WO2008019704A1 - Measuring method and measuring apparatus with a hall element - Google Patents

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WO2008019704A1
WO2008019704A1 PCT/EP2006/008147 EP2006008147W WO2008019704A1 WO 2008019704 A1 WO2008019704 A1 WO 2008019704A1 EP 2006008147 W EP2006008147 W EP 2006008147W WO 2008019704 A1 WO2008019704 A1 WO 2008019704A1
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signal
frequency
alternating
sensor
field
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PCT/EP2006/008147
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ottmar Kechel
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Ottmar Kechel
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices

Definitions

  • the invention relates to a measuring method and a measuring device with a Hall element.
  • Spherics can be used, which emanate from strong weather disturbances, such as thunderstorms, weather fronts or convective clouding forms.
  • Spherics signals are electromagnetic signals in the form of irregular radiation pulses, which are caused by dynamic processes in the atmosphere. Individual parameters of the Spherics signals, such as number, amplitude, frequency or pulse repetition frequency, frequency distributions on frequency values and waveforms are closely linked to the weather events triggering them.
  • Typical pulse durations of Spherics signals are in the range of a few 100 ⁇ s and typical frequencies are between 2 kHz and
  • the pulse repetition frequency can be up to several 100 Hz.
  • the maximum amplitude of the Spherics signals depends on the type and distance of the signal source and is up to a few volts per meter for the electric field vector.
  • the typical discharge currents are less than 1 kA, so that the effective range is a maximum of about 50 km.
  • the radiation range relevant for the effectiveness on a biological process or organism thus lies in a vicinity of the radiation source, i. within an order of magnitude corresponding to one wavelength. For physical reasons, such radiation sources can therefore not be targeted.
  • the object of the invention to specify a measuring method and a measuring device with which, for example, effective radiation can be detected on biological processes.
  • the object directed to the method is achieved by a measuring method in which a sensor is exposed to an alternating electric field having a first frequency and an alternating magnetic field having a second frequency and a signal occurring using the Hall effect is applied to the sensor is tapped from the first frequency different signal frequency or with a different phase of the alternating electric field and processed. It can be detected in a simple way effects that emerge from a combined effect of the electric and the alternating magnetic field. In addition, Kings ⁇ NEN material properties of a sample of interest to be examined.
  • the invention is based on the consideration that free charge carriers in a material, to which an electrical voltage is applied, are correspondingly accelerated.
  • the charge carriers oscillate. This applies in an idealized form when the charge carriers are freely movable and are not limited by a limited free path in the material in their freedom of movement.
  • suitable materials such as Semiconductor materials in which charge carriers such as electrons have a large free path length, this ideal can be approximated.
  • the velocity of the charge carriers resulting from the acceleration of the charge carriers corresponds to the integral of the acceleration, so that the velocity of the charge carriers in the steady state is offset by 90 ° to the applied voltage. Due to the applied alternating magnetic field, the accelerated charge carriers are additionally accelerated according to their velocity and their angle to the magnetic field in accordance with the Hall effect.
  • the resulting total acceleration corresponds to a multiplication of the fields.
  • the signal generated by the accelerated charge carriers therefore corresponds to a multiplication of the signals of the alternating electric and magnetic field and can provide information about the interaction of these fields.
  • information about the biological effectiveness of the interacting fields can be obtained.
  • information about the material harboring the charge carriers can be obtained.
  • the free path of charge carriers in a crystal structure or amorphous structure is limited and very different lent in different materials.
  • the amplitude of the alternating magnetic field is advantageously so small that the free charge carriers through the Hall effect in a period of oscillation only a small part of a circle segment of at most 30 °, in particular at most 15 ° to go through to a high polarization or at least in Substantially linear multiplication of signals to come.
  • Processing of the signal may be a use for further method steps and / or an output of the signal or a result resulting therefrom.
  • the first and second frequencies in a quotient form an integer, in particular, the first and second frequencies are equal, so the number is 1.
  • the Hall effect can be used to phase shift and in this way the sensor can be used as a very easily manufacturable phase shifter. If the signal frequency differs from the first frequency, the phase of the processed signal may be equal to or different from that of the electric field or its signal.
  • the measuring method is a method for polarization measurement.
  • a polarization may in this case be a charge separation of the charge carriers resulting from the action of the electrical and the magnetic alternating field.
  • the polarization can be determined from the signal, for example by measuring a DC voltage at the sensor, in particular in a direction perpendicular to the two fields.
  • the processed signal in this case is a DC signal.
  • Such unnatural polarization can occur by artificial radiation, for example, for information transmission, heaped in biological material or living things. Such conditions can be harmful to your health.
  • a particularly pronounced multiplication signal can be detected at the sensor when the alternating electric and magnetic fields are at an angle between 60 ° and 120 ° to each other.
  • an effective polarization can be achieved, which can lead to a pronounced DC voltage signal.
  • the elec ⁇ tric and the alternating magnetic field are perpendicular to each other, whereby the. most effective polarization can be achieved.
  • the electrical and the magnetic alternating field components which are in a phase angle between 60 ° and 120 ° to each other.
  • the speed of the charge carriers and the alternating magnetic field in a range of 30 ° in phase with each other, whereby a good Hall acceleration of
  • Charge carrier can be achieved by the magnetic alternating field.
  • the processed signal frequency is a multiplication product of the first and second frequencies. It is a multiplication of alternating signals achievable with simple means and without example
  • the multiplication may be an analog four-quadrant multiplication known in signaling technology. If the same source signal is used for both input signals, a squaring of the original signal can be carried out in a simple manner, wherein the resulting components can be evaluated independently of one another by signals picked up on the sensor.
  • one component can be a signal with twice the first frequency and a second component can be a DC voltage that arises.
  • Another component may, for example in the case of amplitude-modulated input signals, be in the low-frequency range and be used in particular for demodulation. expediently
  • the processed signal is a low-frequency component of a multiplication product of signals of the alternating fields.
  • the low-frequency component in this case has a frequency which is lower than the first frequency and lower than the second frequency.
  • the advantage of signal multiplication lies in the simplicity of the device and the large usable frequency range.
  • the multiplication may be a multiplication of the signal of the velocity of the charge carriers and of the alternating magnetic field.
  • the measurement method can be measured in the signal processing, and the method of measurement can also be referred to as signal generation method or method for multiplying signals.
  • the measurement method can also be used to determine a material property.
  • the sensor may in this case be a sample of the material itself, which generates the measurement signal, for example a solid, a liquid, a suspension or the like.
  • a material property of the sensor is determined from the signal, for example a mean free path of charge carriers in the material.
  • One possible method of determining material properties may be to increase the strength of the alternating magnetic field by measuring a DC voltage across the sample that is a measure of polarization. As the magnetic field increases, the DC voltage that is initially present can disappear and then reverse its sign, disappear again and reverse the sign, and so on.
  • the magnetic field strengths, at which the polarization voltage disappears, are dependent on the frequency of the alternating magnetic field and in the Probe or field strength generated by the sensor and are characteristic of various materials.
  • the sample or sensor may be a solid, a fluid, an amorphous body, a gel, or the like.
  • the object directed to the device is achieved according to the invention by a device for carrying out the method described above, in particular by a measuring device with a Hall element, a Hall element surrounding, electrically shielding housing, a means for generating an alternating electric field a first frequency in the housing, with signal taps for picking up a perpendicular to the electric field in the Hall element signal and an evaluation means for evaluating a different signal frequency from the first frequency or with a different phase of the alternating electric field. It can be detected by simple means effects resulting from a combined effect of the electric with an alternating magnetic field. In addition, material properties of the Hall element used can be examined.
  • the alternating electric field is advantageously designed such that it passes through the Hall element with at least substantially straight field lines.
  • the evaluation means may be suitable for the signal frequency evaluation.
  • the electrical shielding of the housing is advantageously carried out with an eddy current inhibiting means. Unwanted currents in the housing material can be kept at least small and thereby caused disturbing magnetic fields are at least largely avoided.
  • the eddy current inhibiting means may contain sintered metal or consist of, for example, a herringbone shield.
  • the Hall element can be at least largely shielded against unwanted external magnetic fields.
  • the measuring device may comprise a means for generating a magnetic field, in particular for generating an alternating magnetic field.
  • the magnetic field shield magnetically shields the Hall element from all directions.
  • the magnetic field shield may be passive, for example in the form of a layer of so-called mu metal, or be active, for example in the form of a compensation means for generating a compensation magnetic field for compensating an external magnetic field.
  • the compensation means here comprises an electronic compensation control, whereby an external magnetic field can be reliably kept away from the Hall element serving as sensor or sample.
  • a weak DC voltage signal can be reliably tapped and detected at the sensor or the Hall element if the measuring device has an adjustment circuit for compensating an undesired voltage at signal taps.
  • the DC voltage can be set to zero before a measurement and a change during a measurement reliably detected.
  • a temperature control means for controlling the temperature of the heating element it is possible to detect material properties of the Hall element or the sample as a function of the temperature of the sample, for example by carrying out a measurement at differently set temperatures of the sample.
  • the measuring device advantageously comprises a balancing means for compensating an input signal in the tapped signal.
  • a fault of the tapped signal due to an unwanted interference by a direct signal of the alternating electric field can be avoided and a weak tapped signal can be detected.
  • Fig. 1 shows a sensor in an electrical and magnetic
  • FIG. 2 shows a diagram of the amplitudes of the fields
  • FIG. 3 shows a diagram of the velocity of charge carriers in the sensor and the force on the charge carriers
  • Fig. 5 a diagram for evaluating signals
  • Fig. 8 shows a measuring device for measuring material properties
  • Fig. 9 shows an equivalent circuit diagram of a signal adjustment with a matching means.
  • a sensor 2 designed as a disk in a cylindrical shape, a 10-ohm NTC resistor made of doped semiconductor material gallium arsenide, in which electrons as charge carriers have a large free path length of several 100 nm at room temperature.
  • Such a sensor 2 can be called a Hall sensor because of the large free path of the charge carriers.
  • GaAs / AlGaAs heterostructures are well suited as alternative sensor material.
  • a two-dimensional conducting electron gas is formed at the layer boundary between GaAs and AlGaAs.
  • the electrons are highly mobile and have a mean free path of several microns.
  • n-doped indium antimonite (InSb) is particularly suitable.
  • the sensor 2 is an alternating electric field E, which oscillates in the x-axis of a Cartesian coordinate system 4, and an alternating magnetic field B which oscillates in the y-axis of the coordinate system 4, set.
  • the sensor 2 comprises two opposing antennas 6, which are electrically connected to the semiconductor material of the sensor 2.
  • the sensor 2 comprises two signal taps 8 located in the z direction, which are likewise connected to the semiconductor material. The signal taps 8 are aligned perpendicular to the two alternating fields E and B.
  • the relative amplitudes A of the two alternating fields E, B are plotted against the time t in units of the oscillation period.
  • the two alternating fields E, B are at a phase angle of 90 ° or ⁇ / 2 to each other, wherein the alternating electric field E a time period of vibration oscillates in front of the alternating magnetic field B.
  • the alternating electric field E penetrates the sensor 2 and exerts a force on the charge carriers therein, which are accelerated by the force of the solid state according to the conditions of the solid.
  • the resulting velocity v of the charge carriers in the sensor 2 is shown in FIG. 3 in a diagram over time. It corresponds - in an idealized view, ie with unrestricted freedom of movement and without collisions on the crystal lattice - to the integral of the acceleration, so that the velocity v of the charge carriers in the steady state is also sinusoidal in a sinusoidal alternating electrical field E and in phase by ⁇ / 2 is shifted in time behind the alternating electric field E or a voltage applied to the sensor 2 voltage.
  • the alternating magnetic field B exerts a force F on the charge carriers in accordance with the Hall effect which acts perpendicular to the alternating magnetic field B and perpendicular to the velocity v, ie perpendicular to the alternating electric field E and thus in the z direction.
  • This force F which is likewise shown in the diagram in FIG. 3, is a multiplication product of the alternating fields E, B or of the alternating field B at the speed v and is in the illustrated example in which the alternating fields E, B are closed by ⁇ / 2 - which are phase-shifted, always positive.
  • the sensor 2 For measuring a polarizing field interaction, the sensor 2, as shown in Fig. 1, introduced into the two alternating fields E, B and both signals of the multiplication or only one of them are taken at the signal taps 8 and evaluated, for example by a DC voltage and / or a signal frequency f s is displayed. Particularly advantageous is a recording of a DC voltage over time and an additional recording of the signal frequency f s and the amplitude of the high-frequency signal associated with the DC voltage with the signal frequency f s . From the DC voltage, which corresponds to a polarization, which is caused by the interaction of the two alternating fields E, B, can be concluded that the strength with which the alternating fields E, B, for example, bio- influence logical material with mobile charge carriers.
  • Fig. 5 is a graph showing a relationship between the signal frequency f s and the distance. Based on the theory of the electric dipole, the two alternating fields E, B are in phase with each other at a great distance from the source. In this case, no polarization of the charge carriers occurs, since they are deflected by the Hall effect in the positive and negative z-direction and oscillate in the sum of a rest point.
  • the sensor 10 comprises a layer 12 of a semiconductor material, which is provided on both sides with a metal layer 14. These two metal layers 14 are each subdivided by interruptions 16 into segments 18, 20 which pass through
  • antennas 22 are electrically conductively attached.
  • signal taps 24 are attached electrically conductive.
  • the resistance between the signal taps 24 has been adjusted to 50 ohms, which is advantageous for high frequency measurements.
  • the resistance between the antennas 22 was on 240 ohms, which is advantageous for the adaptation of a folding dipole.
  • the antennas 22 are now supplied with an external signal, for example a DC voltage, and a resulting signal is detected at the signal taps 24.
  • an external signal for example a DC voltage
  • the location or size of the segments 18, 20 must be changed until the resulting signal disappears.
  • a reduction of the applied DC voltage at the signal taps 24 by, for example, a factor of 100,000 can be achieved with the simplest means, which corresponds to an attenuation of 100 dB.
  • the sensor 10 is balanced and ready for measurement. It is introduced into an external electric and magnetic alternating field E, B and resulting signals with signal frequencies F 5 are detected and displayed or processed by a corresponding evaluation means.
  • the antennas 6, 22 of the sensors 2, 10 have the advantage that they amplify the alternating electrical field E in the sensor 2, 10, but they determine the direction of the sensor 2, 10 relative to the alternating electric field E fixed. If this direction is unknown, then a sensor 26 shown in FIG. 7 is advantageous, which is symmetrical at least in two dimensions. As long as the plane of a semiconductor layer 28 of the sensor 26 is aligned in the direction of the alternating fields E, B, the resulting multiplication signal can be detected at signal taps 30.
  • a measuring device 32 for determining material properties and / or signal multiplication is shown in FIG. 8.
  • the measuring device 32 comprises a means 34 for generating an alternating electric field E by a designed as a Hall element 36 sample or sensor, with which the
  • Frequency f E of the alternating electric field E whose amplitude A E and a phase angle ⁇ can be set, with which the alternating electric field E is shifted to a magnetic alternating field E selfeld B, which is generated by a means 38 for generating an alternating magnetic field B.
  • the means 34 comprises four metallic plates 40, which are each arranged in pairs relative to the Hall element 36 and can be subjected to a voltage in pairs.
  • the means 38 for generating an alternating magnetic field B has three coils 42 at a respective terminal 44, wherein in FIG. 8, for the sake of clarity, only one of the coils 42 is shown.
  • the coils 42 are arranged relative to one another such that the magnetic field generated by them is perpendicular to the other two magnetic fields. In this way, a magnetic field in any direction through the sample can be achieved by a combination of the three magnetic fields and it can be an external magnetic field, such as the earth's magnetic field, compensated so that no disturbing magnetic field or alternating magnetic field flows through the Hall element 36.
  • the measuring device 32 For shielding an undesired electric field, the measuring device 32 comprises an electrically shielding housing 46, for example in the form of a herringbone shield, which counteracts undesired generation of a magnetic field or alternating magnetic field by an electric field or alternating field.
  • An evaluation means 48 is connected to signal taps 50 on the Hall sensor 36 and is provided for evaluating a DC signal or a signal with a signal frequency f s which differs from a frequency F E , F B of a generated electrical or magnetic alternating field E, B can be.
  • a temperature control 52 the Hall element 36 can be heated or cooled to a desired temperature.
  • the evaluation means 48 comprises a matching means 54, the equivalent circuit diagram of which is shown in FIG.
  • the Hall sensor 36 is substituted as an element of four ohmic resistors 56 shown.
  • the signal to be evaluated is picked up, to which an input signal of the signal strength Uo of the alternating electric field E strikes with a disturbing voltage U m .
  • the adjustment means 54 comprises a potentiometer 58, with the aid of which the evaluation means 48 automatically regulates the interference voltage U m to zero in the absence of a magnetic field.
  • a manual control is conceivable.
  • the outer, undesired magnetic field is first compensated to zero with the aid of the three coils 42.
  • This active magnetic field shielding by a compensation magnetic field is maintained by an electronic compensation control, which is part of the means 38.
  • an alternating magnetic field B with a desired frequency f B and amplitude A B is additionally generated by superposing the compensation equal field with the alternating field B.
  • the direction of the alternating magnetic field B is also adjustable here.
  • an alternating electric field E with a frequency f E and an amplitude A E is set, wherein the frequency f E is equal to the frequency f B and the direction of the electric alternating field E is set perpendicular to the alternating magnetic field B.
  • the adjustability of the frequencies F E , F B , the amplitudes AE , A B and the directions of the alternating fields E, B spatial information about the mobility and thus the lattice or band structure of the Hall element 36 can be obtained.
  • the adjustability of the temperature of the Hall element 36 information about the temperature dependence of the mobility and the band structure can be obtained.
  • the measuring device 32 may be for multiplying signals after that as described above Procedure can be used. In this case, a direction adjustability of the alternating fields E, B is not necessary, as a result of which the measuring device can be simplified accordingly.
  • the measuring device can also be simplified by a magnetic field shield, for example in that the housing 46 is not only designed to be electrically but also magnetically shielding, for example, magnetically shielding metal, such as metal or the like.
  • a compensation of an unwanted external magnetic field as described above can be dispensed with.
  • the magnetic shield has the advantage that unwanted external alternating magnetic fields are kept away from the sample, which are difficult to compensate.

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Abstract

The invention relates to a measuring method, in which a sensor (2, 10, 26) is exposed to an electrical alternating field (E) with a first frequency (FE) and a magnetic alternating field (B) with a second frequency (FB) and a signal, which occurs using the Hall effect, with a signal frequency (FS) which is different from the first frequency (FE) or with a phase which is different from the electrical alternating field (E) is tapped off at the sensor (2, 10, 26) and processed. Thereby, radiation which is effective for, for example, biological processes can be detected in a simple manner.

Description

Beschreibungdescription
Messverfahren und Messvorrichtung mit einem Hall-ElementMeasuring method and measuring device with a Hall element
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Messvorrichtung mit einem Hall-Element.The invention relates to a measuring method and a measuring device with a Hall element.
Elektromagnetische Wechselfelder üben eine Vielzahl von Einflüssen auf biologische Vorgänge aus. Beispielhaft können so- genannte Spherics herangezogen werden, die von starken Wetterstörungen, wie Gewittern, Wetterfronten oder konvektiven Bewölkungsformen ausgehen. Spherics-Signale sind elektromagnetische Signale in Form von unregelmäßigen Strahlungspulsen, die von dynamischen Prozessen in der Atmosphäre hervor- gerufen werden. Einzelne Parameter der Spherics-Signale, wie Anzahl, Amplitude, Frequenz oder Pulsfolgefrequenz, Häufigkeitsverteilungen auf Frequenzwerte und Signalformen sind eng mit den sie auslösenden Wettervorgängen verknüpft. Typische Pulsdauern von Spherics-Signalen liegen im Bereich von eini- gen 100 μs und typische Frequenzen sind zwischen 2 kHz undElectromagnetic alternating fields exert a variety of influences on biological processes. As an example, so-called Spherics can be used, which emanate from strong weather disturbances, such as thunderstorms, weather fronts or convective clouding forms. Spherics signals are electromagnetic signals in the form of irregular radiation pulses, which are caused by dynamic processes in the atmosphere. Individual parameters of the Spherics signals, such as number, amplitude, frequency or pulse repetition frequency, frequency distributions on frequency values and waveforms are closely linked to the weather events triggering them. Typical pulse durations of Spherics signals are in the range of a few 100 μs and typical frequencies are between 2 kHz and
100 kHz angesiedelt. Die Impulsfolgefrequenz kann bis zu einigen 100 Hz betragen. Die maximale Amplitude der Spherics- Signale hängt von der Art und Entfernung der Signalquelle ab und beträgt für den elektrischen Feldvektor bis zu einigen Volt 'pro Meter. Die typischen Entladungsstromstärken sind kleiner als 1 kA, so dass die effektive Reichweite maximal etwa 50 km beträgt. Der für die Wirksamkeit auf einen biologischen Prozess oder Organismus relevante Strahlungsbereich liegt also in einem Nahbereich um die Strahlungsquelle, d.h. innerhalb einer Größenordnung, die einer Wellenlänge entspricht. Aus physikalischen Gründen können solche Strahlungsquellen daher nicht gepeilt werden.100 kHz settled. The pulse repetition frequency can be up to several 100 Hz. The maximum amplitude of the Spherics signals depends on the type and distance of the signal source and is up to a few volts per meter for the electric field vector. The typical discharge currents are less than 1 kA, so that the effective range is a maximum of about 50 km. The radiation range relevant for the effectiveness on a biological process or organism thus lies in a vicinity of the radiation source, i. within an order of magnitude corresponding to one wavelength. For physical reasons, such radiation sources can therefore not be targeted.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren und eine Messvorrichtung anzugeben, mit denen beispielsweise auf biologische Vorgänge wirksame Strahlung einfach detektiert werden kann. Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Messverfahren gelöst, bei dem ein Sensor einem elektrischen Wechselfeld mit einer ersten Frequenz und einem magnetischen Wechselfeld mit einer zweiten Frequenz ausge- setzt wird und am Sensor ein unter Ausnutzung des Hall- Effekts auftretendes Signal mit einer von der ersten Frequenz unterschiedlichen Signalfrequenz oder mit einer von dem elektrischen Wechselfeld verschiedenen Phase abgegriffen und verarbeitet wird. Es können auf einfache Weise Effekte erfasst werden, die aus einer kombinierten Wirkung des elektrischen mit dem magnetischen Wechselfelds hervorgehen. Außerdem kön¬ nen Materialeigenschaften einer interessierenden Probe untersucht werden.It is the object of the invention to specify a measuring method and a measuring device with which, for example, effective radiation can be detected on biological processes. According to the invention, the object directed to the method is achieved by a measuring method in which a sensor is exposed to an alternating electric field having a first frequency and an alternating magnetic field having a second frequency and a signal occurring using the Hall effect is applied to the sensor is tapped from the first frequency different signal frequency or with a different phase of the alternating electric field and processed. It can be detected in a simple way effects that emerge from a combined effect of the electric and the alternating magnetic field. In addition, Kings ¬ NEN material properties of a sample of interest to be examined.
Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, dass freie Ladungsträger in einem Material, an das eine elektrische Spannung angelegt wird, entsprechend beschleunigt werden. Wird ein Wechselfeld angelegt, oszillieren die Ladungsträger. Dies gilt in idealisierter Form, wenn die Ladungsträger frei beweglich sind und nicht durch eine begrenzte freie Weglänge im Material in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind. Durch geeignete Materialien, wie z.B. Halbleitermaterialien, in denen Ladungsträger wie Elektronen eine große freie Weglänge haben, kann dieses Ideal angenähert werden. Die aus der Beschleunigung der Ladungsträger resultierende Geschwindigkeit der Ladungsträger entspricht dem Integral der Beschleunigung, so dass die Geschwindigkeit der Ladungsträger im eingeschwungenen Zustand um 90° versetzt zur angelegten Spannung ist. Durch das angelegte magnetische Wechselfeld werden die beschleunigten Ladungsträger entsprechend ihrer Geschwindigkeit und ihrem Winkel zum Magnetfeld zusätzlich gemäß dem Hall-Effekt beschleunigt.The invention is based on the consideration that free charge carriers in a material, to which an electrical voltage is applied, are correspondingly accelerated. When an alternating field is applied, the charge carriers oscillate. This applies in an idealized form when the charge carriers are freely movable and are not limited by a limited free path in the material in their freedom of movement. By suitable materials, such as Semiconductor materials in which charge carriers such as electrons have a large free path length, this ideal can be approximated. The velocity of the charge carriers resulting from the acceleration of the charge carriers corresponds to the integral of the acceleration, so that the velocity of the charge carriers in the steady state is offset by 90 ° to the applied voltage. Due to the applied alternating magnetic field, the accelerated charge carriers are additionally accelerated according to their velocity and their angle to the magnetic field in accordance with the Hall effect.
Durch die auf die Ladungsträger wirkenden Felder entspricht die dadurch hervorgerufene Gesamtbeschleunigung einer Multiplikation der Felder. Das von den beschleunigten Ladungsträgern erzeugte Signal entspricht daher einer Multiplikation der Signale des elektrischen und magnetischen Wechselfelds und kann einen Aufschluss über das Zusammenwirken dieser Felder geben. Durch das Auswerten des Multiplikationssignals können Informationen über die biologische Wirksamkeit der zusammenwirkenden Felder gewonnen werden. Zusätzlich können In- formationen über das die Ladungsträger beherbergende Material gewonnen werden.Due to the fields acting on the charge carriers, the resulting total acceleration corresponds to a multiplication of the fields. The signal generated by the accelerated charge carriers therefore corresponds to a multiplication of the signals of the alternating electric and magnetic field and can provide information about the interaction of these fields. By evaluating the multiplication signal, information about the biological effectiveness of the interacting fields can be obtained. In addition, information about the material harboring the charge carriers can be obtained.
Die freie Weglänge von Ladungsträgern in einer Kristallstruktur oder amorphen Struktur ist begrenzt und sehr unterschied- lieh in verschiedenen Materialien. Je größer die mittlere freie Weglänge ist, desto besser ist das Material für eine Polarisationsmessung geeignet, oder geeignet, eine Multiplikation von Signalen in einem großen Amplituden- und Frequenzbereich durchführen zu können. Bei konstant gehaltenen Ampli- tuden des elektrischen und magnetischen Wechselfelds ist zu erwarten, dass eine Signalmultiplikation erst oberhalb einer Grenzfrequenz linear wird, ab der die Auslenkung der Ladungsträger kleiner ist als die mittlere freie Weglänge. Zweckmäßigerweise wird eine Multiplikation daher mit einer ersten Frequenz durchgeführt, bei der die Auslenkung der Ladungsträger kleiner ist als die mittlere freie Weglänge. Außerdem ist die Amplitude des magnetischen Wechselfelds vorteilhafterweise so klein, dass die freien Ladungsträger durch den Hall- Effekt bei einer Schwingungsperiode nur einen kleinen Teil eines Kreissegments von höchstens 30°, insbesondere höchstens 15° durchlaufen, um zu einer hohen Polarisierung bzw. einer zumindest im Wesentlichen linearen Multiplikation von Signalen zu kommen.The free path of charge carriers in a crystal structure or amorphous structure is limited and very different lent in different materials. The greater the mean free path, the better the material is suitable for polarization measurement or capable of performing multiplication of signals in a large amplitude and frequency range. If the amplitudes of the alternating electric and magnetic fields are kept constant, it is to be expected that a signal multiplication will become linear above a cutoff frequency above which the deflection of the charge carriers is smaller than the mean free path length. Expediently, a multiplication is therefore carried out with a first frequency, in which the deflection of the charge carriers is smaller than the mean free path length. In addition, the amplitude of the alternating magnetic field is advantageously so small that the free charge carriers through the Hall effect in a period of oscillation only a small part of a circle segment of at most 30 °, in particular at most 15 ° to go through to a high polarization or at least in Substantially linear multiplication of signals to come.
Eine Verarbeitung des Signals kann eine Verwendung für weitere Verfahrensschritte und/oder eine Ausgabe des Signals oder eines daraus resultierenden Ergebnisses sein. Zweckmäßigerweise bilden die erste und zweite Frequenz in einem Quotienten eine ganze Zahl, wobei insbesondere die erste und zweite Frequenz gleich sind, die Zahl also 1 ist. Hierdurch kann eine besonders große Polarisation von Ladungsträgern im Sensor erreicht werden. Bei einem Abgreifen und Verarbeiten eines Signals, das eine Signalfrequenz aufweist, die gleich der er- sten Frequenz ist, kann der Hall-Effekt zur Phasenverschiebung verwendet werden und auf diese Weise der Sensor als ein sehr einfach herstellbares Phasenschiebeglied verwendet werden. Ist die Signalfrequenz von der ersten Frequenz verschie- den, kann die Phase des verarbeiteten Signals gleich der des elektrischen Felds bzw. dessen Signal oder unterschiedlich zu diesem sein.Processing of the signal may be a use for further method steps and / or an output of the signal or a result resulting therefrom. Conveniently, the first and second frequencies in a quotient form an integer, in particular, the first and second frequencies are equal, so the number is 1. As a result, a particularly large polarization of charge carriers in the sensor can be achieved. When tapping and processing a signal having a signal frequency equal to the frequency, the Hall effect can be used to phase shift and in this way the sensor can be used as a very easily manufacturable phase shifter. If the signal frequency differs from the first frequency, the phase of the processed signal may be equal to or different from that of the electric field or its signal.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Messverfahren ein Verfahren zur Polarisationsmessung. Eine Polarisation kann hierbei eine aus der Wirkung des elektrischen und des magnetischen Wechselfelds resultierende Ladungstrennung der Ladungsträger sein. Die Polarisation kann aus dem Signal bestimmt werden, beispielsweise indem am Sen- sor ein Gleichspannung gemessen wird, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu den beiden Feldern. Das verarbeitete Signal ist in diesem Falle ein Gleichspannungssignal.In an advantageous embodiment of the invention, the measuring method is a method for polarization measurement. A polarization may in this case be a charge separation of the charge carriers resulting from the action of the electrical and the magnetic alternating field. The polarization can be determined from the signal, for example by measuring a DC voltage at the sensor, in particular in a direction perpendicular to the two fields. The processed signal in this case is a DC signal.
In der Regel wird eine Polarisation in biologischem Material durch das Vorhandensein des Erdmagnetfelds verhindert. Durch das Erdmagnetfeld vollführen die Ladungsträger, auch bei ansonsten polarisierenden Wechselfeldbedingungen, bedingt durch den Hall-Effekt meist Kreisbewegungen, die eine Ladungstrennung verhindern. Schwingen das elektrische und magnetische Wechselfeld jedoch mit einer sehr hohen Frequenz, beispielsweise über 1 MHz, so reicht die durch den Hall-Effekt hervorgerufene Ablenkung im Erdmagnetfeld nicht für Kreisbahnen aus und die Ladungsträger oszillieren auf nur kleinen, gekrümmten Bahnabschnitten. Hierdurch kann eine Polarisation quer zu den Bahnabschnitten hervorgerufen werden, die in der Natur nicht oder nur selten, beispielsweise durch Spherics hervprgerufen, vorkommt. Eine solche unnatürliche Polarisation kann jedoch durch künstliche Strahlung, beispielsweise zur Informationsübertragung, gehäuft in biologischem Material bzw. Lebewesen auftreten. Solche Bedingungen können gesundheitsschädlich sein. Mit dem oben beschriebenen vorteilhaften Verfahren können solche Polarisationen aufgespürt werden. Ein besonders ausgeprägtes Multiplikationssignal kann am Sensor erfasst werden, wenn das elektrische und das magnetische Wechselfeld in einem Winkel zwischen 60° und 120° zueinander stehen. Bei dieser Ausgestaltung kann eine effektive Polari- sation erzielt werden, die zu einem ausgeprägten Gleichspannungssignal führen kann. Vorteilhafterweise stehen das elek¬ trische und das magnetische Wechselfeld senkrecht zueinander, wodurch die. effektivste Polarisation erzielt werden kann.As a rule, polarization in biological material is prevented by the presence of the earth's magnetic field. As a result of the Hall effect, the charge carriers, through the earth's magnetic field, perform mostly circular motions, which prevent charge separation, even in otherwise polarizing alternating field conditions. However, if the electric and magnetic alternating field oscillates at a very high frequency, for example above 1 MHz, the deflection in the geomagnetic field caused by the Hall effect is not sufficient for circular paths and the charge carriers oscillate on only small, curved track sections. As a result, a polarization can be caused transversely to the web sections, which does not occur in nature or only rarely, for example, by Spherics, occurs. However, such unnatural polarization can occur by artificial radiation, for example, for information transmission, heaped in biological material or living things. Such conditions can be harmful to your health. With the advantageous method described above, such polarizations can be detected. A particularly pronounced multiplication signal can be detected at the sensor when the alternating electric and magnetic fields are at an angle between 60 ° and 120 ° to each other. In this embodiment, an effective polarization can be achieved, which can lead to a pronounced DC voltage signal. Advantageously, the elec ¬ tric and the alternating magnetic field are perpendicular to each other, whereby the. most effective polarization can be achieved.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen das elektrische und das magnetische Wechselfeld Komponenten auf, die in einem Phasenwinkel zwischen 60° und 120° zueinander stehen. Hierdurch sind die Geschwindigkeit der Ladungsträger und das magnetische Wechselfeld in einem Bereich von 30° in Phase zueinander, wodurch eine gute Hall-Beschleunigung derIn a further embodiment of the invention, the electrical and the magnetic alternating field components which are in a phase angle between 60 ° and 120 ° to each other. As a result, the speed of the charge carriers and the alternating magnetic field in a range of 30 ° in phase with each other, whereby a good Hall acceleration of
Ladungsträger durch das magnetische Wechselfeld erreicht werden kann. Je weiter die Geschwindigkeit der Ladungsträger und das magnetische Wechselfeld in Phase sind, desto besser ist die Beschleunigung, weshalb die Komponenten vorzugsweise ei- nen Phasenwinkel von zumindest im Wesentlichen 90° aufweisen.Charge carrier can be achieved by the magnetic alternating field. The further the velocity of the charge carriers and the alternating magnetic field are in phase, the better the acceleration, which is why the components preferably have a phase angle of at least substantially 90 °.
Es wird außerdem vorgeschlagen, dass die verarbeitete Signalfrequenz ein Multiplikationsprodukt der ersten und zweiten Frequenz ist. Es ist eine Multiplikation von Wechselsignalen mit einfachen Mitteln erreichbar und ohne beispielsweiseIt is also proposed that the processed signal frequency is a multiplication product of the first and second frequencies. It is a multiplication of alternating signals achievable with simple means and without example
Glieder zur Phasenverschiebung von Signalen oder dergleichen. Die Multiplikation kann eine in der Signaltechnik bekannte analoge Vierquadranten-Multiplikation sein. Werden für beide Eingangssignale das gleiche Ursprungssignal verwendet, so kann auf einfache Weise eine Quadrierung des Ursprungssignals vorgenommen werden, wobei die entstehenden Komponenten durch am Sensor abgegriffene Signale unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Eine Komponente kann in diesem Fall ein Signal mit der zweifachen ersten Frequenz sein und eine zwei- te Komponente kann eine entstehende Gleichspannung sein. Eine weitere Komponente kann, beispielsweise bei amplitudenmodulierten Eingangssignalen, im Niederfrequenzbereich liegen und insbesondere zur Demodulation verwendet werden. Zweckmäßiger- weise ist hierfür das verarbeitet Signal ein niederfrequenter Anteil eines Multiplikationsprodukts aus Signalen der Wechselfelder. Der niederfrequente Anteil weist hierbei eine Frequenz auf, die niedriger als die erste Frequenz und niedriger als die zweite Frequenz ist. Der Vorteil der Signalmultiplikation liegt in der Einfachheit der Vorrichtung und dem großen nutzbaren Frequenzbereich. Die Multiplikation kann eine Multiplikation des Signals der Geschwindigkeit der Ladungsträger und des magnetischen Wechselfelds sein. Wird das Ver- fahren beispielsweise allein zur Multiplikation verwendet, so kann die Messung des Messverfahrens in der Signalbearbeitung bestehen und das Messverfahren kann auch als Signalerzeugungsverfahren bzw. Verfahren zur Multiplikation von Signalen bezeichnet werden.Links to the phase shift of signals or the like. The multiplication may be an analog four-quadrant multiplication known in signaling technology. If the same source signal is used for both input signals, a squaring of the original signal can be carried out in a simple manner, wherein the resulting components can be evaluated independently of one another by signals picked up on the sensor. In this case, one component can be a signal with twice the first frequency and a second component can be a DC voltage that arises. Another component may, for example in the case of amplitude-modulated input signals, be in the low-frequency range and be used in particular for demodulation. expediently For this purpose, the processed signal is a low-frequency component of a multiplication product of signals of the alternating fields. The low-frequency component in this case has a frequency which is lower than the first frequency and lower than the second frequency. The advantage of signal multiplication lies in the simplicity of the device and the large usable frequency range. The multiplication may be a multiplication of the signal of the velocity of the charge carriers and of the alternating magnetic field. For example, if the method is used solely for multiplication, then the measurement method can be measured in the signal processing, and the method of measurement can also be referred to as signal generation method or method for multiplying signals.
Bei konstant gehaltenen Amplituden des elektrischen und magnetischen Wechselfelds ist zu erwarten, dass eine Signalmultiplikation erst oberhalb einer Grenzfrequenz linear wird, ab der die Auslenkung der Ladungsträger kleiner ist als die mittlere freie Weglänge.With the amplitudes of the alternating electric and magnetic fields kept constant, it is to be expected that a signal multiplication will become linear only above a cutoff frequency, from which the deflection of the charge carriers is smaller than the mean free path length.
Wie oben kurz erwähnt, kann das Messverfahren auch zur Bestimmung einer Materialeigenschaft verwendet werden. Der Sensor kann hierbei eine Probe des Materials selbst sein, die das Messsignal erzeugt, beispielsweise ein Festkörper, eine Flüssigkeit, eine Suspension oder dergleichen. Hierbei wird aus dem Signal eine Materialeigenschaft des Sensors bestimmt, beispielsweise eine mittlere freie Weglänge von Ladungsträgern im Material. Ein mögliches Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften kann vorgenommen werden, indem man das magnetische Wechselfeld in seiner Stärke ansteigen lässt, und dabei eine Gleichspannung an der Probe misst, die ein Maß für eine Polarisierung ist. Bei ansteigendem Magnetfeld kann die zunächst vorhandene Gleichspannung verschwinden und dann ihr Vorzeichen umkehren, wieder verschwinden und wieder das Vorzeichen umkehren und so fort. Die Magnetfeldstärken, an denen die Polarisierungsspannung verschwindet, sind abhängig von der Frequenz des magnetischen Wechselfelds und von der in der Probe bzw. dem Sensor erzeugten Feldstärke und sind charakteristisch für verschiedene Materialien. Die Probe bzw. der Sensor kann ein Festkörper, ein Fluid, ein amorpher Körper, ein Gel oder dergleichen sein.As mentioned briefly above, the measurement method can also be used to determine a material property. The sensor may in this case be a sample of the material itself, which generates the measurement signal, for example a solid, a liquid, a suspension or the like. In this case, a material property of the sensor is determined from the signal, for example a mean free path of charge carriers in the material. One possible method of determining material properties may be to increase the strength of the alternating magnetic field by measuring a DC voltage across the sample that is a measure of polarization. As the magnetic field increases, the DC voltage that is initially present can disappear and then reverse its sign, disappear again and reverse the sign, and so on. The magnetic field strengths, at which the polarization voltage disappears, are dependent on the frequency of the alternating magnetic field and in the Probe or field strength generated by the sensor and are characteristic of various materials. The sample or sensor may be a solid, a fluid, an amorphous body, a gel, or the like.
Die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, insbesondere durch eine Messvorrichtung mit einem Hall-Element, einem das Hall-Element umge- benden, elektrisch abschirmenden Gehäuse, einem Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfelds mit einer ersten Frequenz im Gehäuse, mit Signalabgriffen zum Abgreifen eines senkrecht zum elektrischen Feld im Hall-Element entstehenden Signals und einem Auswertemittel zur Auswertung einer von der ersten Frequenz verschiedenen Signalfrequenz oder mit einer von dem elektrischen Wechselfeld verschiedenen Phase. Es können mit einfachen Mitteln Effekte erfasst werden, die aus einer kombinierten Wirkung des elektrischen mit einem magnetischen Wechselfeld hervorgehen. Außerdem können Materialeigen- schaften des verwendeten Hall-Elements untersucht werden.The object directed to the device is achieved according to the invention by a device for carrying out the method described above, in particular by a measuring device with a Hall element, a Hall element surrounding, electrically shielding housing, a means for generating an alternating electric field a first frequency in the housing, with signal taps for picking up a perpendicular to the electric field in the Hall element signal and an evaluation means for evaluating a different signal frequency from the first frequency or with a different phase of the alternating electric field. It can be detected by simple means effects resulting from a combined effect of the electric with an alternating magnetic field. In addition, material properties of the Hall element used can be examined.
Das elektrische Wechselfeld ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass es das Hall-Element mit zumindest im Wesentlichen geraden Feldlinien durchtritt. Das Auswertemittel kann eine für die Signalfrequenz geeignete Auswerteelektronik sein. Um unerwünschten Wechselwirkungen des im Gehäuse erzeugten elektrischen Wechselfelds mit dem Gehäuse entgegenzuwirken, ist die elektrische Abschirmung des Gehäuses vorteilhafterweise mit einem Wirbelströme hemmenden Mittel ausge- führt. Unerwünschte Ströme im Gehäusematerial können zumindest klein gehalten und hierdurch hervorgerufene störende Magnetfelder zumindest weitgehend vermieden werden. Das Wirbelströme hemmende Mittel kann Sintermetall enthalten oder beispielsweise aus einer Fischgrätenabschirmung bestehen.The alternating electric field is advantageously designed such that it passes through the Hall element with at least substantially straight field lines. The evaluation means may be suitable for the signal frequency evaluation. In order to counteract undesired interactions of the alternating electric field generated in the housing with the housing, the electrical shielding of the housing is advantageously carried out with an eddy current inhibiting means. Unwanted currents in the housing material can be kept at least small and thereby caused disturbing magnetic fields are at least largely avoided. The eddy current inhibiting means may contain sintered metal or consist of, for example, a herringbone shield.
Weist das Gehäuse eine Magnetfeldabschirmung auf, so kann das Hall-Element gegen unerwünschte äußere Magnetfelder zumindest weitgehend abgeschirmt werden. Als Messmagnetfeld wird hier- bei zweckmäßigerweise ein Magnetfeld innerhalb des Gehäuses erzeugt. Hierfür kann die Messvorrichtung ein Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds umfassen, insbesondere zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds. Vorteilhafterweise schirmt die Magnetfeldabschirmung das Hall-Element von allen Richtungen magnetisch ab. Die Magnetfeldabschirmung kann passiv sein, beispielsweise in Form einer Schicht aus sogenanntem Mü-Metall, oder aktiv sein, beispielsweise in Form eines Kompensationsmittels zur Erzeugung eines Kompensationsmagnet- felds zur Kompensation eines äußeren Magnetfelds. Zweckmäßigerweise umfasst das Kompensationsmittel hierbei eine elektronische Kompensationsregelung, wodurch ein äußeres Magnetfeld zuverlässig von dem als Sensor oder Probe dienenden Hall-Element ferngehalten werden kann.If the housing has a magnetic field shield, then the Hall element can be at least largely shielded against unwanted external magnetic fields. As measuring magnetic field, expediently generates a magnetic field within the housing. For this purpose, the measuring device may comprise a means for generating a magnetic field, in particular for generating an alternating magnetic field. Advantageously, the magnetic field shield magnetically shields the Hall element from all directions. The magnetic field shield may be passive, for example in the form of a layer of so-called mu metal, or be active, for example in the form of a compensation means for generating a compensation magnetic field for compensating an external magnetic field. Expediently, the compensation means here comprises an electronic compensation control, whereby an external magnetic field can be reliably kept away from the Hall element serving as sensor or sample.
Ein schwaches Gleichspannungssignal kann zuverlässig an dem Sensor bzw. dem Hall-Element abgegriffen und erkannt werden, wenn die Messvorrichtung eine Abgleichschaltung zur Kompensation einer unerwünschten Spannung an Signalabgriffen auf- weist. Die Gleichspannung kann vor einer Messung auf Null eingestellt und eine Veränderung während einer Messung zuverlässig erfasst werden.A weak DC voltage signal can be reliably tapped and detected at the sensor or the Hall element if the measuring device has an adjustment circuit for compensating an undesired voltage at signal taps. The DC voltage can be set to zero before a measurement and a change during a measurement reliably detected.
Mit Hilfe eines Temperiermittels zur Temperierung des HaIl- Elements können Materialeigenschaften des Hall-Elements bzw. der Probe in -Abhängigkeit von der Temperatur der Probe erfasst werden, beispielsweise indem eine Messung bei unterschiedlich eingestellten Temperaturen der Probe durchgeführt wird.With the aid of a temperature control means for controlling the temperature of the heating element, it is possible to detect material properties of the Hall element or the sample as a function of the temperature of the sample, for example by carrying out a measurement at differently set temperatures of the sample.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung vorteilhafterweise ein Abgleichmittel zur Kompensation eines Eingangssignals im abgegriffenen Signal. Eine Störung des abgegriffenen Signals durch eine ungewünsch- te Störung durch ein direktes Signal des elektrischen Wechselfelds kann vermieden werden und ein schwaches abgegriffenes Signal kann detektierbar sein. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.In a further embodiment of the invention, the measuring device advantageously comprises a balancing means for compensating an input signal in the tapped signal. A fault of the tapped signal due to an unwanted interference by a direct signal of the alternating electric field can be avoided and a weak tapped signal can be detected. The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments, which are illustrated in the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Sensor in einem elektrischen und magnetischenFig. 1 shows a sensor in an electrical and magnetic
Wechselfeld,Alternating field
Fig. 2 ein Diagramm der Amplituden der Felder, Fig. 3 ein Diagramm der Geschwindigkeit von Ladungsträgern im Sensor und der Kraft auf die Ladungsträger,2 shows a diagram of the amplitudes of the fields, FIG. 3 shows a diagram of the velocity of charge carriers in the sensor and the force on the charge carriers,
Fig. 4 ein Diagramm der Bewegung der Ladungsträger im Sensor,4 is a diagram of the movement of the charge carriers in the sensor,
Fig . 5 ein Diagramm zur Auswertung von Signalen,Fig. 5 a diagram for evaluating signals,
Fig . 6 einen weiteren Sensor mit einer,Fig. 6 another sensor with a,
FFiigg.. 77 einen alternativen Sensor, insbesondere für zirkulär polarisierte Felder,FFiigg .. 77 an alternative sensor, in particular for circularly polarized fields,
Fig . 8 eine Messvorrichtung zum Messen von Materialeigenschaften undFig. 8 shows a measuring device for measuring material properties and
Fig . 9 ein Ersatzschaltbild eines Signalabgleichs mit ei- nem Abgleichmittel.Fig. 9 shows an equivalent circuit diagram of a signal adjustment with a matching means.
Fig. 1 zeigt einen als Scheibe in einer Zylinderform ausgeführten Sensor 2, ein 10 Ohm NTC-Widerstand aus dotiertem Halbleitermaterial Galliumarsenid, in dem Elektronen als La- dungsträger eine große freie Weglänge von mehreren 100 nm bei Raumtemperatur aufweisen. Ein solcher Sensor 2 kann wegen der großen freien Weglänge der Ladungsträger als Hall-Sensor bezeichnet werden. Ist eine besonders hohe Messempfindlichkeit von Bedeutung, sind als alternatives Sensormaterial GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen gut geeignet. An der Schichtgrenze zwischen GaAs und AlGaAs bildet sich ein zweidimensionales leitendes Elektronengas aus. Die Elektronen darin sind hochbeweglich und haben eine mittlere freie Weglänge von mehreren μm. Besonders geeignet ist außerdem n-dotiertes Indium- Antimonit (InSb) . Der Sensor 2 ist einem elektrischen Wechselfeld E, das in der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems 4 oszilliert, und einem magnetischen Wechselfeld B, das in der y-Achse des Koordinatensystems 4 oszilliert, aus- gesetzt. Zur Verstärkung des elektrischen Wechselfelds E um- fasst der Sensor 2 zwei gegenüberliegende Antennen 6, die elektrisch mit dem Halbleitermaterial des Sensors 2 verbunden sind. Zusätzlich umfasst der Sensor 2 zwei in z-Richtung ge- genüberliegende Signalabgriffe 8, die ebenfalls mit dem Halbleitermaterial verbunden sind. Die Signalabgriffe 8 sind senkrecht zu den beiden Wechselfeldern E und B ausgerichtet.1 shows a sensor 2 designed as a disk in a cylindrical shape, a 10-ohm NTC resistor made of doped semiconductor material gallium arsenide, in which electrons as charge carriers have a large free path length of several 100 nm at room temperature. Such a sensor 2 can be called a Hall sensor because of the large free path of the charge carriers. If a particularly high measurement sensitivity is of importance, GaAs / AlGaAs heterostructures are well suited as alternative sensor material. At the layer boundary between GaAs and AlGaAs, a two-dimensional conducting electron gas is formed. The electrons are highly mobile and have a mean free path of several microns. In addition, n-doped indium antimonite (InSb) is particularly suitable. The sensor 2 is an alternating electric field E, which oscillates in the x-axis of a Cartesian coordinate system 4, and an alternating magnetic field B which oscillates in the y-axis of the coordinate system 4, set. To amplify the alternating electric field E, the sensor 2 comprises two opposing antennas 6, which are electrically connected to the semiconductor material of the sensor 2. In addition, the sensor 2 comprises two signal taps 8 located in the z direction, which are likewise connected to the semiconductor material. The signal taps 8 are aligned perpendicular to the two alternating fields E and B.
In Fig. 2 sind die relativen Amplituden A der beiden Wechsel- felder E, B gegen die Zeit t in Einheiten der Schwingungsdauer aufgetragen. Die beiden Wechselfelder E, B stehen in einem Phasenwinkel von 90° bzw. π/2 zueinander, wobei das elektrische Wechselfeld E eine viertel Schwingungsperiode zeitlich vor dem magnetischen Wechselfeld B schwingt.In FIG. 2, the relative amplitudes A of the two alternating fields E, B are plotted against the time t in units of the oscillation period. The two alternating fields E, B are at a phase angle of 90 ° or π / 2 to each other, wherein the alternating electric field E a time period of vibration oscillates in front of the alternating magnetic field B.
Das elektrische Wechselfeld E durchdringt den Sensor 2 und übt eine Kraft auf die Ladungsträger darin aus, die nach den Gegebenheiten des Festkörpers durch diese Kraft beschleunigt werden. Die resultierende Geschwindigkeit v der Ladungsträger im Sensor 2 ist in Fig. 3 in einem Diagramm über die Zeit dargestellt. Sie entspricht - bei idealisierter Betrachtung, also bei ungebremster Bewegungsfreiheit und ohne Stöße am Kristallgitter - dem Integral der Beschleunigung, so dass die Geschwindigkeit v der Ladungsträger im eingeschwungenen Zu- stand bei einem sinusförmigen elektrischen Wechselfeld E ebenfalls sinusförmig ist und in der Phase um π/2 zeitlich hinter dem elektrischen Wechselfeld E bzw. einer an den Sensor 2 angelegten Spannung verschoben ist.The alternating electric field E penetrates the sensor 2 and exerts a force on the charge carriers therein, which are accelerated by the force of the solid state according to the conditions of the solid. The resulting velocity v of the charge carriers in the sensor 2 is shown in FIG. 3 in a diagram over time. It corresponds - in an idealized view, ie with unrestricted freedom of movement and without collisions on the crystal lattice - to the integral of the acceleration, so that the velocity v of the charge carriers in the steady state is also sinusoidal in a sinusoidal alternating electrical field E and in phase by π / 2 is shifted in time behind the alternating electric field E or a voltage applied to the sensor 2 voltage.
Durch diese Geschwindigkeit v übt das magnetische Wechselfeld B gemäß dem Hall-Effekt eine Kraft F auf die Ladungsträger auf, die senkrecht zum magnetischen Wechselfeld B und senkrecht zur Geschwindigkeit v, also senkrecht zum elektrischen Wechselfeld E und somit in z-Richtung, wirkt. Diese Kraft F, die im Diagramm in Fig. 3 ebenfalls dargestellt ist, ist ein Multiplikationsprodukt der Wechselfelder E, B bzw. des Wechselfelds B mit der Geschwindigkeit v und ist beim dargestellten Beispiel, bei dem die Wechselfelder E, B um π/2 zueinan- der phasenverschoben sind, stets positiv. Sie wirkt daher nur in die positive z-Richtung und ist mit einer Signalfrequenz fs behaftet, die doppelt so hoch ist wie die Frequenz fE des elektrischen Wechselfelds E - und auch die Frequenz fB des magnetischen Wechselfelds B, wobei gilt: fs = f∑ + fß- Durch die Pulsierung der Kraft auf die Ladungsträger kann an den Signalabgriffen 8 ein Signal mit der Signalfrequenz fs abgegriffen werden.By virtue of this velocity v, the alternating magnetic field B exerts a force F on the charge carriers in accordance with the Hall effect which acts perpendicular to the alternating magnetic field B and perpendicular to the velocity v, ie perpendicular to the alternating electric field E and thus in the z direction. This force F, which is likewise shown in the diagram in FIG. 3, is a multiplication product of the alternating fields E, B or of the alternating field B at the speed v and is in the illustrated example in which the alternating fields E, B are closed by π / 2 - which are phase-shifted, always positive. It therefore acts only in the positive z-direction and is subject to a signal frequency f s , which is twice as high as the frequency f E of the alternating electric field E - and the frequency f B of the alternating magnetic field B, where: f s = fΣ + fß- By pulsing the force on the charge carriers, a signal with the signal frequency f s can be tapped at the signal taps 8.
Fig. 4 zeigt die idealisierte Bewegung der Ladungsträger im Sensor 2 in x-Richtung durch das elektrische Wechselfeld E und in z-Richtung durch die Wechselwirkung der Bewegung der Ladungsträger mit dem magnetischen Wechselfeld B. Bedingt durch die in z-Richtung stets positive Kraft F werden die La- dungsträger in z-Richtung beschleunigt. Hierdurch wird eine Ladungstrennung im Sensor 2 bewirkt bzw. eine Polarisation, die eine Gleichspannung an den Signalabgriffen 8 bewirkt. Diese Gleichspannung kann als erstes Multiplikationsprodukt der beiden Wechselfelder E, B, bzw. des magnetischen Wechsel- felds B mit der durch das elektrische Wechselfeld E bewirkten Bewegung der Ladungsträger abgegriffen und ausgewertet werden. Das Multiplikationsprodukt weist eine Signalfrequenz fs auf, für die gilt: fs = fE ~ fB = 0.4 shows the idealized movement of the charge carriers in the sensor 2 in the x direction through the alternating electric field E and in the z direction through the interaction of the movement of the charge carriers with the alternating magnetic field B. Due to the positive force F always positive in the z direction The charge carriers are accelerated in the z-direction. This causes a charge separation in the sensor 2 or a polarization, which causes a DC voltage at the signal taps 8. This DC voltage can be tapped and evaluated as the first multiplication product of the two alternating fields E, B or of the magnetic alternating field B with the movement of the charge carriers caused by the alternating electric field E. The multiplication product has a signal frequency f s , for which applies: f s = f E ~ f B = 0.
Zur Messung einer polarisierenden Feldwechselwirkung wird der Sensor 2, wie in Fig. 1 dargestellt, in die beiden Wechselfelder E, B eingebracht und es werden beide Signale der Multiplikation oder nur eines davon an den Signalabgriffen 8 abgenommen und ausgewertet, beispielsweise indem eine Gleich- spannungsstärke und/oder eine Signalfrequenz fs angezeigt wird. Besonders vorteilhaft ist eine Aufzeichnung einer Gleichspannung über die Zeit und einer zusätzlichen Aufzeichnung der Signalfrequenz fs und der Amplitude des zur Gleichspannung zugehörigen Hochfrequenzsignals mit der Signalfre- quenz fs. Aus der Gleichspannungsstärke, die einer Polarisation entspricht, die durch die Wechselwirkung der beiden Wechselfelder E, B hervorgerufen wird, kann auf die Stärke geschlossen werden, mit der die Wechselfelder E, B z.B. bio- logisches Material mit beweglichen Ladungsträgern beeinflussen .For measuring a polarizing field interaction, the sensor 2, as shown in Fig. 1, introduced into the two alternating fields E, B and both signals of the multiplication or only one of them are taken at the signal taps 8 and evaluated, for example by a DC voltage and / or a signal frequency f s is displayed. Particularly advantageous is a recording of a DC voltage over time and an additional recording of the signal frequency f s and the amplitude of the high-frequency signal associated with the DC voltage with the signal frequency f s . From the DC voltage, which corresponds to a polarization, which is caused by the interaction of the two alternating fields E, B, can be concluded that the strength with which the alternating fields E, B, for example, bio- influence logical material with mobile charge carriers.
Aus der Signalfrequenz fs des Hochfrequenzsignals kann auf eine Entfernung einer Quelle der beiden Wechselfelder E, B zum Sensor 2 geschlossen werden. Fig. 5 zeigt in einem Diagramm einen Zusammenhang zwischen der Signalfrequenz fs und der Entfernung. Ausgehend von der Theorie des elektrischen Dipols sind die beiden Wechselfelder E, B in einer weiten Entfernung von der Quelle in Phase zueinander. Hierbei tritt keine Polarisation der Ladungsträger auf, da diese durch den Hall-Effekt in positive und negative z-Richtung abgelenkt werden und in der Summe um einen Ruhepunkt schwingen. Nur in der Nähe der Quelle sind die beiden Wechselfelder E, B - so- fern ungestört - mit einem Phasenversatz von 60° bis 120° behaftet, der eine deutliche Polarisation bewirkt. Wird angenommen, dass eine deutliche Polarisation innerhalb eines Radius von 1/10 der Wellenlänge des elektrischen Felds E auftritt, so tritt diese Polarisation nur unterhalb der in Fig. 5 dargestellten Linie auf. Wird beispielsweise eine Polarisation mit einem zugehörigen Signal mit der Signalfrequenz fs von 1 kHz erfasst, so kann daraus geschlossen werden, dass die Quelle in einer maximalen Entfernung von 30 km sein muss.From the signal frequency f s of the high-frequency signal, it is possible to deduce a distance between a source of the two alternating fields E, B and the sensor 2. Fig. 5 is a graph showing a relationship between the signal frequency f s and the distance. Based on the theory of the electric dipole, the two alternating fields E, B are in phase with each other at a great distance from the source. In this case, no polarization of the charge carriers occurs, since they are deflected by the Hall effect in the positive and negative z-direction and oscillate in the sum of a rest point. Only in the vicinity of the source are the two alternating fields E, B - insofar undisturbed - affected by a phase shift of 60 ° to 120 °, which causes a significant polarization. Assuming that a significant polarization occurs within a radius of 1/10 of the wavelength of the electric field E, this polarization occurs only below the line shown in FIG. If, for example, a polarization with an associated signal with the signal frequency f s of 1 kHz is detected, then it can be concluded that the source must be at a maximum distance of 30 km.
Ein Sensor 10, mit dem ein auch nur schwaches Gleichspannungssignal gemessen werden kann, ist in Fig. 6 dargestellt. Der Sensor 10 umfasst eine Schicht 12 aus einem Halbleitermaterial, der beidseitig mit einer Metallschicht 14 versehen ist. Diese beiden Metallschichten 14 sind jeweils durch Un- terbrechungen 16 in Segmente 18, 20 unterteilt, die durchA sensor 10, with which even a weak DC voltage signal can be measured, is shown in FIG. The sensor 10 comprises a layer 12 of a semiconductor material, which is provided on both sides with a metal layer 14. These two metal layers 14 are each subdivided by interruptions 16 into segments 18, 20 which pass through
Halbleitermaterial voneinander getrennt sind. An allen Segmenten 18 oder nur an Segmenten 18 an einer Seite des Sensors 10 sind Antennen 22 elektrisch leitend befestigt. An den Segmenten 20 sind Signalabgriffe 24 elektrisch leitend befe- stigt. Der Widerstand zwischen den Signalabgriffen 24 wurde auf 50 Ohm abgeglichen, was vorteilhaft für Hochfrequenzmessungen ist. Der Widerstand zwischen den Antennen 22 wurde auf 240 Ohm eingestellt, was vorteilhaft für die Anpassung eines Faltdipols ist.Semiconductor material are separated from each other. At all segments 18 or only on segments 18 on one side of the sensor 10 antennas 22 are electrically conductively attached. At the segments 20 signal taps 24 are attached electrically conductive. The resistance between the signal taps 24 has been adjusted to 50 ohms, which is advantageous for high frequency measurements. The resistance between the antennas 22 was on 240 ohms, which is advantageous for the adaptation of a folding dipole.
Wie in Fig. 6 gezeigt, werden nun die Antennen 22 mit einem externen Signal, beispielsweise einer Gleichspannung, beaufschlagt und ein resultierendes Signal wird an den Signalabgriffen 24 erfasst. So lange die Signalabgriffe 24 mit einem Signal auf das externe Signal reagieren, ist die Lage oder Größe der Segmente 18, 20 zu verändern, bis das resultierende Signal verschwindet. Auf diese Weise kann mit einfachsten Mitteln eine Verringerung der angelegten Gleichspannung an den Signalabgriffen 24 um beispielsweise den Faktor 100.000 erreicht werden, was einer Dämpfung von 100 dB entspricht. Nun ist der Sensor 10 abgeglichen und zu Messung bereit. Er wird in ein externes elektrisches und magnetisches Wechselfeld E, B eingebracht und resultierende Signale mit Signalfrequenzen F5 werden durch ein entsprechendes Auswertemittel erfasst und angezeigt oder verarbeitet.As shown in FIG. 6, the antennas 22 are now supplied with an external signal, for example a DC voltage, and a resulting signal is detected at the signal taps 24. As long as the signal taps 24 respond with a signal to the external signal, the location or size of the segments 18, 20 must be changed until the resulting signal disappears. In this way, a reduction of the applied DC voltage at the signal taps 24 by, for example, a factor of 100,000 can be achieved with the simplest means, which corresponds to an attenuation of 100 dB. Now the sensor 10 is balanced and ready for measurement. It is introduced into an external electric and magnetic alternating field E, B and resulting signals with signal frequencies F 5 are detected and displayed or processed by a corresponding evaluation means.
Die Antennen 6, 22 der Sensoren 2, 10 weisen zwar den Vorteil auf, dass sie das elektrische Wechselfeld E im Sensor 2, 10 verstärken, sie legen jedoch die Richtung des Sensors 2, 10 relativ zum elektrischen Wechselfeld E fest. Ist -diese Richtung unbekannt, so ist ein in Fig. 7 gezeigter Sensor 26 von Vorteil, der zumindest in zwei Dimensionen symmetrisch ausgeführt ist. So lange die Ebene einer Halbleiterschicht 28 des Sensors 26 in Richtung der Wechselfelder E, B ausgerichtet ist, kann an Signalabgriffen 30 das resultierende Multiplikationssignal erfasst werden.Although the antennas 6, 22 of the sensors 2, 10 have the advantage that they amplify the alternating electrical field E in the sensor 2, 10, but they determine the direction of the sensor 2, 10 relative to the alternating electric field E fixed. If this direction is unknown, then a sensor 26 shown in FIG. 7 is advantageous, which is symmetrical at least in two dimensions. As long as the plane of a semiconductor layer 28 of the sensor 26 is aligned in the direction of the alternating fields E, B, the resulting multiplication signal can be detected at signal taps 30.
Eine Messvorrichtung 32 zur Bestimmung von Materialeigenschaften und/oder zu einer Signalmultiplikation ist in Fig. 8 dargestellt. Die Messvorrichtung 32 umfasst ein Mittel 34 zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfelds E durch eine als Hall-Element 36 ausgeführte Probe bzw. Sensor, mit dem dieA measuring device 32 for determining material properties and / or signal multiplication is shown in FIG. 8. The measuring device 32 comprises a means 34 for generating an alternating electric field E by a designed as a Hall element 36 sample or sensor, with which the
Frequenz fE des elektrischen Wechselfelds E, dessen Amplitude AE und ein Phasenwinkel φ einstellbar ist, mit der das elektrische Wechselfeld E verschoben zu einem magnetischen Wech- selfeld B ist, das von einem Mittel 38 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds B erzeugt wird.Frequency f E of the alternating electric field E whose amplitude A E and a phase angle φ can be set, with which the alternating electric field E is shifted to a magnetic alternating field E selfeld B, which is generated by a means 38 for generating an alternating magnetic field B.
Zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Wechselfelds E um- fasst das Mittel 34 vier metallische Platten 40, die jeweils paarweise relativ zum Hall-Element 36 gegenüber angeordnet sind und paarweise mit einer Spannung beaufschlagt werden können. Das Mittel 38 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds B weist drei Spulen 42 an jeweils einem Anschluss 44 auf, wobei in Fig. 8 der Übersichtlichkeit halber nur eine der Spulen 42 dargestellt ist. Die Spulen 42 sind so zueinander angeordnet, dass das jeweils von ihnen erzeugte Magnetfeld senkrecht zu den beiden anderen Magnetfeldern steht. Auf diese Weise kann durch eine Kombination der drei Magnetfelder ein Magnetfeld in einer beliebigen Richtung durch die Probe erreicht werden und es kann ein äußeres Magnetfeld, beispielsweise das Erdmagnetfeld, kompensiert werden, so dass kein störendes Magnetfeld oder magnetisches Wechselfeld das Hall-Element 36 durchfließt.In order to generate a homogeneous alternating electric field E, the means 34 comprises four metallic plates 40, which are each arranged in pairs relative to the Hall element 36 and can be subjected to a voltage in pairs. The means 38 for generating an alternating magnetic field B has three coils 42 at a respective terminal 44, wherein in FIG. 8, for the sake of clarity, only one of the coils 42 is shown. The coils 42 are arranged relative to one another such that the magnetic field generated by them is perpendicular to the other two magnetic fields. In this way, a magnetic field in any direction through the sample can be achieved by a combination of the three magnetic fields and it can be an external magnetic field, such as the earth's magnetic field, compensated so that no disturbing magnetic field or alternating magnetic field flows through the Hall element 36.
Zur Abschirmung eines ungewünschten elektrischen Felds um- fasst die Messvorrichtung 32 ein elektrisch abschirmendes Gehäuse 46 z.B. in Form einer Fischgrätenabschirmung, die einer unerwünschten Erzeugung eines Magnetfelds oder magnetischen Wechselfelds durch ein elektrisches Feld bzw. Wechselfeld entgegenwirkt. Ein Auswertemittel 48 ist mit Signalabgriffen 50 am Hall-Sensor 36 verbunden und ist zur Auswertung eines Gleichspannungssignals oder eines Signals mit einer Signal- freguenz fs vorgesehen, die von einer Frequenz FE, FB eines erzeugten elektrischen oder magnetischen Wechselfelds E, B verschieden sein kann. Mit Hilfe eines Temperiermittels 52 kann das Hall-Elements 36 auf eine gewünschte Temperatur erwärmt oder abgekühlt werden.For shielding an undesired electric field, the measuring device 32 comprises an electrically shielding housing 46, for example in the form of a herringbone shield, which counteracts undesired generation of a magnetic field or alternating magnetic field by an electric field or alternating field. An evaluation means 48 is connected to signal taps 50 on the Hall sensor 36 and is provided for evaluating a DC signal or a signal with a signal frequency f s which differs from a frequency F E , F B of a generated electrical or magnetic alternating field E, B can be. By means of a temperature control 52, the Hall element 36 can be heated or cooled to a desired temperature.
Zur Kompensation eines unerwünschten Störsignals von einem erzeugten elektrischen Feld im auszuwertenden Signal umfasst das Auswertemittel 48 ein Abgleichmittel 54, dessen Ersatzschaltbild in Fig. 9 dargestellt ist. Der Hall-Sensor 36 ist ersatzweise als Element aus vier ohmschen Widerständen 56 dargestellt. Über die Signalabgriffe 50 wird das auszuwertende Signal abgegriffen, auf das ein Eingangssignal der Signalstärke Uo des elektrischen Wechselfelds E mit einer Störspan- nung Um durchschlägt. Zur Kompensation dieser Störspannung Um umfasst das Abgleichmittel 54 ein Potentiometer 58, mit Hilfe dessen das Auswertemittel 48 die Störspannung Um bei nicht vorhandenem Magentfeld automatisch auf Null regelt. Auch eine manuelle Regelung ist denkbar.To compensate for an unwanted interference signal from a generated electric field in the signal to be evaluated, the evaluation means 48 comprises a matching means 54, the equivalent circuit diagram of which is shown in FIG. The Hall sensor 36 is substituted as an element of four ohmic resistors 56 shown. By means of the signal taps 50, the signal to be evaluated is picked up, to which an input signal of the signal strength Uo of the alternating electric field E strikes with a disturbing voltage U m . In order to compensate for this interference voltage U m , the adjustment means 54 comprises a potentiometer 58, with the aid of which the evaluation means 48 automatically regulates the interference voltage U m to zero in the absence of a magnetic field. A manual control is conceivable.
Zur Bestimmung von Materialeigenschaften des Hall-Elements 36 wird zunächst das äußere, unerwünschte Magnetfeld mit Hilfe der drei Spulen 42 auf Null kompensiert. Diese aktive Magnetfeldabschirmung durch ein Kompensationsmagnetfeld wird durch eine elektronische Kompensationsregelung aufrechterhalten, die Bestandteil des Mittels 38 ist. Dann wird mit Hilfe des Mittels 38 zusätzlich ein magnetisches Wechselfeld B mit einer gewünschten Frequenz fB und Amplitude AB erzeugt, indem das Kompensationsgleichfeld mit dem Wechselfeld B überlagert wird. Die Richtung des magnetischen Wechselfelds B ist hierbei ebenfalls einstellbar. Zusätzlich wird mit Hilfe des Mittels 34 ein elektrisches Wechselfeld E mit einer Frequenz fE und einer Amplitude AE eingestellt, wobei die Frequenz fE gleich der Frequenz fB ist und die Richtung des elektrisches Wechselfeld E senkrecht zum magnetischen Wechselfeld B eingestellt wird. Aus dem an den Signalabgriffen 50 anliegenden Signal mit F3 = FE ± FB kann auf eine Beweglichkeit der Ladungsträger im Hall-Element 36 rückgeschlossen werden. Durch die Einstellbarkeit der Frequenzen FE, FB, der Amplituden AE, AB und der Richtungen der Wechselfelder E, B können räumliche Informationen zur Beweglichkeit und damit zur Gitter- oder Bandstruktur des Hall-Elements 36 gewonnen werden. Durch die Einstellbarkeit der Temperatur des Hall-Elements 36 können Informationen zur Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit und der Bandstruktur gewonnen werden.To determine material properties of the Hall element 36, the outer, undesired magnetic field is first compensated to zero with the aid of the three coils 42. This active magnetic field shielding by a compensation magnetic field is maintained by an electronic compensation control, which is part of the means 38. Then, with the aid of the means 38, an alternating magnetic field B with a desired frequency f B and amplitude A B is additionally generated by superposing the compensation equal field with the alternating field B. The direction of the alternating magnetic field B is also adjustable here. In addition, with the aid of the means 34, an alternating electric field E with a frequency f E and an amplitude A E is set, wherein the frequency f E is equal to the frequency f B and the direction of the electric alternating field E is set perpendicular to the alternating magnetic field B. From the voltage applied to the signal taps 50 signal with F 3 = F E ± F B can be deduced to a mobility of the charge carriers in the Hall element 36. The adjustability of the frequencies F E , F B , the amplitudes AE , A B and the directions of the alternating fields E, B spatial information about the mobility and thus the lattice or band structure of the Hall element 36 can be obtained. By the adjustability of the temperature of the Hall element 36 information about the temperature dependence of the mobility and the band structure can be obtained.
Zusätzlich oder alternativ kann die Messvorrichtung 32 zur Multiplikation von Signalen nach dem wie oben beschriebenen Verfahren verwendet werden. Hierbei ist eine Richtungsein- stellbarkeit der Wechselfelder E, B nicht notwendig, wodurch die Messvorrichtung entsprechend vereinfacht werden kann.Additionally or alternatively, the measuring device 32 may be for multiplying signals after that as described above Procedure can be used. In this case, a direction adjustability of the alternating fields E, B is not necessary, as a result of which the measuring device can be simplified accordingly.
Ebenfalls vereinfacht werden kann die Messvorrichtung durch eine Magnetfeldabschirmung, beispielsweise indem das Gehäuse 46 nicht nur elektrisch, sondern auch magnetisch abschirmend ausgeführt ist, beispielsweise aus magnetisch abschirmendem Metall, wie Mü-Metall oder dergleichen. Hierdurch kann eine wie oben beschriebene Kompensation eines unerwünschten äußeren Magnetfelds entfallen. Außerdem birgt die magnetische Abschirmung den Vorteil, dass unerwünschte äußere magnetische Wechselfelder von der Probe ferngehalten werden, die schwer zu kompensieren sind. The measuring device can also be simplified by a magnetic field shield, for example in that the housing 46 is not only designed to be electrically but also magnetically shielding, for example, magnetically shielding metal, such as metal or the like. As a result, a compensation of an unwanted external magnetic field as described above can be dispensed with. In addition, the magnetic shield has the advantage that unwanted external alternating magnetic fields are kept away from the sample, which are difficult to compensate.
Bezugs zeichenlisteReference sign list
2 Sensor 44 Anschluss2 sensor 44 connection
4 Koordinatensystem 46 Gehäuse4 Coordinate System 46 Housing
6 Antenne 48 Auswertemittel6 Antenna 48 Evaluation means
8 Signalabgriff 50 Signalabgriff8 signal tap 50 signal tap
10 Sensor 52 Temperiermittel10 Sensor 52 temperature control agent
12 Schicht 54 Abgleichmittel12 layer 54 matching means
14 Metallschicht 56 Widerstand14 metal layer 56 resistance
16 Unterbrechung 58 Potentiometer16 break 58 potentiometers
18 Segment E elektrisches Wechsel18 segment E electrical change
20 Segment feld20 segment field
22 Antenne B magnetisches Wechsel22 Antenna B magnetic change
24 Signalabgriff feld24 signal tap field
26 Sensor V Geschwindigkeit26 Sensor V speed
28 Halbleiterschicht F Kraft28 Semiconductor layer F force
30 Signalabgriff fs Signalfrequenz30 signal tap for signal frequency
32 MessVorrichtung fE Frequenz32 Measuring device f E Frequency
34 Mittel fB Frequenz34 means f B frequency
36 Hall-Element U0 Signalstärke36 Hall element U 0 signal strength
38 Mittel um Störspannung38 means interference voltage u m
40 Platte40 plate
42 Spule 42 coil

Claims

Patentansprüche claims
1. Messverfahren, bei dem ein Sensor (2, 10, 26) einem elektrischen Wechselfeld (E) mit einer ersten Frequenz (FE) und einem magnetischen Wechselfeld (B) mit einer zweiten Frequenz (FB) ausgesetzt wird und am Sensor (2, 10, 26) ein unter Ausnutzung des Hall-Effekts auftretendes Signal mit einer von der ersten Frequenz (FE) unterschiedlichen Signalfrequenz (F3) oder mit einer von dem elektrischen Wechselfeld (E) ver- schiedenen Phase abgegriffen und verarbeitet wird.1. A measuring method in which a sensor (2, 10, 26) is exposed to an alternating electric field (E) having a first frequency (F E ) and an alternating magnetic field (B) at a second frequency (F B ) and at the sensor ( 2, 10, 26) a signal occurring using the Hall effect is tapped off and processed at a signal frequency (F 3 ) different from the first frequency (F E ) or at a phase different from the alternating electrical field (E).
2. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische und das magnetische Wechselfeld (E, B) in einem Winkel zwischen 60° und 120° zueinander stehen.2. Measuring method according to claim 1, characterized in that the electrical and the magnetic alternating field (E, B) are at an angle between 60 ° and 120 ° to each other.
3. Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische und das magnetische Wechselfeld (E, B) Komponenten aufweisen, die in einem Phasenwinkel zwischen 60° und 120° zueinander stehen.3. Measuring method according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical and magnetic alternating field (E, B) components which are in a phase angle between 60 ° and 120 ° to each other.
4. Mess-verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Frequenz4. measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second frequency
(FE/ FB) gleich sind und die verarbeitete Signalfrequenz (Fs) doppelt so groß wie die erste Frequenz (FE) ist.(F E / F B ) are the same and the processed signal frequency (F s ) is twice as large as the first frequency (F E ).
5. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verarbeitete Signal ein Gleichspannungssignal ist.5. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the processed signal is a DC voltage signal.
6. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verarbeitet Signal ein niederfrequenter Anteil eines Multiplikationsprodukts aus Signalen der Wechselfelder (E, B) ist.6. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the processed signal is a low-frequency component of a multiplication product of signals of the alternating fields (E, B).
7. Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signal eine Materialeigenschaft des Sensors bestimmt wird. 7. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that a material property of the sensor is determined from the signal.
8. Messvorrichtung mit einem Hall-Element (36), einem das Hall-Element (36) umgebenden, elektrisch abschirmenden Gehäuse (46), einem Mittel (34) zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfelds (E) mit einer ersten Frequenz (FE) im Gehäuse8. Measuring device with a Hall element (36), an area surrounding the Hall element (36), electrically shielding housing (46), a means (34) for generating an alternating electric field (E) having a first frequency (F E ) in the case
(46), mit Signalabgriffen (50) zum Abgreifen eines senkrecht zum elektrischen Wechselfeld (E) im Hall-Element (36) entstehenden Signals und einem Auswertemittel (48) zur Auswertung eines Signals mit einer von der ersten Frequenz (FE) ver- schiedenen Signalfrequenz (F3) oder mit einer von dem elektrischen Wechselfeld (E) verschiedenen Phase.(46), with signal taps (50) for picking up a signal perpendicular to the alternating electric field (E) in the Hall element (36) and an evaluation means (48) for evaluating a signal with one of the first frequency (F E ). different signal frequency (F 3 ) or with a different phase of the electrical alternating field (E).
9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (46) eine Magnet- feldabschirmung aufweist.9. Measuring device according to claim 8, characterized in that the housing (46) has a magnetic field shield.
10. Messvorrichtung nach Abspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein Temperiermittel (52) zur Temperierung des Hall-Elements (36) .10. Measuring device according to claim 8 or 9, characterized by a temperature control means (52) for controlling the temperature of the Hall element (36).
11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch ein Abgleichmittel zur Kompensation eines Eingangssignals in einem abgegriffenen Signal. 11. Measuring device according to one of claims 8 to 10, characterized by a balancing means for compensating an input signal in a tapped signal.
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