寬動(dòng)態(tài)范圍磁強(qiáng)計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通常涉及用于執(zhí)行寬動(dòng)態(tài)范圍磁場(chǎng)測(cè)量的方法、系統(tǒng)及裝置，以及這些方 法、系統(tǒng)及裝置在例如磁電設(shè)備（諸如磁場(chǎng)傳感器和電流傳感器）中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 雖然許多技術(shù)目前可用于磁場(chǎng)測(cè)量，但是存在非常少的可靠測(cè)量低磁場(chǎng) (< 1 y T)和高磁場(chǎng)（高達(dá)幾十個(gè)特斯拉）的磁強(qiáng)計(jì)設(shè)備的選擇。在大多數(shù)情況下，可用于 測(cè)量低磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)不能用于可靠地測(cè)量高磁場(chǎng)，反之亦然。若干應(yīng)用需要這種測(cè)量，包括 不間斷電源系統(tǒng)及其他設(shè)備中的非接觸式電流測(cè)量。
[0003] 由于感應(yīng)搜索線圈可特別設(shè)計(jì)用于不同的應(yīng)用，因此感應(yīng)搜索線圈是最通用的技 術(shù)。但是，此技術(shù)僅能測(cè)量AC磁場(chǎng)，且靈敏度隨著尺寸的減小而降低。諸如電池的功率控 制、離子傳輸以及加速系統(tǒng)之類的一些應(yīng)用需要在寬的磁場(chǎng)范圍上準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)自流過(guò)電線 的電流的磁場(chǎng)或來(lái)自電磁鐵的磁場(chǎng)的能力。目前，僅能夠通過(guò)使用幾個(gè)互補(bǔ)傳感器實(shí)現(xiàn)。
[0004] 準(zhǔn)確的磁場(chǎng)測(cè)量在從導(dǎo)航到加速器技術(shù)和材料科學(xué)范圍的廣泛的領(lǐng)域和應(yīng)用中 是必要的。在需要不接觸地測(cè)量流過(guò)導(dǎo)體的電流以用于例如控制電池、太陽(yáng)能電池或燃料 電池時(shí)，也需要這種測(cè)量。由于這些以及其他應(yīng)用，限制了傳感器的大小。已基于不同的物 理原理開(kāi)發(fā)了許多不同的技術(shù)，諸如電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、核子旋進(jìn)、法拉第旋轉(zhuǎn)、超導(dǎo)量子 干涉器件（SQUID)、磁阻、巨磁阻抗以及磁通門。在各種磁場(chǎng)范圍中獲得了良好的靈敏度。但 是，在使用特定的、用于測(cè)量寬范圍的磁場(chǎng)（從幾納特斯拉到幾十特斯拉）的磁傳感器時(shí)存 在挑戰(zhàn)。例如，巨磁阻（GMR)以及各向異性磁電阻（AMR)傳感器小且能夠測(cè)量小磁場(chǎng)，但由 于磁性材料的飽和度，各設(shè)備受限于~50mT。SQUID也小，但其昂貴，且利用此技術(shù)的傳感 器不能被用于測(cè)量大磁場(chǎng)。核子旋進(jìn)也是昂貴的，不能小型化，且它們不能夠測(cè)量小磁場(chǎng)。 體霍爾效應(yīng)傳感器為最常用的磁傳感器，且可小型化，但它們不能測(cè)量小磁場(chǎng)。2D電子氣霍 爾效應(yīng)傳感器比體霍爾效應(yīng)傳感器更靈敏（靈敏~(yú)10倍），但其在中等場(chǎng)處經(jīng)歷非線性特 性。
[0005] 大的磁阻器可提供測(cè)量寬范圍的磁場(chǎng)的極好的方法。事實(shí)上，AMR、磁性隧道 結(jié)（Magnetic Tunnelling Junction，MTJ)以及GMR可以以高度靈敏度探測(cè)低磁場(chǎng)（低 至幾個(gè)納特斯拉）。但是，磁性材料的飽和度限制了它們對(duì)低于~0.1T的場(chǎng)的使用。此 外，它們會(huì)遭受磁滯效應(yīng)，并且因此，如果它們不在遠(yuǎn)低于飽和場(chǎng)的場(chǎng)下操作，則會(huì)在靈 敏度方面展現(xiàn)大的變動(dòng)。其他磁阻類型包括雪崩擊穿、自旋注入磁阻（spin injection magnetoresistance)以及幾何磁阻（geometrical magnetoresistance)。展現(xiàn)這些磁阻類 型之一的材料可用于測(cè)量高磁場(chǎng)（> 0. 5T)，但這些材料對(duì)于測(cè)量小磁場(chǎng)（< 0. 1T)不夠靈 敏。例如，像位于二氧化硅（Si02)基底上的具有寬電極間隙的鐵（Fe)納米顆粒這樣的納 米結(jié)構(gòu)材料具有大的正磁阻。在壓鐵（II，III)氧化物（Fe 304)納米粉末中也已經(jīng)觀察到了 相對(duì)大的磁阻。但是，在這種情況下，源自自旋隧穿（spin-tunnelling)的磁阻和近界面磁 無(wú)序（near-interface magnetic disorder)效應(yīng)以及界面邊界處和近界面邊界的自旋散 射效應(yīng)意味著它們不能用于測(cè)量小磁場(chǎng)。納米顆粒Fe :A1203薄膜已顯示出在高磁場(chǎng)下具有 線性特性的大的正磁阻。展現(xiàn)出磁阻的化合物可用于測(cè)量磁場(chǎng)，但沒(méi)有單一技術(shù)跨越從低 磁場(chǎng)到高磁場(chǎng)的寬范圍。
[0006] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是克服上面提到的系統(tǒng)的缺陷，并且提供一種具有寬動(dòng) 態(tài)范圍的磁傳感器；和/或至少提供有用的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于確定外部磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)，所述磁強(qiáng)計(jì)包 括：
[0008] 磁阻材料，所述磁阻材料在所述外部磁場(chǎng)施加到所述磁阻材料時(shí)具有電阻響應(yīng)， 所述電阻響應(yīng)包括：在施加第一范圍的遞增外部磁場(chǎng)時(shí)的減小響應(yīng)，以及在施加第二范圍 的遞增外部磁場(chǎng)時(shí)的增加響應(yīng)；以及
[0009] 電極裝置，所述電極裝置聯(lián)接到所述磁阻材料，用于測(cè)量所述磁阻材料對(duì)施加到 所述磁阻材料的所述外部磁場(chǎng)的電阻響應(yīng)；以及
[0010] 一個(gè)或多個(gè)處理器，其中所述一個(gè)或多個(gè)處理器中的至少一個(gè)處理器被配置成確 定施加到所述磁阻材料的所述外部磁場(chǎng)是在所述第一范圍中還是在所述第二范圍中，并且 其中所述一個(gè)或多個(gè)處理器中的至少一個(gè)被配置成至少部分基于所述磁阻材料對(duì)所述外 部磁場(chǎng)的電阻響應(yīng)確定所述外部磁場(chǎng)，并且確定所述外部磁場(chǎng)是在所述第一范圍中還是在 所述第二范圍中。
[0011] 在實(shí)施例中，所述磁阻材料展現(xiàn)超順磁性，其中在大的施加磁場(chǎng)降低到零時(shí)存在 可忽略的剩磁。
[0012] 在實(shí)施例中，所述磁阻材料包括納米顆粒，并且所述材料呈現(xiàn)負(fù)磁阻的電子自旋 極化，所述電子自旋極化源于操作溫度范圍上的納米顆粒之間的自旋隧穿。在實(shí)施例中， 所述磁阻材料包括從以下組成的組中選擇的納米顆粒：鐵，鎳，鈷，鐵、鎳和鈷的合金和氧化 物，以及室溫下顯示鐵磁性的鐵、鎳和鈷的混合物。在實(shí)施例中，所述磁阻材料包括鐵磁鐵 氧體的納米顆粒。在實(shí)施例中，所述鐵磁鐵氧體從由ZnFe 204、BaFe1209以及Ni Q.5ZnQ.5Fe20 4組 成的組中選擇。
[0013] 在另一實(shí)施例中，所述磁強(qiáng)計(jì)包括薄膜，所述薄膜包括所述磁阻材料。在一個(gè)實(shí)施 例中，所述納米顆粒合成到薄膜的基底的表面上或嵌入到薄膜的基底的表面中。在實(shí)施例 中，所述薄膜包括二氧化硅以及鐵納米顆粒。在實(shí)施例中，所述磁阻材料包含通過(guò)離子注入 和電子束退火制作的位于二氧化娃（Si0 2)上的表面鐵（Fe)納米簇。
[0014] 在另外或可替代的實(shí)施例中，所述磁強(qiáng)計(jì)包括薄膜、厚膜、體納米組合物和/或壓 粉的疊層，所述疊層包括所述磁阻材料。
[0015] 在實(shí)施例中，所述磁阻材料是包括嵌入到半導(dǎo)體基質(zhì)中的電子自旋極化納米顆粒 和非金屬納米顆粒的組合物。在所述半導(dǎo)體基質(zhì)中，電子自旋極化納米顆粒之間的低場(chǎng)下 的負(fù)自旋相關(guān)隧穿與非金屬納米顆粒的正幾何磁阻競(jìng)爭(zhēng)。最終結(jié)果是低場(chǎng)的負(fù)磁阻以及 隨著遞增的高場(chǎng)的磁場(chǎng)而增加的磁阻。在實(shí)施例中，所述電子自旋極化納米顆粒是鐵（II， III)氧化物（Fe 304)。在實(shí)施例中，所述非金屬納米顆粒是銀（Ag)。在實(shí)施例中，所述半導(dǎo) 體基質(zhì)是氧化錯(cuò)（A1 203)。
[0016] 在實(shí)施例中，所述電極裝置包括兩個(gè)電極。在可替代的實(shí)施例中，所述電極裝置包 括四個(gè)電極。
[0017] 在實(shí)施例中，所述磁強(qiáng)計(jì)包括霍爾效應(yīng)傳感器，所述霍爾效應(yīng)傳感器與所述一個(gè) 或多個(gè)處理器中的至少一個(gè)處理器電通信。在實(shí)施例中，所述霍爾效應(yīng)傳感器與所述磁阻 材料物理分離。在實(shí)施例中，所述霍爾效應(yīng)傳感器與所述磁阻材料集成。在實(shí)施例中，所述 霍爾效應(yīng)傳感器被配置成響應(yīng)于施加到所述磁阻材料的所述外部磁場(chǎng)而生成電壓。在實(shí)施 例中，所述至少一個(gè)處理器被配置成在所述霍爾效應(yīng)傳感器生成的電壓小于閾值時(shí)，確定 所述外部磁場(chǎng)在所述第一范圍中，并且在所述霍爾效應(yīng)傳感器生成的電壓超過(guò)閾值時(shí)，確 定所述外部磁場(chǎng)在所述第二范圍中。在可替代的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)處理器被配置成 在所述霍爾效應(yīng)傳感器生成的電壓小于閾值時(shí)，確定所述外部磁場(chǎng)在所述第二范圍中，并 且在所述霍爾效應(yīng)傳感器生成的電壓超過(guò)閾值時(shí)，確定所述外部磁場(chǎng)在所述第一范圍中。
[0018] 在實(shí)施例中，所述磁阻材料具有非歐姆特性，該非歐姆特性是通過(guò)所述磁阻材料 的電流的范圍為施加到所述磁阻材料上的電壓的非線性函數(shù)的特性。在實(shí)施例中，所述磁 阻材料具有非歐姆特性，并且所述一個(gè)或多個(gè)處理器中的所述至少一個(gè)處理器被配置成確 定來(lái)自所述磁阻材料的非歐姆信號(hào)，其中所述至少一個(gè)處理器被配置成使用所述非歐姆信 號(hào)確定施加到所述磁阻材料的所述外部磁場(chǎng)在所述第一范圍中還是在所述第二范圍中。在 實(shí)施例中，所述至少一個(gè)處理器被配置成至少部分基于兩個(gè)不同電流下所述磁阻材料上的 電壓差，確定所述外部磁場(chǎng)。在可替代的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)處理器被配置成至少部分 基于施加到所述磁阻材料的導(dǎo)致AC電壓的AC電流成分，確定所述外部磁場(chǎng)。在實(shí)施例中， 使用所述電極裝置針對(duì)第一電流Ii測(cè)量第一電壓Vi，以及使用所述電極裝置針對(duì)第二電流 1 2測(cè)量第二電壓V 2。在實(shí)施例中，所述至少一個(gè)處理器被配置成使用下面的等式計(jì)算施加 所述第一電流和所述第二電流時(shí)的磁阻之差A(yù)MR:
[0019] A MR = V: (B) /Vi (0) -V2 (B) /V2 (0)
[0020] 其中，VJP V 2分別是針對(duì)電流I i和電流I 2所測(cè)量的電壓，V i⑶和V2⑶是所述 外部磁場(chǎng)B施加到所述磁阻材料時(shí)所測(cè)量的電壓，并且'(0)和％(0)是沒(méi)有外部磁場(chǎng)施加 到所述磁阻材料時(shí)所測(cè)量的電壓。
[0021] 在實(shí)施例中，在所述磁阻之差A(yù) MR大于閾值A(chǔ) MRSwitdl時(shí)，所述至少一個(gè)處理器被 配置成確定所述外部磁場(chǎng)在磁場(chǎng)的所述第二范圍中，并且在所述磁阻之差A(yù)MR小于或等 于閾值A(chǔ)MR Switc;h時(shí)，所述至少一個(gè)處理器被配置成確定所述外部磁場(chǎng)在磁場(chǎng)的所述第一范 圍中。在可替代的實(shí)施例中，在所述磁阻之差A(yù)MR大于閾值A(chǔ)MR Switdl時(shí)，所述至少一個(gè)處 理器被配置成確定所述外部磁場(chǎng)在磁場(chǎng)的所述第一范圍中，并且在所述磁阻之差A(yù)MR小 于或等于閾值A(chǔ)MR Switc;h時(shí)，所述至少一個(gè)處理器被配置成確定所述外部磁場(chǎng)在磁場(chǎng)的所述 第二范圍中。
[0022] 在實(shí)施例中，控制磁源適于以第一頻率對(duì)所述磁阻材料施加AC磁場(chǎng)，所述AC磁場(chǎng) 與所述外部磁場(chǎng)交互以在所述磁阻材料上產(chǎn)生具有AC成分的最終電壓，其中所述至少一 個(gè)處理器被配置成基于所述AC成分，確定施加到所述磁阻材料的所述外部磁場(chǎng)