用于检测磁性材料的磁性特征的微磁力测定检测系统和方法

摘要

一种用于检测极少量磁性粒子的存在的微磁力测定系统，包括使用惠斯通电桥配置的第一磁性混合AMR/PHR多环传感器(4)、第一电流源(6)、第一电压测量器件(8)、沉积在第一磁性传感器(4)上的一组至少一个磁性粒子(12)以及用于根据一组不同的测量差分电压来检测表示存在至少一个沉积的磁性粒子(12)的磁通量改变的处理单元(22)。微磁力测定系统包括用于建立磁激励场H_AC以使得每个静止的磁性粒子(12)产生杂散磁场的装置(20)，磁激励场H_AC随时间以在10Hz至3KHz的范围内的恒定频率ω振荡。

主权项

一种微磁力测定系统，用于对纳米或微米尺度下的极少量磁性粒子直至单个磁性粒子或单个磁性物体的存在进行检测，所述微磁力测定系统包括：第一磁性混合AMR/PHR多环传感器(4)，其具有：包括有沉积在基板(26)上的闭环形状的磁道(14)的有源表面(14)，形成了彼此面对并且与由磁性材料制成的所述闭环磁道(24)接触的电流端子对的第一电流端子(28)和第二电流端子(30)，形成了彼此面对并与所述闭环磁道(24)接触且从中检测到输出差分电压V_b的电压端子对的第一电压端子(32)和第二电压端子(34)，与所述磁道材料的交换偏置场方向平行并且与穿过所述第一电压端子和所述第二电压端子的第二轴(42)垂直的、穿过所述第一电流端子和所述第二电流端子(28、30)的第一轴(40)；第一电流或电压源(6)，被连接在所述第一电流端子和所述第二电流端子(28、30)之间以用于向所述第一电流端子和所述第二电流端子(28、30)注入电流I；第一电压测量器件(8)，被连接在所述第一电压端子和所述第二电压端子(32、34)之间以用于测量所述电压端子(32、34)对之间的所述差分电压V_b；一组至少一个磁性粒子(12)，沉积在所述第一磁性传感器(4)的所述有源表面(14)上；以及处理单元(22)，用于根据一组不同的测量差分电压来对表示存在至少一个沉积的磁性粒子(12)的磁通量改变加以检测；所述第一AMR/PHR多环磁性传感器(4)的所述磁道(24)具有：第一臂(102)，由所述第一磁性传感器(4)的第一四分表面(106)内限定的第一组预定环数为m的圆形弯曲路径(104)制成，其中m小于18，最外的弯曲路径(108)被连接到所述第一电流端子(28)处并且最内的弯曲路径(110)被连接到所述第一电压端子(32)处，第二臂(112)，由所述第一磁性传感器(4)的第二四分表面(116)内限定的第二组预定环数同样为m的圆形弯曲路径(114)制成，最外的弯曲路径(118)被连接到所述第二电流端子(30)处并且最内的弯曲路径(120)被连接到所述第一电压端子(32)处，第三臂(122)，由所述第一磁性传感器(4)的第三四分表面(126)内限定的第三组预定环数同样为m的圆形弯曲路径(124)制成，最外的弯曲路径(128)被连接到所述第二电流端子(30)处并且最内的弯曲路径(130)被连接到所述第二电压端子(34)处，以及第四臂(132)，由所述第一磁性传感器(4)的第四四分表面(136)内限定的第四组预定环数同样为m的圆形弯曲路径(134)制成，最外的弯曲路径(138)被连接到所述第一电流端子(30)处并且最内的弯曲路径(140)被连接到所述第二电压端子(34)处；所述磁道(24)是包括铁磁性膜及反铁磁性膜的双层结构，或者是自旋阀结构，或者是包括铁磁性膜、金属及反铁磁性膜的三层结构；其特征在于，所述微磁力测定系统包括用于建立磁激励场H_AC的装置(20)从而使得每个磁性粒子产生杂散磁场，所述磁激励场H_AC随时间以在10Hz至3KHz范围内的恒定频率ω振荡；以及待检测的磁性粒子(12)为静止的并且靠近或者接触到所述磁道(24)的所述有源表面(14)；以及由所述第一电流或电压源(6)注入的、流经所述电流端子(28、30)的所述电流I为直流电流(DC)，或者交变电流(AC)，或者直流电流和交变电流之和；以及所述处理单元(22)被配置为：在预定温度范围内，在第一已知预定环境物理条件下，而且在关于由所述第一电流或电压源(6)注入的所述电流和关于施加的所述磁激励场H_AC的第一组已知的系统工作条件下，提供其上没有沉积任何磁性粒子的所述第一磁性传感器(4)的本底热磁性响应的第一校准曲线；之后在所述第一磁性传感器(4)上沉积有未知量的磁性粒子(12)之后，在相同的第一已知预定环境物理条件下且在相同的第一组已知系统工作条件下确定差分电压测量值相对于温度变化的第二曲线，所述差分电压测量值经过或未经通过在相同的预定温度范围内改变温度而得到的并且由所述第一磁性传感器(4)输出的一组差分电压测量值的修正，之后确定所述第二曲线和所述第一曲线在相同的温度范围内的差值作为第三曲线；以及当所述第三曲线的全部电压差的绝对值保持在预定检测阈值之上时，或者当所述第三曲线具有一其内的电压转变幅度大于所述预定检测阈值的温度区间时，检测到至少一个磁性粒子的存在，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变；或者，所述处理单元(22)被配置为：在所述第一磁性传感器(4)上沉积有未知量的磁性粒子(12)之后，所述磁性粒子为可通过超出一被用作转换命令的转换物理特性的预定转换阈值来转换的分子纳米粒子，通过使所述物理特性量值在已知的预定物理条件下且在已知的系统工作条件下在所述物理特性的预定范围内变化来确定差分电压测量值相对于所述物理特性的量值变化的第一曲线，所述差分电压测量值经过或未经过由所述第一磁性传感器(4)获得的差分电压测量值的变化的修正；之后在所述物理特性量值的所述预定范围内确定作为所述第一曲线的下部分的拟合曲线的第二曲线，所述第一曲线的该下部分对应于包括在所述物理特性的所述预定范围内的下区间，该下区间的上限低于所述预定转换阈值；之后将所述物理特性的相同量值范围内所述第一曲线的差分电压与所述第二曲线的差分电压之间的差值相对于所述转换物理特性的量值的变化确定为第三曲线；以及当所述第三曲线具有一其内的电压转变幅度大于所述预定检测阈值的转换物理特性区间时，检测到磁性粒子的存在，所述预定检测阈值对应于10nT的可检测的最小磁化强度场改变。