[发明专利]宽动态范围磁强计

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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：

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

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

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。