Mikrotechnisch hergestelltes Fluxgate-Magnetometer für die Winkelmessung

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung eines mikrotechnisch gefertigten Fluxgate-Magnetometers. Die klassischen Anwendungsgebiete für makroskopische Fluxgates sind die Vermessung des Erdmagnetfeldes, die Navigation in der Luft- und Raumfahrt, die Detektion metallischer Komponenten sowie die zerstörungsfreie Materialuntersuchung. Durch die Miniaturisierung dieses Sensors erschließen sich innovative Anwendungsfelder, z. B. in der Automatisierungstechnik und Robotik. Das in dieser Arbeit vorgestellte Fluxgate kann als Winkelsensor in die Gelenke von Parallelrobotern integriert werden. Fluxgates sind vektorielle Magnetfeldsensoren und bestehen aus Spulen, die um einen ferromagnetischen Kern gewickelt sind. Das Wechselfeld einer Erregerspule magnetisiert den Kern periodisch jeweils bis zur Sättigungsmagnetisierung. Dabei wird ein sich zeitlich ändernder magnetischer Fluss generiert, der gemäß dem Induktionsgesetz in einer um den Kern gewickelten Messspule eine Spannung induziert. Die vektorielle Komponente eines äußeren magnetischen Gleichfeldes, die orthogonal zu den Messspulenwicklungen verläuft und diese durchsetzt, überlagert sich dem spannungsinduzierenden, magnetischen Fluss und erzeugt im Frequenzspektrum des Messsignals gerade Harmonische. Die Geometrie des Sensorkerns wurde hinsichtlich einer möglichst hohen Richtungssensitivität des Magnetometers für den Einsatz als Winkelsensor ausgelegt. Bei gleichbleibender Magnetfeldstärke kann bei einer Rotation des zu messenden Gleichfeldes die jeweilige Magnetfeldrichtung bezüglich der Sensorachse detektiert werden. Der mit Verfahren der Mikrosystemtechnik realisierte Herstellungsprozess der dreidimensionalen Helixspulenstrukturen wurde durch die Verwendung geeigneter Fotolacke mit hohem Aspektverhältnis optimiert. Wichtige Parameter für eine gute Sensorcharakteristik sind die Zusammensetzung und die Homogenität des Kernmaterials. Für den Kern wird eine weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierung mit ca. 80% Nickel galvanisch abgeschieden. Relevante Prozessparameter für die Mikrogalvanik wurden identifiziert, ebenso wie der optimale Querschnitt der flussführenden Kernstruktur. Der Sensor wurde unter Verwendung eines automatisierten Prüfstandes charakterisiert, wobei die Winkelinformation durch einen drehbar gelagerten, zweipoligen Permanentmagneten als analoge Maßverkörperung übertragen wurde. Die Anregungs- und Auswerteelektronik des Fluxgates basiert auf der Detektion der zweiten Harmonischen. Die vollständige Integration des Sensors in ein passives Robotergelenk wurde realisiert, wobei das Fluxgate mit einem Permanentmagneten kombiniert wurde, der auf der Gelenkwelle rotiert.