Beschreibung

Messverfahren und Messvorrichtung mit einem Hall-Element

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Messvorrichtung mit einem Hall-Element.

Elektromagnetische Wechselfelder üben eine Vielzahl von Einflüssen auf biologische Vorgänge aus. Beispielhaft können so- genannte Spherics herangezogen werden, die von starken Wetterstörungen, wie Gewittern, Wetterfronten oder konvektiven Bewölkungsformen ausgehen. Spherics-Signale sind elektromagnetische Signale in Form von unregelmäßigen Strahlungspulsen, die von dynamischen Prozessen in der Atmosphäre hervor- gerufen werden. Einzelne Parameter der Spherics-Signale, wie Anzahl, Amplitude, Frequenz oder Pulsfolgefrequenz, Häufigkeitsverteilungen auf Frequenzwerte und Signalformen sind eng mit den sie auslösenden Wettervorgängen verknüpft. Typische Pulsdauern von Spherics-Signalen liegen im Bereich von eini- gen 100 μs und typische Frequenzen sind zwischen 2 kHz und

100 kHz angesiedelt. Die Impulsfolgefrequenz kann bis zu einigen 100 Hz betragen. Die maximale Amplitude der Spherics- Signale hängt von der Art und Entfernung der Signalquelle ab und beträgt für den elektrischen Feldvektor bis zu einigen Volt 'pro Meter. Die typischen Entladungsstromstärken sind kleiner als 1 kA, so dass die effektive Reichweite maximal etwa 50 km beträgt. Der für die Wirksamkeit auf einen biologischen Prozess oder Organismus relevante Strahlungsbereich liegt also in einem Nahbereich um die Strahlungsquelle, d.h. innerhalb einer Größenordnung, die einer Wellenlänge entspricht. Aus physikalischen Gründen können solche Strahlungsquellen daher nicht gepeilt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren und eine Messvorrichtung anzugeben, mit denen beispielsweise auf biologische Vorgänge wirksame Strahlung einfach detektiert werden kann.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Messverfahren gelöst, bei dem ein Sensor einem elektrischen Wechselfeld mit einer ersten Frequenz und einem magnetischen Wechselfeld mit einer zweiten Frequenz ausge- setzt wird und am Sensor ein unter Ausnutzung des Hall- Effekts auftretendes Signal mit einer von der ersten Frequenz unterschiedlichen Signalfrequenz oder mit einer von dem elektrischen Wechselfeld verschiedenen Phase abgegriffen und verarbeitet wird. Es können auf einfache Weise Effekte erfasst werden, die aus einer kombinierten Wirkung des elektrischen mit dem magnetischen Wechselfelds hervorgehen. Außerdem kön ^¬ nen Materialeigenschaften einer interessierenden Probe untersucht werden.

Die Erfindung geht hierbei von der überlegung aus, dass freie Ladungsträger in einem Material, an das eine elektrische Spannung angelegt wird, entsprechend beschleunigt werden. Wird ein Wechselfeld angelegt, oszillieren die Ladungsträger. Dies gilt in idealisierter Form, wenn die Ladungsträger frei beweglich sind und nicht durch eine begrenzte freie Weglänge im Material in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind. Durch geeignete Materialien, wie z.B. Halbleitermaterialien, in denen Ladungsträger wie Elektronen eine große freie Weglänge haben, kann dieses Ideal angenähert werden. Die aus der Beschleunigung der Ladungsträger resultierende Geschwindigkeit der Ladungsträger entspricht dem Integral der Beschleunigung, so dass die Geschwindigkeit der Ladungsträger im eingeschwungenen Zustand um 90° versetzt zur angelegten Spannung ist. Durch das angelegte magnetische Wechselfeld werden die beschleunigten Ladungsträger entsprechend ihrer Geschwindigkeit und ihrem Winkel zum Magnetfeld zusätzlich gemäß dem Hall-Effekt beschleunigt.

Durch die auf die Ladungsträger wirkenden Felder entspricht die dadurch hervorgerufene Gesamtbeschleunigung einer Multiplikation der Felder. Das von den beschleunigten Ladungsträgern erzeugte Signal entspricht daher einer Multiplikation der Signale des elektrischen und magnetischen Wechselfelds

und kann einen Aufschluss über das Zusammenwirken dieser Felder geben. Durch das Auswerten des Multiplikationssignals können Informationen über die biologische Wirksamkeit der zusammenwirkenden Felder gewonnen werden. Zusätzlich können In- formationen über das die Ladungsträger beherbergende Material gewonnen werden.

Die freie Weglänge von Ladungsträgern in einer Kristallstruktur oder amorphen Struktur ist begrenzt und sehr unterschied- lieh in verschiedenen Materialien. Je größer die mittlere freie Weglänge ist, desto besser ist das Material für eine Polarisationsmessung geeignet, oder geeignet, eine Multiplikation von Signalen in einem großen Amplituden- und Frequenzbereich durchführen zu können. Bei konstant gehaltenen Ampli- tuden des elektrischen und magnetischen Wechselfelds ist zu erwarten, dass eine Signalmultiplikation erst oberhalb einer Grenzfrequenz linear wird, ab der die Auslenkung der Ladungsträger kleiner ist als die mittlere freie Weglänge. Zweckmäßigerweise wird eine Multiplikation daher mit einer ersten Frequenz durchgeführt, bei der die Auslenkung der Ladungsträger kleiner ist als die mittlere freie Weglänge. Außerdem ist die Amplitude des magnetischen Wechselfelds vorteilhafterweise so klein, dass die freien Ladungsträger durch den Hall- Effekt bei einer Schwingungsperiode nur einen kleinen Teil eines Kreissegments von höchstens 30°, insbesondere höchstens 15° durchlaufen, um zu einer hohen Polarisierung bzw. einer zumindest im Wesentlichen linearen Multiplikation von Signalen zu kommen.

Eine Verarbeitung des Signals kann eine Verwendung für weitere Verfahrensschritte und/oder eine Ausgabe des Signals oder eines daraus resultierenden Ergebnisses sein. Zweckmäßigerweise bilden die erste und zweite Frequenz in einem Quotienten eine ganze Zahl, wobei insbesondere die erste und zweite Frequenz gleich sind, die Zahl also 1 ist. Hierdurch kann eine besonders große Polarisation von Ladungsträgern im Sensor erreicht werden. Bei einem Abgreifen und Verarbeiten eines Signals, das eine Signalfrequenz aufweist, die gleich der er-

sten Frequenz ist, kann der Hall-Effekt zur Phasenverschiebung verwendet werden und auf diese Weise der Sensor als ein sehr einfach herstellbares Phasenschiebeglied verwendet werden. Ist die Signalfrequenz von der ersten Frequenz verschie- den, kann die Phase des verarbeiteten Signals gleich der des elektrischen Felds bzw. dessen Signal oder unterschiedlich zu diesem sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Messverfahren ein Verfahren zur Polarisationsmessung. Eine Polarisation kann hierbei eine aus der Wirkung des elektrischen und des magnetischen Wechselfelds resultierende Ladungstrennung der Ladungsträger sein. Die Polarisation kann aus dem Signal bestimmt werden, beispielsweise indem am Sen- sor ein Gleichspannung gemessen wird, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu den beiden Feldern. Das verarbeitete Signal ist in diesem Falle ein Gleichspannungssignal.

In der Regel wird eine Polarisation in biologischem Material durch das Vorhandensein des Erdmagnetfelds verhindert. Durch das Erdmagnetfeld vollführen die Ladungsträger, auch bei ansonsten polarisierenden Wechselfeldbedingungen, bedingt durch den Hall-Effekt meist Kreisbewegungen, die eine Ladungstrennung verhindern. Schwingen das elektrische und magnetische Wechselfeld jedoch mit einer sehr hohen Frequenz, beispielsweise über 1 MHz, so reicht die durch den Hall-Effekt hervorgerufene Ablenkung im Erdmagnetfeld nicht für Kreisbahnen aus und die Ladungsträger oszillieren auf nur kleinen, gekrümmten Bahnabschnitten. Hierdurch kann eine Polarisation quer zu den Bahnabschnitten hervorgerufen werden, die in der Natur nicht oder nur selten, beispielsweise durch Spherics hervprgerufen, vorkommt. Eine solche unnatürliche Polarisation kann jedoch durch künstliche Strahlung, beispielsweise zur Informationsübertragung, gehäuft in biologischem Material bzw. Lebewesen auftreten. Solche Bedingungen können gesundheitsschädlich sein. Mit dem oben beschriebenen vorteilhaften Verfahren können solche Polarisationen aufgespürt werden.

Ein besonders ausgeprägtes Multiplikationssignal kann am Sensor erfasst werden, wenn das elektrische und das magnetische Wechselfeld in einem Winkel zwischen 60° und 120° zueinander stehen. Bei dieser Ausgestaltung kann eine effektive Polari- sation erzielt werden, die zu einem ausgeprägten Gleichspannungssignal führen kann. Vorteilhafterweise stehen das elek ^¬ trische und das magnetische Wechselfeld senkrecht zueinander, wodurch die. effektivste Polarisation erzielt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen das elektrische und das magnetische Wechselfeld Komponenten auf, die in einem Phasenwinkel zwischen 60° und 120° zueinander stehen. Hierdurch sind die Geschwindigkeit der Ladungsträger und das magnetische Wechselfeld in einem Bereich von 30° in Phase zueinander, wodurch eine gute Hall-Beschleunigung der

Ladungsträger durch das magnetische Wechselfeld erreicht werden kann. Je weiter die Geschwindigkeit der Ladungsträger und das magnetische Wechselfeld in Phase sind, desto besser ist die Beschleunigung, weshalb die Komponenten vorzugsweise ei- nen Phasenwinkel von zumindest im Wesentlichen 90° aufweisen.

Es wird außerdem vorgeschlagen, dass die verarbeitete Signalfrequenz ein Multiplikationsprodukt der ersten und zweiten Frequenz ist. Es ist eine Multiplikation von Wechselsignalen mit einfachen Mitteln erreichbar und ohne beispielsweise

Glieder zur Phasenverschiebung von Signalen oder dergleichen. Die Multiplikation kann eine in der Signaltechnik bekannte analoge Vierquadranten-Multiplikation sein. Werden für beide Eingangssignale das gleiche Ursprungssignal verwendet, so kann auf einfache Weise eine Quadrierung des Ursprungssignals vorgenommen werden, wobei die entstehenden Komponenten durch am Sensor abgegriffene Signale unabhängig voneinander ausgewertet werden können. Eine Komponente kann in diesem Fall ein Signal mit der zweifachen ersten Frequenz sein und eine zwei- te Komponente kann eine entstehende Gleichspannung sein. Eine weitere Komponente kann, beispielsweise bei amplitudenmodulierten Eingangssignalen, im Niederfrequenzbereich liegen und insbesondere zur Demodulation verwendet werden. Zweckmäßiger-

weise ist hierfür das verarbeitet Signal ein niederfrequenter Anteil eines Multiplikationsprodukts aus Signalen der Wechselfelder. Der niederfrequente Anteil weist hierbei eine Frequenz auf, die niedriger als die erste Frequenz und niedriger als die zweite Frequenz ist. Der Vorteil der Signalmultiplikation liegt in der Einfachheit der Vorrichtung und dem großen nutzbaren Frequenzbereich. Die Multiplikation kann eine Multiplikation des Signals der Geschwindigkeit der Ladungsträger und des magnetischen Wechselfelds sein. Wird das Ver- fahren beispielsweise allein zur Multiplikation verwendet, so kann die Messung des Messverfahrens in der Signalbearbeitung bestehen und das Messverfahren kann auch als Signalerzeugungsverfahren bzw. Verfahren zur Multiplikation von Signalen bezeichnet werden.

Bei konstant gehaltenen Amplituden des elektrischen und magnetischen Wechselfelds ist zu erwarten, dass eine Signalmultiplikation erst oberhalb einer Grenzfrequenz linear wird, ab der die Auslenkung der Ladungsträger kleiner ist als die mittlere freie Weglänge.

Wie oben kurz erwähnt, kann das Messverfahren auch zur Bestimmung einer Materialeigenschaft verwendet werden. Der Sensor kann hierbei eine Probe des Materials selbst sein, die das Messsignal erzeugt, beispielsweise ein Festkörper, eine Flüssigkeit, eine Suspension oder dergleichen. Hierbei wird aus dem Signal eine Materialeigenschaft des Sensors bestimmt, beispielsweise eine mittlere freie Weglänge von Ladungsträgern im Material. Ein mögliches Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften kann vorgenommen werden, indem man das magnetische Wechselfeld in seiner Stärke ansteigen lässt, und dabei eine Gleichspannung an der Probe misst, die ein Maß für eine Polarisierung ist. Bei ansteigendem Magnetfeld kann die zunächst vorhandene Gleichspannung verschwinden und dann ihr Vorzeichen umkehren, wieder verschwinden und wieder das Vorzeichen umkehren und so fort. Die Magnetfeldstärken, an denen die Polarisierungsspannung verschwindet, sind abhängig von der Frequenz des magnetischen Wechselfelds und von der in der

Probe bzw. dem Sensor erzeugten Feldstärke und sind charakteristisch für verschiedene Materialien. Die Probe bzw. der Sensor kann ein Festkörper, ein Fluid, ein amorpher Körper, ein Gel oder dergleichen sein.

Die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, insbesondere durch eine Messvorrichtung mit einem Hall-Element, einem das Hall-Element umge- benden, elektrisch abschirmenden Gehäuse, einem Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfelds mit einer ersten Frequenz im Gehäuse, mit Signalabgriffen zum Abgreifen eines senkrecht zum elektrischen Feld im Hall-Element entstehenden Signals und einem Auswertemittel zur Auswertung einer von der ersten Frequenz verschiedenen Signalfrequenz oder mit einer von dem elektrischen Wechselfeld verschiedenen Phase. Es können mit einfachen Mitteln Effekte erfasst werden, die aus einer kombinierten Wirkung des elektrischen mit einem magnetischen Wechselfeld hervorgehen. Außerdem können Materialeigen- schaften des verwendeten Hall-Elements untersucht werden.

Das elektrische Wechselfeld ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass es das Hall-Element mit zumindest im Wesentlichen geraden Feldlinien durchtritt. Das Auswertemittel kann eine für die Signalfrequenz geeignete Auswerteelektronik sein. Um unerwünschten Wechselwirkungen des im Gehäuse erzeugten elektrischen Wechselfelds mit dem Gehäuse entgegenzuwirken, ist die elektrische Abschirmung des Gehäuses vorteilhafterweise mit einem Wirbelströme hemmenden Mittel ausge- führt. Unerwünschte Ströme im Gehäusematerial können zumindest klein gehalten und hierdurch hervorgerufene störende Magnetfelder zumindest weitgehend vermieden werden. Das Wirbelströme hemmende Mittel kann Sintermetall enthalten oder beispielsweise aus einer Fischgrätenabschirmung bestehen.

Weist das Gehäuse eine Magnetfeldabschirmung auf, so kann das Hall-Element gegen unerwünschte äußere Magnetfelder zumindest weitgehend abgeschirmt werden. Als Messmagnetfeld wird hier-

bei zweckmäßigerweise ein Magnetfeld innerhalb des Gehäuses erzeugt. Hierfür kann die Messvorrichtung ein Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds umfassen, insbesondere zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds. Vorteilhafterweise schirmt die Magnetfeldabschirmung das Hall-Element von allen Richtungen magnetisch ab. Die Magnetfeldabschirmung kann passiv sein, beispielsweise in Form einer Schicht aus sogenanntem Mü-Metall, oder aktiv sein, beispielsweise in Form eines Kompensationsmittels zur Erzeugung eines Kompensationsmagnet- felds zur Kompensation eines äußeren Magnetfelds. Zweckmäßigerweise umfasst das Kompensationsmittel hierbei eine elektronische Kompensationsregelung, wodurch ein äußeres Magnetfeld zuverlässig von dem als Sensor oder Probe dienenden Hall-Element ferngehalten werden kann.

Ein schwaches Gleichspannungssignal kann zuverlässig an dem Sensor bzw. dem Hall-Element abgegriffen und erkannt werden, wenn die Messvorrichtung eine Abgleichschaltung zur Kompensation einer unerwünschten Spannung an Signalabgriffen auf- weist. Die Gleichspannung kann vor einer Messung auf Null eingestellt und eine Veränderung während einer Messung zuverlässig erfasst werden.

Mit Hilfe eines Temperiermittels zur Temperierung des HaIl- Elements können Materialeigenschaften des Hall-Elements bzw. der Probe in -Abhängigkeit von der Temperatur der Probe erfasst werden, beispielsweise indem eine Messung bei unterschiedlich eingestellten Temperaturen der Probe durchgeführt wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messvorrichtung vorteilhafterweise ein Abgleichmittel zur Kompensation eines Eingangssignals im abgegriffenen Signal. Eine Störung des abgegriffenen Signals durch eine ungewünsch- te Störung durch ein direktes Signal des elektrischen Wechselfelds kann vermieden werden und ein schwaches abgegriffenes Signal kann detektierbar sein.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Sensor in einem elektrischen und magnetischen

Wechselfeld,

Fig. 2 ein Diagramm der Amplituden der Felder, Fig. 3 ein Diagramm der Geschwindigkeit von Ladungsträgern im Sensor und der Kraft auf die Ladungsträger,

Fig. 4 ein Diagramm der Bewegung der Ladungsträger im Sensor,

Fig . 5 ein Diagramm zur Auswertung von Signalen,

Fig . 6 einen weiteren Sensor mit einer,

FFiigg.. 77 einen alternativen Sensor, insbesondere für zirkulär polarisierte Felder,

Fig . 8 eine Messvorrichtung zum Messen von Materialeigenschaften und

Fig . 9 ein Ersatzschaltbild eines Signalabgleichs mit ei- nem Abgleichmittel.

Fig. 1 zeigt einen als Scheibe in einer Zylinderform ausgeführten Sensor 2, ein 10 Ohm NTC-Widerstand aus dotiertem Halbleitermaterial Galliumarsenid, in dem Elektronen als La- dungsträger eine große freie Weglänge von mehreren 100 nm bei Raumtemperatur aufweisen. Ein solcher Sensor 2 kann wegen der großen freien Weglänge der Ladungsträger als Hall-Sensor bezeichnet werden. Ist eine besonders hohe Messempfindlichkeit von Bedeutung, sind als alternatives Sensormaterial GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen gut geeignet. An der Schichtgrenze zwischen GaAs und AlGaAs bildet sich ein zweidimensionales leitendes Elektronengas aus. Die Elektronen darin sind hochbeweglich und haben eine mittlere freie Weglänge von mehreren μm. Besonders geeignet ist außerdem n-dotiertes Indium- Antimonit (InSb) . Der Sensor 2 ist einem elektrischen Wechselfeld E, das in der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems 4 oszilliert, und einem magnetischen Wechselfeld B, das in der y-Achse des Koordinatensystems 4 oszilliert, aus-

gesetzt. Zur Verstärkung des elektrischen Wechselfelds E um- fasst der Sensor 2 zwei gegenüberliegende Antennen 6, die elektrisch mit dem Halbleitermaterial des Sensors 2 verbunden sind. Zusätzlich umfasst der Sensor 2 zwei in z-Richtung ge- genüberliegende Signalabgriffe 8, die ebenfalls mit dem Halbleitermaterial verbunden sind. Die Signalabgriffe 8 sind senkrecht zu den beiden Wechselfeldern E und B ausgerichtet.

In Fig. 2 sind die relativen Amplituden A der beiden Wechsel- felder E, B gegen die Zeit t in Einheiten der Schwingungsdauer aufgetragen. Die beiden Wechselfelder E, B stehen in einem Phasenwinkel von 90° bzw. π/2 zueinander, wobei das elektrische Wechselfeld E eine viertel Schwingungsperiode zeitlich vor dem magnetischen Wechselfeld B schwingt.

Das elektrische Wechselfeld E durchdringt den Sensor 2 und übt eine Kraft auf die Ladungsträger darin aus, die nach den Gegebenheiten des Festkörpers durch diese Kraft beschleunigt werden. Die resultierende Geschwindigkeit v der Ladungsträger im Sensor 2 ist in Fig. 3 in einem Diagramm über die Zeit dargestellt. Sie entspricht - bei idealisierter Betrachtung, also bei ungebremster Bewegungsfreiheit und ohne Stöße am Kristallgitter - dem Integral der Beschleunigung, so dass die Geschwindigkeit v der Ladungsträger im eingeschwungenen Zu- stand bei einem sinusförmigen elektrischen Wechselfeld E ebenfalls sinusförmig ist und in der Phase um π/2 zeitlich hinter dem elektrischen Wechselfeld E bzw. einer an den Sensor 2 angelegten Spannung verschoben ist.

Durch diese Geschwindigkeit v übt das magnetische Wechselfeld B gemäß dem Hall-Effekt eine Kraft F auf die Ladungsträger auf, die senkrecht zum magnetischen Wechselfeld B und senkrecht zur Geschwindigkeit v, also senkrecht zum elektrischen Wechselfeld E und somit in z-Richtung, wirkt. Diese Kraft F, die im Diagramm in Fig. 3 ebenfalls dargestellt ist, ist ein Multiplikationsprodukt der Wechselfelder E, B bzw. des Wechselfelds B mit der Geschwindigkeit v und ist beim dargestellten Beispiel, bei dem die Wechselfelder E, B um π/2 zueinan-

der phasenverschoben sind, stets positiv. Sie wirkt daher nur in die positive z-Richtung und ist mit einer Signalfrequenz f _s behaftet, die doppelt so hoch ist wie die Frequenz f _E des elektrischen Wechselfelds E - und auch die Frequenz f _B des magnetischen Wechselfelds B, wobei gilt: f _s = f∑ + fß- Durch die Pulsierung der Kraft auf die Ladungsträger kann an den Signalabgriffen 8 ein Signal mit der Signalfrequenz f _s abgegriffen werden.

Fig. 4 zeigt die idealisierte Bewegung der Ladungsträger im Sensor 2 in x-Richtung durch das elektrische Wechselfeld E und in z-Richtung durch die Wechselwirkung der Bewegung der Ladungsträger mit dem magnetischen Wechselfeld B. Bedingt durch die in z-Richtung stets positive Kraft F werden die La- dungsträger in z-Richtung beschleunigt. Hierdurch wird eine Ladungstrennung im Sensor 2 bewirkt bzw. eine Polarisation, die eine Gleichspannung an den Signalabgriffen 8 bewirkt. Diese Gleichspannung kann als erstes Multiplikationsprodukt der beiden Wechselfelder E, B, bzw. des magnetischen Wechsel- felds B mit der durch das elektrische Wechselfeld E bewirkten Bewegung der Ladungsträger abgegriffen und ausgewertet werden. Das Multiplikationsprodukt weist eine Signalfrequenz f _s auf, für die gilt: f _s = f _E ~ f _B = 0.

Zur Messung einer polarisierenden Feldwechselwirkung wird der Sensor 2, wie in Fig. 1 dargestellt, in die beiden Wechselfelder E, B eingebracht und es werden beide Signale der Multiplikation oder nur eines davon an den Signalabgriffen 8 abgenommen und ausgewertet, beispielsweise indem eine Gleich- spannungsstärke und/oder eine Signalfrequenz f _s angezeigt wird. Besonders vorteilhaft ist eine Aufzeichnung einer Gleichspannung über die Zeit und einer zusätzlichen Aufzeichnung der Signalfrequenz f _s und der Amplitude des zur Gleichspannung zugehörigen Hochfrequenzsignals mit der Signalfre- quenz f _s . Aus der Gleichspannungsstärke, die einer Polarisation entspricht, die durch die Wechselwirkung der beiden Wechselfelder E, B hervorgerufen wird, kann auf die Stärke geschlossen werden, mit der die Wechselfelder E, B z.B. bio-

logisches Material mit beweglichen Ladungsträgern beeinflussen .

Aus der Signalfrequenz f _s des Hochfrequenzsignals kann auf eine Entfernung einer Quelle der beiden Wechselfelder E, B zum Sensor 2 geschlossen werden. Fig. 5 zeigt in einem Diagramm einen Zusammenhang zwischen der Signalfrequenz f _s und der Entfernung. Ausgehend von der Theorie des elektrischen Dipols sind die beiden Wechselfelder E, B in einer weiten Entfernung von der Quelle in Phase zueinander. Hierbei tritt keine Polarisation der Ladungsträger auf, da diese durch den Hall-Effekt in positive und negative z-Richtung abgelenkt werden und in der Summe um einen Ruhepunkt schwingen. Nur in der Nähe der Quelle sind die beiden Wechselfelder E, B - so- fern ungestört - mit einem Phasenversatz von 60° bis 120° behaftet, der eine deutliche Polarisation bewirkt. Wird angenommen, dass eine deutliche Polarisation innerhalb eines Radius von 1/10 der Wellenlänge des elektrischen Felds E auftritt, so tritt diese Polarisation nur unterhalb der in Fig. 5 dargestellten Linie auf. Wird beispielsweise eine Polarisation mit einem zugehörigen Signal mit der Signalfrequenz f _s von 1 kHz erfasst, so kann daraus geschlossen werden, dass die Quelle in einer maximalen Entfernung von 30 km sein muss.

Ein Sensor 10, mit dem ein auch nur schwaches Gleichspannungssignal gemessen werden kann, ist in Fig. 6 dargestellt. Der Sensor 10 umfasst eine Schicht 12 aus einem Halbleitermaterial, der beidseitig mit einer Metallschicht 14 versehen ist. Diese beiden Metallschichten 14 sind jeweils durch Un- terbrechungen 16 in Segmente 18, 20 unterteilt, die durch

Halbleitermaterial voneinander getrennt sind. An allen Segmenten 18 oder nur an Segmenten 18 an einer Seite des Sensors 10 sind Antennen 22 elektrisch leitend befestigt. An den Segmenten 20 sind Signalabgriffe 24 elektrisch leitend befe- stigt. Der Widerstand zwischen den Signalabgriffen 24 wurde auf 50 Ohm abgeglichen, was vorteilhaft für Hochfrequenzmessungen ist. Der Widerstand zwischen den Antennen 22 wurde auf

240 Ohm eingestellt, was vorteilhaft für die Anpassung eines Faltdipols ist.

Wie in Fig. 6 gezeigt, werden nun die Antennen 22 mit einem externen Signal, beispielsweise einer Gleichspannung, beaufschlagt und ein resultierendes Signal wird an den Signalabgriffen 24 erfasst. So lange die Signalabgriffe 24 mit einem Signal auf das externe Signal reagieren, ist die Lage oder Größe der Segmente 18, 20 zu verändern, bis das resultierende Signal verschwindet. Auf diese Weise kann mit einfachsten Mitteln eine Verringerung der angelegten Gleichspannung an den Signalabgriffen 24 um beispielsweise den Faktor 100.000 erreicht werden, was einer Dämpfung von 100 dB entspricht. Nun ist der Sensor 10 abgeglichen und zu Messung bereit. Er wird in ein externes elektrisches und magnetisches Wechselfeld E, B eingebracht und resultierende Signale mit Signalfrequenzen F ₅ werden durch ein entsprechendes Auswertemittel erfasst und angezeigt oder verarbeitet.

Die Antennen 6, 22 der Sensoren 2, 10 weisen zwar den Vorteil auf, dass sie das elektrische Wechselfeld E im Sensor 2, 10 verstärken, sie legen jedoch die Richtung des Sensors 2, 10 relativ zum elektrischen Wechselfeld E fest. Ist -diese Richtung unbekannt, so ist ein in Fig. 7 gezeigter Sensor 26 von Vorteil, der zumindest in zwei Dimensionen symmetrisch ausgeführt ist. So lange die Ebene einer Halbleiterschicht 28 des Sensors 26 in Richtung der Wechselfelder E, B ausgerichtet ist, kann an Signalabgriffen 30 das resultierende Multiplikationssignal erfasst werden.

Eine Messvorrichtung 32 zur Bestimmung von Materialeigenschaften und/oder zu einer Signalmultiplikation ist in Fig. 8 dargestellt. Die Messvorrichtung 32 umfasst ein Mittel 34 zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfelds E durch eine als Hall-Element 36 ausgeführte Probe bzw. Sensor, mit dem die

Frequenz f _E des elektrischen Wechselfelds E, dessen Amplitude A _E und ein Phasenwinkel φ einstellbar ist, mit der das elektrische Wechselfeld E verschoben zu einem magnetischen Wech-

selfeld B ist, das von einem Mittel 38 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds B erzeugt wird.

Zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Wechselfelds E um- fasst das Mittel 34 vier metallische Platten 40, die jeweils paarweise relativ zum Hall-Element 36 gegenüber angeordnet sind und paarweise mit einer Spannung beaufschlagt werden können. Das Mittel 38 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds B weist drei Spulen 42 an jeweils einem Anschluss 44 auf, wobei in Fig. 8 der übersichtlichkeit halber nur eine der Spulen 42 dargestellt ist. Die Spulen 42 sind so zueinander angeordnet, dass das jeweils von ihnen erzeugte Magnetfeld senkrecht zu den beiden anderen Magnetfeldern steht. Auf diese Weise kann durch eine Kombination der drei Magnetfelder ein Magnetfeld in einer beliebigen Richtung durch die Probe erreicht werden und es kann ein äußeres Magnetfeld, beispielsweise das Erdmagnetfeld, kompensiert werden, so dass kein störendes Magnetfeld oder magnetisches Wechselfeld das Hall-Element 36 durchfließt.

Zur Abschirmung eines ungewünschten elektrischen Felds um- fasst die Messvorrichtung 32 ein elektrisch abschirmendes Gehäuse 46 z.B. in Form einer Fischgrätenabschirmung, die einer unerwünschten Erzeugung eines Magnetfelds oder magnetischen Wechselfelds durch ein elektrisches Feld bzw. Wechselfeld entgegenwirkt. Ein Auswertemittel 48 ist mit Signalabgriffen 50 am Hall-Sensor 36 verbunden und ist zur Auswertung eines Gleichspannungssignals oder eines Signals mit einer Signal- freguenz f _s vorgesehen, die von einer Frequenz F _E , F _B eines erzeugten elektrischen oder magnetischen Wechselfelds E, B verschieden sein kann. Mit Hilfe eines Temperiermittels 52 kann das Hall-Elements 36 auf eine gewünschte Temperatur erwärmt oder abgekühlt werden.

Zur Kompensation eines unerwünschten Störsignals von einem erzeugten elektrischen Feld im auszuwertenden Signal umfasst das Auswertemittel 48 ein Abgleichmittel 54, dessen Ersatzschaltbild in Fig. 9 dargestellt ist. Der Hall-Sensor 36 ist

ersatzweise als Element aus vier ohmschen Widerständen 56 dargestellt. über die Signalabgriffe 50 wird das auszuwertende Signal abgegriffen, auf das ein Eingangssignal der Signalstärke Uo des elektrischen Wechselfelds E mit einer Störspan- nung U _m durchschlägt. Zur Kompensation dieser Störspannung U _m umfasst das Abgleichmittel 54 ein Potentiometer 58, mit Hilfe dessen das Auswertemittel 48 die Störspannung U _m bei nicht vorhandenem Magentfeld automatisch auf Null regelt. Auch eine manuelle Regelung ist denkbar.

Zur Bestimmung von Materialeigenschaften des Hall-Elements 36 wird zunächst das äußere, unerwünschte Magnetfeld mit Hilfe der drei Spulen 42 auf Null kompensiert. Diese aktive Magnetfeldabschirmung durch ein Kompensationsmagnetfeld wird durch eine elektronische Kompensationsregelung aufrechterhalten, die Bestandteil des Mittels 38 ist. Dann wird mit Hilfe des Mittels 38 zusätzlich ein magnetisches Wechselfeld B mit einer gewünschten Frequenz f _B und Amplitude A _B erzeugt, indem das Kompensationsgleichfeld mit dem Wechselfeld B überlagert wird. Die Richtung des magnetischen Wechselfelds B ist hierbei ebenfalls einstellbar. Zusätzlich wird mit Hilfe des Mittels 34 ein elektrisches Wechselfeld E mit einer Frequenz f _E und einer Amplitude A _E eingestellt, wobei die Frequenz f _E gleich der Frequenz f _B ist und die Richtung des elektrisches Wechselfeld E senkrecht zum magnetischen Wechselfeld B eingestellt wird. Aus dem an den Signalabgriffen 50 anliegenden Signal mit F ₃ = F _E ± F _B kann auf eine Beweglichkeit der Ladungsträger im Hall-Element 36 rückgeschlossen werden. Durch die Einstellbarkeit der Frequenzen F _E , F _B , der Amplituden _AE , A _B und der Richtungen der Wechselfelder E, B können räumliche Informationen zur Beweglichkeit und damit zur Gitter- oder Bandstruktur des Hall-Elements 36 gewonnen werden. Durch die Einstellbarkeit der Temperatur des Hall-Elements 36 können Informationen zur Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit und der Bandstruktur gewonnen werden.

Zusätzlich oder alternativ kann die Messvorrichtung 32 zur Multiplikation von Signalen nach dem wie oben beschriebenen

Verfahren verwendet werden. Hierbei ist eine Richtungsein- stellbarkeit der Wechselfelder E, B nicht notwendig, wodurch die Messvorrichtung entsprechend vereinfacht werden kann.

Ebenfalls vereinfacht werden kann die Messvorrichtung durch eine Magnetfeldabschirmung, beispielsweise indem das Gehäuse 46 nicht nur elektrisch, sondern auch magnetisch abschirmend ausgeführt ist, beispielsweise aus magnetisch abschirmendem Metall, wie Mü-Metall oder dergleichen. Hierdurch kann eine wie oben beschriebene Kompensation eines unerwünschten äußeren Magnetfelds entfallen. Außerdem birgt die magnetische Abschirmung den Vorteil, dass unerwünschte äußere magnetische Wechselfelder von der Probe ferngehalten werden, die schwer zu kompensieren sind.

Bezugs zeichenliste

2 Sensor 44 Anschluss

4 Koordinatensystem 46 Gehäuse

6 Antenne 48 Auswertemittel

8 Signalabgriff 50 Signalabgriff

10 Sensor 52 Temperiermittel

12 Schicht 54 Abgleichmittel

14 Metallschicht 56 Widerstand

16 Unterbrechung 58 Potentiometer

18 Segment E elektrisches Wechsel

20 Segment feld

22 Antenne B magnetisches Wechsel

24 Signalabgriff feld

26 Sensor V Geschwindigkeit

28 Halbleiterschicht F Kraft

30 Signalabgriff fs Signalfrequenz

32 MessVorrichtung f _E Frequenz

34 Mittel f _B Frequenz

36 Hall-Element U ₀ Signalstärke

38 Mittel u _m Störspannung

40 Platte

42 Spule