用于检测磁性材料的磁性特征的微磁力测定检测系统和方
法
背景技术
[0001] 现今，纳米尺寸的自旋交叉(SCO，Spin CrossOver)粒子受到越来越多的关注，这不但是为了在介观尺寸下探究这些材料的物理性质，还是为了开发新功能材料。直至今日，自旋转变性质的观测本质上变为对具有不同的大小和形状分布的
纳米粒子的巨大整体中磁化强度或者光学吸收的
温度依赖性的简单研究。用于单一自旋交叉(SCO)粒子测量的方法的开发适宜于
基础和应用方面，尽管此类努力迄今为止仍是不足。
[0002] 在纳米尺寸的磁性测量领域中，
现有技术的状态由微型超导量子干涉仪(micro-SQUID，micro-Superconducting Quantum Interference Device)和纳米超导量子干涉仪(nano-SQUID)为代表。这些器件能够通过将纳米粒子直接沉积在微桥约瑟夫逊结上来检测少量磁性纳米粒子或单分子磁体的反向磁化强度。
[0003] 然而，对于低噪声操作，微桥通常由诸如铌之类的低温超导材料制成。例如在物理学评论快报第86卷第20号中刊登的M·贾梅等人的题目为“Magnetic Anisotropy of a Single Cobalt Nanocluster”(单独钴纳米簇的磁
各向异性)对此类器件进行了说明。
[0004] 迄今为止，此类磁力测定检测系统的
工作温度被限制在几十开尔文温度以下。
[0005] 因此，常规的微型SQUID技术并不适合于在室温范围内研究磁化特性，特别是得到少量或单独纳米粒子的SCO材料的室温切换转换特性的精确测量值。
[0006] 现有的超灵敏SQUID检测方法存在的缺点是被用于非常低的温度下并且需要不便携且不灵活的复杂仪器。
[0007] 所提出的替代方法如以下文献中所述：
[0008] 刊登在在
传感器和
致动器B中的Sunjong Oh等人的标题为“Analytes kinetics in lateral flow membrane analyzed by cTnl monitoring using magnetic method”(通过使用磁性方法进行cTnl监视来分析的横流膜中的分析物动力学)的文章；致力于物理和化学换能器的研究与开发的化学国际组织，爱思唯尔股份公司，瑞士，第160卷，第1号，2011年8月19日，第747-752页；
[0009] 刊登在固体通信中的Sunjong Oh等人的标题为“Hybrid AMR/PHR ringsensor”(混合AMR/PHR环形传感器)的文章，培格曼出版社，大不列颠，第151卷，第18号，
2011年5月29日，第1248-1251页；
[0010]
专利申请US 2006/194327 A1；
[0011] 专利申请US 2010/231213 A1。
[0012] 一个技术问题是避免此类缺点并且提供在室温下完成测量的超灵敏磁力测定系统，该磁力测定系统不太复杂并且提供更加便携和灵活的实施。
[0013] 另外，另一技术问题是提出一种提高了灵敏度检测性能的磁力测定系统和方法，从而对传感器有源表面邻近的“单个微/纳米物体”生成的纳特斯拉或皮特斯拉场进行检测。
发明内容
[0014] 相应地，本发明涉及第一微磁力测定系统，用于对纳米或微米尺度下的极少量磁性粒子直至单个磁性粒子或单独磁性物体的存在进行检测，该系统包括：
[0015] 第一磁性混合AMR/PHR多环传感器，其具有：包括有沉积在
基板上的闭环形状的磁道的有源表面，形成了彼此面对并且与由磁性材料制成的所述闭环磁道
接触的
电流端子对的第一电流端子和第二电流端子，形成了彼此面对并与所述闭环磁道接触且从中检测到输出差分
电压Vb的电压端子对的第一电压端子和第二电压端子，与所述磁道材料的
交换偏置场方向平行并且与穿过所述第一电压端子和所述第二电压端子的第二轴垂直的、穿过所述第一电流端子和所述第二电流端子的第一轴；
[0016] 第一电流或电压源，被连接在所述第一电流端子和所述第二电流端子之间以用于向所述第一电流端子和所述第二电流端子注入电流I；
[0017] 第一电压测量器件，被连接在所述第一电压端子和所述第二电压端子之间以用于测量所述电压端子对之间的差分电压Vb；
[0018] 一组至少一个磁性粒子，沉积在所述第一磁性传感器的所述有源表面上；以及[0019] 处理单元，用于根据一组不同的测量差分电压来对表示存在至少一个沉积的磁性粒子的磁通量改变加以检测；
[0020] 所述第一AMR/PHR多环磁性传感器的所述磁道具有：
[0021] 第一臂，由所述第一磁性传感器的第一四分表面内限定的第一组预定环数为m的圆形弯曲路径制成，其中m小于18，最外的弯曲路径被连接到所述第一电流端子处并且最内的弯曲路径被连接到所述第一电压端子处，
[0022] 第二臂，由所述第一磁性传感器的第二四分表面内限定的第二组预定环数同样为m的圆形弯曲路径制成，最外的弯曲路径被连接到所述第二电流端子处并且最内的弯曲路径被连接到所述第一电压端子处，
[0023] 第三臂，由所述第一磁性传感器的第三四分表面内限定的第三组预定环数同样为m的圆形弯曲路径制成，最外的弯曲路径被连接到所述第二电流端子处并且最内的弯曲路径被连接到所述第二电压端子处，以及
[0024] 第四臂，由所述第一磁性传感器的第四四分表面内限定的第四组预定环数同样为m的圆形弯曲路径制成，最外的弯曲路径被连接到所述第一电流端子处并且最内弯曲路径被连接到所述第二电压端子处；
[0025] 所述磁道是包括
铁磁性膜及反
铁磁性膜的双层结构，或者是自旋
阀结构，或者是包括铁磁性膜、金属及反铁磁性膜的三层结构；
[0026] 其特征在于，
[0027] 所述微磁力测定系统包括用于建立磁激励场HAC的装置从而使得每个磁性粒子产生杂散
磁场，所述磁激励场HAC随时间以在10Hz至3KHz范围内的恒定
频率ω振荡；以及[0028] 待检测的磁性粒子为静止的并且靠近或者接触到所述磁道的所述有源表面；以及[0029] 由所述第一电流或电压源注入的、流经所述电流端子的所述电流I为直流电流(DC)，或者交变电流(AC)，或者直流电流和交变电流之和；以及
[0030] 所述处理单元被配置为：
[0031] 在预定温度范围内，在第一已知预定环境物理条件下，而且在关于由所述第一电流或电压源注入的所述电流和关于施加的所述磁激励场HAC的第一组已知的系统工作条件下，提供其上没有沉积任何磁性粒子的所述第一磁性传感器的本底热磁性响应的第一校准曲线；之后
[0032] 在所述第一磁性传感器上沉积有未知量的磁性粒子之后，在所述相同的第一已知预定环境物理条件下且在相同的第一组已知系统工作条件下确定差分电压测量值相对于温度变化的第二曲线，所述差分电压测量值经过或未经通过在相同的预定温度范围内改变温度而得到的并且由所述第一磁性传感器输出的一组差分电压测量值的修正，之后[0033] 确定所述第二曲线和所述第一曲线在相同的温度范围内的差值作为第三曲线；以及
[0034] 当所述第三曲线的全部电压差的绝对值保持在预定检测
阈值之上时，或者当所述第三曲线具有一其内的电压转变幅度大于所述预定检测阈值的温度区间时，检测到至少一个磁性粒子的存在，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变；
[0035] 或者，所述处理单元被配置为：
[0036] 在所述第一磁性传感器上沉积有未知量的磁性粒子之后，所述磁性粒子为可通过超出一被用作转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子，通过使所述物理特性量值在已知的预定物理条件下且在已知的系统工作条件下在所述物理特性的预定范围内变化来确定由差分电压测量值相对于所述物理特性的量值变化的第一曲线，所述差分电压测量值经过或未经过由所述第一磁性传感器获得的差分电压测量值的变化的修正；之后
[0037] 在所述物理特性量值的预定范围内确定作为所述第一曲线的下部分的拟合曲线的第二曲线，所述第一曲线的该下部分对应于包括在所述物理特性的所述预定范围内的下区间，该下区间的上限低于所述预定转换阈值；之后
[0038] 将所述物理特性的相同量值范围内所述第一曲线的差分电压和所述第二曲线的差分电压之间相对于所述转换物理特性的量值的变化确定为第三曲线；以及
[0039] 当所述第三曲线具有一其内的电压转变幅度大于预定检测阈值的转换物理特性区间时，检测到磁性粒子的存在，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变。
[0040] 根据特定
实施例，微磁力测定系统包括至少一个以下特征：
[0041] 被放置在靠近所述第一有源传感器的所述有源表面的、用于测量
环境温度的第一环境温度传感器和/或用于测量不同于环境温度的物理特性的第二
环境传感器，当温度或者不同于温度的所述物理特性高于或者低于预定转换阈值时，所述磁性粒子的磁化强度的转换被启动，
[0042] 用于控制和/或调节环境温度和/或不同于温度的物理环境特性的装置，
[0043] 用于建立磁激励场HAC的装置包括提供AC电流的第二电流源和连接到所述第二AC电流源上的至少一个线圈，所述至少一个线圈相对于所述第一磁性传感器放置以使得所述磁激励场HAC具有与所述第一轴共线的主要分量，
[0044] 用于建立磁性传感器偏置场HDC的装置从而将所述第一磁性传感器的工作点改变到最高感应区域，所述磁性传感器偏置场HDC随时间恒定并且与用于建立磁激励场HAC的装置建立的所述磁激励场HAC共线，
[0045] 其中，在穿过所述第一电流端子和所述第二电流端子的所述第一轴与磁性传感器偏置场HDC的轴线之间形成的
角α在[0°,90°]的范围内选择，以使得所述传感器的灵敏度最大，并且较优地所述角α在[15°,25°]的范围内选择，
[0046] 所述用于建立磁激励场HAC的装置为连接在所述第一电流端子和所述第二电流端子之间的电流或电压源，所述电流或电压源被配置为生成随时间以在10Hz至3KHz范围内并较优地在50Hz至150Hz范围内的恒定频率ω振荡的交变电流(AC)，
[0047] 进一步包括一与所述第一磁性混合AMR/PHR多环传感器具有相同结构的第二磁性混合AMR/PHR多环传感器，
[0048] 所述第一磁性混合AMR/PHR多环传感器和第二磁性混合AMR/PHR多环传感器在处于相同的已知物理条件下的同一基板上彼此靠近放置，以在所述传感器上没有沉积磁性粒子时测量同一磁场，
[0049] 所述第二磁性混合AMR/PHR多环传感器具有第一电流端子和第二电流端子，该第一电流端子和第二电流端子形成了与所述第一磁性混合AMR/PHR多环传感器的第一电流源并联连接并且与所述第一磁性混合AMR/PHR多环传感器共享该第一电流源的电流端子对；并且其中，
[0050] 所述微磁力测定系统被配置为：
[0051] 对由对应于第一配置的所述第一传感器获得的第一组差分电压测量值与由对应于第二配置的所述第二传感器获得的第二组差分电压测量值加以区分并提供差值曲线，在第一配置中，包含在滴下的溶液中的待检测磁性粒子被沉积在所述第一磁性传感器上并处于一组已知环境条件和系统工作设定下，在第二配置中，在同一组已知环境物理条件和系统工作设定下，所述第二传感器上没有沉积磁性粒子；以及之后
[0052] 根据差值曲线来检测至少对应于10nT的最小磁化强度场改变的突然变化。
[0053] 本发明还涉及第二微磁力测定系统，用于对纳米或微米尺度下的极少量磁性粒子直至单个磁性粒子或单独磁性物体的存在进行检测，所述微磁力测定系统包括：
[0054] 第一磁性混合AMR/PHR传感器和第二磁性混合AMR/PHR多环传感器，
[0055] 所述第一磁性混合AMR/PHR传感器具有：包括有沉积在基板上的闭环形状的磁道的有源表面，形成了彼此面对并且与由磁性材料制成的所述闭环磁道接触的电流端子对的第一电流端子和第二电流端子，形成了彼此面对并与所述闭环磁道接触且从中检测到输出差分电压Vb的电压端子对的第一电压端子和第二电压端子，与所述磁道材料的交换偏置场方向平行并且与穿过所述第一电压端子和所述第二电压端子的第二轴垂直的、穿过所述第一电流端子和所述第二电流端子的第一轴；
[0056] 其特征在于，
[0057] 所述微磁力测定系统包括第二磁性混合AMR/PHR传感器，其在处于同一已知的物理条件下的同一基板上靠近所述第二磁性混合AMR/PHR多环传感器放置以使得当所述传感器上没有沉积磁性粒子时测量同一相同磁场，
[0058] 所述第二磁性混合AMR/PHR多环传感器具有：包括有沉积在同一基板上的第二磁道的第二有源表面，形成了彼此面对并且与由磁性材料制成的所述第二磁道接触的电流端子对的第一电流端子和第二电流端子，形成了彼此面对并与所述第二磁道接触且从中检测到输出差分电压的电压端子对的第一电压端子和第二电压端子，与所述磁道材料的交换偏置场方向平行并且与穿过所述第一电压端子和所述第二电压端子的第二轴垂直的、通过所述第一电流端子和所述第二电流端子的第一轴，
[0059] 所述第一磁道和所述第二磁道具有选自十字形状、单环闭环形状和多环闭环形状的相同的形状并具有相同的层结构，
[0060] 所述第一磁道和所述第二磁道的所述层结构具有包括铁磁性膜和反铁磁性膜的双层结构，或者是
自旋阀结构，或者是包括铁磁性膜、金属以及反铁磁性膜的三层结构；
[0061] 并且其特征在于，所述微磁力测定系统包括：
[0062] 同一第一电流或电压源，连接到所述第一磁性混合AMR/PHR传感器和所述第二磁性混合AMR/PHR多环传感器上并以并联的形式为该两者提供电流I，
[0063] 第一电压测量器件，其输入端被连接到所述第一磁性混合AMR/PHR传感器和所述第二磁性混合AMR/PHR传感器的所述第一电压端子和第二电压端子上，并且被配置为确定在所述第一磁性传感器的所述电压端子处检测到的经放大的差分电压与在所述第二磁性传感器的所述电压端子处检测到的放大后的差分电压之间的差值电压；
[0064] 一组至少一个磁性粒子，沉积在所述第一磁性传感器的所述有源表面上；
[0065] 处理单元，用于根据由所述第一电压测量器件输出的一组不同的测量的差分电压来对表示存在沉积在所述第一磁性传感器上的至少一个磁性粒子的磁通量改变加以检测；
[0066] 用于建立磁激励场HAC的装置，其使得每个磁性粒子产生
杂散磁场，所述磁激励场HAC随时间以在10至3KHz范围内的恒定频率ω振荡；并且在于，
[0067] 待检测的磁性粒子或磁性物体为静止的并且被放置为仅靠近或者接触到所述第一磁道的所述有源表面；以及
[0068] 由所述第一电流或电压源注入的、流经所述电流端子的所述电流I为直流电流(DC)，或者交变电流(AC)，或者直流电流和交变电流之和。
[0069] 根据第二微磁力测定系统的一个特定实施例，其中，
[0070] 所述第二传感器上没有沉积纳米或微米尺度的磁性粒子或磁性物体，以及[0071] 所述处理单元被配置为
[0072] 在所述第一磁性传感器上沉积有未知量的磁性粒子或磁性物体之后，
[0073] 或者，
[0074] 在已知预定物理条件下，
[0075] 当作为第一差值和参考差值之间的差值的第二差值的幅度大于预定检测阈值时，检测到磁性粒子或磁性物体的存在，
[0076] 所述参考差值为在相同的已知预定物理条件下由其上不具有磁性粒子的所述第一传感器获得的第一电压测量值与由其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得的第二电压测量值之间的差值，
[0077] 所述第一差值由所述第一电压测量器件确定为由其上具有磁性粒子的所述第一传感器获得的所述第一电压测量值与其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得的所述第二电压测量值之间的差值，
[0078] 以及，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测到的最小磁化强度场改变，[0079] 或者，
[0080] 当所述磁性粒子是可通过超过一被用作转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子或磁性物体时，
[0081] 在已知预定物理条件下，通过使物理特性量值在所述物理特性的预定范围内变化，
[0082] 确定作为第一组差分电压测量值和第二组差分电压测量值之间的差值相对于所述物理特性量值变化的曲线，所述第一组电压测量值由其上具有磁性粒子的所述第一传感器获得，并且所述第二组电压测量值由其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得，并且之后
[0083] 当所述曲线具有一其内的电压转变幅度大于所述预定检测阈值的转换物理特性区间时，检测到磁性粒子或磁性物体的存在，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变。
[0084] 根据第一和第二微磁力测定系统的特定实施例，其中，所述磁性粒子包括在以下类别中：
[0085] 采用AhBk[M(CN)6]l.mH2O形式的任何可转换的分子纳米粒子，其中，A可以是Co、II III II III II IIINi、Fe等，B和M可以是各种过渡金属(Fe 、Fe 、Mn 、Mn 、fml aCo 、Co 、…)并且C为
碱金属阳离子；
[0086] 任何
顺磁性粒子；Fe2O3、Fe3O4、Fe@Fe3O4、CoFe@Fe3O4、Ni...；
[0087] 任何铁磁性粒子：Fe、CoFe、Ni；
[0088] 任何反铁磁性粒子；
[0089] 任何具有Ti/Fe多层结构的粒子、Cr、NiO、Co3O4、a-Fe2O3、CuO、MnO、Cr2O3纳米粒子；
[0090] 由
聚合物基体中的Fe3O4制成的具有球形形状且具有50nm至10μm范围内的任意大小的任何
磁珠。
[0091] 本发明还涉及一种通过微磁力测定系统实现的用于检测极少量磁性粒子的存在的第一检测方法，包括以下步骤：
[0092] 首先，在第一已知预定物理条件下的温度下，通过提供第一校准本底热噪声曲线，当所述系统包括单个第一磁性传感器时，校准所述第一传感器，或者当所述磁力测定系统包括第一磁性传感器和第二磁性传感器时，校准所述第一磁性传感器和第二磁性传感器组；之后
[0093] 将未知量的磁性粒子沉积在所述第一磁性传感器上；之后，
[0094] 在相同的第一已知预定物理条件下，通过使温度在预定的温度范围上变化，[0095] 当所述磁力测定系统包括单个第一磁性传感器时，输出作为由第一传感器获得的差分电压测量值相对于温度的变化的第二曲线，或者
[0096] 当所述磁力测定系统包括第一磁性传感器和第二磁性传感器时，输出由其上具有磁性粒子的所述第一传感器获得的第一组差分电压测量值和由其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得的第二组差分电压测量值，并且确定所述第一组差分电压测量值和所述第二组差分电压测量值之间的差值相对于温度的变化作为第二曲线；
[0097] 确定所述第二曲线的差分电压与所述第一曲线的差分电压在相同温度范围内的差值相对于温度的变化作为第三曲线；以及
[0098] 当第三曲线的电压差的绝对值保持在预定检测阈值之上或者第三曲线具有一其内电压转变幅度大于预定检测阈值的温度区间时，检测到磁性粒子的存在，预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变。
[0099] 本发明还涉及一种通过微磁力测定系统实现的用于检测极少量磁性粒子的存在的第二检测方法，包括以下步骤：
[0100] 将未知量的磁性粒子沉积在所述第一磁性传感器上，所述磁性粒子为可通过超过一被用作转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子，之后
[0101] 在下一步骤中，在已知预定物理条件下，通过使所述物理特性量值在所述物理特性的预定范围内变化，
[0102] 当所述磁力测定系统包括单个第一磁性传感器时，将所述第一传感器获得的差分电压测量值相对于所述物理特性的量值的变化输出为第一曲线，或者
[0103] 当所述磁力测定系统包括第一磁性传感器和第二磁性传感器时，输出由其上具有磁性粒子的所述第一传感器获得的第一组差分电压测量值和由其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得的第二组差分电压测量值，并且确定所述第一组差分电压测量值和所述第二组差分电压测量值之间的差值相对于所述物理特性的变化作为第一曲线；之后[0104] 在所述物理特性量值的预定范围内确定作为所述第一曲线的下部分的拟合曲线的第二曲线，所述第一曲线的该下部分对应于包括在所述物理特性的所述预定范围内的下区间，该下区间的上限低于所述预定转换阈值；
[0105] 将所述物理特性的相同量值范围内所述第一曲线的差分电压和所述第二曲线的差分电压之间的差值相对于所述转换物理特性的量值的变化确定为第三曲线；以及[0106] 当所述第三曲线具有一其内的电压转变幅度大于预定检测阈值的转换物理特性区间时，检测到磁性粒子的存在，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变。
[0107] 根据特定实施例，在用于检测极少量磁性粒子的存在的所述第二检测方法中，所述转换物理特性为温度、压强、光照、
电场、磁场、化学客体分子。
[0108] 本发明还涉及一种通过微磁力测定系统实现的用于对纳米或微米尺度下的极少量磁性粒子直至单个磁性粒子或单个磁性物体的存在进行检测的第三检测方法，包括以下步骤：
[0109] 沉积未知量的磁性粒子或单独磁性物体到所述第一磁性传感器上，之后
[0110] 则，
[0111] 在已知预定物理条件下，
[0112] 输出由其上具有磁性粒子的所述第一传感器获得的第一电压测量值和由其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得的第二电压测量值，并且确定所述第一电压测量值和所述第二电压测量值之间的差值；之后
[0113] 当作为所述第一差值和参考差值之间的差值的第二差值的幅度大于预定检测阈值时，检测到磁性粒子或磁性物体的存在，
[0114] 所述参考差值为在相同的已知预定物理条件下由其上不具有磁性粒子的所述第一传感器获得的第一电压测量值与由其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得的第二电压测量值之间的差值，并且所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变，
[0115] 或者则，
[0116] 当所述磁性粒子是可通过超过一被用作转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子或单个物体时，
[0117] 在已知预定物理条件下，通过使物理特性量值在所述物理特性的预定范围内变化，之后
[0118] 输出由其上具有磁性粒子的所述第一传感器获得的第一组差分电压测量值和由其上不具有磁性粒子的所述第二传感器获得的第二组差分电压测量值，并且确定所述第一组差分电压测量值和所述第二组电压测量值之间的差值相对于所述物理特性量值的变化作为曲线；之后
[0119] 当所述曲线具有一其内电压转变幅度大于所述预定检测阈值的转换物理特性区间时，检测到磁性粒子或磁性目标的存在，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变，
[0120] 本发明还涉及一种包括微磁力测定系统的湿度或气体感应测量系统，其中，所述粒子为可通过超出预定温度转换阈值来转换的分子纳米粒子，所述预定温度转换阈值取决于环境湿度程度，或者取决于任意外部分子
蒸汽的环境浓度，
[0121] 并且其中，
[0122] 所述处理单元被配置为根据磁性粒子的对湿度程度或外部分子蒸汽的环境浓度敏感的磁场改变测量值，以及根据使用另一方法测量的、经校准的湿度程度或外部分子蒸汽的校准环境浓度与相应参数之间先前确定的映射曲线来确定湿度程度或外部分子蒸汽的环境浓度，所述相应参数例如为温度阈值、转变温度、或通过由如上限定的微磁力测定方法检测到的磁性粒子的磁特性改变而确定的
磁滞回线的宽度。
[0123] 根据一个特定实施例，在所述湿度或气体感应测量系统中，可被检测到的外部分子蒸汽为以下种类的外部分子：N2、He、I2、CO2、
乙醇、甲醇、2-丙醇、丙
酮、D2O、CS2、CO、碘(I)、溴(Br)、氯(Cl)、苯、
甲苯、氯苯、溴苯、碘苯、二氯苯、三氯苯、吡嗪、吡啶、吡咯、噻吩、呋喃、四氢呋喃。
附图说明
[0124] 通过阅读以下仅以示例方式给出的说明并且参照附图，将便于对本发明有更好的理解，在附图中：
[0125] 图1为根据本发明的第一实施例的微磁力测定系统的构架的示意图，其中，激励磁场HAC由传感器以外的装置生成；
[0126] 图2为图1的微磁力测定系统所使用的混合AMR/PHR多环磁性传感器的平面详细示意图；
[0127] 图3为图2的混合AMR/PHR多环磁性传感器的电气示意图；
[0128] 图4为检测电压相对偏置磁场的不同曲线的示意图，每个曲线由磁性传感器的
易磁化轴与外部磁场方向之间形成的定向角α进行表征；
[0129] 图5为从图4中的曲线相对定向角α所推导出的灵敏度的变化的示意图；
[0130] 图6为根据本发明的第二实施例的微磁力测定系统的构架的示意图，其中，激励磁场HAC部分由第一磁性传感器自身生成；
[0131] 图7为根据本发明的第三实施例的微磁力测定系统的构架的示意图，其中，第二磁性传感器被添加作为校准磁性传感器；
[0132] 图8为根据本发明的第一实施例的微磁力测定检测方法的
流程图的一个示例，当磁性粒子为可转换分子纳米粒子时，通过超出依照作为转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来实现该方法；
[0133] 图9为当温度从300K向350K变动SCO粒子被沉积在第一磁性传感器的有源表面上时图1的微磁力测定系统提供的测量电压相对温度的变化的第一曲线，以及图6的方法所确定的对应的适合的第二曲线的示例性示意图；
[0134] 图10为根据图6的方法从图7的第一曲线和第二曲线确定的第三曲线的示意图；
[0135] 图11为根据本发明的第二实施例的微磁力测定检测方法的流程图的一个示例，该微磁力测定检测方法被实现用于更宽泛的磁性粒子家族，该家族包括磁化强度可转换分子纳米粒子、顺磁性粒子、铁磁性粒子、
抗磁性粒子、Fe3O4在聚合物基体中制成的磁珠；
[0136] 图12为表示在没有任何磁性颗粒沉积在第一磁性传感器上的情况下第一磁性传感器的热磁响应的校准本底噪声曲线的示意图；
[0137] 图13为分别在两个不同的湿度条件80％和60％下检测到的SCO粒子的转变温度的示意图；
[0138] 图14为图7的微磁力测定系统的一个变型的示例，其中，两个多环磁性传感器被十字形磁性传感器所代替。
具体实施方式
[0139] 根据图1，用于对极少量磁性粒子的存在进行检测的微磁力测定系统2包括第一磁性混合各向异性磁阻AMR(Anisotopic Magneto-Resistive)/平面霍尔
电阻PHR(Planar Hall Resistive)多环磁性传感器4、第一电流或电压源6、第一电压测量器件8、至少一个沉积在第一磁性传感器4的有源表面14上的磁性粒子12的集合10、第一环境温度传感器16、用于控制和/或调节磁性粒子的环境温度的装置18、用于建立磁性交变激励场HAC以由每个磁性粒子产生一个杂散磁场的装置20、用于建立磁性传感器偏置场HDC的装置21、以及处理单元22。
[0140] 第一磁性混合AMR/PHR多环磁性传感器4或者第一磁性传感器在其有源表面14上包括沉积在基板26上的闭环形状的磁道24。
[0141] 第一磁性传感器4具有形成一对电流端子的第一电流端子28和第二电流端子30，一对电流端子彼此相对并与闭环磁道24接触。
[0142] 第一磁性传感器4具有形成一对电压端子的第一电压端子32和第二电压端子34，一对电压端子彼此相对并与闭环磁道24接触，并且从一对电压端子处检测到输出差分电压。
[0143] 第一磁性传感器4具有通过第一电流端子和第二电流端子28、30的、与材料的交换偏置场方向平行且与通过第一和第二电压端子32、34的第二轴42垂直的第一轴40或易磁化轴。
[0144] 连接在第一和第二电流端子之间的第一电流或电压源6被配置为通过该对第一和第二电流端子28、30注入用于第一磁性传感器4的DC偏执电流I。第一电流源6例如为Keithley 2400电流源并且DC偏置电流的幅度被设定为等于1mA。
[0145] 第一电压测量器件8被连接在第一和第二电压端子32、34之间以用于测量该对电压端子32、34之间的差分电压Vb。
[0146] 第一电压测量器件8包括增益为20dB的低噪声
放大器44，
低噪声放大器44被用于将检测到的差分电压放大并且将输出
信号驱动到基于
锁相环的同步放大器件46。同步放大器被配置为将测量的差分电压信号锁定到磁交变激励场信号上并且对在该对电压端子32、34的输出处检测的波峰检测差分电压进行检测。
[0147] 第一环境温度传感器16被配置为对表示磁性粒子12和第一磁性传感器4的实际环境温度T的温度进行测量并且较优地位于第一磁性传感器4的有源表面14附近。例如，环境温度传感器16为100Ohm的铂电阻。
[0148] 用于控制和/或调节温度T的装置18被配置为使用加热器48以受控方式对磁性粒子12的环境进行加热并且较优地位于第一磁性传感器4的有源表面14附近。加热器48例如为电阻Minco，电阻Minco被附接到第一磁性传感器4上并且连接到通过将温度T从300K变化到350K来控制环境温度T的变化的Lakeshore 332温度
控制器50上。
[0149] 用于建立交变磁激励场HAC的装置20被配置为使每个磁性粒子12产生杂散磁场，该杂散磁场随着时间以10至3KHz范围内、在此设定为100Hz的恒定频率ω振荡。
[0150] 用于建立交变磁激励场HAC的装置20在此包括提供以100Hz频率振荡的AC电流的第二电流元52、以及至少一个连接到第二AC电流源52上的线圈，在此为两个Helmholtz线圈54。
[0151] 两个Helmholtz线圈54相对于第一磁性传感器4放置，以使得磁激励场HAC的主要分量与第一轴40共线。
[0152] 用于建立交变磁性传感器偏置场HDC的装置20被配置为将第一磁性传感器4的工作点改变到更高的灵敏度区域，磁性传感器偏置场HDC随时间恒定并且与交变磁激励场HAC共线。
[0153] 在通过第一和第二电流端子的第一轴40与磁性传感器偏置场HDC的轴之间形成的偏置角α被选择在0度到90度的范围内，以使得第一磁性传感器4的灵敏度S最大。在此，该角α等于20度。
[0154] 整个第一磁性传感器4和随之沉积在第一磁性传感器4上的全部磁性粒子12因此被置于混合交变连续磁场(HAC+HDC)之下，该混合交变连续磁场的方向与第一磁性传感器4的易磁化轴40形成20度角。
[0155] 随着HAC和HDC场的组合，第一磁性传感器4的灵敏度S得到增强。
[0156] 在此，HDC将磁性传感器4的工作点改变到最高的灵敏度区域，磁场的最佳幅度在此等于1.4mT。
[0157] 被引入生成SCO纳米粒子12的杂散场的场HAC在此在100Hz频率下均方根值等于0.5mT。
[0158] 至少一个磁性粒子12的集合10被沉积在磁性传感器的表面上。
[0159] 在此，磁性粒子12为在氯仿的均相溶液中制作的[Fe(hptrz)3](OTs)2自旋交叉纳米粒子。这些[Fe(hptrz)3](OTs)2自旋交叉纳米粒子直接落在第一磁性传感器的整个有源表面14上。
[0160] 待检测的磁性粒子12因此为静止的并且靠近或者接触到第一磁性传感器4的有源表面14。
[0161] 这些磁性SCO纳米粒子12表现出反磁性到顺磁性转变相对应的磁性特征，其中，在预定湿度的露天下的转变温度或者转换温度在分别冷却和加热时为T1/2↓等于325K和T1/2↑等于331K。
[0162] 这些转变温度已经使用在相同的湿度条件下显示相同数值的光反射系数改变测试来核实。
[0163] 处理单元22被配置为从第一电压测量器件8测量的一组不同的差分电压中检测表示在第一磁性传感器4的有源表面14上存在至少一个沉积的磁性粒子12的磁通量改变。
[0164] 磁性粒子12在此假定为在超过预定的温度转换阈值时可依照两个磁性状态的转变来转换的分子纳米粒子，温度作为转换或者启动命令。
[0165] 处理单元被配置为，在第一磁性传感器22上沉积有未知量的磁性粒子12并且使温度T在预定温度范围以上变化之后，确定第一电压测量器件8输出的以及在已知环境物理条件和
操作系统设定下的差分电压测量值相对于温度的变化的第一曲线。
[0166] 处理单元22被配置为随后在预定温度范围以上将第二曲线确定为与第一曲线的下部分的拟合曲线，第一曲线的该下部分对应于包括在预定温度范围内的下区间，下区间具有低于温度转换阈值的上限。
[0167] 处理单元22被配置为，随后确定作为第一曲线的差分电压与第二曲线的差分电压在300K至350K的相同温度范围内相对于温度的差值的第三曲线。
[0168] 处理单元22被配置为随后当发生电压转变的第三曲线具有温度区间时且当该转变的幅度大于预定检测阈值时检测至少一个磁性粒子的存在，预定检测阈值对应于10nT的可检测到的最小磁化强度场改变。
[0169] 作为一个变型，微磁力测定系统包括第二传感器，第二传感器被用于测量不同于温度的物理特性并且被放置为靠近有源传感器的有源表面，当不同于温度的物理特性高于或者低于预定转换阈值时促使磁性粒子在两个磁化强度状态之间的转换。
[0170] 作为一个变型，微磁力测定系统包括用于控制和/或调节不同于温度的物理环境特性的第二装置，该第二装置较优地位于有源传感器的有源表面上。
[0171] 作为一个变型，处理单元被配置为通过在第一已知预定物理条件下对其上不具有磁性粒子的第一磁性传感器进行校准来提供第一校准本底热噪声曲线。
[0172] 处理单元被配置为，在第一磁性传感器上沉积了未知量的磁性粒子之后，通过在相同的第一已知预定物理条件下在预定温度范围内变化温度，随后确定根据第一磁性传感器得到的差分电压测量值的变化进行修正或者不修正的差分电压测量值相对于温度的变化。
[0173] 处理单元被配置为，随后确定作为第二曲线的差分电压与第一曲线的差分电压之间在相同温度范围内相对于温度的差值的第三曲线。
[0174] 处理单元被配置为，当第三曲线的电压差的绝对值稳定在预定检测阈值之上或者第三曲线具有发生了幅度大于预定检测阈值的转变的温度区间时，检测磁性粒子的存在，预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变。
[0175] 根据图2，第一磁性传感器4基于多环架构并且在1000等级的净室中使用具有剥离工艺的
光刻技术来制造。
[0176] 在此，磁道24为三层材料，例如Ta(3)/NiFe(20)/Cu(0.2)/IrMn(10)/Ta(3)(nm)。在该结构中，软磁性层NiFe为感应材料，软磁性层NiFe通过贯通几个
原子的Cu层的长程交换偏置场弱耦合到反铁磁性层(IrMn)。
[0177] 三层结构Ta(3)/NiFe(20)/Cu(0.2)/IrMn(10)/Ta(3)nm使用六枪
磁控溅射系统-8在大约10 托的基准
真空下沉积。
[0178] 为了避免污染，磁性传感器使用法向厚度为200纳米的Si2O3/Si3N4双层
钝化。
[0179] 第一磁性传感器4的外径在此等于300μm并且磁道24的宽度w等于10μm。
[0180] 第一磁性传感器4的磁道24具有：
[0181] 第一臂102，由磁性传感器4的第一四分表面126内限定的第一组预定环数m的圆形弯曲路径104制成，最外的弯曲路径128被连接到第一电流端子30处并且最内弯曲路径110被连接到第一电压端子32处。
[0182] 第二臂112，由磁性传感器4的第二四分表面116内限定的第二组相同的预定环数m的圆形弯曲路径114制成，最外的弯曲路径118被连接到第二电流端子30处并且最内弯曲路径120被连接到第一电压端子32处。
[0183] 第三臂122，由磁性传感器4的第三四分表面126内限定的第三组相同环数m的圆形弯曲路径124制成，最外的弯曲路径128被连接到第二电流端子30处并且最内弯曲路径130被连接到第二电压端子34处。
[0184] 第四臂132，由磁性传感器4的第四四分表面136内限定的第四组相同环数m的圆形弯曲路径134制成，最外的弯曲路径138被连接到第二电流端子30处并且最内弯曲路径140被连接到第二电压端子34处。
[0185] 多环构架提高了磁性传感器在紧致域中的灵敏度。
[0186] 由于臂的长度随着环数增加，所以填充感应弯曲路径提高了有源感应面积。
[0187] 电流方向对于连续的环形路径交替改变，即电流角度范围对于图2的内插画中示出的路径1为θ＝π/2至0并且对于图2的内插画中示出的路径2为θ＝π至3π/2。对于路径1和2计算的数值的符号是相同的，这意味着AMR效应对于两个电流都是附加的。
因此，曲线中的最大电压变化以及相应地臂电阻的场灵敏度随着环数增大。
[0188] 对于全磁性环的电压曲线，也就是AMR和PHR效应的总和，揭示出由于环臂电阻的自平衡导致的所施加的场的抗对称行为，其中电压变化被附加到全部的结点组件。
[0189] 第一磁性传感器的另觅安度通过使用具有小交换耦合场和高有源电流的三层结构来提高。
[0190] 该多环构架提高了磁性传感器的场灵敏度和有源面积。
[0191] 因此，第一磁性传感器为结合有各向异性磁阻(AMR)和平面霍尔效应(PSE)的高度灵敏磁阻(MR)传感器，该传感器能够对SCO纳米粒子的自旋状态的转换进行检测。
[0192] 较优地，圆形弯曲路径的环数m介于9和13之间。在此，每个臂具有十一个弯曲路径或四分圆形环，该数量使得第一磁性传感器4的灵敏度最大。
[0193] 该多层堆叠具有大约S＝15V/T-1的超高灵敏度以及在100Hz处的大约1nV.Hz-1/2的低白噪声。
[0194] 根据图3的电气图，轨道的多环几何以及四个臂的连通性导致了惠斯通桥配置。
[0195] 第一磁性传感器的
输出电压已知为平面霍尔效应并且由下式给出：
[0196] VPHE＝V0sinθ.cosθ
[0197] 其中，V0取决于与传感器的磁化强度相关的诸如平行
电阻率ρII和垂直电阻率ρ⊥的传感器的结构参数、传感器的厚度、以及传感器的大小，θ为实际磁化强度的方向与施加的磁场之间的角。
[0198] 由于惠斯通电桥配置，环形架构有利地提供了高感应性能。
[0199] 在通常情况下，在第一电压端子的第一电压V1和第二电压端子的第二电压V2之间检测到的差分电压Vb由下式说明：
[0200]
[0201] 其中，R1、R2、R3、R4分别表示第一、第二、第三和第四臂102、112、122、132的电阻。
[0202] 考虑到三个不同的检测加载配置。
[0203] 在作为“四分桥式配置”参考的第一配置中，磁性粒子被沉积在单一臂上，例如沉积在第四臂132上，剩余的三个臂102、112、122上没有磁性粒子。
[0204] 在此第一配置中，第一、第二、第三臂102、112、122的电阻R1、R2、R3等于相同的参考电阻值R，并且第四臂132的电阻R4等于R+ΔR。
[0205] 在此第一情况下，检测到的表示为Vb1的差分电压遵循下式：
[0206]
[0207] 在作为“半桥式配置”参考的第二配置中，磁性粒子被沉积在两个相对的臂上，例如沉积在第二和第三臂112、122上，剩下的两个臂102、132上没有磁性粒子。
[0208] 在此第二配置中，第一和第四臂102、132的电阻R1、R4等于相同的参考电阻值R，并且第二和第三臂112、122的电阻R2、R3等于R+ΔR。
[0209] 在此第二情况下，检测到的表示为Vb2的差分电压遵循下式：
[0210]
[0211] 在作为“全桥式配置”参考的第三配置中，磁性粒子12被沉积在磁性传感器的整个表面上，也就是四个臂上。
[0212] 在此第三配置中，第一和第四臂102、132的电阻R1、R4等于相同的参考电阻值R+ΔR，而第二和第三臂112、132的电阻R2、R3等于R-ΔR。
[0213] 在此第三配置中，检测到的表示为Vb3的差分电压遵循下式：
[0214]
[0215] 在上述三个配置中，全桥式配置具有最高的灵敏度。
[0216] 根据图4，如图3中所述的第一微磁力测定磁性传感器使用在磁性传感器的易磁化轴40与磁性偏置场方向之间形成的偏置角α的不同数值来表征。
[0217] 各种曲线202、204、206、208、210、212的集合200被示为分别对应于设定为0、10、20、45、60、90度的偏置角α。
[0218] 磁性传感器4的偏置电流保持设定为1mA。偏置磁场HDC在-20至20mT的范围内扫过。
[0219] 在一个曲线的一个点处的定义为斜率dV/dH的灵敏度从电压曲线中推导得到，对于每个偏置角α的值的灵敏度的最大值在如图5中所示的曲线220中描绘出。
[0220] 偏置磁场HDC和易磁化轴40之间形成的偏置角α被选择为使得灵敏度S最大。
[0221] 从图5中所示的曲线220来看，对于α等于20度的灵敏度最大并且等于16V.T-1。在图1中已经选择偏置角α为该20度的值。
[0222] 当使用微磁力测定系统2时，两个电压端子之间的有效测量电压Veff和来自测量电压器件的输出包含两个贡献：凹形电压相应Vdrift和由磁性粒子生成的笔直场
水平引起的电压响应Vstray。
[0223] 因此，有效电压Veff能够表示为：
[0224] Veff＝Vdrift+Vstray
[0225] 传感器的电压响应将在以下表达式中进行充分说明：
[0226]
[0227] 其中，I为施加到磁性传感器4上的DC偏置电流，t、ρII、ρ⊥分别为感应层的厚度以及电流平行和垂直于磁场强度时的感应层的电阻率。
[0228] 根据图6，根据本发明的微磁力测定系统302的第二实施例从图1的微磁力测定系统2中导出并且包括以相同的附图标记标明的一些部件。
[0229] 图6的微磁力测定系统320与图1的微磁力测定系统的不同在于，移除用于建立在第一磁性传感器4之外的磁激励场HAC并且由第一磁性传感器4和连接在第一和第二电流端子28、30之间的
修改后的第一电流源326形成的集合320代替。
[0230] 在此第二实施例中，修改后的第一电流源被配置为生成随时间以在10到3KHz范围内并在此设定为100Hz的恒定频率ω振荡的交变电流(AC)。
[0231] 通过自感应，由第一修改电流源326提供有交变电流(AC)的第一磁性传感器4的磁道24生成磁激励场HAC以使得每个磁性粒子产生杂散磁场，该杂散磁场可被第一磁性传感器检测到。
[0232] 换句话说，当向第一磁性传感器4施加AC偏置电流I时，磁性传感器4生成全局围绕易磁化轴40的磁场，磁通量的方向遵守安培定律。
[0233] 在电压端子之间测量的电压Vb能够被写作：
[0234] Vb＝S0.+I.Roffset
[0235] 其中，I为磁性传感器电流，S0为磁性传感器的灵敏度，为在磁性传感器的整个表面平均的磁场。
[0236] 在这些测量值中，靠近传感器的有源表面的静止磁性粒子被传感器自身磁场Hself磁化。
[0237] 利用Hself正比于I并且假定粒子磁化强度直接正比于施加的场，则来自磁性粒子的在磁性传感器表面平均化的杂散场能够被写作：
[0238] ＝γ.χ.I
[0239] 其中，χ为磁性粒子的
磁化率并且γ为根据磁性传感器的几何形状以及磁性粒子的体积贡献的比例常数。
[0240] 利用自身磁场来磁化磁性粒子保证了仅靠近第一磁性传感器的有源表面沉积的磁性粒子被磁化。
[0241] 与图1的微磁力测定系统类似，两个电压端子之间测量的电压Veff和来自测量电压器件的输出包含两个贡献：凹形电压相应Vdrift和由磁性粒子生成的笔直场水平引起的电压响应Vstray，并且能够表示为：
[0242] Veff＝Vdrift+Vstray
[0243] 根据图7，根据本发明的微磁力测定系统402的第三实施例从图1的微磁力测定系统2中导出并且包括以相同的附图标记标明的一些部件。
[0244] 图7的微磁力测定系统402与图1的微磁力测定系统的不同在于进一步包括第二混合AMR/PHR多环磁性传感器404并且使用修改后的电压测量器件408来代替图1的第一电压测量器件8。
[0245] 第二磁性传感器404具有与第一磁性传感器相同的结构并且具有拥有相同的形状图案的闭环磁道424。
[0246] 第二磁性传感器404具有形成一对电流端子的第一电流端子428和第二电流端子430，一对电流端子彼此相对并与闭环磁道424接触。
[0247] 第二磁性传感器404具有形成一对电压端子的第一电压端子432和第二电压端子434，一对电压端子彼此相对并与闭环磁道424接触，并且从一对电压端子处检测到输出差分电压。
[0248] 第二磁性传感器404具有被定义为通过第一电流端子428和第二电流端子430的轴的易磁化轴440。
[0249] 第一和第二磁性传感器4、404被放置为使得它们各自的易磁化轴40、440共线。
[0250] 第一和第二磁性传感器4、404在处于相同的已知物理条件下的相同的基板上彼此靠近放置，以使得当传感器上没有沉积磁性粒子时接收和检测到具有相同噪声的相同磁场。
[0251] 第二磁性传感器的第一电流端子428和第二电流端子430分别被连接到第一磁性传感器4的第一电流端子28和第二电流端子30上。
[0252] 因此，第一电流或电压源6并行为第一磁性传感器4和第二磁性传感器404提供各自的具有形同噪声特性的电流。
[0253] 修改后的第一电压测量器件408以图1的第一电压测量器件8为基础，其中加入了第二低噪声放大器444和差分单元450。
[0254] 增益为20dB的第二噪声放大器444在其输入端被连接到第一电压端子432和第二电压端子434并且在其输出端被连接到差分单元450的第一输入端。
[0255] 第一低噪声放大器4在其输出端被连接到差分单元450的第二输入端。
[0256] 差分单元450具有被连接到基于
锁相环的同步放大器件46上的输出端。
[0257] 差分单元450被配置为确定在第一磁性传感器4的电压端子处检测到的放大的差分电压与在第二磁性传感器404的电压端子处检测到的放大的差分电压之间的电压差。
[0258] 因此，两个磁性传感器所共有的噪声源被减法单元450消除。
[0259] 作为图7的微磁力测定系统402的一个变型，移除用于建立在第一磁性传感器4之外的磁激励场HAC并且由第一磁性传感器4和连接在第一和第二电流端子28、30之间的修改后的第一电流源326形成的集合320代替。
[0260] 根据图8，用于对极少量磁性粒子的存在进行检测的微磁力测定检测方法500的第一实施例由图1、6和7中限定的微磁力测定系统实现。
[0261] 该方法500适用于作为可通过超过与作为转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子的任何磁性粒子。此类磁性粒子是采用AhBk[M(CN)6]l.mH2O形式的任何可转换的分子纳米粒子，其中，A能够是Co、Ni、Fe等，B和M能够是各种过渡金属II III II III II III(Fe 、Fe 、Mn 、Mn 、fml aCo 、Co 、…)并且C为碱金属。
[0262] 微磁力测定检测方法500包括连续执行的以下步骤。
[0263] 在第一步骤502中，未知量的磁性粒子被沉积在第一磁性传感器上，磁性粒子为可通过超过与作为转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子。
[0264] 在下一步骤504中，在已知预定物理条件下，通过使物理特性量值在物理特性的预定范围内变化，
[0265] 当磁力测定系统包括第一单独磁性传感器时，提供了第一传感器获得的差分电压测量值相对于物理特性的量值的变化的第一曲线，或者
[0266] 当磁力测定系统包括第一磁性传感器和第二磁性传感器时，输出由其上具有磁性粒子的第一传感器获得的第一组差分电压测量值和由其上不具有磁性粒子的第二传感器获得的第二组差分电压测量值，并且第一组差分电压测量值和第二组差分电压测量值之间的差值相对于物理特性的变化确定第一曲线。
[0267] 之后，在下一步骤506中，在物理特性的预定范围内确定作为第一曲线的下部分的拟合曲线的第二曲线，第一曲线的该下部分对应于包括在物理特性的预定范围内的具有低于预定转换阈值的上限的下区间。
[0268] 之后，在步骤508中，将第一曲线的差分电压和第二曲线在相同的物理特性的量值范围内的差分电压之间相对于转换物理特性的量值的差值确定为第三曲线。
[0269] 在下一步骤510中，当第三曲线具有发生转变的转换物理特性区间并且转变的幅度大于预定检测阈值时检测到磁性粒子的存在，预定检测阈值对应于10nT的可探测到的最小磁化强度场改变。
[0270] 根据图9，在显示框520中示出了作为微磁力测定系统2输出的有效电压Veff相对于环境温度的变化的典型的电压曲线522以及拟合曲线524。
[0271] 显示框520包括以mV表示的输出电压的纵轴526以及以开尔文度表示的环境温度轴的横轴538。
[0272] 电压曲线522具有两个贡献：凹形电压响应Vdrift以及由SCO粒子生成的笔直场水平引起的电压电压响应Vstray。
[0273] 因此，有效电压Veff能够表示为：
[0274] Veff＝Vdrift+Vstray
[0275] 电压曲线522还具有磁滞回线530，磁滞回线530具有加热方向上的上曲线部分532和冷却方向上的下曲线部分534。该磁滞回线530为SCO粒子转变的磁性特征。
[0276] 事实上，磁性传感器的电压响应Vdrift曲线524在[300K,350K]的温度范围上被确定为电压曲线522的下部分的拟合曲线，电压曲线522的该下部分对应于在物理特性的预定温度范围内包括的下温度区间，该下温度区间具有低于预定转换阈值的上限。例如，下温度区间为[300K,320K]。
[0277] 根据图10，杂散场电压Vstray相对于环境温度T的电压曲线552变化在显示框550中示出。
[0278] 杂散场电压Vstray的电压曲线552变化从电压改变Vdrift曲线524减去有效电压Veff522推导出的。
[0279] 该减法由处理单元22在检测方法500的步骤508中实现。
[0280] 显示框550包括以mV表示的杂散场电压Vstray的纵轴554以及以开尔文度表示的环境温度轴的横轴556。
[0281] 电压曲线552具有磁滞回线560，磁滞回线560具有加热方向564上的下曲线部分562和冷却方向568上的上曲线部分566。
[0282] 该磁滞回线560为SCO粒子转变的磁性特征。
[0283] 在磁滞回线560的滞后曲线的中间8字处获得转变温度。
[0284] 在第一磁性传感器4如此上所述的尺寸和性能，并且SCO粒子的平均直径为250nm的情况下，磁性传感器能够检测到的最小磁场等于10nT。
[0285] 由于磁力计2的检测能力取决于传感器面积，所以期望通过将磁性传感器的大小
定位500nm，单独磁性粒子则将产生25nV的量。这使得有可能在室温下检测到单独SCO粒子的磁性特征。
[0286] 通过将放大器集成在磁性传感器的附近或者在差分配置中的两个磁性传感器附-12近，能够检测到直到一个皮特斯拉(10 T)的局部磁场。
[0287] 通常，传感器环的一个臂的宽度在纳米尺度至微米尺度的范围内，并且磁力测定的有效大小在50nm至1mm的范围内。
[0288] 根据图11，微磁力测定检测方法600的第二实施例被实现用于检测极少量磁性粒子的存在。
[0289] 该方法600适用于作为可通过超过与作为转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子的任何磁性粒子。此类磁性粒子是采用AhBk[M(CN)6]l.mH2O形式的任何可转换的分子纳米粒子，其中，A能够是Co、Ni、Fe等，B和M能够是各种过渡金属II III II III II III(Fe 、Fe 、Mn 、Mn 、fml aCo 、Co 、…)并且C为碱金属阳离子。
[0290] 该方法还适用于诸如Fe2O3、Fe3O4、Fe@Fe3O4、CoFe@Fe3O4、Ni之类的任何顺磁性粒子，诸如Fe、CoFe、Ni之类的任何铁磁性粒子，任何反铁磁性粒子(即，具有Ti/Fe多层结构的任何粒子、Cr、NiO、Co3O4、a-Fe2O3、CuO、MnO、Cr2O3纳米粒子)，以及由聚合物
机体中的Fe3O4制成的具有球形形状且在50nm至10μm范围内的任意大小的任何磁珠。
[0291] 用于对极少量磁性粒子的存在进行检测的微磁力测定检测方法600能够由图1、6和7中限定的微磁力测定系统实现。
[0292] 微磁力测定检测方法600包括连续执行的以下步骤。
[0293] 在第一步骤602中，在第一已知预定物理条件下，当系统包括单独第一磁性传感器时，对第一磁性传感器进行温度校准并且提供第一校准本底热噪声曲线，或者当磁力测定系统包括第一磁性传感器4和第二磁性传感器404时，对第一和第二磁性传感器的集合进行温度校准并且提供第一校准本底热噪声曲线。
[0294] 在下一步骤604中，未知量的磁性粒子12被沉积在第一磁性传感器4上。
[0295] 之后在下一步骤606中，在相同的第一已知预定物理条件下，通过使温度在预定温度范围上变化，当磁力测定系统2、302包括第一单独磁性传感器4时，将第二曲线输出为第一传感器获得的差分电压测量值相对于温度的变化，或者当磁力测定系统402包括第一磁性传感器4和第二磁性传感器404时，由其上具有磁性粒子的第一传感器4获得的第一组差分电压测量值以及由其上不具有磁性粒子的第二传感器404获得的第二组差分电压测定值被输出。在相同的步骤506中，将第二曲线确定为第一组差分电压测量值和第二组差分电压测量值之间的差值相对于温度的变化。
[0296] 在下一步骤608中，将第三曲线确定为第二曲线的差分电压与第一曲线的差分电压之间在相同温度范围内相对于温度的差值。
[0297] 之后在下一步骤610中，当第三曲线的电压差的绝对值稳定在预定检测阈值之上或者第三曲线具有发生了幅度大于预定检测阈值的转变的温度区间时，检测到磁性粒子的存在，预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变。
[0298] 根据图12示出了第一校准本底热噪声曲线650的一个示例。
[0299] 第一磁性传感器4或者第一和第二磁性传感器4、44的集合的校准在检测方法600的步骤602中完成。
[0300] 在该热校准步骤中，第一磁性传感器4是空载的，即其上没有沉积任何磁性粒子，并且温度在一度通过增大温度且一度通过降低温度得到的温度中变化。
[0301] 曲线650包括对应于加热方向的第一曲线652和对应于冷却方向的第二曲线654。这些曲线是相同的并且校准曲线650不具有任何滞后循环。
[0302] 根据图13示出了在两个不同的湿度条件80％和60％下分别检测到的对于使用的相同SCO粒子在对应的转变温度下的一组两个不同的滞后循环或者磁滞回线672、674。
[0303] 这两个滞后循环672、674在显示框670中示为包括从滞后循环的高电压到
低电压的归一化输出电压的纵轴676以及以开尔文度表示的环境温度的横轴678。
[0304] 对应于80％湿度的磁滞回线672展示出第一转变温度680和第二转变温度682。
[0305] 对应于60％湿度的磁滞回线674展示出第一转变温度692和第二转变温度694。
[0306] 在此能够看到，磁滞回线的转变温度以及宽度能够被用于估算湿度程度。
[0307] 此类行为因而被利用于建立包括如图1、6和7中所述的微磁力测定系统的湿度测量系统，其中，粒子为可通过超过预定温度转换阈值来转换的分子纳米粒子并且对湿度程度灵敏，预定温度转换阈值或磁滞回线宽度取决于湿度程度环境。
[0308] 处理单元被配置为根据磁性粒子的磁性改变测量值以及之前确定的由另一湿度测量方法测量的校准湿度温度与由图8或图11中所述的微磁力测定方法测量的对应的温度转变或滞后循环宽度之间的瞬态性能曲线来确定湿度程度。
[0309] 实际上，通过将图8或图11的磁力测定方法与自旋交叉相结合，系统能够被用作检测气体的
气体传感器。任何如湿度这样影响系统的外部气体还根据环境气体浓度使自旋交叉曲线发生改变。
[0310] 因此，能够使用可通过超过预定温度转换阈值来转换的任何分子纳米粒子，预定温度转换阈值取决于某些外部分子蒸汽的环境浓度。
[0311] 在此类情况下，处理单元被配置为根据磁性粒子的对外部分子蒸汽的环境浓度灵敏的磁性改变测量值，以及根据之前确定的使用另一方法测量的外部分子蒸汽的校准环境浓度以及诸如温度阈值、转变温度、或磁滞回线的宽度之类的对应参数来确定外部分子蒸汽的环境浓度，磁滞回线的宽度通过由图8或11中所述的微磁力测定方法检测到的磁性粒子的磁特性改变来确定。
[0312] 能够被检测到的外部分子蒸汽或者气体例如为以下之一：
[0313] N2、He、I2、CO2、乙醇、甲醇、2-丙醇、丙酮、D2O、CS2、CO、碘(I)、溴(Br)、氯(Cl)、苯、甲苯、氯苯、溴苯、碘苯、二氯苯、三氯苯、吡嗪、吡啶、吡咯、噻吩、呋喃、四氢呋喃。
[0314] 如图11中上述的检测方法600能够被用于检测以下粒子：
[0315] 采用AhBk[M(CN)6]l.mH2O形式的任何可转换的分子纳米粒子，其中，A能够是Co、II III II III II IIINi、Fe等，B和M能够是各种过渡金属(Fe 、Fe 、Mn 、Mn 、Co 、Co 、…)并且C为碱金属阳离子；
[0316] 任何顺磁性粒子；Fe2O3、Fe3O4、Fe@Fe3O4、CoFe@Fe3O4、Ni...；
[0317] 任何铁磁性粒子：Fe、CoFe、Ni；
[0318] 任何反铁磁性粒子：具有Ti/Fe多层结构的任何粒子、Cr、NiO、Co3O4、a-Fe2O3、CuO、MnO、Cr2O3纳米粒子；
[0319] 由聚合物机体中的Fe3O4制成的具有球形形状且在50nm至10μm范围内的任意大小的任何磁珠。
[0320] 该系统能够被用于以不同形式(以微晶粉末、纳米粒子、薄层等形式的材料)且在任何温度下的全部磁性材料(顺磁性、反磁性、铁磁性、抗磁性、
亚铁磁性)的磁化强度变化(磁化强度换向)。作为代表性示例能够引用以下材料：金属材料、金属
氧化物、稀土元素、有机
金属化合物、配位化合物(磁性分子、磁性链)，并且尤其是自旋交叉材料，负荷材料的传递等。
[0321] 金属、金属氧化物
[0322] 作为代表性的金属衍
生物能够引用以下材料：诸如Co、Ni、Fe等的化合物，以及AB
合金，A为Co、Ni、Fe等，且B为Pt、Fe等。
[0323] 作为代表性的金属氧化物衍生物能够引用以下材料：FeO、Fe2O3、CuO、ZnO等。
[0324] 磁性化合物和分子化合物
[0325] 作为代表性的磁性化合物和分子化合物能够引用磁性分子(Mn12等)、磁性链(同素多核和同素多核化合物)等。
[0326] 作为同素多核化合物，能够引用普鲁士蓝并且其类似物的同事为Mx[M'(CN)6]y·nH2O和AxMy[M'(CN)6]·nH2O，其中A表示碱性阳离子，且M和M' 表示诸如Fe4[Fe(CN)6]3·15H2O、CsNi[Cr(CN)6]等之类的二价或三价过渡金属的阳离子。
[0327] 作为自旋交叉金属可以引用铁化合物，尤其是化学式(I)：
[0328] Fe[(L)3](X)2·xH2O (I)
[0329] 其中：
[0330] L表示诸如三唑(trz)、NH2trz、Fatrz(4-甲酰胺基-1,2,4-三唑)、Hptrz(庚基三唑)等之类的配合基；
[0331] X表示诸如OTf(三氟甲烷磺酸或三氟甲磺酸酯)、p-tol或tof(p-甲苯磺酸或甲苯磺酰基)、四氟
硼酸盐、
硝酸盐、Br、Cl等之类的平衡阴离子；
[0332] x为介于0和10之间的整数。
[0333] 作为替代性的自旋交叉材料，能够引用通式(II)的衍生物：
[0334] FeyM(1-y)(L)[M'(CN)4] (II)
[0335] 其中：
[0336] M表示诸如Ni或Co的金属；
[0337] M'表示从Ni、Pd、Pt等中选择的与M相同或者不同的金属；
[0338] L表示诸如吡嗪(pz)、偶氮吡啶(azpy)、二(4-吡啶基)乙炔(bpac)等之类的二单齿平衡离子；
[0339] y严格介于0和1之间，并且不同于0和1。
[0340] 作为负荷传递化合物，能够引用诸如化学式为[Fe(Cp*)2][TCNE](TCNE为四氰乙烯)、[Mn(Cp*)2][TCNQ](TCNQ为醌二甲烷)等的化合物之类的施主/受主对形成的衍生物。
[0341] 根据本发明的其他的负荷传递材料还包括通式为AxMy[M'(CN)6]·nH2O的普鲁士蓝的类似物，其中A为碱性阳离子，且M和M'表示诸如NaxCoy[Fe(CN)6]·nH2O等之类的二价或三价过渡金属的阳离子。
[0342] 如图8中上述的检测方法500能够被用于检测如上所述的任何可转换分子纳米粒子。
[0343] 在一个变型中，第一电流源通过电流端子注入的电流为直流电流(DC)和交变电流(AC)之和。
[0344] 通常，磁道是包括铁磁性膜及反铁磁性膜的双层结构，或者自旋阀结构，或者包括铁磁性膜、金属及反铁磁性膜的三层结构。
[0345] 在图7的微磁力测定系统402的一个变型中，第一和第二混合AMR/PHR多环磁性传感器4、404被具有相同磁性结构以及在十字形状或单环闭环形状中的相同形状的磁性传感器代替。
[0346] 具有在十字形状或单环闭环形状中的相同形状的第一和第二磁性传感器被放置为使得它们各自的易磁化轴在方向上共线，即彼此平行。
[0347] 第一和第二磁性传感器在处于相同的已知物理条件下的相同的基板上尽量靠近放置，以使得当传感器上没有沉积磁性粒子时接收和检测到具有相同噪声的相同的磁性和温度响应。
[0348] 第二磁性传感器的第一电流端子和第二电流端子分别被连接到第一磁性传感器的第一电流端子和第二电流端子上。
[0349] 因此，第一电流源并行为第一磁性传感器和第二磁性传感器提供各自的具有形同噪声特性的电流。
[0350] 修改后的电压测量器件408的结构保持相同，并且修改后的电压测量器件被配置为确定在第一磁性传感器的电压端子处检测到的放大后的差分电压与在第二磁性传感器的电压端子处检测到的放大后的差分电压之间的电压差。
[0351] 因此，两个磁性传感器所共有的噪声源被消除。
[0352] 对于图7的微磁力测定系统402，用于建立在第一磁性传感器4之外的磁激励场HAC的装置20能够被移除并被由第一磁性传感器、第二磁性传感器和修改后的第一电流源形成的集合代替，修改后的第一电流源在第一磁性传感器的第一和第二电流端子之间以及在第二磁性传感器的第一和第二电流端子之间生成交变电流。
[0353] 实际上，针对使用关于电流偏置在此上述的一个或两个多环磁性传感器以及用于建立外部磁场的装置的磁力测定系统所述的全部变型能够被用于使用具有在十字形状或单环闭环形状中的相同形状并且以查分方式彼此连接的两个磁性传感器的磁力测定系统。
[0354] 还能够使用与图5和8中所述相同的检测方法。
[0355] 此类微磁力测定系统的变型702的一个示例在图14中被部分示出，其中，图7的两个多环磁性传感器4、404被两个十字形状的磁性传感器706、726代替。
[0356] 具有相同的十字形状的第一和第二磁性传感器706、726在处于相同的已知物理条件下的相同的基板上彼此靠近放置，以使得当传感器上没有沉积磁性粒子时接收和检测到具有相同噪声的相同磁场。
[0357] 第一和第二磁性传感器706、726被放置为使得其各自的易磁化轴在方向上共线，即彼此之间平行。
[0358] 在一个变型中，当所使用的微磁力测定系统包括如图7中所述的第一和第二混合AMR/PHR多环磁性传感器4、404或者包括两个具有相同磁性结构以及在十字形状或单环闭环形状中的相同形状的磁性传感器时，可以使用直接检测方法。
[0359] 此类微磁力测定直接检测方法被用于对纳米或微米尺度下的极少量磁性粒子直至单独磁性粒子或单独磁性目标的存在进行检测。
[0360] 根据第一实施例的微磁力测定直接检测方法包括以下步骤。
[0361] 在第一步骤中，在将未知量的磁性粒子或者磁性目标沉积在第一磁性传感器上之后，在已知预定物理条件下，输出由其上具有磁性粒子的第一传感器获得的第一电压测量值和由其上不具有磁性粒子的第二传感器获得的第二电压测量值。
[0362] 在第二步骤中确定了第一电压测量值和第二电压测量值之间的第一差值。
[0363] 在第三步骤中，当作为第一差值与参考差值之间差值的第二差值的幅度大于预定检测阈值时检测到磁性粒子或磁性目标的存在，参考差值为由其上不具有磁性粒子的第一传感器获得的第一电压测量值与其上不具有磁性粒子的第二传感器在相同的已知预定物理条件下获得的第二电压测量值之间的差值，并且预定检测阈值对应于10nT的可检测到的最小磁化强度场改变。
[0364] 根据第二实施例的微磁力测定直接检测方法可用于当磁性粒子是可通过超过关于作为转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子时。
[0365] 直接检测方法包括以下步骤。
[0366] 在第一步骤中，在将未知量的磁性粒子或磁性目标沉积在第一磁性传感器上之后，在已知预定物理条件下，物理特性量值在物理特性的预定范围内变化。
[0367] 在与第一步骤同时进行的第二步骤中，输出由其上具有磁性粒子的第一传感器(4)获得的第一组电压测量值和由其上不具有磁性粒子的第二传感器(404)获得的第二组电压测量值。
[0368] 在第三步骤中，将一条曲线确定为第一组差分电压测量值和第二组电压测量值之间的差值相对于物理特性量值的变化。
[0369] 在第四步骤中，当曲线具有发生转变的转换物理特性区间并且幅度大于预定检测阈值时检测到磁性粒子或磁性目标的存在，预定检测阈值对应于10nT的可探测到的最小磁化强度场改变。
