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Innovation Messtechnik 2017

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Örtlich hochaufgelöste Magnetfeldmessung mittels magnetoresistiver Sensoren

Dipl.-Ing. Patrick Hölzl

In den letzten Jahrzehnten ist die Anzahl der Methoden zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP ) von Werkstücken, welche auf der Lösung von Inversen Problemen beruhen, rasant gestiegen. Speziell für ZfP-Anwendungen ist es häufig notwendig, mithilfe einer messbaren physikalischen Größe auf einen nicht direkt beobachtbaren aber zugrunde liegenden Parameter zurückzuschließen. Dieser Ansatz ist essentiell für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.

Die magnetische Bildgebung ist eine solche ZfP-Anwendung, welche in weiterer Folge zu einem inversen Problem führt , falls die zugrunde liegende Stromdichte bestimmt werden soll . Die Stromdichte selbst ist ein sehr aussagekräftiger Parameter. Zum einen lassen sich mithilfe der Stromdichte Rückschluss auf die Geometrie des Leiters ziehen und zum anderen kann bei bekannter Leitergeometrie auf die Leitfähigkeit des Materials zurückgeschlossen werden.

Um somit kleinste Strukturen (im µm-Bereich) noch auflösen zu können, muss eine örtlich hochaufgelöste Messung des Magnetfelds erfolgen. In der Regel werden dazu Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) verwendet. SQUIDs können kleinste Änderungen des Magnetfelds (im Bereich einiger atto Tesla) mit einer hohen örtlichen Auflösung (einige µm) messen. Aufgrund der benötigten Kühlung (früher flüssiges Helium, jetzt flüssiger Stickstoff) ist die Handhabung der SQUIDs sehr aufwendig.

Wesentlich preisgünstiger und einfacher in der Handhabung sind Magnetfeldsensoren basierend auf dem Giant Magneto Resistance (GMR) oder dem Tunnel Magneto Resistance (TMR) Effekt, die auch heutzutage in herkömmlichen Festplatten eingesetzt werden. Einer der Hauptproduzenten von magnetoresistiven Sensoren für Industrielle Applikationen ist NVE. Jedoch besitzen diese „State of the Art“ Sensoren eine geringe Ortsauflösung (im mm-Bereich), bzw. kann wie im folgenden Beispiel nicht direkt auf den Feldverlauf zurückgeschlossen werden.

Abbildung 1: Links - Testprobe zur Evaluierung der Ortsauflösung von magnetoresistiven Sensoren. Mitte – FEM Simulation der Stromdichteverteilung innerhalb der Leiterbahn. Rechts – Komponenten der Magnetischen Feldstärke für unterschiedliche Bereiche.

In Abbildung 1 ist eine Testprobe (Lochrasterprint) zur Evaluierung der Ortsauflösung dargestellt. Bei Einprägen eines Stromes von 3A ergibt sich durch die Löcher in der Leiterbahn eine Stromverdrängung, bzw. ein Anstieg der Feldstärke. Zusätzlich wurde noch ein künstlicher Defekt (Riss) mit einer Länge von 0.3mm eingebracht. Ziel ist es nun diesen Riss mithilfe eines NVE AB001-02 Gradiometers, welches die Differenz des Magnetfelds an zwei Messpunkten in 0.5mm Entfernung misst, zu erfassen.

Abbildung 2: Links - Mit dem NVE AB001-02 gemessener Gradient der Magnetfeldkomponente Hy. Rechts – Anhand einer Kalibrationsmessung bestimmte räumliche Sensitivität des Gradiometers.

Der gemessene Verlauf des Gradienten der Magnetfeldkomponente Hy in einem Abstand von 520µm ist in Abbildung 2 auf der linken Seite dargestellt. Durch Kenntnis der räumlichen Sensitivität des Sensors, dargestellt in Abbildung 2 auf der rechten Seite, kann mittels einer Entfaltung auf den eigentlichen Feldverlauf wieder zurück gerechnet werden, siehe Abbildung 3 linke Seite. In beiden Fällen ist der künstlich eingebrachte Riss deutlich sichtbar. Durch die Entfaltung kann eine räumliche Auflösung des Magnetfelds im µm-Bereich erreicht werden, mit einer Empfindlichkeit im nano Tesla Bereich.

Abbildung 3: Links – Berechneter Verlauf der Magnetfeldkomponente Hy zufolge der Messdaten in Abb. 2. Rechts – Aus der Magnetfeldkomponente Hy berechnete Stromdichtekomponente Jx.

 

In Abbildung 3 ist der Verlauf der Stromdichtekomponente Jx auf der rechten Seite dargestellt. Die Stromdichte kann wiederum mit einer Entfaltung aus dem Verlauf der Magnetfeldkomponente Hy berechnet werden.

Keywords: Zerstörungsfreie Prüfung, Magnetische Bildgebung, GMR- und TMR-Sensoren, Magnetometer, Gradiometer, Entfaltung, Inverse Probleme