МИКРОМАГНИТОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МАГНИТНЫХ СИГНАТУР МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
MICRO-MAGNETOMETRIC DETECTION SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING MAGNETIC SIGNATURES OF MAGNETIC MATERIALS

В настоящее время наноразмерные частицы со спин-кроссовером (SCO) привлекают все больший и больший интерес не только с целью исследования физических свойств данных материалов в мезоскопическом масштабе, но также с целью разработки новых функциональных материалов. До сих пор наблюдения свойства спинового перехода по существу сводилось к простому исследованию температурной зависимости намагниченности или оптического поглощения в огромном ансамбле наночастиц с различными степенями дисперсии размера и формы. Разработка способов измерения одиночной частицы со спин-кроссовером (SCO) желательна как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, даже если такие попытки до сих пор отпугивают.
В области наномасштабных магнитных измерений уровень техники представлен микро-SQUID и нано-SQUID устройствами. Данные устройства могут обнаруживать инверсию намагниченности небольшого количества магнитных наночастиц или одномолекулярных магнитов с помощью непосредственного осаждения наночастиц на микромосты с Джозефсоновскими переходами.
При этом для работы с низким шумом микромосты, как правило, изготавливают из низкотемпературных сверхпроводящих материалов, таких как ниобий. Такие устройства описаны, например, в статье, озаглавленной "Magnetic Anisotropy of a Single Cobalt Nanocluster", M. Jamet и другие, опубликованной в Physical Review Letters, Том 86, номер 20.
До настоящего времени рабочая температура такой системы магнитометрического обнаружения ограничивается несколькими десятками кельвинов.
Следовательно, традиционная технология микро-SQUID не подходит для изучения свойств намагничивания в пределах диапазона комнатной температуры, в частности для проведения точных измерений свойств переключения при комнатной температуре небольшого объема или одиночной нано-частицы материала с SCO.
Используемый в настоящее время сверхчувствительный способ SQUID-обнаружения имеет несколько недостатков, поскольку используется при сверхнизкой температуре и требует сложных инструментов, которые являются не портативными и не гибкими.
Предложены альтернативные способы, которые описаны в следующих документах:
- статья Sunjong Oh и др., озаглавленная "Analytes kinetics in lateral flow membrane analyzed by cTnl monitoring using magnetic method", опубликованная в Sensors and Actuators B: Chemical International devoted to Research and Development of Physical and Chemical Transducers, Elsevier S.A., Швейцария, vol. 160, no. 1, 19 августа 2011 г., стр. 747-752;
- статья Sunjong Oh и др., озаглавленнаяй "Hybrid AMR/PHR ring sensor", опубликованная в Solid State Communications, Pergamon, GB, vol. 151, no. 18, 29 мая 2011, стр. 1248-1251;
- патентная заявка США 2006/194327 A1;
- патентная заявка США 2010/231213 A1.
Техническая проблема заключается в том, чтобы избежать таких недостатков и обеспечить сверхчувствительную магнитометрическую систему, которая выполняет измерения при комнатной температуре, которая является менее сложной и обеспечивает более гибкую и портативную реализацию.
Кроме того, другая техническая проблема заключается в том, чтобы предложить магнитометрическую систему и способ, который улучшает характеристики чувствительности обнаружения, для того чтобы обнаруживать нано- или пикотесловое поле, генерируемое "одиночным микро/нанообъектом" в непосредственной близости от активной поверхности датчика.
Соответственно, изобретение относится к первой микромагнитометрической системе для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц вплоть до одиночной магнитной частицы или одиночного магнитного объекта нано- или микромасштаба, содержащий:
b
- первый магнитный гибридный AMR/PHR многокольцевой датчик, имеющий активную поверхность, включающую в себя магнитную дорожку в форме замкнутого контура, нанесенную на подложку, первый токовый вывод и второй токовый вывод, образующие пару токовых выводов, которые обращены друг к другу, контактируя с магнитной дорожкой в виде замкнутого контура, изготовленной из магнитного материала, первый вывод напряжения и второй вывод напряжения, образующие пару выводов напряжения, которые обращены друг к другу, контактируя с магнитной дорожкой в виде замкнутого контура, и на которых обнаруживают выходное дифференциальное напряжение V, причем первая ось, проходящая через первый и второй токовые выводы, параллельна направлению поля обменного подмагничивания материала дорожки и перпендикулярна второй оси, проходящей через первый и второй выводы напряжения;
- первый источник тока или напряжения, подсоединенный между первым и вторым токовыми выводами, для подачи тока I с его помощью;
b
- первое устройство измерения напряжения, подсоединенное между первым и вторым выводами напряжения, для измерения дифференциального напряжения V между парой выводов напряжения;
- набор из по меньшей мере одной магнитной частицы, осажденной на активную поверхность первого магнитного датчика;
- блок обработки для обнаружения из набора различных измеренных дифференциальных напряжений отклонения магнитного потока, характеризующего присутствие по меньшей мере одной осажденной магнитной частицы;
причем магнитная дорожка первого AMR/PHR многокольцевого магнитного датчика, имеет:
- первое плечо, изготовленное из первого набора из предварительно определенного числа m колец, меньше, чем 18, дуговых зигзагообразных траекторий, ограниченных пределами первой четверти поверхности первого магнитного датчика, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория соединена с первым токовым выводом, а наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория соединена с первым выводом напряжения,
- второе плечо, изготовленное из второго набора из того же предварительно определенного числа m дуговых зигзагообразных траекторий, ограниченных пределами второй четверти поверхности первого магнитного датчика, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория соединена со вторым токовым выводом, а наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория соединена с первым выводом напряжения,
- третье плечо, изготовленное из третьего набора из того же числа m колец дуговых зигзагообразных траекторий, ограниченных пределами третьей четверти поверхности первого магнитного датчика, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория соединена со вторым токовым выводом, и наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория соединена со вторым выводом напряжения,
- четвертое плечо, изготовленное из четвертого набора из того же числа m колец дуговых зигзагообразных траекторий, ограниченных пределами четвертой четверти поверхности первого магнитного датчика, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория соединена с первым токовым выводом, а наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория соединена со вторым выводом напряжения;
- магнитная дорожка представляет собой двухслойную структуру, включающую в себя ферромагнитную пленку и антиферромагнитную пленку, или спин-вентильную структуру, или трехслойную структуру, включающую в себя ферромагнитную пленку, металл и антиферромагнитную пленку;
отличающаяся тем, что
AC
AC
- данная микромагнитометрическая система содержит средство для создания магнитного возбуждающего поля H, чтобы заставить каждую магнитную частицу создавать магнитное поле рассеяния, причем магнитное возбуждающее поле H осциллирует со временем с постоянной частотой ω в диапазоне от 10 до 3 кГц; и
- магнитные частицы, подлежащие обнаружению, неподвижны и помещены поблизости или в контакте с активной поверхностью магнитной дорожки; и
- ток I, подаваемый первым источником тока или напряжения, проходящий через токовые выводы, представляет собой постоянный ток (DC) или переменный ток (AC), или сумму постоянного и переменного тока; и
AC
- блок обработки выполнен с возможностью также предоставления первой калибровочной кривой фонового теплового магнитного отклика первого магнитного датчика без каких-либо магнитных частиц, осажденных на него, в предварительно определенном температурном диапазоне, при первых известных предварительно определенных физических условиях окружающей среды и при первом наборе известных условий эксплуатации системы в отношении тока, подаваемого первым источником тока или напряжения, и прикладываемого магнитного возбуждающего поля H; затем,
после осаждения неизвестного количества магнитных частиц на первый магнитный датчик, определения второй кривой динамики в зависимости от температуры измерений дифференциального напряжения, скорректированных или нет, из вывода в виде набора измерений дифференциального напряжения от первого магнитного датчика, осуществляемого посредством изменения температуры в том же предварительно определенном диапазоне температуры, при тех же первых известных предварительно определенных физических условиях окружающей среды и при том же первом наборе известных условий эксплуатации системы, затем
определения третьей кривой как разности между второй кривой и первой кривой в том же диапазоне температуры; и
обнаружения присутствия по меньшей мере одной магнитной частицы, когда абсолютное значение всех разностей напряжений третьей кривой остается выше предварительно определенного порога обнаружения, или когда третья кривая выявляет температурный интервал, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл;
или,
после осаждения неизвестного числа магнитных частиц на первый магнитный датчик, причем данные магнитные частицы представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения, посредством изменения величины физического свойства в предварительно определенном диапазоне физического свойства при известных предварительно определенных физических условиях и при известных условиях эксплуатации системы, определения первой кривой динамики измерений дифференциального напряжения, скорректированных или нет, из динамики измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым магнитным датчиком, в зависимости от величины физического свойства; затем
определения в предварительно определенном диапазоне величины физического свойства второй кривой как аппроксимирующей кривой из нижнего участка первой кривой, причем данный нижний участок первой кривой соответствует нижнему интервалу, включенному в предварительно определенный диапазон физического свойства, причем нижний интервал имеет свою верхнюю границу ниже, чем предварительно определенный порог переключения; затем
определения третьей кривой как разности в зависимости от величины переключающего физического свойства между дифференциальными напряжениями первой кривой и дифференциальными напряжениями второй кривой в том же диапазоне величины физического свойства; и
обнаружения присутствия магнитных частиц, когда третья кривая выявляет интервал переключающего физического свойства, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
В соответствии с конкретными вариантами осуществления микромагнитометрическая система содержит по меньшей мере один из следующих признаков:
- первый датчик температуры окружающей среды для измерения температуры окружающей среды и/или второй датчик состояния окружающей среды для измерения физического свойства, отличного от температуры окружающей среды, помещенный поблизости от активной поверхности первого активного датчика, причем переключение намагниченности магнитных частиц осуществляется, когда температура или физическое свойство, отличное от температуры, оказывается выше или ниже предварительно определенного порога переключения,
- средство для управления и/или регулирования температуры окружающей среды и/или физического свойства окружающей среды, отличного от температуры,
AC
AC
- средство для создания магнитного возбуждающего поля H содержит второй источник тока, подающий переменный ток, и по меньшей мере одну катушку, соединенную со вторым источником переменного тока, причем данная по меньшей мере одна катушка расположена по отношению к первому магнитному датчику таким образом, что главный компонент магнитного возбуждающего поля H коллинеарен первой оси,
DC
DC
AC
AC
- средство для создания поля H подмагничивания магнитного датчика для сдвига рабочей точки первого магнитного датчика в область наивысшей чувствительности, причем поле H подмагничивания магнитного датчика постоянно со временем и коллинеарно магнитному возбуждающему полю H, создаваемому средством для создания магнитного возбуждающего поля H,
DC
- причем угол α, образованный между первой осью, проходящей через первый и второй токовые выводы, и осью поля H подмагничивания магнитного датчика, выбран в диапазоне [0 градусов, 90 градусов] таким образом, что чувствительность магнитного датчика является максимальной, и предпочтительно заключен в диапазоне [15 градусов, 25 градусов],
AC
- средство для создания магнитного возбуждающего поля H представляет собой источник тока или напряжения, подсоединенный между первым и вторым токовыми выводами, причем источник тока или напряжения выполнен с возможностью генерирования переменного тока (AC), осциллирующего со временем с постоянной частотой ω в диапазоне от 10 Гц до 3 кГц, предпочтительно в диапазоне от 50 Гц до 150 Гц,
- дополнительно содержит второй магнитный гибридный AMR/PHR многокольцевой датчик, имеющий ту же структуру, что и первый магнитный гибридный AMR/PHR многокольцевой датчик,
причем первый и второй магнитные гибридные AMR/PHR многокольцевые датчики помещены поблизости друг от друга на ту же подложку при тех же известных физических условиях, для измерения того же магнитного поля, когда магнитные частицы не нанесены на датчики,
причем вторые магнитные гибридные AMR/PHR многокольцевые датчики имеют первый токовый вывод и второй токовый вывод, образующие пару токовых выводов, соединенные параллельно, и используют тот же первый источник тока первого магнитного гибридного AMR/PHR многокольцевого датчика; и причем
данная микромагнитометрическая система выполнена с возможностью
разграничения первого набора измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, соответствующим первой конфигурации, в которой магнитные частицы, подлежащие обнаружению, если они содержатся в наносимом каплями растворе, наносят на первый магнитный датчик и помещают под набор известных условий окружающей среды и рабочих параметров системы, и второго набора контрольных измерений дифференциального напряжения, осуществляемых вторым датчиком, соответствующим второй конфигурации, в которой на него не наносят магнитные частицы, при том же наборе известных физических условий окружающей среды и рабочих параметров системы, и предоставления соответствующей разностной кривой; и затем
обнаружения из разностной кривой резкого изменения, соответствующего по меньшей мере минимальному отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
Изобретение также относится ко второй микромагнитометрической системе для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц вплоть до одиночной магнитной частицы или одиночного магнитного объекта нано- или микромасштаба, содержащей:
- первый магнитный гибридный AMR/PHR датчик и второй магнитный гибридный AMR/PHR многокольцевой датчик,
причем первый магнитный гибридный AMR/PHR датчик имеет первую активную поверхность, включающую в себя первую магнитную дорожку, нанесенную на подложку, первый токовый вывод и второй токовый вывод, образующие пару токовых выводов, которые обращены друг к другу, контактируя с первой магнитной дорожкой, изготовленной из магнитного материала, первый вывод напряжения и второй вывод напряжения, образующие пару выводов напряжения, которые обращены друг к другу, контактируя с первой магнитной дорожкой, и из которых обнаруживают выходное дифференциальное напряжение, причем первая ось, проходящая через первый и второй токовые выводы, параллельна направлению поля обменного подмагничивания материала дорожки и перпендикулярна второй оси, проходящей через первый и второй выводы напряжения;
отличающейся тем, что
данная микромагнитометрическая система содержит второй магнитный гибридный AMR/PHR датчик, помещенный поблизости от второго магнитного гибридного AMR/PHR датчика на той же подложке при тех же известных физических условиях, для измерения того же магнитного поля, когда магнитные частицы не нанесены на датчики,
причем второй магнитный гибридный AMR/PHR многокольцевой датчик имеет вторую активную поверхность, включающую в себя вторую магнитную дорожку, нанесенную на ту же подложку, первый токовый вывод и второй токовый вывод, образующие пару токовых выводов, которые обращены друг к другу, контактируя со второй магнитной дорожкой, изготовленной из магнитного материала, первый вывод напряжения и второй вывод напряжения, образующие пару выводов напряжения, которые обращены друг к другу, контактируя со второй магнитной дорожкой, и из которых обнаруживают выходное дифференциальное напряжение, причем первая ось, проходящая через первый и второй токовые выводы, параллельна направлению поля обменного подмагничивания материала дорожки и перпендикулярна второй оси, проходящей через первый и второй выводы напряжения,
причем первая и вторая магнитные дорожки имеют одну и ту же форму из формы креста, формы однокольцевого замкнутого контура и формы многокольцевого замкнутого контура и имеют одну и ту же слоистую структуру,
причем слоистая структура первой и второй магнитных дорожек представляет собой двухслойную структуру, включающую в себя ферромагнитную пленку и антиферромагнитную пленку, или спин-вентильную структуру, или трехслойную структуру, включающую в себя ферромагнитную пленку, металл и антиферромагнитную пленку;
и тем, что данная микромагнитометрическая система содержит:
- тот же первый источник тока или напряжения, подсоединенный и подающий параллельно ток I на первый магнитный гибридный AMR/PHR датчик и второй магнитный гибридный AMR/PHR многокольцевой датчик,
- первое устройство измерения напряжения, соединенное своим входом с первым и вторым выводами напряжения первого магнитного гибридного AMR/PHR датчика и второго магнитного гибридного AMR/PHR датчика и выполненное с возможностью определения разностного напряжения между усиленным дифференциальным напряжением, обнаруживаемым на выводах напряжения первого магнитного датчика и усиленным дифференциальным напряжением, обнаруживаемым на выводах напряжения второго магнитного датчика;
- набор из по меньшей мере одной магнитной частицы, осажденной на активную поверхность первого магнитного датчика;
- блок обработки для обнаружения из вывода в виде набора различных измеренных дифференциальных напряжений от первого устройства измерения напряжения отклонения магнитного потока, характеризующего присутствие по меньшей мере одной магнитной частицы, осажденной на первый магнитный датчик;
AC
AC
- средство для создания магнитного возбуждающего поля H, чтобы заставить каждую магнитную частицу создавать магнитное поле рассеяния, причем магнитное возбуждающее поле H осциллирует со временем с постоянной частотой ω в диапазоне от 10 до 3 кГц; и тем, что
- магнитные частицы или магнитный объект, подлежащие обнаружению, неподвижны и помещены только поблизости или в контакт с активной поверхностью первой магнитной дорожки; и
- ток I, подаваемый первым источником тока или напряжения, проходящий через токовые выводы, представляет собой постоянный ток (DC) или переменный ток (AC), или сумму постоянного и переменного тока.
В соответствии с особенностью варианта осуществления второй микромагнитометрической системы, в которой
магнитные частицы или магнитный объект нано- или микромасштаба не осаждают на второй датчик, и
блок обработки выполнен с возможностью
после осаждения неизвестного количества магнитных частиц или магнитного объекта на первый магнитный датчик
или
при известных предварительно определенных физических условиях
обнаружения присутствия магнитных частиц или магнитного объекта, когда вторая разность в виде разности между первой разностью и контрольной разностью имеет амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения,
причем контрольная разность представляет собой разность между первым измерением напряжения, осуществляемым первым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и вторым измерением напряжения, осуществляемым вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, при тех же известных предварительно определенных физических условиях,
причем первую разность определяют с помощью первого устройства измерения напряжения как разность между первым измерением напряжения, осуществляемым первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, и вторым измерением напряжения, осуществляемым вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц,
и причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл,
или
когда магнитные частицы представляют собой молекулярные наночастицы или магнитный объект, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения,
при известных предварительно определенных физических условиях, посредством изменения величины физического свойства в предварительно определенном диапазоне физического свойства,
определения кривой в виде динамики в зависимости от величины физического свойства разности между первым набором измерений дифференциального напряжения и вторым набором измерений напряжения, причем первый набор измерений напряжения осуществляется первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, а второй набор измерений напряжения осуществляется вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и затем
обнаружения присутствия магнитных частиц или магнитного объекта, когда данная кривая выявляет интервал переключающего физического свойства, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
В соответствии с конкретными вариантами осуществления первой и второй микромагнитометрических систем, в которых магнитные частицы принадлежат к семейству из:
h
k
6
I
2
II
III
II
III
II
III
- Любых переключаемых молекулярных наночастиц в форме AB[M(CN)]⋅mHO, где A может представлять собой Co, Ni, Fe и т.д., B и M могут представлять собой различные переходные металлы (Fe, Fe, Mn, Mn, fml aCo, Co, …), и C представляет собой катион щелочного металла;
2
3
3
4
3
4
3
4
- Любых парамагнитных частиц: FeO, FeO, Fe@FeO, CoFe@FeO, Ni, …;
- Любых ферромагнитных частиц: Fe, CoFe, Ni;
- Любых антиферромагнитных частиц;
3
4
2
3
2
3
- Любых частиц с многослойной структурой из наночастиц Ti/Fe, Cr, NiO, CoO, a-FeO, CuO, MnO, CrO;
3
4
- Любых магнитных гранул, изготовленных из FeOв полимерной матрице, сферической формы и любого размера в диапазоне от 50 нм до 10 мкм.
Изобретение относится также к первому способу обнаружения для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц, осуществляемому микромагнитометрической системой, содержащему следующие этапы
во-первых, калибровки по температуре при первых известных предварительно определенных физических условиях первого магнитного датчика, когда система содержит единственный первый магнитный датчик, или набора из первого и второго магнитного датчика, когда магнитометрическая система содержит первый магнитный датчик и второй магнитный датчик, посредством предоставления первой калибровочной кривой фонового теплового шума; затем
осаждения неизвестного количества магнитных частиц на первый магнитный датчик; затем
при тех же первых известных предварительно определенных физических условиях, посредством изменения температуры в предварительно определенном диапазоне температуры,
когда магнитометрическая система содержит первый единственный магнитный датчик, выводящий вторую кривую в виде динамики измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, в зависимости от температуры, или,
когда магнитометрическая система содержит первый магнитный датчик и второй магнитный датчик, выводящие первый набор измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, и второй набор измерений дифференциального напряжения, осуществляемых вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и определения второй кривой в виде динамики в зависимости от температуры разности между первым набором измерений дифференциального напряжения и вторым набором измерений дифференциального напряжения;
определения третьей кривой как разности в зависимости от температуры между дифференциальными напряжениями второй кривой и дифференциальными напряжениями первой кривой в том же диапазоне температуры; и
обнаружения присутствия магнитных частиц, когда абсолютное значение разностей напряжений третьей кривой остается стабильно выше предварительно определенного порога обнаружения, или третья кривая выявляет температурный интервал, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
Изобретение также относится ко второму способу обнаружения для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц, осуществляемому микромагнитометрической системой, содержащему следующие этапы
осаждения неизвестного количества магнитных частиц на первый магнитный датчик, причем данные магнитные частицы представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения, затем
на следующем этапе, при известных предварительно определенных физических условиях, посредством изменения величины физического свойства в предварительно определенном диапазоне физического свойства,
когда магнитометрическая система содержит первый единственный магнитный датчик, выводящий первую кривую в виде динамики измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, в зависимости от величины физического свойства, или
когда магнитометрическая система содержит первый магнитный датчик и второй магнитный датчик, выводящие первый набор измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, и второй набор измерений дифференциального напряжения, осуществляемых вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и определения первой кривой в виде динамики в зависимости от физического свойства разности между первым набором измерений дифференциального напряжения и вторым набором измерений дифференциального напряжения; затем
определения в предварительно определенном диапазоне физического свойства второй кривой как аппроксимирующей кривой из нижнего участка первой кривой, причем данный нижний участок первой кривой соответствует нижнему интервалу, включенному в предварительно определенный диапазон физического свойства, верхняя граница которого ниже, чем предварительно определенный порог переключения;
определения третьей кривой как разности в зависимости от величины переключающего физического свойства между дифференциальными напряжениями первой кривой и дифференциальными напряжениями второй кривой в том же диапазоне величины физического свойства; и
обнаружения присутствия магнитных частиц, когда третья кривая выявляет интервал переключающего физического свойства, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
В соответствии с конкретными вариантами осуществления во втором способе обнаружения для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц переключающее физическое свойство представляет собой температуру, давление, оптическое облучение, электрическое поле, магнитное поле, химические гостевые молекулы.
Изобретение также относится к третьему способу обнаружения для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц вплоть до одиночной магнитной частицы или одиночного магнитного объекта нано- или микромасштаба, осуществляемому микромагнитометрической системой, содержащему следующие этапы
осаждения неизвестного количества магнитных частиц или одиночного магнитного объекта на первый магнитный датчик, затем
или
при известных предварительно определенных физических условиях
выведения первого измерения напряжения, осуществляемого первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, и второго измерения напряжения, осуществляемого вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и определения первой разности между первым измерением напряжения и вторым измерением напряжения; затем
обнаружения присутствия магнитных частиц или магнитного объекта, когда вторая разность в виде разности между первой разностью и контрольной разностью имеет амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения,
причем контрольная разность представляет собой разность между первым измерением напряжения, осуществляемым первым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и вторым измерением напряжения, осуществляемым вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, при тех же известных предварительно определенных физических условиях, и причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл,
или
когда магнитные частицы представляют собой молекулярные наночастицы или один объект, переключаемый посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения,
при известных предварительно определенных физических условиях, посредством изменения величины физического свойства в предварительно определенном диапазоне физического свойства, затем
выведения первого набора измерений напряжения, осуществляемых первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, и второго набора измерений напряжения, осуществляемых вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и определения кривой в виде динамики в зависимости от величины физического свойства разности между первым набором измерений дифференциального напряжения и вторым набором измерений напряжения; затем
обнаружения присутствия магнитных частиц или магнитного объекта, когда данная кривая выявляет интервал переключающего физического свойства, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл,
Изобретение также относится к чувствительной к влажности или газу измерительной системе, содержащей микромагнитометрическую систему, в которой частицы представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного температурного порога переключения, причем предварительно определенный температурный порог переключения зависит от степени влажности окружающей среды или от концентрации в окружающей среде любого пара молекул во внешней среде,
и в которой
блок обработки выполнен с возможностью определения степени влажности или концентрации в окружающей среде пара молекул во внешней среде из измерений изменения магнитного поля магнитных частиц, которые чувствительны к степени влажности или к концентрации в окружающей среде пара молекул во внешней среде, и из предварительно определенной кривой соответствия между откалиброванной степенью влажности или откалиброванной концентрацией в окружающей среде пара молекул во внешней среде, измеренными с помощью другого способа, и соответствующим параметром, таким как температурный порог, температура перехода или ширина петли гистерезиса, определенным по изменению магнитного свойства магнитных частиц, обнаруживаемому с помощью микромагнитометрического способа, как определено выше в настоящем документе.
2
2
2
2
2
В соответствии с конкретным вариантом осуществления в чувствительной к влажности или газу измерительной системе пар молекул во внешней среде, который можно обнаруживать, состоит из молекул во внешней среде из семейства, состоящего из N, He, I, CO, этанола, метанола, 2-пропанола, ацетона, DO, CS, CO, йода (I), брома (Br), хлора (Cl), бензола, толуола, хлорбензола, бромбензола, йодбензола, дихлорбензола, трихлорбензола, пиразина, пиридина, пиррола, тиофена, фурана, ТГФ (тетрагидрофурана).
Лучшему пониманию настоящего изобретения будет способствовать прочтение следующего описания, которое дано только в качестве примеров и со ссылкой на чертежи, на которых:
AC
- фигура 1 представляет собой изображение архитектуры микромагнитометрической системы в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором возбуждающее магнитное поле H генерируется средством, внешним по отношению к датчику;
- фигура 2 представляет собой планарное подробное изображение гибридного AMR/PHR многокольцевого магнитного датчика, используемого микромагнитометрической системой по фигуре 1;
- фигура 3 представляет собой изображение электрической схемы гибридного AMR/PHR многокольцевого магнитного датчика по фигуре 2;
- фигура 4 представляет собой изображение различных профилей напряжения обнаружения в зависимости от магнитного поля подмагничивания, причем каждый профиль характеризуется углом α ориентации, образованным между осью легкого намагничивания магнитного датчика и направлением внешнего магнитного поля;
- фигура 5 представляет собой изображение динамики чувствительности, выведенное из профилей по фигуре 4 в зависимости от угла α ориентации;
AC
- фигура 6 представляет собой изображение архитектуры микромагнитометрической системы в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, в котором возбуждающее магнитное поле H частично генерируется самим первым магнитным датчиком;
- фигура 7 представляет собой изображение архитектуры микромагнитометрической системы в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, в которое добавлен второй магнитный датчик в качестве калибровочного магнитного датчика;
- фигура 8 представляет собой пример блок-схемы микромагнитометрического способа обнаружения, соответствующего первому варианту осуществления изобретения, причем данный способ осуществляют, когда магнитные частицы представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения;
- фигура 9 представляет собой примерное изображение первой кривой динамики в зависимости от температуры измерения напряжения, предоставляемое микромагнитометрической системой по фигуре 1, когда на активную поверхность первого магнитного датчика осаждают частицы с SCO, причем температура лежит в диапазоне от 300 K до 350 K, и соответствующей аппроксимирующей второй кривой, определяемой посредством способа по фигуре 6;
- фигура 10 представляет собой изображение третьей кривой, определяемой из первой и второй кривых по фигуре 7 в соответствии со способом по фигуре 6;
3
4
- фигура 11 представляет собой пример блок-схемы микромагнитометрического способа обнаружения, соответствующего второму варианту осуществления изобретения, осуществляемому для более широкого семейства магнитных частиц, включающего молекулярные наночастицы с переключаемой намагниченностью, парамагнитные частицы, ферромагнитные частицы, антиферромагнитные частицы, магнитные гранулы, изготовленные из FeO, в полимерной матрице;
- фигура 12 представляет собой изображение калибровочной кривой фонового шума, характеризующего тепловой магнитный отклик первого магнитного датчика без каких-либо магнитных частиц, осажденных на него;
- фигура 13 представляет собой вид температур перехода частиц с SCO, обнаруженных при двух различных условиях влажности, 80% и 60% соответственно,
- фигура 14 представляет собой частичное изображение примера варианта микромагнитометрической системы по фигуре 7, в котором два многокольцевых магнитных датчика заменены магнитными датчиками в форме креста.
AС
DC
В соответствии с фигурой 1 микромагнитометрическая система 2 для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц содержит первый магнитный гибридный анизотропный магниторезистивный AMR/ планарный резистивный основанный на эффекте Холла PHR многокольцевой магнитный датчик 4, первый источник 6 тока или напряжения, первое устройство 8 измерения напряжения, набор 10 из по меньшей мере одной магнитной частицы 12, осажденной на активную поверхность 14 первого магнитного датчика 4, первый датчик температуры окружающей среды 16, средство 18 для управления и/или регулирования температуры окружающей среды магнитных частиц, средство 20 для создания магнитного переменного возбуждающего поля H для получения каждой магнитной частицей магнитного поля рассеяния, средство 21 для создания поля H подмагничивания магнитного датчика и блок 22 обработки.
Первый магнитный гибридный AMR/PHR многокольцевой магнитный датчик 4 или первый магнитный датчик содержит на своей активной поверхности 14 магнитную дорожку 24 в форме замкнутого контура, нанесенную на подложку 26.
Первый магнитный датчик 4 имеет первый токовый вывод 28 и второй токовый вывод 30, образующие пару токовых выводов, которые обращены друг к другу, контактируя с магнитной дорожкой 24 в виде замкнутого контура.
Первый магнитный датчик 4 имеет первый вывод 32 напряжения и второй вывод 34 напряжения, образующие пару выводов напряжения, которые обращены друг к другу, контактируя с магнитной дорожкой 24 в виде замкнутого контура, и из которых обнаруживают выходное дифференциальное напряжение.
Первый магнитный датчик 4 имеет первую ось 40 или ось легкого намагничивания, проходящую через первый и второй токовые выводы 28, 30, параллельную направлению поля обменного подмагничивания материала и перпендикулярную второй оси 42, проходящей через первый и второй выводы 32, 34 напряжения.
Первый источник 6 тока или напряжения, подсоединенный к первому и второму токовым выводам, выполнен с возможностью подачи постоянного тока подмагничивания I на первый магнитный датчик 4 через пару первого и второго токовых выводов 28, 30. Первый источник 6 тока представляет собой, например, источник тока Keithley 2400, а амплитуду постоянного тока подмагничивания устанавливают равной 1 мА.
b
Первое устройство 8 измерения напряжения подсоединено к первому и второму выводам 32, 34 напряжения для измерения дифференциального напряжения V между парой выводов 32, 34 напряжения.
Первое устройство 8 измерения напряжения содержит усилитель 44 с низким уровнем шума с коэффициентом усиления 20 дБ для усиления обнаруженного дифференциального напряжения и передачи полученного выходного сигнала на синхронизирующие усиливающее устройство 46, основанное на фазовой автоматической подстройке частоты. Синхронизирующий усилитель выполнен с возможностью захвата измеренного сигнала дифференциального напряжения на сигнале магнитного переменного возбуждающего поля и обнаружения пикового измеренного дифференциального напряжения, измеренного на выходе пары выводов 32, 34 напряжения.
Первый датчик температуры окружающей среды 16 выполнен с возможностью измерения температуры, характеризующей фактическую температуру T окружающей среды магнитных частиц 12 и первого магнитного датчика 4, и, предпочтительно, расположен поблизости от активной поверхности 14 первого магнитного датчика 4. Например, датчик 16 температуры окружающей среды представляет собой платиновое сопротивление, равное 100 Ом.
Средства 18 для управления и/или регулирования температуры T выполнены с возможностью нагрева с помощью нагревателя 48 контролируемым образом окружающей среды магнитных частиц 12 и, предпочтительно, расположены поблизости от активной поверхности 14 первого магнитного датчика 4. Нагреватель 48 представляет собой, например, сопротивление Minco, прикрепленное к первому магнитному датчику 4 и соединенное с температурным контроллером 50 Lakeshore 332, который управляет изменением температуры окружающей среды T посредством изменения температуры T от 300 K до 350 K.
AC
Средство 20 для создания переменного магнитного возбуждающего поля H предназначено, чтобы заставлять каждую магнитную частицу 12 создавать магнитное поле рассеяния, осциллирующее со временем с постоянной частотой ω в диапазоне от 10 до 3 кГц, в данном случае установленной на 100 Гц.
AC
Средство 20 для создания переменного магнитного возбуждающего поля поле H содержит в данном случае второй источник тока 52, подающий переменный ток, осциллирующий с частотой, равной 100 Гц, и по меньшей мере одну катушку, в данном случае две катушки 54 Гельмгольца, соединенные со вторым источником переменного тока 52.
AC
Две катушки 54 Гельмгольца расположены по отношению к первому магнитному датчику 4 таким образом, что главный компонент магнитного возбуждающего поля H коллинеарен первой оси 40.
DC
DC
AC
Средство 20 для создания переменного поля H подмагничивания магнитного датчика выполнено с возможностью сдвига рабочей точки первого магнитного датчика 4 в область наивысшей чувствительности, причем поле H подмагничивания магнитного датчика постоянно со временем и коллинеарно переменному магнитному возбуждающему полю H.
DC
Угол подмагничивания α, образованный между первой осью 40, проходящей через первый и второй токовые выводы, и осью поля H подмагничивания магнитного датчика, выбирают в диапазоне [0 градусов, 90 градус] таким образом, что чувствительность S первого магнитного датчика 4 является максимальной. В данном случае этот угол α равен 20 градусам.
AC
DC
Весь первый магнитный датчик 4 и затем все магнитные частицы 12, осажденные на него, помещены, следовательно, в гибридное переменное и постоянное магнитное поле (H+H), направление которого образует угол, равный 20 градусов, с осью 40 легкого намагничивания первого магнитного датчика 4.
АС
DC
Благодаря комбинации обоих полей H и H чувствительность S первого магнитного датчика 4 повышается.
DC
В данном случае H сдвигает рабочую точку магнитного датчика 4 в область наивысшей чувствительности, причем оптимизированная величина магнитного поля равна в данном случае 1,4 мТл.
AC
Поле H, вводимое для генерирования поля рассеяния наночастиц 12 с SCO, равно в данном случае 0,5 мТл по эффективному значению при частоте 100 Гц.
Набор 10 из по меньшей мере одной магнитной частицы 12 осаждают на поверхность магнитного датчика.
3
2
В данном случае магнитные частицы 12 представляют собой [Fe(hptrz)](OTs) наночастицы со спин-кроссовером, переработанные в гомогенном растворе хлороформа. Их непосредственно наносят каплями на всю активную поверхность 14 первого магнитного датчика.
Таким образом, магнитные частицы 12, подлежащие обнаружению, неподвижны и помещены поблизости или в контакт с активной поверхностью 14 первого магнитного датчика 4.
1/2↓
1/2↑
Эти магнитные наночастицы 12 с SCO демонстрируют магнитную сигнатуру, соответствующую переходу диамагнетика в парамагнетик, причем температурами перехода или температурами переключения на открытом воздухе с предварительно определенной степенью влажности являются T, равная 325 K, и T, равная 331 K, при охлаждении и нагревании соответственно.
Эти температуры перехода были проверены с помощью теста изменения оптического отражения, который показывает те же значения при тех же условиях влажности.
Блок 22 обработки выполнен с возможностью обнаружения из набора различных дифференциальных напряжений, измеренных с помощью первого устройства 8 измерения напряжения, отклонения магнитного потока, характеризующего присутствие по меньшей мере одной осажденной магнитной частицы 12 на активной поверхности 14 первого магнитного датчика 4.
В данном случае предполагается, что магнитные частицы 12 представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые в смысле перехода между двумя магнитными состояниями при превышении предварительно определенного температурного порога переключения, причем температура действует в качестве команды переключения или приведения в действие.
Блок 22 обработки выполнен с возможностью, после осаждения неизвестного количества магнитных частиц 12 на первый магнитный датчик 22 и после изменения температуры T в предварительно определенном температурном диапазоне, определения первой кривой динамики в зависимости от температуры измерений дифференциального напряжения, выводимых первым устройством 8 измерения напряжения и осуществляемых при известных физических условиях окружающей среды и рабочих параметрах системы.
Блок 22 обработки выполнен с возможностью последующего определения в предварительно определенном диапазоне температуры второй кривой как аппроксимирующей кривой из нижнего участка первой кривой, причем данный нижний участок первой кривой соответствует нижнему интервалу, включенному в предварительно определенный диапазон температуры, причем нижний интервал имеет свою верхнюю границу ниже, чем температурный порог переключения.
Блок 22 обработки выполнен с возможностью последующего определения третьей кривой в виде разности в зависимости от температуры дифференциальных напряжений первой кривой и дифференциальных напряжений второй кривой в том же диапазоне температур, а именно [300 K, 350 K].
Блок 22 обработки выполнен с возможностью последующего обнаружения присутствия по меньшей мере одной магнитной частицы, когда третья кривая выявляет температурный интервал, в котором происходит переход напряжения, и когда амплитуда данного перехода больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
В одном варианте микромагнитометрическая система содержит второй датчик для измерения физического свойства, отличного от температуры, помещенный поблизости от активной поверхности активного датчика, причем переключение намагниченности магнитных частиц между двумя состояниями намагниченности происходит, когда физическое свойство, отличное от температуры, оказывается выше или ниже предварительно определенного порога переключения.
В одном варианте микромагнитометрическая система содержит второе средство для управления и/или регулирования физического свойства окружающей среды, отличного от температуры, помещенное, предпочтительно, поблизости от активной поверхности активного датчика.
В одном варианте блок обработки выполнен с возможностью предоставления первой калибровочной кривой фонового теплового шума посредством калибровки по температуре при первых известных предварительно определенных физических условиях первого магнитного датчика, который не имеет на себе магнитных частиц.
Блок обработки выполнен с возможностью после осаждения неизвестного количества магнитных частиц на первый магнитный датчик, посредством изменения температуры в предварительно определенном диапазоне температуры при тех же первых известных предварительно определенных физических условиях, последующего определения второй кривой динамики в зависимости от температуры измерений дифференциального напряжения, скорректированных или нет, из динамики измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым магнитным датчиком.
Блок обработки выполнен с возможностью последующего определения третьей кривой в виде разности в зависимости от температуры между дифференциальными напряжениями второй кривой и дифференциальными напряжениями первой кривой в том же диапазоне температур.
Блок обработки выполнен с возможностью обнаружения присутствия магнитных частиц, когда абсолютное значение разностей напряжений третьей кривой остается стабильно выше предварительно определенного порога обнаружения, или третья кривая выявляет температурный интервал, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
В соответствии с фигурой 2 первый магнитный датчик 4 основан на многокольцевой архитектуре и изготовлен с использованием литографической технологии в чистом помещении класса 1000 с помощью процесса обратной литографии.
В данном случае магнитная дорожка 24 представляет собой трехслойный материал, например Ta(3)/NiFe(20)/Cu(0,2)/IrMn(10)/Ta(3) (нм). В данной структуре мягкий магнитный слой NiFe является чувствительным материалом, который слабо связан с антиферромагнитным слоем (IrMn) с помощью дальнодействующего поля обменного подмагничивания через слой нескольких атомов Cu.
-8
Трехслойную структуру Ta(3)/NiFe(20)/Cu(0,2)/IrMn(10)/Ta(3) нм наносят с помощью магнетронной распылительной системы с 6 пушками с базовым вакуумом приблизительно 10 торр.
2
3
3
4
Для предотвращения загрязнения магнитный датчик пассивируют двойным слоем SiO/SiN с номинальной толщиной, равной 200 нанометров.
Внешний диаметр первого магнитного датчика 4 равен в данном случае 300 мкм, а ширина w магнитной дорожки 24 равна 10 мкм.
Магнитная дорожка 24 первого магнитного датчика 4 имеет:
- первое плечо 102, изготовленное из первого набора из предварительно определенного числа m колец дуговых зигзагообразных траекторий 104, ограниченных пределами первой четверти 126 поверхности магнитного датчика 4, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория 128 соединена с первым токовым выводом 30, а наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория 110 соединена с первым выводом 32 напряжения,
- второе плечо 112, изготовленное из второго набора из того же предварительно определенного числа m дуговых зигзагообразных траекторий 114, ограниченных пределами второй четверти 116 поверхности магнитного датчика 4, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория 118 соединена со вторым токовым выводом 30, а наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория 120 соединена с первым выводом 32 напряжения,
- третье плечо 122, изготовленное из третьего набора из того же числа m колец дуговых зигзагообразных траекторий 124, ограниченных пределами третьей четверти 126 поверхности магнитного датчика 4, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория 128 соединена со вторым токовым выводом 30, и наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория 130 соединена со вторым выводом 34 напряжения,
- четвертое плечо 132, изготовленное из четвертого набора из того же числа m колец дуговых зигзагообразных траекторий 134, ограниченных пределами четвертой четверти 136 поверхности магнитного датчика 4, причем наиболее удаленная от центра зигзагообразная траектория 138 соединена с первым токовым выводом 30, и наиболее близкая к центру зигзагообразная траектория 140 соединена со вторым выводом 34 напряжения.
Данная многокольцевая архитектура увеличивает чувствительность магнитного датчика в компактной области.
Поскольку длина плеч увеличивается с числом колец, заполнение чувствительных зигзагообразных траекторий улучшает активную чувствительную область.
Направление тока поочередно изменяется по последовательным кольцевым траекториям, т.е. имеется диапазон угла тока θ от π/2 до 0 для траектории 1, показанной на вставке фигуры 2, и θ от π до 3π/2 для траектории 2 на вставке фигуры 2. Знак вычисленного значения для траектории 1 и 2 одинаков, что означает, что AMR-эффект (анизотропное магнитосопротивление) для обоих токов аддитивен. Таким образом, максимальное изменение напряжения в профилях и, соответственно, чувствительность к полю плеча сопротивления увеличивает число колец.
Профиль напряжения для полного магнитного кольца, то есть сумма эффектов AMR и PHR, выявляет антисимметричное поведение по отношению к прикладываемому полю вследствие автобалансировки сопротивлений плеч кольца, где изменения напряжения аддитивны для всех сочетаемых компонентов.
Чувствительность первого магнитного датчика улучшается благодаря использованию трехслойной структуры, которая обладает малым полем обменной связи и высоким активным током.
Данная многокольцевая архитектура улучшает чувствительность к полю и активную область магнитного датчика.
Таким образом, первый магнитный датчик представляет собой высокочувствительный гибридный магниторезистивный (MR) датчик, объединяющий анизотропный магниторезистивный (AMR) и основанный на планарном эффекте Холла (PSE), который способен обнаруживать переключение спиновых состояний наночастиц с SCO.
Предпочтительно, число m колец дуговых зигзагообразных траекторий составляет между 9 и 13. В данном случае каждое плечо имеет одиннадцать зигзагообразных траекторий или четверти круговых колец, причем данное число максимизирует чувствительность первого магнитного датчика 4.
-1
-1/2
Этот многослойный пакет выявляет сверхвысокую чувствительность, около S=15 В⋅Тл, и низкий белый шум, около 1 нВ⋅Гц при 100 Гц.
В соответствии с электрической схемой по фигуре 3 многокольцевая геометрия дорожки и взаимосвязь четырех плеч приводит к конфигурации моста Уитстона.
Выходное напряжение первого магнитного датчика известно как планарный эффект Холла и определяется по уравнению:
PHE
0
V=V sin θ⋅cos θ,
0
II
⊥
где V зависит от параметра структуры датчика, такого как параллельное сопротивление ρ и перпендикулярное сопротивление ρ по отношению к намагниченности датчика, толщины t датчика и размера датчика, θ представляет собой угол между направлением фактической намагниченности и приложенного магнитного поля.
Кольцевая архитектура преимущественно обеспечивает высокочувствительные рабочие характеристики благодаря электрической конфигурации моста Уитстона.
b
В общем случае, дифференциальное напряжение V, обнаруживаемое между первым напряжением V1 первого вывода напряжения и вторым напряжением V2 второго вывода напряжения, описывается следующим уравнением:
,
1
2
3
4
где R, R, R, R обозначают сопротивление первого, второго, третьего и четвертого плеч 102, 112, 122, 132 соответственно.
Предполагаются три различные конфигурации загрузки для обнаружения.
В первой конфигурации, называемой "конфигурацией четверти моста", магнитные частицы осаждают на одно плечо, например на четвертое плечо 132, тогда как остальные три плеча 102, 112, 122 не имеют на себе магнитных частиц.
1
2
3
4
В данной первой конфигурации сопротивления R, R, Rпервого, второго, третьего плеч 102, 112, 122 равны одному и тому же контрольному значению сопротивления R, а сопротивление R четвертого плеча 132 равно R+ΔR.
b1
В данном первом случае обнаруживаемое дифференциальное напряжение, обозначаемое V, подчиняется уравнению:
В случае второй конфигурации, называемой "конфигурацией половины моста", магнитные частицы 12 осаждают на два противоположных плеча, например на второе и третье плечи 112, 122, тогда как остальные два плеча 102, 132 не имеют на себе магнитных частиц.
1
4
2
3
В данной второй конфигурации сопротивления R, Rпервого и четвертого плеч 102, 132 равны одному и тому же контрольному значению сопротивления R, а сопротивление R, R нагруженных второго и третьего плеч 112, 122 равно R+ΔR.
b2
В данной второй конфигурации обнаруживаемое дифференциальное напряжение, обозначаемое V, подчиняется уравнению:
В третьей конфигурации, называемой "конфигурацией полного моста", магнитные частицы осаждают на всю поверхность магнитного датчика, а именно на четыре плеча.
1
4
2
3
В данной третьей конфигурации сопротивления R, Rпервого и четвертого плеч 102, 132 равны одному и тому же значению сопротивления R+ΔR, тогда как сопротивления R, R нагруженных второго и третьего плеч 112, 122 равны R-ΔR.
b3
В данной третьей конфигурации обнаруживаемое дифференциальное напряжение, обозначаемое V, подчиняется уравнению:
Из трех вышеописанных конфигураций конфигурация полного моста выявляет наивысшую чувствительность.
В соответствии с фигурой 4 первый микромагнитометрический магнитный датчик, описанный на фигуре 3, характеризуется различными значениями угла α подмагничивания, образованного между осью 40 легкого намагничивания магнитного датчика и направлением магнитного поля подмагничивания.
Набор 200 различных профилей 202, 204, 206, 208, 210, 212 показан в соответствии с углом α подмагничивания, установленным на 0, 10, 20, 45, 60, 90 градусов соответственно.
DC
Ток подмагничивания магнитного датчика 4 остается установленным на 1 мА. Магнитное поле H подмагничивания разворачивается в диапазоне от -20 до 20 мТл.
Чувствительность S в точке профиля, определяемую как наклон dV/dH, выводят из профилей напряжения, причем максимум чувствительности для каждого значения угла α подмагничивания намечен на кривой 220, как показано на фигуре 5.
DC
Угол α подмагничивания, образованный между магнитным полем H подмагничивания и осью 40 легкого намагничивания, выбирают таким образом, что чувствительность S является максимальной.
-1
Исходя из кривой 220, показанной на фигуре 5, чувствительность S является максимальной для α, равного 20 градусам, и равна 16 В⋅Тл. Данное значение, равное 20 градусам, для α угла подмагничивания было выбрано на фигуре 1.
eff
drift
stray
Когда используется микромагнитометрическая система 2, эффективное измеренное напряжение V между двумя выводами напряжения и вывод от устройства измерения напряжения содержат два компонента: вогнутый отклик V напряжения и горизонтальный отклик напряжения, вызываемый линейным полем V, генерируемым магнитными частицами.
eff
Таким образом, эффективное напряжение V может быть выражено как:
eff
drift
stray
V=V+V
Отклик напряжения датчика может быть хорошо описан следующим выражением:
,
II
⊥
где I представляет собой постоянный ток подмагничивания, прикладываемый к магнитному датчику 4, t, ρ, ρ представляют собой, соответственно, толщину и удельное сопротивление чувствительного слоя в случае тока, параллельного и перпендикулярного к намагниченности.
В соответствии с фигурой 6 второй вариант осуществления микромагнитометрической системы 302 в соответствии с изобретением создан на основе микромагнитометрической системы 2 по фигуре 1 и содержит некоторые части, которые обозначены теми же ссылочными позициями.
AC
Микромагнитометрическая система 320 по фигуре 6 отличается от микромагнитометрической системы по фигуре 1 тем, что средство 20 для создания магнитного возбуждающего поля H, внешнее по отношению к первому магнитному датчику 4, удалено и заменено набором 320, образованным первым магнитным датчиком 4 и модифицированным первым источником 326 тока, подсоединенным между первым и вторым токовыми выводами 28, 30.
В данном втором варианте осуществления модифицированный первый источник тока выполнен с возможностью генерирования переменного тока (AC), осциллирующего со временем с постоянной частотой ω в диапазоне от 10 до 3 кГц, в данном случае установленной на 100 Гц.
AC
Посредством самоиндукции магнитная дорожка 24 первого магнитного датчика 4, на которую подается переменный ток (AC) от первого модифицированного источника 326 тока, генерирует магнитное возбуждающее поле H, чтобы заставлять каждую магнитную частицу создавать магнитное поле рассеяния, причем магнитное поле рассеяния является обнаруживаемым первым магнитным датчиком.
Другими словами, когда переменный ток I подмагничивания прикладывают к первому магнитному датчику 4, магнитный датчик 4 генерирует магнитное поле, всецело окружающее ось 40 легкого намагничивания, причем направление потока подчиняется закону Ампера.
b
Измеренное напряжение V между выводами напряжения может быть записано в виде:
b
0
⊥
offset
V=S⋅〈H〉+I⋅R,
0
⊥
где I представляет собой ток магнитного датчика, S представляет собой чувствительность магнитного датчика, 〈H〉 представляет собой магнитное поле, усредненное по поверхности магнитного датчика.
self
При данных измерениях неподвижные магнитные частицы, расположенные поблизости от активной поверхности датчика, намагничены собственным магнитным полем H датчика.
self
stray
Принимая, что H пропорционально I, и в предположении, что намагниченность частиц прямо пропорциональна приложенному полю, поле рассеяния 〈H〉 от магнитных частиц, усредненное по поверхности магнитного датчика, может быть записано в виде:
stray
〈H〉=γ⋅χ⋅I,
где χ представляет собой восприимчивость магнитной частицы, а γ представляет собой коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрии магнитного датчика и от объемного распределения магнитных частиц.
Использование собственного поля для намагничивания магнитных частиц гарантирует, что будут намагничены только магнитные частицы, осажденные поблизости от активной поверхности первого магнитного датчика.
eff
drift
stray
Аналогично микромагнитометрической системе по фигуре 1, измеренное напряжение V между двумя выводами напряжения и вывод от устройства измерения напряжения содержат два компонента: вогнутый отклик V напряжение и горизонтальный отклик напряжения, вызываемый линейным полем, генерируемым магнитными частицами V, и это может быть выражено как:
eff
drift
stray
V=V+V
В соответствии с фигурой 7 третий вариант осуществления микромагнитометрической системы 402 в соответствии с изобретением выведен из микромагнитометрической системы 2 по фигуре 1 и содержит некоторые детали, которые обозначены теми же ссылочными позициями.
Микромагнитометрическая система 402 по фигуре 7 отличается от микромагнитометрической системы по фигуре 1 тем, что она содержит дополнительно второй гибридный AMR/PHR многокольцевой магнитный датчик 404, и тем, что первое устройство 8 измерения напряжения по фигуре 1 заменено на модифицированное устройство 408 измерения напряжения.
Второй магнитный датчик 404 имеет такую же структуру, как и первый магнитный датчик, и имеет магнитную дорожку в виде замкнутого контура 424 той же формы рисунка.
Второй магнитный датчик 404 имеет первый токовый вывод 428 и второй токовый вывод 430, образующие пару токовых выводов, которые обращены друг к другу, контактируя с магнитной дорожкой в виде замкнутого контура 424.
Второй магнитный датчик 404 имеет первый вывод 432 напряжения и второй вывод 434 напряжения, образующие пару выводов напряжения, которые обращены друг к другу, контактируя с магнитной дорожкой в виде замкнутого контура 424, и из которых обнаруживают выходное дифференциальное напряжение.
Второй магнитный датчик 404 имеет ось 440 легкого намагничивания, определяемую как ось, проходящую через первый токовый вывод 428 и второй токовый вывод 430.
Первый и второй магнитные датчики 4, 404 помещают таким образом, что их соответствующие оси 40, 440 легкого намагничивания оказываются коллинеарными.
Первый и второй магнитные датчики 4, 404 помещают поблизости друг от друга на той же подложке, при тех же известных физических условиях таким образом, что принимают и обнаруживают то же магнитное поле, когда магнитные частицы не осаждены на датчики, с тем же шумом.
Первый токовый вывод 428 и второй токовый вывод 430 второго магнитного датчика соединяют соответственно с первым токовым выводом 28 и вторым токовым выводом 30 первого магнитного датчика 4.
Таким образом, первый источник 6 тока или напряжения подает параллельно на первый магнитный датчик 4 и второй магнитный датчик 404 соответствующий ток, имеющий одинаковые шумовые характеристики.
Модифицированное первое устройство 408 измерения напряжения основано на первом устройстве 8 измерения напряжения по фигуре 1, в котором имеется второй усилитель 444 с низким уровнем шума и дифференцирующий блок 450.
Второй усилитель 444 с низким уровнем шума с коэффициентом усиления 20 дБ подсоединен своими входами к первому выводу 432 напряжения и второму выводу 434 напряжения и своим выходом к первому входу дифференцирующего блока 450.
Первый усилитель 4 с низким уровнем шума подсоединен своим выходом ко второму входу дифференцирующего блока 450.
Дифференцирующий блок 450 имеет выход, соединенный с синхронизирующим усиливающим устройством 46, основанным на фазовой автоматической подстройке частоты.
Дифференцирующий блок 450 выполнен с возможностью определения разностного напряжения между усиленным дифференциальным напряжением, обнаруживаемым на выводах напряжения первого магнитного датчика 4, и усиленным дифференциальным напряжением, обнаруживаемым на выводах напряжения второго магнитного датчика 404.
Таким образом, источники шумов, общие для двух магнитных датчиков, подавляются посредством субтракционного блока 450.
AC
В одном варианте микромагнитометрической системы 402 по фигуре 7 средство 20 для создания магнитного возбуждающего поля H, внешнее по отношению к первому магнитному датчику 4, удаляют и заменяют на набор 320, образованный первым магнитным датчиком 4 и модифицированным первым источником 326 тока, подсоединенным к первому и второму токовым выводам 28, 30.
В соответствии с фигурой 8 первый вариант осуществления микромагнитометрического способа 500 обнаружения для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц осуществляется микромагнитометрической системой, которая определена на фигурах 1, 6 и 7.
h
k
6
I
2
II
III
II
III
II
III
Данный способ 500 применим к любым магнитным частицам, которые представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения. Такие магнитные частицы представляют собой любые переключаемые молекулярные наночастицы в форме AB[M(CN)]⋅mHO, где A может представлять собой Co, Ni, Fe и т.д., B и M могут представлять собой различные переходные металлы (Fe, Fe, Mn, Mn, fml aCo, Co, …), и C представляет собой щелочной металл.
Микромагнитометрический способ 500 обнаружения содержит следующие этапы, выполняемые последовательно.
На первом этапе 502 неизвестное количество магнитных частиц осаждают на первый магнитный датчик, причем данные магнитные частицы представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения.
На следующем этапе 504, при известных предварительно определенных физических условиях, посредством изменения величины физического свойства в предварительно определенном диапазоне физического свойства,
когда магнитометрическая система содержит первый единственный магнитный датчик, обеспечивают первую кривую в виде динамики измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, в зависимости от величины физического свойства, или
когда магнитометрическая система содержит первый магнитный датчик и второй магнитный датчик, проводят первый набор измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, и второй набор измерений дифференциального напряжения, осуществляемых вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и определяют первую кривую в виде динамики в зависимости от физического свойства разности между первым набором измерений дифференциального напряжения и вторым набором измерений дифференциального напряжения.
Затем, на следующем этапе 506 в предварительно определенном диапазоне физического свойства определяют вторую кривую как аппроксимирующую кривую из нижнего участка первой кривой, причем данный нижний участок первой кривой соответствует нижнему интервалу, включенному в предварительно определенный диапазон физического свойства, имеющего его верхнюю границу ниже, чем предварительно определенный порог переключения.
Затем, на этапе 508 определяют третью кривую в виде разности в зависимости от величины переключающего физического свойства между дифференциальными напряжениями первой кривой и дифференциальными напряжениями второй кривой в том же диапазоне величины физического свойства.
На следующем этапе 510 обнаруживают присутствие магнитных частиц, когда третья кривая выявляет интервал переключающего физического свойства, в котором происходит переход, и когда амплитуда перехода больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
eff
В соответствии с фигурой 9 динамика типичного профиля 522 напряжения эффективного напряжения V, выводимого микромагнитометрической системой 2, в зависимости от температуры окружающей среды T и аппроксимирующая кривая 524 показаны на рамке 520 развертки.
Рамка 520 развертки содержит ось 526 ординат выходного напряжения, выраженного в мВ, и ось 538 абсцисс температуры окружающей среды, выраженной в градусах Кельвина.
drift
stray
Профиль 522 напряжения выявляет два компонента: вогнутый отклик напряжения V и горизонтальный отклик напряжения, вызываемый линейным полем, генерируемым частицами с SCO, V.
eff
Таким образом, эффективное напряжение V может быть выражено как:
eff
drift
stray
V=V+V
Профиль 522 напряжения также выявляет петлю 530 гистерезиса, имеющую верхнюю часть кривой в направлении 532 нагревания и нижнюю часть кривой в направлении 534 охлаждения. Данная петля 530 гистерезиса представляет собой магнитную сигнатуру перехода частиц с SCO.
drift
На практике кривую 524 отклика напряжения магнитного датчика V определяют в диапазоне температуры [300 K, 350 K] как аппроксимирующую кривую из нижнего участка профиля 522 напряжения, причем данный нижний участок профиля 522 напряжения соответствует нижнему температурному интервалу, включенному в предварительно определенный диапазон физического свойства, имеющего его верхнюю границу ниже, чем предварительно определенный порог переключения. Например, нижний температурный интервал представляет собой [300 K, 320 K].
stray
В соответствии с фигурой 10 динамика профиля 552 напряжения из напряжения поля рассеяния V в зависимости от температуры окружающей среды T показано на рамке 550 развертки.
stray
drift
eff
Динамику профиля 552 напряжения из напряжения поля рассеяния V выводят из вычитания кривой 524 дрейфа напряжения V из эффективного напряжения V 522.
Вычитание осуществляется блоком 22 обработки на этапе 508 способа 500 обнаружения.
stray
Рамка 550 развертки содержит ось 554 ординат напряжения V поля рассеяния, выраженного в мВ, и ось 556 абсцисс температуры окружающей среды, выраженной в градусах Кельвина.
Профиль 552 напряжения выявляет петлю 560 гистерезиса, имеющую нижний участок 562 кривой в направлении 564 нагревания и верхний участок 566 кривой в направлении 568 охлаждения.
Данная петля 560 гистерезиса представляет собой магнитную сигнатуру перехода частиц с SCO.
Температуры перехода брали на средних восьми кривых гистерезиса петли 560 гистерезиса.
При габаритах и рабочих характеристиках первого магнитного датчика 4, который описан в настоящем документе выше, и при среднем диаметре частиц с SCO, равном 250 нм, минимальное магнитное поле, которое можно обнаруживать с помощью данного магнитного датчика, составляет до 10 нТл.
Поскольку способность к обнаружению магнитометра 2 зависит от области датчика, ожидается, что при доведении размера магнитного датчика до 500 нм единичная магнитная частица будет приводить к величине 25 нВ. Это делает возможным детектирование магнитной сигнатуры одиночной частицы с SCO при комнатной температуре.
-12
Посредством интеграции усилителя в непосредственной близости от магнитного датчика или рядом с двумя магнитными датчиками в дифференциальной конфигурации можно обнаруживать локальное магнитное поле вплоть до одного пикотесла (10 Тл).
Как правило, ширина одного плеча кольца датчика лежит в диапазоне от наномасштаба до микромасштаба, и эффективный размер магнитометрии лежит в диапазоне от 50 нм до 1 мм.
В соответствии с фигурой 11 осуществляют второй вариант осуществления микромагнитометрического способа 600 обнаружения для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц.
h
k
6
I
2
II
III
II
III
II
III
Данный способ 600 применим к любым магнитным частицам, которые представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения. Такие магнитные частицы представляют собой любые переключаемые молекулярные наночастицы в форме AB[M(CN)]⋅mHO, где A может представлять собой Co, Ni, Fe и т.д., B и M могут представлять собой различные переходные металлы (Fe, Fe, Mn, Mn, fml aCo, Co, …), и C представляет собой катион щелочного металла.
2
3
3
4
3
4
3
4
3
4
2
3
2
3
3
4
Данный способ также применим к любым парамагнитным частицам, таким как FeO, FeO, Fe@FeO, CoFe@FeO, Ni, к любым ферромагнитным частицам, таким как Fe, CoFe, Ni, к любым антиферромагнитным частицам, т.е. любым частицам с многослойной структуройиз наночастиц Ti/Fe, Cr, NiO, CoO, a-FeO, CuO, MnO, CrO, и к любым магнитным гранулам, изготовленным из FeOв полимерной матрице, сферической формы и любого размера в диапазоне от 50 нм до 10 мкм.
Микромагнитометрический способ 600 обнаружения для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц может быть осуществлен микромагнитометрической системой, которая определена на фигурах 1, 6 и 7.
Микромагнитометрический способ 600 обнаружения содержит следующие этапы, выполняемые последовательно.
На первом этапе 602, при первых известных предварительно определенных физических условиях, когда система содержит единственный первый магнитный датчик 4, первый магнитный датчик или когда магнитометрическая система содержит первый магнитный датчик 4 и второй магнитный датчик 404, набор из первого и второго магнитного датчика калибруют по температуре и предоставляют первую калибровочную кривую фонового теплового шума.
На следующем этапе 604 неизвестное количество магнитных частиц 12 осаждают на первый магнитный датчик 4.
Затем на следующем этапе 606, при тех же первых известных предварительно определенных физических условиях, посредством изменения температуры в предварительно определенном диапазоне температуры, когда магнитометрическая система 2, 302 содержит первый единственный магнитный датчик 4, выводят вторую кривую в виде динамики измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком, в зависимости от температуры, или когда магнитометрическая система 402 содержит первый магнитный датчик 4 и второй магнитный датчик 404, проводят первую серию измерений дифференциального напряжения, осуществляемых первым датчиком 4, который имеет на себе магнитные частицы, и вторую серию измерений дифференциального напряжения, осуществляемых вторым датчиком 404, который не имеет на себе магнитных частиц. На том же этапе 506 определяют вторую кривую в виде динамики в зависимости от температуры разности между первым набором измерений дифференциального напряжения и вторым набором измерений дифференциального напряжения.
На следующем этапе 608 определяют третью кривую в виде разности в зависимости от температуры между дифференциальными напряжениями второй кривой и дифференциальными напряжениями первой кривой в том же диапазоне температуры.
Затем на следующем этапе 610 обнаруживают присутствие магнитных частиц, когда абсолютное значение разностей напряжений третьей кривой остается стабильно выше предварительно определенного порога обнаружения, или третья кривая выявляет температурный интервал, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
В соответствии с фигурой 12 показан пример первого калибровочного профиля фонового теплового шума 650.
Данную калибровку первого магнитного датчика 4 или набора из первого и второго магнитного датчика 4, 44 осуществляют на этапе 602 способа 600 обнаружения.
Во время данного этапа тепловой калибровки первый магнитный датчик 4 не нагружен, т.е. отсутствуют магнитные частицы, осажденные на него, и температура изменяется по температуре то посредством повышения температуры, то посредством понижения температура.
Профиль 650 содержит первую кривую 652, соответствующую направлению нагревания, и вторую кривую 654, соответствующую направлению охлаждения. Данные кривые идентичны, и калибровочный профиль 650 не выявляет никакого цикла гистерезиса.
В соответствии с фигурой 13 серия из двух различных циклов или петель 672, 674 гистерезиса вместе с соответствующими им температурами перехода показаны при использовании тех же частиц с SCO, обнаруживаемых при двух различных условиях влажности, 80% и 60% соответственно.
Данные два цикла 672, 674 гистерезиса показаны на типичном рисунке 670, который содержит ось 676 ординат выходного напряжения, нормализованного к верхнему напряжению и нижнему напряжению цикла гистерезиса, и ось 678 абсцисс температуры окружающей среды, выраженной в градусах Кельвина.
Петля 672 гистерезиса, соответствующая влажности 80%, выявляет первую температуру 680 перехода и вторую температуру 682 перехода.
Петля 674 гистерезиса, соответствующая влажности 60%, выявляет первую температуру 692 перехода и вторую температуру 694 перехода.
В данном случае можно видеть, что температуры перехода, а также ширину петли гистерезиса можно использовать для определения степени влажности.
Поэтому такое поведение применяют для построения системы измерения влажности, содержащей микромагнитометрическую систему, которая описана на фигурах 1, 6, и 7, в которой частицы представляют собой молекулярные наночастицы, переключаемые посредством превышения предварительно определенного температурного порога переключения и чувствительные к степени влажности, причем предварительно определенный температурный порог переключения или ширина петли гистерезиса зависит от степени влажности окружающей среды.
Блок обработки выполнен с возможностью определения степени влажности из измерений магнитных изменений магнитных частиц и предварительно определенной кривой соответствия между откалиброванными степенями влажности, измеренными с помощью другого способа измерения влажности, и соответствующими температурой перехода или шириной цикла гистерезиса, измеренными с помощью микромагнитометрического способа, который описан на фигуре 8 или фигуре 11.
Фактически, посредством объединения магнитометрического способа по фигуре 8 или фигуре 11 и спин-кроссовера систему можно использовать как газовый датчик для обнаружения газа. Любой газ во внешней среде, который отрицательно влияет на систему, подобную влажности, также сдвигает кривые спин-кроссовера в качестве функции концентрации газа в окружающей среде.
Таким образом, можно использовать любые молекулярные наночастицы, которые являются переключаемыми посредством превышения предварительно определенного температурного порога переключения, причем предварительно определенный температурный порог переключения зависит от концентрации в окружающей среде какого-либо пара молекул во внешней среде.
В таком случае блок обработки выполнен с возможностью определения концентрации в окружающей среде пара молекул во внешней среде из измерений магнитных изменений магнитных частиц, которые чувствительны к концентрации в окружающей среде пара молекул во внешней среде, и из предварительно определенной кривой соответствия между откалиброванной концентрацией в окружающей среде пара молекул во внешней среде, измеренной с помощью другого способа, и соответствующим параметром, таким как температурный порог, температура перехода или ширина петли гистерезиса, определенными по изменению магнитного свойства магнитных частиц, обнаруживаемому посредством микромагнитометрического способа, описанного на фигуре 8 или фигуре 11.
Пар молекул во внешней среде или газ, который можно обнаруживать, представляет собой, например, следующее:
2
2
2
2
2
N, He, I, CO, этанол, метанол, 2-пропанол, ацетон, DO, CS, CO, йод (I), бром (Br), хлор (Cl), бензол, толуол, хлорбензол, бромбензол, йодбензол, дихлорбензол, трихлорбензол, пиразин, пиридин, пиррол, тиофен, фуран, ТГФ.
Способ 600 обнаружения, который описан выше на фигуре 11, можно использовать для обнаружения следующих частиц:
h
k
6
I
2
II
III
II
III
II
III
- Любых переключаемых молекулярных наночастиц в форме AB[M(CN)]⋅mHO, где A может представлять собой Co, Ni, Fe и т.д., B и M могут представлять собой различные переходные металлы (Fe, Fe, Mn, Mn, Co, Co, …), и C представляет собой катион щелочного металла;
2
3
3
4
3
4
3
4
- Любых парамагнитных частиц: FeO, FeO, Fe@FeO, CoFe@FeO, Ni, …;
- Любых ферромагнитных частиц: Fe, CoFe, Ni;
3
4
2
3
2
3
- Любых антиферромагнитных частиц: любых частиц с многослойной структурой из наночастиц Ti/Fe, Cr, NiO, CoO, a-FeO, CuO, MnO, CrO;
3
4
- Любых магнитных гранул, изготовленных из FeOв полимерной матрице, сферической формы и любого размера в диапазоне от 50 нм до 10 мкм.
Данную систему можно использовать для обнаружения изменения намагниченности (переключения намагниченности) всех магнитных материалов (парамагнетиков, диамагнетиков, ферромагнетиков, антиферромагнетиков, ферримагнетиков) в различных формах (материалы в форме микрокристаллических порошков, наночастиц, тонкого слоя и т.д.) и при любой температуре. В качестве показательных примеров можно перечислить следующие: металлические материалы, металлические оксиды, редкоземельные элементы, металлоорганические комплексы, координационные комплексы (магнитные молекулы, магнитные цепи и, в частности, материалы со спин-кроссовером, передающие нагрузку материалы и т.д.).
Металлы, оксиды металлов
В качестве показательных производных металлов можно перечислить следующие: соединения, такие как Co, Ni, Fe и т.д., а также сплавы AB, где A = Co, Ni, Fe и т.д., и B=Pt, Fe и т.д.
2
3
В качестве показательных производных оксидов металлов можно перечислить следующие: FeO, FeO, CuO, ZnO и т.д.
Магнитные соединения и молекулярные комплексы
В качестве показательных магнитных соединений и молекулярных комплексов можно перечислить магнитные молекулы (Mn12 и т.д.), магнитные цепи (гомополиядерные и гетерополиядерные соединения) и т.д.
x
6
y
2
x
y
6
2
4
6
3
2
6
В качестве гетерополиядерных магнитных соединений можно перечислить прусскую лазурь и ее аналоги общей формулой M[M'(CN)]⋅nHO и AM[M'(CN)]⋅nHO, где A представляет щелочной катион, и M и M' представляют катионы двухвалентных или трехвалентных переходных металлов, таких как Fe[Fe(CN)]⋅15HO, CsNi[Cr(CN)] и т.д.
В качестве материалов со спин-кроссовером можно перечислить комплексы железа, в частности формулой (I):
3
2
2
Fe[(L)](X)⋅×HO (I),
в которой:
2
- L представляет лиганд, такой как trz (триазол), NHtrz, Fatrz ((4-формиламино-1,2,4-триазол), Hptrz (гептилтриазол) и т.д.;
- X представляет анионный противоион, такой как OTf (трифлат или трифторметансульфонат), p-tol или tof (p-толилсульфонат или тозил), тетрафторборат, нитрат, Br, Cl и т.д.;
- x представляет собой целое число в интервале между 0 и 10.
В качестве альтернативных материалов со спин-кроссовером можно перечислить производные общей формулой (II):
FeyM(1-y)(L)[M'(CN)4] (II),
где:
- M представляет металл, такой как Ni или Co;
- M' представляет металл, идентичный или отличный от M, выбранный из Ni, Pd, Pt и т.д.;
- L представляет бис-монодентатный лиганд, такой как пиразин (pz), азопиридин (azpy), бис(4-пиридил)ацетилен (bpac) и т.д.;
- y лежит строго между 0 и 1, причем отличается от 0 и от 1.
2
2
В качестве передающих нагрузку соединений можно перечислить производные, образованные парами донор/акцептор, такие как соединение формулой [Fe(Cp*)][TCNE] (TCNE=тетрацианоэтилен), [Mn(Cp*)][TCNQ] (TCNQ = тетрацианхинодиметан) и т.д.
x
y
6
2
x
y
6
2
Другие передающие нагрузку материалы в соответствии с изобретением также включают аналоги прусской лазури общей формулой AM[M'(CN)]⋅nHO, причем A представляет собой щелочной катион, и M и M' представляют катионы двухвалентных или трехвалентных переходных металлов, в частности формулой NaCO[Fe(CN)] HO и т.д.
Способ 500 обнаружения, который описан выше на фигуре 8, можно использовать для обнаружения любых переключаемых молекулярных наночастиц, как описано выше.
В варианте ток, подаваемый первым источником тока, проходящий через токовые выводы, представляет собой сумму постоянного тока (DC) и переменного тока (AC).
Как правило, магнитная дорожка представляет собой двухслойную структуру, включающую в себя ферромагнитную пленку и антиферромагнитную пленку, или спин-вентильную структуру, или трехслойную структуру, включающую в себя ферромагнитную пленку, металл и антиферромагнитную пленку.
В варианте микромагнитометрической системы 402 по фигуре 7 первый и второй гибридные AMR/PHR многокольцевые магнитные датчики 4, 404 заменены на магнитные датчики, имеющие одинаковую магнитную структуру и одинаковую форму из формы креста или формы однокольцевого замкнутого контура.
Первый и второй магнитные датчики с одинаковой формой из формы креста или формы однокольцевого замкнутого контура помещают таким образом, что их соответствующие оси легкого намагничивания оказываются коллинеарными в отношении направления, т.е. параллельными друг другу.
Первый и второй магнитные датчики помещают настолько близко, насколько можно на той же подложке при тех же известных физических условиях таким образом, что принимают и обнаруживают тот же магнитный и температурный отклик, когда магнитные частицы не осаждены на датчики, с тем же шумом.
Первый токовый вывод и второй токовый вывод второго магнитного датчика соединяют соответственно с первым токовым выводом и вторым токовым выводом первого магнитного датчика.
Таким образом, первый источник тока подает параллельно на первый магнитный датчик и второй магнитный датчик соответствующий ток, имеющий одинаковые шумовые характеристики.
Структура модифицированного устройства 408 измерения напряжения остается той же, и модифицированное устройство измерения напряжения выполнено с возможностью определения разностного напряжения между усиленным дифференциальным напряжением, обнаруживаемым на выводах напряжения первого магнитного датчика, и усиленным дифференциальным напряжением, обнаруживаемым на выводах напряжения второго магнитного датчика.
Таким образом, подавляются источники шумов, общие для двух магнитных датчиков.
AC
Как для микромагнитометрической системы 402 по фигуре 7, средство 20 для создания магнитного возбуждающего поля H, внешнее по отношению к первому магнитному датчику 4, может быть удалено и заменено на набор, образованный первым магнитным датчиком, вторым магнитным датчиком и модифицированным первым источником тока, генерирующим переменный ток между первым и вторым токовыми выводами первого магнитного датчика и между первым и вторым токовыми выводами второго магнитного датчика.
Фактически, все варианты, описанные для магнитометрической системы, использующей один или два многокольцевых магнитных датчика, которые описаны в настоящем документе выше в отношении подмагничивания тока, и средство для создания внешнего магнитного поля, можно использовать для магнитометрической системы, использующей два магнитных датчика, имеющих одинаковую форму из формы креста или формы однокольцевого замкнутого контура и соединенные друг с другом дифференциальным путем.
Также можно использовать такие же способы обнаружения, которые описаны на фигуре 5 и 8.
Пример такого варианта микромагнитометрической системы 702 частично проиллюстрирован на фигуре 14, причем два многокольцевых магнитных датчика 4, 404 по фигуре 7 заменены на два магнитных датчика 706, 726 в форме креста.
Первый и второй магнитные датчики 706, 726 с одинаковой формой креста помещают поблизости друг от друга на той же подложке при тех же известных физических условиях таким образом, что принимают и обнаруживают то же магнитное поле, когда магнитные частицы не осаждены на датчики, с тем же шумом.
Первый и второй магнитные датчики 706, 726 помещают таким образом, что их соответствующие оси легкого намагничивания оказываются коллинеарными в отношении направления, т.е. параллельными друг другу.
В варианте, когда используемая микромагнитометрическая система содержит первый и второй гибридные AMR/PHR многокольцевые магнитные датчики 4, 404, которые описаны на фигуре 7, или содержит два магнитных датчика, имеющих одинаковую магнитную структуру и одинаковую форму из формы креста или формы однокольцевого замкнутого контура, можно использовать способ непосредственного обнаружения.
Такой микромагнитометрический способ непосредственного обнаружения используют для обнаружения присутствия сверхмалых количеств магнитных частиц вплоть до одиночной магнитной частицы или одиночного магнитного объекта нано- или микромасштаба.
Микромагнитометрический способ непосредственного обнаружения в соответствии с первым вариантом осуществления содержит следующие этапы.
После осаждения неизвестного количества магнитных частиц или магнитного объекта на первый магнитный датчик на первом этапе при известных предварительно определенных физических условиях проводят первое измерение напряжения, осуществляемое первым датчиком, который имеет на себе магнитные частицы, и второе измерение напряжения, осуществляемое вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц.
На втором этапе определяют первую разность между первым измерением напряжения и вторым измерением напряжения.
На третьем этапе обнаруживают присутствие магнитных частиц или магнитного объекта, когда вторая разность в виде разности между первой разностью и контрольной разностью имеет амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем контрольная разность представляет собой разность между первым измерением напряжения, осуществляемым первым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, и вторым измерением напряжения, осуществляемым вторым датчиком, который не имеет на себе магнитных частиц, при тех же известных предварительно определенных физических условиях, и причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.
Микромагнитометрический способ непосредственного обнаружения, соответствующий второму варианту осуществления, применим, когда магнитные частицы представляют собой молекулярные наночастицы или один объект, переключаемые посредством превышения предварительно определенного порога переключения в единицах переключающего физического свойства, который действует как команда переключения.
Способ непосредственного обнаружения содержит следующие этапы.
После осаждения неизвестного количества магнитных частиц или магнитного объекта на первый магнитный датчик на первом этапе при известных предварительно определенных физических условиях изменяют величину физического свойства в предварительно определенном диапазоне физического свойства.
На втором этапе, осуществляемом параллельно с первым этапом, проводят первую серию измерений напряжения, осуществляемых первым датчиком (4), который имеет на себе магнитные частицы, и вторую серию измерений напряжения, осуществляемых вторым датчиком (404), который не имеет на себе магнитных частиц.
На третьем этапе определяют кривую в виде динамики в зависимости от величины физического свойства разности между первым набором измерений дифференциального напряжения и вторым набором измерений напряжения.
На четвертом этапе обнаруживают присутствие магнитных частиц или магнитного объекта, когда кривая выявляет интервал переключающего физического свойства, в котором происходит переход, имеющий амплитуду больше, чем предварительно определенный порог обнаружения, причем предварительно определенный порог обнаружения соответствует минимальному обнаруживаемому отклонению поля намагниченности, равному 10 нТл.