DE1025157B

DE1025157B - Electrical measuring device based on the change in electrical properties that a semiconductor body experiences under the action of a magnetic field

Info

Publication number: DE1025157B
Application number: DES37364A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Herbert Weiss
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1954-01-29
Filing date: 1954-01-29
Publication date: 1958-02-27

Description

Elektrisches Meßgerät, das auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt Zusatz zur Patentamneldung S31041VIIIc/21e Die hauptpatentanmeldung S 31041 VIII c/21e betrifft ein elektrisches Meßgerät, das au. i der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt, bei dem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich der Elektronen oder Defektelektronen) von 6000 cm/Vsec oder mehr vorgesehen ist. Electrical measuring device that works on the change in electrical properties is based, which a semiconductor body experiences under the action of a magnetic field addition to patent application S31041VIIIc / 21e the main patent application S 31041 VIII c / 21e relates to an electrical measuring device that au. i the change in electrical properties is based, which a semiconductor body experiences under the action of a magnetic field which, as a semiconductor body, has a semiconducting compound with carrier mobility (Mobility of the charge carriers, namely the electrons or defect electrons) of 6000 cm / Vsec or more is provided.

Das Meßgerät ist erfindungsgemäß zur elektrischen Nachbildung der Winkelstellung eines schwach belastbaren drehbaren Organs, z. B. der Drehachse eines Galvanometers verwendet, in der Weise, daß der im Felde eines Magneten drehbare Halbeiterkörper mit dem schwach belasteten Organ mechanisch verbunden ist und die von der Stellung im Magnetfeld abhängigen elektrischen Eigenschaften dieses Halbleiterkörpers für die elektrische Nachbildung ausgenutzt sind. Eine Anordnung dieser Art kann als » Galvanometerverstärker « oder Drehmomentverstärker bezeichnet werden. Hierunter wird eine Verstärkeranordnung verstanden, deren Steuermechanismus nach dem Galvanometerprinzip aufgebaut ist. Der ausgangsseitigen Ausnutzung von Geräten dieser Art für Meß-, Steuer-und Regelzwecke kommt der Vorteil der Hauptpatentanmeldung zugute, daß der Ausgangskreis leistungsmäßig belastet werden kann. Dies bedeutet, daß der Ausgangskreis unmittelbar auf Einrichtungen geschaltet werden kann, die einen niederohmigen Eingang aufweisen. So ist es z. B. möglich, einem so, lchen Gerät nach der vorliegenden Erfindung leistungssaufnehmende Relaisverstäkrer, Magnetverstärker Transistorverstärker, Maschinenverstärker, Röhrenleistungsstufen und andere Leistung aufnehmende Verstärker und Leistungseinrichtungen oder Meßeinrichtungen nachzuschalten. Dies beruht auf der r hohen Trägerbeweglichkeit des verwendeten Halbleitermaterials, wie sie in der Hauptpatentanmeldung im einzelnen angegeben ist. Hierdurch unterscheidet sich das Gerät nach der Erfin. dung wesentlich von bekannten Geräten, bei denen zwar auch die Winkelstellung eines Meßorgans durch die itnderung der elektrischen Eigenschaften eines in einem Magnetfeld angeordneten Halbleiterkörpers nachgebildet wird, bei denen, jedoch die elektrische Nachbildung wiederum eine Galvanometergröße ist. Eine Verstärkung findet also bei diesen Geräten nicht statt, und sie können daher auch nicht als Drehmoment-oder Galvanometerverstärker angesprochen werden. The measuring device is according to the invention for the electrical simulation of the Angular position of a weakly resilient rotatable organ, e.g. B. the axis of rotation of a Galvanometer used in such a way that the rotatable in the field of a magnet Semiconductor body is mechanically connected to the lightly stressed organ and the on the position in the magnetic field dependent electrical properties of this semiconductor body are used for the electrical simulation. An arrangement of this type can referred to as "galvanometer amplifier" or torque amplifier. Below an amplifier arrangement is understood, the control mechanism of which is based on the galvanometer principle is constructed. The use of devices of this type on the output side for measuring, Tax and regulatory purposes benefit from the main patent application that the Output circuit can be loaded in terms of power. This means that the output circle can be switched directly to devices that have a low-resistance input exhibit. So it is z. B. possible, a so, lchen device according to the present Invention of power-consuming relay amplifiers, magnetic amplifiers, transistor amplifiers, Machine amplifiers, tube power stages, and other power consuming amplifiers and to connect downstream power devices or measuring devices. This is based on the high carrier mobility of the semiconductor material used, as shown in the main patent application is specified in detail. This differs the device according to the invention. dung significantly from known devices, where although also the angular position of a measuring element by changing the electrical properties a semiconductor body arranged in a magnetic field is simulated, at which, however, the electrical replica is again a galvanometer size. One Amplification does not take place in these devices, and so they can are not addressed as torque or galvanometer amplifiers.

Zur Erläuterung der Erfindung sei auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung Bezug genommen ; es zeigt Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Galvanometerverstärkers, Fig. 2 eine entsprechende Anordnung mit zwei Halbleiterkörpern und zwei Magnetfeldern, Fig. 3 eine entsprechende Anordnung mit zwei Halbleiterkörpern und vier Magnetfeldern, Fig. 4 eine Kompensationsverstärkeranordnung. To explain the invention, reference is made to the exemplary embodiments Reference drawing; It shows Fig. 1 the basic circuit diagram of a galvanometer amplifier, Fig. 2 a corresponding arrangement with two semiconductor bodies and two magnetic fields, 3 shows a corresponding arrangement with two semiconductor bodies and four magnetic fields, 4 shows a compensation amplifier arrangement.

In Fig. 1 ist auf der Drehachse 1 eines schwach belastbaren Organs 2, das z. B. eine Galvanometeranordnung sein kann, ein Halbleiterkörper3 mit den Hallsonden 4, 5 drehbar im Feld eines Dauermagneten 6 befestigt. Durch den halbleiterkörper wird, gegebenenfalls über die Drehachse, ein Gleich-oder Wechselstrom von einigen 100 Mill. Ampere geschickt (Spannungsquelle 7 mit Regulierwiderstand8), während den Hallsonden eine von dem Drehwinkel der Achse 1der seinerseits von dem das Organ 2 steuernden und zu verstärkenden Eingangskreis abhängig ist-abhängige Steuerleistung für den Ausgangskreis entnommen werden kann. Der Steuer-bzw. Meßmechanismus dieses Kreises ist in Fig. 1 der Einfachheit halber nur durch Instrument 9 angedeutet. In Fig. 1 is on the axis of rotation 1 of a weakly resilient organ 2, the z. B. can be a galvanometer arrangement, a semiconductor body 3 with the Hall probes 4, 5 rotatably attached in the field of a permanent magnet 6. Through the semiconductor body a direct or alternating current of some is, if necessary via the axis of rotation 100 Mill. Amps sent (voltage source 7 with regulating resistor8), while the Hall probes one of the angle of rotation of the axis 1, which in turn of which the organ 2 input circuit to be controlled and amplified is dependent-dependent control output for the output circuit can be taken. The tax or Measuring mechanism this Circle is only indicated by instrument 9 in FIG. 1 for the sake of simplicity.

In analoger Weise kann die Anordnung so getroffen werden, daß an Stelle der Hallspannung die magnetische Widerstandsänderung zur Steuerung verwendet ist. Der Halbleiterkörper liegt dann im Ausgangskreis, der durch die Widerstandsänderung des Halbleiterkörpers unmittelbar gesteuert wird. In diesem Falle ist jedoch die Abhängigkeit der magnetischen Widerstandsänderung von der geometrischen Form und der Lage des Halbleiterkörpers im Magnetfeld zu berficksichtigen. In an analogous manner, the arrangement can be made so that on Instead of the Hall voltage, the change in magnetic resistance is used for control is. The semiconductor body is then in the output circuit created by the change in resistance of the semiconductor body is controlled directly. In this case, however, the Dependence of the change in magnetic resistance on the geometric shape and to take into account the position of the semiconductor body in the magnetic field.

Nur einen Magneten benötigt man, wenn als Organ 2 eine Galvanometeranordnung vorgesehen und der Halbleiterkörper innerhalb der Galvanometerspule angeordnet ist. Wird in einer Anordnung nach Fig. 1 an Stelle des Dauermagneten ein Elektromagnet verwendet, so bietet sich die Möglichkeit, den Erregerstrom des Elektromagneten über eine zweite Einflußgröße zu ändern und dadurch diese auf die Steuereinrichtung wirken zu lassen. Only one magnet is required if the organ 2 is a galvanometer arrangement provided and the semiconductor body is arranged within the galvanometer coil. If in an arrangement according to FIG. 1, instead of the permanent magnet, an electromagnet is used, there is the possibility of the excitation current of the electromagnet to change a second influencing variable and thereby affect the control device let it work.

Eine Steigerung der Empfindlichkeit der Anordnung erreicht man dadurch, daß man, wie in Fig. 2 dargestellt, zwei durch ein Stäbchen 11 verbundene und elektrisch hinsichtlich des Primärstromes über Vorwiderstände parallel geschaltete und hinsichtlich der Hallspannung hintereinandergeschaltete Halbleiterkörper 12 und 13 in zwei Magnetfeldern mit der Drehachse 14 des schwach belastbaren Organs 15 sich drehen läßt, wobei die beiden Magnetfelder durch zwei sich mit ihren entgegengesetzten Polen zugekehrten Magneten 16 und 17 erzeugt werden. Der Steuer-bzw. The sensitivity of the arrangement can be increased by that, as shown in Fig. 2, two connected by a rod 11 and electrically with regard to the primary current connected in parallel via series resistors and with regard to the Hall voltage series-connected semiconductor bodies 12 and 13 in two magnetic fields with the axis of rotation 14 of the weakly resilient organ 15 can be rotated, the two magnetic fields by two opposing poles facing each other Magnets 16 and 17 are generated. The tax or

Meßmechanismus ist durch das Instrument 18 angedeutet, mit 19 die drehmomentlosen Stromzuführungen des Primärkreises und mit 20 Entkopplungswiderstände.Measuring mechanism is indicated by the instrument 18, with 19 the torque-free power supply of the primary circuit and with 20 decoupling resistors.

Noch empfindlicher und für Steuer-und Regelzwecke besonders geeignet ist die Anordnung nach Fig. 3 mit einem Paar solcher Doppelmagnete 21/22 und 23/24, die so angeordnet sind, daß die Halbleiterkörper bei genügend großem Drehwinkel der Achse25 von einem Magnetfeld über einen feldfreien Punkt (Nullage) in ein solches umgekehrter Po, lung gelangen. Wird die Magnetanordnung drehbar angebracht, so besteht die Möglichkeit, eine vorgegebene Null-oder Normallage einzustellen oder aber die Drehung der Magnetanordnung durch eine weitere Einflußgröße zu steuern. Even more sensitive and particularly suitable for control purposes is the arrangement of Fig. 3 with a pair of such double magnets 21/22 and 23/24, which are arranged so that the semiconductor body at a sufficiently large angle of rotation of the axis25 from a magnetic field via a field-free point (zero position) to such a point reverse polarity. If the magnet assembly is rotatably mounted, then there is the possibility of setting a predetermined zero or normal position or the To control rotation of the magnet arrangement by a further influencing variable.

Wie im Falle einer Anordnung nach Fig. l kann auch bei Anordnungen gemäß Fig. 2 und 3 in analoger r Weise an Stelle des Halleffektes die magnetische Widerstandsänderung zur Steuerung verwendet werden. As in the case of an arrangement according to FIG. 1, arrangements 2 and 3 in an analogous manner, instead of the Hall effect, the magnetic Resistance change can be used for control.

Der durch die vorgenannten Anwendungsbeispiele erläuterte Gegenstand der Erfindung läßt sich ausgangsseitig natürlich auch in einer in der Meß-, Steuer-oder Regeltechnik an sich bekannten Kompensawtionsschaltung, also als »Kompensationsverstärker«, anwenden. Fig. 4 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel, 31 bedeutet ein Verstärker-oder Regelglied, 32 einen Widerstand, 33 eine Galvanometeranordnung und 34 eine zu messende e Spannung. Die übrigen Teile der Anordnung entsprechen dejenigen der Fig. 1. The subject matter explained by the aforementioned application examples The invention can of course also be used on the output side in one of the measurement, control or Control technology known compensation circuit, i.e. as a »compensation amplifier«, use. FIG. 4 shows an exemplary embodiment for this, 31 denotes an amplifier or Control element, 32 a resistor, 33 a galvanometer arrangement and 34 a to be measured e tension. The remaining parts of the arrangement correspond to those of FIG. 1.

Allgemein kann man den Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit der oben angegebenen Verstärkeranordnungen dadurch steigern, daß je Magnetfeld zwei oder mehr Halbleiterkörper hintereinandergeschaltet werden. Bei sehr empfindlichen Anordnungen lassen sich eventuell in Erscheinung retende und sich schädlich auswirkende Lorentz-Kräfte durch paarweise Verwendung der Halbleiterkörper im gleichen Magnetfeld kompensieren, indem man die Halbleiter- körper so anordnet, daß sie der Primärstrom paarweise in entgegengesetzter Richtung durchfließt. Generally one can see the efficiency and sensitivity of the above Increase specified amplifier arrangements in that two or two per magnetic field more semiconductor bodies are connected in series. For very sensitive arrangements Lorentz forces which can be saved and have a harmful effect can be shown compensate by using the semiconductor bodies in pairs in the same magnetic field, by using the semiconductor is arranged in such a way that the primary current flows in pairs in flows through in the opposite direction.

T) AT F, T A NS P R ('C HE : 1. Elektrisches Meßgerät, das auf der Anderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt, bei dem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich der Elektronen oder Defelitelektronen) von 6000 cm/Vsec oder mehr vorgesehen ist, nach Patentanmeldung S 31041 VIII c/21 e, dadurch gekennzeichnet, daß es zur elektrischen Nachbildung der Winkelstellung eines schwach belastbaren. drehbaren Organs, z. B. der Drehachse e eines Galvanometers, verwendet ist, in der Weise, daß der im Felde eines Magneten drehbare Halbleiterkörper mit dem schwach belastbaren Organ mechanisch verbunden ist und die von der Stellung im Magnetfeld abhängigen elektrischen Eigenschaften dieses Halbleiterkörpers als elektrische Nachbildung benutzt sind. T) AT F, T A NS P R ('C HE: 1. Electrical measuring device which is based on the Change in the electrical properties is based on a semiconductor body under the The effect of a magnetic field is experienced in which the semiconductor body is a semiconducting Connection with a carrier mobility (mobility of the charge carrier, namely of electrons or defect electrons) of 6000 cm / Vsec or more is provided, according to patent application S 31041 VIII c / 21 e, characterized in that it is used for electrical Replica of the angular position of a weakly resilient. rotatable organ, e.g. B. the axis of rotation e of a galvanometer, is used in such a way that the in the field a magnet rotatable semiconductor body with the weakly resilient organ mechanically is connected and the electrical properties dependent on the position in the magnetic field this semiconductor body are used as an electrical replica.

Claims

2. Electrical semiconductor device according to claim l, characterized in that that the change in resistance occurring in the Hall) conductor body is used.

3. Electrical semiconductor device according to claim l, characterized in that that the Hall effect occurring on the semiconductor body is used.

4. Electrical semiconductor device according to Claiml to 3, characterized in that that the semiconductor body is exposed to the field of an electromagnet.

5. Electrical semiconductor device according to claim 4, characterized in that there. ß the electromagnet is controlled by a second influencing variable.

6. Electrical semiconductor device according to one of claims 1 to 3, characterized in that when a galvanometer arrangement is used, the semiconductor body and the galvanometer coils are exposed to the same magnetic field.

7. Electrical semiconductor device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the half litter body connected to the weakly resilient organ consists of two electrically consecutively connected sub-bodies and each r of these Part of the body is rotatable in a separate magnetic field and that the two magnetic fields generated by two magnets facing each other with their opposite poles are (Fig. 2).

8. Electrical semiconductor device according to claim 1 or 7, characterized in that that four magnets are arranged so that-especially for control and regulating purposes-dem Semiconductor body or the individual part body two opposing magnetic fields are assigned in the sense of forming a zero position between these two fields (Fig. 3).

9. Electrical semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor body or the partial body consists of two or there are more individual bodies connected in series.

10. Electrically, it is semiconductor device according to one of the preceding Claims, characterized in that harmful Lorentz forces by pairs. arrangement the semiconductor body are compensated in the same magnetic field, such that the primary current flows through the semiconductor body in pairs in opposite directions.

11. Electrical equipment according to one of the preceding claims characterized in that it is used for measurement, control or regulation purposes in n one in itself known compensation circuit is used (Fig. 4).

Considered publications: German Patent Specifications No. 409 318, 839 220; Swiss Patent No. 272 720; French patent specification No.871586.