Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Wirbelstromsensoren in der Mikrotechnik

Neuere industrielle Anwendungen von Wirbelstromsensoren erfordern heutzutage eine sehr hohe Auflösung. Diese Forderungen können durch eine Verkleinerung des Sensors erreicht werden. Die Miniaturisierung des Wirbelstromsensors gelingt durch die Verwendung neuer Technologien und Fertigungsverfahren [MEN97]. Die Weiterentwicklung offenbart sich in der Senkung der Herstellungsprozesskosten, der Erhöhung der Stückzahl von Bauteilen, der Verbesserung der Systemfunktionen und ihrer Zuverlässigkeit. Der Übergang zur Dünnfilmtechnik ermöglicht die Herstellung des Wirbelstromsensors mit feinen, planaren Spulen mit kleinem Abstand zwischen den Windungen.

Unterschiedliche Wirbelstromsensoren wurden bereits in der Mikrotechnologie realisiert. Bei der Entwicklung des Gesamtprozesses ist auf die Prozesskompatibilität der mikrotechnischen Einzelprozesse sowie auf die Wechselwirkung der verwendeten Funktionsschichten zu achten. Dabei wurden mehrere Designs entworfen. Diese Designs unterscheiden sich nicht nur durch das Fehlen bzw. Vorhandensein eines magnetischen Kerns und seine Form, sondern auch in der Anzahl und Position von Spulen [GRI02, ZMO98]. In Abhängigkeit von der Reihenfolge des Aufbaus und der aufzubringenden Strukturen wurden Glas- oder Siliziumsubstrate verwendet. Die Spulenanordnung und -anzahl wurde von zwei bis zehn oder mehr Spulen variiert.

Doppellagige Spule


NiFe-Kern
Via



2005 imt 5017-019
Kontaktpads

Bild 2.18: Zweilagiger Sensoraufbau mit NiFe-Kern [WOG03]

In Bild 2.18 ist ein Wirbelstromsensor mit doppellagigem Spulenaufbau und einem darunter liegenden magnetischen Kern für die Winkelmessung dargestellt. Dieser Sensor wurde von der Universität Braunschweig entwickelt und ist für die Integration in eine Messvorrichtung vorgesehen.

Das Bild 2.19 präsentiert ein Modell des Wirbelstromsensors zum Nachweis von Materialfehlern in leitenden Materialien, das in [CHA03] beschrieben wurde. Die Besonderheit dieses Wirbelstromsensors besteht im Vorhandensein von vier Erregerspulen und einer Messspule. Die Spulen sind auf einem Ferritkern positioniert. Dieser Sensor besitzt eine hohe Empfindlichkeit, besonders für tiefe lokalisierte Fehler und eine gute räumliche Auflösung.

Ferrit-Kern

Erregerspule



2005 imt 5017-020
Messspule

Bild: 2.19: 2D- und 3D-Darstellung eines Wirbelstromsensors mit vier Erregerspulen

Ein in Dünnfilmtechnik gefertigter Wirbelstromsensor wird auch in [SAD01] und [HAM95] vorgestellt. In diesem Fall wurden Substrate aus Glas [SAD01] und Silizium [HAM95] verwendet. Beide Varianten der Sensoren haben Spiralspulen (Erreger- und Messspule), die übereinander positioniert sind. Die erste Variante des Sensors besitzt nur zwei Spulenlagen, die zweite Variante vier Lagen.

1. 
   Photoresist
   

NiFe-Kern

Glas-Wafer Spulenlage
Photoresist

2. 
   Spulenlagen
   

2005 imt 5017-021
Via

Si-Wafer
Bild 2.20: Wirbelstromsensoren in Dünnfilmtechnik: [SAD01, HAM95]

Der Unterschied zwischen beiden Aufbauten besteht nicht nur in den unterschiedlichen Abmessungen und der Zahl der Spulenlagen, sondern auch im Vorhandensein eines magnetischen Kerns. Während in Bild 2.20.a ein Nickel-Eisen- Kern integriert ist, ist in den Spulenstrukturen in Bild 2.20.b kein magnetischer Kern vorhanden. Daraus folgen auch die unterschiedlichen Anwendungsbereiche der vorgestellten Sensoren. Zum Beispiel wird der Wirbelstromsensor mit magnetischem Kern für die berührungslose Erfassung von Rissen auf Objektoberflächen leitender Materialien entwickelt. Die Variation des Wirbelstromsensors in Dünnfilmtechnik ohne magnetischen Kern wird bei der berührungslosen Messung von Gasleitungen mit kleinem Durchmesser (kleiner als 20 mm) eingesetzt.