DE1022316B - Hallgenerator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist an sich seit langem bekannt, daß man den sogenannten HaMeffekt zur Messung magnetischer Fluß'dich'ten benutzen kann. Man verwendet zu diesem Zweck sogenannte Hallgeneratoren., deren wesentliches Element eine dünne, rechteckige Platte ist; an den kürzeren Seiten der Platte sind Elektroden zur Zuleitung eines Hilfsstromes vorgesehen, während in der Mitte der Längsseiten zwei weitere Elektroden zur Abnahme der Hallspannung bzw. des Hallstromes angebracht sind. Die Hallgeneratorplatte wird in Richtung ihrer kleinsten Ausdehnung, also senkrecht zur Plattenebene, von dem zu messenden Feld durchsetzt; an den Hallelektroden tritt dann eine Spannung auf, die der magnetischen Flußdichte proportional ist. Als Material für die HaMgeneratorplatte werden *5 neuerdings vorzugsweise halbleitende Verbindungen zwischen Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems verwendet. Diese Halbleiter besitzen eine hohe Ladungsträgerbewegliichkeit und ermöglichen es daher, Hallgeneratoren mit hohem Wirkungsgrad herzustellen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hallgeneratoren, die insbesondere zur Messung der Tangentialkomponente einer magnetischen Flußdichte in Oberflächennähe eines festen Körpers, beispielsweise eines draht- oder bandförmigen magnetischen Signalspeichers, bestimmt sind. Es ist an sich bereits vorgeschlagen worden, Hallgeneratoren zur Abtastung von band- oder drahtförmigen magnetischen Signalspeichern zu verwenden. Signalspeicher dieser Art, beispielsweise Tonbänder, weisen dauermagnetische Bezirke auf, deren Magnetisierungsrichtung in der Längsrichtung des Bandes bzw. Drahtes liegt; dler Abtastkopf hat also die Aufgabe, die aus dem Band bzw. Draht mit einem geringen Winkel gegen die Oberfläche heraustretenden magnetischen Feldlinien zu erfassen. Die zu messende Flußdichte erreicht nur in unmittelbarer Nähe des Speicherkörpers erhebliche Werte; es ist daher erwünscht, das magnetfelidempfindliche Element, im vorliegenden Fall die Hallgeneratorplatte, unmittelbar an seine Oberfläche heranzubringen. Bei den bisher bekannten Hallgeneratoren ist dies jedoch nur in beschränktem Maße möglich, da durch die an jeder Längsseite der Generatorplatte angebrachte Hallelektrode und ihrer Zuleitung ein Mindestabstand der Platte vom Speicherkörper bedingt ist.

Die Erfindung besteht darin, daß die Hallgeneratorplatte nur eine Hallelektrode besitzt und daß die Hallspannung zwischen dieser Elektrode und dem Mittelabgriff eines Widerstandes aibgenommen wird, dessen Enden mit den Hilfsstromelektroden der HaIlgeneratorplatte verbunden sind. Die erfindungsgemäße Hallgeneratorplatte kann mit derjenigen Hallgenerator

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Markus Biermann, Berlin-Halensee,
ist als Erfinder genannt worden

Seite, die keine Hallelektrode aufweist, unmittelbar an den festen Körper, also z. B. das Magnetband, herangebracht werden. Wie später erläutert werden wird, wird bei der Erfindung in Kauf genommen, daß nur ein Teil der Hallspanntmg gemessen wird, verglichen mit einer gleich großen Generatorplatte mit zwei Hallelektroden. Nach der weiteren Erfindung kann der Widerstand seinem Betrage nach mit Vorteil so gewählt werden, daß er höchstens etwa gleich dem Innenwiderstand der Hallgeneratorplatte zwischen den HiMsstromelektroden ist. Dadurch wird ein zu großer Innenwiderstand des Meßkreises vermieden. Um einen Nullabgleich des Hallgenerators zu ermöglichen, kann man mit Vorteil den Mittelabgriff des Widerstandes verstellbar machen. Gemäß der weiteren Erfindung sind die Zuleitungen zu den Hilfsstromelektroden und zur Hallelektrode der Generatorp'latte in der Nähe der Platte derart fest verlegt, daß die Zuleitung zur Hallelektrode zwischen den beiden anderen Zuleitungen liegt und mit jeder von ihnen gleiche Flächen einschließt. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß in der Zuleitung zur Hallelektrode durch magnetische Feldänderungen keine Störspannungen induziert werden, sofern das Magnetfeld symmetrisch zur mittleren Zuleitung ausgebildet ist, was bei den meisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung der Fall ist (beispielsweise bei der Abtastung magnetisierter Bänder). Bei gleicher Ausgangsleistung des Hallgenerators ist die Hallspannung unter sonst gleichbleibenden Bedingungen um so größer, je dünner der Generatorkörper ist; die Hallgeneratorplatte kann daher im Rahmen der Erfindung mit Vorteil als von einer isolierenden Unterlage getragene Halbleiterschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von einem Mikron ausgebildet

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sein. Sie kann dabei durch Aufdampfen des Halbleitermaterials auf die Unterlage und durch thermisches Rekristallisieren hergestellt sein. Die geringe Dicke des Halbleiterkörpers hat den weiteren
Vorteil, daß örtliche Änderungen der magnetischen
Flußdichte in allen Einzelheiten genau registriert
werden. Nach einem weiteren Erfindiungsgedanken
können sowohl die drei Elektroden wie die anschließenden Teile der Zuleitungen durch Auftragen
einer Metallpulveremulsion auf den Generator bzw. io Auch in diesem Fall existiert ein Punkt F., der Linie

Hallgeneratorplatte, die die Breite Ik₂ hat und bei 3 und P₂ je eine Hallelektrode aufweist. Der wirksame Abstand der Hallgeneratorplatte von der Oberfläche OF ist demnach in diesem Fall gleich a₂, also gleich 5 der halben Breite b der Platte.

Es sei nun weiterhin angenommen, daß das Magnetfeld inhomogen ist, wobei die Flußdichte in der Nähe der Oberfläche OF am größten ist: ferner sei das Magnetfeld symmetrisch zur Linie A_x ausgebildet.

die isolierende Unterlage hergestellt sein. Eine geeignete Metallpulver emulsion dieser Art ist im Handel unter dem Namen »Leitsilber« erhältlich. Eine weitere

A₁, der beim Anlegen des Feldes sein Potential, das

pern, vorzugsweise aus nichtferromagnetischem Material, eingebettet sein.

Die Fig. 1, 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar

Fig. 1 das Schaltschema des erfindungsgemäßen Hallgenerators,

Fig. 3 die Hallgeneratorplatte mit Zuleitungen in Aufsicht und

mit dem Potential des Abgriffes 5 übereinstimmt, 'beibehält. Die entsprechende Äquipotentiallinie ist gevorteilhafte Möglichkeit, die Elektroden bzw. die krümmt, hat also beispielsweise den Verlauf A_v Die anschließenden Teile der Zuleitungen herzustellen, be- 15 Lage des Punktes P₃ ergibt sich aus der folgenden steht darin, daß sie als Silber- oder Kupferbelag auf Überlegung: Da die Hilfsstromelektroden 2 beim Andie Generatorplatte bzw. die Unterlage aufgedampft legen des Feldes ihr Potential nicht ändern, muß die werden, wobei eine entsprechend geformte Schablone mittlere Potentialabweicbung im oberen Teil der verwendet werden kann. Zur mechanischen Abstützung Platte der mittleren Potentialabweichung im unteren und zur Ableitung der Verlustwärme kann die Hall- 20 Teil der Platte entgegengesetzt gleich sein. Das begeneratorplatte zwischen zwei wärmeableitenden Kör- deutet, daß die von den Linien A_x und Α_Ά eingeschlossenen Flächen F₁ und F₂ gleich groß sein müssen. Die Fi'gur zeigt, daß der erfindungsgemäße Hallgenerator bei inhomogenem Feld die gleiche Hallspannung He-²5 fen wie eine übliche Hallgeneratorplatte, die die Breite 1>_Ά besitzt, bei 3 und P₃ je eine Hallelektrode aufweist und bis auf den Abstand a₃ an die Oberfläche OF herangebracht ist. Je inhomogener das Magnetfeld in dem obengenannten Sinne ist, desto näher liegt der Fig. 4 die Stellung der Hallgeneratorplatte relativ 30 Punkt F₃, der das gleiche Potential wie der Abgriff 5 zum Magnetband beim Abtasten; besitzt, an der Oberfläche OF. Die Vorteile der Er-

Fig. 2 dient zur Erläuterung des Erfindungs- findung treten ein, sobald der wirksame Abstand¹0₂ gedankens. bzw. a_A kleiner ist als der Mindestabstand, der bei

In Fig. 1 ist 1 die Hallgeneratorplatte; sie besitzt üblichen Hallgeneratoren durch das Vorhandensein zwei Hilfsstromelektroden 2 und eine Hallelektrode 3. 35 einer zweiten Hallelektrode und ihrer Zuleitung be-Parallel zur Platte 1 (bezüglich des Hilfsstromes) ist dingt ist. Der durch die Erfindung erzielte Gewinn ein Widerstand 4 geschaltet, der einen verstellbaren ist, wie aus der vorstehenden Darstellung ersichtlich MittelaibgrifT 5 besitzt. Die Hallspannung Un wird ist, um so größer, je inhomogener im obengenannten zwischen der Hallelektrode 3 und dem Mittelabgriff 5 Sinne das zu messende Magnetfeld ist. Die Erfindung abgenommen. Der Hilfsstrom wird von einer Strom- 40 ist daher insbesondere bei der Abtastung der stark quelle 6 über einen einstellbaren Widerstand 7 ge- inhomogenen Felder von magnetischen Signalträgern liefert. Da der Widerstand 4 in den Innenwiderstand
des Meßkreises eingeht, wird er vorzugsweise kleiner
oder höchstens etwa gleich dem Innenwiderstand der
Hallgeneratorplatte 1 zwischen den Hilfsstromelek- 45
troden 2 gewählt. Der Nullabgleich der Anordnung
erfolgt in der Weise, daß bei fehlendem Magnetfeld
der Mittelabgriff 5 so lange verschoben wird, bis die
Spannung U_n gleich Null ist. Falls der Hallgenerator
im Eingang eines Verstärkers liegt, kann es auch von 5° thermische Behandlung rekristallisiert. Zum Zweck Vorteil sein, den Abgriff so einzustellen, daß die der Rekristallisierung wird die aufgedampfte Schicht 1 Spannung Un bei fehlendem Magnetfeld einen von beispielsweise im Vakuum oder in Anwesenheit eines Null abweichenden Wert hat. inerten Schutzgases (z. B. gereinigter Stickstoff) bis

Die Wirkungsweise der Erfindung sei an Hand von nahe unter den Schmelzpunkt erwärmt, bei Indium-Fig. 2 erläutert. In dieser Figur ist 1 wieder die 55 Antimonid bis etwa 520° C (Schmelzpunkt etwa Hallgeneratorplatte in Aufsicht; sie besitzt die
Breite b. Mit OF ist die Oberfläche eines magneti'sierten Körpers bezeichnet. Die aus der Oberfläche
OF austretenden magnetischen Feldlinien verlaufen
im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene.

von entscheidendem Vorteil.

In Fig. 3 ist 9 eine isolierende dünne Unterlage, beispielsweise aus Glimmer. Auf die L'nterlage 9 ist der eigentliche Hallgeneratorkörper 1 aufgebracht, der, wie oben bereits bemerkt, mit Vorteil aus einer halbleitenden III-V-Verbindung besteht. Das Halbleitermaterial wird vorzugsweise aufgedampft und während oder nach dem Aufdampfen durch eine

Es sei zunächst angenommen, daß an den Hilfs-

525° C). Während der Behandlung bilden sich innerhalb der Schicht kristalline Bereiche der stöchiometrisch zusammengesetzten Verbindung. Die Temperung wird so lange fortgesetzt, bis die Beweglich-⁶⁰ keit der Ladungsträger (Elektronen) durch Bildung

Stromelektroden 2 eine Spannung liegt, daß jedoch noch kein magnetisches Feld vorhanden ist. Dann entspricht das Potential des Abgriffes 5 (Fig. 1) dem

entsprechend großer Kristallite einen technisch brauchbaren Wert erreicht hat, also etwa 60Q0cm²/Vs oder mehr.

Sowohl die Hilfsstromelektroden 2 wie die HaIl-

der mittleren Äquipotentiallinie A₁. Wird dagegen die ⁶5 elektrode 3 sind durch Auftragen bzw. Aufdrücken Hallgeneratorplatte 1 von einem homogenen Magnet- einer Metallpulveremulsion oder durch Aufdampfen feld durchsetzt, so ist das Potential des Punktes 5 bei eines Metalls, beispielsweise Silber, derart hergestellt, Nullabgleich gleich dem der Äquipotentiallinie A₂. daß gleichzeitig auch die in der Nähe der Hallgenera-Der erfindungsgemäße Hallgenerator liefert also in torplatte liegenden Teile ihrer Zuleitungen 2 a bzw. 3 ο diesem Fall die gleiche Hallspannung wie eine übliche 7° auf die Unterlage 9 aufgebracht sind. Die Zuleitungen

2 α bzw. 3 α liegen mit gleichen Abständen parallel nebeneinander, so daß die Flächen 10 bzw. 11 zwischen den Zuleitungen gleich sind; bei dieser Anordnung können veränderliche magnetische Felder, sofern sie zur Zuleitung 3 α symmetrisch sind, keine Spannungen bzw. Ströme in dem Leiter 3 α induzieren. Die äußeren Zuleitungsdrähte 2 b bzw. 3 b sind mit Vorteil an der Unterlage 9 mechanisch befestigt und dann ebenfalls mit Leitsilber überstrichen. Falls die Zuleitungen 2 a und 3 a aus aufgedampften Metallbelägen bestehen., können die Drähte 2 b bzw. 3 b auch angelötet werden.

Fig. 4 zeigt im Schnitt den erfindungsgemäßen Hallgenerator im Rahmen seiner Anwendung als Abtastelement für einen Signalträger in Form eines magnetisieren Bandes. Die Dicken des Bandes bzw. der Hallgeneratorplatte sind in dieser Figur zur Verdeutlichung erheblich übertrieben. Die Laufrichtung des Bandes ist durch den Pfeil 13 angegeben; sie stimmt mit der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Bezirke des Bandes überein. Mit 14 sind die aus der Bandoberfläche heraustretenden magnetischen Feldlinien bezeichnet; der Hallgenerator mißt die magnetische Flußdichte senkrecht zu der Ebene der Platte 1, also ihre Tangentialkomponente bezüglich der Oberfläche des Bandes 12. Zur mechanischen Abstützung und zur Abführung der im Hallgeneratorkörper entwickelten Verlustwärme, die teils durch den Hilfsistrom, teils durch Wirbelströme verursacht ist, ist die Platte 1 einschließlich ihrer Unterlage 9 zwischen zwei Körpern 15 eingebettet; die verbleibenden freien Räume zwischen den Körpern 15 sind durch eine isolierende Schicht 16 (Lack, Kunstharz) ausgefüllt, so daß sich ein zusammenhängender Abtastkopf ergibt. Die Körper 15 leiten die im Hallgeneratorkörper 1 entwickelte Wärme ab und geben sie über ihre eigenen Oberflächen an die Umgebung weiter. Wenn es auf die genaue Wiedergabe örtlicher Flußdichtenunterschiiede auf engem Raum oder hochfrequenter magnetischer Wechselfelder ankommt, bestehen die Metallkörper 15 mit Vorteil aus einem nichtferromagnetischen Material; bei Frequenzen bis zur Größenordnung von Tonfrequenzen wird mit Vorteil Kupfer gewählt, bei höheren Frequenzen ein Isolator mit geringem Verlustwinkel. Kann dagegen eine gewisse A^erzerrung bzw. Glättung deis zu messenden Magnetfeldes in Kauf genommen werden, so kann es von Vorteil sein, die Körper 15 aus einem ferromagnetischen Material mit hoher An.fangspermeabilität, beispielsweise aus dam sogenannten Mü-Metall, auszuführen; dadurch wird die Anzeigeempfinidlichkeit der Anordnung erhöht. Die Körper 15 können in diesem Fall mit Vorteil aus zur Zeichenebene parallel liegenden Blechlamellen zusammengesetzt sein. Bei Verwendung als Abtastelement für ein Magnetbandgerät gemäß Fig. 3 hat die erfindungsgemäße Hallgeneratorplatte ein Format von etwa 1 mal 2 mm, wobei die Dicke, wie oben bereits bemerkt, in der Größenordnung von einem Mikron liegt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Hallgenerator, insbesondere zur Messung der Tangentialkomponente einer magnetischen Flußdichte in Oberflächennähe eines festen Körpers, beispielsweise eines draht- oder bandförmigen magnetischen Signalspeichers, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallgeneratorplatte nur eine Hallelektrode besitzt und daß die Hallspannung zwischen dieser Elektrode und dem Mittelabgriff eines Widerstandes abgenommen wird, dessen Enden mit den Hilfsstromelektroden der Hallgeneratorplatte verbunden sind.

2. Hallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand seinem Betrage nach höchstens etwa gleich dem Innenwiderstand der Hallgeneratorplatte zwischen den Hilfsstromelektroden ist.

3. Hallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittekbgriff des Widerstandes verstellbar ist.

4. Hallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen zu den, Hilfsstromelektroden und zur Hallelektrode der Generatorplatte in der Nähe der Platte derart fest verlegt sind, daß die Zuleitung zur Hallelektrode zwischen den beiden anderen Zuleitungen liegt und mit jeder von ihnen gleiche Flächen einschließt.

5. Hallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgeneratorkörper als von einer isolierenden Unterlage getragene Halbleiterschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von einem Mikron ausgebildet ist.

6. Hallgenerator nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die drei Elektroden wie die Zuleitungen durch Auftragen einer Metallpulveremulsion (Leitsilber) auf den Generator bzw. die isolierende Unterlage hergestellt sind.

7. Hallgenerator nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die drei Elektroden wie die benachbarten Teile der Zuleitungen durch Aufdampfen eines Metalls, vorzugsweise Silber, auf die Generatorplatte bzw. die isolierende Unterlage hergestellt sind.

8. Hallgenerator nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Generatorplatte zwischen zwei wärnieableiteniden Körpern aus nichtferromagnetischem Material eingebettet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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