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(＜1μT)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(SiO2)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(Fe3O4)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：Al2O3
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ZnFe2O4、BaFe12O9以及Ni0.5Zn0.5Fe2O4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硅(SiO2)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(Fe3O4)。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
铝(Al2O3)。
[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I1测量第一电压V1，以及使用所述电极装置针对第二电流I2测量第二电压V2。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ΔMR：
[0019] ΔMR＝V1(B)/V1(0)-V2(B)/V2(0)
[0020] 其中，V1和V2分别是针对电流I1和电流I2所测量的电压，V1(B)和V2(B)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V1(0)和V2(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ΔMR大于阈值ΔMRSwitch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ΔMR小于或等于阈值ΔMRSwitch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ΔMR大于阈值ΔMRSwitch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ΔMR小于或等于阈值ΔMRSwitch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，所述磁强计包括所述控制磁源。在实施例中，所述AC磁场是小AC磁场。在实施例中，所述第一频率被选择为使得所述第一频率与需确定的所述外部磁场的
频率范围不同。在实施例中，当所述外部磁场是DC磁场时，所述第一频率大于约1Hz，优选地大于约25Hz，并且优选地，小于约1MHz。在实施例中，当所述外部磁场是AC磁场，所述第一频率在约1Hz和约1MHz之间，并且优选地，在约50Hz和约500kHz之间。在实施例中，所述第一频率是测量的所述外部磁场的频率范围的值的至少约两倍。例如，如果用户想要测量0和1kHz之间的磁场，那么频率f应大于1kHz，并且优选地，至少约2kHz。在实施例中，使用频率
过滤器过滤掉所述AC磁场。在实施例中，所述磁强计包括频率过滤器，所述频率过滤器被配置成从所述AC成分过滤掉具有所述第一频率的电压成分。
在实施例中，所述频率过滤器是低通
滤波器。在可替代的实施例中，所述频率过滤器是
带通滤波器。在实施例中，所述至少一个处理器被配置成在所述AC成分大于阈值时，确定所述外部磁场在磁场的所述第一范围中，并且在所述AC成分小于阈值时，确定所述外部磁场在磁场的所述第二范围中。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AC成分大于阈值时，确定所述外部磁场在磁场的所述第二范围中，并且在所述AC成分小于阈值时，确定所述外部磁场在磁场的所述第一范围中。
[0023] 本文中提到了具体的整数的地方，在本领域中与本发明涉及的内容已知相等，这样的已知相等被视为如同单独陈述地并入本文。
[0024] 此外，依据
马库什权利组描述本发明的特征或方面的情况下，本领域的技术人员将理解，也由此依据马库什组的成员的任意单独的成员或子组描述了本发明。
[0025] 如本文所使用的，名词后的‘复数’表示复数和/或单数形式的名词。
[0026] 如本文所使用的，术语‘和/或’表示‘和’或者‘或者’或者二者都表示。
[0027] 如本
说明书中所用的术语‘包括’表示‘至少部分由…组成’。在解释本说明书中包含术语‘包括’的每个语句时，也可表示除了该术语开始的那个或那些特征之外的特征。像‘包括’或‘包含’这样的相关术语应以同样的方式解释。
[0028] 目的在于，对本文公开的数量的范围(例如，1至10)的参考也包含对该范围中所有合理的数(例如，1，1.1，2，3，3.9，4，5，6，6.5，7，8，9和10)以及该范围中的合理的数的任意范围(例如，2至8，1.5至5.5以及3.1至4.7)的参考，且因此，本文明显公开的所有范围的所有子范围由此明确公开。这些仅为特别目的的示例，且列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能的结合被认为以同样的方式在此
申请中明确陈述。
[0029] 在已参照
专利说明书、其他外部文件或其他信息源的本说明书中，通常用于提供讨论本发明的特征的环境的目的。除非特别说明，对这样的外部文件或这样的信息源的参考不认为是这样的文件或这样的信息源的以下内容的承认：在任何权限内，是本领域的
现有技术或形成公知常识的部分。
[0030] 尽管上面广泛地定义了本发明，本领域的技术人员将理解，本发明不受限于此，且本发明还包括下面的描述给出示例的实施例。
附图说明
[0031] 现在将参照附图，通过非限制示例描述本发明的实施例，其中：
[0032] 图1根据本发明的第一实施例示出包括霍尔效应传感器的磁强计；
[0033] 图2根据本发明的第二实施例示出包括霍尔效应传感器的磁强计；
[0034] 图3将两个不同电流下的磁阻响应示出为施加到本发明实施例的磁强计的外部磁场的函数；
[0035] 图4将本发明实施例的磁强计的电压响应示出为外部磁场的函数；
[0036] 图5示出图4的电压函数的反转；
[0037] 图6示出霍尔效应传感器对外部磁场的电压响应；
[0038] 图7根据本发明的实施例示出使用包括霍尔效应传感器的磁强计确定外部磁场的
流程图；
[0039] 图8示出图3中示出为外部磁场的函数的两个电流的磁阻之差；
[0040] 图9根据本发明的实施例示出使用两个不同电流确定外部磁场的流程图；
[0041] 图10根据本发明的实施例示出磁强计中的磁阻材料上的电压的导数图；
[0042] 图11根据本发明的实施例示出用于过滤掉低磁场的过滤器的响应；以及[0043] 图12根据本发明的实施例示出使用小AC磁场确定外部磁场的流程图。
具体实施方式
[0044] 下面描述的磁强计的实施例适用于宽动态磁场范围上的磁场测量。下面描述的磁强计的实施例具有作为例如磁场传感器和/或作为电流传感器的应用。
[0045] 图1中图示了本发明的磁强计100的示例。磁强计100包括磁阻材料和两个电极104，磁阻材料形成薄膜102，两个电极104贴附于磁阻材料102，每个电极104通过金属膜贴附于薄膜，且通过间隔距离l与另一个电极104分开。在一些实施例中，可存在四个薄膜和四个电极，使得四
端子测量是可能的。
[0046] 在图1中示出的实施例中，薄膜102在基底108上。在其他实施例中，磁强计不包括基底。
[0047] 如下面将进一步详细讨论的，在对磁阻材料施加外部磁场时，磁阻材料具有非线性电阻响应。在磁阻材料的一些实施例中，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。如本文中所用的，‘减小响应’表示其中磁阻相对于磁场的图的斜率为负的磁场范围，‘增加响应’表示其中磁阻相对于磁场的图的斜率为正的磁场范围。根据一些实施例，第一范围的磁场中的磁场强度包括比第二范围中的磁场强度更低范围的磁场强度。本文将电阻响应改变处(从减小响应到增加响应，或反之亦然)的磁场描述为磁翻转场Bswitch。
[0048] 磁强计包括一个或多个处理器(未示出)。一个或多个处理器中的至少一个被配置成确定对磁阻材料施加的外部磁场在第一范围中还是在第二范围中。在下面描述的实施例中，至少一个处理器被配置成确定外部磁场是在较低范围的磁场gL内还是在较高范围的磁场gU内。此外，一个或多个处理器中的至少一个被配置成至少部分基于磁阻材料对外部磁场的电阻响应确定外部磁场，并且确定外部磁场在第一范围中还是在第二范围中。
[0049] 处理器可以是能够执行规定要执行的动作的一组指令的任意合适的计算设备。术语‘计算设备’包括单独或联合执行一组或多组指令的设备的任意集合，该一组或多组指令用于确定对磁阻材料施加的外部磁场在第一范围中还是在第二范围中，以及用于至少部分基于磁阻材料对外部磁场的电阻响应确定外部磁场，并且确定外部磁场是在第一范围中还是在第二范围中。
[0050] 处理器包括机器可读介质，或与机器可读介质交互，机器可读介质上存储一组或多组计算机可执行指令和/或数据结构。指令实现对外部磁场进行确定的一个或多个方法。执行期间，指令还可完全或至少部分驻留在处理器内。在该情况下，处理器包括机器可读有形存储介质。
[0051] 在示例中将计算机可读介质描述为单个介质。此术语包括单个介质或多个介质。术语‘计算机可读介质’还应采取包括能够存储、编码或运送一组指令的任意介质，该一组指令由处理器执行且引起处理器执行确定外部磁场的方法。计算机可读介质还能够存储、编码并运送指令使用的数据结构或与指令关联的数据结构。术语‘机器可读介质’包括固态
存储器、非瞬态介质、光介质、磁介质以及载波信号。
[0052] 根据图1中示出的实施例，磁强计包括磁场传感器110，其用作磁场
开关，位于接近薄膜102处。磁场传感器可例如是霍尔效应传感器。霍尔效应传感器可以是低成本霍尔效应传感器。至少一个处理器与霍尔效应传感器110电通信，且使用来自霍尔效应传感器的测量结果，来确定外部磁场是在第一范围中还是在第二范围中(如图7中所示)。
[0053] 如图2中所示的另一个实施例中，磁强计200包括磁场开关210，其与磁阻薄膜202位于同一基底208上。在图2中所示的实施例中，金属电极204位于薄膜202上，薄膜
202包括磁阻材料，且薄膜位于半导体膜212上，半导体膜212本身位于基底208上。
[0054] 如同参照图1描述的实施例，在磁强计200的其它实施例中，磁强计不包括基底。
[0055] 在一些实施例中，处理器中的至少一个被配置成根据磁阻膜(如图9中所示)的非欧姆特性或通过施加小的AC磁场(如图12中所示)确定磁翻转场。在这些实施例中，不需要(例如参照图1和2描述的)磁场开关。如果需要确定施加到磁阻材料的外部磁场的极性，可例如通过对磁阻材料施加偏置DC磁场来确定。
[0056] 磁阻材料
[0057] 磁阻材料具有磁阻特性，磁阻特性响应于施加的外部磁场可测量。术语‘磁阻特性’指具有磁阻的材料的特性，磁阻是施加的外部磁场的函数R(B)，其中B是对磁阻材料施加的外部磁场。对应的磁阻被定义为MR＝[R(B)-R(0)]/R(0)，其中R(B)是磁场B施加到材料时，磁阻材料的电阻，且R(0)是没有磁场施加到材料时的电阻。
[0058] 图3示出在两个不同电流(-0.07mA以及-1.5mA)下磁阻材料对施加的磁场的磁阻响应的示例。为了确定磁阻材料的电阻，施加电流通过磁阻材料，使得可使用电极装置测量材料上的电压。由此，可确定磁阻材料的电阻。如本文所使用的，术语‘磁阻特性’、‘磁阻’以及‘电阻’指磁阻材料的电阻。根据磁阻材料，磁阻测量通常指示微特斯拉到几十特斯拉范围中的外部磁场值。下面将更详细地描述包括磁阻材料的薄膜的特性和构造。
[0059] 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V1(B)是施加的磁场B的函数，该磁场B施加到磁阻材料。最初V1(B)随着递增的外部磁场B而减小，直至磁翻转场Bswitch，此后，V1(B)随着递增的磁场而增加。磁场从0T到Bswitch的范围是磁场的较低范围gL，而磁场从Bswitch向上的范围是磁场的较高范围gU。因此，针对某些范围的磁场，V1(B)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Bswitch，如图5中所示。可通过确定B是大于还是小于Bswitch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ZnFe2O4、BaFe12O9以及Ni0.5Zn0.5Fe2O4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(SiO2)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，Bswitch在0.1和2T之间，且可检测的场的范围是从小于100μT到8T。在优选的实施例中，Bswitch在0.8和1.5T之间，且可检测的场的范围是从20μT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l远小于电极的尺寸a×b。在一个实施例中，l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16 -2
上的10mm×10mm二氧化硅中的铁纳米簇。用15keV的
能量以及1×10 离子cm 的能量
密度注入铁
原子，然后在1000℃下电子束退火一个小时。从该材料切割8mm×4mm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l＝0.06mm且a＝b＝4mm。钛层用于增强铝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℃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0.8T，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 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] 使用霍尔效应传感器
[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I1施加到薄膜电极，且使用电极装置测量电压V1(B)。在一个实施例中，电流IH施加到霍尔效应传感器并且测量电压VH(B)。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gL，霍尔效应传感器对准确检测施加的磁场不足够灵敏。如果VH比VH,switch高(见图6)，那么V1(B)对应于曲线V1(B)的较高磁场gU，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,switch阈值。通过如图4中所示的V1的初始校准测量来确定VH,switch，也能据此确定BSwitch。根据图6中所示的霍尔效应传感器校准数据，实际确定的BSwitch可用于确定VH,switch。
[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V1＞V0的第一步，对V1(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gu(V1)中。如果V1(B)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VH和VH,switch阈值进行比较，来确定外部磁场是在较低磁场范围gL内，还是在较高磁场范围gU内。
[0081] 使用磁阻材料的非欧姆特性
[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I1测量电压V1，针对电流I2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I1和I2的磁阻中的结果差异，I1＝1mA且I2＝0.5mA。ΔMRSwitch是在B＝BSwitch时的磁阻，可使用作为外部磁场B的函数的ΔMR的校准测量确定。因此，如果ΔMR大于ΔMRSwitch(如图8中所示)，那么，V1(B)对应于V1(B)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ΔMR：
[0083] ΔMR＝V1(B)/V1(0)-V2(B)/V2(0)
[0084] 其中，V1和V2分别是针对电流I1和电流I2所测量的电压。V1(B)和V2(B)是外部磁场B施加到磁阻材料时所测量的电压，且V1(0)和V2(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ΔMR与ΔMRSwitch阈值进行比较，确定外部磁场是在较低磁场范围gL内还是在较高磁场范围gU内。
[0086] 使用单独的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I1测量电压V1(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Bmsin(2πft)，其中Bm是幅度，f是频率，t是时间。如果Bm较小，那么，在施加磁场B0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] 图10中图示了VAC，在图10中能够看到，BSwitch可定义为VAC(B0)＝0的磁场。图10中的曲线是使用现象拟合函数(phenomenological fitting function)|V1|＝M0exp(-B/2
T1)+α0+α1B+α2B(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，如果VAC大于零，那么，V1(B)对应于曲线V1(B)的较大B，并且反之亦然。可使
用例如图11中所示的
低通滤波器去除AC信号，仅保留DC信号。根据其他实施例，可使用带通滤波器去除小的施加的AC信号，且可选择f使得其在需检测的磁场的已知的频率范围外。为了测量DC磁场，频率f应大于1Hz，优选地，大于25Hz。在一个实施例中，频率小于约1MHz。为了测量AC磁场，频率f应在约1Hz和约1MHz之间，且优选地，在约50Hz和约500kHz之间。理想地，频率f应在测量的AC磁场频率范围外，且优选地，测量的频率范围的值的至少约两倍。例如，如果用户想要测量0和1kHz之间的磁场，那么，频率f应大于1kHz，且优选地，至少约2kHz。
[0092] 图12中示出处理器中的至少一个使用的算法的流程图，该算法用于使用图10中的电压数据的导数确定外部磁场。至少一个处理器被配置成通过确定VAC是大于零还是小于零，来确定外部磁场是在较低磁场范围gL内还是在较高磁场范围gU内。
[0093] 磁强计的一些实施例可使用霍尔效应传感器、磁阻材料的非欧姆特性以及单独的AC磁场中的两个或多个的结合，来确定施加到磁强计的外部磁场。
[0094] 目的不是将本发明的范围限制到上述仅有的示例。本领域的技术人员应理解，不脱离本发明的范围的许多变化是可能的。
