宽动态范围磁强计的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明通常涉及用于执行宽动态范围磁场测量的方法、系统及装置，以及这些方 法、系统及装置在例如磁电设备（诸如磁场传感器和电流传感器）中的应用。
【背景技术】
[0002] 虽然许多技术目前可用于磁场测量，但是存在非常少的可靠测量低磁场 (< 1 y T)和高磁场（高达几十个特斯拉）的磁强计设备的选择。在大多数情况下，可用于 测量低磁场的磁强计不能用于可靠地测量高磁场，反之亦然。若干应用需要这种测量，包括 不间断电源系统及其他设备中的非接触式电流测量。
[0003] 由于感应搜索线圈可特别设计用于不同的应用，因此感应搜索线圈是最通用的技 术。但是，此技术仅能测量AC磁场，且灵敏度随着尺寸的减小而降低。诸如电池的功率控 制、离子传输以及加速系统之类的一些应用需要在宽的磁场范围上准确测量来自流过电线 的电流的磁场或来自电磁铁的磁场的能力。目前，仅能够通过使用几个互补传感器实现。
[0004] 准确的磁场测量在从导航到加速器技术和材料科学范围的广泛的领域和应用中 是必要的。在需要不接触地测量流过导体的电流以用于例如控制电池、太阳能电池或燃料 电池时，也需要这种测量。由于这些以及其他应用，限制了传感器的大小。已基于不同的物 理原理开发了许多不同的技术，诸如电磁感应、霍尔效应、核子旋进、法拉第旋转、超导量子 干涉器件（SQUID)、磁阻、巨磁阻抗以及磁通门。在各种磁场范围中获得了良好的灵敏度。但 是，在使用特定的、用于测量宽范围的磁场（从几纳特斯拉到几十特斯拉）的磁传感器时存 在挑战。例如，巨磁阻（GMR)以及各向异性磁电阻（AMR)传感器小且能够测量小磁场，但由 于磁性材料的饱和度，各设备受限于~50mT。SQUID也小，但其昂贵，且利用此技术的传感 器不能被用于测量大磁场。核子旋进也是昂贵的，不能小型化，且它们不能够测量小磁场。 体霍尔效应传感器为最常用的磁传感器，且可小型化，但它们不能测量小磁场。2D电子气霍 尔效应传感器比体霍尔效应传感器更灵敏（灵敏~10倍），但其在中等场处经历非线性特 性。
[0005] 大的磁阻器可提供测量宽范围的磁场的极好的方法。事实上，AMR、磁性隧道 结（Magnetic Tunnelling Junction，MTJ)以及GMR可以以高度灵敏度探测低磁场（低 至几个纳特斯拉）。但是，磁性材料的饱和度限制了它们对低于~0.1T的场的使用。此 外，它们会遭受磁滞效应，并且因此，如果它们不在远低于饱和场的场下操作，则会在灵 敏度方面展现大的变动。其他磁阻类型包括雪崩击穿、自旋注入磁阻（spin injection magnetoresistance)以及几何磁阻（geometrical magnetoresistance)。展现这些磁阻类 型之一的材料可用于测量高磁场（> 0. 5T)，但这些材料对于测量小磁场（< 0. 1T)不够灵 敏。例如，像位于二氧化硅（Si02)基底上的具有宽电极间隙的铁（Fe)纳米颗粒这样的纳 米结构材料具有大的正磁阻。在压铁（II，III)氧化物（Fe 304)纳米粉末中也已经观察到了 相对大的磁阻。但是，在这种情况下，源自自旋隧穿（spin-tunnelling)的磁阻和近界面磁 无序（near-interface magnetic disorder)效应以及界面边界处和近界面边界的自旋散 射效应意味着它们不能用于测量小磁场。纳米颗粒Fe :A1203薄膜已显示出在高磁场下具有 线性特性的大的正磁阻。展现出磁阻的化合物可用于测量磁场，但没有单一技术跨越从低 磁场到高磁场的宽范围。
[0006] 因此，本发明的一个目的是克服上面提到的系统的缺陷，并且提供一种具有宽动 态范围的磁传感器；和/或至少提供有用的选择。
【发明内容】
[0007] 根据本发明的一个方面，提供一种用于确定外部磁场的磁强计，所述磁强计包 括：
[0008] 磁阻材料，所述磁阻材料在所述外部磁场施加到所述磁阻材料时具有电阻响应， 所述电阻响应包括：在施加第一范围的递增外部磁场时的减小响应，以及在施加第二范围 的递增外部磁场时的增加响应；以及
[0009] 电极装置，所述电极装置联接到所述磁阻材料，用于测量所述磁阻材料对施加到 所述磁阻材料的所述外部磁场的电阻响应；以及
[0010] 一个或多个处理器，其中所述一个或多个处理器中的至少一个处理器被配置成确 定施加到所述磁阻材料的所述外部磁场是在所述第一范围中还是在所述第二范围中，并且 其中所述一个或多个处理器中的至少一个被配置成至少部分基于所述磁阻材料对所述外 部磁场的电阻响应确定所述外部磁场，并且确定所述外部磁场是在所述第一范围中还是在 所述第二范围中。
[0011] 在实施例中，所述磁阻材料展现超顺磁性，其中在大的施加磁场降低到零时存在 可忽略的剩磁。
[0012] 在实施例中，所述磁阻材料包括纳米颗粒，并且所述材料呈现负磁阻的电子自旋 极化，所述电子自旋极化源于操作温度范围上的纳米颗粒之间的自旋隧穿。在实施例中， 所述磁阻材料包括从以下组成的组中选择的纳米颗粒：铁，镍，钴，铁、镍和钴的合金和氧化 物，以及室温下显示铁磁性的铁、镍和钴的混合物。在实施例中，所述磁阻材料包括铁磁铁 氧体的纳米颗粒。在实施例中，所述铁磁铁氧体从由ZnFe 204、BaFe1209以及Ni Q.5ZnQ.5Fe20 4组 成的组中选择。
[0013] 在另一实施例中，所述磁强计包括薄膜，所述薄膜包括所述磁阻材料。在一个实施 例中，所述纳米颗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。在实施例 中，所述薄膜包括二氧化硅以及铁纳米颗粒。在实施例中，所述磁阻材料包含通过离子注入 和电子束退火制作的位于二氧化娃（Si0 2)上的表面铁（Fe)纳米簇。
[0014] 在另外或可替代的实施例中，所述磁强计包括薄膜、厚膜、体纳米组合物和/或压 粉的叠层，所述叠层包括所述磁阻材料。
[0015] 在实施例中，所述磁阻材料是包括嵌入到半导体基质中的电子自旋极化纳米颗粒 和非金属纳米颗粒的组合物。在所述半导体基质中，电子自旋极化纳米颗粒之间的低场下 的负自旋相关隧穿与非金属纳米颗粒的正几何磁阻竞争。最终结果是低场的负磁阻以及 随着递增的高场的磁场而增加的磁阻。在实施例中，所述电子自旋极化纳米颗粒是铁（II， III)氧化物（Fe 304)。在实施例中，所述非金属纳米颗粒是银（Ag)。在实施例中，所述半导 体基质是氧化错（A1 203)。
[0016] 在实施例中，所述电极装置包括两个电极。在可替代的实施例中，所述电极装置包 括四个电极。
[0017] 在实施例中，所述磁强计包括霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器与所述一个 或多个处理器中的至少一个处理器电通信。在实施例中，所述霍尔效应传感器与所述磁阻 材料物理分离。在实施例中，所述霍尔效应传感器与所述磁阻材料集成。在实施例中，所述 霍尔效应传感器被配置成响应于施加到所述磁阻材料的所述外部磁场而生成电压。在实施 例中，所述至少一个处理器被配置成在所述霍尔效应传感器生成的电压小于阈值时，确定 所述外部磁场在所述第一范围中，并且在所述霍尔效应传感器生成的电压超过阈值时，确 定所述外部磁场在所述第二范围中。在可替代的实施例中，所述至少一个处理器被配置成 在所述霍尔效应传感器生成的电压小于阈值时，确定所述外部磁场在所述第二范围中，并 且在所述霍尔效应传感器生成的电压超过阈值时，确定所述外部磁场在所述第一范围中。
[0018] 在实施例中，所述磁阻材料具有非欧姆特性，该非欧姆特性是通过所述磁阻材料 的电流的范围为施加到所述磁阻材料上的电压的非线性函数的特性。在实施例中，所述磁 阻材料具有非欧姆特性，并且所述一个或多个处理器中的所述至少一个处理器被配置成确 定来自所述磁阻材料的非欧姆信号，其中所述至少一个处理器被配置成使用所述非欧姆信 号确定施加到所述磁阻材料的所述外部磁场在所述第一范围中还是在所述第二范围中。在 实施例中，所述至少一个处理器被配置成至少部分基于两个不同电流下所述磁阻材料上的 电压差，确定所述外部磁场。在可替代的实施例中，所述至少一个处理器被配置成至少部分 基于施加到所述磁阻材料的导致AC电压的AC电流成分，确定所述外部磁场。在实施例中， 使用所述电极装置针对第一电流Ii测量第一电压Vi，以及使用所述电极装置针对第二电流 1 2测量第二电压V 2。在实施例中，所述至少一个处理器被配置成使用下面的等式计算施加 所述第一电流和所述第二电流时的磁阻之差AMR:
[0019] A MR = V: (B) /Vi (0) -V2 (B) /V2 (0)
[0020] 其中，VJP V 2分别是针对电流I i和电流I 2所测量的电压，V i⑶和V2⑶是所述 外部磁场B施加到所述磁阻材料时所测量的电压，并且'(0)和％(0)是没有外部磁场施加 到所述磁阻材料时所测量的电压。
[0021] 在实施例中，在所述磁阻之差A MR大于阈值A MRSwitdl时，所述至少一个处理器被 配置成确定所述外部磁场在磁场的所述第二范围中，并且在所述磁阻之差AMR小于或等 于阈值AMR Switc;h时，所述至少一个处理器被配置成确定所述外部磁场在磁场的所述第一范 围中。在可替代的实施例中，在所述磁阻之差AMR大于阈值AMR Switdl时，所述至少一个处 理器被配置成确定所述外部磁场在磁场的所述第一范围中，并且在所述磁阻之差AMR小 于或等于阈值AMR Switc;h时，所述至少一个处理器被配置成确定所述外部磁场在磁场的所述 第二范围中。
[0022] 在实施例中，控制磁源适于以第一频率对所述磁阻材料施加AC磁场，所述AC磁场 与所述外部磁场交互以在所述磁阻材料上产生具有AC成分的最终电压，其中所述至少一 个处理器被配置成基于所述AC成分，确定施加到所述磁阻材料的所述外部磁场