1 Überblick über die Sensorik

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270 5.3 Spulen 5.3.1 Induktionsspulen 271
hochpermeablem Magnetkern. Zur Vermeidung der kostenaufwendigen Wickeltechnik
lassen sich diese Sensoren auch in einer Planartechnik herstellen (Bild 5.3.1-4).
Bild 5.3.1-1 Ersatzschaltbild einer Luftspule (nach [5.28])
Der Gleichstrom-Serienwiderstand R DC verursacht das thermische Rauschen (Band
2, Abschnitt 14.1) der Spule, welches die Empfindlichkeit begrenzt. Der Wechselstromwiderstand
R AC wird z.B. durch den Skineffekt und durch Wirbelströme hervorgerufen.
Die Wirkung von hochpermeablen Spulenkernen ist die Konzentration des magnetischen
Flusses in das Innere der Spule (Bild 5.3.1-2), so daß – bei gleichbleibender Empfindlichkeit
– die Spulenabmessungen erheblich reduziert werden können.
Bild 5.3.1-3
Magnetfeldsensor mit einer Zylinderspule, in die ein weichmagnetischer Kern
eingelagert ist (nach [5.29]). Ein schwaches äußeres Magnetfeld in Richtung der Spulenachse
ändert die Richtung der Induktionsflußdichte des Spulenkerns und induziert
damit nach (1) eine Spannung an den Spulenanschlüssen. Bei Verwendung hochpermeabler
Spulenkerne können Magnetfelder in der Größenordnung des Erdmagnetfeldes
detektiert werden. Zur Messung dreidimensional orientierter Feldstärken müssen
drei getrennte Sensoren verwendet werden, die in den drei Raumrichtungen ausgerichtet
sind.
Bild 5.3.1-2
Verlauf der magnetische Feldlinien, wenn eine Spule mit einem hochpermeablen
Spulenkern in ein homogenes Magnetfeld (rechts) eingebracht wird (nach [5.28])
Bild 5.3.1-3 zeigt den Aufbau eines Magnetfeldsensors mit einer Zylinderspule und
Bild 5.3.1-4
Herstellung von Induktionsspulen mit hochpermeablem Spulenkern in einer
Planartechnik: Wie bei den Halbleiterbauelementen ergibt sich bei der Fertigung eine
Kostenersparnis dadurch, daß in einem Fertigungsprozeß eine große Anzahl von
Sensoren parallel hergestellt werden kann.
Ausgegangen wird von einem isolierenden Keramiksubstrat (a), das zunächst mit
einer Haftschicht (b) und dann einer gut leitenden Metallschicht (c, z.B. Kupfer) bedeckt
wird. Über einen Lithographieschritt wird diese Schicht so strukturiert, daß parallele
Leiterbahnen übrigbleiben (d), unterer Teil der Induktionsspule). Anschließend
werden die Leiterbahnen mit einer Isolierschicht bedeckt (f), auf der eine weichmagnetische
Schicht abgeschieden wird (g), welche den Spulenkern bildet. Nach
Herstellung einer weiteren Isolationsschicht (h) werden Kontaktlöcher zu den bereits