Устройство для измерения магнитного поля Советский патент 1993 года по МПК G01R33/00 

Известен датчик магнитного поля, описанный в (Афанасьев Ю.П. Средства измерений параметров магнитного поля. Л. 1979), содержащий три магниточувствительных элемента(феррозонда), которые расположены в пространстве взаимно перпендикулярно,генератор возбуждения ферроиндукционных преобразователей и схему обработки.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прибора за счет обеспечения измерения модуля , индукции магнитного поля.

На фиг.1 показан магниторезистивный элемент. На фиг.2 приведено пространственное расположение магниторезистивных элементов и их последОЁательное электрическое соединение. На фиг.З - показаны экспериментальные зависимости выходно- . го сигнала устройства с магниторезистив- ными элементами, выполненными из германия, в магнитном поле при его вращении относительно двух произвольно выбранных осей. На фиг.4 - та же зависимость для устройства с магниторезистивными элементами из антимонида индия.

Рассмотрим конструкцию устройства. Оно содержит три одинаковых магниторезистивных элемента, один из которых изображен на фиг. 1; Магниторезистивная область 1 имеет форму прямоугольного параллелепипеда, на две противоположные грани которого нанесены электрические контакты 2. На фиг.2 показано взаимное расположение магниторезистивных элементов в пространстве. Они закреплены на общем основании в форме куба 4 так, что каждое ребро магниторезистивной области каждого элемента ортогонально одинаковым с ним ребрам двух других магниторезистивных. элементов. Изображенные на фиг.2 маг- ниторезистивные элементы соединены последовательно. Возможно также и парал- .лельнре их соединение. Магниторезистив- ные области могут быть изготовлены путем нанесения оммических контактов на полупроводниковые образцы или сформированы в канале МДП-транзистора.

Для измерения модуля магнитной индукции устройство следует поместить в магнитное поле и измерять его сопротивление. Под действием магнитного поля сопротивление магниторезистивных элементов из- меняется, причем так, что полное сопротивление устройства не зависит от направления магнитного поля. При этом для

ел

ю

У

Јь 4

ШЯС&

дного магниторезистора, выполненного из олупроводникового материала с изотропым эффектом магнитосопротивяения, ожно записать (Вайсе Г. Физика гальвано- агнитных полупроводниковых приборов и х применение, М., Энергия, 1974.):

AR/R . +

где R - сопротирле.ние марниторезистивно- о элемента; AR -.его изменение в магнитном поле; В; - компоненты вектора агнитной индукции ЁГв системе координат, вязанной с магниторезистором; а,/,у,- коэффициенты, зависящие от материала и геометрии магниторезистивной области, Как видно , сопротивление имеет квадратич- ную зависимость от компонент вектора б Учитывая, что магмиторезистивные элемен- ты расположены в пространстве как показано на фиг.2, для них можно записать:

A.Ri/Rt аВх2+/3 BzV . ..

AR2/R2 «By +/ Bzft + y Вх,

ARs/R3 «Bz2+/ Вхг:+. у By2, .

Здесь индексы 1, 2 и 3 использованы для нумерации магииторезистивных элементов. Поскольку элементы соединены последовательно, изменение сопротивления всего устройства равно сумме изменений сопротивлений его элементов, Учитывая, что магниторезистивные элементы одинаковы, т.е. Ri R2 R3, получаем: A R/R ( )(Bxz + By + Bz1) ( а+/3+у- )В2. .;. ... - ::.. .-. - . ,

Как видно из формулы, изменение сопротивления устройства пропорционально квадрату модуля индукции магнитного поля и не. зависит от направления вектора индукции. .:-/.,. : - ; , .

Легко показать, что при параллельном соединении магниторезистивных элементов, из измерений проводимости можно также определять величину модуля индукции: . Дсг/сг -(а+/3 + у)В2.,.

Все вышеприведенные-, выкладки сделаны для магниторезистивных элементов, выполненных из полупроводникового материала с изотропным эффектом магнитосоп- ротивления (например, из антимонида

ИНДИЯ) ;. ;, ... :.;.- -:. , :

; В случае применения полупроводникового материала кубической сингонии магни- тосопротивления неизотропен и в общем виде описывается уравнением Зейтца

(Смит Р. Полупроводники. М., Мир, 1982J. В этом случае все приведенные выкладки верны только в том случае, если ребра маг- ниторезистивной области ориентированы

вдоль осей 100 полупроводникового материала кубической сингонии. Таким образом,при изготовлении магниторезистивного элемента из полупроводникового материала кубической сингоний, необходимо ориентировать ребра магниторезистора вдоль указанных кристаллографических осей.

Магниторезистивные. элементы были выполнены из германия л-типа и имели форму, приведенную на фиг.1, длиной а 2 мм, шириной b 7 мм и толщиной с 0,5 мм. Удельное сопротивление материала 10 Ом« см, Магниторезистивные элементы были наклеены на куб из фторопласта, как показано

на фиг.2. Сопротивление устройства измерялось прибором В7-34А в режиме омметра. Полное сопротивление трех последовательно включенных магниторези- еторов составляло 132 Ом в отсутствие магнитного поля, В магнитном поле .сопротивление изменялось с коэффициентом 20 Ом/Тл .Измеренное значение модуля индукции магнитного поля В с точностью до 2 процентов не зависело от ориентации

вектора индукции (см.фиг..З).

Кроме того, макет предлагаемого устройства был выполнен на магниторезисто- рах, изготовленных из антимонида индия n-типа, сопротивлением около 20 миллиОм

каждый. Магниторезисторы имели размеры

саответственно а 2 мм, b 8 мм, с 0,5 мм. Через устройство пропускался постоянный ток силой 1 А, а падение напряжения на трех последовательно включенных магниторезисторах измерялось прибором В7-34А в режиме вольтметра. Результаты приведены на фиг.4. При этом измеренное значение модули индукции магнитного поля с точностью до 3% не зависел о от ориентации датчика в

магнитнйм поле.

Предлагаемое устройство выгодно отличается простотой конструкции, которая достигнута за счет отказа от сложной электронной обработки сигналов.

.. Формула изобретения

1, Устройство для измерения магнитного поля, содержащее три магниточувстви- тельных элемента, -которые выполнены в виде прямоугольных магниторезисторов из

полупроводникового материала с изотропным эффектом мзгнитосопротивления или из полупроводникового материала кубической сингонии с анизотропным эффектом магнитосопротивления так, что ребра ориентированы вдоль осей 100 кристалла, и которые размещены в пространстве взаимно перпендикулярно друг относительно друга, и измерительный блок, о тличающееся тем, что, с целью расширения области использования путем обеспечения измерения модуля магнитной индукции, магниточувст- вительные элементы соединены последовательно, а измерительный блок выполнен в виде измерителя сопротивления.

2. Устройство по п. 1.отличающее с я тем, что магниточувствительные элементы соединены параллельно, а измерительный блок выполнен в виде измерителя проводимости.

60 720

Уш noSopoma

4--я.

W № ite3

ад 360

Использование: в области измерительной техники. Сущность изобретения: устройство содержит датчики. Особенностью изобретения является соединение датчиков - последовательное или параллельное, что позволяет расширить область использования за счет обеспечения измерения модуля магнитной индукции. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.