Датчик магнитной индукции с частотным выходом

 

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 ркремния 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.

(и) SU (») 1б86940 А1 (51) 5 G

С01ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ! ГСПУВДИК

ГОСУДЛРСТВЕЦИОЕ ПЛТЕrlTIIOE

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПЛТЕИТ CCCP)

ОПИСАНИЕ ИЗОЬРЕТЕНИ

К ABTOPCICOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4788942/21 (22) 05.02.90 (46) 15.12.93 Бюп. ¹ 45-46 (71) Сибирский физико-технический институт им.ВД.Кузнецова при Толедском государственнол1 университете им.В.В.Куйбышева (72) Карпова ГФ.; Гаман В.И.; Дробот П.Н; Иванова

Н.Н. (54) ДАТЧИК МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ С

ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение относится к электрическим и магнитным измерениям и предназначено дпя измерения индукции магнитного поля. Цель изобретения — повышение чувствительности и расширение динамического диапазона измерений. Цель достигается тел1, что попупроводниковый кристапп р— кремния имеющий инжектирующий и омический контакты. выполнен в виде стержня с поперечным сечениел в форме круга ипи правипьного многоугопьника с отношением радиуса круга ипи радиуса круга вписанного в многоугольник к длине стержня, равного от 0,16 до 1,6. 3 ип.

1686940

Изобретение относится к электриче.ским 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 (14х14х4) мм3 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 ((14х14х4) ммз) 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-кремний 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 вукаэанный многоугольник, а кдлине 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! образца ограничивается сверху и снизу; снизу диффузионной длинОЙ и условиями peKQMбинации носителей заряда в объеме, сверхузаданными внешними питающими напряжением U, магнитной индукцией В и параметрами материала.

При высоком уровне инжекции, это отношение имеет вид

Озтч<а< 24 К Т g (Ип +Pl) Bn U () где Оа Р амбипо,Йп 0р+Р йр Dn

ll .Pn + Р Ир лярная длина диффузии;

Ln — диффузионная длина электронов; ц — заряд электрона;

К вЂ” постоянная Больцмана;

Рп „ир — ПОДВИжНОСтЬ ЗЛЕКтРОНОВ, ДЫРОК;

Il, р — плотность электронов, дырок;

r,— объемное время жизни, Вп — пороговое магнитное поле;

Т вЂ” температура в К, Подставляя известные параметры материала в формулу (1), получим, что для используемого Р— Si и величины U =20 В отношение

0,16« — 1,6 !

На фиг,1 представлен общий вид датчи35 ка; на фиг,2 — Ого принципиальная схема; на фиг.3 — 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 подкл 1очается к полупроводниковому элементу 1 через резистор 6 в такой полярности, чтобы образованный с помощью инжектирующего контакта в теле полупроводникового кристалла р-и 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-и переход в прямом направлении, в этом кри1686940

45 сталле создается электронно-дырочная плазма. При помещении полупроводникоВого кристалла в магнитное поле (однородное, импульсное или переменное с длительностью более 100 мкс) параллельно 5 его силовым линиям, вследствие винтового движения электронов и дырок при повышении напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В выше соответствующих пороговых значений Е и В 10 возникает эффект самовоэбуждения, при котором происходят колебания тока в теле полупроводникового кристалла р-SI.

Частота этих колебаний зависит от пороговых величин Еп и Вп, поперечного раз- 15 мера кристалла а, параметров электронно-дырочной плазмы, таких как концентрация и подвижность носителей заряда, удельного сопротивления полупроводникового материала и может принимать 20 значения. от единиц до сотен килогерц.

Колебания тока в теле полупроводникового кристалла контролируются с помощью резистора 6, включенного в цепь последовательно с полупроводниковым элементом. 25

Сигнал, снимаемый с резистора 6, подается на осциллограф, с помощью которого измеряется частота f. По градуировочной кривой зависимости 1 от В (см, фиг.3) определяется индукция В. В общем случае чувствитель- 30 ность датчика и диапазон измеряемых В определяются заданным напряжением U, параметрами полупроводниковой плазмы, отношением радиуса круга, вписанного в сечение стержня, к длине этого стержня. 35

Предложенный датчик изготавливался следующим образом. Полупроводниковый

Формула изобретения

ДАТЧИК МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ С

ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ, содержащий полупроводниковый кристалл р-кремния In токовые контакты, один из которых инжектирующий, а другой - омический, отличающийся тем, что, с целью повышения кристалл выполнен иэ 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 10 Ом см. При наз пряжении 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) мм по сравнению с(14 х 14 х 4) мм, а также внешнее питающее напряжение (20 В по сравне-. нию с 200 В). Достигнутые величины внешнего питающего напряжения дали возможность использовать стандартный источ- . ник 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 E.Ã. Осциллисторный эффект в кремнии. ФТП, 1985, т.19, в.2, с.343-345. чувствительности и расширения динамического диапазона измерений, кристалл выполнен в виде стержня с поперечным сечением в форме кругг или правильного многоугольника с отношением радиуса этого круга или круга, вписанного в многоугольник, к длине стержня, выбранного иэ интервала 0,16 - 1,6.

1685940

Редактор А.Зробок

Заказ 3352

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

Производственно-издательский кол бинат "Г1атент". г. Ужгород, ул.Гагарина 101

/, Н/ц

Я2 4 тл

Составитель Л.Устинова

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Л.Филь

Тираж Подписное

НПО "Г!оиск" Роспатента