DE1283959B

DE1283959B - Device for measuring magnetic field gradients

Info

Publication number: DE1283959B
Application number: DE19631283959
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Herbert; Weiss
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-10-26
Filing date: 1963-10-26
Publication date: 1968-11-28

Description

Zur Messung von Magnetfeldgradienten ist bereits die Hallspannung von Halbleitersonden ausgenutzt worden. Diese Halbleitersonden, die im Gegensatz zum magnetfeldabhängigen Widerstand auch als »Hallgeneratoren« bezeichnet werden, sind in einem festen gegenseitigen Abstand angeordnet (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 082344 und britische Patentschrift 822 210). In einem räumlich unveränderlichen, senkrecht zu den Hallgeneratorflächen gerichteten Magnetfeld weisen die Sonden voneinander verschiedene Hallspannungen auf. Die Differenz der Hallspannungen ist der Größe des Magnetfeldgradienten proportional. The Hall voltage is already used to measure magnetic field gradients has been exploited by semiconductor probes. These semiconductor probes, in contrast are also referred to as "Hall generators" for magnetic field-dependent resistance, are arranged at a fixed mutual distance (cf. German Auslegeschrift 1 082344 and British Patent 822 210). In a spatially immutable, Magnetic field directed perpendicular to the Hall generator surfaces point the probes from one another different reverb voltages. The difference between the Hall voltages is the size proportional to the magnetic field gradient.

Die Meßgenauigkeit dieser bekannten Einrichtungen leidet durch die Exemplarstreuung der einzelnen Hallgeneratoren, denn diese sind hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und Temperaturänderungen nicht identisch. Wegen der Kleinheit des Halleffekts sind derartige Einrichtungen relativ kompliziert, unter anderem sind Verstärker erforderlich. Da die plättchenförmigen Hallgeneratoren bekannter Gradientenmeßgeräte, insbesondere bei der Ausmessung inhomogener Magnetfelder flach übereinanderliegen und zwischen ihnen ein (stützender) Isolierkörper erforderlich ist (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 072316 a. E. und die britische Patentschrift 822210), ist zwischen den Einzelsonden immer eine relativ große Entfernung nötig, die durch die Dicke des Isolierkörpers vorgegeben ist. Sehr genaue Messungen steiler Magnetfeldgradienten können mit den bekannten Geräten daher nicht ausgeführt werden. Sind dagegen relativ flache Magnetfeldgradienten auszumessen, so stellt man die Hallgeneratoren in größerer Entfernung auf. In diesem Fall kann das Meßergebnis durch den nie ganz gleichen Temperaturgang der Einzelsonde verfälscht werden. The measurement accuracy of these known devices suffers from Specimen variance of the individual Hall generators, because these are with regard to their Sensitivity to magnetic fields and temperature changes not identical. Due to the small size of the Hall effect, such devices are relatively complex, among other things, amplifiers are required. As the plate-shaped Hall generators known gradient measuring devices, especially when measuring inhomogeneous magnetic fields lie flat on top of each other and a (supporting) insulating body is required between them is (see German Auslegeschrift 1 072316 a. E. and the British patent 822210), a relatively large distance is always necessary between the individual probes, which is given by the thickness of the insulating body. Very accurate measurements steeper Magnetic field gradients can therefore not be carried out with the known devices. If, on the other hand, relatively flat magnetic field gradients are to be measured, the Hall generators at a greater distance. In this case, the measurement result are falsified by the never exactly the same temperature response of the individual probe.

Weiterhin ist die Herstellung von Gradientensonden, in denen die Hallspannungen der Einzelsonden verglichen werden, kostspielig, da pro Hallgenerator vier Kontaktstellen - für die ganze Sonde also mindestens acht Kontaktstellen - erforderlich sind. Es kommt erschwerend hinzu, daß die Hallkontakte - also je zwei Kontakte pro Hallgenerator - punktförmig sein müssen, also besonders schwierig herstellbar sind. Außerdem machen diese Kontakte die bekannten Einrichtungen - sowohl bei nebeneinander als auch bei übereinander angeordneten Hallgeneratoren - zusätzlich kompakt, so daß an eine Einführung in sehr schmale Luftspalte von etwa unterhalb 1 mm Breite nicht zu denken ist. Furthermore, the production of gradient probes in which the Hall voltages of the individual probes are compared, costly, as per Hall generator four contact points - so at least eight contact points for the entire probe - required are. To make matters worse, the Hall contacts - so two each Contacts per Hall generator - have to be punctiform, i.e. particularly difficult to manufacture are. In addition, these contacts make the known facilities - both at side by side as well as with Hall generators arranged one above the other - additionally compact, see above that an introduction into very narrow air gaps of about less than 1 mm in width is unthinkable.

Auch sind bekannte Gradientensonden nur zur Ausmessung von Magnetfeldern bzw. deren Komponenten geeignet, die senkrecht auf der Fläche der Hallgeneratoren stehen.Known gradient probes are also only used to measure magnetic fields or their components are suitable that are perpendicular to the surface of the Hall generators stand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfeldgradientensonde zu schaffen, bei der unter anderem das Meßergebnis weder durch Exemplarstreuung von Einzelsonden noch durch Temperaturunterschiede an den Orten der Einzelsonden verfälscht werden kann und deren Empfindlichkeit so groß ist, daß eine Verstärkung der Meßergebnisse überflüssig ist. Die neue Einrichtung soll auf einfache Weise mit exakten physikalischen und geometrischen Ausmaßen herstellbar und leicht handhabbar sein. The invention is based on the object of a magnetic field gradient probe to create, in which, among other things, the measurement result neither by specimen variance of individual probes still due to temperature differences at the locations of the individual probes can be falsified and their sensitivity is so great that an amplification the measurement results are superfluous. The new facility is designed to be simple Can be produced with exact physical and geometric dimensions and is easy to handle be.

Die Erfindung betrifft nun eine Einrichtung zur Messung von Magnetfeldgradienten sowie deren höhere Ableitungen nach dem Ort durch mindestens zwei Halbleitersonden, die zu einer Brückenschaltung ergänzt sind. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß langgestreckte Halbleitersonden mit magnetfeldabhängigem Widerstand mit der Längsrichtung parallel zueinander fest auf einem Träger angeordnet sind, daß die Halbleitersonden und sie verbindende Leitbrücken aus einem einzigen Halbleiterwerkstück bestehen, wobei die je zwei Halbleitersonden verbindenden Leitbrücken metallisiert sind, und daß in und/oder auf den Halbleitersonden parallel zueinander ausgerichtete elektrisch gut leitende Bereiche vorgesehen sind, die senkrecht zur Längsrichtung der Sonden verlaufen. The invention now relates to a device for measuring magnetic field gradients as well as their higher derivatives according to the location by at least two semiconductor probes, which are added to a bridge circuit. The solution according to the invention exists in that elongated semiconductor probes with magnetic field-dependent resistance with are arranged in the longitudinal direction parallel to each other firmly on a carrier that the semiconductor probes and connecting bridges from a single semiconductor workpiece exist, whereby the conductive bridges connecting two semiconductor probes are metallized are, and that in and / or on the semiconductor probes aligned parallel to one another Electrically highly conductive areas are provided which are perpendicular to the longitudinal direction the probes run.

Die einzelnen Sonden bestehen also aus praktisch identischem Material und haben gleiche Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und Temperaturänderungen. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung werden zwei oder mehrere Sonden aus ein und demselben Stück Halbleitermaterial herausgeschnitten, und zwar so, daß zwischen den Einzelsonden Leitbrücken aus dem Halbleitermaterial bestehenbleiben. Die Leiterbrücken, die mit einem gut leitenden Material metallisiert sind, verbinden je ein Teilsondenpaar. Auf diese Weise kann man also Lötstellen sparen und eine Mehrfachsonde mit annähernd den gleichen Herstellungskosten erzeugen wie eine Einzelsonde, z. B. indem man die Form des Halbleiters mit Hilfe der Photoresisttechnik herausätzt oder die gewünschte Halbleiterform durch Ultraschallbehandlung heraus arbeitet. The individual probes therefore consist of practically identical material and have the same sensitivity to magnetic fields and temperature changes. In the manufacture of the device according to the invention, two or more probes cut out of one and the same piece of semiconductor material in such a way that There remain conductive bridges made of the semiconductor material between the individual probes. The conductor bridges, which are metallized with a highly conductive material, connect a partial probe pair each. In this way you can save soldering points and one Generate multiple probes with approximately the same manufacturing costs as a single probe, z. B. by etching out the shape of the semiconductor using the photoresist technique or the desired semiconductor shape is worked out by means of ultrasound treatment.

Sollen sehr steile Magnetfeldgradienten ausgemessen werden, so ist es von großem Vorteil, wenn die Einzelsonden nur einen geringen Abstand haben. If very steep magnetic field gradients are to be measured, then is it is of great advantage if the individual probes are only a short distance apart.

Die parallelen Einzelsonden der Feldplatten nach der Erfindung lassen sich je nach Verwendungszweck mit einem Abstand bis herab zu 10 y herstellen; derart kleine Abstände sind mit getrennt erzeugten Einzelsonden nicht annähernd erreichbar, da dann die Parallelausrichtung große Schwierigkeiten macht.Leave the parallel individual probes of the field plates according to the invention produce with a distance of down to 10 y, depending on the intended use; like that small distances cannot even come close to being achieved with separately generated individual probes, since then the parallel alignment makes great difficulties.

Die erfindungsgemäßen Feldplatten können, da sie somit eine geringe Breite besitzen, auch quer, d. h. parallel zu den Magnetfeldlinien in den schmalen Luftspalt eines Magneten eingesetzt werden.The field plates according to the invention can, since they thus have a low Have width, also across, i.e. H. parallel to the magnetic field lines in the narrow ones Air gap of a magnet can be used.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden einige Ausführungsbeispiele beschrieben, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. For a better understanding of the invention, some are given below Embodiments described, which are shown schematically in the drawing.

Fig. 1 zeigt eine Gradientensonde. Der Halbleiterkörper, bestehend aus den streifenförmigen Sonden 1 und 2 und der Leitbrücke 18, liegt auf dem Träger 10, der aus einem magnetisch und elektrisch isolierenden Stoff besteht, z. B. aus Keramik. Die Anschlußkontakte (Löt- oder Legierungskontakte) am Halbleiterkörper sind mit 12, 13 und 16 bezeichnet. Befindet sich diese Feldsonde im homogenen Magnetfeld, so fließt der Strom aus der Stromquelle 11 über den Kontakt 16 in die Leitbrücke 18; dort verzweigt sich der Strom und fließt durch die Sonden 1 und 2 und die ohmschen Widerstände 5 und 6 zurück nach 11. Im homogenen Magnetfeld werden die Widerstände 5 und 6 so abgestimmt, daß das Gerät 9 in der Diagonale der Brückenschaltung stromlos bleibt. Ist nun das Magnetfeld am Ort der beiden Halbleitersonden 1 und 2 verschieden, so wird die Brückenschaltung verstimmt, und das Gerät 9 zeigt eine dem Gradienten des Feldes proportionale Spannung an. Fig. 1 shows a gradient probe. The semiconductor body, consisting from the strip-shaped probes 1 and 2 and the guide bridge 18, lies on the carrier 10, which consists of a magnetically and electrically insulating material, e.g. B. off Ceramics. The connection contacts (solder or alloy contacts) on the semiconductor body are labeled 12, 13 and 16. If this field probe is in a homogeneous magnetic field, the current flows from the current source 11 via the contact 16 into the conductive bridge 18; there the current branches and flows through probes 1 and 2 and the ohmic ones Resistors 5 and 6 back to 11. In the homogeneous magnetic field, the resistors 5 and 6 matched so that the device 9 is de-energized in the diagonal of the bridge circuit remain. If the magnetic field at the location of the two semiconductor probes 1 and 2 is different, so the bridge circuit is detuned, and the device 9 shows one of the gradient voltage proportional to the field.

Die Doppelgradientensonde in F i g. 2 besteht aus zwei Gradientensonden, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind. 1 und 2 bzw. la und 2 a sind streifenförmige Sonden, die durch Leitbrücken 18 bzw. 18 a verbunden sind und auf dem Träger 10 liegen. Die ohmschen Widerstände 5 und 6 bzw. 5 a und 6 a werden im homogenen Magnetfeld wieder so abgestimmt, daß die Anzeigegeräte 9 und 9 a in den Brückenschaltungen stromlos bleiben. Befindet sich diese Doppelgradientensonde in einem inhomogenen Magnetfeld, so gibt die Differenz der Ausschläge der beiden Instrumente 9 und 9 a den Betrag der zweiten Ableitung des Feldes an. The double gradient probe in FIG. 2 consists of two Gradient probes as shown in FIG. 1 are shown. 1 and 2 or la and 2 a are strip-shaped probes that are connected by guide bridges 18 and 18 a and lie on the carrier 10. The ohmic resistors 5 and 6 or 5 a and 6 a are tuned in the homogeneous magnetic field again so that the display devices 9 and 9 a in the bridge circuits remain de-energized. This double gradient probe is located in an inhomogeneous magnetic field, there is the difference between the deflections of the two Instruments 9 and 9 a indicate the amount of the second derivative of the field.

In F i g. 3 ist eine Doppelgradientensonde gezeichnet, die aus der Darstellung in Fig. 1 hervorgeht, wenn man die dortigen ohmschen Widerstände 5 und 6 durch die magnetfeldabhängigen Sonden 1 a und 2 a, die durch die Leitbrücke 18 a verbunden sind, ersetzt. Das Sondenpaar la, 2 a liegt zusammen mit dem Sondenpaar 1, 2 (verbunden durch die Leitbrücke 18) auf einem Träger 10. Liegt eine solche Feldsonde in einem Magnetfeld mit räumlich konstantem Gradienten, so ist die Summe der Widerstände 1 und 2 a und 2 und la jeweils konstant. Nur wenn die zweite Ableitung des Magnetfeldes nach dem Ort ungleich Null ist, zeigt das Gerät 9 einen dieser Ableitung proportionalen Wert an. In Fig. 3 is a double gradient probe drawn from the Representation in Fig. 1 emerges if you consider the ohmic resistors 5 and there 6 by the magnetic field-dependent probes 1 a and 2 a, which are carried by the guide bridge 18 a are connected, replaced. The pair of probes la, 2a lies together with the pair of probes 1, 2 (connected by the guide bridge 18) on a carrier 10. If there is one Field probe in a magnetic field with a spatially constant gradient, then the sum is of the resistors 1 and 2 a and 2 and la are each constant. Only if the second derivative of the magnetic field after the location is not equal to zero, the device 9 shows one of these Derivative proportional value.

Eine weitere Vervollkommnung gegenüber der F i g. 3 zeigt die Fig. 4. Die Kontakte 12 und 13 a der Halbleitersonden 1 und 2 a sowie die Kontakte 13 und 12 a der Halbleitersonden 2 und la sind hier nicht mehr durch Drähte außerhalb der Sonde, sondern durch Leitbrücken 19 und 19 a verbunden. Wie in den übrigen Figuren stellt 18 eine Leitbrücke zwischen den Halbleitersonden 1 und 2 und 18 a eine Leitbrücke zwischen den Halbleitersonden 1 a und 2 a dar. Die ganze Feldsonde, die auf dem Träger 10 liegt, besteht also aus den magnetfeldabhängigen Sonden 1, 2, la, 2 a und den sie verbindenden Leitbrücken 18, 18 a, 19 und 19 a. Eine solche aus einem einzigen Halbleiterwerkstück geschnittene Feldsonde hat den Vorteil, daß ihre Elemente hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und Temperatureinflüssen identisch sind. Außerdem hat die in Fig. 4 dargestellte Sonde nur vier Zuleitungen, nämlich zwei für die Versorgungsspannung 11 (Löt-oder Legierungskontakte 16 und 16 a) und zwei für das Meßinstrument 9 (Kontakte 20 und 20 a). Ebenso wie in den oben beschriebenen Anordnungen können auch hier die Leitbrücken 18 und 18 a bzw. 19 und 19 a zur Erniedrigung ihres elektrischen Widerstandes metallisiert werden. Die Metallisierung ist in allen vier Figuren durch Schraffierung der Leitbrücken angedeutet. Another improvement over the FIG. 3 shows the Fig. 4. The contacts 12 and 13 a of the semiconductor probes 1 and 2 a and the contacts 13 and 12 a of the semiconductor probes 2 and 1 a are no longer outside by wires the probe, but connected by guide bridges 19 and 19 a. As in the other figures 18 represents a guide bridge between the semiconductor probes 1 and 2 and 18 a guide bridge between the semiconductor probes 1 a and 2 a. The whole field probe that is on the Carrier 10 is, therefore consists of the magnetic field-dependent probes 1, 2, la, 2a and the guide bridges 18, 18 a, 19 and 19 a connecting them. One of those Field probe cut from a single semiconductor workpiece has the advantage that its elements in terms of their sensitivity to magnetic fields and temperature influences are identical. In addition, the probe shown in Fig. 4 has only four leads, namely two for the supply voltage 11 (solder or alloy contacts 16 and 16 a) and two for the measuring instrument 9 (contacts 20 and 20 a). Just like in the The arrangements described above can also use the guide bridges 18 and 18 a or 19 and 19 a are metallized to lower their electrical resistance. The metallization is in all four figures by hatching the guide bridges indicated.

Für die Feldsonden eignen sich vor allem Halbleiterwerkstoffe mit hoher Trägerbeweglichkeit, z. B. Semiconductor materials are particularly suitable for the field probes high mobility of the wearer, e.g. B.

AlIIBv-Verbindungen (insbesondere Indiumantimonid). Um den magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen eine hohe Empfindlichkeit zu geben, um also möglichst große Widerstandsänderungen bei Magnetfeldvariationen zu erhalten, kann man auf den Sonden (1, 1 a, 2, 2a in den Fig. 1 bis 4) - wie an sich bekannt - elektrisch gut leitende parallele Streifen anbringen, die zur Längsrichtung der Teilsonden senkrecht stehen. In F i g. 1 sind diese Streifen durch Querstriche auf den Halbleitersonden 1 und 2 angedeutet. Die Sonde ist dann gegenüber der auf der Trägerplatte 10 senkrecht stehenden Komponente des Magnetfeldes besonders empfindlich.AlIIBv compounds (especially indium antimonide). To the magnetic field dependent To give semiconductor resistors a high level of sensitivity, so as to be as large as possible One can get resistance changes with magnetic field variations on the probes (1, 1 a, 2, 2a in FIGS. 1 to 4) - as is known per se - good electrical conductivity Attach parallel strips that are perpendicular to the longitudinal direction of the sub-probes. In Fig. 1 these stripes are indicated by horizontal lines on the semiconductor probes 1 and 2 indicated. The probe is then perpendicular to that on the carrier plate 10 standing component of the magnetic field is particularly sensitive.

Diese elektrisch gut leitenden parallelen Streifen können z. B. aus Silber oder Indium bestehen, die elektrolytisch auf den Halbleiter aufgebracht werden. These electrically conductive parallel strips can, for. B. off There are silver or indium, which are electrolytically applied to the semiconductor.

Jedoch ist man nicht darauf beschränkt, solche gut leitenden Streifen auf der Oberfläche der Halbleiterwiderstände anzubringen. Man kann, wie an anderer Stelle vorgeschlagen, die Halbleiterstreifen auch mit parallel ausgerichteten Einschlüssen einer sehr gut leitenden Phase, insbesondere Nickelantimonid (NiSb), versehen. Diese Einschlüsse, die wie oben senkrecht zur Längsrichtung der Halbleiterstreifen liegen, können parallel zur Trägerplatte der Feldsonde oder senkrecht zu ihr stehen.However, one is not limited to such highly conductive strips to be attached to the surface of the semiconductor resistors. One can, as with others Proposed place, the semiconductor strips also with inclusions aligned in parallel a very good conductive phase, in particular nickel antimonide (NiSb). These Inclusions which, as above, are perpendicular to the longitudinal direction of the semiconductor strips, can stand parallel to or perpendicular to the carrier plate of the field probe.

Liegen diese Einschlußnadeln parallel zur Trägerplatte, so wirken sie wie die vorher erwähnten und nachträglich aufgebrachten Streifen. Sind die parallelen Einschlußnadeln jedoch senkrecht zur Trägerplatte ausgerichtet, so kann man die räumlichen Änderungen des Magnetfeldes erfassen, dessen Induktion in der Ebene der Trägerplatte der Feldsonde liegt. Damit lassen sich Gradienten in Richtung des magnetischen Feldes erfassen, während mit Einschlußnadeln parallel zur Trägerplatte Gradienten der magnetischen Induktion senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes erfaßt werden können. -In F i g. 2 sind diese Einschlußnadeln, die auf dem Träger senkrecht stehen, schematisch durch Punkte auf den dort gezeichneten Halbleitersonden angedeutet. If these inclusion needles are parallel to the carrier plate, they act they like the previously mentioned and subsequently applied strips. Are the parallels However, inclusion needles aligned perpendicular to the carrier plate, so you can detect spatial changes in the magnetic field, its induction in the plane of the Support plate of the field probe. This allows gradients in the direction of the magnetic Capture the field while gradients with containment needles parallel to the carrier plate the magnetic induction detected perpendicular to the direction of the magnetic field can be. -In F i g. 2 are these containment needles that are perpendicular to the carrier stand, indicated schematically by dots on the semiconductor probes drawn there.

Feldsonden dieser beiden Ausführungsarten - Einschlußnadeln parallel bzw. senkrecht zum Träger -können beide derart kleine räumliche Dimensionen besitzen, daß sie mit der Fläche ihrer Trägerplatte parallel oder sogar senkrecht zu dem schmalen Luftspalt eines Magneten in diesen einsetzbar sind. Damit hat man - eventuell durch Drehen der Feldsonden - die Möglichkeit, Magnetfeldgradienten in allen Richtungen bezüglich des Magnetfeldes genau und auf einfache Weise auszumessen. Field probes of these two types - containment needles in parallel or perpendicular to the carrier - both can have such small spatial dimensions, that they have the surface of their carrier plate parallel or even perpendicular to the narrow one Air gap of a magnet can be used in these. With that one - maybe through Rotating the field probes - the possibility of magnetic field gradients in all directions measure accurately and easily with respect to the magnetic field.

Claims

Claims: 1. Device for measuring magnetic field gradients as well as their higher discharges according to the location by at least two semiconductor probes, which are supplemented to a bridge circuit, characterized in that elongated Semiconductor probes with magnetic field-dependent resistance with the longitudinal direction parallel are fixed to each other on a carrier that the semiconductor probes and they connecting conductive bridges consist of a single semiconductor workpiece, the two conductive bridges connecting semiconductor probes are metallized, and that in and / or electrically well aligned parallel to one another on the semiconductor probes conductive areas are provided which run perpendicular to the longitudinal direction of the probes.

2. Device according to claim 1 for measuring the second derivative a magnetic field according to the location, characterized in that it consists of two on one common carrier lying probe pairs with conductive bridges that two of the free ends of the four semiconductor probes are connected by further conductive bridges, that the supply voltage is between the former conductive bridges and that between the latter Conductor bridges the measuring device is connected (Fig. 4).

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that that the semiconductor probes consist of an A1IJBv connection, in particular indium antimonide (InSb).

4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that that to generate the electrically highly conductive areas parallel strips of electrical highly conductive material, in particular silver (Ag) or indium (In), on the semiconductor probes are upset and that the parallel stripes perpendicular to the longitudinal direction of the Probes and are aligned parallel to the carrier.

5. Device according to claims 1 to 3, characterized in that that the semiconductor probes with to generate the electrically highly conductive areas Inclusions aligned in parallel and made of material with good electrical conductivity, in particular NiSb, and that the inclusions are perpendicular to the longitudinal direction of the probes and are aligned parallel or perpendicular to the carrier.