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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.
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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.
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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.
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Auch sind bekannte Gradientensonden nur zur Ausmessung von Magnetfeldern
bzw. deren Komponenten geeignet, die senkrecht auf der Fläche der Hallgeneratoren
stehen.
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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.
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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.
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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.
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Sollen sehr steile Magnetfeldgradienten ausgemessen werden, so ist
es von großem Vorteil, wenn die Einzelsonden nur einen geringen Abstand haben.
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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.
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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.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden einige
Ausführungsbeispiele beschrieben, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Für die Feldsonden eignen sich vor allem Halbleiterwerkstoffe mit
hoher Trägerbeweglichkeit, z. B.
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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.
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Diese elektrisch gut leitenden parallelen Streifen können z. B. aus
Silber oder Indium bestehen, die elektrolytisch auf den Halbleiter aufgebracht werden.
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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.
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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.
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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.