umgebungsbedingungen. Dazu wird allein die ferromagnetische Schicht, die auf den zu detektierenden Körper aufgebracht ist, optimiert und zwar in der Hinsicht, daß insbesondere durch Erhöhung des elektrischen Widerstandes der ferromagnetischen Schicht dem Problem auftretender Wirbelströme entgegengewirkt wird. Die oben schon angesproche nen Nachteile zufolge einer nicht vorhandenen ferromagnetischen flußleitenden Struktur sind auch hier gültig. Da eine mechanische Fertigung von Drahtspulen unter wenigen Millimetern nicht möglich ist, ist eine Verbesserung der Positions bestimmung durch Verkleinerung der Vorrichtung ausgeschlossen.DE 42 38 861 A1 describes a device for determining the position of a axially movable body described. One or more coils are used equally as flow-generating as well as flow-detecting components. The too Detecting body has a ferromagnetic layer, which is the magnetic one Flow in the measuring coil changes. This also changes the inductance of these Coil, what was selected as a change in impedance with a (half) bridge circuit is tested. The goals of the writing are a higher responsiveness and a as far as possible independence from environmental conditions. To do this alone the ferromagnetic layer applied to the body to be detected is optimized, namely in that in particular by increasing the electrical resistance of the ferromagnetic layer the problem occurring eddy currents is counteracted. The already mentioned above NEN disadvantages due to the absence of a ferromagnetic flux-conducting Structure are also valid here. Because a mechanical production of wire coils less than a few millimeters is an improvement in position Determination excluded by downsizing the device.

Die DE 41 27 209 A1 offenbart einen Geber zur induktiven Erzeugung eines Meßsi gnals, das die relative Position zweier Körper zueinander angibt. Der Geber be steht aus einer flußerzeugenden Spule, die von Wechselstrom durchflossen ist, weiterhin aus einer ferromagnetischen flußführenden Struktur, die ringförmig ausgebildet ist, und einer Meßanordnung aus Spulen, die zumindest von einem Teil des erzeugten Magnetflusses durchsetzt sind und Spannungen abgeben, die von der relativen Position zweier Körper zueinander abhängen. Im bevorzug ten Ausführungsbeispiel dieser Schrift sind dabei die flußerzeugende Spule und die flußleitende Struktur mit dem ersten Körper und die Meßspulenanordnung mit dem zweiten Körper verbunden, wobei die Meßspulenanordnung entweder als gedruckte Schaltung oder aus Draht(flach)spulen in der Größenordnung von mindestens einigen Millimetern realisiert ist. Die (Induktions)Spannungssignale kommen dadurch zustande, daß sich abhängig von der relativen Position der beiden Körper die Fläche ändert, die der erzeugte Magnetfluß auf der Meßspu lenanordnung durchsetzt. Die Änderung des magnetischen Flusses wird durch eine Flächenänderung verursacht und nicht durch Änderung der magnetischen Permeabilität, z. B. des zweiten Körpers. Das Ziel der DE 41 27 209 A1 besteht darin, das resultierende Meßsignal durch geeignete Kombination der gemesse nen Induktionsspannungen und durch spezielle geometrisch angeordnete Gruppen von Flächenelementen frei von additiven und multiplikativen Störungen zu bekommen und die Linearität der Kennlinie zu verbessern, insbesondere im Nulldurchgang (beide Körper am "gleichen Ort") und in den Endlagen (beide Körper maximal voneinander entfernt). Nachteilig sind sowohl die hybride Aufbauweise der gesamten Anordnung als auch die geometrischen Dimensio nen (mindestens einige Millimeter) der die Ortsauflösung bestimmenden Elemente.DE 41 27 209 A1 discloses a sensor for the inductive generation of a Meßsi gnals, which indicates the relative position of two bodies to each other. The donor be consists of a flux-producing coil through which alternating current flows, continue from a ferromagnetic flux-guiding structure that is ring-shaped is formed, and a measuring arrangement of coils, at least by one Part of the magnetic flux generated is penetrated and emits voltages, that depend on the relative position of two bodies to each other. I prefer The exemplary embodiment of this document are the flux-generating coil and the flux guiding structure with the first body and the measuring coil arrangement connected to the second body, the measuring coil arrangement either as a printed circuit or from wire (flat) coils of the order of magnitude at least a few millimeters. The (induction) voltage signals come about by the fact that depending on the relative position of the Both bodies change the area that the magnetic flux generated on the measuring track interlaced. The change in magnetic flux is due to caused a change in area and not by changing the magnetic Permeability, e.g. B. the second body. The goal of DE 41 27 209 A1 is therein, the resulting measurement signal by a suitable combination of the measured NEN induction voltages and through special geometrically arranged Groups of surface elements free of additive and multiplicative disturbances to get and improve the linearity of the characteristic, especially in Zero crossing (both bodies in the "same place") and in the end positions (both Body maximally apart). Both the hybrid are disadvantageous Construction of the entire arrangement as well as the geometric dimensions (at least a few millimeters) the one that determines the spatial resolution Elements.

Aus der DE 30 31 997 A1 ist ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehmomenten bekannt, wobei auf der Prüflingsoberfläche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die durch das auftretende Drehmoment hervorgerufe ne Permeabilitätsänderung der Prüflingsoberfläche mittels eines sondenförmi gen, an die Prüflingsoberfläche heranbringbaren Magnetjochs mit- vier Polstücken, deren Polflächen der Prüflingsoberfläche gegenüberstehen, erfaßt wird. Das Magnetjoch ist als weichmagnetischer Schalenkern mit einem Innenkern und vier Polstücken ausgebildet. Die Querschnittsfläche durch den Innenkern und je zwei gegenüberliegenden Polstücken ist M-förmig (siehe Fig. 1 in DE 30 31 997 A1). Der Innenkern ist mit einer Erregerwicklung, die vier Polstücke mit zu einer magnetischen Meßbrücke verschalteten Detektionsdrahtwicklungen versehen. Gemessen wird letztlich eine Symmetrieverschiebung der Induktions spannungen in der magnetischen Meßbrücke. Auch Ferritkerne in sogenannter X-Form (zwei um 90° zueinander angeordnete U-Kerne) können verwendet wer den, wobei aufgrund des Fehlens des Innenkerns die Detektionsdrahtspulen auf den vier Polstücken zugleich als Erregerspulen benutzt werden. Nachteilig ist die sehr beschränkte Auswahl an verfügbaren Kernformen; die eigene Herstellung nicht kommerziell erhältlicher Kerne ist zu aufwendig. Zudem können die vorgestellten Meßköpfe nicht sehr klein gemacht werden; in der DE 30 31 997 sind Meßkopfdurchmesser von ca. 20 mm angegeben.DE 30 31 997 A1 discloses a method for the contactless measurement of torques, a magnetic alternating field being generated on the test specimen surface and the change in permeability of the test specimen surface caused by the torque occurring using a probe-shaped magnetic yoke with four pole pieces which can be brought to the test specimen surface whose pole faces face the surface of the test object is recorded. The magnetic yoke is designed as a soft magnetic shell core with an inner core and four pole pieces. The cross-sectional area through the inner core and two opposite pole pieces is M-shaped (see FIG. 1 in DE 30 31 997 A1). The inner core is provided with an excitation winding, the four pole pieces are provided with detection wire windings connected to form a magnetic measuring bridge. Ultimately, a symmetry shift of the induction voltages in the magnetic measuring bridge is measured. Ferrite cores in the so-called X-shape (two U-cores arranged at 90 ° to each other) can also be used, whereby due to the lack of the inner core, the detection wire coils on the four pole pieces are also used as excitation coils. The very limited selection of available core shapes is a disadvantage; In-house production of cores that are not commercially available is too complex. In addition, the measuring heads presented cannot be made very small; DE 30 31 997 specifies measuring head diameters of approximately 20 mm.

Aus dem Beitrag "An Integrated Sensor Head in Silicon, for Contactless Detection of Torque and Force" in Eurosensors VII, Budapest vom 26.9.93- 29.9.93, Seite 351 von P. Rombach ist ebenfalls ein Meßprinzip zur kontaktlosen Messung von Kräften oder Drehmomenten bekannt. Die prinzipielle Meßanord nung besteht aus einem weichmagnetischen U-Kern, an dessen einem Schenkel eine Erregerspule und an dessen anderem Schenkel ein Magnetflußdetektor an gebracht sind. In dem Raumbereich in unmittelbarer Nähe zu den beiden Schenkelenden befindet sich ein Metallband mit magnetostriktiven Eigenschaf ten. Durch Kraft- oder Drehmomenteinwirkung auf das Metallband wird durch Magnetostriktion dessen magnetische Permeabilität geändert. Diese Permeabili tätsänderung wird durch einen Magnetotransistor in einer Stromänderung erfaßt. Die in dem Beitrag vorgeschlagene technische Realisierung (siehe Fig. 2 des Beitrags) ist eine Kombination von Dünnschichttechnik und weiteren mikrome chanischen Verfahrensschritten zur Herstellung des magnetischen U-Kerns und der Erregerspule sowie eines CMOS-Prozesses für den Magnetotransistor. Die geometrische Form des U-Kern wird realisiert durch die Ätzung von zwei benachbarten V-Gräben ins Siliziumsubstrat. Die beiden einander nächstliegen den Flanken der beiden V-Gräben bilden die Schenkel des magnetischen Kerns, der jedoch zufolge der endlichen Steilheit der V-Flanken trapezförmige Gestalt hat. Das Kernmaterial besteht aus Nickel und Eisen und wird elektrolytisch abgeschieden. Von großem Nachteil ist, daß diesem Herstellungstechnologie nur für sehr einfache Formen magnetischer Kerne tauglich ist.From the article "An Integrated Sensor Head in Silicon, for Contactless Detection of Torque and Force" in Eurosensors VII, Budapest from September 26, 1993 to September 29, 1993, page 351 by P. Rombach is also a measuring principle for the contactless measurement of forces or torques known. The principle Meßanord voltage consists of a soft magnetic U core, on one leg of an excitation coil and on the other leg of a magnetic flux detector are brought. In the area in the immediate vicinity of the two ends of the legs there is a metal strip with magnetostrictive properties. The action of force or torque on the metal strip changes the magnetic permeability due to magnetostriction. This change in permeability is detected by a magnetotransistor in a current change. The technical implementation proposed in the article (see FIG. 2 of the article) is a combination of thin-film technology and further micromechanical process steps for producing the magnetic U-core and the excitation coil as well as a CMOS process for the magnetotransistor. The geometric shape of the U-core is realized by etching two neighboring V-trenches into the silicon substrate. The two closest to the flanks of the two V-trenches form the legs of the magnetic core, which, however, has a trapezoidal shape due to the finite steepness of the V-flanks. The core material consists of nickel and iron and is electrolytically deposited. A major disadvantage is that this manufacturing technology is only suitable for very simple forms of magnetic cores.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Detektion von Stoffen mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1 derart auszugestalten, daß die Anordnung eine Ortsauflösung im Submillimeter-Bereich bei hoher Meßempfindlichkeit bzw. Meßgenauigkeit er reicht und zudem einfach und kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann.The invention lies based on the task of an arrangement for the detection of substances with zero different magnetic permeability according to the preamble of An pronouncing 1 such that the arrangement a spatial resolution in Submillimeter range with high sensitivity or accuracy is sufficient and also mass-produced easily and inexpensively can be.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.This object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. Preferred further developments are listed in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Detektion von Stoffen mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität besteht aus den folgenden drei Elementarbausteinen: flußerzeugenden Spulen zur Erzeugung eines magneti schen Flusses, einer flußleitenden Struktur zur Führung des erzeugten magnetischen Flusses an die Meßstellen und flußdetektierenden Bauelementen an den Meßstellen zur Detektion mindestens eines Teils des erzeugten magnetischen Flusses. Die gesamte Anordnung und damit all deren Bestand teile sind auf einem einzigen Substrat durch Planartechnologie hergestellt.The inventive arrangement for the detection of substances with zero Different magnetic permeability consists of the following three Elementary building blocks: flux-generating coils to generate a magneti rule, a flow-guiding structure for guiding the generated magnetic flux to the measuring points and flow-detecting components at the measuring points for the detection of at least part of the generated magnetic flux. The entire arrangement and thus all of its inventory Parts are made on a single substrate using planar technology.

In einer oder mehreren flußerzeugenden Spulen wird ein magnetischer Fluß (bzw. ein magnetisches Feld) durch einen elektrischen Strom erzeugt. Der er zeugte magnetische Fluß wird durch eine flußleitende Struktur an die Meßstellen der Anordnung, die von den flußerzeugenden Spulen räumlich entfernt sein können, geführt. An diesen Meßstellen sind eine oder mehrere flußdetektierende Bauelemente positioniert, deren geeignet kombinierte Signale ein Maß für die magnetische Permeabilität in der Umgebung der erfindungsgemäßen Anord nung sind.There is a magnetic flux in one or more flux-generating coils (or a magnetic field) generated by an electric current. The he Magnetic flux is generated by a flux-conducting structure at the measuring points the arrangement that is spatially distant from the flux-generating coils can, led. At these measuring points there are one or more flow detectors Positioned components whose suitably combined signals are a measure of the magnetic permeability in the vicinity of the arrangement according to the invention are.

Es ist günstig, wenn die Werte der magnetischen Flußdichte als Funktion des Ortes in der unmittelbaren Umgebung einer Meßstelle stark von der magneti schen Permeabilität in der Umgebung der Anordnung abhängen. Die geeignete Kombination der Signale kann dabei vorteilhafterweise auf Differenz- und/oder Additionsprinzipien beruhen, zu deren Realisierung eine geeignete Ausbildung der flußdetektierenden Bauelemente (z. B. Wahl des Windungssinnes bei planaren Induktionsspulen), eine geeignete Zusammenschaltung mehrerer fluß detektierender Bauelemente und/oder eine entsprechende Signalverarbeitung beitragen können.It is advantageous if the values of the magnetic flux density as a function of the Location in the immediate vicinity of a measuring point strongly from the magneti depend on the permeability in the vicinity of the arrangement. The right one Combination of the signals can advantageously be based on difference and / or Addition principles are based, for their implementation a suitable training of the flow-detecting components (e.g. choice of sense of turn in planar induction coils), a suitable interconnection of several fluxes detecting components and / or a corresponding signal processing can contribute.

Durch die gesamte erfindungsgemäße Anordnung aus flußerzeugenden Spulen, einer flußleitenden Struktur und flußdetektierenden Bauelementen ist zusammen mit dem vom magnetischen Fluß durchsetzten umgebenden Medium ein geschlossener magnetischer Kreis aufgebaut, in dem die Kirchhoffschen Sätze analog dem elektrischen Fall gültig sind. Durch Annäherung eines externen Ob jektes mit von Null verschiedener magnetischer Permeabilität werden in der er findungsgemäßen Anordnung die magnetischen Widerstände verändert. Diese Veränderungen können auf unterschiedlichste Art erfaßt werden. An einem Ort vorzugsweise durch ein oder mehrere flußdetektierende Bauelemente oder durch die Detektion einer Symmetrieverschiebung im magnetischen Kreis. Letzteres erfordert insbesondere eine geeignete Ausbildung der flußleitenden Struktur sowie eine auf diese Struktur angepaßte Auswahl und Festlegung der Meßstellen für die flußdetektierenden Bauelemente. Dabei kann es durch das in der erfindungsgemäßen Anordnung realisierte Meßprinzip vorkommen, daß zu mindest ein flußdetektierendes Bauelement von dem Ort oder dem Bereich der Permeabilitätsänderung weiter entfernt ist. Es ist zudem möglich, daß zumindest eine der flußerzeugenden Spulen auch als flußdetektierendes Element verwendet ist. Die Positionierung eines flußdetektierenden Bauelementes geschieht vorzugsweise so, daß entweder der magnetische Fluß in der flußleitenden Struktur detektiert wird oder daß der magnetische (Streu)Fluß, wel cher an oder nahe einer Meßstelle aus der flußleitenden Struktur in das umgebende Medium austritt bzw. von dort eintritt, erfaßt wird.Through the entire arrangement of flux-generating coils according to the invention, a flow-guiding structure and flow-detecting components are together with the surrounding medium permeated by the magnetic flux a closed magnetic circuit in which the Kirchhoff theorems are valid analogously to the electrical case. By approaching an external ob jectes with non-zero magnetic permeability are in the he arrangement according to the invention changes the magnetic resistances. This Changes can be recorded in many different ways. In one place preferably by one or more flow-detecting components or by detecting a shift in symmetry in the magnetic circuit. The latter requires, in particular, a suitable design for the flow-guiding Structure and a selection and definition of the Measuring points for the flow-detecting components. It can by the in the measuring principle of the arrangement according to the invention that occurs at least one flow detecting device from the location or area of the Permeability change is further away. It is also possible that at least one of the flux-generating coils also as a flow-detecting element is used. The positioning of a flow-detecting device is preferably done so that either the magnetic flux in the flux-conducting structure is detected or that the magnetic (stray) flux, wel cher at or near a measuring point from the flux-conducting structure in the surrounding medium emerges or enters from there is detected.

Als flußdetektierende Bauelemente werden dabei vorteilhaft Induktionsspulen oder in Planartechnologie herstellbare Magnetfeldsensoren, beispielsweise ma gnetoresistive Sensoren, Hallelemente oder Fluxgate-Sensoren, eingesetzt. Bei einer vorteilhaften Anordnung ist eine flußerzeugende Spule von einem elektrischen Strom mit einer zeitlich konstanten und einer zeitlich veränderbaren Komponente von jeweils beliebiger Amplitude durchflossen (z. B. auch reiner Gleichstrom oder reiner Wechselstrom) und mit einem ferromagnetischen Kern versehen. Dieser Kern ist aus hochpermeablem Material und dient deshalb ne ben der Flußleitung auch als Flußverstärker. Der Spulenkern ist vorzugsweise ein Teil der flußleitenden Struktur, deren Material folgende vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Eine hohe Permeabilität erlaubt es, mit vergleichsweise geringem Spu lenstrom eine große magnetische Flußdichte zu erzeugen. Dies ist vor allem bei sehr kleinen erfindungsgemäßen Anordnungen zur Erzielung detektierbarer Signale wichtig, da die Stromdichte in den Windungen der flußerzeugenden Spulen einen sehr kleinen Wert hat. Des weiteren ist eine hohe Sättigungsfluß dichte des Materials zur Erhöhung der Signale geeignet. Geringe Leistungsver luste werden durch die Verwendung eines weichmagnetischen Materials erreicht, das eine schmale Hysterese aufweist. Materialien, die diese Eigenschaf ten haben, sind vorzugsweise bestimmte Eisen-Nickel-Legierungen, wobei Bei mischungen von Chrom, Mangan, Molybdän und anderen chemischen Elementen weitere Verbesserungen bringen. Die geometrische Ausbildung der flußleitenden Struktur erfolgt vorzugsweise so, daß die flußleitende Struktur aus einer oder mehreren U-förmigen, ferromagnetischen Grundstrukturen aufgebaut ist bzw. umgekehrt in solche zerlegt werden könnte, wie dies etwa bei einer Kamm-förmigen flußleitenden Struktur der Fall ist.Induction coils are advantageously used as flow-detecting components or magnetic field sensors that can be produced in planar technology, for example ma gnetoresistive sensors, Hall elements or fluxgate sensors. At An advantageous arrangement is a flux-generating coil of one electric current with a time constant and a time variable Components of any amplitude flow through (e.g. also pure Direct current or pure alternating current) and with a ferromagnetic core Mistake. This core is made of highly permeable material and therefore serves ne ben the flow line also as a flow amplifier. The coil core is preferably a Part of the river-guiding structure, the material of which has the following advantageous properties having. A high permeability allows it with a comparatively small amount of spu lenstrom to generate a large magnetic flux density. This is mostly at very small arrangements according to the invention to achieve detectable Signals important because the current density in the turns of the flux-generating Coils has a very small value. Furthermore, there is a high saturation flow density of the material suitable for increasing the signals. Low power ratio are caused by the use of a soft magnetic material achieved that has a narrow hysteresis. Materials that have this property ten are preferably certain iron-nickel alloys, with Bei mixtures of chromium, manganese, molybdenum and other chemical Bring further improvements to elements. The geometric formation of the flux-conducting structure is preferably carried out so that the flux-conducting structure one or more U-shaped, ferromagnetic basic structures or, conversely, could be broken down into such as is the case with a Comb-shaped flow-guiding structure is the case.

Zur teilweisen oder gänzlichen Kompensation parasitärer Einflüsse können ne ben passiven Abschirmeinrichtungen zusätzlich weitere flußdetektierende Bauelemente so angeordnet werden, daß sie den magnetischen Fluß einer flu ßerzeugenden Spule unabhängig von der magnetischen Permeabilität in der Umgebung der Anordnung erfassen und diese Signale zur Kompensation von Störeinflüssen auf eine flußerzeugende Spule und/oder eine flußleitende Struktur, beispielsweise temperaturabhängige Veränderungen der Eigenschaf ten von ferromagnetischen flußleitenden Strukturen oder externe Magnetfelder, benutzen. Die Unabhängigkeit solcher Referenzmessungen von der zu detektierenden magnetischen Permeabilität(sänderung) in der Umgebung der Anordnung muß nicht zu jeder Zeit gegeben sein; oftmals genügt es, diese Un abhängigkeit durch geeignet ausgewählte Modulations- bzw. Meßtechniken zu bestimmten Zeitpunkten oder in bestimmten Zeitintervallen sicherzustellen. Eine Detektionstechnik auf der Basis von Differenzprinzipien ist generell störungsun empfindlicher. Darüber hinaus werden je nach Anwendungsfall und Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung Kompensationsmaßnahmen auch zur Erreichung größerer Linearitätsbereiche eingesetzt.For the partial or complete compensation of parasitic influences, ne ben passive shielding devices also additional flow-detecting Components are arranged so that they the magnetic flux of a flu ßgenerating coil regardless of the magnetic permeability in the Detect surroundings of the arrangement and use these signals to compensate for Interferences on a flux-generating coil and / or a flux-conducting Structure, for example temperature-dependent changes in properties of ferromagnetic flux-conducting structures or external magnetic fields, to use. The independence of such reference measurements from the detecting magnetic permeability (change) in the vicinity of the Order does not have to be given at all times; it is often sufficient to use this Un dependence through suitably selected modulation or measurement techniques certain times or at certain time intervals. A Detection technology based on difference principles is generally fault-free more sensitive. In addition, depending on the application and structure arrangement according to the invention compensation measures for Reaching larger linearity ranges used.

Außer einer einzigen erfindungsgemäßen Anordnung können auf einem Substrat auch mehrere (voneinander unabhängige) erfindungsgemäße Anordnungen in bestimmten Abständen und in bestimmten Winkellagen zueinander hergestellt werden. Die genaue Einstellbarkeit dieser Abstände und Winkel ermöglicht etwa eine Aneinanderreihung erfindungsgemäßer Anordnungen in Zeilen- oder Ma trixform (generell beliebige Muster) mit guter Uniformität. Vorteilhaft ist dies für eine genaue und schnelle magnetische Muster- oder Bilderkennung.In addition to a single arrangement according to the invention can on a substrate also several (mutually independent) arrangements according to the invention in certain distances and in certain angular positions to each other will. The exact adjustability of these distances and angles enables approximately a sequence of arrangements according to the invention in rows or dimensions trixform (generally any pattern) with good uniformity. This is advantageous for accurate and fast magnetic pattern or image recognition.

Ein wesentliches Charakteristikum der Erfindung ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit den Methoden der Planartechnologie auf einem planaren Substrat. Denn durch die gute Maßhaltigkeit der Mikrolithografie (absolute Strukturgenauigkeiten <1 µm, relative <1%), mit der die einzelnen Elementarbausteine strukturiert werden, ist eine Miniaturisierung der erfindungs gemäßen Anordnung in Größenbereiche kleiner als 1 mm realisierbar, wodurch die Ortsauflösung der Messung erheblich gesteigert wird. Aus der Miniaturisie rung resultieren auch die Vorteile der geringeren Temperaturabhängigkeit der Meßsignale und der kleineren Störungen durch mechanische Erschütterungen bzw. Schwingungen. Da Magnetfelder eine Ortsabhängigkeit von r^-n (n = 1 . . . 2) aufweisen und so die geometrischen Abmessungen und deren Genauigkeiten sehr starken Einfluß auf die Meßsignale haben, ist es mit der hohen Strukturge nauigkeit, die durch den ausschließlichen Einsatz der Planartechnologie erzielt wird, gelungen, die geometriebedingten Abweichungen der Meßsignale so klein zu halten, daß insbesondere bei der Verwendung von Differenzdetektionsschal tungen Abgleichkosten vermieden wurden. An essential characteristic of the invention is the production of the arrangement according to the invention using the methods of planar technology on a planar substrate. Because of the good dimensional stability of microlithography (absolute structural accuracy <1 µm, relative <1%), with which the individual elementary components are structured, miniaturization of the arrangement according to the invention can be realized in size ranges smaller than 1 mm, which considerably increases the spatial resolution of the measurement becomes. Miniaturization also results in the advantages of the lower temperature dependence of the measurement signals and the smaller disturbances caused by mechanical shocks or vibrations. Since magnetic fields have a location dependency of r ^-n (n = 1... 2) and so the geometric dimensions and their accuracy have a very strong influence on the measurement signals, it is with the high Structure accuracy, which is achieved by the exclusive use of planar technology is managed to keep the geometry-related deviations of the measurement signals so small that adjustment costs were avoided, especially when using differential detection circuits.

Ein weiterer Vorteil, der durch die Miniaturisierung und den Einsatz der (CMOS-kompatiblen) Planartechnologie erzieit wird, liegt darin, daß elektronische Schaltungen, z. B. zur Aufbereitung und Auswertung der Meßsignale, neben den flußerzeugenden, flußführenden und flußdetektierenden Bauelementen auf dem Substrat mitintegrierbar sind. Neben einer kostengünstigen und vereinfachten Herstellung hat dies den zusätzlichen Vorteil, daß der Abstand zwischen den flußdetektierenden Bauelementen und der Auswerteelektronik sehr klein gehalten werden kann, somit externe Störungen weniger ins Gewicht fallen und deshalb entweder die Ortsauflösung weiter erhöht werden kann oder noch klei nere Signale detektiert werden können. Letzteres ist auch von Vorteil in dem Fall, bei dem zufolge einer hohen Ortsauflösung die flußdetektierenden Bauelemente nur mit wenigen Spulenwindungen versehen sind und deshalb kleinere Meßsignale detektiert werden müssen. Der Einsatz von Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Flusses hat den großen Vorteil, daß zufolge der Steuerbar keit des erzeugten magnetischen Flusses über den Spulenstrom, hochempfind liche Modulationstechniken zur Detektion auch sehr schwacher und/oder verrauschter Meßsignale verwendbar sind.Another advantage of miniaturization and the use of (CMOS-compatible) Planar technology is educated in the fact that electronic Circuits, e.g. B. for the preparation and evaluation of the measurement signals, in addition to flow-generating, flow-guiding and flow-detecting components on the Substrate can be integrated. In addition to an inexpensive and simplified Manufacturing has the additional advantage that the distance between the flow-detecting components and the evaluation electronics very small can be kept, so external disturbances are less important and therefore either the spatial resolution can be increased further or still small nere signals can be detected. The latter is also advantageous in the case at which, due to a high spatial resolution, the flow-detecting components are provided with only a few coil turns and therefore smaller Measurement signals must be detected. The use of coils for generation of a magnetic flux has the great advantage that, according to the controllable speed of the generated magnetic flux over the coil current, highly sensitive Liche modulation techniques for the detection of very weak and / or noisy measurement signals can be used.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are described below with reference to the Drawings described in more detail. Show it:

Fig. 1 Skizze eines Ausführungsbeispiels, Fig. 1 diagram of one embodiment,

Fig. 2 Schnitt durch eine flußerzeugende Spule (parallel zur Längsachse), Fig. 2 shows a section through a flux generating coil (parallel to the longitudinal axis),

Fig. 3 Schnitt durch eine flußerzeugende Spule (quer zur Längsachse), Fig. 3 section through a flux generating coil (transverse to the longitudinal axis),

Fig. 4 Schnitt durch eine planare Spule als flußdetektierendes Bauelement, Fig. 4 is a section through a planar coil as a flux detecting component,

Fig. 5 Funktionsprinzip ohne ferromagnetische Umgebung, Fig. 5 operating principle without ferromagnetic environment,

Fig. 6 Funktionsprinzip mit ferromagnetischer Umgebung, Fig. 6 functional principle ferromagnetic environment,

Fig. 7 Funktionsprinzip mit zwei planaren Spulen ohne ferromagnetische Umgebung, Fig. 7 principle of operation with two planar coil without ferromagnetic environment,

Fig. 8 Funktionsprinzip mit zwei planaren Spulen und ferromagnetischer Um gebung. Fig. 8 operating principle with two planar coils and ferromagnetic order to environment.

Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Die flußerzeugende Spule (1) besteht aus einer dreidimensionalen Spule mit ferromagnetischem (Spulen)Kern (2), die beide in Planartechnologie hergestellt sind. Der ferroma gnetische Kern (2) ist zugleich ein Teil der flußleitenden Struktur (3), die in U-Form ausgebildet ist, wobei die flußerzeugende Spule (1) am Mittelschenkel der U-förmigen flußleitenden Struktur angeordnet ist. An beiden Enden der flußleitenden Struktur ist jeweils ein flußdetektierendes Bauelement (4), (5) angebracht. Die flußerzeugende Spule (1) mit ferromagnetischem Kern (2), die flußleitende Struktur (3) und die flußdetektierenden Bauelemente (4), (5) sind alle auf einem einzigen Substrat (6) gefertigt.A first embodiment is shown in FIG. 1. The flux-generating coil ( 1 ) consists of a three-dimensional coil with a ferromagnetic (coil) core ( 2 ), both of which are manufactured using planar technology. The ferromagnetic core ( 2 ) is at the same time part of the flow-guiding structure ( 3 ), which is U-shaped, the flux-generating coil ( 1 ) being arranged on the middle leg of the U-shaped flow-guiding structure. A flow-detecting component ( 4 ), ( 5 ) is attached to both ends of the flow-guiding structure. The flux-generating coil ( 1 ) with ferromagnetic core ( 2 ), the flux-conducting structure ( 3 ) and the flux-detecting components ( 4 ), ( 5 ) are all made on a single substrate ( 6 ).

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch die flußleitende Spule mit der flußleitenden Struktur. Die Herstellung einer flußleitenden Spule ge schieht durch die Strukturierung einer ersten Metallisierungsebene (7) für den Teil der Spulenwindung, der unter der flußleitenden Struktur (genauer dem ferromagnetischen Kern (2)) angeordnet ist, und durch die Strukturierung einer zweiten Metallisierungsebene (8) für den Teil der Spulenwindung, der über der flußleitenden Struktur angeordnet ist. Die erste und die zweite Metallisie rungsebene und der flußleitende und flußverstärkende, ferromagnetische Kern sind jeweils durch eine Isolationsschicht (9) elektrisch voneinander isoliert. Nur im Bereich der Kontaktlöcher (10) ist ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten (7) und der zweiten (8) Metallisierungsebene vorhanden, um die Spulenwindungen um den ferromagnetischen Kern (2) herum zu schließen. Die maximale Stromdichte in den Windungen der flußerzeugenden Spule beträgt ca. 1 mA/(µm·µm). Fig. 2 and Fig. 3 show a longitudinal or cross section through the flux guiding coil with the flux guiding structure. The production of a flux-conducting coil occurs by structuring a first metallization level ( 7 ) for the part of the coil turn which is arranged under the flux-conducting structure (more precisely the ferromagnetic core ( 2 )), and by structuring a second metallization level ( 8 ) for the part of the coil turn that is placed over the flux-guiding structure. The first and the second metallization level and the flux-conducting and flux-reinforcing, ferromagnetic core are each electrically insulated from one another by an insulation layer ( 9 ). Only in the area of the contact holes ( 10 ) is there an electrical contact between the first ( 7 ) and the second ( 8 ) metallization level in order to close the coil turns around the ferromagnetic core ( 2 ). The maximum current density in the turns of the flux-generating coil is approximately 1 mA / (µm · µm).

Die beiden Metallisierungsebenen bestehen aus einer ca. 1 µm dicken Aluminiumschicht; die gewählten 50 Spulenwindungen haben eine Breite von ca. 3,2 µm und einen Abstand von ca. 2 µm. Die Isolationsschicht (9) besteht aus einer etwa 1,2 µm dicken Siliziumdioxidschicht und die flußleitende Struktur (3) ist in diesem Ausführungsbeispiel eine ca. 0,5 µm dicke und etwa 100 µm breite Permalloy-Schicht, die aus Nickel (81%) und Eisen (19%) zusammengesetzt ist. Diese Schicht kann durch Diffusionsbarriereschichten aus Tantal, das auch als Haftvermittler dient, eingekapselt sein. Für Eisen-Nickel-Schichten sind minimale Strukturbreiten von ca. 5 µm realisierbar, minimale Strukturbreiten für andere Schichten sind 0,5 µm; im Vergleich dazu liegt die Justagegenauigkeit von Struktur zu Struktur bei ca. 1 µm, die bei einer maximalen Bildfläche von ca. 15 mm 15 mm besser als 0,001 ist.The two metallization levels consist of an approximately 1 µm thick aluminum layer; the 50 coil turns chosen have a width of approx. 3.2 µm and a distance of approx. 2 µm. The insulation layer ( 9 ) consists of an approximately 1.2 µm thick silicon dioxide layer and the flux-conducting structure ( 3 ) in this exemplary embodiment is an approximately 0.5 µm thick and approximately 100 µm wide permalloy layer made of nickel (81%) and iron (19%) is composed. This layer can be encapsulated by diffusion barrier layers made of tantalum, which also serves as an adhesion promoter. Minimum structure widths of approx. 5 µm can be achieved for iron-nickel layers, minimum structure widths for other layers are 0.5 µm; In comparison, the adjustment accuracy from structure to structure is approx. 1 µm, which is 15 mm better than 0.001 with a maximum image area of approx. 15 mm.

Die flußdetektierenden Bauelemente (4), (5) bestehen, wie in Fig. 1 erkennbar ist, aus planaren Spulen, die durch die Strukturierung der zweiten Metallisie rungsebene (8) hergestellt sind. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Längsachse des U-Schenkels im Bereich einer der beiden flußdetektierenden planaren Spulen.The flow-detecting components ( 4 ), ( 5 ), as can be seen in Fig. 1, consist of planar coils, which are produced by the structuring of the second metallization level ( 8 ). Fig. 4 shows a cross section through the longitudinal axis of the U-leg in the region of one of the two flow-detecting planar coils.

Die flußerzeugende Spule (1) wird im Ausführungsbeispiel von einem Wechsel strom durchflossen. An beiden Enden der U-förmigen, flußleitenden Struktur tritt der erzeugte magnetische Fluß (11) aus bzw. wieder ein, da magnetische Feldlinien immer geschlossen sind. In Fig. 5 ist der Fall dargestellt, daß in der Umgebung der Anordnung kein ferromagnetisches Material vorhanden ist. Zu mindest ein Teil des magnetischen Flusses durchdringt die planare Spule (4 bzw. 5) und induziert eine Spannung in der Spule. Kommt nun ein ferromagneti scher Körper (12) in die Nähe der Anordnung (Fig. 6) so wird der magnetische Fluß, der die planare Spule durchdringt, verändert und dementsprechend entsteht eine geänderte Induktionsspannung, die als Meßsignal dient. The flux-generating coil ( 1 ) is flowed through by an alternating current in the embodiment. At both ends of the U-shaped, flux-conducting structure, the generated magnetic flux ( 11 ) emerges or re-enters, since magnetic field lines are always closed. In FIG. 5, the case is shown that in the vicinity of the assembly no ferromagnetic material is present. At least part of the magnetic flux penetrates the planar coil ( 4 or 5 ) and induces a voltage in the coil. Now comes a ferromagnetic body ( 12 ) in the vicinity of the arrangement ( Fig. 6), the magnetic flux that penetrates the planar coil is changed, and accordingly there is a changed induction voltage, which serves as a measurement signal.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden durch geeignete Beschaltung zweier planarer Spulen als flußdetektierende Bauelemente die Vorteile von Diffe renzprinzipien ausgenutzt. In Fig. 7 und Fig. 8 sind zwei planare Spulen (4a, 4b bzw. 5a, 5b) übereinanderliegend in der ersten und der zweiten Metallisie rungsebene angeordnet. Diese beiden planaren Spulen haben den gleichen Windungssinn und sind in Reihe geschaltet, so daß im Fall der Abwesenheit eines ferromagnetischen Körpers und einer komplett symmetrisch ausgeführten Anordnung der planaren Spulen der gleiche magnetische Fluß (11a, 11b) mit entgegengesetztem Vorzeichen die beiden planaren, übereinanderliegenden Spulen durchdringt (Fig. 7). Durch die Reihenschaltung heben sich die beiden induzierten Spannungen auf, so daß das resultierende Signal beider Spulen den Wert Null hat, folglich also "kein Signal meßbar ist". Ein externer ferromagneti scher Körper (12) in der Umgebung der beiden Spulen hebt die Symmetrie des magnetischen Flusses (11) am Ort der beiden planaren Spulen auf (Fig. 8) und erzeugt auf diese Weise ein von Null verschiedenes (Induktions)Signal in den beiden in Reihe geschalteten Spulen.In a second exemplary embodiment, the advantages of differential principles are exploited by suitable wiring of two planar coils as flow-detecting components. In Fig. 7 and Fig. 8, two planar coils ( 4 a, 4 b and 5 a, 5 b) are arranged one above the other in the first and the second metallization level. These two planar coils have the same winding direction and are connected in series, so that in the absence of a ferromagnetic body and a completely symmetrical arrangement of the planar coils, the same magnetic flux ( 11 a, 11 b) with opposite sign the two planar, penetrates coils lying one above the other ( Fig. 7). Through the series connection, the two induced voltages cancel each other out, so that the resulting signal of both coils has the value zero, consequently "no signal can be measured". An external ferromagnetic body ( 12 ) in the vicinity of the two coils removes the symmetry of the magnetic flux ( 11 ) at the location of the two planar coils ( FIG. 8) and in this way generates a non-zero (induction) signal in the two coils connected in series.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Gleichstrombetrieb eine flußerzeugende Spule von einem zeitlich konstanten Strom durchflossen. Als Meßsignale dienen die in den Spulen induzierten Spannungen, die durch eine zeitliche Änderung der magnetischen Permeabilität in der Umgebung verursacht sind.In a further exemplary embodiment, a flux-producing coil flows through a constant current. As Measurement signals serve the voltages induced in the coils by a temporal change in the magnetic permeability caused in the environment are.

Claims

1. Miniaturized coil arrangement for the detection of magnetic permeability, in particular the ferromagnetic substances, the miniaturized coil arrangement comprising at least one flux-generating coil for generating a magnetic flux and a flux-conducting structure for guiding the generated magnetic flux to at least one measuring point and at least one flow-detecting component for measurement At least part of the magnetic flux generated, which passes through at least one flux-detecting component at a measuring point, and furthermore at least one flux-detecting component provides a signal which depends on the magnetic permeability and its local distribution in the vicinity of the miniaturized coil arrangement, characterized that the flux generating coils (1), the flux conducting structure (3) and the flux detecting devices (4, 5) of the miniaturized coil arrangement in one or more n layers are realized by two and / or three-dimensional structures, preferably by planar technology, and that these layers are produced on a single substrate ( 6 ).

2. Miniaturized coil arrangement according to claim 1, characterized in that of the three elementary components, namely the flux-generating coils ( 1 ), the flux-conducting structure ( 3 ) and the flow-detecting components ( 4 , 5 ), only one elementary component or two or all of them three elementary building blocks have at least one geometric extension along any spatial direction, which is in the submillimeter range.

3. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 2, characterized in that the signals provided by the flow-detecting components ( 4 , 5 ) provide, with suitable combination and signal processing, a resulting signal which is a measure of the magnetic permeability in the vicinity of the miniaturized coil assembly is.

4. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the flux-conducting structure ( 3 ) is designed such that at or near one or more measuring points of the magnetic flux from the tide structure ( 3 ) into the giving Medium exits or enters.

5. Miniaturized coil arrangement according to claim 4, characterized in that the entire flux-conducting structure ( 3 ) is constructed from one or more U-shaped, flux-conducting elementary structures.

6. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the flux-conducting structure ( 3 ) contains at least one ferromagnetic material, preferably an iron-nickel alloy.

7. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that a flux-generating coil ( 1 ) consists of a three-dimensional coil with a coil core enclosed by it ( 2 ).

8. Miniaturized coil arrangement according to claim 7, characterized in that the coil core ( 2 ) is designed as a layer which contains at least one ferromagnetic material, preferably an iron-nickel alloy.

9. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 7 or 8, characterized in that the coil core ( 2 ) is part of the flux-conducting structure ( 3 ).

10. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 7 to 9, characterized in that a flux-generating three-dimensional coil ( 1 ) by structuring on a first ( 7 ) and on a second ( 8 ) metallization level and by electrically conductive contact connections ( 10 ) between between these two levels of metallization.

11. Miniaturized coil arrangement according to claim 10, characterized in that the coil core ( 2 ) is between the first ( 7 ) and the second ( 8 ) metallization level and that this coil core ( 2 ) from both the first ( 7 ) and the second (8) metallization level is electrically insulated by insulation layers ( 9 ).

12. Miniaturized coil arrangement according to claim 11, characterized in that an insulation layer ( 9 ) made of silicon nitride and / or silicon dioxide and that the two metallization levels ( 7 , 8 ) are made of aluminum.

13. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that a flux-generating coil ( 1 ) can be impressed with a current which has a time-constant and a time-variable component with any amplitude.

14. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 13, characterized in that the flow-detecting components ( 4 , 5 ) are formed as induction coils, ma gnetoresistive sensors, Hall elements or fluxgate sensors.

15. Miniaturized coil arrangement according to claim 14, characterized in that an induction coil ( 4 ) is formed by structuring on only one metallization level ( 7 ) as a planar induction coil.

16. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 14 to 15, characterized in that an induction coil ( 4 ) contains a core which consists of at least one ferromagnetic material.

17. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 14 to 16, characterized in that at one measuring point as flow-detecting components ( 4 a, 4 b) two planar induction coils with the same winding sense in series ge and are formed symmetrically, so that with magnetic permeability Zero in the vicinity of the miniaturized coil arrangement and / or in the case of symmetrical distribution of the permeability in the vicinity of the miniaturized coil arrangement, the resulting signal of both induction coils has the value zero.

18. Miniaturized coil arrangement according to claim 17, characterized in that the two planar induction coils ( 4 a, 4 b) are arranged spatially one above the other in the first ( 7 ) and the second ( 8 ) metallization plane.

19. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 18, characterized in that to avoid or compensate for the influence of temperature changes or external magnetic fields or other disturbances special spatial arrangements of the flow-detecting components ( 4 , 5 ) and / or a suitable signal processing and / or corresponding shielding devices are provided.

20. Miniaturized coil arrangement according to one of claims 1 to 19, characterized in that one or more further flow-detecting components are arranged so that through them the magnetic flux of at least one flux-generating coil ( 1 ) and / or the magnetic flux in the flux guide the structure ( 3 ) can be detected independently of the magnetic permeability in the vicinity of the miniaturized coil arrangement and can be used to compensate for interference.

21. Device consisting of a plurality of miniaturized coil assemblies according to one of claims 1 to 20, characterized in that a plurality of miniaturized coil assemblies at predetermined intervals and predetermined mutual angles were made on a single substrate ( 6 ).

22. Device according to claim 21, characterized, that several miniaturized coil arrangements in rows or Matrix form are strung together.