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Es sind verschiedene elektrische Einrichtungen bekannt, bei denen
die Magnetfeld abhängigkeit von Haibleiterwiderständen ausgenutzt wird (vgl. die
deutsche Patentschrift 973121).-Die magnetische Widerstandsänderung A R von Halbleiterkörpern
ist unabhängig vom Vorzeichen des einwirkenden Magnetfeldes und hängt quadratisch
vom Magnetfeld (B) ab (d R zur B2). Diese quadratische Abhängigkeit ist bei kleinen
Magnetfeldern schwierig zu erfassen, da die Widerstandscharakteristik beim Magnetfeld
0 auch die Steigung 0 hat.
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In bekannten Einrichtungen sind daher schon Hilfsmagnetfelder vorgesehen,
die unabhängig vom zu messenden bzw. steuernden Magnetfeld auf den Halbleiterwiderstand
einwirken, also den Halbleiterwiderstand vormagnetisieren.
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Beispielsweise beziehen sich die deutsche Auslegeschrift 1020107
und die schweizerische Patentschrift 198449 auf die Vormagnetisierung von magnetfeldabhängigen
Halbleiterkörpern mit Hilfsmagnetfeldern gleicher absoluter Größe, aber entgegengesetzter
Polarität. Zweck der Hilfsfelder ist die Erhöhung der Meßgenauigkeit der jeweiligen
Anordnung. Die Hilfsmagnetfelder sind jedoch im Bekannten für jeden Halbleiterkörper
getrennt. Die Halbleiterkörper befinden sich auch nicht in einem kompakten Magnetkreis
oder sonstigen Metallrahmen, der einen Temperaturausgleich der beiden Halbleiterkörper
bewirkte.
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Es ist auch schon ein kontaktloser Meßumformer mit einem Halbleiterkörper
zur Erfassung des Ortes und/oder der Ortsveränderung eines magnetischen Körpers
vorgeschlagen worden. Der Halbleiterkörper ist dabei einem konstanten Magnetfeld
und einem von der örtlichen Lage eines magnetischen Körpers, dessen Ort und/oder
Ortsveränderung erfaßt werden soll abhängigen, also veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt.
Da der Halbleiterkörper mit einem konstanten Magnetfeld vormagnetisiert ist, können
mit dem Meßumformer auch kleine Änderungen eines auf den Halbleiterkörper einwirkenden
magnetischen Signalfeldes mit großer Genauigkeit erfaßt werden.
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Jedoch wird der Widerstand eines Halbleiterkörpers in ähnlichem Maße
wie durch Magnetfelder auch durch Temperatureinflüsse geändert. Auch kann die Temperatur
im allgemeinen EinfLuß auf die das konstante Magnetfeld erzeugende Mittel haben.
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Daher ist es nötig, Sorge zu tragen, daß sich der Halbleiterkörper
und die das konstante Magnetfeld erzeugenden Mittel auf konstanter Temperatur befinden.
In manchen Fällen ist es auch zweckmäßig, in den Stromkreis des Halbleiterkörpers
einen temperaturabhängigen Widerstand einzuschalten, welcher in der Lage ist, die
Temperaturabhängigkeit der ganzen Einrichtung zu kompensieren.
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Im ersteren Falle werden die Temperatur konstant haltende Mittel,
z. B. Thermostaten, gebraucht, die nicht nur aufwendig sind, sondern auch gegenüber
der übrigen Meßumformereinrichtung verhältnismäßig viel Raum einnehmen. Es ist andererseits
nur in wenigen Fällen möglich, einen temperaturabhängigen Widerstand zu finden,
der die meist nichtlineare Temperaturabhängigkeit der Meßumformereinrichtung in
einem größeren Temperaturbereich, z. B. über 100 C Temperaturschwankung, zu kompensieren
vermag.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer zu schaffen,
der trotz kleiner Signal-
magnetfelder bei hohem Verhältnis von Signalspan--nung
zur - Stromversorgung -weitgehend -unabhängig von der Temperatur arbeitet.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen kontaktlosen Meßumformer mit
einer magnetfeldabhängigen Halbleitersonde, auf die ein konstantes Magnetfeld und
ein von der örtlichen Lage eines oder mehrerer magnetischer Körper herrührendes
Magnetfeld einwirkt.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß zwei den gleichen
Grundwiderstand besitzende, magnetfeld abhängige Halbleiteranteile der Sonde, die
in eine Widerstandsmeßbrücke eingeschaltet sind, in zwei Luftspalte eines Permanentmagnetkreises
gesetzt sind, derart, daß auf die beiden Halbleiteranteile gegensinnige Magnetfelder
gleicher absoluter Größe einwirken, und daß der Diagonalstrom der Brücke als Maß
für die temperaturunabhängige Differenz der Widerstände der beiden Halbleiteranteile
dient.
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Der Diagonalstrom kann zu Steuerungszwecken ausgewertet bzw. zur
Anzeige einem Strommeßgerät zugeführt werden. Die beiden Halbleiteranteile können
zwei magnetfeld abhängige Halbleiterkörper, sogenannte Feldplatten sein, die in
zwei aneinandergrenzenden Brückeuzweigen eingeschaltet sind. Es kann jedoch an Stelle
von zwei Feldplatten auch eine einzige Feldplatte mit drei Elektroden in Potentiometerschaltung,
z. B. mit Mittelabgriff, verwendet werden. Da Temperaturunterschiede der beiden
Halbleiteranteile nach Möglichkeit vermieden werden sollen, ist eine Feldplatte
mit drei Anschlüssen füx den erfindungsgemäßen Meßumformer besonders ge eignet,
denn naturgemäß können zwei getrennte Körper eher verschiedene Temperatur haben
als zwei Teile eines Körpers, der insgesamt nicht größer ist als die beiden Körper
zusammen.
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Die beiden Feldplattenanteile befinden sich in Magnetfeldern entgegengesetzter
Richtung, aber gleicher absoluter Größe. Bei der erfindungsgemßen Anordnung ergibt
sich daher ein größeres Signal als im Falle einer Anordnung mit gleichsinnigen Magnetfeldern.
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Beim erfindungsgemäßen Signalgeber ist das Verhältnis der beiden
Widerstände und daher das Signal um mindestens eine Größenordnung weniger temperaturabhängig
als bei einem Einzelwiderstand. Außerdem ist der Nullpunkt der Widerstandsdifferenz
der beiden Halbleiteranteile praktisch temperaturunabhängig.
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An Hand der schematischen Zeichnung werden weitere Einzelheiten erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine Feldsonde mit zwei Halbleiterkörpern, auf die zwei gleich
große, aber gegensinnige Magnetfelder einwirken, Fig. 2 ein Beispiel einer Schaltung
für den Meßumformer, F i g. 3 ein Diagramm, betreffend die Widerstandsdifferenz
der Halbleiterkörper in Abhängigkeit vom zu bestimmenden Ort eines magnetischen
Körpers, F i g. 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele der Sonde des Meßumformers.
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Die Feldplatten 1 und 2 mit den Anschlüssen 5 bzw. 6 nach F i g.
1 befinden sich - bei Abwesenheit äußerer Magnetfelder - in Feldern mit zwar gleicher
absoluter Größe, aber der Fluß durch die eine Feldplatte ist entgegengesetzt zum
Fluß durch die andere Feldplatte gerichtet. Zur Erzeugung dieser konstanten Magnetfelder
kann der Magnet 7 mit den Polschuhen 8
und 9 dienen. Bei Annäherung
eines magnetischen Körpers 4 (weich- oder hartmagnetisch) werden die Widerstände
Rl und R2 der Feldplatten 1 und 2 verändert. Der Körper 4 - wie auch die entsprechenden
Körper in den folgenden Figuren - kann beispielsweise Teil einer Vorrichtung sein,
deren Ort bzw.
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Ortsveränderung bestimmt werden soll. Da auf die beiden Feldplatten
nach F i g. 1 zwei entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder wirken, ergibt sich,
wenn sich die Feldplatten im Feld des magnetischen Körpers 4 befinden, mit dieser
Anordnung eine größere Widerstandsdifferenz R1 - R2 als mit einer Anordnung mit
gleichsinnigen Magnetfeldern. Der Körper 4 wird z. B. in Pfeilrichtung bewegt.
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Die beiden Feldplatten der F i g. 1 sind zur Messung der Widerstandsdifferenz
R1 - R2 beispielsweise in eine Widerstandsmeßbrücke eingeschaltet. Die Fig. 2 stellt
ein Ausführungsbeispiel einer solchen Brücke mit der Stromquelle 14 dar. Die Meßbrücke
ist mit dem Strom- bzw. Spannungsmeßgerät 10 und eventuell mit den Widerständen
11, 12 und 13 beschaltet. In einer Abwandlung dieser Meßbrücke können die Teile
2 und 11 ausgetauscht sein.
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In F i g. 3 ist die Widerstandsdifferenz R1 - R2 in der Ordinate
qualitativ in Abhängigkeit vom Ort x (z. B. Iängs der Pfeilrichtung in F i g. 1)
des magnetischen Körpers 4 aufgetragen. Die Kurve 16 entspricht dem Fall der F i
g. 1, wobei die Widerstandsdifferenz bei einer Bewegung des Körpers 4 gemessen ist.
Die Kurve kann mit einer Schaltung nach F i g. 2 aufgenommen sein. Die Tiefe des
Minimums in Kurve 16 sowie ob diese Kurve überhaupt ein Minimum besitzt hängt unter
anderem vom Verhältnis des Abstandes der Feldplatten 1 und 2 zur Größe des magnetischen
Körpers 4 ab.
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Die folgenden Figuren zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Feldsonden.
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Es können in allen Fällen zwei Feldplatten oder eine einzige mit Mittelabgriff
verwendet werden.
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Die Fig. 4 stellt eine Feldsonde dar, auf deren beide Halbleiterhälften
27 und 28 des auf den Trägern 29 liegenden Halbleiterkörpers 30 zwar absolut gleich
große konstante Magnetfelder des Magneten 31 einwirken, jedoch ist der Fluß durch
die eine Hälfte entgegengesetzt zum Fluß durch die andere Hälfte gerichtet. Die
Magnetisierung des Magnets 31 verläuft in der eingezeichneten NS-Richtung. Der Halbleiterkörper
30 besitzt die Endanschlüsse 33 und 34 und den Mittelabgriff 35. Mit dieser Feldsonde
kann z. B. der Ort bzw. die Ortsveränderung des Körpers 36 bestimmt werden. Das
Feld des Körpers 36, der in der eingezeichneten Pfeilrichtung magnetisiert ist,
durchsetzt beide Halb-
leiterhälften 27 und 28 gleichsinnig, und es ergibt sich ein
etwa doppelt so großes Signal wie in einem Fall, bei dem beide Halbleiterhälften
gleichsinnig vormagnetisiert sind.
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Die Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, die beiden Feldplattenhälften
37 und 38 gegensinnig mit Hilfe eines Magnets 39, der in Pfeilrichtung (N-S) magnetisiert
ist, vorzumagnetisieren. Dabei wird der magnetische Kreis aus den Körpern 40, 41
und 42, z. B. Ferritplatten, gebildet.
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Die Halbleiterkörper der erfindungsgemäßen Feldplatten sollen möglichst
stark magnetfeldabhängigen Widerstand haben. Als Halbleitersubstanzen eignen sich
unter anderem die bekannten AIIIBv-Materialien, wie Indiumantimonid oder Indiumarsenid,
aus der III. und V. Gruppe des Periodensystems der Elemente.
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Man erhält eine besonders starke Magnetfeldabhängigkeit, wenn beispielsweise
im Indiumantimonid parallel zueinander ausgerichtete, nadelförmige Einschlüsse aus
Nickelantimonid eingebettet sind. Andererseits können auf dem Halbleiter auch parallele
Streifen aus gut leitendem Material, wie Silber, Kupfer oder Indium, aufgebracht
sein. Für ein und denselben Halbleiterkörper erhält man die stärkste Magnetfeldabhängigkeit,
wenn die Einschlüsse bzw.
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Streifen, das einwirkende Magnetfeld und der den Halbleiter durchfließende
elektrische Strom senkrecht zueinander ausgerichtet sind.