(57)【要約】外部磁場を決定する磁力計１００は、電極配列体１０４を形成する磁気抵抗材料とプロセッサとを含む。磁気抵抗材料の抵抗性応答は、第１範囲の増加適用外部磁場に対する減少応答と、第２範囲の増加適用外部磁場に対する増加応答とを含む。電極配列体１０４は、磁気抵抗材料の当該適用外部磁場に対する抵抗性応答を測定する。プロセッサは、磁気抵抗材料に適用された外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを決定するべく構成される。プロセッサは、外部磁場を、磁気抵抗材料の当該外部磁場に対する抵抗性応答に少なくとも部分的に基づいて決定し、かつ、当該外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを決定するべく構成される。
2016505834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場を決定する磁力計であって、
磁気抵抗材料であって、前記外部磁場が前記磁気抵抗材料に適用された場合の抵抗性応答を有し、前記抵抗性応答は、第１範囲の増加外部磁場が適用された場合の減少応答と、第２範囲の増加外部磁場が適用された場合の増加応答とを含む磁気抵抗材料と、
前記磁気抵抗材料に結合された電極配列体であって、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場に対する前記磁気抵抗材料の抵抗性応答を測定する電極配列体と、
一以上のプロセッサであって、前記一以上のプロセッサの少なくとも一つが、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場が前記第１範囲にあるのか又は前記第２範囲にあるのかを決定するべく構成された一以上のプロセッサと
を含み、
前記一以上のプロセッサの少なくとも一つは、前記外部磁場を、前記磁気抵抗材料の前記外部磁場に対する前記抵抗性応答に少なくとも部分的に基づいて決定し、かつ、前記外部磁場が前記第１範囲にあるのか又は前記第２範囲にあるのかを決定するべく構成される磁力計。
【請求項２】
前記磁気抵抗材料は、大きな適用磁場がゼロまで低減される場合において無視できる残留磁気が存在する超常磁性挙動を示す請求項１の磁力計。
【請求項３】
前記磁気抵抗材料はナノ粒子を含み、
前記材料は、負の磁気抵抗に対し、一定範囲の動作温度にわたるナノ粒子間のスピントンネル効果に由来する電子スピン分極を示す請求項１又は２の磁力計。
【請求項４】
前記磁気抵抗材料は、室温において強磁性挙動を示す鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金及び酸化物、並びにこれらの混合物からなる群から選択されたナノ粒子を含む請求項３の磁力計。
【請求項５】
前記磁気抵抗材料は強磁性フェライトのナノ粒子を含む請求項３の磁力計。
【請求項６】
前記強磁性フェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９及びＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４からなる群から選択される請求項５の磁力計。
【請求項７】
前記ナノ粒子は酸化鉄（ＩＩ，ＩＩＩ）（Ｆｅ３Ｏ４）である請求項３又は４の磁力計。
【請求項８】
前記磁気抵抗材料は、半導体マトリクスに埋め込まれたナノ粒子及び非金属ナノ粒子を含む複合材料である請求項３から７のいずれか一項の磁力計。
【請求項９】
前記非金属ナノ粒子は銀（Ａｇ）である請求項８の磁力計。
【請求項１０】
前記半導体マトリクスは酸化アルニミウム（Ａｌ２Ｏ３）である請求項８又は９の磁力計。
【請求項１１】
前記ナノ粒子は、膜の基板の表面上に合成されるか又は前記表面に埋め込まれる請求項３から７のいずれか一項の磁力計。
【請求項１２】
前記膜は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）基板及び鉄（Ｆｅ）ナノ粒子を含む請求項１１の磁力計。
【請求項１３】
前記磁気抵抗材料は、イオン注入及び電子ビームアニーリングによって作られた二酸化ケイ素上の表面鉄ナノクラスターを包含する請求項１２の磁力計。
【請求項１４】
前記磁気抵抗材料を含む薄膜、厚膜、バルクナノ複合材料、及び／又は圧縮粉末の積層を含む請求項１又は２の磁力計。
【請求項１５】
前記電極配列体は２つの電極を含む請求項１から１４のいずれか一項の磁力計。
【請求項１６】
前記電極配列体は４つの電極を含む請求項１から１５のいずれか一項の磁力計。
【請求項１７】
前記一以上のプロセッサの少なくとも一つと電気通信するホール効果センサを含む請求項１から１６のいずれか一項の磁力計。
【請求項１８】
前記ホール効果センサは、前記磁気抵抗材料から物理的に分離される請求項１７の磁力計。
【請求項１９】
前記ホール効果センサは前記磁気抵抗材料と一体化される請求項１７の磁力計。
【請求項２０】
前記ホール効果センサは、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場に応答して電圧を生成するべく構成される請求項１７から１９のいずれか一項の磁力計。
【請求項２１】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値未満の場合に前記外部磁場が前記第１範囲にあると決定し、かつ、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値を超過する場合に前記外部磁場が前記第２範囲にあると決定するべく構成される請求項１８から２１のいずれか一項の磁力計。
【請求項２２】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値未満の場合に前記外部磁場が前記第２範囲にあると決定し、かつ、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値を超過する場合に前記外部磁場が前記第１範囲にあると決定するべく構成される請求項１８から２１のいずれか一項の磁力計。
【請求項２３】
前記磁気抵抗材料は非オーム特性を有し、
前記一以上のプロセッサの少なくとも一つのプロセッサは、前記磁気抵抗材料から非オーム性信号を決定し、
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記非オーム性信号を使用して、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場が前記第１範囲にあるのか又は前記第２範囲にあるのかを決定するべく構成される請求項１から２２のいずれか一項の磁力計。
【請求項２４】
前記少なくとも一つのプロセッサは、２つの異なる電流おける前記磁気抵抗材料の両端間の電圧差に少なくとも部分的に基づいて前記外部磁場を決定するべく構成される請求項１から２４のいずれか一項の磁力計。
【請求項２５】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記磁気抵抗材料に適用された、ＡＣ電圧をもたらすＡＣ電流成分に少なくとも部分的に基づいて前記外部磁場を決定するべく構成される請求項１から２５のいずれか一項の磁力計。
【請求項２６】
第１電圧Ｖ１が、前記電極配列体を使用して第１電流Ｉ１に対して測定され、
第２電圧Ｖ２が、前記電極配列体を使用して第２電流Ｉ２に対して測定される請求項１から２６のいずれか一項の磁力計。
【請求項２７】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記第１電流及び前記第２電流が適用された場合の磁気抵抗差ΔＭＲを、以下の式
ΔＭＲ＝Ｖ１（Ｂ）／Ｖ１（０）−Ｖ２（Ｂ）／Ｖ２（０）
を使用して計算するべく構成され、
ここで、Ｖ１及びＶ２は、電流Ｉ１及びＩ２それぞれに対する測定電圧であり、Ｖ１（Ｂ）及びＶ２（Ｂ）は、前記外部磁場Ｂが前記磁気抵抗材料に適用された場合の測定電圧であり、並びに、Ｖ１（０）及びＶ２（０）は、外部磁場が前記磁気抵抗材料に適用されない場合の測定電圧である請求項２７のいずれか一項の磁力計。
【請求項２８】
前記磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定するべく構成され、
前記磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈ以下の場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項２８の磁力計。
【請求項２９】
前記磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定するべく構成され、
前記磁気抵抗ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈ以下の場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項２８の磁力計。
【請求項３０】
制御磁気源が前記磁気抵抗材料に対し、前記外部磁場と相互作用をして前記磁気抵抗材料の両端間にＡＣ成分を有する結果的な電圧がもたらされるように、第１周波数のＡＣ磁場を適用するべく適合され、
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場が前記第１範囲にあるのか又は前記第２範囲にあるのかを前記ＡＣ成分に基づいて決定するべく構成される請求項１から３０のいずれか一項の磁力計。
【請求項３１】
前記第１周波数は、前記第１周波数が、決定対象の前記外部磁場の周波数範囲とは異なるように選択される請求項３１の磁力計。
【請求項３２】
前記第１周波数を有する電圧成分を前記ＡＣ成分から除去するべく構成された周波数フィルタを含む請求項３１又は３２の磁力計。
【請求項３３】
前記周波数フィルタは低域通過フィルタ又は帯域フィルタである請求項３３の磁力計。
【請求項３４】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ＡＣ成分がしきい値を超過する場合に前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定し、かつ、前記ＡＣ成分がしきい値未満の場合に前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項３１から３５のいずれか一項の磁力計。
【請求項３５】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ＡＣ成分がしきい値を超過する場合に前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定し、かつ、前記ＡＣ成分がしきい値未満の場合に前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項３１から３５のいずれか一項の磁力計。
【請求項３６】
第１周波数は、前記外部磁場の測定周波数範囲の値の少なくとも約２倍である請求項３１から３７のいずれか一項の磁力計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、広いダイナミックレンジの磁場測定を行う方法、システム及び装置と、当該方法、システム及び装置の、例えば、磁場センサ及び電流センサのような磁気エレクトロニクスデバイスにおけるアプリケーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁場測定を目的として多くの技術が目下利用可能であるが、低磁場（＜１μΤ）及び高磁場（数十テスラまで）双方を確実に測定する磁力計デバイスのオプションは極めて少数である。ほとんどの場合、低磁場測定に有用な磁力計は、高磁場を確実に測定するべく使用することができず、かつ、高磁場測定に有用な磁力計は、低磁場を確実に測定するべく使用することができない。当該測定は、無停電電力システム及び他のデバイスにおける非接触電流測定を含むいくつかのアプリケーションが必要とする。
【０００３】
誘導さぐりコイルが最も多用途の技術である。当該コイルは、異なるアプリケーションに対して具体的に設計することができるからである。しかしながら、この技術は、ＡＣ磁場が測定できるのみであり、サイズが低減されるにつれて感度が減少する。電池、イオン輸送及び加速器システム用の電力制御のようないくつかのアプリケーションでは、ワイヤ又は電磁石いずれかを流れる電流から、広範囲の磁場にわたって磁場を精密に測定する能力が必要とされる。現在のところ、これは、いくつかの補足的なセンサを使用することによってのみ達成可能である。
【０００４】
精密な磁場測定は、ナビゲーションから加速器技術及び材料科学までの広範囲の分野及びアプリケーションにおいて必要とされる。当該測定はまた、例えば一般電池、太陽電池又は燃料電池の制御を目的とするような、接点なしで導体を流れる電流を測定する必要性が存在する場合にも必要とされる。これらの及び他のアプリケーションにとって、センサの寸法は限られる。多くの異なる技術が、電磁誘導、ホール効果、核歳差運動、ファラデー回転、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）、磁気抵抗、巨大磁気インピーダンス及びフラックスゲートのような異なる物理原理に基づいて開発されている。様々な磁場範囲において優れた感度が得られた。しかしながら、広範囲の磁場（ナノテスラから数十テスラ）を測定するべく特定の磁気センサを使用することには課題が存在する。例えば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ及び異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサは小さくかつ小さな磁場を測定することができるが、これらのデバイスは、磁気材料の飽和に起因して〜５０ｍＴまでに限られる。ＳＱＵＩＤも小さいが高価であり、この技術を利用するセンサは、大きな磁場の測定には使用されない。核歳差運動も高価であり、小型化することができず、かつ、小さな磁場を測定することができない。バルクホール効果センサは最も一般的な磁気センサであり、小型化可能ではあるが、小さな磁場を測定することができない。２Ｄ電子ガスホール効果センサはバルクホール効果センサよりも高感度（〜１０倍）であるが、中程度の磁場において非線形となる。
【０００５】
大きな磁気抵抗器は、広範囲の磁場を測定するのに優れた方法を与えることができる。実際のところ、ＡＭＲ、磁気トンネル効果接合（ＭＴＪ）及びＧＭＲは、低磁場（数ナノテスラまで）を高感度でプローブすることができる。しかしながら、磁気材料の飽和により、〜０．１Ｔ未満の磁場に対してはその使用が限られる。さらに、これらはヒステリシスの影響を受けるので、飽和磁場をはるかに下回る磁場で操作される場合に感度の大きな変動を示し得る。他の磁気抵抗のタイプは、アバランシェ降伏、スピン注入磁気抵抗及び幾何学的磁気抵抗を含む。これらの磁気抵抗のタイプの一つを示す材料は、高磁場（＞０．５Ｔ）を測定するべく使用することができるが、小磁場（＜０．１Ｔ）を測定する感度としては十分ではない。例えば、電極間ギャップが広い二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）基板上の鉄（Ｆｅ）ナノ粒子のようなナノ構造材料は、大きな正の磁気抵抗を有する。相対的に大きな磁気抵抗は、圧縮された酸化鉄（ＩＩ，ＩＩＩ）（Ｆｅ３Ｏ４）ナノ粉末においても観測されている。しかしながらこの場合、磁気抵抗はスピントンネル効果に由来するので、界面境界及びその付近における近界面磁気無秩序及びスピン散乱の効果が意味するのは、上記材料は、小さな磁場の測定には使用できないということである。ナノ粒子Ｆｅ：Ａｌ２Ｏ３薄膜が、高磁場の線形挙動を有する大きな正の磁気抵抗を示している。磁気抵抗を示す化合物は磁場測定に使用することができるが、小磁場から高磁場までの広範囲にわたる単一の技術は存在しない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、上記システムの欠点を克服することにより、磁気センサに広いダイナミックレンジを与え及び／又は少なくとも有用な選択肢を与えることにある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１７５６０３（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一側面によれば、外部磁場を決定する磁力計が与えられる。この磁力計は、磁気抵抗材料であって、外部磁場が当該磁気抵抗材料に適用された場合の抵抗性応答を有し、当該抵抗性応答は、第１範囲の増加外部磁場が適用された場合の減少応答と、第２範囲の増加外部磁場が適用された場合の増加応答とを含む磁気抵抗材料と、当該磁気抵抗材料に結合された電極配列体であって、当該磁気抵抗材料に適用された外部磁場に対する当該磁気抵抗材料の抵抗性応答を測定する電極配列体と、一以上のプロセッサであって、当該一以上のプロセッサの少なくとも一つが、当該磁気抵抗材料に適用された外部磁場が当該第１範囲にあるのか又は当該第２範囲にあるのかを決定するべく構成された一以上のプロセッサとを含み、当該一以上のプロセッサの少なくとも一つは、当該外部磁場を、当該磁気抵抗材料の当該外部磁場に対する抵抗性応答に少なくとも部分的に基づいて決定し、かつ、当該外部磁場が当該第１範囲にあるのか又は当該第２範囲にあるのかを決定するべく構成される。
【０００９】
一実施形態において、磁気抵抗材料は、大きな適用磁場がゼロまで低減される場合に無視できる残留磁気が存在する超常磁性挙動を示す。
【００１０】
一実施形態において、磁気抵抗材料はナノ粒子を含み、当該材料は、負の磁気抵抗に対して電子スピン分極を示す。これは、一定範囲の作動温度にわたるナノ粒子間のスピントンネル効果に由来する。一実施形態において、磁気抵抗材料は、室温において強磁性挙動を示す鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金及び酸化物、並びにこれらの混合物からなる群から選択されたナノ粒子を含む。一実施形態において、磁気抵抗材料は強磁性フェライトのナノ粒子を含む。一実施形態において、強磁性フェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９及びＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４からなる群から選択される。
【００１１】
他実施形態において、磁力計は、磁気抵抗材料を含む薄膜を含む。一つの実施形態において、ナノ粒子は、薄膜の基板の表面上に合成されるか又は当該表面に埋め込まれる。一実施形態において、薄膜は二酸化ケイ素及び鉄ナノ粒子を含む。一実施形態において、磁気抵抗材料は、イオン注入及び電子ビームアニーリングによって作られた二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）上の表面鉄（Ｆｅ）ナノクラスターを包含する。
【００１２】
追加又は代替の実施形態において、磁力計は、薄膜の積層、厚膜、バルクナノ複合材料、及び／又は圧縮された粉末を含む。これらは磁気抵抗材料を含む。
【００１３】
一実施形態において、磁気抵抗材料は、半導体マトリクスに埋め込まれた電子スピン分極ナノ粒子及び非金属ナノ粒子を包含する複合材料である。電子スピン分極ナノ粒子間の、低磁場における負のスピン依存トンネル効果は、半導体マトリクス内の非金属ナノ粒子による正の幾何学的磁気抵抗と競合する。正味の結果は、低磁場に対する負の磁気抵抗、及び高磁場に対する磁場増加に伴い増加する磁気抵抗である。一実施形態において、電子スピン分極ナノ粒子は酸化鉄（ＩＩ，ＩＩＩ）（Ｆｅ３Ｏ４）である。一つの実施形態において、非金属ナノ粒子は銀（Ａｇ）である。一実施形態において、半導体マトリクスは酸化アルニミウム（Ａｌ２Ｏ３）である。
【００１４】
一実施形態において、電極配列体は２つの電極を含む。一代替実施形態において、電極配列体は４つの電極を含む。
【００１５】
一実施形態において、磁力計は、一以上のプロセッサの少なくとも一つと電気通信するホール効果センサを含む。一実施形態において、ホール効果センサは、磁気抵抗材料から物理的に分離される。一代替実施形態において、ホール効果センサは磁気抵抗材料と一体化される。一実施形態において、ホール効果センサは、当該磁気抵抗材料に適用された外部磁場に応答して電圧を生成するべく構成される。一実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、ホール効果センサが生成した電圧がしきい値未満である場合に外部磁場が第１範囲にあると決定し、かつ、ホール効果センサが生成した電圧がしきい値を超える場合に外部磁場が第２範囲にあると決定するべく構成される。一代替実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、ホール効果センサが生成した電圧がしきい値未満である場合に外部磁場が第２範囲にあると決定し、かつ、ホール効果センサが生成した電圧がしきい値を超える場合に外部磁場が第１範囲にあると決定するべく構成される。
【００１６】
一実施形態において、磁気抵抗材料は非オーム特性を有する。これは、磁気抵抗材料を流れる一定範囲の電流が、磁気抵抗材料の両端間に適用される電圧の非線形関数となる特性である。一実施形態において、一以上のプロセッサの少なくとも一つが、磁気抵抗材料から非オーム性信号を決定するべく構成される。ここで、少なくとも一つのプロセッサは、磁気抵抗材料に適用された外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを決定するべく非オーム性信号を使用するように構成される。一実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、２つの異なる電流における磁気抵抗材料の両端間の電圧差に少なくとも部分的に基づいて外部磁場を決定するべく構成される。一代替実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、磁気抵抗材料に適用された、ＡＣ電圧をもたらすＡＣ電流成分に少なくとも部分的に基づいて外部磁場を決定するべく構成される。一実施形態において、第１電流Ｉｌに対する電極配列体を使用して第１電圧Ｖ１が測定され、かつ、第２電流Ｉ２に対する電極配列体を使用して第２電圧Ｖ２が測定される。一実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、磁気抵抗材料の非オーム特性からスイッチング磁場を決定するべく構成される。一実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、第１及び第２電流が適用された場合の磁気抵抗差ΔＭＲを、以下の式を使用して計算するべく構成される。
ΔＭＲ＝Ｖ１（Ｂ）／Ｖ１（０）−Ｖ２（Ｂ）／Ｖ２（０）
ここで、Ｖ１及びＶ２はそれぞれ、電流Ｉ１及びＩ２に対する測定電圧である。Ｖ１（Ｂ）及びＶ２（Ｂ）は、外部磁場Ｂが磁気抵抗材料に適用された場合の測定電圧であり、Ｖ１（０）及びＶ２（０）は、外部磁場が磁気抵抗材料に適用されない場合の測定電圧である。
【００１７】
一実施形態において、磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する場合、少なくとも一つのプロセッサは、外部磁場が第２範囲の磁場にあると決定するべく構成され、かつ、磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈに等しい場合、少なくとも一つのプロセッサは、外部磁場が第１範囲の磁場にあると決定するべく構成される。一代替実施形態において、磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する場合、少なくとも一つのプロセッサは、外部磁場が第１範囲の磁場にあると決定するべく構成され、かつ、磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈ以下の場合、少なくとも一つのプロセッサは、外部磁場が第２範囲の磁場にあると決定するべく構成される。
【００１８】
一実施形態において、制御磁気源が磁気抵抗材料に対し、外部磁場と相互作用をして当該磁気抵抗材料の両端間にＡＣ成分を有する結果的な電圧がもたらされるように、第１周波数のＡＣ磁場を適用するべく適合される。ここで、少なくとも一つのプロセッサは、磁気抵抗材料に適用された外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを当該ＡＣ成分に基づいて決定するべく構成される。一実施形態において、磁力計は制御磁気源を含む。一実施形態において、ＡＣ磁場は小さなＡＣ磁場である。一実施形態において、第１周波数は、当該第１周波数が、決定対象の外部磁場の周波数範囲とは異なるように選択される。一実施形態において、外部磁場がＤＣ磁場である場合、第１周波数は、約１Ｈｚ、好ましくは約２５Ｈｚを超過し、及び、好ましくは約１ＭＨｚ未満である。一実施形態において、外部磁場がＡＣ磁場である場合、第１周波数は、約１Ｈｚ〜約１ＭＨｚ、及び、好ましくは約５０Ｈｚ〜約５００ｋＨｚである。一実施形態において、第１周波数は、外部磁場の測定された周波数範囲の値の少なくとも約２倍である。例えば、ユーザが０〜１ｋＨｚの磁場を測定したい場合、周波数ｆは１ｋＨｚを超過し、好ましくは少なくとも約２ｋＨｚとすべきである。一実施形態において、ＡＣ磁場は、周波数フィルタを使用して除去される。一実施形態において、磁力計は、第１周波数を有する電圧成分をＡＣ成分から除去するべく構成された周波数フィルタを含む。一実施形態において、周波数フィルタは低域通過フィルタである。一代替実施形態において、周波数フィルタは帯域フィルタである。一実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、ＡＣ成分がしきい値を超過する場合に外部磁場が第１範囲の磁場にあると決定し、かつ、ＡＣ成分がしきい値未満の場合に外部磁場が第２範囲の磁場にあると決定するべく構成される。一代替実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、ＡＣ成分がしきい値を超過する場合に外部磁場が第２範囲の磁場にあると決定し、かつ、ＡＣ成分がしきい値未満の場合に外部磁場が第１範囲の磁場にあると決定するべく構成される。
【００１９】
本発明に関連する技術分野において既知の等価物を有する特定の整数がここに記載される場合、当該既知の等価物は、あたかも個別に記載されているかのように、ここに組み込まれるとみなされる。
【００２０】
加えて、本発明の特徴又は側面がマーカッシュ群で記載される場合、当業者には、本発明がまた、当該マーカッシュ群の任意の個々の要素又は下位群の要素についても記載されていることがわかる。
【００２１】
ここで使用されることだが、名詞に後続する「（複数可）」は、当該名詞の複数形及び／又は単数形を意味する。
【００２２】
ここで使用されることだが、用語「及び／又は」は、「及び」若しくは「又は」又はその双方を意味する。
【００２３】
本明細書において使用される用語「〜を含む」は、「少なくとも一部が〜からなる」ことを意味する。本明細書において用語「〜を含む」各文章を解釈するときは、当該用語の前に置かれた単数又は複数の特徴以外の特徴も存在し得る。「複数の〜を含む」及び「単数の〜を含む」のような関連用語も同様に解釈される。
【００２４】
意図されることだが、ここに開示される数の範囲（例えば１〜１０）はまた、当該範囲内のすべての有理数（例えば１、１．１、２、３、３．９、４、５、６、６．５、７、８、９及び１０）、さらには、当該範囲内の有理数の任意の範囲（例えば２〜８、１．５〜５．５及び３．１〜４．７）への参照も含み、ひいては、ここに明示的に開示されるすべての範囲のすべての下位範囲も明示的に開示される。これらは、特定的に意図されたものの例にすぎず、列挙された最小値と最大値との間の数値のすべての可能な組み合わせが、本願において同様の態様で明示的に述べられているとみなされる。
【００２５】
本明細書において、特許明細書、他の外部文書、又は他の情報源を参照する場合、これは一般に、本発明の特徴を説明するための文脈を与えることを目的とする。特に述べない限り、当該外部文書又は当該情報源への参照は、当該書類又は当該情報源が、いずれの管轄権においても先行技術であり又は当業界の一般的な共通知識の一部を形成すると認めるものを解釈してはならない。
【００２６】
本発明は上述のように広く定義されるが、当業者には、本発明がそれに限定されないこと、及び、本発明が以下の記載により例を与える実施形態も含むことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の実施形態が、図面を参照して非制限的な例によって記載される。
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るホール効果センサを含む磁力計を示す。
【図２】本発明の第２実施形態に係るホール効果センサを含む磁力計を示す。
【図３】２つの異なる電流における磁気抵抗応答を、本発明の一実施形態の磁力計に適用される外部磁場の関数として示す。
【図４】本発明の一実施形態の磁力計の電圧応答を、外部磁場の関数として示す。
【図５】図４の電圧関数の反転を示す。
【図６】ホール効果センサの外部磁場に対する電圧応答を示す。
【図７】本発明の一実施形態に係るホール効果センサを含む磁力計を使用して外部磁場を決定するフローチャートを示す。
【図８】図３に示された２つの電流に対する磁気抵抗差を、外部磁場の関数として示す。
【図９】本発明の一実施形態に係る２つの異なる電流を使用して外部磁場を決定するフローチャートを示す。
【図１０】本発明の一実施形態に係る磁力計における磁気抵抗材料の両端間の電圧の微分プロットを示す。
【図１１】本発明の実施形態に係る低磁場を除去するフィルタの応答を示す。
【図１２】本発明の一実施形態に係る小さなＡＣ磁場を使用して外部磁場を決定するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に記載される磁力計の実施形態は、広いダイナミック磁場レンジにわたる磁場測定に適する。以下に記載の磁力計の実施形態は、例えば、磁場センサとして及び／又は電流センサとしてのアプリケーションを有する。
【００３０】
本発明の磁力計１００の一実施形態が図１に例示される。磁力計１００は、薄膜１０２を形成する磁気抵抗材料と、磁気抵抗材料１０２に取り付けられた２つの電極１０４とを含む。各電極１０４は、金属膜を介して薄膜に取り付けられ、それぞれ他方の電極１０４からギャップ距離ｌだけ離間する。いくつかの実施形態において、４端子測定が可能となるように４つの薄膜及び４つの電極が存在する。
【００３１】
図１に示される実施形態において、薄膜１０２は基板１０８上に存在する。他実施形態において、磁力計は基板を含まない。
【００３２】
以下でさらに詳述されることだが、磁気抵抗材料は、外部磁場が磁気抵抗材料に適用された場合に非線形抵抗性応答を有する。磁気抵抗材料のいくつかの実施形態において、抵抗性応答は、第１範囲の増加外部磁場が適用された場合の減少応答と、第２範囲の増加外部磁場が適用された場合の増加応答とを含む。ここで使用されることだが、「減少応答」は、磁気抵抗の、磁場に対するプロットの傾斜が負となる磁場範囲を表す。「増加応答」は、磁気抵抗の、磁場に対するプロットの傾斜が正となる磁場範囲を表す。いくつかの実施形態によれば、第１範囲の磁場における磁場強度は、第２範囲の磁場のものよりも下範囲の磁場強度を含む。抵抗性応答が（減少応答から増加応答に又は増加応答から減少応答に）変わる磁場は、ここでは、スイッチング磁場ＢＳｗｉｔｃｈとして記載される。
【００３３】
磁力計は一以上のプロセッサ（図示せず）を含む。一以上のプロセッサの少なくとも一つは、磁気抵抗材料に適用された外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを決定するべく構成される。以下に記載の実施形態において、少なくとも一つのプロセッサは、外部磁場が下範囲の磁場ｇＬにあるのか又は上範囲の磁場ｇＵにあるのかを決定するべく構成される。さらに、一以上のプロセッサの少なくとも一つは、外部磁場を、磁気抵抗材料の当該外部磁場に対する抵抗性応答に少なくとも部分的に基づいて決定し、かつ、当該外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを決定するべく構成される。
【００３４】
プロセッサ（複数可）は、実行すべきアクションを特定する一組の命令を実行することができる任意の適切な演算デバイスである。用語「演算デバイス」は、磁気抵抗材料に適用された外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを決定するべく、並びに、外部磁場を、磁気抵抗材料の当該外部磁場の抵抗性応答に少なくとも部分的に基づいて決定し、及び当該外部磁場が当該第１範囲にあるのか又は当該第２範囲にあるのかを決定するべく、一組又は多数組の命令を個別に又は一緒に実行する複数デバイスの任意の集合を含む。
【００３５】
プロセッサは、一以上の組のコンピュータ実行可能命令及び／又はデータ構造が記憶された機械可読媒体を含み又は当該機械可読媒体とのインタフェイスを有する。命令は、外部磁場を決定する方法の一以上を実装する。命令はまた、実行中のプロセッサ内に完全に又は少なくとも部分的に存在する。その場合、プロセッサは、機械可読有体記憶媒体を含む。
【００３６】
コンピュータ可読媒体は、一例において、単数の媒体として記載される。この用語は、単数の又は複数の媒体を含む。用語「コンピュータ可読媒体」はまた、プロセッサによる実行を目的として一組の命令を記憶し、エンコードし、又は担持することができ、かつ、当該プロセッサに外部磁場を決定する方法を行わせる任意の媒体を含むとみなすべきである。コンピュータ可読媒体はまた、命令によって使用され又は当該命令に関連付けられるデータ構造を記憶し、エンコードし、又は担持することもできる。用語「機械可読媒体」は、固体メモリ、非一時的媒体、光媒体、磁気媒体及び搬送波信号を含む。
【００３７】
図１に示される実施形態によれば、磁力計は、薄膜１０２に近接して配置されて磁場スイッチとして作用する磁場センサ１１０を含む。磁場センサは、例えばホール効果センサである。ホール効果センサは、低コストなホール効果センサであってよい。少なくとも一つのプロセッサは、外部磁場が第１範囲にあるのか又は第２範囲にあるのかを決定するべく（図７に示される）、ホール効果センサ１１０と電気通信して当該ホール効果センサからの測定値を使用する。
【００３８】
図２に示される他実施形態において、磁力計２００は磁場スイッチ２１０を含む。磁場スイッチ２１０は、磁気抵抗薄膜２０２と同じ基板２０８に配置される。図２に示される実施形態において、金属電極２０４は磁気抵抗材料を含む薄膜２０２上に位置決めされ、かつ、当該薄膜は半導体膜２１２上に位置決めされる。半導体膜２１２自体は、基板２０８上に位置決めされる。
【００３９】
図１を参照して記載される実施形態について、磁力計２００の他の実施形態においては、当該磁力計は基板を含まない。
【００４０】
いくつかの実施形態において、プロセッサの少なくとも一つがスイッチング磁場を、磁気抵抗膜の非オーム特性から決定（図９に示される）し、又は小さなＡＣ磁場を適用することにより決定（図１２に示される）するべく構成される。これらの実施形態において、磁場スイッチ（図１及び２）は必要とされない。磁気抵抗材料に適用された外部磁場の極性を決定する必要がある場合、これは例えば、バイアスＤＣ磁場を当該磁気抵抗材料に適用することによって決定することができる。
【００４１】
磁気抵抗材料
【００４２】
磁気抵抗材料は、適用される外部磁場に応答して測定可能な磁気抵抗特性を有する。用語「磁気抵抗特性」は、適用される外部磁場Ｒ（Ｂ）の関数である磁気抵抗を有する材料の特性を言及する。ここで、Ｂは、磁気抵抗材料に適用される外部磁場である。対応する磁気抵抗が、ＭＲ＝［Ｒ（Ｂ）−Ｒ（０）］／Ｒ（０）として定義される。ここで、Ｒ（Ｂ）は、磁気抵抗材料の、磁場Ｂが当該材料に適用された場合の抵抗であり、Ｒ（０）は、当該材料に適用される磁場が存在しない場合の抵抗である。
【００４３】
図３は、２つの異なる電流（−０．０７ｍＡ及び−１．５ｍＡ）における適用磁場に対する磁気抵抗材料の磁気抵抗応答の一例を示す。磁気抵抗材料の抵抗を決定するべく、磁気抵抗材料を通る電流が、電極配列体を使用して当該材料の両端間に電圧が測定できるように、適用される。これにより、磁気抵抗材料の抵抗を決定することができる。ここで使用されることだが、用語「磁気抵抗特性」、「磁気抵抗」及び「抵抗」は、磁気抵抗材料の抵抗を言及する。磁気抵抗測定は一般に、磁気抵抗材料に応じたマイクロテスラから数十テスラまでの範囲にある外部磁場の値を示す。磁気抵抗材料を含む薄膜の特性及び構造は、以下に詳述される。
【００４４】
磁気抵抗材料は、好ましくは以下を特徴とする。
・抵抗が最初は減少するがその後、増加磁場が適用されるにつれて増加する磁気抵抗挙動。
・大きな適用磁場がゼロまで低減される場合に、無視できる残留磁気が存在する超常磁性挙動。
【００４５】
図４を参照すると、電極配列体を使用して測定された磁気抵抗材料の両端間の電圧Ｖ１（Ｂ）が、当該磁気抵抗材料に適用される適用磁場Ｂの関数となる。Ｖ１（Ｂ）は、スイッチング磁場ＢＳｗｉｔｃｈまでは増加外部磁場Ｂに伴い最初は減少する。その後、Ｖ１（Ｂ）は増加磁場に伴い増加する。０Ｔ〜ＢＳｗｉｔｃｈの範囲の磁場が下範囲の磁場ｇＬである一方、ＢＳｗｉｔｃｈから上の範囲の磁場が上範囲の磁場ｇＵである。このように、一定範囲の磁場に対してＶ１（Ｂ）の測定値は、２つの可能な磁場に対応する。これは、図５に示されるように、ＢがＢＳｗｉｔｃｈよりも大きいのか又は小さいのかによる。実際の磁場を、ＢがＢＳｗｉｔｃｈよりも大きいのか又は小さいのかを決定することによって決定することができる。
【００４６】
高透磁率超常磁性磁気抵抗材料を含む磁力計は、ヒステリシスが無視できかつ残留磁化が無視できる。すなわち、当該磁力計は、破損すること又はＧＭＲ、ＡＭＲ及びＭＴＪセンサにとっては必要な消磁を要求することもなく、極めて高い磁場にさらすことができる。当該磁力計は、低磁場センシングを目的としたバイアス磁場を追加することなく動作することができる。これは、適用磁場の正確かつ再現可能な測定を目的としてバイアス磁場が要求されるＧＭＲ及びＡＭＲセンサと対照的である。加えて、適用磁場のもとでの磁気抵抗の変化により、小磁場を測定するべく設計される場合のＧＭＲ、ＡＭＲ及びＭＴＪセンサによってはできない中程度の磁場から大きな磁場までの測定が可能となる。
【００４７】
一つの実施形態において、磁気抵抗材料は、大きな適用磁場がゼロまで低減される場合、無視できる残留磁気が存在する超常磁性挙動を示す。一つの実施形態において、磁気抵抗材料はナノ粒子を含み、当該材料は、負の磁気抵抗に対して、動作温度範囲にわたるナノ粒子間のスピントンネル効果に由来する電子スピン分極を示す。一つの実施形態において、磁気抵抗材料は、室温において強磁性挙動を示す鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金及び酸化物、並びにこれらの混合物からなる群から選択されたナノ粒子を含む。一つの実施形態において、磁気抵抗材料は強磁性フェライトのナノ粒子を含む。一つの実施形態において、強磁性フェライトは、ＺｎＦｅ２Ｏ４、ＢａＦｅ１２Ｏ９及びＮｉ０．５Ｚｎ０．５Ｆｅ２Ｏ４からなる群から選択される。
【００４８】
他実施形態において、磁力計は、磁気抵抗材料を含む薄膜を含む。一つの実施形態において、ナノ粒子は、薄膜の基板の表面上で合成され又は当該表面内に埋め込まれる。一つの実施形態において、薄膜は二酸化ケイ素及び鉄のナノ粒子を含む。
【００４９】
いくつかの実施形態において、磁力計は追加的又は代替的に、磁気抵抗材料を含む薄膜、厚膜、バルクナノ複合材料、及び／又は圧縮粉末の積層を含む。
【００５０】
本発明のいくつかの実施形態において、磁気抵抗材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）基板における鉄（Ｆｅ）のイオン注入と引き続いての電子ビームアニーリングとにより合成される。これらの実施形態において、ＢＳｗｉｔｃｈは０．１〜２Ｔ、かつ、検出可能な磁場範囲は＜１００μΤ〜８Ｔである。好ましい実施形態において、ＢＳｗｉｔｃｈは０．８〜１．５Ｔ、かつ、検出可能な磁場範囲は２０μΤ〜８Ｔである。
【００５１】
ある実施形態において、広ダイナミックレンジ磁気抵抗測定を可能とするべく、電極間のギャップｌは、電極の寸法ａ×ｂよりもかなり小さい。一つの実施形態において、ｌは０．０５〜０．２ｍｍの範囲であり、ａ及びｂは１〜４ｍｍの範囲である。いくつかの実施形態において、薄膜は厚さ８０〜５００ｎｍである。好ましい実施形態において、薄膜は厚さ４００ｎｍであり、ナノ構造領域は、当該表面上にかつ３０ｎｍまでの深さで存在する。
【００５２】
広ダイナミックレンジ磁力計の例
【００５３】
以下の記載により、図１に示される広ダイナミックレンジ磁力計の製作が説明される。
【００５４】
ケイ素基板上の１０ｍｍ×１０ｍｍの二酸化ケイ素に均一に分散された鉄ナノクラスターを含む磁気材料が、イオン注入及び電子ビームアニーリングを使用して製作された。鉄原子は、１５ｋｅＶのエネルギー及び１×１０１６イオン／ｃｍ２のフルエンスによって注入され、それに引き続き１０００℃において１時間の電子ビームアニーリングがされた。当該材料から８ｍｍ×４ｍｍのサンプルが切り取られた。
【００５５】
２つの電気接点が、高真空蒸着を使用して当該材料の両端に厚さ２ｎｍのチタン層を堆積し、それに引き続き厚さ２０ｎｍのアルニミウム層を堆積することによって製作された。電極の寸法はｌ＝０．０６ｍｍかつａ＝ｂ＝４ｍｍである。チタン層は、アルニミウムと磁気材料との接着及び電気接点を改善するべく使用された。磁気材料と接点との導電率を改善するべく、約３００℃において３０分間のアニーリングがされた。
【００５６】
様々な電流及び較正された精密な電磁石を備えた安定化電流発生器を有する市販の電子輸送測定ツールにおいて、トランスデューサが試験された。これは、異なる適用磁場を受けた。当該磁気材料は、広範囲の外部磁場（０Ｔ〜８Ｔ）にわたって大きな感度を示した。図３に示されるように、Ｉ＝−１．５ｍＡに対し、応答は２つの傾向を示した。一方は低磁場かつ約０．８Ｔまでであり、他方は約０．８Ｔ〜８Ｔを上回る高磁場であった。図３は、Ｉ＝−１．５ｍＡに対する磁気抵抗及びＩ＝−０．０７ｍＡに対する磁気抵抗の非オーム性挙動を示す。
【００５７】
図２に表される一代替構成は、ナノ構造磁気抵抗薄膜２０２によって部分的に覆われたＳｉ又はＡｓＧａのような半導体基板２０８の使用を含む。ナノ構造薄膜は、当該表面上に磁気ナノ構造を形成するべく絶縁体を堆積し、それに引き続いてイオン注入及び電子ビームアニーリングをすることによって製作することができる。当該膜は、化学蒸着、プラズマ蒸着及びイオンビームスパッタ堆積のような標準的な堆積法を使用して、マスクを通して堆積することができる。裸の半導体は、ホール効果測定を目的として使用することができる。ファン・デル・ポー幾何学形状にある４つの金属接点２１０が、裸の半導体上に堆積され、かつ、２つがナノ構造薄膜上に堆積される。上述と同じ堆積法を使用することができる。励起電流が２つの対向接点（ＩＨ＋，ＩＨ−）を通じて供給されて、（ＶＨ＋，ＶＨ−）の両端間の電圧が測定された。不変励起電流において、ホール効果は、電圧線形性に外部適用磁場による変化を引き起こす。適用磁場のもとでの磁気抵抗薄膜の抵抗を測定するべく、２つの金属接点（２０４）が使用される。ギャップ及び膜の寸法は、図１に示される実施形態に対して上述されたものと同様である。
【００５８】
上述の代替構成によれば、磁場を、良好な程度の空間精度で決定することができる。
【００５９】
外部磁場の決定
【００６０】
ホール効果センサの使用
【００６１】
一つの実施形態において、磁力計は、２つの別個のセンサ（図１に示される）又は一体化センサ（図２に示される）を含む。当該センサは磁気抵抗材料及びホール効果センサを含む。薄膜電極に電流Ｉ１が適用され、電圧Ｖ１（Ｂ）が、電極配列体を使用して測定される。一つの実施形態において、ホール効果センサに電流ＩＨが適用されて電圧ＶＨ（Ｂ）が測定される。外部磁場は、図６に示されるような適用磁場の線形関数であるホール効果センサからの電圧ＶＨ（Ｂ）を使用して決定することができる。低磁場ｇＬに対しては、ホール効果センサは、適用磁場を正確に検出するのに十分な感度がない。ＶＨがＶＨ，Ｓｗｉｔｃｈを超過する場合（図６参照）、Ｖ１（Ｂ）はＶ１（Ｂ）曲線からの上磁場ｇＵに対応し、かつ、Ｖ１（Ｂ）がＶ１（Ｂ）曲線からの上磁場ｇＵに対応する場合、ＶＨはＶＨ，Ｓｗｉｔｃｈを超過する。ここで、上磁場Ｂは、同じ磁気抵抗測定値を与える２つの磁場強度の高い方である。
【００６２】
ＶＨ，Ｓｗｉｔｃｈしきい値は、全範囲の磁場にわたって磁気抵抗応答を測定することにより決定することができる。ＶＨ，Ｓｗｉｔｃｈは、図４に示されるＶ１の最初の較正測定によって決定することができる。当該較正測定からは、ＢＳｗｉｔｃｈも決定される。図６に示されるホール効果センサの較正データから、実験的に決定されたＢＳｗｉｔｃｈを使用してＶＨ，Ｓｗｉｔｃｈを決定することができる。
【００６３】
図７に示されるのは、ホール効果センサを使用して外部磁場を決定するべく、プロセッサの少なくとも一つによって使用されるアルゴリズムを示すフローチャートである。少なくとも一つのプロセッサがＶ１＞Ｖ０か否かを決定する第１ステップにより、Ｖ１（Ｂ）が単数の値（磁場が実質的に高い結果、電圧が下磁場範囲における値に対応しない場合の値）であるか否かが決定される。当該単数の値の場合、磁場Ｂは上範囲の磁場ｇＵ（Ｖ１）にある。Ｖ１（Ｂ）が単数の値でない場合、少なくとも一つのプロセッサは、ホール効果センサからの電圧ＶＨをしきい値ＶＨ，Ｓｗｉｔｃｈと対比することにより、外部磁場が下磁場範囲ｇＬ内にあるのか又は上磁場範囲ｇＵにあるのかを決定するべく構成される。
【００６４】
磁気抵抗材料の非オーム特性の使用
【００６５】
一代替実施形態において、磁力計は、電極配列体を有する薄膜磁気抵抗材料を含むが、ホール効果センサを含まない。この場合、一以上のプロセッサの少なくとも一つは、磁気抵抗薄膜の非オーム特性を使用して磁場を決定するべく構成される。本実施形態において、電流Ｉ１に対して電圧Ｖ１が測定され、かつ、電流Ｉ２に対して電圧Ｖ２が測定される。これらの電圧は電極配列体を使用して測定される。スイッチング磁場は、当該膜の非オーム特性から決定することができる。図３に示されるように、磁気抵抗は、適用電流を使用して測定することができる。２つの異なる電流Ｉ１及びＩ２に対する結果的な磁気抵抗差が、Ｉ１＝−１ｍＡ及びＩ２＝０．５ｍＡに対し、図８においてプロットされる。ΔＭＲＳｗｉｔｃｈは、Ｂ＝ＢＳｗｉｔｃｈの場合の磁気抵抗である。これは、外部磁場Ｂの関数としてのΔＭＲの較正測定を使用して決定することができる。すなわち、ΔＭＲがΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する場合（図８に示される）、Ｖ１（Ｂ）はＶ１（Ｂ）曲線から上のＢに対応し、かつ、Ｖ１（Ｂ）がＶ１（Ｂ）曲線から上のＢに対応する場合、ΔＭＲはΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する。ΔＭＲは、以下の式を使用して測定電圧から容易に決定される。
ΔＭＲ＝Ｖ１（Ｂ）／Ｖ１（０）−Ｖ２（Ｂ）／Ｖ２（０）
ここで、Ｖ１及びＶ２は、電流Ｉ１及びＩ２それぞれに対する測定電圧である。Ｖ１（Ｂ）及びＶ２（Ｂ）は、外部磁場Ｂが磁気抵抗材料に適用された場合の測定電圧であり、Ｖ１（０）及びＶ２（０）は、外部磁場が磁気抵抗材料に適用されない場合の測定電圧である。
【００６６】
図９は、図８に示されるような磁気抵抗材料の非オーム特性と２つの異なる電流における電圧とを使用して外部磁場を決定するプロセッサの少なくとも一つによって使用されるアルゴリズムのフローチャートを示す。少なくとも一つのプロセッサは、２つの電流における磁気抵抗差ΔＭＲをしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈと対比することにより、外部磁場が下磁場範囲ｇＬにあるのか又は上磁場範囲ｇＵにあるのかを決定するべく構成される。
【００６７】
分離ＡＣ磁場の使用
【００６８】
一代替実施形態において、磁力計は、磁気抵抗材料を含む薄膜を含むが、ホール効果センサを含まない。電圧Ｖ１（Ｉ）が、電流Ｉ１に対し、電極配列体を使用して測定される。磁力計は、小さなＡＣ磁場Ｂｍｓｉｎ（２πｆｔ）を適用するべく構成された制御磁場源を含む。ここで、Ｂｍは大きさ、ｆは周波数、及びｔは時間である。Ｂｍが小さい場合、磁場Ｂ０が適用されたときの結果的な検出電圧は、
【数１】
2016505834.tif 000003
となり、それゆえ検出ＡＣ電圧振幅は、
【数２】
2016505834.tif 000004
となる。
【００６９】
ＶＡＣは図１０に例示される。ここでは、ＢＳｗｉｔｃｈを、ＶＡＣ（Ｂ０）＝０となる磁場として定義することができる。図１０の曲線は、現象論的フィッティング関数｜Ｖ１｜＝Ｍ０ｅｘｐ（−Ｂ／Ｔ１）＋ａ０＋ａ１Ｂ＋ａ２Ｂ２（図４において破線曲線として示される）を使用しての図４におけるデータへのフィッティングを微分することによって得られた。すなわち、ＶＡＣがゼロを超過する場合、Ｖ１（Ｂ）はＶ１（Ｂ）曲線から上のＢに対応し、かつ、Ｖ１（Ｂ）がＶ１（Ｂ）曲線から上のＢに対応する場合、ＶＡＣはゼロを超過する。ＡＣ信号は、例えば図１１に示される低域通過フィルタを使用して除去することができる。この場合、ＤＣ信号のみが残る。他実施形態によれば、小さな適用ＡＣ信号を除去するべく帯域フィルタを使用することができる。ｆは、検出された磁場の既知の周波数範囲から外れるように選択することができる。ＤＣ磁場を測定するには、周波数ｆは、１Ｈｚを超過、好ましくは２５Ｈｚを超過する必要がある。一つの実施形態において、周波数は約１ＭＨｚ未満である。ＡＣ磁場を測定するには、周波数ｆは、約１Ｈｚ〜約１ＭＨｚ、好ましくは約５０Ｈｚ〜約５００ｋＨｚとする必要がある。周波数ｆは理想的には、測定ＡＣ磁場周波数範囲から外れる必要があり、好ましくは当該測定周波数範囲の少なくとも約２倍である。例えば、ユーザが０〜１ｋＨｚの磁場を測定したい場合、周波数ｆは１ｋＨｚを超過し、好ましくは少なくとも約２ｋＨｚとする必要がある。
【００７０】
図１２に示されるのは、図１０における電圧データの微分を使用して外部磁場を決定するべく、プロセッサの少なくとも一つによって使用されるアルゴリズムのフローチャートである。少なくとも一つのプロセッサは、ＶＡＣがゼロを超過するのか又はゼロ未満なのかを決定することにより、外部磁場が下磁場範囲ｇＬにあるのか又は上磁場範囲ｇＵにあるのかを決定するべく構成される。
【００７１】
磁力計のいくつかの実施形態は、当該磁力計に適用された外部磁場を決定するべく、ホール効果センサ、磁気抵抗材料の非オーム特性、及び分離ＡＣ磁場の２つ以上の組み合わせを使用する。
【００７２】
本発明の範囲を上述の例のみに限定することは意図されない。当業者にわかることだが、本発明の範囲を逸脱することのない多くのバリエーションが可能である。
【図１】
2016505834.tif 000005
【図２】
2016505834.tif 000006
【図３】
2016505834.tif 000007
【図４】
2016505834.tif 000008
【図５】
2016505834.tif 000009
【図６】
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【図７】
2016505834.tif 000011
【図８】
2016505834.tif 000012
【図９】
2016505834.tif 000013
【図１０】
2016505834.tif 000014
【図１１】
2016505834.tif 000015
【図１２】
2016505834.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月17日(2015.8.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
一実施形態において、磁気抵抗材料は、半導体マトリクスに埋め込まれた電子スピン分極ナノ粒子及び非強磁性金属ナノ粒子を包含する複合材料である。電子スピン分極ナノ粒子間の、低磁場における負のスピン依存トンネル効果は、半導体マトリクス内の非強磁性金属ナノ粒子による正の幾何学的磁気抵抗と競合する。正味の結果は、低磁場に対する負の磁気抵抗、及び高磁場に対する磁場増加に伴い増加する磁気抵抗である。一実施形態において、電子スピン分極ナノ粒子は酸化鉄（ＩＩ，ＩＩＩ）（Ｆｅ３Ｏ４）である。一つの実施形態において、非強磁性金属ナノ粒子は銀（Ａｇ）である。一実施形態において、半導体マトリクスは酸化アルニミウム（Ａｌ２Ｏ３）である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場を決定する広ダイナミックレンジの磁力計であって、
磁気抵抗材料であって、前記外部磁場が前記磁気抵抗材料に適用された場合の抵抗性応答を有し、前記抵抗性応答は、ゼロ磁場からしきい値の範囲にある第１範囲の増加外部磁場が適用された場合の減少応答と、前記しきい値を上回る第２範囲の増加外部磁場が適用された場合の増加応答とを含む磁気抵抗材料と、
前記磁気抵抗材料に結合された電極配列体であって、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場に対する前記磁気抵抗材料の抵抗性応答を測定する電極配列体と、
一以上のプロセッサであって、前記一以上のプロセッサの少なくとも一つが、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場が前記第１範囲にあるのか又は前記第２範囲にあるのかを決定するべく構成された一以上のプロセッサと
を含み、
前記一以上のプロセッサの少なくとも一つは、前記外部磁場を、前記磁気抵抗材料の前記外部磁場に対する前記抵抗性応答に少なくとも部分的に基づいて決定し、かつ、前記外部磁場が前記第１範囲にあるのか又は前記第２範囲にあるのかを決定するべく構成される磁力計。
【請求項２】
前記磁気抵抗材料は、大きな適用磁場がゼロまで低減される場合において無視できるヒステリシスが存在しかつ無視できる残留磁気が存在する超常磁性挙動を示す請求項１の磁力計。
【請求項３】
前記磁気抵抗材料はナノ粒子を含み、
前記材料は、負の磁気抵抗に対し、一定範囲の動作温度にわたるナノ粒子間のスピントンネル効果に由来する電子スピン分極を示す請求項１又は２の磁力計。
【請求項４】
前記磁気抵抗材料は、しきい磁場を上回る正の磁気抵抗を示す請求項１から３のいずれか一項の磁力計。
【請求項５】
前記磁気抵抗材料は、室温において強磁性挙動を示す鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金及び酸化物、並びにこれらの混合物からなる群から選択されたナノ粒子を含む請求項３又は４の磁力計。
【請求項６】
前記ナノ粒子は酸化鉄（ＩＩ，ＩＩＩ）（Ｆｅ３Ｏ４）である請求項３から５のいずれか一項の磁力計。
【請求項７】
前記磁気抵抗材料は、半導体マトリクスに埋め込まれた強磁性金属かつ電子スピン分極のナノ粒子及び非強磁性金属ナノ粒子を含む複合材料である請求項３から６のいずれか一項の磁力計。
【請求項８】
前記非強磁性金属ナノ粒子は銀（Ａｇ）である請求項７の磁力計。
【請求項９】
前記半導体マトリクスは酸化アルニミウム（Ａｌ２Ｏ３）である請求項７又は８の磁力計。
【請求項１０】
前記ナノ粒子は、膜の基板の表面上に合成されるか又は前記表面に埋め込まれる請求項３から６のいずれか一項の磁力計。
【請求項１１】
前記膜は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）基板及び鉄（Ｆｅ）ナノ粒子を含む請求項１０の磁力計。
【請求項１２】
前記磁気抵抗材料は、イオン注入及び電子ビームアニーリングによって作られた二酸化ケイ素上の表面鉄ナノクラスターを包含する請求項１１の磁力計。
【請求項１３】
前記磁気抵抗材料を含む薄膜、厚膜、バルクナノ複合材料、及び／又は圧縮粉末の積層を含む請求項１又は２の磁力計。
【請求項１４】
前記電極配列体は２つの電極を含む請求項１から１３のいずれか一項の磁力計。
【請求項１５】
前記電極配列体は４つの電極を含む請求項１から１４のいずれか一項の磁力計。
【請求項１６】
前記一以上のプロセッサの少なくとも一つと電気通信するホール効果センサをさらに含む請求項１から１５のいずれか一項の磁力計。
【請求項１７】
前記ホール効果センサは、前記磁気抵抗材料から物理的に分離される請求項１６の磁力計。
【請求項１８】
前記ホール効果センサは同じ半導体基板上で前記磁気抵抗材料と一体化される請求項１７の磁力計。
【請求項１９】
前記ホール効果センサは、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場に応答して電圧を生成するべく構成される請求項１６から１８のいずれか一項の磁力計。
【請求項２０】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値未満の場合に、測定された電圧及び外部磁場が前記第１範囲にあると決定し、かつ、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値を超過する場合に前記測定された電圧及び外部磁場が前記第２範囲にあると決定するべく構成される請求項１７から１９のいずれか一項の磁力計。
【請求項２１】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値未満の場合に、測定された電圧及び外部磁場が前記第２範囲にあると決定し、かつ、前記ホール効果センサが生成した電圧がしきい値を超過する場合に前記測定された電圧及び外部磁場が前記第１範囲にあると決定するべく構成される請求項１７から１９のいずれか一項の磁力計。
【請求項２２】
前記磁気抵抗材料は非オーム特性を有し、
前記一以上のプロセッサの少なくとも一つのプロセッサは、前記磁気抵抗材料から非オーム性信号を決定し、
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記非オーム性信号を使用して、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場が前記第１範囲にあるのか又は前記第２範囲にあるのかを決定するべく構成される請求項１から２０のいずれか一項の磁力計。
【請求項２３】
前記少なくとも一つのプロセッサは、２つの異なる電流おける前記磁気抵抗材料の両端間の電圧差に少なくとも部分的に基づいて前記外部磁場を決定するべく構成される請求項１から２２のいずれか一項の磁力計。
【請求項２４】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記磁気抵抗材料に適用された、ＡＣ電圧をもたらすＡＣ電流成分に少なくとも部分的に基づいて前記外部磁場を決定するべく構成される請求項１から２３のいずれか一項の磁力計。
【請求項２５】
第１電圧Ｖ１が、前記電極配列体を使用して第１電流Ｉ１に対して測定され、
第２電圧Ｖ２が、前記電極配列体を使用して第２電流Ｉ２に対して測定される請求項１から２４のいずれか一項の磁力計。
【請求項２６】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記第１電流及び前記第２電流が適用された場合の磁気抵抗差ΔＭＲを、以下の式
ΔＭＲ＝Ｖ１（Ｂ）／Ｖ１（０）−Ｖ２（Ｂ）／Ｖ２（０）
を使用して計算するべく構成され、
ここで、Ｖ１及びＶ２は、電流Ｉ１及びＩ２それぞれに対する測定電圧であり、Ｖ１（Ｂ）及びＶ２（Ｂ）は、前記外部磁場Ｂが前記磁気抵抗材料に適用された場合の測定電圧であり、並びに、Ｖ１（０）及びＶ２（０）は、外部磁場が前記磁気抵抗材料に適用されない場合の測定電圧である請求項２５の磁力計。
【請求項２７】
前記磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定するべく構成され、
前記磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈ以下の場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項２６の磁力計。
【請求項２８】
前記磁気抵抗差ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈを超過する場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定するべく構成され、
前記磁気抵抗ΔＭＲがしきい値ΔＭＲＳｗｉｔｃｈ以下の場合に前記少なくとも一つのプロセッサは、前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項２６の磁力計。
【請求項２９】
制御磁気源が前記磁気抵抗材料に対し、前記外部磁場と相互作用をして前記磁気抵抗材料の両端間にＡＣ成分を有する結果的な電圧がもたらされるように、第１周波数の小ＡＣ磁場を適用するべく適合され、
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記磁気抵抗材料に適用された前記外部磁場が前記ＡＣ成分が負である前記第１範囲にあるのか又は前記ＡＣ成分が正である前記第２範囲にあるのかを前記ＡＣ成分に基づいて決定するべく構成される請求項１から２８のいずれか一項の磁力計。
【請求項３０】
前記第１周波数は、前記第１周波数が、決定対象の前記外部磁場の周波数範囲とは異なるように選択される請求項２９の磁力計。
【請求項３１】
前記第１周波数を有する電圧成分を前記ＡＣ成分から除去するべく構成された周波数フィルタを含む請求項２９又は３０の磁力計。
【請求項３２】
前記周波数フィルタは低域通過フィルタ又は帯域フィルタである請求項３１の磁力計。
【請求項３３】
前記ＡＣ成分の大きさを決定するべくロックイン検出法が使用される請求項２９から３２のいずれか一項の磁力計。
【請求項３４】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ＡＣ成分がしきい値を超過する場合に前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定し、かつ、前記ＡＣ成分がしきい値未満の場合に前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項２９から３３のいずれか一項の磁力計。
【請求項３５】
前記少なくとも一つのプロセッサは、前記ＡＣ成分がしきい値を超過する場合に前記外部磁場が前記第２範囲の磁場にあると決定し、かつ、前記ＡＣ成分がしきい値未満の場合に前記外部磁場が前記第１範囲の磁場にあると決定するべく構成される請求項２９から３３のいずれか一項の磁力計。
【請求項３６】
第１周波数は、前記外部磁場の測定周波数範囲の値の少なくとも約２倍である請求項２９から３３のいずれか一項の磁力計。
【国際調査報告】
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