WO2010034560A1 - Induktiver leitfähigkeitssensor - Google Patents

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WO2010034560A1
WO2010034560A1 PCT/EP2009/060178 EP2009060178W WO2010034560A1 WO 2010034560 A1 WO2010034560 A1 WO 2010034560A1 EP 2009060178 W EP2009060178 W EP 2009060178W WO 2010034560 A1 WO2010034560 A1 WO 2010034560A1
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WO
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layer
circuit board
core material
printed circuit
layers
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/060178
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Eberheim
Marco VÖLKER
Original Assignee
Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+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+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg
Publication of WO2010034560A1 publication Critical patent/WO2010034560A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/023—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance where the material is placed in the field of a coil
    • G01N27/025—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance where the material is placed in the field of a coil a current being generated within the material by induction

Definitions

  • the present invention relates to an inductive conductivity sensor for determining the electrical conductivity of a liquid medium.
  • Inductive conductivity sensors for determining the electrical conductivity of a medium essentially comprise two annular coils surrounded by the medium, which enclose a through-opening for the medium.
  • the first ring coil serves as exciter coil
  • the second ring coil as receiver coil.
  • a current path is formed in the medium, which passes through the exciter coil and the receiver coil.
  • the current path forms a substantially ring-shaped electrically conductive path whose conductance is determined by the conductivity of the medium to be investigated. Therefore, in order to measure the conductivity, the toroidal coil assembly is inserted into the medium enough to form a current path around the excitation coil and the receiver coil.
  • the excitation coil When the excitation coil is charged with an AC signal, it generates a magnetic field which induces in the current path a current whose magnitude depends on the electrical conductivity of the medium, ideally proportional to the electrical conductivity of the medium.
  • This current which is also an alternating current, is measured inductively with the receiver coil.
  • the of the receiver coil as output Designa! supplied alternating current or a corresponding supplied from the receiver coil AC voltage is thus a measure of the electrical conductivity of the medium to be examined and serves as a measurement signal of the inductive conductivity sensor.
  • an inductive conductivity sensor comprises a transmitting device electrically connected to the exciting coil Feeding the coil with an alternating voltage and a receiving device electrically connected to the receiving coil for further processing of the output signal of the receiver coil as a measuring signal to the measuring electronics of the conductivity sensor. If necessary, the measuring electronics digitizes the measuring signal and uses a microcontroller to determine a conductivity reading from the measuring signal. The measuring signal or the conductivity measured value can be forwarded to a higher-order unit and / or output via a display unit.
  • Inductive conductivity sensors of this type are known, for example, from DE 198 51 146 A1, DE 41 16 468 A1, DE 10 2006 025 194 A1 and DE 10 2006 056 174 A1.
  • DE 10 2006 025 194 A1 describes an inductive conductivity sensor which is integrated in a multilayer printed circuit board.
  • This conductivity sensor comprises two ring coils integrated in the printed circuit board, the turns of which run through a multiplicity of first conductor sections running in a first plane of the printed circuit board, a plurality of second conductor sections running in a second plane of the printed circuit board, and a plurality of through-holes, which are the first Conductor sections with the second conductor sections connect, are formed.
  • the toroidal coils comprise a toroidal core disposed in a corresponding recess in the circuit board between the first and second planes in which the trace segments forming the coil winding are disposed.
  • a multilayer printed circuit board comprises a plurality of layers or layers stacked one above the other in a stacking direction, in which conductor tracks or conductor sections or other components can be arranged.
  • the object of the present invention is thus to provide an inductive conductivity sensor integrated in a multilayer printed circuit board which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • an inductive conductivity sensor integrated in a multilayer printed circuit board is to be specified with at least one toroidal coil in which the formation of eddy currents within the core is reduced.
  • an inductive conductivity sensor for measuring the electrical conductivity of a liquid medium, comprising a first annular coil which encloses a through opening which can be acted upon by the medium, for inducing a flow in the medium, and a second toroid enclosing the through hole for detecting a magnetic field generated by the current, wherein at least one of the toroidal coils has a plurality of first conductor portions extending in a first plane of a multilayer printed circuit board, and a plurality of second conductor portions arranged in one extend the second level of the printed circuit board, and a plurality of vias, which connect the first conductor portions with the secondêtabschn helpfulten, wherein the first conductor portions, the second conductor portions and the vias together form the turns of the at least one ring pin, and the at least one toroidal coil further comprises a toroidal core which comprises two or more core material layers, wherein the core material layers are each electrically insulated from one another by at least one electrically insul
  • statoroidal coil or “toroidal core” here and in the following designates a coil or a coil core with a closed magnetic path.
  • the magnetic path must be self-contained, or at least bridged by air gaps.
  • On the shape of the annular course is not important.
  • a circular ring is the simplest form, but also any other shapes are conceivable, such as ellipses, rectangles or other polygons.
  • Such a ring coil has a central axis, which in the case of a Kreisringpuie a rotational axis of symmetry.
  • the central axis passes through the center of the polygon or through a central point located within the ellipse between the ellipse focal points.
  • the toroidal core comprises a plurality of individual core material layers, which are each electrically insulated from each other by electrically insulating intermediate layers.
  • the electrically insulating intermediate layers preferably have a comparable or lower conductivity with ferrite. Ferrite has a conductivity of about 10 S / m.
  • the electrically non-conductive intermediate layers particularly preferably exhibit a typical conductivity of an insulator, for example a conductivity of the order of less than 10 -15 S / cm.
  • the electrically insulating intermediate layers may consist of one or more individual layers, in particular of several individual layers of different materials. consist.
  • Fig. 1 illustrates in a schematic representation of the operation of such a layered coil core.
  • Fig. 1 a is a section through a solid, isotropically conductive core 1 is shown.
  • the current direction I indicated by arrows symbolizes the current flowing in the coil winding.
  • a magnetic field is formed in the core 1. Due to the isotropic electrical conductivity of the core material eddy currents W are induced within the massive core, which lead to an undesirable weakening of the magnetic field in the core.
  • a section through a core 11, 21 is shown, which consists of a plurality of core material layers 13, 23 which are electrically isolated by electrically insulating intermediate layers 15, 25 against each other.
  • the insulating intermediate layers 15, 25 cause the core has an anisotropic conductivity, namely only parallel to the individual core material layers. In this way, the formation of eddy currents, which counteract the magnetic field induced by the current flow I in the coil winding, is substantially prevented.
  • the core material layers in the example of FIG. 1 b) extend in the stacking direction S of the conductor core, while in the example of FIG. 1 c) they extend perpendicular to the stacking direction S.
  • a certain minimum height of the toroidal core is to be accepted for manufacturing reasons.
  • Under the height of the ring core is its extension in the direction of the central axis of the Ringpuie or in Stapeicardi S of the circuit card to understand.
  • This minimum height is about 2 mm and is due to the fact that for the production of such a so-called ring band core, its use in conventional, i. not integrated into a printed circuit board, ring coils is known from the prior art, a tape is wound from the core material to a toroidal core whose height is determined by the width of the tape. This width can not be chosen arbitrarily low in the current core materials. Currently, no core material tapes are available under a width of 2 mm.
  • the core material layers and the insulating intermediate layer extend parallel to the layers of the multilayer printed circuit board.
  • the stacking direction S of the printed circuit board thus forms a normal to the core material layers and the at least one insulating intermediate layer.
  • the minimum height of the toroidal core is determined by the height, ie the layer thickness, of the individual core material layers. This can be selected in the order of a few microns.
  • Another advantage of this embodiment over an embodiment according to FIG. 1 b) is that when laminating a toroidal core to a printed circuit card layer the pressure exerted on the toroidal core during lamination can lead to the destruction of the toroidal core.
  • the pressure exerted on the toroidal core during lamination leads at most to damage of the outer layers, which only slightly affects the overall functionality of the toroidal coil.
  • the toroidal core is formed from 20 to 50 individual core material layers, wherein electrically insulating intermediate layers, which may be composed of one or more individual layers, are arranged between the core material layers.
  • the thickness of the core material layers is preferably between 20 and 200 microns, more preferably about 25 to 50 microns.
  • the core material layers comprise a material of high permeability, in particular having a permeability of more than 10,000, in particular an amorphous alloy or a polycrystalline or a nanocrystalline material, in particular with a particle size of less than 20 nm, based on metal.
  • the insulating intermediate layer comprises a formed on at least one surface of the core material layers
  • Oxide layer in particular a natural oxide layer of the core material.
  • the core material forms measures on the surface of the core material. This is particularly advantageous in terms of production since, in the case of a core material with a natural oxide layer, the core is formed by stacking the individual Core material layers can be produced without taking further measures for the insertion of insulating intermediate layers. If the core material has on its surface no or no natural oxide layer sufficiently thick to suppress eddy currents in a layered core, the oxide layer may also be artificially generated, for example by an electrochemical process.
  • the insulating intermediate layer comprises a layer of a plastic, in particular of Teflon or Kapton.
  • this plastic layer has a thickness between 5 and 25 microns.
  • the plastic layer can be configured as a plastic film which rests on an underlying core material layer and is optionally attached to the underlying core material layer, for example by gluing or laminating, or as a lacquer layer coated onto the underlying core material layer be.
  • the ring core is arranged in a recess in the circuit board between the first and the second level.
  • the toroidal core may be inserted into a recess during manufacture of the printed circuit board, e.g. by laminating or inserting or gluing.
  • the insulating intermediate layer comprises a layer of the multilayer printed circuit board.
  • the individual core material layers in this embodiment each applied directly to a printed circuit board layer, for example by lamination or gluing, and then optionally by etching in the desired shape, for example in a ring shape, can be brought.
  • the core material layers can also first by etching into the desired shape are brought, and then laminated or glued on the PCB map.
  • At least one first core material layer is applied to a partial surface of a first layer of the multilayer printed circuit board, and at least one second core material layer is aligned with the first core material layer on a partial surface of a second layer of the multilayer printed circuit board.
  • further Kemmaterial layers are applied in alignment on other layers of the multilayer printed circuit board with the first and the second core material layer.
  • the toroidal core thus preferably comprises a multiplicity of core material layers which, each aligned with the remaining core material layers of the toroidal core, are each applied to a layer of the multilayer printed circuit board.
  • only a single layer of the printed circuit board lies between the individual core material layers.
  • a layer of a filling material is also advantageously applied to a further partial area of those layers of the multilayer printed circuit board on which a core material layer is applied.
  • the filling material can in principle be chosen arbitrarily.
  • the filler material is identical to the material from which the layers of the printed circuit board are made, for example from a prepreg, a polyimide or an epoxide.
  • this filling material layer Due to the application of this filling material layer, a bulging of the printed circuit board layers due to the spatial concentration of the core material layers in a partial region of the printed circuit board and the associated height difference between the printed circuit board region in which the core runs and the other printed circuit board regions is avoided.
  • a particularly advantageous balance between the printed circuit board area in which the toroidal coil runs and the remaining printed circuit board areas outside the toroidal core is achieved in that the layer of the filler has substantially the same layer thickness as the core material layer applied to the same layer of the multilayer printed circuit board is like the layer from the Gremateriai.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a massive coil core
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a toroidal coil with a toroidal core formed from a plurality of mutually insulated core material layers
  • Fig. 3 is a schematic longitudinal sectional view of a
  • Ring coil assembly with two toroidal coils of Figure 2 in a conductivity sensor Ring coil assembly with two toroidal coils of Figure 2 in a conductivity sensor.
  • Fig. 4 is a schematic Lfitsmaledarsteliung a
  • Embodiment of the toroidal core in which the intermediate layers each comprise a conductor card layer a) without filler material layers b) with filler material layers; 5 is a diagram with simulation results of
  • Fig. 3 as a function of the conductivity of a liquid medium for measuring different types of toroidal cores.
  • FIG. 2 schematically shows a longitudinal section through an annular coil 207 integrated in a printed circuit board with a core material layer 223 insulated from one another according to the invention by means of intermediate layers 225.
  • the ring coil 207 includes a coil winding which encloses a through opening 209 in the circuit board 213.
  • the coil winding comprises first conductor sections 215 which extend on top of the uppermost layer relative to the stacking direction S of the printed circuit board, the so-called cover layer, of the printed circuit board.
  • an intermediate layer is arranged, which may itself comprise one or more printed circuit board layers.
  • the intermediate layer comprises a recess in which a coil core 221 is used for the ring coil 207 before the cover layer is joined to the intermediate layer.
  • the first conductor portions 215 and the second conductor portions 217 are contacted via vias 219 by the conductor card layers, so that the first conductor portions 215, the second conductor portions 217 and the vias 219 together form the coil winding of the toroidal coil 207 having a plurality of turns that wrap around wind the bobbin 221.
  • the bobbin 221 comprises a plurality of core material layers 223, for example of a highly permeable ( ⁇ > 10000), metal-based amorphous alloy or a meta-based nanocrystalline material having a grain size of less than 20 nm. Between the individual core material layers 225 are electrically insulating Intermediate layers 225 of a plastic, for example Kapton or Teflon, arranged, which preferably has an electrical conductivity of less than 10 "15 S / cm.
  • a plastic for example Kapton or Teflon
  • the annular gap 207 in the wettable region has a protective plastic layer 210, which preferably completely covers all surfaces of the annular coil 207 in the wettable region.
  • the loop of Fig. 2 can be made by methods of conventional printed circuit board manufacture, as described, for example, in O. Dezuari, S.E. Gilbert, E. Belloy, M.A.M. Gijs, "A new hybrid technology for planar microtransformer fabrication", Sensors and Actuators A 71 (1998), pp. 198-207.
  • the toroidal core 221 can be made in a presently preferred process by turning individual core material films into a desired one For example, by punching, laser cutting or by photochemical etching, a positive photoresist is applied on both sides of the film for photochemical etching of a core material film which has not yet been applied to a printed circuit board layer.
  • the individual core material foils brought into the desired shape are superimposed in a further production step, ie with one another aligned so that each foil forms a single core material layer of a toroidal core.
  • the plastic intermediate layers are introduced alternately between the individual core material films in alignment with the core material films.
  • the individual film layers can be superimposed without attaching them to each other, but they can also be firmly bonded together by gluing or laminating.
  • the core material used is a material having a natural or an artificial surface, for example by means of an electrochemical process, fabricated surface oxide layer.
  • the individual core material films can be brought into the desired shape for the toroidal core and stacked in alignment with one another without further intermediate layers and if necessary fixed to one another by gluing.
  • the insulating intermediate layers between the core material layers are formed by the natural or artificial oxide layer on the surface of the core material layers.
  • the natural or artificially produced oxide layers should have sufficient thickness to ensure the broadest possible suppression of the formation of eddy currents in the finished toroidal core. This thickness varies from core material to core material and depends essentially on the conductivity of the oxide layer.
  • FIG. 3 shows an annular coil arrangement 320 of an inductive conductivity sensor having a first annular groove 313 and a second annular groove 314, which are constructed in the manner shown in connection with FIG. 2, wherein the coils are arranged coaxially and axially one behind the other.
  • the ring coils 313, 314 include first and second conductor portions 315, 317, respectively Through-contacts 319 are contacted by printed circuit board layers of the printed circuit board 307 with each other to biases the coil turns of the first 313 and second annular coil 314, respectively.
  • the ring cores 321 and 322 of the ring coils 313 and 314 are, as described with reference to FIG.
  • a separating layer 331 which may comprise one or more individual layers, for example, Schirmungsiagen for decoupling of the coils.
  • the wettable area is, as also described in connection with FIG. 2, covered with a plastic protective layer 310.
  • the inductive conductivity sensor with a ring coil arrangement according to FIG. 3 furthermore comprises a transmitting device electrically connected to the ring coil 313 for supplying the ring coil 313 with an alternating voltage and a receiving device electrically connected to the ring coil 314 for forwarding the output signal of the receiver coil as a measuring signal! to the measuring electronics of the conductivity sensor.
  • a transmitting device electrically connected to the ring coil 313 for supplying the ring coil 313 with an alternating voltage
  • a receiving device electrically connected to the ring coil 314 for forwarding the output signal of the receiver coil as a measuring signal! to the measuring electronics of the conductivity sensor.
  • a longitudinal section through a multilayer printed circuit board 407 with three exemplary printed circuit board layers 433, 434 and 435 is shown schematically.
  • a core material layer 423 is arranged in each case.
  • the middle conductor card layer 434 itself forms an electrical one insulating intermediate layer between the Kemmateriai layers 423.
  • the core material layers 423 are aligned with each other on a Sectionfikiee of respect to the stacking direction S below the respective Kernmateriat layer 423 arranged conductor card layer 433 and 434 applied.
  • the coil core formed from the core material layers 423 and the core material layers 423 against each other electrically insulating conductor card layer 434 thus increases in a lateral direction, ie. in the direction perpendicular to the stacking direction of the printed circuit board, only a portion of the gap between the printed circuit board layers 433 and 434 or 434 and 435 a.
  • Fig. 4 b in the areas outside of the coil core between spaces between the Porterartartlagen 433 and 434 and the Porterartartlagen 434 and 435 are filled with layers of a filling material.
  • the base material of the printed circuit board, from which the printed circuit board layers 433, 434 and 435 are formed, is preferably used as filling material. This may be, for example, a prepreg.
  • the filler other substances such as an epoxy resin or a polyimide are suitable.
  • the filling material thus also forms in the regions outside the coil core a layer which preferably has approximately the same layer thickness as the respective core material layer 423 which is arranged on the same conductor card layer as the filler material layer.
  • the filler material shafts act as spacers between the printed circuit board layers 433, 434 and 435, so that a bulging of the printed circuit board layers is avoided.
  • FIG. 5 shows a graph of simulation results of the normalized output signal of a receiver coil in a conductivity sensor with a toroidal coil arrangement according to FIG. 3 as a function of the conductivity of a liquid measuring medium for different types of toroidal cores.
  • the abscissa and ordinate of this diagram have a logarithmic scale.
  • the course of the output signal of a conductivity sensor with ferrite coil cores (triangles) shows in the diagram a nearly linear course.
  • a conductivity of zero and a permeability ⁇ of 15000 were used.
  • a conductivity sensor indicates a laminated coil core of the same core material (circles) at least in conductivities of the measured medium above 10 "5 S / m an ideal (crosses) linear course, and also still has a higher signal intensity than the conductivity sensor with ferrite
  • the electrical conductivity of the nanocrystalline core material was set to 0.
  • a conductivity of 8-10 5 S was used / m assumed, wherein the individual core material layers are electrically completely isolated from each other.
  • a similar result as for the layered ring core is obtained for a ring band core from the same nanocrystalline material (diamonds).
  • the two ring coils of the conductivity sensor instead of coaxially axially one behind the other can also be arranged coaxially coplanar with a common central axis or coplanar side by side with parallel central axes.

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Abstract

Ein induktiver Leitfähigkeitssensor zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfasst eine erste Ringspule, welche eine mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, und eine zweite Ringspule, welche die durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den Strom erzeugten Magnetfelds, wobei mindestens eine der Ringspulen eine Vielzahl erster Leiterabschnitte aufweist, die in einer ersten Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte und die Durchkontaktierungen zusammen die Windungen der mindestens einen Ringspule ausbilden, wobei die mindestens eine Ringspule weiterhin einen Ringkern aufweist, welcher zwei oder mehr Kernmaterial-Lagen umfasst, wobei die Kernmaterial-Lagen jeweils durch mindestens eine elektrisch isolierende Zwischenschicht gegeneinander elektrisch isoliert sind.

Description

Induktiver Leitfähigkeitssensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums.
Induktive Leitfähigkeitssensoren zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums umfassen im Wesentlichen zwei vom Medium umgebene Ringspulen, die eine durchgehende Öffnung für das Medium umschließen. Die erste Ringspule dient als Erregerspuie, die zweite Ringspule als Empfängerspule. Durch Induktion bildet sich im Medium ein Strompfad aus, der die Erregerspule und die Empfängerspule durchsetzt. Der Strompfad bildet hierbei eine im Wesentlichen ringförmig geschlossene elektrisch leitende Strecke, deren Leitwert durch die Leitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums bestimmt ist. Um die Leitfähigkeit zu messen, wird die Ringspuienanordnung daher so weit in das Medium eingeführt, dass sich ein Strompfad um die Erregerspule und die Empfängerspule herum ausbilden kann. Wenn die Erregerspule mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das in dem Strompfad einen Strom induziert, dessen Größe von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums abhängig, im Idealfall zu der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums proportional, ist. Dieser Strom, der ebenfalls ein Wechselstrom ist, wird induktiv mit der Empfängerspule gemessen. Der von der Empfängerspule als Ausgabesigna! gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende von der Empfängerspule gelieferte Wechselspannung ist somit ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums und dient als Messsignal des induktiven Leitfähigkeitssensors.
Zur Beaufschlagung der Erregerspule mit einem solchen Wechselspannungssigna! umfasst ein induktiver Leitfähigkeitssensor eine mit der Erregerspulespule elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen der Spule mit einer Wechselspannung und eine mit der Empfängerspule elektrisch verbundene Empfangseinrichtung zur Weiterieitung des Ausgabesignals der Empfängerspule als Messsignal an die Messelektronik des Leitfähigkeitssensors. Die Messelektronik digitalisiert das Messsignal gegebenenfalls und ermittelt mittels eines Mikrocontrollers aus dem Messsignal einen Leitfähigkeitsmesswert. Das Messsignal oder der Leitfähigkeitsmesswert kann an eine übergeordnete Einheit weitergegeben und/oder über eine Anzeigeeinheit ausgegeben werden.
Induktive Leitfähigkeitssensoren dieser Art sind beispielsweise aus DE 198 51 146 A1 , DE 41 16 468 A1 , DE 10 2006 025 194 A1 sowie DE 10 2006 056 174 A1 bekannt.
In DE 10 2006 025 194 A1 ist ein induktiver Leitfähigkeitssensor beschrieben, der in eine mehrlagige Leiterkarte integriert ist. Dieser Leitfähigkeitssensor umfasst zwei in der Leiterkarte integrierte Ringspulen, deren Windungen durch eine Vielzahl erster Leiterabschnitte, die in einer ersten Ebene der Leiterkarte verlaufen, eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, gebildet werden. In einer Ausführungsform umfassen die Ringspulen einen Ringkern, der in einer entsprechenden Aussparung in der Leiterkarte zwischen der ersten und der zweiten Ebene, in denen die die Spuienwicklung bildenden Leiterbahnabschnitte verlaufen, angeordnet ist.
Eine mehrlagige Leiterkarte umfasst mehrere schichtweise in einer Stapelrichtung übereinander gestapelte Ebenen oder Lagen, in denen Leiterbahnen oder Leiterabschnitte oder sonstige Bauteile angeordnet sein können. Ein Vorteil dieser Art von Leitfähigkeitssensoren liegt darin, dass sie eine besonders geringe axiale Baulänge aufweisen. Weiterhin ermöglicht ein derartiger Spulenaufbau eine vereinfachte automatisierte Fertigung, die auf etablierten Verfahren der Leiterkartenherstellung basiert.
Die Fertigung eines derartigen Leitfähigkeitssensors mittels bekannter Techniken der Leiterkartenfertigung umfasst auch Laminierschritte bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von 25O0C. Ein herkömmlicher massiver Ferritkern erleidet bei der Fertigung, insbesondere bei den Laminierschritten, Schädigungen in Form von Rissen und Brüchen. Alternative Kernmaterialien sind Materialien auf metallischer Basis. Diese Materialien weisen jedoch eine elektrische Leitfähigkeit auf, was dazu führt, dass in einem massiven Spulenkern aus einem solchen Material die magnetische Flussdichte innerhalb des Kerns aufgrund der Ausbildung von Wirbelströmen stark reduziert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen in eine mehrlagige Leiterkarte integrierten induktiven Leitfähigkeitssensor bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll ein in eine mehrlagige Leiterkarte integrierter induktiver Leitfähigkeitssensor mit mindestens einer Ringkernspule angegeben werden, bei dem die Ausbildung von Wirbelströmen innerhalb des Kerns reduziert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend eine erste Ringspule, welche eine mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, und eine zweite Ringspule, welche die durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den Strom erzeugten Magnetfelds, wobei mindestens eine der Ringspulen eine Vielzahl erster Leiterabschnitte aufweist, die in einer ersten Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnätten verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte und die Durchkontaktierungen zusammen die Windungen der mindestens einen Ringspute ausbilden, und die mindestens eine Ringspule weiterhin einen Ringkern aufweist, welcher zwei oder mehr Kernmaterial-Lagen umfasst, wobei die Kernmaterial-Lagen jeweils durch mindestens eine elektrisch isolierende Zwischenschicht gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Der Begriff „Ringspule" bzw. „Ringkern" bezeichnet hier und im Folgenden eine Spule bzw. einen Spulenkern mit einem in sich geschlossenen magnetischen Pfad. Der magnetische Pfad muss in sich geschlossen oder zumindest durch Luftspalte überbrückt verlaufen. Auf die Gestalt des ringförmigen Verlaufs kommt es dabei nicht an. Ein Kreisring ist die einfachste Form, gleichermaßen sind aber auch beliebige andere Formen denkbar, wie beispielsweise Ellipsen, Rechtecke oder andere Polygone. Eine derartige Ringspule weist eine zentrale Achse auf, die im Fall einer Kreisringspuie eine Rotationssymmetrieachse ist. Falls die Ringspule oder der Ringkern keine Zylindersymmetrie aufweist, sondern beispielsweise als Ellipse oder als Polygon ausgestaltet ist, verläuft die zentrale Achse beispielsweise durch den Mittelpunkt des Polygons bzw. durch einen zentralen, zwischen den Ellipsenbrennpunkten lokalisierten Punkt innerhalb der Ellipse. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Ringkern eine Vielzahl von einzelnen Kernmaterial-Lagen, die jeweils durch elektrisch isolierende Zwischenschichten gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die elektrisch isolierenden Zwischenschichten weisen bevorzugt eine mit Ferrit vergleichbare oder geringere Leitfähigkeit auf. Ferrit hat eine Leitfähigkeit von etwa 10 S/m. Besonders bevorzugt weisen die nicht elektrisch leitfähigen Zwischenschichten eine typische Leitfähigkeit eines Isolators auf, beispielsweise eine Leitfähigkeit in einer Größenordnung von weniger als 10"15 S/cm. Die elektrisch isolierenden Zwischenschichten können aus einer oder mehreren Einzelschichten, insbesondere aus mehreren Einzelschichten aus unterschiedlichen Materialien, bestehen.
Fig. 1 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung die Wirkungsweise eines derartig aus Schichten aufgebauten Spulenkerns. In Fig. 1 a) ist ein Schnitt durch einen massiven, isotrop leitfähigen Kern 1 dargestellt. Die durch Pfeile angedeutete Stromrichtung I symbolisiert den in der Spulenwicklung fließenden Strom. Bei Stromfluss in der Spulenwicklung bildet sich im Kern 1 ein Magnetfeld aus. Aufgrund der isotropen elektrischen Leitfähigkeit des Kernmaterials werden innerhalb des massiven Kerns Wirbelströme W induziert, die zu einer unerwünschten Abschwächung des Magnetfelds im Kern führen.
In Fig. 1 b) und c) ist jeweils ein Schnitt durch einen Kern 11 , 21 dargestellt, der aus einer Vielzahl von Kernmaterial-Lagen 13, 23 besteht, die durch elektrisch isolierende Zwischenschichten 15, 25 jeweils gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die isolierenden Zwischenschichten 15, 25 bewirken, dass der Kern eine anisotrope Leitfähigkeit, nämlich nur parallel zu den einzelnen Kernmaterial-Lagen, aufweist. Auf diese Weise wird die Bildung von Wirbelströmen, die dem durch den Stromfluss I in der Spulenwicklung induzierten Magnetfeld entgegenwirken, im Wesentlichen unterbunden. Bei Verwendung der Kerne 11 , 21 in einem in eine Leiterkarte integrierten Leitfähigkeitssensor erstrecken sich die Kernmaterial-Lagen im Beispiel der Fig. 1 b) in Stapeirichtung S der Leiterkarle, während sie sich im Beispiel der Fig. 1 c) senkrecht zu Stapelrichtung S erstrecken.
Bei einer Orientierung der Kernmaterial-Lagen gemäß Fig. 1 b), also senkrecht zu den Lagen der mehrlagigen Leiterkarte, ist aus fertigungstechnischen Gründen eine gewisse Mindesthöhe des Ringkerns in Kauf zu nehmen. Unter der Höhe des Ringkerns ist seine Erstreckung in Richtung der zentralen Achse der Ringspuie bzw. in Stapeirichtung S der Leiterkarte zu verstehen. Diese Mindesthöhe beträgt ungefähr 2 mm und ist dadurch bedingt, dass zur Herstellung eines solchen so genannten Ringbandkerns, dessen Verwendung in herkömmlichen, d.h. nicht in eine Leiterkarte integrierte, Ringspulen aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein Band aus dem Kernmaterial zu einem Ringkern aufgewickelt wird, dessen Höhe durch die Breite des Bandes bestimmt wird. Diese Breite kann bei den gängigen Kernmaterialien nicht beliebig gering gewählt werden. Kommerziell sind derzeit keine Kemmaterial-Bänder unter einer Breite von 2 mm erhältlich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Kernmaterial- Lagen und die isolierende Zwischenschicht parallel zu den Lagen der mehrlagigen Leiterkarte. Die Stapelrichtung S der Leiterkarte bildet somit eine Normale zu den Kernmaterial-Lagen und der mindestens einen isolierenden Zwischenschicht. In dieser Ausgestaltung wird die Mindesthöhe des Ringkerns durch die Höhe, also die Schichtdicke, der einzelnen Kernmateriallagen bestimmt. Diese kann in der Größenordnung einiger μm gewählt werden. Ein weiterer Vorteii dieser Ausgestaltung gegenüber einer Ausgestaltung gemäß Fig. 1 b) besteht darin, dass beim Laminieren eines Ringbandkerns auf eine Leiterkartenlage der beim Laminieren auf den Ringkern ausgeübte Druck zur Zerstörung des Ringkerns führen kann. Bei einer Ausgestaltung nach Fig. 1 c) dagegen führt der beim Laminieren auf den Ringkern ausgeübte Druck allenfalls zu einer Beschädigung der äußeren Lagen, was die Gesamtfunktionalität der Ringspule nur wenig beeinträchtigt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform wird der Ringkern aus 20 bis 50 einzelnen Kernmaterial-Lagen gebildet, wobei zwischen den Kernmaterial-Lagen elektrisch isolierende Zwischenschichten, welche aus einer oder mehreren Einzelschichten zusammengesetzt sein können, angeordnet sind. Die Dicke der Kernmaterial-Lagen liegt vorzugsweise zwischen 20 und 200 μm, besonders bevorzugt bei etwa 25 bis 50 μm.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Kernmaterial-Lagen ein Material hoher Permeabilität, insbesondere mit einer Permeabilitätszahl von mehr als 10000, insbesondere eine amorphe Legierung oder ein polykristallines oder ein nanokristallines Material, insbesondere mit einer Korngröße von weniger a!s 20 nm, auf Metallbasis.
In einer Ausgestaltung umfasst die isolierende Zwischenschicht eine auf mindestens einer Oberfläche der Kernmaterial-Lagen ausgebildete
Oxidschicht, insbesondere eine natürliche Oxidschicht des Kernmaterials.
Unter einer natürlichen Oxidschicht ist eine Oxidschächt zu verstehen, die sich durch Reaktion mit dem Luftsauerstoff ohne weitere zusätzliche
Maßnahmen an der Oberfläche des Kernmaterials ausbildet. Dies ist insbesondere fertigungstechnisch von Vorteil, da bei einem Kernmaterial mit natürlicher Oxidschicht der Kern durch Stapeln der einzelnen Kernmaterial-Lagen hergestellt werden kann, ohne weitere Maßnahmen zur Einfügung von isolierenden Zwischenschichten zu treffen. Falls das Kernmaterial an seiner Oberfläche keine oder keine zur Unterbindung von Wirbelströmen in einem geschichteten Kern ausreichend dicke natürliche Oxidschicht aufweist, kann die Oxidschicht auch künstlich erzeugt werden, beispielsweise durch ein elektrochemisches Verfahren.
in einer weiteren Ausgestaltung umfasst die isolierende Zwischenschicht eine Lage aus einem Kunststoff, insbesondere aus Teflon oder Kapton. Vorteilhafterweise weist diese Kunststoff-Lage eine Dicke zwischen 5 und 25 μm auf. Die Kunststoff-Lage kann als Kunststoff-Folie, die auf einer darunterliegenden Kernmaterial-Lage aufliegt und optional an der darunterliegenden Kernmaterial-Lage befestigt ist, beispielsweise durch Kleben oder Laminieren, oder als Lackierschicht, die auf die darunterliegende Kernmaterial-Lage auflackiert ist, ausgestaltet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ringkern in einer Aussparung in der Leiterkarte zwischen der ersten und der zweiten Ebene angeordnet. Der Ringkern kann bei der Fertigung der Leiterkarte in eine Aussparung eingebracht werden, z.B. durch einiaminieren oder einlegen oder einkleben.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die isolierende Zwischenschicht eine Lage der mehrlagigen Leiterkarte. Dies ist eine fertigungstechnisch besonders günstige Variante, da die einzelnen Kernmaterial-Lagen bei dieser Ausgestaltung jeweils direkt auf eine Leiterkartenlage aufgebracht, beispielsweise durch Laminieren oder Kleben, und danach gegebenenfalls durch Ätzen in die gewünschte Form, z.B. in eine Ringform, gebracht werden können. In einem alternativen Fertigungsverfahren können die Kernmaterial-Lagen auch zunächst durch Ätzen in die gewünschte Form gebracht werden, und danach auf die Leiterkartenlage auflaminiert oder aufgeklebt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist mindestens eine erste Kernmateriai-Lage auf einer Teilfläche einer ersten Lage der mehrlagigen Leiterkarte aufgebracht, und mindestens eine zweite Kernmateria!-Lage mit der ersten Kernmaterial-Lage fluchtend auf einer Teilfläche einer zweiten Lage der mehrlagigen Leiterkarte aufgebracht. Vorzugsweise sind dabei weitere Kemmaterial-Lagen auf weiteren Lagen der mehrlagigen Leiterkarte mit der ersten und der zweiten Kernmaterial- Lage fluchtend aufgebracht sind. Bevorzugt umfasst der Ringkern nach dieser Weiterbildung also eine Vielzahl von Kernmaterial-Lagen, die, jeweils mit den übrigen Kernmaterial-Lagen des Ringkerns fluchtend, jeweils auf einer Lage der mehrlagigen Leiterkarte aufgebracht sind. Bevorzugt liegt zwischen den einzelnen Kernmaterial-Lagen jeweils nur eine einzige Lage der Leiterkarte.
Dabei ist weiterhin vorteilhafterweise auf einer weiteren Teilfläche derjenigen Lagen der mehrlagigen Leiterkarte, auf denen eine Kernmaterial-Lage aufgebracht ist, eine Schicht aus einem Füllmaterial aufgebracht. Das Füilmaterial kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Vorteilhafterweise ist das Füllmaterial identisch mit dem Material aus dem die Lagen der Leiterkarte bestehen, beispielsweise aus einem Prepreg, einem Polyimid oder einem Epoxid.
Durch das Aufbringen dieser Füllmaterial-Schicht wird eine Aufwölbung der Leiterkartenlagen aufgrund der räumlichen Konzentration der Kernmaterial-Lagen in einem Teilbereich der Leiterkarte und dem damit einhergehenden Höhenunterschied zwischen dem Leiterkartenbereich, in dem der Rängkern verläuft, und den übrigen Leiterkartenbereichen vermieden. Ein besonders vorteilhafter Ausgleich zwischen dem Leiterkartenbereich, in dem die Ringkernspule verläuft, und den übrigen Leiterkartenbereichen außerhalb der Ringkernspuie wird erreicht, indem die Schicht aus dem Füllmaterial im Wesentlichen die gleiche Schichtdicke aufweist wie die Kernmaterial-Lage, die auf derselben Lage der mehrlagigen Leiterkarte aufgebracht ist wie die Schicht aus dem Füllmateriai.
Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines massiven Spulenkerns
(a) im Vergleich zu einem mehrere durch isolierende Zwischenschichten gegeneinander isolierte Kernmaterial- Lagen umfassenden Spulenkern (b), (c);
Fig. 2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer Ringspule mit einem aus mehreren gegeneinander isolierten Kernmaterial-Lagen gebildeten Ringkern;
Fig. 3 eine schematische Längsschnittdarstellung einer
Ringspulenanordnung mit zwei Ringspulen gemäß Fig. 2 in einem Leitfähigkeitssensor;
Fig. 4 eine schematische Längsschnittdarsteliung einer
Ausgestaltung des Ringkerns, bei der die Zwischenschichten jeweils eine Leiterkartenlage umfassen a) ohne Füllmaterial-Schichten b) mit Fülimaterial-Schichten; Fig. 5 ein Diagramm mit Simulationsergebnissen des
Ausgabesignals einer Empfängerspule in einem induktiven
Leitfähigkeitssensor mit einer Ringspulenanordnung gemäß
Fig. 3 als Funktion der Leitfähigkeit eines flüssigen Messmediums für verschiedene Arten von Ringkernen.
in Fig. 2 ist schematisch ein Längsschnitt durch eine in einer Leiterkarte integrierte Ringspule 207 mit einem erfindungsgemäß aus mittels Zwischenschichten 225 gegeneinander isolierten Kernmaterial-Lagen 223 dargestellt. Die Ringspule 207 umfasst eine Spulenwicklung, welche eine durchgehende Öffnung 209 in der Leiterkarte 213 einschließt. Die Spulenwicklung umfasst erste Leiterabschnitte 215, die auf der Oberseite der bezüglich der Stapeirichtung S der Leiterkarte obersten Lage, der so genannten Decklage, der Leiterkarte verlaufen. Zwischen der bezüglich der Stapeirichtung S untersten Lage der Leiterkarte, der so genannten Basislage, und der Decklage ist eine Zwischenlage angeordnet, die selbst eine oder mehrere Leiterkartenlagen umfassen kann. Die Zwischenlage umfasst eine Aussparung, in der ein Spulenkern 221 für die Ringspule 207 eingesetzt wird, bevor die Deckiage mit der Zwischenlage gefügt wird. Die ersten Leiterabschnitte 215 und die zweiten Leiterabschnitte 217 werden über Durchkontaktierungen 219 durch die Leiterkartenlagen miteinander kontaktiert, so dass die ersten Leiterabschnitte 215, die zweiten Leiterabschnitte 217 und die Durchkontaktierungen 219 zusammen die Spulenwäcklung der Ringspule 207 mit einer Vielzahl von Windungen bilden, die sich um den Spulenkern 221 winden.
Der Spulenkern 221 umfasst eine Vielzahl von Kernmaterial-Lagen 223, beispielsweise aus einer hochpermeablen (μ>10000), amorphen Legierung auf Metallbasis oder einem nanokristallinen Material mit einer Korngröße von weniger als 20 nm auf Metaübasis. Zwischen den einzelnen Kernmaterial-Lagen 225 sind elektrisch isolierende Zwischenschichten 225 aus einem Kunststoff, beispieisweise aus Kapton oder aus Teflon, angeordnet, der bevorzugt eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10"15S/cm aufweist.
Zum Schutz gegen aggressive Messmedien weist die Ringspuie 207 im benetzbaren Bereich eine Kunststoffschutzschicht 210 auf, welche vorzugsweise sämtliche Oberflächen der Ringspule 207 im benetzbaren Bereich vollständig überdeckt.
Die Ringspuie gemäß Fig. 2 kann mit Verfahren der konventionellen Leiterkartenfertigung hergestellt werden, wie beispielsweise in O. Dezuari, S.E. Gilbert, E. Belloy, M.A.M. Gijs, „A new hybrid technology for planar microtransformer fabrication", Sensors and Actuators A 71 (1998), S. 198- 207, beschrieben. Der Ringkern 221 kann in einem derzeit bevorzugten Verfahren hergestellt werden, indem einzelne Kernmaterial-Folien in eine gewünschte Form der späteren Kernmaterial-Lage, beispielsweise in eine Kreisrtngform, gebracht werden, beispielsweise durch Ausstanzen, Laserschneiden oder durch photochemisches Ätzen. Zum photochemischen Ätzen einer noch nicht auf eine Leiterkarten-Lage aufgebrachten Kernmaterial-Folie wird auf die Folie beidseitig ein positiver Photoresist aufgebracht. Danach wird nur eine der mit Photoresist beschichteten Flächen belichtet, während die andere beschichtete Fläche der Kernmateriai-Folie unbelichtet bleibt. Nach dem Entwickeln liegt dann die entsprechend in die gewünschte Form der späteren Kemmaterial-Lage gebrachte Folie auf der nun als Trägermaterial dienenden un belichteten Photoresist-Schicht vor. In einem weiteren Schritt wird der gesamte übrige Photoresist entfernt, so dass nur die Kernmateriai-Folie in ihrer Endform übrig bleibt.
Die einzelnen in die gewünschte Form gebrachten Kernmaterial-Foiien werden in einem weiteren Fertigungsschritt übereinander, d.h. miteinander fluchtend, angeordnet, so dass jede Folie eine einzelne Kernmateräal-Lage eines Ringkerns bildet. Die Ku nststoff-Zwischen lagen werden alternierend zwischen den einzelnen Kernmaterial-Folien mit den Kernmaterial-Folien fluchtend eingebracht. Die einzelnen Folien-Lagen können übereinandergelegt werden, ohne sie aneinander zu befestigen, sie können aber auch durch Verkleben oder Laminieren miteinander fest verbunden werden.
In einer alternativen Ausgestaltung wird als Kernmaterial ein Material mit einer natürlichen oder einer auf künstlichem Wege, beispielsweise mitteis eines elektrochemischen Verfahrens, hergesteliten Oberflächen- Oxidschicht verwendet. In diesem Fall können die einzelnen Kernmaterial- Folien wie zuvor beschrieben in die gewünschte Form für den Ringkern gebracht und ohne weitere Zwischenlagen miteinander fluchtend übereinander gestapelt und gegebenenfalls durch Kleben aneinander fixiert werden. In dieser Ausgestaltung werden die isolierenden Zwischenschichten zwischen den Kernmateriai-Lagen also durch die natürliche oder künstliche Oxidschicht an der Oberfläche der Kernmaterial-Lagen gebildet. Dabei sollten die natürlichen oder künstlich erzeugten Oxidschichten eine ausreichende Dicke aufweisen, um eine möglichst umfassende Unterdrückung der Ausbildung von Wirbelströmen im fertigen Ringkern zu gewährleisten. Diese Dicke variiert von Kernmaterial zu Kernmaterial und hängt im Wesentlichen von der Leitfähigkeit der Oxidschicht ab.
Fig. 3 zeigt eine Ringspulenanordnung 320 eines induktiven Leitfähigkeitssensors mit einer ersten Ringspuie 313 und einer zweiten Ringspuie 314, die entsprechend der im Zusammenhang mit Fig. 2 gezeigten Weise aufgebaut sind, wobei die Spulen koaxial und axial hintereinander angeordnet sind. Die Ringspulen 313, 314 umfassen jeweils erste und zweite Leiterabschnitte 315, 317, die über Durchkontaktierungen 319 durch Leiterkartenlagen der Leiterkarte 307 miteinander kontaktiert sind, um jeweils die Spulenwindungen der ersten 313 bzw. zweiten Ringspule 314 zu biiden. Die Ringkerne 321 und 322 der Ringspulen 313 und 314 sind, wie anhand von Fig. 2 beschrieben, aus einer Vielzahl von Kernmaterial-Lagen 323 aufgebaut, die durch elektrisch isolierende Zwischenschichten 325 jeweils gegeneinander isoliert sind. Zwischen den Ringspulen kann weiterhin eine Trennlage 331 verlaufen, die eine oder mehrere Einzelschichten umfassen kann, beispielsweise auch Schirmungsiagen zur Entkopplung der Spulen. Der benetzbare Bereich ist, wie auch im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, mit einer Kunststoffschutzschicht 310 überzogen.
Der induktive Leitfähigkeitssensor mit einer Ringspulenanordnung gemäß Fig. 3 umfasst weiterhin eine mit der Ringspule 313 elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen der Ringspule 313 mit einer Wechselspannung und eine mit der Ringspule 314 elektrisch verbundene Empfangseinrichtung zur Weiterleitung des Ausgabesignals der Empfängerspule als Messsigna! an die Messelektronik des Leitfähigkeitssensors. Diese können entweder ebenfalls in der Leiterkarte 307 integriert oder außerhalb der Leiterkarte 307 in einem Gehäuse des induktiven Leitfähigkeitssensors angeordnet sein.
In Fig. 4 ist zur Veranschaulichung eines weiteren Ausfϋhrungsbeispiels der Erfindung schematisch ein Längsschnitt durch eine mehrlagige Leiterkarte 407 mit drei exemplarischen Leiterkartenlagen 433, 434 und 435 gezeigt. Zwischen der bezüglich der Stapelrichtung S der Leiterkarte untersten Leiterkartenlage 433 und der mittleren Leiterkartenlage 434 sowie zwischen der mittleren Leiterkartenlage 434 und der bezüglich der Stapelrichtung S der Leiterkarte obersten Leiterkartenlage 435 ist jeweils eine Kernmateriai-Lage 423 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel bildet somit die mittlere Leiterkartenlage 434 selbst eine elektrisch isolierende Zwischenschicht zwischen den Kemmateriai-Lagen 423. Die Kernmaterial-Lagen 423 sind miteinander fluchtend jeweils auf einer Teilfiäche der bezüglich der Stapel richtung S unterhalb der jeweiligen Kernmateriat-Lage 423 angeordneten Leiterkartenlage 433 bzw. 434 aufgebracht.
Der aus den Kernmaterial-Lagen 423 und der die Kemmaterial-Lagen 423 gegeneinander elektrisch isolierenden Leiterkartenlage 434 gebildete Spulenkern (die den Kern umgebenden Spuienwindungen sind in Fig. 4 nicht dargestellt) nimmt also in lateraler Richtung, d.h. in senkrechter Richtung zur Stapelrichtung der Leiterkarte, nur einen Teilbereich des Zwischenraums zwischen den Leiterkartenlagen 433 und 434 bzw. 434 und 435 ein.
Sind in dem außerhalb der Kernmaterial-Lagen 423 liegenden Teilbereich dieser Zwischenräume, keine wetteren Elemente, wie z.B. Leiterbahnen oder ähnliches, vorgesehen, kommt es, wie in Fig. 4 a) dargestellt, zu einer Aufwölbung der Leiterkartenlagen 434 und 435 in diesem Teilbereich, die umso stärker ausfällt, je mehr Kernmaterial-Lagen und Leiterkartenlagen zur Bildung des Spulenkerns vorgesehen sind. Bei einer Dicke der Kernmaterial-Lagen von jeweils 25 μm beträgt der Höhenunterschied zwischen dem Bereich der Leiterkarte 407, den der Spulenkern einnimmt, und dem den Spulenkern umgebenden Bereich ca. 25 μm, so dass beispielsweise bei 24 Kernmaterial-Lagen insgesamt ein Höhenunterschied von 0,6 mm auftritt. Dies führt zu einer derart starken Aufwölbung der äußersten Leiterkartenlagen, dass das Aufbringen von Leiterbahnen auf diese Leiterkartenlagen zur Ausbildung der Spulenwindungen wesentlich erschwert oder sogar nahezu unmöglich wird. Es ist deshalb von Vorteil, wie in Fig. 4 b) dargestellt, in den Bereichen außerhalb des Spulenkerns Zwischenräume zwischen den Leiterkartenlagen 433 und 434 bzw. den Leiterkartenlagen 434 und 435 mit Schichten aus einem Füllmaterial aufgefüllt werden. Vorzugsweise wird dabei als Füllmaterial das Basismaterial der Leiterkarte verwendet, aus dem auch die Leiterkartenlagen 433, 434 und 435 gebildet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Prepreg handeln. Gleichermaßen sind als Füllmaterial andere Substanzen, wie beispielsweise ein Expoxidharz oder ein Polyimid geeignet. Das Füllmaterial bildet so in den Bereichen außerhalb des Spulenkerns ebenfalls eine Schicht, die vorzugsweise etwa die gleiche Schichtdicke aufweist wie die jeweilige Kernmaterial-Lage 423, die auf der gleichen Leiterkarteniage angeordnet ist wie die Füllmaterial- Schicht. Damit wirken die Füllmaterial-Schächten als Abstandhalter zwischen den Leiterkartenlagen 433, 434 und 435, so dass eine Aufwölbung der Leiterkartenlagen vermieden wird.
In Fig. 5 ist ein Diagramm mit Simulationsergebnissen des normierten Ausgabesignals einer Empfängerspule in einem Leitfähigkeitssensor mit einer Ringspulenanordnung gemäß Fig. 3 als Funktion der Leitfähigkeit eines flüssigen Messmediums für verschiedene Arten von Ringkernen gezeigt. Abszisse und Ordinate dieses Diagramms tragen eine logarithmische Skala. Der Verlauf des Ausgabesignals eines Leitfähigkeitssensors mit Ferrit-Spulenkernen (Dreiecke) zeigt im Diagramm einen nahezu linearen Verlauf. In der Simulation wurde dabei eine Leitfähigkeit von Null und eine Permeabiiitätszahl μ von 15000 angesetzt. Vergleicht man damit den Verlauf des Ausgabesignals eines Leitfähigkeitssensors mit einem massiven Ringkern aus einem elektrisch leitfähigen hochpermeablen nanokristallinen Kernmaterial (Quadrate) mit einer Leitfähigkeit von 8'105 S/m und einer Permeabiiitätszahl μ von 80000, ist zum einen eine deutliche Verringerung der Signalintensität, zum anderen auch eine starke Abweichung vom linearen Verlauf als Funktion der Leitfähigkeit des Messmediums, insbesondere bei Medien mit einer Leitfähigkeit unterhalb von 10"5 S/m erkennbar. Beides ist durch das eingangs beschriebene Auftreten von Wirbelströmen innerhalb des massiven Spulenkerns verursacht.
Im Gegensatz dazu zeigt ein Leitfähigkeitssensor mit einem geschichteten Spulenkern aus demselben Kernmaterial (Kreise) zumindest bei Leitfähigkeiten des Messmediums oberhalb von 10"5 S/m einen idealen (Kreuze) linearen Verlauf, und weist zudem noch eine höhere Signalintensität auf als der Leitfähigkeitssensor mit Ferrit-Spulenkernen. Für die Simulation des idealen Verlaufs des normierten Ausgangssignals als Funktion der Leitfähigkeit wurde eine elektrische Leitfähigkeit des nanokristallinen Kernmaterials von Null angesetzt. Für die Simulation der „realen" Ringkerne (Kreise und Rauten) wurde dagegen eine Leitfähigkeit von 8-105 S/m angenommen, wobei die einzelnen Kernmaterial-Lagen elektrisch vollständig gegeneinander isoliert sind. Ein ähnliches Ergebnis wie für den geschichteten Ringkern erhält man für einen Ringbandkern aus demselben nanokristallinen Material (Rauten).
Neben den vorstehend gezeigten Ausführungsbeispielen sind auch andere Ausführungsbeispiele der Erfindung denkbar. Beispielsweise können die beiden Ringspulen des Leitfähigkeitssensors statt koaxial axial hintereinander auch koaxial koplanar mit einer gemeinsamen zentralen Achse oder koplanar nebeneinander mit parallelen zentralen Achsen angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Induktiver Leitfähigkeitssensor zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend eine erste Ringspule (313), welche eine mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung (309) umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, und eine zweite Ringspule (314), welche die durchgehende Öffnung (309) umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds, wobei mindestens eine der Ringspulen (313, 314) eine Vielzahl erster Leiterabschnitte (315) aufweist, die in einer ersten Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte (307) verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte (317), die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte (307) verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (319), welche die ersten Leiterabschnitte (315) mit den zweiten Leiterabschnitten (317) verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte (315), die zweiten Leiterabschnitte (317) und die Durchkontaktierungen (319) zusammen die Windungen der mindestens einen Ringspule (313, 314) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ringspule (313, 314) weiterhin einen Ringkern (321 ) aufweist, welcher zwei oder mehr Kernmaterial-Lagen umfasst, wobei die Kernmaterial-Lagen (323) jeweils gegeneinander durch mindestens eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (325) elektrisch isoliert sind.
2. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1 , wobei sich die Kernmateriai-Lagen (323) und die isolierende Zwischenschicht (325) parallel zu den Lagen der mehrlagigen Leiterkarte erstrecken.
3. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kernmaterial-Lagen (323) ein Material hoher Permeabilität, insbesondere mit einer Permeabilitätszahl von mehr a!s 10000 umfassen, insbesondere eine amorphe Legierung oder ein nanokristallines Material, insbesondere mit einer Korngröße von weniger als 20 nm, auf Metallbasis oder ein polykristallines Material auf Metallbasis.
4. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die isolierende Zwischenschicht (325) eine an mindestens einer
Oberfläche einer Kernmaterial-Lage (323) ausgebildete Oxidschicht umfasst.
5. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Zwischenschicht (325) mindestens eine Lage aus einem isolierenden Kunststoff, insbesondere aus Teflon oder Kapton, umfasst.
6. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ringkern (321 ) in einer Aussparung in der Leiterkarte (307) zwischen der ersten und der zweiten Ebene angeordnet ist.
7. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die isolierende Zwischenschicht eine Lage (434) der mehrlagigen Leiterkarte (407) umfasst.
8. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 7, wobei mindestens eine erste Kernmaterial-Lage (423) auf einer Teilfläche einer ersten Lage (433) der mehrlagigen Leiterkarte (407) aufgebracht ist, und mindestens eine zweite Kernmaterial-Lage (423) mit der ersten Kernmaterial-Lage (423) fluchtend auf einer Teilfläche einer zweiten Lage (434) der mehrlagigen Leiterkarte (407) aufgebracht ist.
9. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 8, wobei weitere Kemmaterial-Lagen (423) auf weiteren Lagen der mehrlagigen Leiterkarte (407) mit der ersten und der zweiten Kernmaterial-Lage fluchtend aufgebracht sind.
10. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Kernmaterial-Lagen (423) auf die Lagen (433, 434) der mehrlagigen Leiterkarte (407) aufgelegt, aufgepresst, auflaminiert oder aufgeklebt sind.
11. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei auf einer weiteren Teilfläche mindestens einer der Lagen (433, 434) der mehrlagigen Leiterkarte (407), auf der eine Kernmateriai-Lage (423) aufgebracht ist, eine Schicht (437) aus einem Fülimaterial, insbesondere aus dem Material der mehrlagigen Leiterkarte (407), aufgebracht ist.
12. Induktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 11 , wobei Schicht (437) aus einem Füllmaterial im Wesentlichen die gleiche Schichtdicke aufweist wie die Kernmaterial-Lage (423), die auf derselben Lage (433, 434) der mehrlagigen Leiterkarte (407) aufgebracht ist.
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