EP4323787A1 - Magnetfeldsensor und sensoranordnung - Google Patents

Magnetfeldsensor und sensoranordnung

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Publication number
EP4323787A1
EP4323787A1 EP22714215.5A EP22714215A EP4323787A1 EP 4323787 A1 EP4323787 A1 EP 4323787A1 EP 22714215 A EP22714215 A EP 22714215A EP 4323787 A1 EP4323787 A1 EP 4323787A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic field
sensor
sensor element
received signal
electronics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22714215.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar FRÜHAUF
Raphael KUHNEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4323787A1 publication Critical patent/EP4323787A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028—Electrodynamic magnetometers
    • G01R33/0286—Electrodynamic magnetometers comprising microelectromechanical systems [MEMS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G01R33/0041—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration using feed-back or modulation techniques
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field sensor for detecting a magnetic field comprising a mechanically oscillatable, magnetoelectric sensor element and a sensor arrangement for determining and/or monitoring at least one process variable and/or parameter of a medium in a container comprising a magnetic field sensor according to the invention.
  • Field devices for monitoring and/or determining at least one, for example chemical or physical, process variable of a medium are known in a wide variety of configurations from the prior art.
  • all measuring devices or sensor arrangements are referred to as field devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information, i.e. also remote I/Os, wireless adapters or general electronic components that are arranged at the field level .
  • a large number of such field devices are manufactured and sold by companies in the Endress + Hauser Group.
  • Many different field devices are based on the measurement of magnetic fields and the determination and/or determination of the respective process variable and/or parameter using a variable related to the respective magnetic field.
  • Different types of magnetic field sensors are generally used to detect the magnetic field. The accuracy of such field devices depends to a large extent on the measurement accuracy of the magnetic field sensors.
  • Magnetoelectric sensors are used to detect magnetic fields and are based on the mechanical force coupling of magnetostrictive and piezoelectric materials.
  • Magnetostrictive materials are characterized in that a deformation of the material occurs as a result of an applied magnetic field.
  • Joule magnetostriction which is understood to mean a change in length as a result of a change in magnetization
  • the Villary effect the inverse magnetostrictive effect, in which a change in the magnetic properties occurs as a result of mechanical stress
  • the delta E effect which describes a change in the modulus of elasticity as a result of a change in magnetization.
  • Magnetostrictive materials are given, for example, by ferromagnetic transition metals such as iron, nickel or cobalt or their alloys, e.g. B.
  • alloys of cobalt and iron, of gallium and iron or galfenol, or terbium, dysprosium and iron or terfenol, and various others Compounds of transition metals with rare earths or various ferromagnetic glasses.
  • Piezoelectric materials are characterized by the change in electrical polarization and thus the occurrence of an electrical voltage as a result of elastic deformation. Piezoelectric materials are given, for example, by lead zirconate titanate, polycinylidene fluoride or aluminum nitride.
  • a magnetostrictive material is tightly coupled to a piezoelectric material.
  • the magnetostrictive material experiences a change in length in the direction of the acting magnetic field and/or a change in the modulus of elasticity.
  • the linear expansion exerts a force on the piezoelectric material, which leads to a change in polarization and thus to the occurrence of a voltage that can be detected electrically.
  • a change in the modulus of elasticity in turn leads to a changed transmission behavior, which can also be detected.
  • a change in the modulus of elasticity as a result of an applied magnetic field leads to a changed vibration behavior, which can be evaluated, for example, on the basis of a frequency and/or amplitude of the mechanical vibrations.
  • a multi-layered structure which comprises at least one layer made of the magnetostrictive material, one layer made of the piezoelectric material and, if necessary, an electrode for tapping off the voltage.
  • the layered structure is in the form of a strip attached at one end. The application of a magnetic field then causes the strip to bend and an electrical voltage signal to appear as the received signal.
  • Magnetoelectric sensors carry out forced oscillations under the influence of a periodic, temporally variable magnetic field with a definable frequency.
  • resonant oscillations are particularly advantageous since in this case even comparatively small changes in the magnetic field cause comparatively large voltages.
  • Various options for setting a resonant frequency of a magnetoelectric sensor have become known, for example, from US2010/0015918A1, DE102011008866A1 or WO2020/253908A1.
  • An evaluation of the electrical voltage with regard to frequency is typically carried out using a so-called sweep method, in which the received signal is recorded as a function of the frequency and the frequency at which the amplitude of the received signal is maximum, is sought.
  • the disadvantage is that the time required to find the resonant frequency increases significantly with the accuracy that can be achieved. Accurate detection of the resonant frequency is therefore very time-consuming.
  • a signal evaluation, in which a maximum amplitude must be determined is comparatively complex.
  • the object of the present invention is to provide a magnetic field sensor with a magnetoelectric sensor element in which the received signal and thus the sensor behavior can be evaluated in the simplest and at the same time precise manner.
  • a magnetic field sensor for detecting a magnetic field, comprising a mechanically oscillatable, magnetoelectric sensor element, which sensor element has at least a first layer made of a magnetostrictive material, a second layer made of a piezoelectric material, and at least one electrode made of an electrically conductive material, in particular metal.
  • the magnetic field sensor also includes electronics.
  • the magnetic field sensor in particular the electronics, are designed according to the invention to excite the sensor element to mechanical oscillations by means of an excitation signal, and to receive the mechanical oscillations of the sensor element and convert them into a received signal, to generate the excitation signal based on the received signal, and based on the received signal to Determine magnetic field related size.
  • the magnetic field or the variable related to the magnetic field is evaluated using the received signal, which is an electrical voltage signal.
  • the excitation signal in particular a frequency of the excitation signal, is generated directly using the received signal, in particular a frequency of the received signal.
  • the excitation signal can be generated in such a way that the sensor element oscillates at a predeterminable frequency, in particular a resonant frequency. In this way, the sensor element oscillates continuously at the definable frequency.
  • the sensor element can be produced, for example, by means of coating techniques that are known per se, with or without a predetermined substrate; for example, silicon technology processes can be used.
  • the sensor element is a MEMS sensor element, ie a micro-electro-mechanical (MEMS) system.
  • MEMS micro-electro-mechanical
  • a further configuration includes that the sensor element can be excited to form resonance vibrations. Resonant vibrations lead to an increase in the achievable measurement accuracy with regard to the detection of the magnetic field and are particularly energy-efficient.
  • the magnetic field sensor in particular the electronics, is designed to generate the excitation signal based on the received signal in such a way that there is a definable phase shift between the excitation signal and the received signal.
  • the sensor element is part of a feedback electrical oscillating circuit, by means of which the sensor element is excited to produce mechanical oscillations.
  • the oscillating circuit condition according to which the amplification factor is >1 and all phases occurring in the oscillating circuit are a multiple of 360°, must be fulfilled.
  • a certain phase shift between the excitation signal and the received signal must be guaranteed in order to excite and fulfill the resonant circuit condition.
  • phase shift that is to say a target value for the phase shift between the excitation signal and the received signal.
  • a wide variety of solutions, both analog and digital methods, have become known from the prior art, all of which can be used for the present invention.
  • the electronics in particular for setting the definable phase shift, include a phase control unit, in particular a phase control unit based on the principle of a lock-in amplifier, a phase shifter, a ring memory or a filter, in particular an adaptive filter with an adjustable center frequency.
  • a phase control unit in particular a phase control unit based on the principle of a lock-in amplifier, a phase shifter, a ring memory or a filter, in particular an adaptive filter with an adjustable center frequency.
  • a phase control unit in particular a phase control unit based on the principle of a lock-in amplifier, a phase shifter, a ring memory or a filter, in particular an adaptive filter with an adjustable center frequency.
  • the sensor element comprises at least one electrode, which is used in particular to pick up the received signal.
  • the electrode preferably extends over a large part or essentially completely along a surface of the piezoelectric element or the second layer.
  • the magnetic field sensor thus includes that the sensor element includes at least two electrically insulated electrodes which are applied in particular to the second layer in different areas.
  • the first electrode can be used to excite the oscillations and the second electrode can be used to detect the received signal
  • a further configuration of the magnetic field sensor includes the electronics being configured to alternately execute a first and a second operating mode.
  • the electronics are designed to excite the sensor element to mechanical vibrations by means of an excitation signal in the first operating mode, and to interrupt the excitation of the sensor element in the second operating mode, to receive the mechanical vibrations of the sensor element and convert them into a received signal, and based on the received signal to determine a variable related to the magnetic field and/or an attenuation, in particular an attenuation of the sensor element.
  • the two operating modes are preferably carried out periodically in alternation. In this case, the received signal is only evaluated during the second operating mode.
  • the quantity related to the magnetic field is magnetic flux density, magnetic susceptibility or magnetic permeability.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a sensor arrangement for determining and/or monitoring at least one process variable and/or characteristic variable of a medium in a container comprising a magnetic field sensor according to at least one of the described configurations.
  • the sensor arrangement in particular a detection device of the sensor arrangement, which includes the magnetic field sensor, is preferably designed to determine and/or monitor the process variable and/or characteristic variable using the variable related to the magnetic field.
  • the sensor arrangement advantageously includes a device for generating a magnetic field, in particular a static or periodic magnetic field, in the area of the magnetic field sensor and possibly also in the area of the medium.
  • a device for generating a magnetic field in particular a static or periodic magnetic field
  • the magnetic field sensor and/or the device for generating the magnetic field is arranged and/or designed in such a way that the magnetic field can be influenced depending on a value for the process variable and/or characteristic variable of the medium, and that the sensor arrangement is designed to determine and/or monitor the process variable and/or parameter based on the variable related to the magnetic field.
  • the sensor device is preferably arranged inside an inner volume of the container and the magnetic field sensor is arranged outside of the container.
  • a further configuration includes that the sensor arrangement comprises a sensor device, which sensor device is designed and/or arranged in such a way that at least one magnetic property of a component of the sensor device is dependent on the process variable and/or parameter and the magnetic field is the magnetic field -Device can be influenced by means of the sensor device depending on the process variable and/or parameter.
  • the process variable and/or characteristic variable of the medium is the temperature, the pressure, the conductivity or a flow rate of the medium.
  • Fig. 2 preferred configurations of an electronic system according to the invention
  • FIG 3 shows a preferred embodiment for a sensor arrangement according to the invention.
  • the sensor element 1 from FIG. 1a has a first layer 2 made of a piezoelectric material and a second layer 3 made of a magnetostrictive material, which are arranged one above the other and mechanically coupled to one another.
  • the sensor element 1 is constructed in the form of a layer structure, for example in the form of a MEMS component. In other configurations, further layers or, in addition, a substrate can be present.
  • an electrode 4 made of an electrically conductive material is applied along the surface O, which is used to detect a received signal from the sensor element 1 in the form of an electrical voltage.
  • a second electrode can be provided by either the second layer 3 of magnetostrictive material, since magnetostrictive materials are typically electrically conductive. Then the electrical voltage between the electrode 4 and the second layer 3 can be tapped.
  • the first electrode 4a being an excitation electrode and the second electrode 4b being a receiving electrode.
  • the two electrodes 4a and 4b are electrically isolated from one another and are applied in different areas of the surface O of the first layer 2 made of the piezoelectric material.
  • FIG. 2 shows various configurations for a magnetic field sensor 6 according to the invention with a magnetoelectric sensor element 1 and electronics 7 .
  • the sensor element 1 is excited to mechanical vibrations by means of the excitation signal A and the mechanical vibrations of the sensor element 1 are received and converted into a received signal E.
  • the electronics 7 shown schematically in FIG. 2a optionally includes an A/D and a D/A converter; however, other configurations can also have analog electronics 7 as their subject.
  • the electronics 7 include a unit 8, by means of which a predeterminable target phase shift DF between the excitation signal A and the received signal E can be set in order to be able to generate the excitation signal A starting from the received signal E.
  • the unit 8 can be, for example, a phase control unit, in particular a phase control unit based on the principle of a lock-in amplifier, a phase shifter, or a ring memory.
  • phase shift DF is set using an adaptive filter 8a.
  • the received signal E first runs through an analog/digital converter before it is fed to the adaptive filter 8a.
  • the filter characteristic of the adaptive filter is suitably set.
  • the filter characteristic can be set, for example, by a phase control unit 9, by means of which a center frequency f m of the adaptive filter 8a is controlled in such a way that between the excitation signal A and the received signal E the predeterminable Phase shift DF is present.
  • the phase control unit 9 in turn can be based on the principle of a lock-in amplifier, for example.
  • an adaptive filter 8a for setting the phase shift DF enables a setting independent of interference that occurs, such as external vibrations, and is therefore particularly robust, in particular with respect to external vibrations.
  • the magnetic field sensor 6 Before the excitation signal A is routed from the electronics 7 to the sensor element 1, it runs through a digital-to-analog converter.
  • the magnetic field sensor 6 includes an optional switching element 10 to enable a first and second operating mode to be carried out, with the sensor element 1 being excited to mechanical vibrations in the first operating mode (switching element 10 closed) and the excitation being interrupted in the second operating mode (switching element 10 open).
  • Fig. 3 relates to a preferred embodiment of a sensor arrangement 11 according to the invention for determining and/or monitoring a process variable and/or characteristic variable of a medium M in a container 12.
  • a sensor device 13 is inside the container 12 (here a container) and attached to the wall of the container 12.
  • the sensor device 13 includes a component 15 for which at least one magnetic property depends on the process variable and/or characteristic variable of the medium M, which is designed in the present case in the form of a thin, elongated element.
  • this component 15 can be an element made of a ferromagnetic or magnetostrictive material.
  • the component 15 is arranged on a carrier 14 . However, this is not absolutely necessary, which is why the carrier 14 is shown in broken lines.
  • the sensor arrangement 11 also includes a magnetic field device 16 for generating a magnetic field B in the area of the sensor device 13, at least a part of the medium M and in the area of a detection device 17, which includes a magnetic field sensor 6 according to the invention.
  • the magnetic field B thus penetrates the detection device 17, the sensor device 13 and the medium M.
  • the magnetic field B is influenced by the sensor device 13 or by the component 15, so that based on the detected or detected by the detection device 17 magnetic field B, or based on a detected or detected variable related to the magnetic field B, the process variable and/or characteristic variable of the medium M can be determined and/or monitored.

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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

Magnetfeldsensor und Sensoranordnung
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, weicher 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 W02020/253908A1 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 weicher 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 einerweiteren 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/oderzu 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
Fig. 1 : zwei mögliche Ausgestaltungen für ein magnetoelektrisches Sensorelement;
Fig. 2: bevorzugte Ausgestaltungen einer Elektronik eines erfindungsgemäßen
Magnetfeldsensors; und
Fig. 3 eine bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 sind zwei bevorzugte Ausgestaltungen für ein magnetoelektrisches Sensorelement 1 gezeigt. Das Sensorelement 1 aus Fig. 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 Fig. 1a gezeigt (jedoch nicht zwingend notwendig), und die elektrische Spannung zwischen den Elektroden 4 und 5 abzugreifen.
Im Gegensatz zu der in Fig. 1a gezeigten Ausgestaltung umfasst das Sensorelement 1 aus Fig.
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 Fig. 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 Fig. 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 DF 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 Fig. 2b. Bei dieser Variante wird die Phasenverschiebung DF mittels eines adaptiven Filters 8a eingestellt. Wie im Falle von Fig. 2a durchläuft das Empfangssignal E zuerst einen Analog-Digital Wandler, bevor es dem adaptiven Filter 8a zugeführt wird. Zur Einstellung der Phasenverschiebung DF 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 DF 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 DF 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).
Fig. 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 DF Phasenverschiebung

Claims

WO 2022/218646 PCT/EP2022/057316 Patentansprüche
1. Magnetfeldsensor (6) zur Detektion eines Magnetfelds (B), umfassend ein mechanisch schwingfähiges, magnetoelektrisches Sensorelement (1), welches Sensorelement (1) zumindest o eine erste Schicht (2) aus einem magnetostriktiven Material, o eine zweite Schicht (3) aus einem piezoelektrischen Material, und o 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 (DF) 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, WO 2022/218646 PCT/EP2022/057316 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/oderzu 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.
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