Verwendung eines elektrischen Messgerätes, das auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt Das Hauptpatent betrifft ein elektrisches Mess gerät, das auf der Änderung der elektrischen Eigen schaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt sowie die Ver wendung dieses Messgerätes zur Messung eines Magnetfeldes. Als Halbleiterkörper wird eine halb leitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich der Elektronen oder der Defektelektronen) von 6000 cm=jVolt,'sec oder mehr vorgesehen.
Durch die gemäss dem Hauptpatent zu verwen denden Halbleiterstoffe mit Trägerbeweglichkeiten von 6000 Cm2Voltsec oder mehr ergibt sich u. a. der Vorteil, dass bei gleicher geometrischer Dimen- sionierung des Halbleiterkörpers als Messkörper und bei gleicher aufgenommener Primärleistung sowie bei gleicher Ladungsträgerkonzentration des Mess- körpers, die im Magnetfeld auftretende Widerstands änderung bzw. Hallspannung wesentlich grösser wird als bei den bisher bekannten Geräten.
Dies bedeutet eine entsprechende Erhöhung der Messgenauigkeit bzw. der Empfindlichkeit. Als halbleitende Verbin dungen, die die oben geforderten Trägerbeweglich- keiten aufweisen, kommen insbesondere solche von der Form AIIIBv, in Betracht. Ihre Eigenschaften und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der Schweizer Patentschrift Nr. 310622 beschrieben.
Aus dieser Stoffgruppe sind besonders InSb und InAs, deren Trägerbeweglichkeit einen Wert von über 20 000 cm2; Vollsec erreicht, hervorzuheben; darüber hinaus ist InAs wegen seines sehr kleinen Temperaturkoeffi zienten gegenüber Germanium, das bisher in ähn lichen Geräten verwendet worden ist, von technisch hervorragender Bedeutung.
Der besondere Wert der Erfindung nach dem Hauptpatent ist darin zu sehen, dass die Hallspan- nung der zur Anwendung gelangenden Verbindungen leistungsmässig - über Galvanometergrössen hinaus gehend - belastet werden kann, das heisst, dass es möglich ist, die Hauspannung unmittelbar, also ohne Verstärker mit hochohmigem Eingang, auf leistungs aufnehmende Einrichtungen zu schalten. Bei einem der bekannten Geräte, z. B. bei einem Germanium Halbleitergerät, würde die Hallspannung bei einer derartigen Belastung zusammenbrechen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterbildung der Verwendung des Gerätes nach dem Hauptpatent zur Messung magnetischer Eigen schaften an Grenzflächen magnetischer, vorzugsweise ferromagnetischer Körper. Das Gerät kann hierzu mit einem oder mehreren Halbleiterkörpern ausge rüstet sein. Das Gerät kann z. B. zur Messung der Tangentialkomponente der magnetischen Gleich- oder Wechselfeldstärke an der . Oberfläche magnetischer Körper oder zur Messung der Normalkomponente der Gleich- oder Wechselinduktion oder der Magne- tisierungsintensität an der Grenzfläche magnetischer Körper verwendet werden.
Zur Messung kann der Halleffekt und/oder die magnetische Widerstands änderung ausgenutzt werden.
Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfin dung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der einige Beispiele für die Verwendung des Gerätes dargestellt sind. Es zeigen: Fig. 1 und 2 die Verwendung des Gerätes zur Messung der Tangentialkomponente der Magnet feldstärke an der Oberfläche eines magnetischen Körpers, Fig. 3 die Verwendung des Gerätes zur Messung der Normalkomponente der Induktion oder der Magnetisierungsintensität an der Grenzfläche eines magnetischen Körpers, Fig. 4 die Verwendung des Gerätes zur Erfassung der Textur eines Magnetbleches.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Magnetisierungsdoppeljoch bezeichnet. Zwischen den einstellbaren Polschuhen la ist der magnetische Körper 2, auf dessen Oberfläche die magnetische Feldstärke zu messen ist, einge spannt. Die Erregerwicklungen des Magnetisierungs- joches sind mit 3 bezeichnet. Der Halbleiterkörper, mit dem die Messung vorgenommen wird, ist bei 4 dargestellt. Seine Anordnung geht deutlicher aus der perspektivischen Darstellung der Fig. 2 hervor.
Der magnetische Körper, dessen Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke gemessen werden soll, ist wieder mit 2 und der Halbleiterkörper, der als Plättchen ausgeführt ist, mit 4 bezeichnet. Die Pri- märstromelektroden sind mit 11 und 12, die Hall elektroden mit 13 und 14 und der Verlauf des Magnetfeldes ist durch Pfeile angegeben.
Das Halb leiterplättchen ist so angeordnet, dass die durch die Richtung der Hallelektroden - worunter hier und im folgenden die Richtung einer gedachten Verbin dungsgeraden zwischen den Hallelektroden verstan den wird - und die Richtung des Primärstromes gegebene Fläche des Halbleiterkörpers senkrecht zu der zu messenden Tangentialkomponente der magne tischen Feldstärke des magnetischen Körpers liegt. Diese Fläche ist in Richtung der Hallelektroden übertrieben gross gezeichnet. Die Ausdehnung in die ser Richtung ist nämlich so klein gehalten, dass der Einfluss des Abfalles der Feldstärke in dieser Rich tung im Halbleiterkörper vernachlässigbar ist.
Neben den allgemeinen Vorteilen der Halbleiter geräte dieser Art liegt ein besonderer Vorteil für die Verwendung derselben zur Messung der Tangential- komponente eines Magnetfeldes darin, dass ihre Ab messung in der genannten Richtung sehr klein ge macht werden kann. Die bisher bekannten Einrich tungen für die Messung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke, z. B. der magnetische Spannungsmesser, weisen zwangläufig in dieser Rich tung eine um eine bis zwei Zehnerpotenzen grössere Ausdehnung auf und sind daher für extrem lokal beschränkte Feldmessungen ungeeignet.
Dieser Vor teil des erfindungsgemässen Gerätes ermöglicht eine verhältnismässig einfache Messung der magnetischen Feldstärke an dünnen Platten, die senkrecht zu ihrer grössten Fläche magnetisiert sind, z. B. aus Werk stoffen mit extrem hoher Koerzitivkraft, wie Oxyd magneten oder Magneten aus Mangan-Wismut, Pla- tin-Kobalt, Platin-Eisen usw. Diese schwierige Auf gabe der magnetischen Messtechnik konnte mit bisher bekannten Einrichtungen nicht gelöst werden.
Hin sichtlich der Materialarten, an denen Messungen vor genommen werden können, bestehen keinerlei Ein schränkungen für die Brauchbarkeit des Gerätes; es eignet sich z. B. auch für Oberflächenmessungen an Dynamoblechen, Weicheisenstäben, Dauermagnet körpern und dergleichen.
Geräte dieser Art sind bei magnetischen Gleich- und Wechselfeldern brauchbar. Anstelle des Hall effektes oder zusätzlich dazu kann, wie bereits im Hauptpatent angegeben, auch von der magnetischen Widerstandsänderung Gebrauch gemacht werden.
Bei der Ausnutzung des - Halleffektes kann die Messgenauigkeit der Anordnung durch Ohmsche und induktive Nullkompensation des Hallkreises nach einer der bekanntgewordenen Methoden verbessert werden.
Weiterhin kann die Empfindlichkeit des Gerätes durch die Anwendung der bei andern Messeinrich- tungen im Prinzip bekannten Kompensationsmethoden gesteigert werden. Zu diesem Zweck verwendet man z. B. im vorliegenden Falle zwei Halbleiterkörper, die primärseitig hintereinander- oder parallel- und hallseitig gegeneinandergeschaltet sind. Beide Halb leiterkörper werden zunächst an einen bestimmten Ausgangspunkt des magnetischen Körpers gebracht und so abgeglichen, dass sich die Hallspannungen aufheben.
Dann wird der eine Halbleiterkörper an eine andere Stelle des magnetischen Körpers gebracht, und aus der resultierenden Hallspannung wird die Abweichung der Magnetfeldstärke gegenüber dem Ausgangspunkt ermittelt.
Mit den vorgenannten Massnahmen ist eine Empfindlichkeit der Anordnung zu erreichen, die es erlaubt, lokale Materialunterschiede und Feldinhomo- genitäten in extremer Feinheit zu erfassen und gege benenfalls über die ganze Oberfläche eines magne tischen Werkstückes fortlaufend, z. B. graphisch, zu registrieren. Dies ist z. B. für die Fabrikationsüber wachung oder für die magnetische Fehleranalyse von besonderer technischer Bedeutung.
Mit gleicher Emp findlichkeit sind Feldinhomogenitäten, die auf un gleichmässiger Magnetisierung eines an sich gleich mässigen Materials beruhen sowie die langsam ver laufenden magnetischen Nachwirkungs- und Alte rungsvorgänge verhältnismässig einfach zu erfassen und zu registrieren.
In Fig. 3 ist mit 21 ein Magnetdoppeljoch mit den verstellbaren Polstücken 21 a dargestellt. Die Erregerwicklungen sind bei 22 angedeutet. Ein mit 23 bezeichneter magnetischer Körper ist so ange bracht, dass der mit 24 bezeichnete Luftspalt zwi schen dem Körper und dem gegenüberliegenden Pol schuh so klein als möglich, z. B. in der Grössen ordnung von 0,1 mm, und über die ganze Aus dehnung der Fläche des magnetischen Körpers gegen über dem Polschuh konstant ist. In diesem Luftspalt ist ein mit 25 bezeichneter Halbleiterkörper angeord net, und zwar so, dass die durch die Richtung der Hallelektroden und durch die Richtung des Primär stromes gegebene Fläche des Halbleiterkörpers un mittelbar an der Grenzfläche (26) des Körpers 23 anliegt.
Die den Halbleiterkörper durchsetzenden Induktionslinien sind durch Pfeile angedeutet. Der Übersicht halber ist auf die Darstellung der Zuleitungen für die Primärstrom- und Hauelektroden verzichtet. Es wird darauf hingewiesen, dass Gestalt und Lage der mit 26 angegebenen Grenzfläche des Magnetkörpers nicht an das dargestellte Beispiel ge bunden sind; es sind auch andere Begrenzungs flächen des Magnetkörpers zulässig, vorausgesetzt, dass der gegenüberliegende Polschuh so ausgeführt ist, dass die oben angegebenen Bedingungen hinsicht lich des Luftspaltes erfüllt sind. Die Grösse des Halbleiterkörpers ist zweckmässigerweise so zu wäh len, dass er die Grenzfläche des Magnetkörpers, an der die Messung vorgenommen werden soll, an keiner Stelle überragt.
Der Luftspalt 24 kann auch zwischen zwei gleich artige und vorzugsweise gleich grosse Magnetkörper gelegt werden, oder es kann zu beiden Seiten eines Magnetkörpers je ein Luftspalt mit je einem Halb leiterkörper angeordnet werden; in diesem Falle ist es zweckmässig, die beiden Halbleiterkörper hauseitig in Serie zu schalten.
Mit einer Anordnung nach Fig.3 kann ausser der Induktion auch die Magnetisierungsintensität (J) bequem gemessen werden, wenn ein weiterer Halb leiterkörper 27, der - gemäss der Anordnung nach Fig. 1 - zur Messung der magnetischen Feldstärke <I>(H -</I> H,) dient, mit dem Halbleiterkörper 25, der die Induktion (B) misst, hallspannungsmässig gegenge schaltet wird; die resultierende Hallspannung stellt dann die Magnetisierungsintensität <I>J</I> =B-H.Ho dar; es können also auch Sättigungsmessungen durch geführt werden.
In Fig.4 ist die Verwendung des Gerätes zur Erfassung der Anisotropie, z. B. der Textur eines Magnetwerkstoffes, dargestellt. Mit 31 ist ein Magnet blech bezeichnet, die magnetische Vorzugsrichtung ist durch die Linien 32 angegeben. Die magnetische Erregung des Bleches kann in an sich bekannter Weise, z. B. durch einen oder mehrere zentrale Lei ter erfolgen, deren Durchstoss durch die Zeichen ebene bei 33 angegeben ist. 34, 35 und 36 stellen Halbleiterkörper in verschiedener radialer Lage dar; ihre Fläche, die durch die Richtung der Hallelek- troden und durch die Richtung des Primärstromes gegeben ist, steht senkrecht auf dem Blech, weist jeweils zum Mittelpunkt und hat von diesem jeweils den gleichen Abstand.
Zur Ermittlung der Textur werden nun diejenigen Stellen aufgesucht, bei denen die Hauspannung und. oder die magnetische Wider standsänderung ein Minimum bzw. ein Maximum aufweist. Damit ist die magnetische Vorzugsrichtung und damit die Textur des Bleches ermittelt. Bei kon tinuierlicher Drehung des ringförmigen Messkörpers können die Feldwerte für alle Winkel zur Vorzugs richtung ermittelt und gegebenenfalls fortlaufend registriert werden.
Die Messanordnung kann z. B. auch so gewählt werden, dass zwei Halbleiterkörper primärseitig hintereinander- oder parallelgeschaltet und hauseitig gegengeschaltet sind, vorzugsweise so, dass mindestens einer der beiden Halbleiterkörper auf der Oberfläche des zu messenden Körpers verschiebbar ist.