DE1013880B - Elektrisches Messgeraet - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Hauptpatentanmeldung S 31041 VIIlc/21 e betrifft ein elektrisches Meßgerät, das auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Einwirkung eines Magnetfeldes erfährt, und in welchem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich der Elektronen oder Defektelektronen) von 6000 cm²/Vsec oder mehr vorgesehen ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Weiterbildung des Gerätes nach der Hauptpatentarimeldung. Erfindungsgemäß ist der Zusammenhang zwischen einem Magnetfeld und den elektrischen Eigenschaften eines diesem Magnetfeld ausgesetzten Halbleiterkörpers zur trägheitslosen Messung, Steuerung oder Regelung des Ortes und/oder der Ortsveränderung eines Körpers verwendet.

Geräte, bei denen der vorerwähnte Zusammenhang zur Messung oder Regelung ausgenutzt wird, sind bereits bekanntgeworden. Gegenüber diesen Geräten unterscheidet sich das Gerät nach der Erfindung durch die Verwendung von Halbleiterkörpern mit Trägerbeweglichkeiten von 6000 cm^a/Vsec oder mehr. Hierdurch wird erreicht, daß die Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers vom Magnetfeld besonders groß wird. So erzielt man eine erheblich größere Widerstandsänderung als bei den bekannten Geräten, bei denen z. B. Germaniumhalbleiterkörper verwendet werden. Bei der Ausnutzung des Halleffektes erreicht man durch die Verwendung von Halbleiterkörpern mit den genannten hohen Trägerbeweglichkeiten, daß die Hallspannung leistungsmäßig — über Galvanometergrö'ßen hinausgehend — belastet werden kann. Die Hallspannung kann so unmittelbar auf leistungsaufnehmende Meß-, Steuer- oder Regelgeräte oder auf leistungsaufnehmende Verstärker geschaltet werden. Dies war bei den bisher bekannten Geräten nicht möglich. Während man also bisher bestrebt war, Halbleiterkörper mit möglichst großer Hallkonstante zu verwenden, so¹ ergibt sich aus dem Erfindungsgegenstand die neue Lehre, Halbleiterkörper mit möglichst großer Trägerbeweglichkeit zu verwenden.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen erläutert, in denen einige Beispiele der manigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten schematisch dargestellt sind, und zwar stellt

Fig. 1 eine schematische Anordnung zur Messung räumlicher Bewegungen bzw. Ortsveränderungen,

Fig. 2 einen Druckmesser,

Fig. 3 ein Gerät zur elektrischen Nachbildung eines Oberflächenprofüs,

Fig. 4 eine Anordnung zur Messung des Schiagens oder der Exzentrizität einer rotierenden Welle dar.

Elektrisches Meßgerät

Zusatz zur Patentanmeldung S 31041 VIII c/21 e

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. Herbert Weiß, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

In Fig. 1 sind mit 1 und 2 zwei gekreuzte Dauermagnete, mit 3, 4, 5 drei Halbleiterkörper mit Elektroden für den Anschluß an die Primärstromkreise und die entsprechenden Hallelektroden angedeutet. Letztere entfallen, wenn die magnetische Widerstandsänderung ausgenutzt wird. Die Anordnung kann so getroffen werden, daß entweder die Magnete oder die Halbleiterkörper an dem Körper, dessen Ort bzw. Orts veränderung gemessen werden soll, befestigt sind. Wichtig für die Erzielung einer guten Empfindlichkeit der Einrichtung ist, daß die relative Anordnung der Halbleiterkörper zu den: Magneten so gewählt wird, daß bei den zu erwartenden Ortsveränderungen des Meßkörpers bei den drei Halbleiterkörpern eine möglichst große senkrechte Komponente der beiden Magnetfelder zu der Primärstromrichtung in den HaIbleiterkörpern auftritt. Bei der gemäß Fig. 1 gewählten, räumlich aufzufassenden Anordnung ändert sich z. B. bei nicht allzu großen Bewegungen in der Vertikalen nur das auf den Halbleiterkörper 4 wirksame Magnetfeld, bei einer Bewegung in der Horizontalen nach vorn oder nach hinten nur dasjenige auf den Halbleiterkörper 3 und bei einer Bewegung in der Horizontalen nach rechts oder nach links nur dasjenige auf den Halbleiterkörper 5. Mit je zwei der Halbleiterkörper sind Rotationen um die Horizontal- bzw. Vertikalachse zu erfassen.

In Fig. 2 liegt der Halbleiterkörper 11 im Luftspalt eines Dauermagnets 12. Beide sind in dem luftdicht verschlossenen Gehäuse 13 untergebracht, dessen eine Begrenzungsfläche 14 als druckempfindliche Membran

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ausgebildet und mit dem Halbleiterkörper verbunden ist, und zwar derart, daß der Halbleiterkörper mit der Bewegung der Membran seine Lage im Magnetfeld ändert. Diese Anordnung kann z. B. ziir Druckmessung, wie etwa beim Aneroidbarometer, oder zur elektrischen Nachbildung mechanischer, insbesondere akustischer Schwingungen verwendet werden.

Die Anordnung nach Fig. 3, bei der der Halbleiterkörper 21 ebenfalls im Luftspalt eines Dauermagnets 22 angeordnet und mit einem Fühler 23 und der Feder 24 verbunden ist, ermöglicht die Abtastung eines-Oberflächenprofils 25 und damit dessen elektrische Nachbildung. Entsprechend lassen sich mit einer solchen Anordnung auch die Veränderungen eines Profils — z. B. die thermisch verursachten Längenänderungen eines Metallstabes, gegebenenfalls indirekt zur Temperaturmessung — messen, steuern oder regeln. Hierzu kann — wie auch im Beispiel nach Fig. 2 — entweder der Halleffekt oder die magnetische Widerstandsänderung herangezogen werden.

Bei den Beispielen nach Fig. 2 und 3 handelt es sich um die Erfassung linearer Bewegungen. Demgegen-"" über stellt Fig. 4 — als Weiterentwicklung der Anordnung nach Fig. 1 — eine Anordnung dar, mit der nichtlineare Bewegungen, insbesondere Rotationsvorgänge, elektrisch nachgebildet werden können. Mit 31 ist eine rotierende Welle angedeutet, an der, jeweils um 90° versetzt, vier Dauermagnete 32, 33, 34 und 35 angebracht sind, deren Polfiächen senkrecht zur Drehachse stehen. Um die Achse herum sind, ebenfalls um 90° versetzt, vier Halbleiterkörper fest im Raum angeordnet, derart, daß die vier Magnetspalte die Halbleiterkörper bei der Rotation nacheinander überstreichen. Ein etwaiges Schlagen der Welle bewirkt eine Änderung der Hallspannung bzw. des magnetischen Widerstandes.

Durch die vorstehend beschriebenen Beispiele wird nur ein kleiner Teil der vielfachen Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erfaßt. Sie erstrecken sich auf jene Fälle, bei denen die augenblickliche örtliche Lage eines Körpers durch ein Signal angezeigt werden soll. Hierzu gehören z. B. auch jene Anwendungsgebiete, wo bisher Fotozellen-, elektromagnetische oder ähnliche Anordnungen zur Erfassung von örtlichen Lagen oder Veränderungen, wie z. B. beim Vorbeibewegen eines Objektes an einer Stelle, verwendet worden sind.

Besondere Vorteile für die Anwendung der Erfindung ergeben, sich auch daraus, daß zwischen den Magneten und den Halbleiterkörpern nichtmagnetische Schichten, z. B. Glas oder nichtmagnetische Metalle, liegen können. Wesentlich für derartige Anordnungen ist ihre praktisch vollkommene Trägheitslosigkeit und ihre große Meß-, Steuer- oder Regelgenauigkeit. Sie beruht auf dem großen Ortsgradienten der ausgenutzten Effekte, also des Halleffektes oder der magnetischen Widerstandsänderung. So wurde z. B. bei einer InSb-Probe von 0,35 mm Dicke in einem Magnetfeld von 7000 Gauß ein Ortsgradient der Hallspannung von mV/mm und bezüglich der magnetischen Widerstandsänderung ein Ortsgradient von 60 mV/mm gemessen.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrisches Meßgerät, daß auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt, und in welchem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich der Elektronen oder Defektelektronen) von 6000 cm²/Vsec oder mehr vorgesehen ist, nach Patentanmeldung S 31041 VIIIc/21 e, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen dem Magnetfeld und den elektrischen Eigenschaften des diesem Magnetfeld ausgesetzten HaIbleiterkörpers zur trägheitslosen Messung, Steuerung oder Regelung des Ortes und/oder der Ortsveränderung eines Körpers verwendet ist.

2. Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halleffekt ausgenutzt ist.

3. Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Widerstandsänderung ausgenutzt ist.

4. Elektrisches Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Messung, Steuerung oder Regelung von Drücken auf eine Membran oder auf ähnliche druckempfindliche Begrenzungen, z. B. zur Druckmessung oder zur elektrischen Nachbildung mechanischer Schwingungen, verwendet ist.

5. Elektrisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur elektrischen Nachbildung des Oberflächenverlaufs (Profils) von Körpern, z. B. zur Dickenmessung von Körpern, verwendet ist.

6. Elektrisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Messung, Steuerung oder Regelung von sich zeitlich verändernden Ausdehnungen von Körpern, z. B. von thermisch verursachten Veränderungen eines Körpers bzw. indirekt zur Temperaturmessung, verwendet ist.

7. Elektrisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zuT Messung, Steuerung oder Regelung der Bewegungen von Körpern bzw. deren Oberflächen auf vorgegebenen Bahnen, z. B. zur Feststellung und Messung des Schiagens rotierender Wellen, verwendet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 839 220;
USA.-Patentschrift Nr. 1998 952;
Pflügers Archiv, Bd. 244 (41), S. 171 und 176;
Dr. H. Klensch, »Einführung in die biologische Registriertechnik«, 1954, S. 37/38.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709 557/200 8.57