Устройство для измерения магнитного поля

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1798 А 9) 5 0 01 В 33/00 НОЕ ПАТЕНТНОЕССРССР) ГОСУДАРСТВ ВЕДОМСТВО ГОСПАТЕНТ БРЕТЕНИНУ ИСАНИЕ(54) УСТРО НИТНОГО (57) Исполь ной техник ройство со изобретени - последов позволяет ния за счет магнитной Я ИЗМЕРЕНИЯ МАГИСТВО ДЛ ПОЛЯ зование: в об и. Сущностьдержит датчия является со ательное илирасширить об обеспечения индукции. 1 з ласти измеритель- изобретения; устки, Особенностью единение датчиков параллельное, что ласть использоваизмерения модуля п,ф-лы, 4 ил,ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(56) Мцсеаг 1 пз 1 гоп)емз апд Мейодз, 19105, М 1, с. 97 - 101. Известен датчик магнитного поля, описанный в (Афанасьев Ю.П. Средства измерений параметров магнитного поля. Л. 1979), содержащий три магниточувствительных элемента(феррозонда), которые расположе-. ны 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 последовательное электрическое соединение, На фиг.3 - показаны экспериментальные зависимости выходно. го сигнала устройства с магниторезистивными 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 эле- ментами из антимонида индия.Рассмотрим конструкцию устройства. Оно содержит три одинаковых магниторезистивных элемента, один из которых изображен на фиг.1; Магниторезистивная область с 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 каждо-ъ го элемента ортогонально одинаковым с ним ребрам двух других магниторезистив- ) ных элементов, Изображенные на фиг,2 магниторезистивнь)е элементы соединены . последовательно, Возможно также и параллельное их соединение, Магниторезистивные области могут быть изготовлены путем Ф нанесения оммических контактов на полупроводниковые образцы или сформированы в канале МДП-транзистора. аДля измерения модуля магнитной индукции устройство следует поместить в маг. нитное поле и измерять его сопротивление, Под действием магнитного поля сопротивление магниторезистивных элементов изменяется, причем так, что полное сопротивление устройства не зависит от направления агнитного поля, При этом дляодного магниторезистора, выполненного из полупроводникового материала с изотропным эффектом магнитосопротивления, можно записать Вайсс Г, Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение, М., "Энергия", 1974.:где В - сопротивление магниторезистивного элемента; дй - его изменение в магнитном поле; В 1 - компоненты вектора магнитной индукции 6 в системе координат, связанной с магниторезистором; а,р, у. - коэффициенты, зависящие от материала и геометрии магниторезистивной области, . Как видно, сопротивление имеет квадратич. ную зависимость от компонент вектора В. Учитывая, что магниторезистивные элементы расположены в пространстве как показано на фиг,2, для них можно записать:дЯ 1/Я 1 = аВх +/3 Ву+ у Вг,дй 2/Я 2= а Ву, +ф Вг. + у ВхМз/Вз= авг+Р Вх+ у ВуЗдесь индексы 1; 2 и 3 использованы для нумерации магниторезистивных элементов. Поскольку элементы соединены последовательно, изменение сопротивления всего устройства равно сумме изменений сопротивлений его элементов. Учитывая, что магниторезистивные элементы одинаковы, т.е, В 1= Вг = нз, получаем:дКЯ =( африку )(Вх + Ву + Вг ) ==( ау )В.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 можнотакже определять величину модуля индукции;До/а (а+Р+ у) В 2Все вышеприведенные выкладки сделаны для магниторезистивных элементов, выполненных из полупроводникового материала с изотропным эффектом магнитосопротивления (например, из антимонида индия).В случае применения полупроводнико- вого материала кубической сингонии магнитосопротивления неизотропен и в общем виде описывается уравнением Зейтца10 15 ЯСмит Р. Полупроводники. М"Мир", 1982). В этом случае все приведенные выкладки верны только в том случае, если ребра магйиторезистивной области ориентированы вдоль осей 100 полупроводникового материала кубической сингонии, Таким образом, при изготовлении магнитОрезистивного элемента из полупроводникового материала кубической сингонии, необходимо ориентировать ребра магниторезистора вдоль указанных кристаллографических осей,Магниторезистивные. элементы были выполнены из германия и-типа и имели форму, приведенную на фиг.1, длиной а = 2 мм, шириной Ь = 7 мм и толщиной с = 0,5 мм. Удельное сопротивление материала = 10 Омсм. Магниторезистивные элементы были наток силой 1 А, а падение напряжения на трех последовательно включенных магниторезисторах измерялось прибором В 7-34 А в режиме вольтметра. Резул ьтаты и риведен ы на фиг.4. При этом измеренное значение модуля индукции магнитного поля с точностью до 3% не зависело от ориентации датчика в магнитном 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 45 50 тельных элемента, которые выполнены в виде прямоугольных магниторезисторов из 55 полупроводникового материала с изотропным эффектом магнитосопротивления или из полупроводникового материала кубической сингонии с анизотропнь 1 м эффектом магнитосопротивления так, что ребра ориентированы вдоль осей 100 кристалла, и коклеены на куб из фторопласта, как показано 20 на фиг.2. Сопротивление устройства измерялось прибором В 7-34 А в режиме омметра. Полное сопротивление трех последовательно включенных магниторезисторов составляло 132 Ом в отсутствие маг нитного поля, В магнитном полесопротивление изменялось с коэффициентом 20 Ом/Тл . Измеренное значение модуля индукции магнитного поля В с точностью до 2 процентов не зависело от ориентации 30 вектора индукции (см.фиг,З).Кроме того, макет предлагаемого устройства был выполнен на магниторезисторах, иаготовленных из а.нтимонида индия п-типа, сопротивлением около 20 миллиОм 35 каждый, Магниторезисторы имели размерысоответственно а=2 мм, Ь =8 мм, с=0,5 мм.Через устройство пропускался постоянныйторые размещены в пространстве взаимно перпендикулярно друг относительно друга, и измерительный блок, о т л и ч а ю щ е е с я. тем, что, с целью расширения области испол ьзования путем обеспечения измерения модуля магнитной индукции, магниточувствительные элементы соединены последовательно, а измерительный блок выполнен в виде измерителя сопротивления.2. Устройство по п.1, отл и ча ю щеес я тем, что магниточувствительные элементы соединены параллельно, а измерительный блок выполнен в виде измерителя проводимости.1798744 тл,ага Угол Составитель А.СырйхРедактор Н,Козлова . ТехредМ.Моргентал Корректор О,Густи Закаэ 771 . Тираж . Подписное ВЙИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Проиаеодотеенно.издательокий комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 бО 120 18Ягод пп 3 орпаа З ,3