DE1106410B

DE1106410B - Electrical measuring device for especially weak magnetic fields

Info

Publication number: DE1106410B
Application number: DES50595A
Authority: DE
Inventors: Hans Hieronymus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-09-28
Filing date: 1956-09-28
Publication date: 1961-05-10

Description

Elektrisches Meßgerät für insbesondere schwache magnetische Felder Zusatz zum Patent 973 121 Das Hauptpatent betrifft ein elektrisches Meßgerät, das auf der Erfassung der Änderung des elektrischen Widerstandes beruht, die einHalbleiterkörper in einem Magnetfeld erfährt, oder auf der Erfassung der Hallspannung, die an dem stromdurchflossenen Halbleiterkörper unter der Wirkung des Magnetfeldes auftritt.Electrical measuring device for especially weak magnetic fields Addendum to Patent 973 121 The main patent relates to an electrical measuring device, the is based on the detection of the change in electrical resistance, which a semiconductor body in a magnetic field, or on the detection of the Hall voltage applied to the current-carrying semiconductor body occurs under the effect of the magnetic field.

Als Halbleiterkörper ist eine der halbleitenden Verbindungen InSb, InAs, GaAs, InP oder GaSb vom Typ At BV mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens 6000 cm2,Vsec verwendet.As a semiconductor body, one of the semiconducting compounds InSb, InAs, GaAs, InP or GaSb of the At BV type with a carrier mobility of at least 6000 cm2, Vsec used.

Durch die gemäß dem Hauptpatent zu verwendenden Halbleiterstoffe mit Trägerbeweglichkeiten von 6000 cm2/Vsec oder mehr ergibt sich unter anderem der Vorteil, daß bei gleicher geometrischer Dimensionierung des Halbleiterkörpers als Meßkörper und bei gleicher aufgenommener Primärleistung sowie bei gleicher Laduffgsträgerkonzentration des Meßkörpers die im Magnetfeld auftretende Widerstandsänderung bzw. Hallspannung wesentlich größer wird als bei den bisher beltannten Geräten. Dies bedeutet eine entsprechende Erhöhung der Meßgenauigkeit bzw. der Empfindlichkeit. By the semiconductor materials to be used according to the main patent with carrier mobilities of 6000 cm2 / Vsec or more results among other things the advantage that with the same geometric dimensions of the semiconductor body as a measuring body and with the same absorbed primary power and with the same charge carrier concentration of the measuring body the change in resistance or Hall voltage occurring in the magnetic field is much larger than with the previously belted devices. This means one corresponding increase in measurement accuracy or sensitivity.

Der besondere Wert der Erfindung nach dem Hauptpatent ist darin zu sehen, daß die Hallspannung der zur Anwendung gelangenden Verbindungen leistungsmäßig höher über Galvanometergrößen hinausgehend belastet werden kann, d. h., daß es möglich ist, die Halispannung, zwar in bekannter Weise unmittelbar, also ohne Verstärker mit hochohmigem Eingang, auf leistungsaufnehmende Einrichtungen zu schalten, aber eine höhere Leistungsentnahme zu erzielen als bei einem der bekannten Geräte, z. B. bei einem Germanium-Halbleitergerät. Bei diesen Geräten würde die Hallspannung bei einer solchen Belastung zusammenbrechen. The particular value of the invention according to the main patent is in it see that the Hall voltage of the compounds used in terms of performance can be loaded higher than galvanometer sizes, d. i.e. that it is possible is, the Hali voltage, directly in a known manner, i.e. without an amplifier with high-impedance input to switch to power-consuming devices, but to achieve a higher power consumption than with one of the known devices, e.g. B. in a germanium semiconductor device. With these devices the Hall voltage would collapse under such stress.

Gegenstand der vorliegenden Weiterbildung des Gegenstandes des Hauptpatentes ist ein elektrisches Meßgerät zur Messung insbesondere schwacher magnetischer Felder. Bei dem neuen Gerät wird insbesondere von der zuletzt genannten Eigenschaft des Gerätes nach dem Hauptpatent Gebrauch gemacht. Zur Messung dient also die Hallspannung. Die Weiterbildung besteht darin, daß der Halbleitermeßkörper außer dem zu messenden Magnetfeld zusätzlich einem vom Hall strom des Meßkörpers erregten Magnetfeld ausgesetzt ist. Unter schwachen Feldern im hier gebrauchten Sinne werden insbesondere Felder von der Größenordnung des Erdfeldes, z. B. Streufelder von elektrischen Maschinen und anderen Einrichtungen, verstanden. Subject of the present development of the subject of the main patent is an electrical measuring device for measuring especially weak magnetic fields. In the case of the new device, the last-mentioned property of the Device made use of the main patent. The Hall voltage is used for the measurement. The further development consists in the fact that the semiconductor measuring body, in addition to the one to be measured Magnetic field additionally exposed to a magnetic field excited by the Hall current of the measuring body is. Weak fields in the sense used here are in particular fields of the order of magnitude of the earth's field, e.g. B. Stray fields from electrical machines and other bodies, understood.

Durch die vorliegende Weiterbildung wird die Empfindlichkeit des Gerätes nach dem Hauptpatent erheblich gesteigert. Dadurch wird das Gerät zur Messung extrem schwacher Magnetfelder brauchbar. Bei der Erfindung wird in bezug auf die Hallspannung ein Rückkopplungsprinzip angewendet, wie es für andere Anwendungszwecke von Hallgeneratoren, z. B. zur Schwingungserzeugung oder für Zeitschalter, bereits vorgeschlagen worden ist. Through the present development, the sensitivity of the Device according to the main patent increased considerably. This turns the device into a measurement extremely weak magnetic fields can be used. In the Invention is related to the Hall voltage applied a feedback principle as it was for other application purposes of hall generators, e.g. B. to generate vibrations or for time switches, already has been proposed.

Ein Ausführungsbeispiel für das Gerät gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. An embodiment of the device according to the invention is shown in FIG shown in the drawing.

Der Hallgenerator ist mit 1 angegeben. DerPrimärstromkreis ist lediglich durch die Primärstromelektrode bei 2 angedeutet. Der Hallstromkreis ist mit 3 bezeichnet; in ihm liegen Wicklungen 4 und 5, die um weichmagnetische Eisenstäbe 6 und 7 angeordnet sind. The Hall generator is indicated by 1. The primary circuit is only indicated by the primary current electrode at 2. The Hall circuit is denoted by 3; in it are windings 4 and 5, which are arranged around soft magnetic iron rods 6 and 7 are.

Die Richtung des Hallstromes im Hallkreis 3 ist durch Pfeile gekennzeichnet. Das auf den Hallgenerator wirkende und zu messende Magnetfed ist symbolisch durch die Pfeile bei 8 angedeutet. Die Hallspannung wird mit einem Meßgerät 9 gemessen. Da die Hallspannung ein unmittelbares Maß für die Größe des zu messenden Magnetfeldes ist, wird das Meßgerät 9 zweckmäßigerweise direkt auf Magnetfeldstärke geeicht.The direction of the Hall current in Hall circuit 3 is indicated by arrows. The magnetic spring that acts on the Hall generator and is to be measured is symbolically through the arrows indicated at 8. The Hall voltage is measured with a measuring device 9. Because the Hall voltage is a direct measure of the size of the magnetic field to be measured is, the measuring device 9 is expediently calibrated directly to magnetic field strength.

Die Wirkungsweise der Anordnung beruht darauf, daß der durch das zu messende Magnetfeld induzierte Hallstrom durch die Wicklungen 4 und 5 ein durch die Eisenstäbe 6 und 7 verstärktes zusätzliches, auf den Hallgenerator wirkendes Magnetfeld erzeugt und dadurch die Hallspannung vergrößert. Hierdurch wird der Meßbereich nach kleinen Magnetfeldstärken hin und die Empfindlichkeit der Anzeige erheblich vergrößert, so daß es möglich ist, sehr kleine Feldstärken, etwa in der Größenordnung des Erdfeldes, mit großer Genauigkeit zu erfassen. Auf Grund dieser Eigenschaften eignet sich das Gerät gemäß der Erfindung zur Ausmessung extrem schwacher Felder, z. B. zur extrem genauen Ausmessung von Streufeldern an elektrischen Maschinen und anderen elektrischen Einrichtungen. The mode of operation of the arrangement is based on the fact that the The magnetic field to be measured induced Hall current through the windings 4 and 5 the iron bars 6 and 7 reinforced additional, acting on the Hall generator Generates a magnetic field and thereby increases the Hall voltage. This becomes the measuring range towards small magnetic field strengths and the sensitivity of the display is considerable enlarged, so that it is possible to have very small field strengths, roughly of the order of magnitude of the earth's field with great accuracy. Because of these properties the device according to the invention is suitable for measuring extreme weak fields, e.g. B. for extremely precise measurement of stray fields on electrical Machines and other electrical equipment.

PATENTANSPROCHE: 1. Elektrisches Meßgerät für magnetische Felder, das auf der Erfassung der Hallspannung beruht, die an einem stromdurchflossenen Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes auftritt, und bei dem als Halbleiterkörper eine der halbleitenden Verbindungen In Sb, In As, GaAs, InP oder Ga Sb vom Typ AlIIBV mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens 6000 cm2/Vsec vorgesehen ist, nach Patent 973121, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Meßkörper außer dem zu messenden Magnetfeld zusätzlich einem vom Hall strom des Meßkörpers erregten Magnetfeld ausgesetzt ist. PATENT CLAIM: 1. Electrical measuring device for magnetic fields, which is based on the detection of the Hall voltage applied to a current-carrying Semiconductor body occurs under the action of a magnetic field, and in which as Semiconductor body one of the semiconducting compounds In Sb, In As, GaAs, InP or Ga Sb of the AlIIBV type with a carrier mobility of at least 6000 cm2 / Vsec is provided according to patent 973121, characterized in that the semiconductor measuring body in addition to the magnetic field to be measured, an additional Hall current from the measuring body exposed to an excited magnetic field.

Claims

2. Electrical measuring device according to claim 1, characterized in that that the measuring body between two soft magnetic iron rods, which of one or several windings fed by the Hall voltage of the measuring body are surrounded, is arranged.

3. Electrical measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that that it is used to measure stray fields on electrical machines or other electrical Facilities.

References considered: U.S. Patents No. 1,825 855, 2562 120; "Siemens-Zeitschrift", 28 (1954), p. 383; "The Review of Scientific Instruments, 19 (1948), pp. 263 to 265.

Older patents considered: German Patent No. 1 040 079.