DE1133819B

DE1133819B - Electrical measuring device for especially weak magnetic fields

Info

Publication number: DE1133819B
Application number: DES50698A
Authority: DE
Inventors: Dr Herbert Weiss; Hans Hieronymus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-09-29
Filing date: 1956-09-29
Publication date: 1962-07-26

Description

Elektrisches Meßgerät für insbesondere schwache magnetische Felder Zusatz zum Patent 973 121 Das Hauptpatent betrifft ein inzwischen bekanntes elektrisches Meßgerät für magnetische Felder, das auf der Erfassung der Hall-Spannung beruht, die an einem stromdurchflossenen Halbleiterkörper unter der Wirkung des Magnetfeldes auftritt. Als Halbleiterkörper ist eine der halbleitenden Verbindungen InSb, InAs, GaAs, InP oder GaSb vom Typ AIIIBV mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens 6000 cm2/Vsec verwendet. Electrical measuring device for especially weak magnetic fields Addition to patent 973 121 The main patent relates to an electrical one that is now known Measuring device for magnetic fields based on the detection of the Hall voltage, those on a current-carrying semiconductor body under the effect of the magnetic field occurs. As a semiconductor body, one of the semiconducting compounds InSb, InAs, GaAs, InP or GaSb of the AIIIBV type with a carrier mobility of at least 6000 cm2 / Vsec used.

Es ist auch bekannt, ein solches Meßgerät mit Mitteln zur Kompensation des Hall-Spannungsnulleffektes, d. h. einer beim Magnetfeld Null vorliegenden Spannung an den Hall-Elektroden, zu versehen. Ferner ist es bekannt, das Meßgerät nach dem Hauptpatent in der Weise in einem elektrischen Regelkreis zu verwenden, daß eine vom Hall-Ausgang des Halbleiterkörpers abgeleitete Rückkopplung über eine diesen erregende Feldwicklung erfolgt. It is also known to have such a measuring device with means for compensation the Hall voltage null effect, d. H. a voltage present at zero magnetic field on the Hall electrodes. It is also known to use the measuring device after Main patent in such a way to use in an electrical control loop that a from the Hall output of the semiconductor body derived feedback via this exciting field development takes place.

Der besondere Wert der Erfindung nach dem Hauptpatent ist darin zu sehen, daß die Hall-Spannung der zur Anwendung gelangenden Verbindungen leistungsmäßig höher über Galvanometergrößen hinausgehend belastet werden kann, d. h., daß es möglich ist, die Hall-Spannung unmittelbar, also ohne Verstärker mit hochohmigem Eingang, auf solche leistungsaufnehmende Einrichtungen zu schalten, für die bei einem der bekannten Geräte, z. B. bei einem Germanium-Halbleitergerät, die Hall-Spannung bei einer solchen Belastung zusammenbrechen würde. 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 Hall voltage is immediate, i.e. without an amplifier with a high-impedance input, to switch to such power-consuming facilities for which one of the known devices, e.g. B. in a germanium semiconductor device, the Hall voltage at such a burden would collapse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterbildung des Gegenstandes des Hauptpatentes im Sinne der Erzielung eines elektrischen Meßgerätes mit extremer Empfindlichkeit und Temperaturunabhängigkeit 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 die Hall-Spannung, die an einem stromdurchfiossenen Halbleiterkörper in dem zu messenden Magnetfeld auftritt. Die Weiterbildung besteht darin, daß der Halbleiter-Meßkörper außer dem zu messenden Magnetfeld zusätzlich einem gleichsinnigen, unmittel; bar vom Hall-Strom des Meßkörpers erregten Magnetfeld ausgesetzt ist, daß zur Kompensation des Hall-Spannungsnulleffektes (Spannung an den Hall-Elektroden beim Magnetfeld Null) Vorrichtungen zur Erzeugung eines Gegenmagnetfeldes vorgesehen sind und daß ferner zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung des Meßkörpers im Hall-Kreis ein Heißleiterwiderstand angeordnet ist, dessen Widerstands-Temperatur-Kurve durch einen parallel geschalteten Widerstand an die Widerstands-Temperatur-Kurve der Hall-Spannung des Meßkörpers angepaßt ist. The object of the present invention is to develop the subject matter of the main patent in the sense of achieving an electrical measuring device with extreme Sensitivity and temperature independence for measuring especially weak magnetic fields. In the case of the new device, the last-mentioned one in particular Property of the device made use of according to the main patent Used for measurement the Hall voltage that is applied to a current-carrying semiconductor body in the to be measured Magnetic field occurs. The development consists in that the semiconductor measuring body in addition to the magnetic field to be measured, an additional direct; bar the magnetic field excited by the Hall current of the measuring body is exposed to that for compensation the Hall voltage zero effect (voltage at the Hall electrodes in the magnetic field Null) devices for generating a counter magnetic field are provided and that also to compensate for the temperature dependence of the Hall voltage of the Measuring body a thermistor resistor is arranged in the Hall circuit, its resistance-temperature curve by a resistor connected in parallel to the resistance-temperature curve the Hall voltage of the measuring body is adapted.

Unter schwachen Magnetfeldern im hier gebrauchten Sinn werden insbesondere Felder von der Größenordnung des Erdfeldes, z. B. Streufelder von elektrischen Maschinen und anderen Einrichtungen, verstanden. Gerade bei solchen Feldern wirken sich die Vorteile der vorliegenden Weiterbildung des Gerätes nach dem Hauptpatent besonders günstig aus; dies gilt insbesondere in bezug auf die erfindungsgemäße Kompensation des Hall-Spannungsnulleffektes gegenüber anderen bereits bekanntgewordenen Kompensationsmethoden, die im wesentlichen in äußeren Beschaltungsmalinahmen der Hall-Anordnung bestehen. Weak magnetic 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. It is precisely in such fields that the Advantages of the present development of the device according to the main patent in particular cheap from; this applies in particular to the compensation according to the invention the Hall voltage zero effect compared to other already known compensation methods, which essentially consist of external wiring of the Hall arrangement.

Gemäß einem Gedanken zur weiteren Ausgestaltung des Meßgerätes nach der Erfindung kann der Halbleiter-Meßkörper, wie an sich bekannt, zwischen zwei weichmagnetischen Eisenstäben, die von mindestens einer durch die Hall-Spannung des Meßkörpers gespeisten Wicklung umgeben sind, angeordnet werden, und der Luftspalt kann durch eine an den beiden Eisenstäben befestigte Abstandsschiene gegeben und diese materialmäßig und geometrisch so dimensioniert sein, daß die sich bei einer Temperaturänderung aus der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Eisenstäbe und der Abstandsschiene ergebende Änderung des Luftspaltes und damit des auf den Meßkörper wirkenden Magnetfeldes die durch die Temperaturänderung verursachte Änderung der Hall-Spannung gerade kompensiert. According to a thought on the further configuration of the measuring device according to the invention, the semiconductor measuring body, as known per se, between two soft magnetic iron rods held by at least one by the Hall voltage of the measuring body fed winding are surrounded, are arranged, and the air gap can be given by a spacer rail attached to the two iron bars and this materially and geometrically dimensioned so that the one Temperature change from the difference in the thermal expansion coefficients of the iron rods and the spacing rail resulting change in the air gap and thus on the Measuring body acting magnetic field the change caused by the temperature change the Hall voltage just compensated.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele des Gerätes verwiesen; es zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit einer Einrichtung zur Kompensation des Nulleffektes der Hall-Spannung ohne Temperaturkompensation, Fig. 2 eine Einrichtung zur Temperaturkompensation, Fig. 3 ein Diagramm mit Widerstands-Temperatur-Kurven der Widerstandsanordnung der in Fig. 2 dargestellten Temperaturkompensationseinrichtung, Fig. 4 die Anordnung des Meßgerätes mit einer Temperaturkompensation mit Hilfe einer Abstandsschiene. To further explain the invention, reference is made to that in the drawing referenced embodiments of the device shown; 1 shows an exemplary embodiment with a device to compensate for the background effect of the Hall voltage without temperature compensation, FIG. 2 shows a device for temperature compensation, FIG. 3 shows a diagram with resistance-temperature curves the resistor arrangement of the temperature compensation device shown in Fig. 2, Fig. 4 shows the arrangement of the measuring device with a temperature compensation with the aid of a Spacer rail.

In Fig. list ein Hall-Generator-Meßkörper mit 1 bezeichnet. Der Primärkreis des Meßkörpers ist der Übersicht halber nicht angegeben. Der Meßkörper ist zwischen weichmagnetischen Eisen stäben 2 und 3 angeordnet, die von zwei im Hall-Kreis 4 des Meßkörpers 1 befindlichen Spulen 5 und 6 umgeben sind; der Eisenstab2 ist außerdem von einer Spule 7 umgeben, die durch eine Gleichstromquelle 8 gespeist wird. Der durch die Elemente 7 und 8 dargestellte Hilfskreis dient zur Erzeugung eines Gegenmagnetfeldes und ist so bemessen, daß durch dieses der Nulleffekt der Hall-Spannung des Meßkörpers kompensiert wird. Unter Nulleffekt wird diejenige Hall-Spannung verstanden, die an den Hall-Elektroden des stromdurchflossenen Halbleiterkörpers beim Magnetfeld Null auftritt, und zwar bedingt durch die praktisch nicht absolut symmetrisch anzubringenden Hall-Elektroden. Ist der nicht dargestellte Primärstromkreis des Meßkörpers ein Gleichstromkreis, so kann die Spule 7 durch diesen versorgt werden und die Stromquelle8 wegfallen. A Hall generator measuring body is designated by 1 in FIG. The primary circle of the measuring body is not given for the sake of clarity. The measuring body is between magnetically soft iron rods 2 and 3 arranged by two in the Hall circuit 4 of the measuring body 1 located coils 5 and 6 are surrounded; the iron rod2 is also surrounded by a coil 7 which is fed by a direct current source 8. Of the Auxiliary circuit represented by elements 7 and 8 is used to generate an opposing magnetic field and is dimensioned so that through this the background effect of the Hall voltage of the measuring body is compensated. The background effect is understood to mean that Hall voltage which at the Hall electrodes of the current-carrying semiconductor body in the magnetic field Zero occurs, due to the fact that they are practically not absolutely symmetrical to be attached Hall electrodes. Is the primary circuit, not shown, of the measuring body a DC circuit, the coil 7 and the power source 8 can be supplied by this fall away.

Bei 9 ist das Anzeigeinstrument des Meßgerätes angegeben. Die Temperaturkompensation des Meßgerätes gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 nicht angegeben, sie ist im einzelnen in den Fig. 2 und 4 dargestellt.At 9 the display instrument of the measuring device is indicated. The temperature compensation of the measuring device according to the invention is not indicated in Fig. 1, it is in detail shown in Figs.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dient zur Temperaturkompensation der Hall-Spannung ein im Hall-Kreis angeordneter Heißleiterwiderstand, der mit 11 bezeichnet ist, und ein dazu parallel geschalteter temperaturunabhängiger Festwiderstand 12. Als Heißleiterwiderstand kann z. B. ein InSb-Körper verwendet werden. Dieser wird so dimensioniert, daß dessen Widerstands-Temperatur-Kurve der Widerstands-Temperatur-Kurve der Hall-Spannung des Meßkörpers möglichst weitgehend angepaßt ist, so daß die Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung möglichst weitgehend kompensiert wird. In the exemplary embodiment according to FIG. 2, temperature compensation is used the Hall voltage is a thermistor resistor arranged in the Hall circuit, which is indicated by 11 is designated, and a temperature-independent fixed resistor connected in parallel 12. As the thermistor resistor, z. B. an InSb body can be used. This is dimensioned so that its resistance-temperature curve corresponds to the resistance-temperature curve the Hall voltage of the measuring body is adapted as largely as possible, so that the temperature dependence the Hall voltage is compensated as largely as possible.

Diese Art der Temperaturkompensation an sich ist schon an anderer Stelle vorgeschlagen worden. Auf Grund der Erfindung kann durch geeignete Dimensionierung des zum Heißleiterwiderstand parallelen Widerstandes die Anpassung der beiden Widerstands-Temperatur-Kurven in weit höherem Maße bewerkstelligt werden. Dies ist aus dem Diagramm der Fig. 3 zu entnehmen. Auf der Abszisse ist die Temperatur in Celsiusgraden und auf der Ordinate der auf den Widerstand bei 20° C bezogene relative Gesamtwiderstand der parallel geschalteten beiden Widerstände 11 und 12-aufgetragen. Die Kurven entsprechen verschiedenen Widerstandsverhältnissen zwischen dem Festwiderstand 12 (Rv) und dem Widerstand des Heißleiters 11 (Rta), also dem Verhältnis Rp/Rt. An den einzelnen Kurven ist jeweils dieses Verhältnis angegeben. Die Kurve Rp/Rta = co ist die Widerstands-Temperatur-Kurve des Heißleiters, ohne Parallelwiderstand.This type of temperature compensation in itself is already different Position has been proposed. Due to the invention, by suitable dimensioning of the resistance parallel to the thermistor resistance, the adaptation of the two resistance-temperature curves can be accomplished to a far greater extent. This is from the diagram of FIG. 3 refer to. The temperature in degrees Celsius is on the abscissa and the ordinate the Relative total resistance of the connected in parallel, based on the resistance at 20 ° C both resistors 11 and 12-applied. The curves correspond to different resistance ratios between the fixed resistor 12 (Rv) and the resistance of the thermistor 11 (Rta), i.e. the ratio Rp / Rt. This ratio is in each case on the individual curves specified. The curve Rp / Rta = co is the resistance-temperature curve of the thermistor, without parallel resistance.

Aus dem Diagramm der Fig. 3 entnimmt man, daß es nicht nur möglich ist, den Verlauf der Kurven an sich weitgehend zu variieren, sondern daß auch die Kurvenform bezüglich des Vorzeichens der Krümmung wesentlich beeinflußt werden kann.From the diagram of FIG. 3 it can be seen that it is not only possible is to largely vary the course of the curves per se, but that also the Curve shape with respect to the sign of the curvature can be significantly influenced.

Bei einem Meßgerät mit einer Temperaturkompensation der vorgenannten Art lag die Temperaturabhängigkeit in einem Bereich zwischen 10 und +27° C unterhalb der Meßgenauigkeit von 1 OIoo.In the case of a measuring device with a temperature compensation of the aforementioned Art, the temperature dependency was in a range between 10 and + 27 ° C below the measuring accuracy of 1 OIoo.

Die Variationsbreite kann noch dadurch erweitert werden, daß an Stelle des Festwiderstandes ein einstellbarer Widerstand parallel geschaltet wird, z. B. ein Widerstand, dessen Vorzeichen des Temfieraturkoeffizienten dem des Heißleiters entgegengesetzt ist.The range of variation can be expanded by replacing of the fixed resistor an adjustable resistor is connected in parallel, e.g. B. a resistor whose sign of the temperature coefficient is that of the thermistor is opposite.

Eine zweite Lösung zur Durchführung der Temperaturkompensation der Hall-Spannung des Meßgerätes ist in Fig.4 dargestellt. Der Abstand der Eisenstäbe 2 und 3 und damit die Größe des Luftspaltes, in dem der Meßkörper angeordnet ist, ist durch eine Abstandsschiene 21, die mit Hilfe zweier Bänder 22 und 23 an den Eisenstäben befestigt ist, festgelegt. Wird als Abstandsschiene ein Material gewählt, das einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die Eisenstäbe, z. B. A second solution for performing temperature compensation Hall voltage of the measuring device is shown in Fig.4. The distance between the iron bars 2 and 3 and thus the size of the air gap in which the measuring body is arranged, is by a spacer bar 21, which with the help of two straps 22 and 23 to the Iron bars attached, laid down. If a material is selected as the spacer rail, which has a smaller coefficient of thermal expansion than the iron rods, e.g. B.

Molybdän, so tritt bei einer Temperaturänderung eine Änderung des Luftspaltes und damit eine Änderung des auf den Meßkörper wirkenden Magnetfeldes ein, und zwar in einem Sinne, daß die Temperaturänderung der Hall-Spannung kompensiert wird. Durch geeignete Dimensionierung ist eine praktisch vollständige Temperaturkompensation zu erreichen.Molybdenum, a change in temperature occurs with a change in temperature Air gap and thus a change in the magnetic field acting on the measuring body a, in a sense that the temperature change compensates for the Hall voltage will. Suitable dimensioning enables practically complete temperature compensation to reach.

Durch die vorliegende Weiterbildung wird die Empfindlichkeit und Temperaturunabhängigkeit des Gerätes nach dem Hauptpatent erheblich gesteigert. The present training increases the sensitivity and According to the main patent, the device's temperature independence has increased considerably.

Durch das Gerät wird die Messung extrem schwacher Magnetfelder selbst bei verhältnismäßig großen Temperaturschwankungen mit extremer Genauigkeit möglich. Bei der Erfindung wird in bezug auf die Erzeugung eines zusätzlichen Magnetfeldes durch die Hall-Spannung ein Rückkopplungsprinzip angewendet, wie es an anderer Stelle für andere Anwendungszwecke von Hall-Generatoren, z. B. zur Schwingungserzeugung oder für Zeitschalter, bereits vorgeschlagen worden ist.The device makes it possible to measure extremely weak magnetic fields themselves possible with relatively large temperature fluctuations with extreme accuracy. In the invention, in relation to the generation of an additional magnetic field by means of the Hall voltage a feedback principle is applied, as is done elsewhere for other uses of Hall generators, e.g. B. to generate vibrations or for time switches, has already been proposed.

Uber die primäre Magnetfeldmessung hinaus kann das Gerät gemäß der Erfindung - wie an sich bekannt - auch zu Steuer- oder Regelzwecken ausgenutzt werden, indem die Steuer- bzw. Regelgröße durch das Magnetfeld abgebildet wird. Dabei kann eine weitere Einflußgröße über den Primärstromkreis des Meßkörpers zur Einwirkung gebracht werden. In addition to the primary magnetic field measurement, the device can be used according to Invention - as known per se - can also be used for control or regulating purposes, in that the control or regulation variable is mapped by the magnetic field. Here can another influencing variable on the primary circuit of the measuring body to act to be brought.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electrical measuring device for especially weak magnetic fields on the Detection of the Hall voltage is based, those on a current-carrying semiconductor body under the effect of the magnetic field occurs, and in which one of the semiconducting compounds InSb, InAs, GaAs, InP or GaSb of type AIIIBV with a carrier mobility of at least 6000 cm2 / Vsec is provided, according to patent 973121, with means to compensate for the Hall voltage zero effect (voltage at the Hall electrodes when the magnetic field is zero) and with a feedback derived from the Hall voltage output of the measuring body characterized on this with the help of an additional field excitation that In addition to the magnetic field to be measured, the semiconductor measuring body also has a same-directional, is exposed to the magnetic field excited directly by the Hall current of the measuring body, that to compensate for the Hall voltage zero effect devices for generating a Counter magnetic field are provided and that also to compensate for the temperature dependence the Hall voltage of the measuring body in the Hall circuit, a thermistor resistor is arranged whose resistance-temperature curve is obtained by means of a parallel-connected 5 resistor is adapted to the resistance-temperature curve of the Hall voltage of the measuring body, in the sense of achieving extreme sensitivity and temperature independence.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the measuring body between two magnetically soft iron rods that are connected by at least one through the Hall voltage of the measuring body-fed winding are surrounded, is arranged (Fig. 1).

3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the Measuring body arranged on the primary side in a direct current circuit and that for generation of the counter magnetic field an additional coil is provided and in the primary circuit of the Hall generator is arranged.

4. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that for Generation of the counter magnetic field an additional coil (7) is provided and in one DC auxiliary circuit is arranged (Fig. 1).

5. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that that a temperature-independent fixed resistor (12) is provided as a parallel resistor is (Fig. 2).

6. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that an adjustable resistor is provided as a parallel resistor.

7. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that a resistor is provided as a parallel resistor, the sign of which is Temperature coefficient is opposite to that of the thermistor resistance.

8. Measuring device according to claim 1, modified so that the measuring body in the air gap between two magnetically soft iron rods (2, 3), which are at least surrounded by a winding (5, 6) fed by the Hall voltage of the measuring body are, is arranged and that the size of the air gap by one at the two Iron rods (2, 3) attached spacer rail (21) given and this material and is geometrically dimensioned so that the changes in temperature from the difference between the thermal expansion coefficients of the iron bars and the spacer rail resulting change in the air gap and thus the magnetic field acting on the measuring body just compensated for the change in Hall voltage caused by the temperature change.

9. Measuring device according to claim 8, characterized in that the spacer rail is made of molybdenum.

10. Use of the measuring device according to one of the preceding claims for control or regulation purposes, in that the control or

Controlled variable is mapped by the magnetic field and further if necessary another influencing variable on the primary circuit of the measuring body to act is brought.

Documents considered: German Patent No. 1 040 079; British Patent No. 747,708; U.S. Patent No. 1,825,855; "Siemens magazine", 28 (1954), pp. 370 to 384.