Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

9 Diskussion der Ergebnisse

Das Sensordesign besteht aus einem doppellagigen Spulenaufbau mit E- förmigem magnetischem Kern. Die Herausforderung beim Aufbau des Sensors besteht darin, das Bauteil möglichst kompakt und mit wenigen Prozessschritten herzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Entwurf einer einwindigen Erregerspule gelöst. Durch diesen Spulenaufbau werden nicht nur höhere Ströme ermöglicht sondern auch ein geringerer elektrischer Widerstand gewährleistet.

Um die Störungen durch Kontaktdrähte bei der Abstandseinstellung zu vermeiden, werden die Drähte in Si-Gruben positioniert, die unterhalb der Sensorebene liegen. Diese Lösung ermöglicht den Aufbau des Wirbelstromsensors ohne Änderung des Strukturendesigns.

Die Verwendung eines Nickel-Eisen-Kerns führt zu einer Konzentration des vom Sensor erzeugten Magnetfeldes. Die Sättigungsfeldstärke des Materials sollte möglichst hoch sein, damit das Material auch bei hoher Durchflutung nicht in den magnetischen Sättigungsbereich gerät. Das für den Kernaufbau ausgewählte Material NiFe 81/19 zeichnet sich durch eine hohe Permeabilität und ein geringes Koerzitivfeld sowie einen relativ hohen spezifischen Widerstand aus und ist deshalb als Material für den Kern hervorragend geeignet. Die E-Form des Kerns ist so gestaltet, dass der magnetische Widerstand und der Wirbelstromverlust im Kern gering sind.

Technologische Entwicklungen sind im Bereich der Anwendung von Photoresists nötig, um bei jeder Struktur die optimale Resisthöhe und Auflösung zu finden. Zum Aufbau des Sensors werden vier Photoresists benötigt. Zwei Resists der Serie AZ und zwei SU-8-Photoresists. Jeder Photoresist hat einen bestimmten Schichtdickenbereich und ein Auflösungsvermögen, das strukturhöheabhängig ist. Die SU-8 Resists sind für Isolationsschichet vorgesehen. SU-8 25 wird mit 25 µm Dicke für die Einbettung von Strukturen vor der mechanischen Bearbeitung verwendet. Der dünnere SU-8 2005 kommt bei der Strukturierung von 3 µm dicken Isolationsschichten zum Einsatz. Die AZ-Photoresists werden bei galvanischen Prozesssen als strukturierte Resistmaske verwendet. Der hochviskose AZ 9260 wird bei der Herstellung von höheren Strukturen wie Kern oder Kontaktpads mit Schichtdicken von bis zu 60 µm eingesetzt. Bei der Messspule- und Viaherstellung eignet sich niederviskose AZ 5214 mit einer Auflösung von 2 µm.

Während der Arbeit entstehen vier Varianten des Wirbelstromsensors. Der Unterschied zwischen diesen Sensoren besteht im Vorhandensein eines magnetischen Kerns und Vertiefungen für Kontaktpads und Kern. Nach dem Aufbau des Sensors werden Messungen vorgenommen und die Ergebnisse miteinander verglichen.

Als erstes wird die induzierte Spannung in der Messspule ermittelt. Die Versuchsreihe wird mit einer Stahlprobe im Frequenzbereich zwischen 100 kHz und

20 MHz durchgeführt. Aus den Ergebnissen dieser Messreihe kann man ablesen, dass bei beiden Aufbauvarianten die in der Messspule induzierte Spannung mit der Frequenzerhöhung steigt.

Bei der zweiten Versuchsreihe werden Abstände zwischen Messobjekt und Wirbelstromsensor gemessen. Es werden drei unterschiedliche Materialien aus leitendem magnetisches Material (Stahl), schlechtleitendem magnetischem Material (Ferrit), leitendem nichtmagnetischem Material (Kupfer) für Messobjekte ausgewählt:

Dabei wurden folgende Tendenzen beobachtet, dass die induzierte Spannung bei der Abstandmessung mit leitendem magnetischem Objekt bei der Abstandserhöhung sinkt. Der Spannungsabfall bei der Abstandsvergrößerung von 10 µm auf 1.000 µm bei einer Messfrequenz von 1 MHz und Messung mit dem Sensor ohne magnetischen Kern beträgt 0,52 mV. Beim Aufbau mit magnetischem Kern erhöhte sich dieser Wert auf 0,56 mV.

Die induzierte Spannung bei der Abstandmessung mit nichtleitendem magnetischem Objekt steigt bei Abstandserhöhung. Der Spannungszuwachs bei der Abstandsvergrößerung von 10 µm auf 1.000 µm beträgt bei Messung mit dem Sensor ohne magnetischen Kern bei der Messfrequenz 1 MHz 0,65 mV. Bei Durchführung dieses Versuches mit dem Wirbelstromsensor mit magnetischem Kern liegt der Spannungszuwachs bei 2,34 mV.

Die induzierte Spannung bei Abstandmessung mit leitendem nichtmagnetischem Objekt zeigte die gleiche steigende Tendenz zur Spannungserhöhung mit zunehmender Entfernung bis zum maximal eingestellten Abstand von 1.000 µm wie bei der Messung mit nichtleitendem magnetischem Objekt. Die Differenz zwischen den in der Messspule induzierten Spannungen bei minimaler (10 µm) und maximaler (1.000 µm) Entfernung bei der Arbeitsfrequenz 1 MHz beträgt beim Aufbau ohne magnetischen Kern 0,92 mV und mit magnetischem Kern 1,66 mV.

Nach der Auswertung der Abstandmessungen mit unterschiedlichen Materialien beim Sensoraufbau ohne und mit magnetischem Kern kann man zusammenfassend folgende Aussagen treffen: Der Aufbau des Wirbelstromsensors mit magnetischem Kern ist besser geeignet für die Abstanderfassung bei allen Materialien. Er zeichnet sich durch eine höhere Empfindlichkeit aus. Bezüglich der Arbeitsfrequenz zeigte sich, dass bei höherer Frequenz die in der Messspule induzierte Spannung nicht nur größere Messwerte, sondern auch eindeutigere Messergebnisse geliefert werden.

Bei der Abstandmessung mit dem Wirbelstromsensor wird festgestellt, dass die Verwendung eines magnetischen Kernes höhere Spannungswerte liefert als der Aufbau ohne magnetischen Kern, was durch eine bessere Fokussierung von Wirbelströmen in das Messobjekt zu erklären ist.