Датчик магнитной индукции с частотным выходом Советский патент 1993 года по МПК G01R33/06 

Изобретение относится к электрическим и магнитным измерениям и может быть использовано для измерения индукции магнитного поля (В) в измерительно-информационной технике.

Известен датчик магнитной индукции В, содержащий полупроводниковый кристалл с четырьмя контактами, основанный на эффекте Холла, в котором создается ЭДС Холла, зависящая от В. Однако такой датчик индукции обладает невысокой чувствительностью в диапазоне измерений В 1,6 Тл вследствие уменьшения коэффициента Холла с ростом В,

В качестве прототипа выбран датчик магнитной индукции, содержащий полупроводниковый кремниевый кристалл в форме толстой пластинки с размерами (14x14x4) ммЗ и двумя токовыми контактами, один из которых инжектирующий, а второй - омический. В основу его работы положен эффект винтовой неустойчивости, в котором генерируемая частота колебаний тока зависит от В. Датчик может измерять индукцию однородного магнитного поля, а также максимальную амплитуду импульсного или переменного магнитного поля с длительностью импульса больше 100 мкс. Недостатком известного датчика является невысокая чувствительность измерений (30 килогерц/тесла), обусловленная низкой плотностью электронно-дырочной плазмы в выбранном кристалле, а вследствие этого узкий диапазон измерений ((1,58-1,98) Тл). Недостатками прототипа являются также большие габариты кристалла ((14x14x4) мм3) и высокое внешнее питающее напряжение.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение динамического диапазона измерений, Указанная цель достигается тем, что в датчике магнитной индукции содержатся кристалл р-кремиий и токовые контакты, один из которых инжектирующий, а второй - омический, причем согласно изобретению, кристалл выполнен в виде стержня с поперечным сечением в форме круга или правильного многоугольника с отношением радиуса этого круга или радиуса круга, вписанного вуказанный многоугольник, а к длине стержня I, выбранного из интервала (0,16-1,6). В отличие от прототипа, имеющего форму толстой пластинки, где реализуется плоская волна носителей заряда, в предлагаемом датчике в форме стержня кругового сечения реализуется винтовая волна электронно-дырочной плазмы. Ее высокая плотность обеспечивается выбранной геометрией кристалла. Отношение радиуса

а кругового сечения или круга, вписанного в правильный многоугольник, и длина I образца ограничивается сверху и снизу; снизу диффузионной длиной и условиями рекомбинации носителей заряда в объеме, сверху - заданными внешними питающими напряжением U, магнитной индукцией В и параметрами материала.

При высоком уровне инжекции, это отношение имеет вид

24 К Т

q (fin +,ир) Вп U

15

(1)

0

где Da

n fin Dp + P ip Dn

амбипоn n + P лярная длина диффузии;

Ln - диффузионная длина электронов;

q - заряд эпектрона;

К - постоянная Больцмана;

,jMp - подвижность электронов, дырок;

п, р- плотность электронов, дырок;

объемное время жизни; Вр - пороговое магнитное поле; Т - температура в К.

Подставляя известные параметры материа- ла в формулу (1), получим, что для используемого Р - SI и величины U 20 В отношение

0,16 у

1,6

5

5

0

5

На фиг.1 представлен общий вид датчика; на фиг.2 - его принципиальная схема; на фиг.З - кривая зависимости частоты колебаний тока f от магнитной индукции В.

Датчик магнитной индукции содержит полупроводниковый кристалл 1 в форме стержня, снабженный с торцов инжектирующим 2 и омическим 3 контактами,

Датчик работает следующим образом.

Датчик магнитной индукции (см.фиг.2)

помещается во внешнее магнитное поле, создаваемое источником 4, вдоль его силовых линий. Источник импульсного напряжения 5 подключается к полупроводниковому элементу 1 через резистор 6 в такой полярности, чтобы образованный с помощью инжектирующего контакта в теле полупроводникового кристалла р-n переход был смещен в прямом направлении. Вход осциллографа 7 связан с резистором 6.

За счет создания в полупроводниковом кристалле продольного электрического поля путем приложения к его контактам импульсного напряжения, смещающего р-п переход в прямом направлении в этом кристалле создается электронно-дырочная плазма. При помещении полупроводникового кристалла в магнитное поле (однородное, импульсное или переменное с длительностью более 100 мкс) параллельно его силовым линиям, вследствие винтового движения электронов и дырок при повышении напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В выше соответствующих пороговых значений Еп и Вп возникает эффект самовозбуждения, при котором происходят колебания тока в теле полупроводникового кристалла p-Si.

Частота этих колебаний зависит от пороговых величин Еп и Вп, поперечного раз- мера кристалла а, параметров электронно-дырочной плазмы, таких как концентрация и подвижность носителей заряда, удельного сопротивления полупроводникового материала и может принимать значения от единиц до сотен килогерц.

Колебания тока в теле полупроводникового кристалла контролируются с помощью резистора 6, включенного в цепь последовательно с полупроводниковым элементом. Сигнал, снимаемый с резистора 6, подается на осциллограф, с помощью которого измеряется частота f. По градуировочной кривой зависимости f от В (см. фиг.З) определяется индукция В. В общем случае чувствитель- ность датчика и диапазон измеряемых В определяются заданным напряжением U, параметрами полупроводниковой плазмы, отношением радиуса круга, вписанного в сечение стержня, к длине этого стержня.

Предложенный датчик изготавливался следующим образом. Полупроводниковый

кристалл выполнен из соображений удобства и простоты в виде прямоугольного стержня длиной 0,85 мм с квадратным сечением (0,9 х 0,9) мм из кремния р-типа с удельным сопротивлением р 5 103 Ом см. При напряжении U 20 В частота колебаний тока изменялась от 240 до 300 кГц при изменении В от 1,4 до 2,4 Тл, т.е. чувствительность датчика (df/dB) составила 60 кГц/Тл.

Предложенный датчик обладает следующими преимуществами. За счет использования полупроводникового кристалла в форме стержня с поперечным сечением в форме круга или правильного многоугольника повышается чувствительность датчика (60 кГц/Тл по сравнению с 30 кГц/Тл в прототипе), расширяется диапазон измеряемых величин магнитной индукции более чем в два раза (1,4 Тл - 2,4 Тл по сравнению с (1,58-1,98)Тл). Кроме того, уменьшаются габариты датчика ((0,85 х 0,9 х 0.9) мм3 по сравнению с (14 х 14 х 4) мм , а также внешнее питающее напряжение (20 В по сравнению с 200 В). Достигнутые величины внешнего питающего напряжения дали возможность использовать стандартный источник импульсного напряжения в отличие от используемой ранее специальной аппаратуры.

(56) Кобус А., Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. - М.: Энергия, 1971, с. 182-187.

Карлова Г.Ф., Гаман В,И., Караваев Г.Ф., Шумская Е.Г. Осциллисторный эффект в кремнии. ФТП, 1985, т.19, в.2, с.343-345.

Изобретение относится к электрическим и магнитным измерениям и предназначено для измерения индукции магнитного поля. Цель изобретения - повышение чувствительности и расширение динамического диапазона измерений Цель достигается тем, что полупроводниковый кристалл р- кремния имеющий инжектирующий и омический контакты, выполнен в виде стержня с поперечным сечением в форме круга или правильного многоугольника с отношением радиуса круга или радиуса круга, вписанного в многоугольник, к длине стержня, равного от 0.16 до 1,6 Зил.

Формула изобретения40

ДАТЧИК МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ, содержащий полупроводниковый кристалл р-кремния и то- 45 ковые контакты, один из которых инжектирующий, а другой - омический, отличающийся тем, что, с целью повышения

чувствительности и расширения динамического диапазона измерений, кристалл выполнен в виде стержня с поперечным сечением в форме круге или правильного многоугольника с отношением радиуса этого круга или круга, вписанного в многоугольник, к длине стержня, выбранного из интервала 0,16-1,6.

Фиг.1

МГц

Редактор А.Зробок

Заказ 3352

ТиражПодписное

НПО Поиск Роспатента

113035, Москва Ж-35, Раушская наб., 4/5

Фиг 2