Способ измерения градиентамагнитногопОля и уСТРОйСТВО для ЕгО ОСущЕСТВлЕНия Советский патент 1981 года по МПК G01R33/07 

ИзОбретение относится к измерительной технике .и .может быть ислользаваио для измерения относительного град«е«та магнитного ПОля, .например в .маг.нитных снсте.мах.

Известен способ измерения градлеита магнитного поля, основанный .на использован-ии гальва.нО:маг.нит,ных явлений в полупр01водн,ик.о.вой пластине с током, -помещенной в .н годлородное магнитное поле. Устройство, реализующее способ, содержит полупр01водниковую пластину с дву.мя ллоски:ми электродами, расположенными на ее торцах, а таюке с двумя точечными электродами, расположенны.ми на о.д.ной з боковых граней 1.

Недостаток способа заключается в «евысокой точности.

Целью изобретения является повышение точности изм.ерения градиента магнитлого поля.

С Целью повыщения то.ч.ност.и, при измерении градиента магнитного поля способом, включающим воздействие неоднородного .магнитного поля на полуП|ровоД(Ниховую пластину, определяют плотность , протекающего через пласт1и.ну, в двух точках, симметричных относительно .про.дольной оси пластины и расположе№ных на прот}1воположных боковых гранях лолупроводннковой пластины, с последующим определением градкента магнитного .поля по формуле:

R

где

значения плотности тока в симметричных указанных точ,ках;

/ d -

пол.ный ток, протекающий через пластину;

толщ.ина иол П1роводн.иковой пласти.ны;

удельное сопротивление матеРо - риала пластины; Л коэффициент, характеризующий увеличение удельного сопротивления пластины Б магнитном поле;

R постоянная Холла материала пластины.

В устройство для измерения градиент .магнитного иоля, содержащее 11олупро.во.дниковую .пластину с двумя электрода мл, расположенными на ее торцах, .и источник постоянного тока, введены две пары дополнительных электродов, каждая из а оторых расположена на боковых стевках соответсгвуюшего прямоугольного .выреза.

выполненного ;на боковой грани полупроЕоднвковой пластины, симм.етричло ее Продольной оои.

На фиг. 1 лзображбна лолзпроводнйковая пластина с током, от;несеп,ная -к прямоугольньгм координата.м х, у и ломещен-ная в неоднородное магнитное поле, перпендикулЯр.ное к плоскости пластины, с лрадиенто:м, направленным вдоль оси х. На фиг. 2 приведена экепериме«тально снятая завиеимость ;/дельного сопротивления от индукЩ1И магнитного поля для аптимонида индия с концентрацией электронов при Т (, равной 8 . Юб с.н На фиг. 3 ириведбяа зависимость плотности тока в пластине от коордииаты по ширине пластины. На фиг. 4 схематично изображено устройство для измерения градиента магнитного поля.

Устройство для измерения градиента магнитного ноля еодерл ит иеточник постоя нлого тока /, полупроводниковую пластину 2 с двумя прямоугольными спмметрич,ны,МИ от1юсительно продольной оси вырезам.л, снабженную двумя плоск1ими электродами 3, 4, а также электрода.ми 5, 6 к 7, 8, нанесеБНы,м,и па боковые стенки вы-резов и соединенными между собой резисторами 9 и 10.

помещении полупроводниковой пласти1ны с током в леоднородное магнит.ное поле в разных сечениях пластины будет возникать поле Холла с разными иапряжениостями. Рассматривая коитур а-b- -b-а на иоверхности пластины, получим

ииЬ ицI, (J,:а - -ijоЬ,

гле и,./,; иul,, Una - иапряжения между соответствующими точками на поверхносги пласти|НЫ.

Поскольку и„а-fJbi) О, то и и,10 - - С/й-Ат О, т. е. напряжения между точками

а-b и а-Ь не равиы друг другу и не ра-влы падению .напряжения, создаваемо,му на участке между эти|МИ тачками протекающим через кристалл током /. Поэтому ио .ко«туру а-b-b-а должен протекать циркулирующий ток, который, оклады.ваясь алгебрагически с током I, приводит к неоднородному распределению тока, протекающего через пластину. Велнчина этой неоднородности определяется градиентом магнитного поля, поэтому, измеряя распределение плотности тока по сечению пластины, можно установить (Градиент магнитного поля. Установим зависимость между праднентом магнитного лоля и видом распределения плотности тока по сечению пластины. Запишем выражение для напряженности электрического поля, возникающего в пластине с током, помещенной в магнитное поле.

.v P/.r--R/ /V Р (/л-13/J,)

(1) . Я/, + р/ р(|3/ + / ) ,

де Е,,, E,j - проекции вектора .напряженности электрического поля на .коордннат}1ые оси х и у; /.V, /г/ - проеюийи вектора плотности тока на координатные оси

X и у;

и - напряженность магнитного

поля;

р - удельное сопротивление материала пластины;

R - постоянная Холла матер.иала пластины;

RH

Р

В области сильных магнитных полей хдельное сопротивление полушроводни.ка л шейно увелич1И,вается с росто.м ма гнитного поля (фиг. 2), поэтому можио записать

Н,

удельное сопротивление материала пластины в отсутствие магнитного поля;

коэффициент, характеризующий увеличение удельного сопротивления нолупроводника с ростом магнитного ноля; .может быть определен «з э-кспери,ментально

снятой зависимости (Н). м образом, в области аильных магполей fi не зависит от координаты

R

f Рой

Из уравнения непрерывности divj - 0

учитывая, что в случае постоянного магнитного поля

T:otE 0,

а также принимая во вним-алие (1) и (2), получаем систему диффарвнщиальных уравнений дл5 компонент вектора плотности электрическо го тока

.f+ f(/,+;,)

р дх

).дх ду

Для дальнейщСГО достаточно знать рас65 пределение .плотностэд тока в «аком-либо сечении пластины. Поэтому рассмотрим случай, когда rf«b«/, где d - толщина, b - ширина, / - дл.ина пластины. В этОМ случае из соображений симдгетрии следует, что в точках, удаленных от концов пластины, вектор ллотности тока должен быть параллелен боковым граням пластины, т. е. 1у О. Поэтому ИЗ (3) получим уравнение для плотлости. тока в сечении пластины, удаленном от ее концов (0«л:«/) ,о, do dH где а - -j- - 77 dx - относительный градиент магнитного поля. Предположим, что а слабо изменяется по длине пластины, т. е. в некоторой окрестности A:( const. Это означает, что IB окрестности точки л:() реальное распределение магнитного поля мы аппроксимируем экспонентой Я-е. Для этого случая решение уравнения (4) имеет вид у. I /.:d i /,dy. Ha фиг. 3 приведены кривые распределения плотности тока по сечению пластины при различных а, откуда следует, что вид распределения сильно зависит от велиЧ1ИНЫ относительного градиента магнитного поля а. Разность плотностей тока в точках с координатами

/

/

. (5)

- а /1-/2 -jA откуда легко может оыть найдено /1 - /2 9М Таким образом, производя измерение плотности тока в двух точках, симметричных относительно продольной оси пластины, расположенных на боковых гранях ее, по формуле (5) можно определить градиент магнитного поля. Устройство ра-ботает следующим образом. При помещеаии пластины 2 в неоднородное магнитное поле и подключении к электродам 3, 4 источника постоянного тока I Через плаСтину протекает ток, кото(4)

/,--/, ,/i

f рый неравномерно распределен по ее ширине. Поскольку размеры вырезов много меньше размеров пластины, сапротивлени резисторов 9 и 10 равны сопротивлениям удаленных частей пластины, распределение плотности тока по ширине пластины будет таким же, как и для пластины без вырезов. При этом, поскольку ширина электродов 5, 6, 7 н 8 много меньше ширины пластины. , где /ь /2 - токи через резисторы 9 соответственно; ширина электродов 5, и5. Измерив токи /i и /о, относительный градиент магнитного лоля определяем из формулыФормула изобретения Способ измерения граднента магнитного поля, включающий воздействие неоднородного магнитного поля на полуироводниковую пластину, о т л и ч а ю nj, и и с я тем, что, с целью повышения точности, определяют плотность тока, протекающего через пластину, в точках, симметричных относительно продольной оси пластины и расположенных на противоположных боковых гранях полупроводниковой пластины, с последующим определением градиента магнитного поля по форм}ле: значение плотности тока в симметричных точках; полный ток, протекающий через полупроводниковую пластину;толщина полупроводниковой нластины; удельное сопротивление материалаполупроводниковойпластины; коэффициент, характеризующий увеличенИе удельного сопротивления материала полупроводниковой пластины в магНИтном поле; постоянная Холла материала полупроводниковой пластины. ство для измерения градиента поля, Содержащее полупровоДстину с ДВУМЯ плоскими элек