DE1290341B

DE1290341B - Contactless transmitter

Info

Publication number: DE1290341B
Application number: DE1964S0092889
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Herbert; Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-08-29
Filing date: 1964-08-29
Publication date: 1969-03-06

Description

Es sind verschiedene elektrische Einrichtungen bekannt, bei denen die Magnetfeld abhängigkeit von Haibleiterwiderständen ausgenutzt wird (vgl. die deutsche Patentschrift 973121).-Die magnetische Widerstandsänderung A R von Halbleiterkörpern ist unabhängig vom Vorzeichen des einwirkenden Magnetfeldes und hängt quadratisch vom Magnetfeld (B) ab (d R zur B2). Diese quadratische Abhängigkeit ist bei kleinen Magnetfeldern schwierig zu erfassen, da die Widerstandscharakteristik beim Magnetfeld 0 auch die Steigung 0 hat. Various electrical devices are known in which the magnetic field dependency of semiconductor resistances is exploited (cf. German patent specification 973121) .- The change in magnetic resistance A R of semiconductor bodies is independent of the sign of the applied magnetic field and depends on the square from the magnetic field (B) (d R to B2). This quadratic dependency is with small ones Magnetic fields difficult to detect because of the resistance characteristics of the magnetic field 0 also has the slope 0.

In bekannten Einrichtungen sind daher schon Hilfsmagnetfelder vorgesehen, die unabhängig vom zu messenden bzw. steuernden Magnetfeld auf den Halbleiterwiderstand einwirken, also den Halbleiterwiderstand vormagnetisieren. Auxiliary magnetic fields are therefore already provided in known facilities, which affect the semiconductor resistance independently of the magnetic field to be measured or controlled act, i.e. premagnetize the semiconductor resistance.

Beispielsweise beziehen sich die deutsche Auslegeschrift 1020107 und die schweizerische Patentschrift 198449 auf die Vormagnetisierung von magnetfeldabhängigen Halbleiterkörpern mit Hilfsmagnetfeldern gleicher absoluter Größe, aber entgegengesetzter Polarität. Zweck der Hilfsfelder ist die Erhöhung der Meßgenauigkeit der jeweiligen Anordnung. Die Hilfsmagnetfelder sind jedoch im Bekannten für jeden Halbleiterkörper getrennt. Die Halbleiterkörper befinden sich auch nicht in einem kompakten Magnetkreis oder sonstigen Metallrahmen, der einen Temperaturausgleich der beiden Halbleiterkörper bewirkte. For example, refer to the German Auslegeschrift 1020107 and Swiss patent 198449 on the premagnetization of magnetic field-dependent Semiconductor bodies with auxiliary magnetic fields of the same absolute size, but opposite Polarity. The purpose of the auxiliary fields is to increase the measurement accuracy of the respective Arrangement. The auxiliary magnetic fields are, however, known for every semiconductor body separated. The semiconductor bodies are also not located in a compact magnetic circuit or any other metal frame that balances the temperature of the two semiconductor bodies caused.

Es ist auch schon ein kontaktloser Meßumformer mit einem Halbleiterkörper zur Erfassung des Ortes und/oder der Ortsveränderung eines magnetischen Körpers vorgeschlagen worden. Der Halbleiterkörper ist dabei einem konstanten Magnetfeld und einem von der örtlichen Lage eines magnetischen Körpers, dessen Ort und/oder Ortsveränderung erfaßt werden soll abhängigen, also veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt. Da der Halbleiterkörper mit einem konstanten Magnetfeld vormagnetisiert ist, können mit dem Meßumformer auch kleine Änderungen eines auf den Halbleiterkörper einwirkenden magnetischen Signalfeldes mit großer Genauigkeit erfaßt werden. It is already a contactless transmitter with a semiconductor body for detecting the location and / or the change in location of a magnetic body has been proposed. The semiconductor body is in a constant magnetic field and one of the local position of a magnetic body, its location and / or Changes in location are to be detected depending on, that is, exposed to a variable magnetic field. Since the semiconductor body is premagnetized with a constant magnetic field, can with the transducer also small changes of an acting on the semiconductor body magnetic signal field can be detected with great accuracy.

Jedoch wird der Widerstand eines Halbleiterkörpers in ähnlichem Maße wie durch Magnetfelder auch durch Temperatureinflüsse geändert. Auch kann die Temperatur im allgemeinen EinfLuß auf die das konstante Magnetfeld erzeugende Mittel haben. However, the resistance of a semiconductor body becomes similar as changed by magnetic fields also by temperature influences. Also can the temperature generally have an influence on the means producing the constant magnetic field.

Daher ist es nötig, Sorge zu tragen, daß sich der Halbleiterkörper und die das konstante Magnetfeld erzeugenden Mittel auf konstanter Temperatur befinden. In manchen Fällen ist es auch zweckmäßig, in den Stromkreis des Halbleiterkörpers einen temperaturabhängigen Widerstand einzuschalten, welcher in der Lage ist, die Temperaturabhängigkeit der ganzen Einrichtung zu kompensieren.Therefore, it is necessary to take care that the semiconductor body and the means for generating the constant magnetic field are at a constant temperature. In some cases it is also useful in the circuit of the semiconductor body to switch on a temperature-dependent resistor, which is capable of the To compensate for the temperature dependence of the entire facility.

Im ersteren Falle werden die Temperatur konstant haltende Mittel, z. B. Thermostaten, gebraucht, die nicht nur aufwendig sind, sondern auch gegenüber der übrigen Meßumformereinrichtung verhältnismäßig viel Raum einnehmen. Es ist andererseits nur in wenigen Fällen möglich, einen temperaturabhängigen Widerstand zu finden, der die meist nichtlineare Temperaturabhängigkeit der Meßumformereinrichtung in einem größeren Temperaturbereich, z. B. über 100 C Temperaturschwankung, zu kompensieren vermag. In the first case, the temperature-maintaining means are used, z. B. thermostats used, which are not only expensive, but also opposite the rest of the transducer take up a relatively large amount of space. It is on the other hand only possible in a few cases to find a temperature-dependent resistor, which the mostly non-linear temperature dependence of the transducer device in a wider temperature range, e.g. B. over 100 C temperature fluctuation to compensate able.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer zu schaffen, der trotz kleiner Signal- magnetfelder bei hohem Verhältnis von Signalspan--nung zur - Stromversorgung -weitgehend -unabhängig von der Temperatur arbeitet. The invention is based on the object of creating a measuring transducer, which despite small signal magnetic fields with a high signal voltage ratio for - power supply - largely - works independently of the temperature.

Die Erfindung bezieht sich auf einen kontaktlosen Meßumformer mit einer magnetfeldabhängigen Halbleitersonde, auf die ein konstantes Magnetfeld und ein von der örtlichen Lage eines oder mehrerer magnetischer Körper herrührendes Magnetfeld einwirkt. The invention relates to a contactless transmitter a magnetic field dependent semiconductor probe to which a constant magnetic field and one resulting from the local position of one or more magnetic bodies Magnetic field acts.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß zwei den gleichen Grundwiderstand besitzende, magnetfeld abhängige Halbleiteranteile der Sonde, die in eine Widerstandsmeßbrücke eingeschaltet sind, in zwei Luftspalte eines Permanentmagnetkreises gesetzt sind, derart, daß auf die beiden Halbleiteranteile gegensinnige Magnetfelder gleicher absoluter Größe einwirken, und daß der Diagonalstrom der Brücke als Maß für die temperaturunabhängige Differenz der Widerstände der beiden Halbleiteranteile dient. The solution according to the invention is that two are the same Basic resistance, magnetic field-dependent semiconductor components of the probe that are switched into a resistance bridge, in two air gaps of a permanent magnet circuit are set in such a way that opposing magnetic fields act on the two semiconductor components of the same absolute magnitude, and that the diagonal current of the bridge as a measure for the temperature-independent difference between the resistances of the two semiconductor components serves.

Der Diagonalstrom kann zu Steuerungszwecken ausgewertet bzw. zur Anzeige einem Strommeßgerät zugeführt werden. Die beiden Halbleiteranteile können zwei magnetfeld abhängige Halbleiterkörper, sogenannte Feldplatten sein, die in zwei aneinandergrenzenden Brückeuzweigen eingeschaltet sind. Es kann jedoch an Stelle von zwei Feldplatten auch eine einzige Feldplatte mit drei Elektroden in Potentiometerschaltung, z. B. mit Mittelabgriff, verwendet werden. Da Temperaturunterschiede der beiden Halbleiteranteile nach Möglichkeit vermieden werden sollen, ist eine Feldplatte mit drei Anschlüssen füx den erfindungsgemäßen Meßumformer besonders ge eignet, denn naturgemäß können zwei getrennte Körper eher verschiedene Temperatur haben als zwei Teile eines Körpers, der insgesamt nicht größer ist als die beiden Körper zusammen. The diagonal current can be evaluated or used for control purposes Display are fed to an ammeter. The two semiconductor components can be two magnetic field dependent semiconductor bodies, so-called field plates, which are in two adjacent bridge branches are switched on. It can, however, in place of two field plates also a single field plate with three electrodes in a potentiometer circuit, z. B. with center tap can be used. There are temperature differences between the two Semiconductor components should be avoided as far as possible, is a field plate with three connections for the transmitter according to the invention particularly suitable, because naturally two separate bodies can have different temperatures as two parts of a body that is no larger than the two bodies in total together.

Die beiden Feldplattenanteile befinden sich in Magnetfeldern entgegengesetzter Richtung, aber gleicher absoluter Größe. Bei der erfindungsgemßen Anordnung ergibt sich daher ein größeres Signal als im Falle einer Anordnung mit gleichsinnigen Magnetfeldern. The two field plate parts are in opposite directions in magnetic fields Direction, but of the same absolute size. With the arrangement according to the invention therefore a larger signal than in the case of an arrangement with magnetic fields in the same direction.

Beim erfindungsgemäßen Signalgeber ist das Verhältnis der beiden Widerstände und daher das Signal um mindestens eine Größenordnung weniger temperaturabhängig als bei einem Einzelwiderstand. Außerdem ist der Nullpunkt der Widerstandsdifferenz der beiden Halbleiteranteile praktisch temperaturunabhängig. In the signal generator according to the invention, the ratio of the two is Resistances, and therefore the signal, are at least an order of magnitude less temperature-dependent than with a single resistor. In addition, the zero point is the resistance difference of the two semiconductor components practically independent of temperature.

An Hand der schematischen Zeichnung werden weitere Einzelheiten erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Feldsonde mit zwei Halbleiterkörpern, auf die zwei gleich große, aber gegensinnige Magnetfelder einwirken, Fig. 2 ein Beispiel einer Schaltung für den Meßumformer, F i g. 3 ein Diagramm, betreffend die Widerstandsdifferenz der Halbleiterkörper in Abhängigkeit vom zu bestimmenden Ort eines magnetischen Körpers, F i g. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele der Sonde des Meßumformers. Further details are explained on the basis of the schematic drawing. It shows F i g. 1 a field probe with two semiconductor bodies on which two are the same large but opposing magnetic fields act, Fig. 2 shows an example of a circuit for the transmitter, F i g. 3 is a diagram relating to the difference in resistance the semiconductor body depending on the location to be determined of a magnetic Body, F i g. 4 and 5 show two embodiments of the transducer probe.

Die Feldplatten 1 und 2 mit den Anschlüssen 5 bzw. 6 nach F i g. 1 befinden sich - bei Abwesenheit äußerer Magnetfelder - in Feldern mit zwar gleicher absoluter Größe, aber der Fluß durch die eine Feldplatte ist entgegengesetzt zum Fluß durch die andere Feldplatte gerichtet. Zur Erzeugung dieser konstanten Magnetfelder kann der Magnet 7 mit den Polschuhen 8 und 9 dienen. Bei Annäherung eines magnetischen Körpers 4 (weich- oder hartmagnetisch) werden die Widerstände Rl und R2 der Feldplatten 1 und 2 verändert. Der Körper 4 - wie auch die entsprechenden Körper in den folgenden Figuren - kann beispielsweise Teil einer Vorrichtung sein, deren Ort bzw. The field plates 1 and 2 with the connections 5 and 6 according to FIG. 1 are - in the absence of external magnetic fields - in fields with the same absolute size, but the flow through one field plate is opposite to the Flow directed through the other field plate. To generate these constant magnetic fields the magnet 7 with the pole pieces 8 and 9 serve. When approaching a magnetic body 4 (soft or hard magnetic) are the resistors Rl and R2 of the field plates 1 and 2 changed. The body 4 - as well as the corresponding ones Body in the following figures - can be part of a device, for example, their location or

Ortsveränderung bestimmt werden soll. Da auf die beiden Feldplatten nach F i g. 1 zwei entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder wirken, ergibt sich, wenn sich die Feldplatten im Feld des magnetischen Körpers 4 befinden, mit dieser Anordnung eine größere Widerstandsdifferenz R1 - R2 als mit einer Anordnung mit gleichsinnigen Magnetfeldern. Der Körper 4 wird z. B. in Pfeilrichtung bewegt.Change of location is to be determined. There on the two field plates according to FIG. 1 two oppositely directed magnetic fields act, it follows that when the field plates are in the field of the magnetic body 4, with this Arrangement a greater resistance difference R1 - R2 than with an arrangement with magnetic fields in the same direction. The body 4 is z. B. moved in the direction of the arrow.

Die beiden Feldplatten der F i g. 1 sind zur Messung der Widerstandsdifferenz R1 - R2 beispielsweise in eine Widerstandsmeßbrücke eingeschaltet. Die Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Brücke mit der Stromquelle 14 dar. Die Meßbrücke ist mit dem Strom- bzw. Spannungsmeßgerät 10 und eventuell mit den Widerständen 11, 12 und 13 beschaltet. In einer Abwandlung dieser Meßbrücke können die Teile 2 und 11 ausgetauscht sein. The two field plates of FIG. 1 are for measuring the resistance difference R1 - R2 switched into a resistance bridge, for example. Fig. 2 represents an embodiment of such a bridge with the power source 14. The measuring bridge is with the current or voltmeter 10 and possibly with the resistors 11, 12 and 13 wired. In a modification of this measuring bridge, the parts 2 and 11 must be exchanged.

In F i g. 3 ist die Widerstandsdifferenz R1 - R2 in der Ordinate qualitativ in Abhängigkeit vom Ort x (z. B. Iängs der Pfeilrichtung in F i g. 1) des magnetischen Körpers 4 aufgetragen. Die Kurve 16 entspricht dem Fall der F i g. 1, wobei die Widerstandsdifferenz bei einer Bewegung des Körpers 4 gemessen ist. Die Kurve kann mit einer Schaltung nach F i g. 2 aufgenommen sein. Die Tiefe des Minimums in Kurve 16 sowie ob diese Kurve überhaupt ein Minimum besitzt hängt unter anderem vom Verhältnis des Abstandes der Feldplatten 1 und 2 zur Größe des magnetischen Körpers 4 ab. In Fig. 3 is the resistance difference R1-R2 on the ordinate qualitatively as a function of location x (e.g. along the direction of the arrow in FIG. 1) of the magnetic body 4 is applied. The curve 16 corresponds to the case of F i G. 1, the difference in resistance being measured when the body 4 moves. The curve can with a circuit according to FIG. 2 be included. The depth of the Minimum in curve 16 and whether this curve has a minimum at all depends on among other things on the ratio of the distance between the field plates 1 and 2 to the size of the magnetic Body 4.

Die folgenden Figuren zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Feldsonden. The following figures show various exemplary embodiments of the field probes according to the invention.

Es können in allen Fällen zwei Feldplatten oder eine einzige mit Mittelabgriff verwendet werden.In all cases there can be two field plates or a single one with a center tap be used.

Die Fig. 4 stellt eine Feldsonde dar, auf deren beide Halbleiterhälften 27 und 28 des auf den Trägern 29 liegenden Halbleiterkörpers 30 zwar absolut gleich große konstante Magnetfelder des Magneten 31 einwirken, jedoch ist der Fluß durch die eine Hälfte entgegengesetzt zum Fluß durch die andere Hälfte gerichtet. Die Magnetisierung des Magnets 31 verläuft in der eingezeichneten NS-Richtung. Der Halbleiterkörper 30 besitzt die Endanschlüsse 33 und 34 und den Mittelabgriff 35. Mit dieser Feldsonde kann z. B. der Ort bzw. die Ortsveränderung des Körpers 36 bestimmt werden. Das Feld des Körpers 36, der in der eingezeichneten Pfeilrichtung magnetisiert ist, durchsetzt beide Halb- leiterhälften 27 und 28 gleichsinnig, und es ergibt sich ein etwa doppelt so großes Signal wie in einem Fall, bei dem beide Halbleiterhälften gleichsinnig vormagnetisiert sind. Fig. 4 shows a field probe, on the two semiconductor halves 27 and 28 of the semiconductor body 30 lying on the carriers 29 are absolutely identical large constant magnetic fields of the magnet 31 act, but the flow is through one half facing opposite to the flow through the other half. the The magnetization of the magnet 31 runs in the NS direction shown. The semiconductor body 30 has the end connections 33 and 34 and the center tap 35. With this field probe can e.g. B. the location or the change in location of the body 36 can be determined. That Field of the body 36, which is magnetized in the direction of the arrow, interspersed both half ladder halves 27 and 28 in the same direction, and it results in a about twice as large a signal as in a case in which both semiconductor halves are premagnetized in the same direction.

Die Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, die beiden Feldplattenhälften 37 und 38 gegensinnig mit Hilfe eines Magnets 39, der in Pfeilrichtung (N-S) magnetisiert ist, vorzumagnetisieren. Dabei wird der magnetische Kreis aus den Körpern 40, 41 und 42, z. B. Ferritplatten, gebildet. 5 shows a further possibility, the two field plate halves 37 and 38 in opposite directions with the aid of a magnet 39 which magnetizes in the direction of the arrow (N-S) is to pre-magnetize. The magnetic circuit is made up of the bodies 40, 41 and 42, e.g. B. ferrite plates formed.

Die Halbleiterkörper der erfindungsgemäßen Feldplatten sollen möglichst stark magnetfeldabhängigen Widerstand haben. Als Halbleitersubstanzen eignen sich unter anderem die bekannten AIIIBv-Materialien, wie Indiumantimonid oder Indiumarsenid, aus der III. und V. Gruppe des Periodensystems der Elemente. The semiconductor bodies of the field plates according to the invention should as far as possible have strong magnetic field-dependent resistance. As semiconductor substances are suitable including the well-known AIIIBv materials such as indium antimonide or indium arsenide, from the III. and V. Group of the Periodic Table of the Elements.

Man erhält eine besonders starke Magnetfeldabhängigkeit, wenn beispielsweise im Indiumantimonid parallel zueinander ausgerichtete, nadelförmige Einschlüsse aus Nickelantimonid eingebettet sind. Andererseits können auf dem Halbleiter auch parallele Streifen aus gut leitendem Material, wie Silber, Kupfer oder Indium, aufgebracht sein. Für ein und denselben Halbleiterkörper erhält man die stärkste Magnetfeldabhängigkeit, wenn die Einschlüsse bzw. A particularly strong magnetic field dependency is obtained if, for example needle-shaped inclusions aligned parallel to one another in the indium antimonide Nickel antimonide are embedded. On the other hand, parallel Strips made of a highly conductive material, such as silver, copper or indium, are applied be. The strongest magnetic field dependence is obtained for one and the same semiconductor body, if the inclusions or

Streifen, das einwirkende Magnetfeld und der den Halbleiter durchfließende elektrische Strom senkrecht zueinander ausgerichtet sind.Stripes, the acting magnetic field and the one flowing through the semiconductor electric currents are aligned perpendicular to each other.

Claims

Claims: 1. Contactless transmitter with a magnetic field dependent Semiconductor probe on which a constant magnetic field and one of the local position a magnetic field originating from one or more magnetic bodies acts, d a d u r c h g eken nz nz ei chn e t that two have the same basic resistance, Magnetic field dependent semiconductor components (1, 2) of the probe, which are in a resistance measuring bridge are switched on, in two air gaps of a permanent magnet circuit (39 to 42) are set in such a way that opposing magnetic fields act on the two semiconductor components act of the same absolute size, and that the diagonal current of the bridge (10) as Measure of the temperature-independent difference between the resistances of the two semiconductor components serves.

2. Transmitter according to claim 1, characterized in that a semiconductor body each with a connection (33, 34) at its ends and a center tap (35) is and that the two halves (27, 28) of this semiconductor body in two adjoining Bridge branches are switched on.