WO2013087281A2 - Metallsensor - Google Patents

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WO2013087281A2
WO2013087281A2 PCT/EP2012/071460 EP2012071460W WO2013087281A2 WO 2013087281 A2 WO2013087281 A2 WO 2013087281A2 EP 2012071460 W EP2012071460 W EP 2012071460W WO 2013087281 A2 WO2013087281 A2 WO 2013087281A2
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WO
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coil
metal sensor
contact
layer
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/071460
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English (en)
French (fr)
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WO2013087281A3 (de
Inventor
Tobias Zibold
Dorothea STURTZ
Oliver Grossmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2013087281A2 publication Critical patent/WO2013087281A2/de
Publication of WO2013087281A3 publication Critical patent/WO2013087281A3/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/104—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils
    • G01V3/105—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils forming directly coupled primary and secondary coils or loops
    • G01V3/107—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils forming directly coupled primary and secondary coils or loops using compensating coil or loop arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/15—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for use during transport, e.g. by a person, vehicle or boat
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
    • H01F5/003—Printed circuit coils

Definitions

  • the invention relates to a metal sensor according to claim 1.
  • the prior art discloses metal sensors for finding magnetizable, for example metallic, objects in walls, floors or in the ground, which have coils for exciting magnetic fields and for measuring changes in the magnetic flux. Objects are detected by the fact that the measured flux changes differ, depending on whether an object is present or not.
  • the measured flux change is partly a direct consequence of the exciting magnetic field, and partly the consequence of the magnetic field emanating from the object.
  • the magnetic field emanating from the object is usually a consequence of the exciting magnetic field.
  • Magnetic field sensors such as AMR and GMR sensors, have a limited linear measurement range, ie if the magnetic fields are too large, they become saturated or do not work at all.
  • metallic / magnetizable objects are to be detected at long distances (10-20 cm)
  • the unpublished patent application with the file number DE 10 2010 043 078.1 describes a metal sensor having two coils for generating a primary field and a compensation field, which compensate each other at the location of a magnetic field sensor of the metal sensor, if no magnetizable object in the vicinity of the metal sensor located.
  • the presence of a magnetizable object causes a non-vanishing magnetic field at the location of the magnetic field sensor.
  • the object of the present invention is to provide a metal sensor with a multilayer coil system. This object is achieved by a metal sensor having the features of claim 1. Preferred further developments are specified in the dependent claims.
  • a metal sensor according to the invention comprises a first carrier substrate, a second carrier substrate, a first coil, a second coil and a magnetic field sensor.
  • the carrier substrates are formed as thin layers and arranged in a stack.
  • the first coil comprises a first section and a second section.
  • the second coil comprises a third section and a fourth section.
  • the first portion and the third portion are arranged on the first carrier substrate, while the second portion and the fourth portion are arranged on the second carrier substrate.
  • sufficiently large magnetic fields can be achieved by dividing the coils in sections arranged on different carrier substrates even with coils having small diameters and low numbers of turns on the individual carrier substrates.
  • the structure of the metal sensor of carrier substrates in comparison to wound coils facilitates compliance with required manufacturing tolerances.
  • Another advantage is that the magnetic field sensor can be integrated directly into the multi-layer coil structure. It is also advantageous that the metal sensor can be manufactured separately as a closed module and then integrated into any device.
  • the carrier substrates are formed as a printed circuit board carrier material, wherein the portions of the coils are arranged as conductive structures on the printed circuit board carrier material.
  • the coils can then be designed as print coils.
  • the carrier substrates have conductive plated-through holes, which conductively connect the first section to the second section and the third section to connect to the fourth section.
  • the plated-through holes allow a space-saving design of the metal sensor.
  • the first coil and the second coil can be energized such that a first magnetic field is generated, wherein a component of the first magnetic field in a direction perpendicular to the plane of the carrier substrate at the location of the magnetic field sensor approximately disappears, if no magnetizable object in the Environment of the metal sensor is located.
  • a favorable signal-to-noise ratio of the signal supplied by the magnetic field sensor results in a high dynamics of the signal supplied by the magnetic field sensor.
  • the first coil and the second coil are arranged concentrically.
  • this results in a symmetrical field line course of the magnetic fields excited by the coils in two spatial directions.
  • the magnetic field sensor is arranged in a direction perpendicular to the plane of the first carrier substrate centrally between an upper side of the stack and a lower side of the stack.
  • the magnetic fields excited by the first coil and the second coil then compensate each other at the location of the magnetic field sensor if there is no magnetizable object in the vicinity of the metal sensor.
  • the first carrier substrate has a recess, wherein the magnetic field sensor is arranged in the recess.
  • the metal sensor comprises a further carrier substrate, wherein the first coil and the second coil comprise further sections, which are arranged on the further carrier substrate.
  • the metal sensor comprises a further carrier substrate, wherein the first coil and the second coil comprise further sections, which are arranged on the further carrier substrate.
  • the stack comprises a plurality of further carrier substrates with further coil sections.
  • the field strengths of the magnetic fields which can be excited by the first coil and the second coil can thereby be multiplied.
  • the stack comprises a plurality of further carrier substrates with further coil sections, wherein the further carrier substrates form a periodically repeating structure within the stack.
  • the magnetic field strength that can be excited by the metal sensor can then be simply scaled by a repetition of the periodic structure.
  • the first coil and the second coil are connected in series.
  • this ensures that the first coil and the second coil are always flowed through by the same electric current regardless of external influences.
  • Figures 1 to 8 are schematic representations of individual layers of a metal sensor;
  • Fig. 9 is a schematic sectional view of the assembled into a stack
  • FIG. 10 shows a schematic measuring device with a metal sensor according to the invention.
  • Figures 1 to 8 show schematic representations of individual layers of a multi-layer metal sensor 100.
  • the metal sensor 100 can be used to find magnetizable, such as metallic, objects in walls, floors or in the ground.
  • the objects to be detected may, for example, have a distance of 10 cm or 20 cm from the metal sensor 100.
  • Each of the layers shown in Figures 1 to 8 is formed as a thin layer and has on a surface of the respective layer arranged conductive structures. These may e.g. consist of copper.
  • the individual layers may consist, for example, of printed circuit board carrier material, of thin or thick-layer ceramics (for example LTCC technology), of foldable polymer substrates or of another material.
  • the conductive structures may be printed, for example.
  • Alternative manufacturing methods include, for example, milling, laser milling, photolithography and etching.
  • the layers formed as thin layers preferably have thicknesses between 100 ⁇ m and 5 mm.
  • FIG. 2 shows a plan view of a second layer 120.
  • FIG. 3 shows a plan view of a third layer 130.
  • one is in each case arranged on an upper side of the respective one Position 1 10, 120, 130 arranged structure shown.
  • 4 shows a plan view of an upper side
  • FIG. 5 shows in a review on a bottom 172 of the central layer 170 arranged structures.
  • 6 shows a view of a fourth layer 140.
  • FIG. 7 shows a view of a fifth layer 150.
  • FIG. 8 shows a view of a sixth layer 160.
  • FIGS. 6 to 8 each show, in plan view, structures which are shown on a back side of the respective one shown in FIG Location 140, 150, 160 are arranged.
  • the metal sensor 100 includes an outer coil 300 and an inner coil 400.
  • the coils 300, 400 are each circular in shape and arranged concentrically with each other. However, it would also be possible to form the coils 300, 400 differently than circular and / or not to arrange concentrically with each other.
  • the outer coil 300 has a larger diameter than the inner coil 400.
  • the outer coil 300 includes a first portion 310 disposed on the first layer 110, a second portion 320 disposed on the second layer 120, a third portion 330 disposed on the third layer 130, a fourth portion 340 disposed on the fourth layer 140, a fifth portion 350 disposed on the fifth layer 150, and a sixth portion 360 mounted on the fifth layer 150 sixth layer 160 is arranged.
  • the inner coil 400 includes a first portion 410 disposed on the first layer 110, a second portion 420 disposed on the second layer 120, a third portion 430 disposed on the third layer 130, a fourth portion Section 440 disposed on the fourth layer 140, a fifth section 450 disposed on the fifth layer 150, and a sixth section 460 disposed on the sixth layer 160.
  • the first portion 310 of the outer coil 300 has a first electrical contact 31 1 at its outer end. Starting from the first contact 31 1, the first portion 310 of the outer coil 300 extends in a clockwise direction, where it is conductively connected via a first connection 312 to an outer end of the first portion 410 of the inner coil 400. From the first connection 312, the inner portion 410 of the inner coil 400 extends counterclockwise further inwardly to a first electrical contact 41 1 of the first portion 410 of the inner coil 400.
  • the second portion 320 of the outer coil 300 has a radially outer first contact
  • the second section 420 of the inner coil 400 has a radially inner first contact 421, from which the second section 420 extends in a counterclockwise direction to a radially outer second contact 422.
  • the third section 330 of the outer coil 300 has a radially outer first contact
  • the third section 430 of the inner coil 400 has a radially inner first contact 431, from which the third section 430 extends in a clockwise direction to a second contact 432, which lies radially outward.
  • the fourth section 340 of the outer coil 300 has a radially outer first contact 341, from which the fourth section 340 extends counterclockwise to a radially inner second contact 342.
  • the fourth section 440 of the inner coil 400 has a radially inner first contact 441, from which the fourth section 440 extends counterclockwise to a radially outer second contact 442.
  • the fifth section 350 of the outer coil 300 has a radially outer first contact 351, from which the fifth section 350 extends in a clockwise direction to a radially inner second contact 352.
  • the fifth section 450 of the inner coil 400 has a radially inner first contact 451, from which the fifth section 450 extends in a clockwise direction as far as a radially outer second contact 452.
  • the sixth portion 360 of the outer coil 300 has a radially outer first contact 361, from which the sixth portion 360 extends counterclockwise radially inwardly.
  • the sixth section 460 of the inner coil 400 has a radially inner first
  • Fig. 9 shows a schematic representation of a section through a stack 101, which is formed from the layers 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 of Figures 1 to 8.
  • the layers 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 are arranged one above the other in a z-direction 104.
  • the z-direction 104 is thus oriented perpendicular to the plane of the drawing of Figures 1 to 8.
  • the stack 101 has a first upper surface 102, which is formed by a surface of the first layer 110, and a first surface 102 opposite the second surface 103, which is formed by a surface of the sixth layer 160.
  • the first layer 110, a first copy of the second layer 120, a first copy of the third layer 130, a second copy of the second layer 120, a second copy of the third layer 130, the middle layer 170 follow one another in the stack 101 first copy of the fourth layer 140, a first copy of the fifth layer 150, a second copy of the fourth layer 140, a second copy of the fifth layer 150, and the sixth layer 160.
  • the first copies of the second layer 120 and the third layer 130 form one first package 210.
  • the second copies of the second layer 120 and the third layer 130 form a second package 220.
  • the first copies of the fourth layer 140 and the fifth layer 150 form a third package 230.
  • the second copies of the fourth layer 140 and the fifth Layer 150 forms a fourth package 240.
  • the first package 210 and the second package 220 thus correspond in structure to one another.
  • the third packet 230 and the fourth packet 240 correspond to each other in their structure.
  • the first packet 210 and the second packet 220 form a first periodic structure, which occurs twice in succession in the stack 101 exemplified in FIG. 9.
  • the first periodic structure could not occur at all, only once or more often than twice.
  • the third packet 230 and the fourth packet 240 form a second periodic structure, which also occurs twice in the example stack 101.
  • the second periodic structure may also occur less frequently or more frequently than twice.
  • the repetition factor of the second periodic structure may also differ from the repetition factor of the first periodic structure.
  • the first layer 110 has a first outer via 315 which extends through the first layer 110 and the first contact 31 1 of the first section 310 of the outer coil 300 is electrically conductively connected to the first contact 321 of the second section 320 of the outer coil 300 on the second layer 120 connects.
  • the first layer 1 10 has a first inner
  • the second layer 120 has a second outer via 325, which electrically conducts the second contact 322 of the second section 320 of the outer coil 300 with the second contact 332 of the third section 330 on the third layer 130 combines.
  • the second layer 120 has a second inner
  • the third layer 130 has a third outer via 335, which electrically conducts the first contact 331 of the third section 330 with the first contact 321 of the second section 320 on the second layer 120 or with a first contact 173 on the upper side 171 the middle layer 170 connects.
  • the third layer 130 has a third inner through-connection 435 which electrically conducts the first contact 431 of the third section 430 with the first contact 421 of the second section 420 on the second layer 120 or with a second contact 174 on the upper side 171 of the middle layer 170 connects.
  • the middle layer 170 has a seventh
  • the fourth layer 140 has a fourth outer via 345, which electrically connects a third contact 175 on the lower side 172 of the middle layer 170 with the first contact 341 of the fourth section 340 of the outer coil 300.
  • the fourth outer via 345 connects the first one
  • Contact 341 of the fourth portion 340 is electrically conductively connected to the first contact 351 of the fifth portion 350 of the outer coil 300 on the fifth layer 150.
  • the fourth layer 140 has a fourth inner via 445 electrically connecting the first contact 441 of the fourth portion 440 conductively connects to the fourth contact 176 on the bottom 172 of the middle layer 170.
  • Via 445 makes the first contact 441 of the fourth portion 440 electrically conductive with the first contact 451 of the fifth portion 450 on the fifth layer 150.
  • the fifth layer 150 has a fifth outer via 355 which electrically conducts the second contact 352 of the fifth portion 350 with the second contact 342 of the fourth section 340 connects.
  • the fifth layer 150 has a fifth inner via 455, which electrically connects the second contact 452 of the fifth section 450 with the second contact 442 of the fourth section 440.
  • the sixth layer 160 has a sixth outer via 365 which is the first contact
  • the sixth layer 160 has a sixth inner via 465, which electrically connects the first contact 461 of the sixth section 460 with the first contact 451 of the fifth section 450.
  • the first layer 1 10 further has a plurality of contact surfaces 190, which are arranged in the stack 101 on the first surface 102 and thus accessible to an external electrical contact. Via the contact surfaces 190 of the stack 101 of the metal sensor 100 can be energized. In addition, measurement signals output by the contact surfaces 190 from a magnetic field sensor of the metal sensor 100 can be read out, as explained below. All the layers 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 of the stack 101 have connection vias 191, which conduct electrically conductive connections to the contact surfaces 190 through the stack 101.
  • connection vias 191 only in the first layer 110, the second layer 120, the third layer 130 and the middle layer 170.
  • the first contact 173 is electrically conductively connected to one of the contact surfaces 190.
  • the third contact 175 is electrically conductively connected to a further contact surface of the contact surfaces 190.
  • all portions 310, 320, 330, 340, 350, 360 of the outer coil 300 are flowed through in a clockwise direction, while all sections 410, 420, 430, 440, 450, 460 of the inner coil 400 are flowed through in a counterclockwise direction ,
  • the magnetic fields generated by the outer coil 300 and the inner coil 400 are opposite to each other.
  • the numbers of turns of the outer coil 300 and the inner coil 400 and the diameters of the coils 300, 400 are selected so that these magnetic fields in the center of the stack 101 in the z-direction 104 compensate each other.
  • the first layer 110, the second layer 120 and the third layer 130 have in the center of the outer coil 300 and the inner coil 400 each have a recess 180, which thus in the stack 101 of the first surface 102 against the z-direction 104th extends to the center of the stack 101.
  • a magnetic field sensor 181 is arranged, which is designed to detect an amplitude of a magnetic field oriented in the z-direction 104.
  • Magnetic field sensor 181 for example, a magnetoresistive magnetic field be a sensor.
  • the magnetic field sensor 181 is electrically conductively connected on the upper side 171 of the middle layer 170 to sensor contacts 179, which in turn are connected to contact surfaces 190 via the connection through-connections 191.
  • the middle layer 170 also has an eighth via 178 via which some of the sensor contacts 179 on the bottom 172 of the middle layer 170 are connected to the terminal vias 191. The reason for this is the guidance of the feed lines to the magnetic field sensor 181 distributed symmetrically on the upper side 171 and the underside 172 of the middle layer 170, by which an inductive coupling of the magnetic field generated by the coils 300, 400 into the sensor measuring signal applied to these lines is avoided.
  • the sensitive plane of the magnetic field sensor 181 is arranged as accurately as possible in the z-direction 104 in the center of the stack 101. If necessary, the fourth layer 140 and the fifth layer 150 may have a smaller number of repetitions than the second layer 120 and the third layer 130.
  • the metal sensor 100 explained with reference to FIGS. 1 to 9 has the advantage that a high magnetic field can be achieved even with small coil diameters and small numbers of turns due to the division of the outer coil 300 and the inner coil 400 into different sections.
  • the composition of the stack 101 of different layers 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 has the advantage that required manufacturing tolerances can be easily achieved.
  • the outer coil 300 and the inner coil 400 are connected in series. However, it would also be possible to energize the outer coil 300 and the inner coil 400 separately. It would also be possible to provide additional coils for compensation. It is also conceivable not to arrange the magnetic field sensor 181 in the z direction 104 in the center of the stack 101.
  • a plurality of magnetic field sensors 181 could also be arranged at different locations at which the magnetic field generated by the coils 300, 400 is compensated for in the absence of a magnetizable object.
  • the outer coil 300 and the inner coil 400 could also be asymmetrically distributed to the individual layers 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170 of the stack 101.
  • FIG. 10 shows a perspective view of a measuring device 500 comprising a metal sensor 100 of the aforementioned type.
  • the measuring device 500 is designed as a hand-held measuring device and serves to detect in one Medium enclosed objects.
  • the measuring device 500 can be used to locate metallic or magnetizable objects in walls, floors or in the ground.
  • the measuring device 500 has a housing 510. Within the housing 510, the metal sensor 100 is arranged.
  • the housing 510 has a display device 520 that may serve to indicate to a user of the meter 500 a presence of a detected object.
  • the display device 520 may be, for example, a screen or a light emitting diode.
  • the measuring device 500 also has an operating element 530 with which a user of the measuring device 500 can switch the measuring device 500 on, off and on.
  • the housing 510 of the measuring device 500 has a marking aid 540, which is designed as an opening extending through the measuring device 500. For example, if the meter 500 is guided along a wall by a user and the meter 500 detects a presence of an object in the wall, the user of the meter 500 may mark the position of the detected object through the punch of the tag aid 540.

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Abstract

Ein Metallsensor umfasst ein erstes Trägersubstrat, ein zweites Trägersubstrat, eine erste Spule, eine zweite Spule und einen Magnetfeldsensor. Die Trägersubstrate sind als dünne Schichten ausgebildet und in einem Stapel angeordnet. Die erste Spule umfasst einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Die zweite Spule umfasst einen dritten Abschnitt und einen vierten Abschnitt. Der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt sind auf dem ersten Trägersubstrat angeordnet. Der zweite Abschnitt und der vierte Abschnitt sind auf dem zweiten Trägersubstrat angeordnet.

Description

Beschreibung Titel
Metallsensor
Die Erfindung betrifft einen Metallsensor gemäß Patentanspruch 1 . Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Metallsensoren zum Auffinden von magneti- sierbaren, beispielsweise metallischen, Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich bekannt, die Spulen zur Anregung von Magnetfeldern sowie zum Messen von Änderungen des magnetischen Flusses aufweisen. Objekte werden dadurch erkannt, dass die gemessenen Flussänderungen sich unterscheiden, je nachdem, ob ein Objekt vorhanden ist oder nicht. Die gemessene Flussänderung ist zum Teil direkte Folge des anregenden Magnetfeldes, sowie zum Teil die Folge des vom Objekt ausgehenden Magnetfeldes. Das vom Objekt ausgehende Magnetfeld ist in der Regel eine Folge des anregenden Magnetfelds.
Magnetfeldsensoren, beispielsweise AMR- und GMR-Sensoren, haben einen eingeschränkten linearen Messbereich, d. h. bei zu großen Magnetfeldern werden sie in die Sättigung getrieben oder funktionieren überhaupt nicht mehr. Für die Applikation Metallsensor, bei der metallische/magnetisierbare Objekte in großen Entfernungen (10-20 cm) detektiert werden sollen, ist es jedoch erforderlich, hinreichend große anregende Magnetfelder zu erzeugen. Um den Sensor vor diesen Magnetfeldern zu bewahren, kann man das Magnetfeld im objektfreien Fall am Ort des Sensors kompensieren, so dass dieser ein Nullsignal liefert. Befindet sich ein metallisches/magnetisierbares Objekt im Magnetfeld, so geht von dem Objekt als Folge des anregenden Magnetfelds ein weiteres Magnetfeld aus, welches sich dem anregenden und dem kompensierenden Magnetfeld überlagert. Damit verschwindet die Summe aller dieser Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors nicht mehr und der Magnetfeldsensor liefert ein von einem Null- signal verschiedenes Signal, was zur Detektion des Objektes verwendet werden kann. Die zum Anmeldetag unveröffentlichte Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2010 043 078.1 beschreibt einen Metallsensor, der zwei Spulen zur Erzeugung eines Primärfeldes und eines Kompensationsfeldes aufweist, die sich am Ort eines Magnetfeldsensors des Metallsensors gegenseitig kompensieren, falls sich kein magnetisierbares Objekt in der Umgebung des Metallsensors befindet. Die Anwesenheit eines magnetisierbaren Objektes bewirkt ein nicht- verschwindendes Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors. Für eine hinreichende Kompensation des anregenden Magnetfelds am Ort des
Sensors ist es erforderlich, die das anregende Magnetfeld erzeugende Spule, die das kompensierende Magnetfeld erzeugende Spule und den Sensor selbst mit hoher Genauigkeit relativ zueinander zu positionieren und auszurichten. Mit gewickelten Spulen ist dies nur schwer möglich. Es bietet sich daher an, Printspu- len zu verwenden. Nachteil von Printspulen ist jedoch, dass mit Printspulen nur eine geringe Zahl von Windungen erreicht werden kann, wenn man sich auf kleine Spulendurchmesser beschränkt. Große Spulendurchmesser sind aus Gründen der gewünschten Sensorbaugröße nicht möglich. Bei kleinen Windungszahlen erfordern die notwendigen Magnetfeldstärken jedoch Spulenströme, die sich für handgehaltene, batteriebetriebene Geräte nicht wirtschaftlich realisieren lassen. Zudem führen die erforderlichen Ströme zu einer Eigenerwärmung der Spulen, die ebenfalls nachteilig ist und im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung der Spule führen kann. Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Metallsensor mit einem mehrlagigen Spulensystem bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Metallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbil- düngen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Metallsensor umfasst ein erstes Trägersubstrat, ein zweites Trägersubstrat, eine erste Spule, eine zweite Spule und einen Magnetfeldsensor. Dabei sind die Trägersubstrate als dünne Schichten ausgebildet und in einem Stapel angeordnet. Die erste Spule umfasst einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Die zweite Spule umfasst einen dritten Abschnitt und ei- nen vierten Abschnitt. Der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt sind auf dem ersten Trägersubstrat angeordnet, während der zweite Abschnitt und der vierte Abschnitt auf dem zweiten Trägersubstrat angeordnet sind. Vorteilhafterweise lassen sich durch die Unterteilung der Spulen in auf verschiedenen Trägersubstraten angeordnete Abschnitte bereits mit Spulen mit kleinen Durchmessern und geringen Windungszahlen auf den einzelnen Trägersubstraten ausreichend große Magnetfelder erzielen. Außerdem erleichtert der Aufbau des Metallsensors aus Trägersubstraten im Vergleich zu gewickelten Spulen die Einhaltung erforderlicher Fertigungstoleranzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Magnetfeldsensor direkt in den mehrlagigen Spulenaufbau integriert werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass der Metallsensor als abgeschlossenes Modul separat gefertigt und anschließend in ein beliebiges Gerät integriert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Metallsensors sind die Trägersubstrate als Leiterplatten-Trägermaterial ausgebildet, wobei die Abschnitte der Spulen als leitende Strukturen auf dem Leiterplatten-Trägermaterial angeordnet sind. Vorteilhafterweise können die Spulen dann als Printspulen ausgebildet sein.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Metallsensors weisen die Trägersubstrate leitende Durchkontaktierungen auf, die den ersten Abschnitt leitend mit dem zweiten Abschnitt und den dritten Abschnitt leitend mit dem vierten Abschnitt verbinden. Vorteilhafterweise ermöglichen die Durchkontaktierungen eine platzsparende Ausführung des Metallsensors.
Bevorzugt können die erste Spule und die zweite Spule derart bestromt werden, dass ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, wobei eine Komponente des ersten Magnetfelds in eine Richtung senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats am Ort des Magnetfeldsensors näherungsweise verschwindet, falls sich kein magneti- sierbares Objekt in der Umgebung des Metallsensors befindet. Vorteilhafterweise ergibt sich dann ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis des durch den Magnetfeldsensor gelieferten Signals. Vorteilhafterweise ergibt sich dann eine hohe Dynamik des von dem Magnetfeldsensor gelieferten Signals.
In einer bevorzugten Ausführung des Metallsensors sind die erste Spule und die zweite Spule konzentrisch angeordnet. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch ein in zwei Raumrichtungen symmetrischer Feldlinienverlauf der durch die Spulen angeregten Magnetfelder.
In einer Ausführungsform des Metallsensors ist der Magnetfeldsensor in einer Richtung senkrecht zur Ebene des ersten Trägersubstrats mittig zwischen einer Oberseite des Stapels und einer Unterseite des Stapels angeordnet. Vorteilhafterweise kompensieren sich die durch die erste Spule und die zweite Spule angeregten Magnetfelder am Ort des Magnetfeldsensors dann gegenseitig, falls sich kein magnetisierbares Objekt in der Umgebung des Metallsensors befindet.
In einer Ausführungsform des Metallsensors weist das erste Trägersubstrat eine Ausnehmung auf, wobei der Magnetfeldsensor in der Ausnehmung angeordnet ist. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine besonders kompakte Ausführung des Metallsensors.
In einer Weiterbildung des Metallsensors umfasst der Metallsensor ein weiteres Trägersubstrat, wobei die erste Spule und die zweite Spule weitere Abschnitte umfassen, die auf dem weiteren Trägersubstrat angeordnet sind. Vorteilhafterweise erhöhen sich dadurch die Feldstärken der durch die erste Spule und die zweite Spule anregbaren Magnetfelder.
In einer Weiterbildung des Metallsensors umfasst der Stapel eine Mehrzahl weitere Trägersubstrate mit weiteren Spulenabschnitten. Vorteilhafterweise lassen sich dadurch die Feldstärken der durch die erste Spule und die zweite Spule anregbaren Magnetfelder vervielfachen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Metallsensors umfasst der Stapel eine Mehrzahl weitere Trägersubstrate mit weiteren Spulenabschnitten, wobei die weiteren Trägersubstrate eine sich periodisch wiederholende Struktur innerhalb des Stapels bilden. Vorteilhafterweise lässt sich die durch den Metallsensor anregbare Magnetfeldstärke dann einfach durch eine Wiederholung der periodischen Struktur skalieren.
In einer Ausgestaltung des Metallsensors sind die erste Spule und die zweite Spule in Reihe geschaltet. Vorteilhafterweise ist dadurch sichergestellt, dass die erste Spule und die zweite Spule unabhängig von äußeren Einflüssen stets von der gleichen elektrischen Stromstärke durchflössen werden.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figuren 1 bis 8 schematische Darstellungen einzelner Lagen eines Metallsensors; Fig. 9 eine schematische Schnittansicht der zu einem Stapel zusammengefügten
Lagen des Metallsensors; und
Fig. 10 ein schematisches Messgerät mit erfindungsgemäßem Metallsensor.
Figuren 1 bis 8 zeigen schematische Darstellungen einzelner Lagen eines mehrlagig aufgebauten Metallsensors 100. Der Metallsensor 100 kann zum Auffinden von magnetisierbaren, beispielsweise metallischen, Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich dienen. Die zu detektierenden Objekte können beispielsweise eine Entfernung von 10 cm oder 20 cm vom Metallsensor 100 haben.
Jede der in Figuren 1 bis 8 dargestellten Lagen ist als dünne Schicht ausgebildet und weist auf einer Oberfläche der jeweiligen Lage angeordnete leitende Strukturen auf. Diese können z.B. aus Kupfer bestehen. Die einzelnen Lagen können beispielsweise aus Leiterplatten-Trägermaterial, aus Dünn- oder Dickschichtkeramiken (beispielsweise LTCC-Technologie), aus faltbaren Polymersubstraten oder aus einem anderen Material bestehen. Die leitenden Strukturen können beispielsweise aufgedruckt sein. Alternative Herstellungsmethoden umfassen beispielsweise Fräsen, Laserfräsen, Photolithographie und Ätzen. Die als dünne Schichten ausgebildeten Lagen weisen bevorzugt Dicken zwischen 100 μηη und 5 mm auf.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine erste Lage 1 10. Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine zweite Lage 120. Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf eine dritte Lage 130. In Figuren 1 bis 3 ist jeweils eine auf einer Oberseite der jeweiligen Lage 1 10, 120, 130 angeordnete Struktur dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf eine Oberseite
171 einer Mittellage 170 und die auf dieser Oberseite 171 angeordneten Struktu- ren. Fig. 5 zeigt in einer Durchsicht auf einer Unterseite 172 der Mittellage 170 angeordnete Strukturen. Fig. 6 zeigt eine Durchsicht einer vierten Lage 140. Fig. 7 zeigt eine Durchsicht einer fünften Lage 150. Fig. 8 zeigt eine Durchsicht einer sechsten Lage 160. Figuren 6 bis 8 zeigen in Durchsicht jeweils Strukturen, die auf einer Rückseite der jeweils dargestellten Lage 140, 150, 160 angeordnet sind.
Der Metallsensor 100 umfasst eine äußere Spule 300 und eine innere Spule 400. Die Spulen 300, 400 sind jeweils kreisförmig ausgebildet und zueinander konzentrisch angeordnet. Es wäre jedoch auch möglich, die Spulen 300, 400 anders als kreisförmig auszubilden und/oder nicht konzentrisch zueinander anzuordnen. Die äußere Spule 300 weist einen größeren Durchmesser auf als die innere Spule 400. Die äußere Spule 300 umfasst einen ersten Abschnitt 310, der auf der ersten Lage 1 10 angeordnet ist, einen zweiten Abschnitt 320, der auf der zweiten Lage 120 angeordnet ist, einen dritten Abschnitt 330, der auf der dritten Lage 130 angeordnet ist, einen vierten Abschnitt 340, der auf der vierten Lage 140 angeordnet ist, einen fünften Abschnitt 350, der auf der fünften Lage 150 angeordnet ist, und einen sechsten Abschnitt 360, der auf der sechsten Lage 160 angeordnet ist. Die innere Spule 400 umfasst einen ersten Abschnitt 410, der auf der ersten Lage 1 10 angeordnet ist, einen zweiten Abschnitt 420, der auf der zweiten Lage 120 angeordnet ist, einen dritten Abschnitt 430, der auf der dritten Lage 130 angeordnet ist, einen vierten Abschnitt 440, der auf der vierten Lage 140 angeordnet ist, einen fünften Abschnitt 450, der auf der fünften Lage 150 angeordnet ist, und einen sechsten Abschnitt 460, der auf der sechsten Lage 160 angeordnet ist.
Der erste Abschnitt 310 der äußeren Spule 300 weist an seinem äußeren Ende einen ersten elektrischen Kontakt 31 1 auf. Vom ersten Kontakt 31 1 ausgehend verläuft der erste Abschnitt 310 der äußeren Spule 300 im Uhrzeigersinn nach innen, wo er über eine erste Verbindung 312 leitend mit einem äußeren Ende des ersten Abschnitts 410 der inneren Spule 400 verbunden ist. Von der ersten Verbindung 312 verläuft der innere Abschnitt 410 der inneren Spule 400 entgegen des Uhrzeigersinns weiter nach innen bis zu einem ersten elektrischen Kontakt 41 1 des ersten Abschnitts 410 der inneren Spule 400. Der zweite Abschnitt 320 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt
321 auf, ab dem sich der zweite Abschnitt 320 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial innen liegenden zweiten Kontakt 322 erstreckt. Der zweite Abschnitt 420 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 421 auf, ab dem sich der zweite Abschnitt 420 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial äußeren zweiten Kontakt 422 erstreckt. Der dritte Abschnitt 330 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt
331 auf, ab dem sich der dritte Abschnitt 330 im Uhrzeigersinn bis zu einem zweiten Kontakt 332 erstreckt. Der dritte Abschnitt 430 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 431 auf, ab dem sich der dritte Abschnitt 430 im Uhrzeigersinn bis zu einem zweiten Kontakt 432 erstreckt, der radial außen liegt. Der vierte Abschnitt 340 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 341 auf, ab dem sich der vierte Abschnitt 340 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial innen liegenden zweiten Kontakt 342 erstreckt. Der vierte Abschnitt 440 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten Kontakt 441 auf, ab dem sich der vierte Ab- schnitt 440 entgegen des Uhrzeigersinns bis zu einem radial außen liegenden zweiten Kontakt 442 erstreckt. Der fünfte Abschnitt 350 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 351 auf, ab dem sich der fünfte Abschnitt 350 im Uhrzeigersinn bis zu einem radial innen liegenden zweiten Kontakt 352 erstreckt. Der fünfte Abschnitt 450 der inneren Spule 400 weist ei- nen radial innen liegenden ersten Kontakt 451 auf, ab dem sich der fünfte Abschnitt 450 im Uhrzeigersinn bis zu einem radial außen liegenden zweiten Kontakt 452 erstreckt. Der sechste Abschnitt 360 der äußeren Spule 300 weist einen radial außen liegenden ersten Kontakt 361 auf, ab dem sich der sechste Abschnitt 360 entgegen des Uhrzeigersinns radial nach innen erstreckt. Der sechste Abschnitt 460 der inneren Spule 400 weist einen radial innen liegenden ersten
Kontakt 461 auf, ab dem sich der sechste Abschnitt 460 der inneren Spule 400 entgegen des Uhrzeigersinns radial nach außen erstreckt. Das radial äußere Ende des sechsten Abschnitts 460 der inneren Spule 400 ist über eine zweite Verbindung 362 elektrisch leitend mit dem radial inneren Ende des sechsten Ab- Schnitts 360 der äußeren Spule 300 verbunden.
Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Stapel 101 , der aus den Lagen 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 der Figuren 1 bis 8 gebildet ist. Hierbei sind die Lagen 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 in einer z-Richtung 104 übereinander angeordnet. Die z-Richtung 104 ist also senkrecht zur Zeichnungsebene der Figuren 1 bis 8 orientiert. Der Stapel 101 weist eine erste Ober- fläche 102 auf, die durch eine Oberfläche der ersten Lage 1 10 gebildet wird, und eine der ersten Oberfläche 102 gegenüberliegende zweite Oberfläche 103, die durch eine Oberfläche der sechsten Lage 160 gebildet wird. Im Einzelnen folgen im Stapel 101 aufeinander die erste Lage 1 10, ein erstes Exemplar der zweiten Lage 120, ein erstes Exemplar der dritten Lage 130, ein zweites Exemplar der zweiten Lage 120, ein zweites Exemplar der dritten Lage 130, die Mittellage 170, ein erstes Exemplar der vierten Lage 140, ein erstes Exemplar der fünften Lage 150, ein zweites Exemplar der vierten Lage 140, ein zweites Exemplar der fünften Lage 150 und die sechste Lage 160. Die ersten Exemplare der zweiten Lage 120 und der dritten Lage 130 bilden ein erstes Paket 210. Die zweiten Exemplare der zweiten Lage 120 und der dritten Lage 130 bilden ein zweites Paket 220. Die ersten Exemplare der vierten Lage 140 und der fünften Lage 150 bilden ein drittes Paket 230. Die zweiten Exemplare der vierten Lage 140 und der fünften Lage 150 bilden ein viertes Paket 240. Das erste Paket 210 und das zweite Paket 220 entsprechen einander somit in ihrem Aufbau. Ebenso entsprechen das dritte Paket 230 und das vierte Paket 240 einander in ihrem Aufbau. Das erste Paket 210 und das zweite Paket 220 bilden eine erste periodische Struktur, die im in Fig. 9 beispielhaft dargestellten Stapel 101 zweimal hintereinander auftritt. Die erste periodische Struktur könnte auch gar nicht, nur einmal oder häufiger als zweimal auftreten. Das dritte Paket 230 und das vierte Paket 240 bilden eine zweite periodische Struktur, die im beispielhaften Stapel 101 ebenfalls zweimal auftritt. Auch die zweite periodische Struktur könnte weniger häufig oder häufiger als zweimal auftreten. Der Wiederholungsfaktor der zweiten periodischen Struktur kann sich auch vom Wiederholungsfaktor der ersten periodischen Struktur unterscheiden.
Die erste Lage 1 10 weist eine erste äußere Durchkontaktierung 315 auf, die durch die erste Lage 1 10 verläuft und den ersten Kontakt 31 1 des ersten Abschnitts 310 der äußeren Spule 300 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 321 des zweiten Abschnitts 320 der äußeren Spule 300 auf der zweiten Lage 120 verbindet. Außerdem weist die erste Lage 1 10 eine erste innere
Durchkontaktierung 415 auf, die den ersten Kontakt 41 1 des ersten Abschnitts 410 der inneren Spule 400 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 421 des zweiten Abschnitts 420 der inneren Spule 400 verbindet. Die zweite Lage 120 weist eine zweite äußere Durchkontaktierung 325 auf, die den zweiten Kontakt 322 des zweiten Abschnitts 320 der äußeren Spule 300 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 332 des dritten Abschnitts 330 auf der dritten Lage 130 verbindet. Außerdem weist die zweite Lage 120 eine zweite innere
Durchkontaktierung 425 auf, die den ersten Kontakt 421 des zweiten Abschnitts 420 der inneren Spule 400 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 431 des dritten Abschnitts 430 der inneren Spule 400 auf der dritten Lage 130 verbindet. Die dritte Lage 130 weist eine dritte äußere Durchkontaktierung 335 auf, die den ersten Kontakt 331 des dritten Abschnitts 330 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 321 des zweiten Abschnitts 320 auf der zweiten Lage 120 bzw. elektrisch leitend mit einem ersten Kontakt 173 auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 verbindet. Außerdem weist die dritte Lage 130 eine dritte innere Durchkontaktierung 435 auf, die den ersten Kontakt 431 des dritten Abschnitts 430 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 421 des zweiten Abschnitts 420 auf der zweiten Lage 120 bzw. elektrisch leitend mit einem zweiten Kontakt 174 auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 verbindet. Die Mittellage 170 weist eine siebte
Durchkontaktierung 177 auf, die den zweiten Kontakt 174 auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 elektrisch leitend mit einem vierten Kontakt 176 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 verbindet. Die vierte Lage 140 weist eine vierte äußere Durchkontaktierung 345 auf, die einen dritten Kontakt 175 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 341 des vierten Abschnitts 340 der äußeren Spule 300 verbindet. Beim zweiten Exemplar der vierten Lage 140 verbindet die vierte äußere Durchkontaktierung 345 den ersten
Kontakt 341 des vierten Abschnitts 340 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 351 des fünften Abschnitts 350 der äußeren Spule 300 auf der fünften Lage 150. Außerdem weist die vierte Lage 140 eine vierte innere Durchkontaktierung 445 auf, die den ersten Kontakt 441 des vierten Abschnitts 440 elektrisch leitend mit dem vierten Kontakt 176 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 verbindet.
Beim zweiten Exemplar der vierten Lage 140 verbindet die vierte innere
Durchkontaktierung 445 den ersten Kontakt 441 des vierten Abschnitts 440 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 451 des fünften Abschnitts 450 auf der fünften Lage 150. Die fünfte Lage 150 weist eine fünfte äußere Durchkontaktierung 355 auf, die den zweiten Kontakt 352 des fünften Abschnitts 350 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 342 des vierten Abschnitts 340 verbindet. Außerdem weist die fünfte Lage 150 eine fünfte innere Durchkontaktierung 455 auf, die den zweiten Kontakt 452 des fünften Abschnitts 450 elektrisch leitend mit dem zweiten Kontakt 442 des vierten Abschnitts 440 verbindet. Die sechste Lage 160 weist eine sechste äußere Durchkontaktierung 365 auf, die den ersten Kontakt
361 des sechsten Abschnitts 360 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 351 des fünften Abschnitts 350 verbindet. Außerdem weist die sechste Lage 160 eine sechste innere Durchkontaktierung 465 auf, die den ersten Kontakt 461 des sechsten Abschnitts 460 elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 451 des fünften Abschnitts 450 verbindet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel des Stapels 101 sind die Durchkontaktierungen 177, 315, 325, 335, 345, 355, 365, 415, 425,
435, 445, 455, 465 als vergrabene Durchkontaktierungen (buried via) ausgebildet. Es wäre jedoch auch möglich, Durchkontaktierungen anderer Art vorzusehen. Die erste Lage 1 10 weist ferner eine Mehrzahl von Kontaktflächen 190 auf, die im Stapel 101 auf der ersten Oberfläche 102 angeordnet und damit einer externen elektrischen Kontaktierung zugänglich sind. Über die Kontaktflächen 190 kann der Stapel 101 des Metallsensors 100 mit Strom beaufschlagt werden. Außerdem können über die Kontaktflächen 190 von einem Magnetfeldsensor des Metallsensors 100 ausgegebene Messsignale ausgelesen werden, wie unten erläutert wird. Sämtliche Lagen 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 des Stapels 101 weisen Anschluss-Durchkontaktierungen 191 auf, die elektrisch leitende Verbindungen zu den Kontaktflächen 190 durch den Stapel 101 führen. Es wäre auch möglich, die Anschluss-Durchkontaktierungen 191 lediglich in der ersten Lage 1 10, der zweiten Lage 120, der dritten Lage 130 und der Mittellage 170 vorzusehen. Auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 ist der erste Kontakt 173 elektrisch leitend mit einer der Kontaktflächen 190 verbunden. Auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 ist der dritte Kontakt 175 elektrisch leitend mit einer weiteren Kontaktfläche der Kontaktflächen 190 verbunden.
Wird eine elektrische Spannung zwischen der mit dem ersten Kontakt 173 verbundenen Kontaktfläche 190 und der mit dem dritten Kontakt 175 elektrisch leitend verbundenen Kontaktfläche 190 angelegt, so wird ein elektrischer Strom- fluss durch die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 ermöglicht. Dabei fließt der elektrische Strom vom ersten Kontakt 173 über die dritte äußere
Durchkontaktierung 335, den ersten Kontakt 331 , im Uhrzeigersinn durch den dritten Abschnitt 330, über den zweiten Kontakt 332, die zweite äußere
Durchkontaktierung 325, den zweiten Kontakt 322, im Uhrzeigersinn durch den zweiten Abschnitt 320, über den ersten Kontakt 321 , die erste äußere
Durchkontaktierung 315, den ersten Kontakt 31 1 , im Uhrzeigersinn durch den ersten Abschnitt 310, über die erste Verbindung 312, gegen den Uhrzeigersinn durch den ersten Abschnitt 410 der inneren Spule 400, über den ersten Kontakt 41 1 , die erste innere Durchkontaktierung 415, den ersten Kontakt 421 , gegen den Uhrzeigersinn durch den zweiten Abschnitt 420, durch den zweiten Kontakt 422, die zweite innere Durchkontaktierung 425, den zweiten Kontakt 432, gegen den Uhrzeigersinn durch den dritten Abschnitt 430, durch den ersten Kontakt
431 , die dritte innere Durchkontaktierung 435, den zweiten Kontakt 174, die siebte Durchkontaktierung 177, den vierten Kontakt 176, die vierte innere
Durchkontaktierung 445, den ersten Kontakt 441 , gegen den Uhrzeigersinn durch den vierten Abschnitt 440 der inneren Spule 400, durch den zweiten Kontakt 442, die fünfte innere Durchkontaktierung 455, den zweiten Kontakt 452, gegen den
Uhrzeigersinn durch den fünften Abschnitt 450, durch den ersten Kontakt 451 , die sechste innere Durchkontaktierung 465, den ersten Kontakt 461 , gegen den Uhrzeigersinn durch den sechsten Abschnitt 460, durch die zweite Verbindung 362, im Uhrzeigersinn durch den sechsten Abschnitt 360 der äußeren Spule 300, durch den ersten Kontakt 361 , die sechste äußere Durchkontaktierung 365, den ersten Kontakt 351 , im Uhrzeigersinn durch den fünften Abschnitt 350, durch den zweiten Kontakt 352, die fünfte äußere Durchkontaktierung 355, den zweiten Kontakt 342, im Uhrzeigersinn durch den vierten Abschnitt 340, durch den ersten Kontakt 341 , die vierte äußere Durchkontaktierung 345 zum dritten Kontakt 175. Selbstverständlich kann der Strom auch in die umgekehrte Richtung fließen. Im erläuterten Beispiel werden alle Abschnitte 310, 320, 330, 340, 350, 360 der äußeren Spule 300 im Uhrzeigersinn durchströmt, während alle Abschnitte 410, 420, 430, 440, 450, 460 der inneren Spule 400 gegen den Uhrzeigersinn von Strom durchflössen werden. Somit sind die durch die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 generierten Magnetfelder einander entgegengesetzt. Die Windungszahlen der äußeren Spule 300 und der inneren Spule 400 und die Durchmesser der Spulen 300, 400 sind so gewählt, dass sich diese Magnetfelder in der Mitte des Stapels 101 in z-Richtung 104 gegenseitig kompensieren. Die erste Lage 1 10, die zweite Lage 120 und die dritte Lage 130 weisen im Zentrum der äußeren Spule 300 und der inneren Spule 400 jeweils eine Ausnehmung 180 auf, die sich somit im Stapel 101 von der ersten Oberfläche 102 entgegen der z-Richtung 104 bis in das Zentrum des Stapels 101 erstreckt. In der Ausnehmung 180 ist ein Magnetfeldsensor 181 angeordnet, der ausgebildet ist, eine Amplitude eines in z-Richtung 104 orientierten Magnetfelds zu detektieren. Der
Magnetfeldsensor 181 kann beispielsweise ein magnetoresistiver Magnetfeld- sensor sein. Der Magnetfeldsensor 181 ist auf der Oberseite 171 der Mittellage 170 elektrisch leitend mit Sensorkontakten 179 verbunden, die wiederum über die Anschluss-Durchkontaktierungen 191 mit Kontaktflächen 190 in Verbindung stehen. Die Mittellage 170 weist außerdem eine achte Durchkontaktierung 178 auf, über die einige der Sensorkontakte 179 auf der Unterseite 172 der Mittellage 170 mit den Anschluss-Durchkontaktierungen 191 verbunden sind. Grund hierfür ist die symmetrisch auf die Oberseite 171 und die Unterseite 172 der Mittellage 170 verteilte Führung der Zuleitungen zum Magnetfeldsensor 181 , durch die ein induktives Einkoppeln des durch die Spulen 300, 400 erzeugten Magnetfelds in das an diesen Leitungen anliegende Sensor-Messsignal vermieden wird. Die sensitive Ebene des Magnetfeldsensors 181 ist in z-Richtung 104 möglichst genau im Zentrum des Stapels 101 angeordnet. Nötigenfalls können die vierte Lage 140 und die fünfte Lage 150 eine geringere Zahl an Wiederholungen aufweisen als die zweite Lage 120 und die dritte Lage 130.
Der anhand der Figuren 1 bis 9 erläuterte Metallsensor 100 hat den Vorteil, dass durch die Aufteilung der äußeren Spule 300 und der inneren Spule 400 in unterschiedliche Abschnitte ein hohes Magnetfeld auch mit kleinen Spulendurchmessern und geringen Windungszahlen erreicht werden kann. Die Zusammensetzung des Stapels 101 aus verschiedenen Lagen 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 hat den Vorteil, dass sich erforderliche Fertigungstoleranzen leicht erzielen lassen. In der beschriebenen Ausführungsform des Metallsensors 100 sind die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 seriell verschaltet. Es wäre jedoch auch möglich, die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 getrennt voneinander zu bestromen. Es wäre auch möglich, weitere Spulen zur Kompensation vorzusehen. Ebenfalls denkbar ist, den Magnetfeldsensor 181 in z-Richtung 104 nicht im Zentrum des Stapels 101 anzuordnen. Auch könnten mehrere Magnetfeldsensoren 181 an unterschiedlichen Orten angeordnet sein, an denen das durch die Spulen 300, 400 erzeugte Magnetfeld bei Abwesenheit eines magneti- sierbaren Objekts jeweils kompensiert wird. Die äußere Spule 300 und die innere Spule 400 könnten auch in asymmetrischer Weise auf die einzelnen Lagen 1 10, 120, 130, 140, 150, 160, 170 des Stapels 101 verteilt werden.
Figur 10 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Messgeräts 500, das einen Metallsensor 100 der vorgenannten Art umfasst. Das Messgerät 500 ist als handgehaltenes Messgerät ausgebildet und dient zur Detektion von in einem Medium eingeschlossenen Objekten. Beispielsweise kann das Messgerät 500 zum Auffinden von metallischen oder magnetisierbaren Objekten in Wänden, Böden oder im Erdreich dienen.
Das Messgerät 500 weist ein Gehäuse 510 auf. Innerhalb des Gehäuses 510 ist der Metallsensor 100 angeordnet. Das Gehäuse 510 weist eine Anzeigevorrichtung 520 auf, die dazu dienen kann, einem Benutzer des Messgeräts 500 ein Vorhandensein eines detektierten Objekts anzuzeigen. Die Anzeigevorrichtung 520 kann beispielsweise ein Bildschirm oder eine Leuchtdiode sein. Das Messgerät 500 weist außerdem ein Bedienelement 530 auf, mit dem ein Benutzer des Messgeräts 500 das Messgerät 500 ein-, aus- und umschalten kann. Ferner weist das Gehäuse 510 des Messgeräts 500 eine Markierungshilfe 540 auf, die als durch das Messgerät 500 verlaufender Durchbruch ausgebildet ist. Wird das Messgerät 500 durch einen Benutzer beispielsweise an einer Wand entlang geführt, und detektiert das Messgerät 500 ein Vorhandensein eines in der Wand befindlichen Gegenstands, so kann der Benutzer des Messgeräts 500 die Position des detektierten Objekts durch den Durchbruch der Markierungshilfe 540 markieren.

Claims

Ansprüche
1 . Metallsensor (100)
mit einem ersten Trägersubstrat (1 10), einem zweiten Trägersubstrat (160), einer ersten Spule (300), einer zweiten Spule (400) und einem Magnetfeldsensor (181 ),
wobei die Trägersubstrate (1 10, 160) als dünne Schichten von jeweils weniger als 5 mm Dicke ausgebildet und in einem Stapel (101 ) angeordnet sind, wobei die erste Spule (300) einen ersten Abschnitt (310) und einen zweiten Abschnitt (360) umfasst,
wobei die zweite Spule (400) einen dritten Abschnitt (410) und einen vierten Abschnitt (460) umfasst,
wobei der erste Abschnitt (310) und der dritte Abschnitt (410) auf dem ersten Trägersubstrat (1 10) angeordnet sind,
wobei der zweite Abschnitt (360) und der vierte Abschnitt (460) auf dem zweiten Trägersubstrat (160) angeordnet sind.
2. Metallsensor (100) gemäß Anspruch 1 ,
wobei die Trägersubstrate (1 10, 160) als Leiterplatten-Trägermaterial ausgebildet sind,
wobei die Abschnitte (310, 360, 410, 460) der Spulen (300, 400) auf dem Leiterplatten-Trägermaterial angeordnet sind.
3. Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Trägersubstrate (1 10, 160) leitende Durchkontaktierungen (315, 415, 365, 465) aufweisen, die den ersten Abschnitt (310) leitend mit dem zweiten Abschnitt (360) und den dritten Abschnitt (410) leitend mit dem vierten Abschnitt (460) verbinden.
4. Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Spule (300) und die zweite Spule (400) derart bestromt werden können, dass ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, wobei eine Komponente des ersten Magnetfelds in eine Richtung (104) senkrecht zur Ebene des ersten Trägersubstrats (1 10) am Ort des Magnetfeldsensors (181 ) näherungsweise verschwindet, falls sich kein magnetisier- bares Objekt in der Umgebung des Metallsensors (100) befindet.
Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spule (300) und die zweite Spule (400) konzentrisch angeordnet sind.
Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (181 ) in eine Richtung (104) senkrecht zur Ebene des ersten Trägersubstrats (1 10) mittig zwischen einer Oberseite (102) des Stapels (101 ) und einer Unterseite (103) des Stapels (101 ) angeordnet ist.
Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Trägersubstrat (1 10) eine Ausnehmung (180) aufweist, wobei der Magnetfeldsensor (181 ) in der Ausnehmung (180) angeordnet ist.
Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallsensor (100) ein weiteres Trägersubstrat (120, 130, 140, 150) umfasst,
wobei die erste Spule (300) und die zweite Spule (400) weitere Abschnitte (320, 330, 340, 350, 420, 430, 440, 450) umfassen, die auf dem weiteren Trägersubstrat (120, 130, 140, 150) angeordnet sind.
Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stapel (101 ) eine Mehrzahl weiterer Trägersubstrate (120, 130, 140, 150) mit weiteren Spulenabschnitten (320, 330, 340, 350, 420, 430, 440, 450) umfasst.
10. Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Stapel (101 ) eine Mehrzahl weiterer Trägersubstrate (120, 130, 140, 150) mit weiteren Spulenabschnitten (320, 330, 340, 350, 420, 430, 440, 450) umfasst,
wobei die weiteren Trägersubstrate (120, 130, 140, 150) eine sich periodisch wiederholende Struktur (210, 220, 230, 240) innerhalb des Stapels (101 ) bilden.
1 1 . Metallsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Spule (300) und die zweite Spule (400) in Reihe geschaltet sind.
12. Messgerät (500), insbesondere handgehaltenes Ortungsgerät zur Detektion von in einem Medium eingeschlossenen Objekten, mit zumindest einem Metallsensor (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 1 1 .
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