磁阻材料优选地特征在于：
[0060] ?磁阻性能，其中电阻最初减小，然后随着施加磁场增加而增加；以及
[0061] ?超顺磁性，在大的施加磁场减小到零时存在可以忽略的剩磁。
[0062] 参照图4,使用电极装置测量的磁阻材料上的电压％ (B)是施加的磁场B的函数， 该磁场B施加到磁阻材料。最初VJB)随着递增的外部磁场B而减小，直至磁翻转场Bswitc;h， 此后，VJB)随着递增的磁场而增加。磁场从0T到B switc;h的范围是磁场的较低范围gy而磁 场从Bswitdl向上的范围是磁场的较高范围8"。因此，针对某些范围的磁场，VJB)的测量结 果对应于两个可能的磁场，且这取决于B是大于还是小于B switdl，如图5中所示。可通过确 定B是大于还是小于Bswitdl来确定实际的磁场。
[0063] 包括高渗透性超顺磁磁阻材料的磁强计具有可忽略的磁滞以及可忽略的剩余磁 化。因此，磁强计可暴露于非常高的磁场，而不损坏或不需要消磁，这是GRM、AMR以及MTJ 传感器要求的。为了低磁场感应，磁强计可在没有附加偏置场的情况下操作。这与GMR和 AMR传感器相反，针对GMR和AMR传感器，施加的磁场的精确且可重复的测量是需要偏置场 的。此外，施加的磁场下磁阻的改变也允许中等磁场到大磁场的测量，这在使用被设计用于 测量小磁场时的GMR、AMR以及MTJ传感器的情况下是不可能的。
[0064] 在一个实施例中，磁阻材料展现超顺磁性，在大的施加磁场降低到零时，存在可以 忽略的顽磁。在一个实施例中，磁阻材料包括纳米颗粒，且材料呈现负磁阻的电子自旋极 化，其源自操作温度范围上的纳米颗粒之间的自旋隧穿。在一个实施例中，磁阻材料包括从 以下组中选择的纳米颗粒：铁、镍、钴、它们的合金和氧化物、以及室温下显示铁磁性的铁、 镍和钴的混合物。在一个实施例中，磁阻材料包括铁磁铁氧体的纳米颗粒。在一个实施例 中，铁磁铁氧体是从由ZnFe204、BaFe1209以及NiQ.5ZnQ.5Fe204组成的组中选择的。
[0065] 在另一个实施例中，磁强计包括薄膜，薄膜包括磁阻材料。在一个实施中，纳米颗 粒合成到薄膜的基底表面上或嵌入到薄膜的基底表面中。在一个实施例中，薄膜包括二氧 化硅以及铁纳米颗粒。
[0066] 在一些实施例中，磁强计可另外或可替代地包括薄膜、厚膜、体纳米组合物和/或 压粉的叠层，该叠层包括磁阻材料。
[0067] 在本发明的一些实施例中，通过在二氧化硅（Si02)基底中注入铁（Fe)离子、随后 进行电子束退火的方式合成磁阻材料。在这些实施例中，B switdl在0. 1和2T之间，且可检测 的场的范围是从小于100 U T到8T。在优选的实施例中，Bswiteh在0. 8和1. 5T之间，且可检 测的场的范围是从20 y T到8T。
[0068] 在一些实施例中，且为了允许宽动态范围磁阻的测量，电极之间的间隙1远小于 电极的尺寸aXb。在一个实施例中，1的范围从0. 05到0. 2mm，且a和b的范围从1到4mm。 在一些实施例中，薄膜是80到500nm厚。在优选的实施例中，薄膜是400nm厚，且纳米结构 区位于表面上，且深度达30nm。
[0069] 对宽动态范围磁强计举例
[0070] 下面的说明描述图1中所示的宽动态范围磁强计的制造。
[0071] 使用离子注入以及电子束退火制造磁性材料，该磁性材料包括均匀分布在硅基底 上的lOmmXIOmm二氧化娃中的铁纳米簇。用15keV的能量以及1X10 16离子cm_2的能量密 度注入铁原子，然后在l〇〇〇°C下电子束退火一个小时。从该材料切割8_X4mm的样品。
[0072] 通过使用高真空气相沉积在该材料的两端上沉积2nm厚钛层，然后是20nm厚的铝 层来制造两个电触点。电极尺寸是1 = 0. 06mm且a = b = 4mm。钛层用于增强错和磁性材 料之间的粘附和电接触。为了增强磁性材料和触点之间的电导性，在大约300°C对触点退火 30分钟。
[0073] 以市售的具有稳定的电流发生器的电子转移测量工具测试转换器，该电流发生器 具有各种电流和校准的精密电磁铁。测试转换器遭受不同的施加磁场。磁性材料在外部场 的宽范围（0T到8T)上显示出大的灵敏度。如图3中所示，针对I =-1.5mA，响应显示两个 走向，一个在低的磁场且高达约〇. 8T，另一个在约0. 8T到8T以上的高的磁场。图3示出针 对I = -1. 5mA的磁阻以及针对I = -0. 07mA的磁阻的非欧姆特性。
[0074] 图2中提供的一种可替代的配置，包括使用诸如SI或AsGa的半导体基底208,半 导体基底208部分地被纳米结构的磁阻薄膜202覆盖。为了在表面上形成磁纳米结构，可 通过沉积绝缘体，然后离子注入及电子束退火，来制造纳米结构的薄膜。可使用标准沉积技 术（诸如化学气相沉积、等离子气相沉积、或离子束溅射沉积）通过掩膜沉积该膜。裸露的 半导体可用于霍尔效应测量。范德堡（Van der pauw)几何形状中的四个金属触点210沉 积在裸露的半导体上，且两个金属触点沉积在纳米结构薄膜上。可使用如上面所描述的同 样的沉积技术。通过两个相对的触点（G，巧）送入激励电流，且测量（)上的电 压。在恒定的激励电流下，霍尔效应引起电压随着外部施加的磁场线性改变。两个金属触 点（204)用于在施加的磁场下测量磁阻薄膜的电阻。间隙和膜尺寸类似于上面针对图1中 所示的实施例描述的那些间隙和膜尺寸。
[0075] 上面描述的可替代的结构可使磁场能够用更好的空间精度级别来确定。
[0076] 外部磁场的确定
[0077] 伸用霍尔效应传感器
[0078] 在一个实施例中，磁强计包括两个分开的传感器（如图1中所示）或集成的传感 器（如图2中所示）。传感器包括磁阻材料以及霍尔效应传感器。电流施加到薄膜电 极，且使用电极装置测量电压L(B)。在一个实施例中，电流I H施加到霍尔效应传感器并且 测量电压％?)。可使用来自霍尔效应传感器的电压VH(B)确定外部磁场，如图6中所示， 该电压是施加的磁场的线性函数。针对低磁场&，霍尔效应传感器对准确检测施加的磁场 不足够灵敏。如果％比￥ 11，^^高（见图6)，那么￥1(8)对应于曲线￥1出）的较高磁场§11， 反之亦然，其中，较高磁场B是提供同样的磁阻测量结果的两个磁场强度中较高的磁场。
[0079]可通过测量磁场整个范围的磁阻响应确定VH，switc;h阈值。通过如图4中所示的V1 的初始校准测量来确定\switdl，也能据此确定BSwitdl。根据图6中所示的霍尔效应传感器校 准数据，实际确定的B Switdl可用于确定VH，switah。
[0080] 图7中示出流程图，该流程图示出由至少一个处理器使用霍尔效应传感器来确定 外部磁场的算法。至少一个处理器确定是否的第一步，对Vi (B)是否是单值（在该 值，磁场实质上高，电压不对应于较低磁场范围中的值）进行确定，在该情况下，磁场B在较 高磁场范围g u(Vi)中。如果VJB)不是单值的，则至少一个处理器被配置成通过将来自霍 尔效应传感器的电压￥11和￥ 11，_。11阈值进行比较，来确定外部磁场是在较低磁场范围^内， 还是在较高磁场范围gu内。
[0081] 伸用磁阳材料的非欧姆特件
[0082] 在一种可替代的实施例中，磁强计包括具有电极装置的薄膜磁阻材料，且不包括 霍尔效应传感器。在这样的情况下，一个或多个处理器中的至少一个被配置成使用磁阻薄 膜的非欧姆特性确定磁场。在该实施例中，针对电流Ii测量电压V i，针对电流12测量电压 V2。使用电极装置测量电压。可根据膜的非欧姆特性确定翻转场。如图3中所示，可使用施 加的电流测量磁阻。图8中标绘了两个不同的电流^和1 2的磁阻中的结果差异，I 1mA 且I2= 0. 5mA。AMRSwiteh是在B = B Switeh时的磁阻，可使用作为外部磁场B的函数的AMR 的校准测量确定。因此，如果八|?大于八|?^^(如图8中所示），那么，￥ 1(8)对应于￥1?) 曲线的较大B，反之亦然。根据测量的电压，使用下面的等式容易确定AMR:
[0083] A MR = V: (B)/Y,(0) -V2 (B) /V2 (0)
[0084] 其中，VJP 别是针对电流I i和电流I 2所测量的电压。V i⑶和VJB)是外部 磁场B施加到磁阻材料时所测量的电压，且'(0)和％(0)是没有外部磁场施加到磁阻材料 时所测量的电压。
[0085] 图9示出由处理器中的至少一个使用的算法的流程图，该算法用于使用磁阻材料 的非欧姆特性以及如图8中所示的两个不同电流下的电压来确定外部磁场。至少一个处理 器被配置成通过将两个电流下的磁阻之差AMR与AMR Switdl阈值进行比较，确定外部磁场 是在较低磁场范围内还是在较高磁场范围gu内。
[0086] 伸用单独的AC磁场
[0087] 在一种可替代的实施例中，磁强计包括薄膜，该薄膜包括磁阻材料，且不包括霍尔 效应传感器。使用电极装置针对电流Ii测量电压Vi (I)。磁强计包括控制磁场源，该控制 磁场源被配置成施加小的AC磁场Bpin (2 Jr ft)，其中&是幅度，f是频率，t是时间。如果 Bm较小，那么，在施加磁场B ^时，最终检测电压将是：
[0088]
[0089] 且因此，检测的AC电压振幅将是：
[0090]
[0091] 甲囹不J
VAC，仕甲酡够看到，BSwiteh可定义为V AC(BQ) = 0的磁场。图10 中的曲线是使用现象拟合函数（phenomenological fitting function) |V」=MQexp(_B/ I\) + a f a #+ a 2B2 (图4中所述的虚线）对图4中的数据的导数拟合获得的。因此，