DE2827267A1

DE2827267A1 - Restspannungs-regelschaltung fuer ein hall-element

Info

Publication number: DE2827267A1
Application number: DE19782827267
Authority: DE
Inventors: Mitsuaki Hino
Original assignee: NIPPON KLINGAGE KK
Current assignee: NIPPON KLINGAGE KK
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-06-21
Publication date: 1979-01-04
Also published as: DE2827267C2; US4292582A

Description

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Nippon Klingage Kabushiki Kaisha Möhlstraße37

_ , . ,. D-8000 München 80

Tokio, Japan

Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

2 \. Juni 1978

Restspannung-Regelschaltung für ein Hall-Element

Die Erfindung betrifft eine Restspannung-Regelschaltung für ein Hall-Element, insbesondere zur Verbesserung der Temperaturabhängigkeit der Ha11-Ausgangsspannungen und der Säkularänderungen des Hall-Elements.

Die große Temperaturabhängigkeit von Hall-Ausgangsspannungen des Hall-Elements verhinderte bisher die Verwendung dieses Hall-Elements auf möglichen Anwendungsgebieten. Die Temperaturabhängigkeit des Hall-Elements wurde grundsätzlich zu einem gewissen Grad den Werkstoffen für dieses Element zugeschrieben. Selbst ein Hall-Element aus Germanium, Indium und Arsenstoffen, die bezüglich der Temperaturabhängigkeit vergleichsweise gut sein sollen, besitzt einen Temperaturkoeffizienten im Bereich von 0,03 - 0,1?6/⁰C, so daß es aufgrund dieser Eigenschaften für die Durchführung höchst genauer Messungen bei Arbeitstemperatüren im Bereich von -20° bis +90⁰C ungeeignet ist.

Dieses Hall-Element weist nämlich den Mangel auf, daß sich die bei nicht vorhandenem Magnetfeld anliegende Restspannung in Abhängigkeit von Temperaturänderungen ändert und die

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Änderungen an den Hall-Ausgangsspannungsklemmen zum Zeitpunkt der Messung des Magnetfelds nacheinander auftreten, woraus sich eine ungenaue Messung ergibt.

Zur Vermeidung des genannten Mangels sind Maßnahmen getroffen worden, um die Temperaturabhängigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Restspannung bei Null betragendem Magnetfeld (zero magnetic field) niedrig zu halten; zu diesem Zweck sind gemäß den Fig. 1a und 1b ein Fest(wert)widerstand R, ein Thermistor TH und ein oder mehrere einstellbare Widerstände VR zwischen die Steuerstromeingänge 2a und 2b sowie die Hall-Spannungsausgänge 3a und 3b geschaltet worden. Bei diesen äußeren Kompensierschaltungen variieren im allgemeinen jedoch die Einstellungen der einzelnen änderbaren Widerstände bei dem jeweils verwendeten Hall-Element, und es erweist sich dabei als nötig, die Werte des Widerstands R und des Thermistors TH im Hinblick auf die Unterschiede der Werkstoffe für Hall-Elemente entsprechend den verschiedenen Arten von Hall-Elementen zu ändern,, Diese Umstände bedingten die Verwendung von Hall-Elementen, nachdem diese nachjustiert worden sind, wenn diese bei Null betragendem Magnetfeld unterschiedliches Verhalten bei der Regelung der Restspannung gezeigt haben.

Aufgabe der Erfindung ist es damit zu ermöglichen, die Restspannung bei Null betragendem Magnetfeld von Hall-Elementen immer auf den Wert Null einzustellen, und zwar durch Beseitigung der Ungleichmäßigkeit der Hall-Elemente selbst sowie der ungleichen Eigenschaften aufgrund der Verschiedenheiten in den Werkstoffen für Hall-Elemente und der äußeren Bedingungen bzw. Einflüsse.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

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Mit der Erfindung wird also eine Restspannung-Regelschaltung bereitgestellt, mit der die Restspannung auf Null eingestellt werden kann, indem der Gleicheffekt bzw. Gleichmäßigkeitseffekt (even effect), der nicht von der Magnetfeldpolarität der Hall-Elemente abhängig ist, von dem Ungleicheffekt bzw. dem Ungleichmäßigkeitseffekt (noneven effect), der von der Magnetfeldpolarität der Hall-Elemente abhängt, durch Verwendung der Regelschaltung getrennt wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b Blockschaltbilder herkömmlicher Restspannung-Regelschaltungen für Hall-Elemente,

Fig. 2 ein Äquivalentschaltbild für ein Hall-Element,

Fig. 3a bis 5 Schaltbilder zur Verdeutlichung der Wirkungsweise eines dreipoligen Hall-Elements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3b ein Blockschaltbild einer Ausführungsform mit einem vierpoligen Hall-Element,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Restspannung-Regelschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 bis 9a und 9b Schaltbilder zur Erläuterung der Wirkungsweise eines vierpoligen Hall-Elements gemäß einer zweiten Ausführungsform,

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Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Restspannung-Regelschaltung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12a und 12b Blockschaltbilder zur Verdeutlichung der Wirkungsweise von Schalterstromkreisen,

Fig. 13 ein Schaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Analogschaltkreises,

Fig. 14a und 14b Blockschaltbilder zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des dreipoligen Hall-Elements gemäß einer vierten Ausführungsform,

Fig. 15 ein Blockschaltbild der Restspannung-Regelschaltung,

Fig. 16 ein Blockschaltbild einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der Restspannung-Regelschaltung und

Fig. 17a und 17b Blockschaltbilder zur Veranschaulichung der Wirkungsweise von Schalterkreisen,

Vor der genaueren Erläuterung der Erfindung erscheint eine Erklärung des Prinzips, das für das Verstehen der Erfindung wichtig ist, angebracht.

Bei dem Äquivalentschaltbild für das Hall-Element gemäß
Fig. 2 lassen sich allgemein die zwischen den Hall-Ausgängen bzw. -polen 3a und 3b des Hall-Elements erzeugten Spannungen deutlich in solche aufgrund von Temperatur- und Magnetfeldänderungen herrührende Änderungen der Symmetrie der

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Innenwiderstände R1 - R4 des Hall-Elements als auch die Hall-Spannung aufgrund des Hall-Effekts unterteilen (unter Vernachlässigung der Spannung aufgrund des Nernst-Effekts). Um nur die Hall-Spannung von den Hall-Ausgangen abzugreifen, ist es erforderlich, die aufgrund von Änderungen der Innenwiderstände R1 - R4 erzeugte unsymmetrische (Brücken-)Spannung zu unterdrücken.

Bei der Erfindung ist deshalb das Augenmerk auf den Umstand gerichtet worden, daß die Hall-Spannung und die Spannung aufgrund der Änderung der Innenwiderstände R1 - R4 Erscheinungen des Magnetfelds sind, für das eine äußere Spannung angelegt wird, wobei versucht wird, die auf die beiden Erscheinungen zurückzuführenden Spannungen auf dem Prinzip basierend zu trennen, daß eine Trennung unter Ausnutzung des Ungleicheffekts (non-even effect) und des Gleicheffekts (even effect) möglich ist; dies bedeutet, daß sich die Polarität der Spannung bei Umkehrung des Magnetfeldes ändert, was die eine Erscheinung darstellt, und sich die Polarität der Spannung bei Änderungen der Inversionstemperaturen des Magnetfelds nicht ändert, was eine andere der Erscheinungen darstellt.

Die Erfindung besteht in einer Restspannung-Regelschaltung für ein Hall-Element, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die einen Steuerstrom abgebende Stromquelle abwechselnd zwischen bzw. an zwei Pole eines drei- oder vierpoligen Hall-Elements geschaltet wird und die Hall-Spannung sowie die die Hall-Spannung beinhaltenden Spannungen an den beiden Polen unter Ausnutzung des Gleicheffekts und des Ungleicheffekts des Magnetfelds erhalten wird, daß dabei die Potentialdifferenz zwischen beiden Spannungen festgestellt werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung wird, wie beispielsweise in

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Fig. 3a dargestellt, ein dreipoliges Hall-Element 11 für getrennte Spannungen verwendet. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Pluspol einer den Steuerstrom liefernden Stromquelle mittels eines Schalters SW selektiv bzw. wechselweise an die Pole 12 und 13 angelegt werden kann, während der Minuspol der Stromquelle mit dem Pol 14 verbunden ist, wodurch die Restspannung-Regelschaltung gebildet wird. Wenn bei dieser Schaltung der Schalter SW auf den Pol 12 umgelegt wird, lassen sich die Spannungen zwischen den Polen 12 und 14 aufgrund des Äquivalentschaltbildes gemäß Fig. 4 durch folgende Gleichungen ausdrücken:

Spannung zwischen Punkten a und c:

^{x x} ~ R1 + R2 + r3

ac Ί RT ⁺

Spannung zwischen Punkten b und c:

VHA - ^R1^(R2. + gP χ _.. ¹__ XT- _ ^R1_^+R2__ _x τ ^vn^bc ~ R1 + RZ + R3 R2TTo ~ RI + R2 + R3

Wenn die Spannung E durch Umlegen des Schalters SW den Polen 13 und 14 aufgeprägt wird, entspricht auf ähnliche Weise die Spannung zwischen den Punkten b und c der Gleichung:

VHR - 1 _x τ _ R2(R1+R3) _ _T bc " 1 . 1 Ri +R2 + R3 ^x> ⁺ T

während die Spannung zwischen den Punkten a und c der Gleichung

+R3) .. _ R1

2 + r3 Ri +

_ _T _ _ R1_ttR2__ _t

" R1 + R2 + R3

Ri Vr2 + r3 Ri +R3 " R1 + R2 + R3

entspricht

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Aus obigen Gleichungen ergibt sich, daß VHA, gleich VHB_ac ist.

Nachstehend ist die Erzeugung der Hall-Spannung unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. Wenn der Steuerstrom zwischen den Polen 12 und 14 fließt, läßt sich die zwischen den Polen 13 und 14 erzeugte Hall-Spannung VH, wie folgt ausdrücken:

VHbcOC

RH = Hall-Koeffizient,
B = Magnetflußdichte und
t = Dicke des Hall-Elements

bedeuten.

Wenn der Steuerstrom über die Pole 13 und 14 fließt, läßt sich die zwischen den Polen 12 und 14 entstehende Hall-Spannung wie folgt ausdrücken:

VHacOC

Hierbei wird eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität wie die oben genannte Spannung VHAbc erhalten, was dem erwähnten Ungleicheffekt (non-even effect) entspricht.

Wenn also der Schalter SW an den Pol 12 gelegt wird, lassen sich die die Hall-Spannung beinhaltenden Spannungen zwischen den Polen 13 und 14 wie folgt ausdrücken:

■y R1 χ R2 „_ _T , _TJTT

'bc ⁼ Ri + R2 + R3 ^{Λ x T v}"bc»

ebenso läßt sich die Spannung zwischen den Polen 12 und 14 ausdrücken durch

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2827287 - ίο -

V - ^Vac * ™bc - ac

Dies bedeutet, daß die Änderungen der Innenwiderstände R1, R2, R3 (Gleicheffekt (even effect)) aufgrund von Temperatur- und Magnetfeldänderungen ausgeschaltet werden.

Als Bedingung zur Aufstellung der obigen Gleichungen ist es jedoch erforderlich, daß die Innenwiderstände R1 - R3 bei der Messung von V, „ und V„„ sich nicht ändern; dies

DC clC

bedeutet, daß die Werte beider Spannungen in kurzer Zeit gemessen werden müssen. Bei Herstellung der Verbindung unter Verwendung eines vierpoligen Hall-Elements 11^f gemäß Fig. 3b kann zudem dieselbe Wirkung wie mit dem dreipoligen Hall-Element erreicht werden.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für die schnelle Messung der beiden genannten Spannungen. Dabei sind vorgesehen: eine Gleichstromquelle 15 zur Lieferung des Steuerstroms, ein Flip-Flop 16 zum abwechselnden Verbinden der Stromquelle mit den Polen 12 und 14 bzw. 13 und 14 des Hall-Elements 11, ein Oszillator 17 zum Ansteuern des Flip-Flops, ein Potentiometer 18 zur Messung der Spannung(en) zwischen den Polen 12 und 14 bzw. 13 und 14 synchron mit der Frequenz des Oszillators 17, eine Ausgangsklemme 19 des Potentiometers sowie die das Flip-Flop bildenden Feldeffekt-Transistoren Q1 und Q2.

Wenn bei dieser Schaltung zwei Ausgangsimpulse des Oszillators 17, die eine Schwingungsdauer von ^ (500 Hz) besitzen und um 1/2T phasenverschoben sind, an die Gate-Elektroden der Feldeffekt-Transistoren Q1 und Q2 angelegt werden, sind diese Transistoren abwechselnd entsprechend der genannten Frequenz leitend, wobei der Steuerstrom I von der Stromquelle 15 über die Pole 12 und 14 bzw. 13 und 14 des Hall-Elements 11 fließt, wenn die Hall-Spannung die Klemmenspannung an der

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nicht leitenden Seite der Transistoren Q1 und Q2 bei der genannten Frequenz (verzögert um 1/2T) an dem Potentiometer annimmt und über die Aus gangsklemme 19 gemessen wird. Mit der beschriebenen Restspannung-Regelschaltung können die Nullpunktgenauigkeit auf bis zu 0,5 Gauß und die Temperaturabweichungen am Nullpunkt bis zu 0,05 Gauß/°C im Fall von Ge-Hall-Elementen verschiedener Lieferungen eingestellt werden.

Wie erwähnt, ist es erfindungsgemäß möglich, nur die Hall-Spannung als Ausgangsspannung mit der Wirkung abzugreifen, daß die Praktikabilität der Einstellung der Nullpunkt-Genauigkeit bis auf 0,5 Gauß und der Temperaturabweichungen beim Nullpunkt bis auf 0,05 Gauß/°C geboten wird, weil die Steuerstromquelle abwechselnd zwischen zwei Pole des drei- oder vierpoligen Hallelements geschaltet wird. Auf diese Weise können die die Hall-Spannung einschließenden Spannungen zwischen den genannten beiden Polen unter Ausnutzung des Gleicheffekts und des Ungleicheffekts des Magnetfelds abgenommen und die Potentialdifferenz zwischen den beiden Spannungen gemessen werden.

Die Restspannung-Regelschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstromquelle mittels des Schalterkreises abwechselnd an die zwei verschiedenen Pole eines vierpoligen Hall-Elements anschaltbar ist und die Hall-Spannung sowie die die Hall-Spannung einschließenden Spannungen zwischen den beiden Klemmen unter Ausnutzung des Gleicheffekts und des Ungleicheffekts des Magnetfelds abgegriffen werden könne, wodurch die Messung bzw. Feststellung der Potentialdifferenz beider Spannungen möglich ist.

Zur Trennung der Spannungen sind beispielsweise gemäß Fig. 7 Umschalter SW1 - SW4 an jeden Pol 120 - 150 des

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vierpoligen Hall-Elements 110, die den Steuerstrom liefernde Quelle E sowie die Pole i60a - 190b eines Voltmeters V geschaltet, so daß sie eine Bewegung unter gegenseitiger Verriegelung ausführen können. Die Anordnung ist dabei so getroffen worden, daß das Voltmeter selektiv an die Pole 150 und 120 bzw. 130 und 140 anschaltbar ist, wobei der Pluspol an den Polen 120 und 130 und der negative Pol an den Polen 140 und 150 des vierpoligen Hall-Elements liegt.

Wenn bei der Schaltung gemäß Fig. 7 mittels der erwähnten Schalter die Quelle E an die Pole 120 und 140 und das Voltmeter V an die Pole 130 und 150 gelegt ist, läßt sich die Spannung zwischen den Polen 130 und 150 entsprechend dem Äquivalentschaltbild des vierpoligen Hall-Elements 110 gemäß Fig. 4 durch die folgende Gleichung ausdrücken:

- (R5 + R4) (RI + R2) R2 _ _ R2(Rg + R4) _t d ~ R1 + RZ + R3 + R4 rT+RZ ^{ä x} - RT+R2 + R3 + R4

(1)

Die Spannung zwischen den Polen 130 und 140 läßt sich dagegen durch folgende Gleichung ausdrucken:

vha - (R1 + Rg) (R5 +_&*) y __*&_. »τ- R^g¹⁺Jg) χ τ ^v bc RT+R2 + R3 + R4 R3 + R4 R1 + RZ + R3 + R^ ^Λ

(2)

Aus den Gleichungen (1) und (2) geht somit hervor, daß sich die Spannung zwischen den Polen 130 und 140 wie folgt bestimmt:

R2R3 - R4R1 _x τ R1 + R2 + R3 + R4

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Sodann läßt sich .die Spannung zwischen den Polen 120 und 150 durch die Gleichung:

VHA - ^(R1 + jft) (R2 +Jt3) „ _ R4_ _T _ R4(R2 + R3) ^vnAad R1 + RZ + R3 + R4 R1 + R4· ^x ~ R1 + RZ + RJ + R4

(3)

ausdrücken, während sich die Spannung zwischen den Polen 140 und 150 durch die Gleichung

τ -

d ~ R1 + R2 + R3 + R4 ^x RZ + R3 " R1 + RZ + R3 + RA- ^x ^

(4)

ausdrücken läßt.

Aus Gleichung (3) und (4) geht somit hervor, daß sich die Spannung zwischen den Polen 120 und 140 wie folgt bestimmt:

R4R2 - R3R1 _v τ

Bei Untersuchung der Richtungen der Spannung zwischen b und d sowie der Spannung zwischen a und c, wobei diese Spannungen durch Umschalten der Schalter SW1 - SW4 erhalten werden, geht folglich dann, wenn die Hall-Spannung zwischen b und d zu +VH wird, die Hall-Spannung zwischen a und c in derselben Richtung des Magnetfelds auf -VH über. Der Unterschied der die Hall-Spannungen einschließenden Spannungen zwischen b und d sowie zwischen a und c beträgt somit 2VH.

Gemäß Fig. 9a und 9b ist die Quelle E zwischen die Klemmen 120 und 140 des vierpoligen Hall-Elements 110 geschaltet. Wenn hierbei vorausgesetzt wird, daß die Hall-Spannung zwischen den Polen 130 und 150 VH_bd = +VH beträgt, wenn der Strom I aufgrund des Magnetfelds B zwischen den Punkten a und c des Hall-Elements fließt, wird die Hall-Spannung zwischen den Polen 120 und 140 zu VH_ac = -VH, wenn

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die Quelle E an die Pole 130 und 150 geschaltet ist und der Strom I unter dem Einfluß desselben Magnetfelds B über b und c des Hall-Elements fließt.

Fig. 10 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform zur Messung der beiden genannten Spannungen in kurzer Zeit. Bei dieser Schaltung sind vorgesehen: eine Gleichstromquelle 160 zur Bereitstellung des Steuerstroms, ein Oszillator 170 zur Bildung der Steuerung der für die ausschließliche Abnahme der Hall-Spannung als Ausgangsspannung durch Ansteuerung der Schalter (Analogschalter) SW1 - SW4, und ein Potentiometer 180 zur Abnahme der Hall-Spannung vom Hall-Element 110 in Form einer Wechsel- oder Gleichspannung an der Ausgangsklemme 190.

Bei dieser Schaltung wird der durch den Ausgang des Oszillators 170 gesteuerte Strom I von der Gleichstromquelle 16O über die Pole 120 und 140 des Hall-Elements 110 fließen. Die unter dem Einfluß des Magnetfelds B zwischen den Polen 130 und 150 als Ausgangsspannung erzeugte Hall-Spannung wird mittels des Potentiometers 180 gemessen. Der Gleichstrom I fließt sodann durch die Pole 130 und 150, vom Steuerausgang des Oszillators 170 gesteuert. Die zwischen den Polen 120 und 140 unter dem Magnetfeld B erzeugte Hall-Spannung wird mittels des Potentiometers 180 gemessen. Die Meßergebnisse werden als Ausgangssignal von der Ausgangsklemme 190 an andere, nicht dargestellte Meß- und Aufzeichnungsgerate abgegeben. Mit Hilfe eines solchen Meßgeräts können die Nullpunktgenauigkeit bis auf 0,2 Gauß und die Temperaturabweichungen bzw. -Schwankungen am Nullpunkt im Falle eines Ge-Hall-Elements bis auf 0,02 Gauß/°C kompensiert werden.

Die Erfindung ermöglicht also den ausschließlichen Abgriff der Hall-Spannung als Ausgangsspannung und die Steuerung der Nullpunktgenauigkeit bis auf 0,5 Gauß und die Temperaturab-

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weichung am Nullpunkt Ms auf 0,5 bzw. 0,05 Gauß/°C, weil die Quelle abwechselnd an zwei Pole des vierpoligen Hall-Elements geschaltet wird, um die Hall-Spannung und die diese beinhaltenden Spannungen zwischen den beiden Polen durch Ausnutzung des Gleicheffekts und des Ungleicheffekts des Magnetfelds zu erhalten, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Potentialunterschied der beiden Spannungen festgestellt bzw. gemessen werden kann.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Analogschalter zum abwechselnden Verbinden einer geregelten Konstantstromquelle und eines Verstärkers mit hoher Eingangsimpedanz zwischen zwei Polen eines dreipoligen Hall-Elements angeordnet sind, wobei die Analogschalter durch den Oszillator ausgang angesteuert sind.

Zur Trennung der Spannungen wird beispielsweise das dreipolige Hall-Element 11 gemäß Fig. 3a verwendet, wobei die Restspannung-Regelschaltung so ausgebildet ist, daß der Pluspol der Quelle E mittels des Schalters SW selektiv an die Klemmen 12 und 13 angelegt werden kann, während der Minuspol der Stromquelle mit dem Pol 14 verbunden ist. Die Spannung zwischen den Polen 12 und 14 beim Umlegen des genannten Schalters auf die Seite der Klemme 12 dieser Schaltung läßt sich zwischen den Punkten a und c gemäß dem Äquivalentschaltbild von Fig. 4 durch folgende Gleichung ausdrücken:

^vnAac ~ H1 χ·*-- R1 + Kd + R RT ⁺ R2 + r3

Die Spannung zwischen den Punkten b und c bestimmt sich nach folgender Gleichung:

VH
^Vil

R3> _ R2 _R1 +_R2

R3 R2+ K5 ~ Ri + r2 + R3

Abc " R1 + RZ + R3 R2+ K5 ~ Ri + r2 + R3

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Wenn die Spannung E durch Umschalten des Schalters SW an die Pole 13 und 14 angelegt wird, läßt sich die Spannung zwischen den Punkten b und c auf ähnliche Weise durch folgende Gleichung ausdrücken:

-- T ^R2^^RL^+R^ -- T

^BbC ~ 1 ■ 1 ^Λ -^ - R₁ + R₂

' R1 + R3

während sich die Spannung zwischen den Punkten a und c durch die Gleichung

Bac - R^ +R2 + -R-f Ri + R3 ^X -¹ -rT+R2+R5 bestimmt. Gemäß obigen Gleichungen ist VH., = VH-n

Als nächstes sei die Erzeugung der Hall-Spannung betrachtet Wenndsr Steuerstrom I über die Pole 12 und 13 gemäß Fig. fließt, bestimmt sich die zwischen den Polen 13 und 14 erzeugte Hall-Spannung VH_bc wie folgt:

RH · IB

RH = Hall-Koeffizient

B = Magnetflußdichte und

t = Dicke des Hall-Elements

bedeuten.

Wenn der Steuerstrom I zwischen den Polen 13 und 14 fließt, läßt sich die zwischen den Polen 12 und 14 erzeugte Hall-Spannung VH_Q„ wie folgt ausdrücken:

^m :^IB

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Hierbei wird eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität wie die obengenannte Spannung VH., entsprechend dem vorher erwähnten Ungleicheffekt erhalten.

Aus/obigen Ausführungen geht folgendes hervor: Wenn der Schalter SW auf die Pole 12 umgeschaltet wird, entspricht die zwischen den Polen 13 und 14 auftretende, die Hall-Spannung einschließende Spannung V, folgender Gleichung:

tr R1 X Ri- „ T . TiTT

bc - R1 + R2 + R3 ^Λ " ^V11bc Auf ähnliche Weise läßt sich die Spannung V „ zwischen den

EIC

Polen 12 und 14 durch folgende Gleichung ausdrücken:

^vac R1 + R2 + R3 ac

Infolgedessen ergibt sich der Unterschied zwischen den beiden Spannungen zu

^Vbc - ^Vac - ^bC ⁺ ^ac

Dies bedeutet, daß die Änderungen der Innenwiderstände R1, R2 und R3 (Gleicheffekt) aufgrund von Temperatur- und Magnetfeldänderungen und dgl. ausgeschaltet werden. Als Bedingung für die Aufstellung der obigen Gleichungen ist es jedoch erforderlich, daß zum Zeitpunkt der Messung der Spannungen VV _ und V₀ _ keine Änderung der genannten Innenwiderstände R1 bis R3 auftritt, während es weiterhin erforderlich ist, die beiden Werte von V, und V_&c zu messen. Selbst bei Anwendung der Schaltung auf ein vierpoliges Hall-Element 11' gemäß Fig. 3b ist dieselbe Wirkung wie im Fall des dreipoligen Hall-Elements erzielbar.

Fig. 11 veranschaulicht genauer den Aufbau der erfindungsgemäßen Restspannung-Regelschaltung. Diese Schaltung umfaßt

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einen Stromquellenteil 221, einen Oszillatorteil 222 aus einem freischwingenden Multivibrator 222a, und eine Flip-Flop -Schaltung 222b, einen geregelten Konstantstromteil für das Hall-Element, bestehend aus einem Referenzspannungsgeber 223a und einem Spannungs-Strom-Wandler (volt ampere transducer) 223b, einen Schalterteil 224 aus vier Analogschaltern 224a - 224d zur Beseitigung des Gleicheffekts des Magnetfelds unter Veranschaulichung der Widerstandsänderung durch die beiden Funktionen gemäß Fig. 12a und 12b, einen Verstärkerteil 225 sowie einen Anzeigeausgangskreis 226.

Wenn kein Magnetfeld an dem zu justierenden Hall-Element 227 (Probe bzw. Muster (sample)) anliegt, das über die Analogschalter 224a - 224d usw. zwischen den Kontaktstromteil 223 und den Verstärkerteil 225 geschaltet ist, kann das Hall-Element 227 als reiner Widerstand angesehen werden, wobei aufgrund der Arbeitsweise des Schalterteils 224 dessen Ausgangsspannung zu Null wird. In diesem Fall darf keine Änderung der Funktionen der Analogschalter 224a - 224d im Schalterteil 224 durch das Stromversοrgungsteil 223 auftreten; vgl. die Funktion (a) und (b) gemäß Fig. 12. Um im Schalterteil durch die Ausschaltspitzen,die der Ausgangsspannung überlagert werden,der den Schalterteil bildenden und in Fig. 13 näher gezeigten Analogschalter 224a - 224d hervorgerufenen Fehler zu vermeiden, wird im Fall der Begrenzung der Oszillatorfrequenz des Oszillatorteils 222 und bei Verwendung z.B. von (in Fig. 8 dargestellten) MOS-Analogschaltern als Analogschalter eine Nullpunktdrift von weniger als 3 Gauß zwischen der Erregungsfrequenz bei einer Oszillatorfrequenz von 4 IcHz und der Erregungs frequenz bei einer Oszillatorfrequenz von 200 Hz gemessen. Diese Nullpunktdrift kann jedoch durch andere Nullpunktsabgleichschaltungen beseitigt werden.

Wenn sodann ein Magnetfeld vorhanden ist, wird die Ausgangsspannung vom Schalterteil 224 bei der Erregungsfrequenz in

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Form einer Wechselspannung abgegeben. Diese Ausgangsspannung besitzt zu den Zeitpunkten der Funktionen a und b des Schalterteils 224 gemäß Fig. 7 eine unterschiedliche Ausgangsimpedanz, so daß der nachgeschaltete Verstärker 225 Fehler verursacht, sofern er nicht das Ausgangssignal bei hoher Impedanz empfängt. Der genannte Verstärker bildet also unter Verwendung eines nicht-invertierenden Operationsverstärkers einen Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz. Wahlweise kann ein FET-Operationsverstärker, d.h. ein Verstärker mit Feldeffekt-Transistoren, verwendet werden.

Bei der Schaltung des beschriebenen Aufbaus wurden Verschiebungen von einigen Gauß bis auf 0 Gauß unter Verwendung des Widerstand-Unabgleichelements bzw. Unsymmetrie-Elements (resistance-unbalance-element) (durch Anbringung von vier Elektroden an dem Material, welches den Hall-Effekt erzeugt) erzielt, das bisher als für diesen Zweck unbrauchbar angesehen worden ist. Die Temperaturkennlinien sind dabei jenen des Hall-Koeffizienten nahezu proportional. Bei Verwendung des Ge-Hall-Elements ist es somit möglich, eine Kompensation bis zu einer Nullpunktgenauigkeit von 0,2 Gauß und bis zu Nullpunkt-Temperaturschwankungen von 0,0016 Gauß/°C zu erreichen.

Durch die vorstehend genannte Regelung bzw. Kompensation wird ermöglicht, daß als Ausgangsspannung nur die Hall-Spannung abgenommen werden kann, weil die Quelle abwechselnd an zwei Polen des vierpoligen Hall-Elements geschaltet wird, um die Hall-Spannungsowie die letztere beinhaltenden Spannungen zwischen den beiden Polen unter Ausnutzung des Gleicheffekts und des Ungleicheffekts des Magnetfelds zu erhalten, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Potentialunterschied beider Spannungen gemessen werden kann.

Eine vierte Ausführungsform der Restspannung-Regelschaltung für ein Hall-Element ist dadurch gekennzeichnet, daß Analog-

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schalter zum Verbinden der geregelten Konstantstromquelle und des Verstärkers mit hoher Eingangsimpedanz mit zwei verschiedenen Polen eines vierpoligen Hall-Elements durch abwechselndes Umschalten zwischen den beiden Polen vorgesehen sind, wobei die Analogschalter durch das Oszillatorausgangssignal angesteuert sind.

Zur Ermöglichung der Trennung der Spannungen wird beispielsweise ein vierpoliges Hall-Element 110' gemäß Fig. 7b verwendet, wobei die Umschalter SW1 - SW4 mit den Polen 120' - 150', der Steuerstromquelle E und den Klemmen i60a - 190b des Voltmeters V unter gegenseitigem Verriegelungsbetrieb verbindbar sind. Auf diese Weise wird es möglich, das Voltmeter selektiv an die Pole 150' und 120' bzw. 130' und 140» des Hall-Elements 110 zu schalten, wobei der Pluspol an dem Pol 120' und 130· und der Minuspol an dem Pol 140' und 150' liegt.

Wenn gemäß Fig. 7b die Quelle E an die Pole 120' und 140' und das Voltmeter V an die Pole 130' und 150' mittels der genannten Schalter dieser Schaltung durch die dem vierpoligen, in Fig. 4 dargestellten Hall-Element 110' entsprechende äquivalente Schaltung gelegt wird, bestimmt sich die Spannung zwischen den Polen 130' und 150' durch folgende Gleichung:

VRA - (R3 + R4) (R1 -f R2) R2 _ _ R2(R3 + R4) _t ^vniibd " R1 + R2 + R3 + R4 R1 + R2 ^{λ x} " R1 + R2 + R3 + R4

(1)

Die Spannung zwischen den Polen 130 und 140 läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

CR1 + R2) (R3 + R4) „ R4 _t _ R4(R1 +_R2) l S^{x x χ} R5 +

(2)

- + R2) (R3 + R4) „ R4_ _t _ _ R4(R1 +_R2) _{x T} bc " Rl +RS+ R3 + R4 ^x R3 + R4 ^{x χ} ~ R1 + R2 + R5 + R4 ^{x x}

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Gemäß den obigen Gleichungen läßt sich also die Spannung zwischen den Polen 130' und 14O' ausdrücken als:

R2R3 - R4R1 _T R1 + WZ + R3 + R4-

Weiterhin läßt sich die Spannung zwischen den Polen 120' und 150¹ durch die Gleichung:

h R4) (R2 + R3) ^. R4 _t ,"-^v·"⁶- ^t jy ν τ R1 + R2+ R3 + Rii ^x RTTM ~ R1 + R2 + R3 + R4

(3)

ausdrücken, während die Spannung zwischen den Polen 14O^! und 150^f der Gleichung

λγηδ - (R2+R3) (R1 +R4) _χ R3 _{Ϋ T} _ R3(R1 + R4) „ _T ^vniicd ~ R1 + R2 + R3 + R4 R2 + R3 ~ R1 + R2 + R3 + R4

(4)

entspricht. Gemäß obigen Gleichungen 3 und 4 läßt sich somit die Spannung zwischen den Polen 120· und 14O' ausdrücken als

R4R2 - R3R1 „ _T R1 + KZ + R3 + Rif * -¹-

Bei Betrachtung der Richtungen der beim Umschalten der Schalter SW1 - SW4 entstehenden Spannung zwischen den Punkten b und d sowie zwischen den Punkten a und c ergibt sich infolgedessen, daß die Hall-Spannung zwischen den Punkten b und d in derselben Richtung des Magnetfelds zu -VH wird. Deshalb wird der Unterschied der die Hall-Spannungen beinhaltenden Spannungen zwischen den Punkten b und d sowie zwischen den Punkten a und c zu 2VH.

Gemäß den Fig. 14a und 14b ist die Quelle E zwischen die Pole 12O¹ und 14O« des vierpoligen Hall-Elements 110' ein-

geschaltet. Sofern dabei die Hall-Spannung zwischen den Polen 130' und 150« VH_bd = +VH beträgt, wenn der Strom I unter dem Einfluß des Magnetfelds B zwischen den Punkten a und c des genannten Hall-Elements fließt, wird die Hall-Spannung zwischen den Polen 120' und 14O· zu VH = -VH,

ac

sofern die Quelle E zwischen die Pole 130¹ und 150' geschaltet ist und der Strom I unter dem Einfluß desselben Magnetfelds B zwischen den Punkten b und c des Hall-Elements fließt.

Fig. 15 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform zur schnellen bzw. kurzzeitigen Messung der beiden genannten Spannungen, bei welcher eine Gleichstromquelle i60^f zur Lieferung des Steuerstroms, ein Oszillator 170' zur Bildung der Steuerung der ausschließlichen Abgabe der Hall-Spannung als Ausgangsspannung durch Betätigung der Schalter (Analogschalter) SW1 - SW4, und ein Potentiometer 180' zur Abnahme der Hall-Spannung des Hall-Elements 110' in Form einer Wechsel- oder Gleichspannung an der Ausgangsklemme 190' vorgesehen sind.

Fig. 16 veranschaulicht den konkreten Schaltungsaufbau der erfindungsgemäßen Restspannung-Regelschaltung. Diese Schaltung besteht aus einem Stromversorgungsteil 321, einem Oszillatorbeil 322, bestehend aus einem freischwingenden Multivibrator 322a sowie einer Fl.ip-Flop-Schaltung 322b, einem geregelten Konstantstrom- bzw. Steuerstromquellenteil 323 für das Hall-Element in Form eines Referenzspannungsgebers 323a und eines Spannungs-Strom-Wandlers 323b, einem Schalterteil 324 mit vier Analogschaltern 324a - 324h zur Beseitigung des Gleicheffekts des Magnetfelds durch die Widerstandsänderung zwischen den in Fig. 17a und 17b dargestellten beiden Funktionen, einem Verstärkerteil 325 und einer Anzeigeausgangsschaltung 326.

ORIGINAL INSPECTED 809881/102^

Wenn kein Magnetfeld an dem zu justierenden HaIl-El ement 327 anliegt, das über die Analogschalter 324a - 324d usw. zwischen den Konstantstromteil 323 und den Verstärkerteil 325 geschaltet ist, kann das Hall-Element 327 als reiner Widerstand betrachtet werden, wobei aufgrund der Funktionen des Schalterteils 324 dessen Ausgangsspannung zu Null wird. In diesem Fall ist es erforderlich, daß keine Änderung der Stromstärke zur Zeit der Änderung der Funktionen der Analogschalter 324a - 324h im Schalterteil 324 durch den geregelten Konstantstromquellenteil 323 auftritt; vgl. Funktionen a und b gemäß Fig. 16a und 16b. Um im Schalterteil 324 Fehler zu vermeiden, die durch auf der Ausgangsspannung einander überlagerte Ausschaltspitzen der Analogschalter 324a - 324h hervorgerufen werden, welche den Schalterteil bilden und deren Aufbau in Fig. 13 dargestellt ist, wird im Fall einer Beschränkung der Oszillatorfrequenz des Oszillatorteils 322 sowie bei der Verwendung von beispielsweise in Fig. 13 gezeigten MOS-Analog-Schaltern eine Nullpunktsdrift von weniger als 3 Gauß zwischen der Erregungsfrequenz bei einer Oszillatorfrequenz von 4 kHz und der Erregungsfrequenz bei einer Oszillatorfrequenz von 200 kHz gemessen. Diese Nullpunktsdrift kann jedoch durch eine andere Nullpunktseinstellungs- bzw.-abgleichschaltung unterdrückt werden.

Wenn sodann ein Magnetfeld vorhanden ist, wird die Ausgangsspannung vom Schalterteil 324 bei der Erregungsfrequenz in Form einer Wechselspannung abgegeben. Da diese Ausgangsspannung zu den Zeitpunkten der Funktionen a und b des Schalterteils 324 gemäß Fig. 16 verschiedene Ausgangsimpedanzen besitzt, führt dies bei dem nachgeschalteten Verstärker 325 zu Fehlern, sofern er nicht die Ausgangsspannung mit hoher Impedanz empfängt. Aus diesem Grund wird zur Bildung einer Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz für den genannten Verstärker ein nicht-invertierender Operationsverstärker oder ein FET-Operationsverstärker, d.h. ein Verstärker unter Verwendung von Feldeffekt-Transistoren, verwendet.

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Bei dieser Schaltung werden Verschiebungen von mehreren Gauß zu Null Gauß unter Verwendung eines Widerstand-Unabgleichelements bzw. eines Unsymmetrieelements (durch Anbringung von vier Elektroden an dem den Hall-Effekt hervorrufenden Werkstoff) erreicht, das bislang für diesen Zweck als unbrauchbar angesehen wurde. Die Temperaturkennlinien sind dabei den Temperaturkennlinien des Hall-Koeffizienten nahezu proportional. Bei Verwendung eines Ge-Hall-Elements ist es somit möglich, die Nullpunktgenauigkeit auf bis zu 0,2 Gauß und die Nullpunkt-Temperaturschwankungen bzw. -abweichungen auf bis zu 0,016 Gauß/°C zu kompensieren.

Diese Wirkung ist wiederum auf den in Verbindung mit der vorher erläuterten Ausführungsform beschriebenen Effekt zurückzuführen.

109881/1027

-IS-

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Restspannung-Regelschaltung für ein zumindest dreipoliges Hall-Element mit einer abwechselnd an zwei der drei Pole anschaltbaren Energiequelle für einen Steuerstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Spannung und die diese beinhaltenden Spannungen zwischen den beiden Polen durch Anwendung des Gleicheffekts (even effect) und des Ungleicheffekts (non-even effect) des Magnetfelds abgreifbar sind und daß die Anordnung so getroffen ist, daß die Potentialdifferenz zwischen den beiden Spannungen feststellbar und meßbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein vierpolig ausgebildetes Hall-Element.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung bzw. Stromquelle zur Lieferung des Steuerstroms über einen Schalterkreis abwechselnd an jeweils zwei verschiedene der vier Pole anschaltbar ist.

4· Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Konstantstromquellenteil und einen Verstärker mit hoher

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ORIGINAL INSPECTED

§00881/1021

Eingangsimpedanz zwischen zwei Polen des dreipoligen Hall-Eiements und mindestens einen durch das Ausgangssignal eines Oszillators angesteuerten Analogschalter zum abwechselnden bzw. aufeinanderfolgenden Verbinden des Konstantstromquellenteils und des Verstärkers mit hoher Impedanz.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogschalter durch abwechselndes Umschalten auf die beiden genannten Pole an den Konstantstromquellenteil und den Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz umgeschaltet wird, die zwischen jedem der zwei verschiedenen Pole des vierpoligen Hall-Elements angeordnet sind, wobei der Analogschalter durch das Ausgangssignal des Oszillators umgeschaltet und gesteuert wird.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung einen freischwingenden Multivibrator und eine Flip-Flop-Schaltung aufweist.

7. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstromquellenteil einen Referenzspannungsgeber und einen Spannungs-Strom-Wandler (volt-ampere-transducer) aufweist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Verstärkerteil, der in einem Schalterteil mehrere Analogschalter aufweist, die jeweils zwei Funktionen bzw. Schaltstellungen einnehmen und den Widerstands· änderungen wiedergebenden Gleicheffekt (even effect) des Magnetfelds unterdrücken.

9. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Anzeigeausgangsschaltung vorgesehen ist.

&Ö8881/102?