CN108139361A - 用于纳米级水平的流体流分析的基于石墨烯的磁霍尔传感器 - Google Patents

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Abstract

一种检测粒子的方法，包括：使用AC磁场磁化粒子；在具有导电基本二维晶格结构的感测装置中从所述磁化的粒子生成AC电压；在所述感测装置中的所述生成的AC电压上叠加DC磁场；测量所述感测装置处的AC霍尔电压。

Description

用于纳米级水平的流体流分析的基于石墨烯的磁霍尔传感器
技术领域
本发明各示例性实施例总体上涉及霍尔效应传感器，更具体地，涉及基于石墨烯的霍尔效应传感器和其在微尺度或纳米级别的水平对流体流的表征和分析中的使用。
背景技术
测速是对流体速度的测量。在微尺度水平的测速技术，例如显微粒子图像测速(microPIV)和微观粒子跟踪测速(microPTV)，使用光学(例如激光)检测，并因此限定于在诸如玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的透明材料中蚀刻的微通道。microPIV和microPTV技术二者都依赖于使用强激光光脉冲的荧光微珠的激发。这两种技术也有一些局限，使它们不能应用于纳米级水平的流体流。
磁性纳米粒子可以在各种测速技术中用作生物测定标记或流体流表征示踪剂。然而，纳米粒子的直径通常约1纳米(nm)到几百纳米的量级。因此，它们的缩减尺寸、弱磁场、大的表面-体积比率和热干扰(超顺磁性)对于移动流体的可检测性的实现是个挑战。
传感器和磁场发生器的制造和到设计用于纳米粒子的微/纳米系统的集成，可能是个复杂而困难的任务。传感器和发生器的使用，可能也需要用先进的检测策略来补偿检测方法中不良的信噪比。这样的检测策略可以在CMOS兼容的工艺中实现，但也可以在任意的衬底器件中实现。
先前用基于Si、InSb和石墨烯的霍尔器件的霍尔传感器来检测小磁性粒子的尝试，能够探测到由设置在聚合物矩阵中的数以千计的纳米级氧化铁粒子组成的磁微珠的存在。但是，移动纳米粒子的检测一般是不可能的，这是因为，由于没有传感器与微/纳米流体通道的集成，必须用高度复杂的装置(原子力显微镜(AFM)，纳米操纵器等)把微珠精确地定位在传感器的顶部。此外，传感器的面积通常是约1平方微米(μm2)至约6μm2，这使得难以、甚至不可能把这样的传感器集成到某些微/纳米流体装置中。除了将所述传感器集成到微/纳米流体装置的困难外，对直径为几纳米的单纳米粒子的检测，尚未得到证明。此外，基于分散的磁性纳米粒子的勘探表征通过微/纳米流体通道的流体的流动特性的方法，还没有被成功地执行。
可替换地，基于Al2O3的磁性隧道结(MTJ)已经被用作检测磁微珠的传感器。这个传感器到微流体通道的集成，使得能够检测到在MTJ的顶部滚动时的移动微珠。然而，尚未证实这种方法可用于检测单纳米大小的磁性粒子的存在，也未证实如何能用分散的粒子来更好地表征周围流体的流动。此外，传感器的尺寸较大(约10μm2)，也阻碍将其集成到某些微/纳米流体装置。
沿着相同的路线，基于MgO的MTJ中已经能够检测到2.5微摩尔(μΜ)的、标有16nm的氧化铁纳米粒子的目标DNA。在这样做时，DNA链(strands)能够结合在传感器表面上。如果覆盖高于某一阈值，则检测到的表示存在磁性标记(纳米粒子)的信号。通过这种方法，不可能检测到单纳米粒子，也不能用它们来表征承载流体(carrying fluid)的流动。也不可能检测出运动的磁性粒子，因为它们必须被附连到传感器表面才能检测。最后，设置上需要庞大的椭圆MTJ传感器阵列(4×104μm2)，每个传感器具有85μm2的表面积，这就使得传感器不适合于集成到某些微/纳米流体装置中。
使用石墨烯、InSb、和InAs/AlSb(二维电子气)的微米级和亚微米级的霍尔传感器也被表征，并在检测非常小的磁场的方面被最优化。尚未证实能用这样的装置检测一些磁性纳米粒子。事实上，这些尝试甚至并不预期检测到单纳米粒子。此外，为进行这种尝试所作的假设的基础是纳米粒子完美地位于传感器的顶部上，该假设也没有提供检测移动的纳米粒子的方法，也没有提供确定承载流体的流动特性的方法。
单纳米粒子检测的另一种尝试，采用巨磁阻姿态(GMR)自旋阀传感器来检测几十到几百个16nm的氧化铁纳米粒子。然而，在这样的尝试中，不可能检测到可比大小的单纳米粒子。该检测方法要求把纳米粒子结合到传感器，因此，没有提供一种表征周围流体的流动的方法。
已经有人用基于亚微米半导体的霍尔传感器，对由数千较小(4nm)的FePt纳米粒子构成的50-175纳米的纳米粒子，进行单纳米粒子的检测。复合纳米粒子是通过一种复杂操作而被定位的，该操作需要硅膜的存在，这最终限制了装置的灵敏度。该方法不适合于检测移动的纳米粒子，也不适合于通过磁性示踪剂表征周围流体。尚未证实用这种装置检测到大小只有几纳米(<50nm)的单纳米粒子。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种检测粒子的方法，包括：用交流(AC)磁场磁化粒子；在具有导电基本二维晶格结构的感测装置中从所述磁化的粒子生成AC电压；在所述感测设备中生成的所述AC电压上叠置直流(DC)磁场；以及测量所述感测装置处的AC霍尔电压。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种确定流速场的方法，包括：通过对在通道中流动的流体中的粒子施加交流(AC)磁场而磁化该粒子；测量该通道中的第一感测装置处的第一AC霍尔电压，所述第一感测装置包括用电压偏置的第一石墨烯元件；测量所述通道中的第二感测装置处的第二AC霍尔电压，所述第二感测装置包括用电压偏置的第二石墨烯元件；确定测量的所述第一AC霍尔电压和测量的所述第二AC霍尔电压之间的时移；以及基于所确定的时移和所述第一感测装置和第二感测装置之间的空间距离确定所述通道中的流体流速。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种装置，包括：用于提供直流(DC)磁场的第一线圈；用于提供交流(AC)磁场的第二线圈；以及邻近第一线圈和第二线圈并用电压偏置的导电基本二维晶格结构。第一线圈、第二线圈和导电基本二维晶格结构被电介质层分隔。
附图说明
现在将参照以下附图举例说明本发明的优选实施方式：
图1A和1B分别是基于石墨烯的霍尔效应传感器的一个示例性实施例的侧视图和顶视图的示意性表示；
图2A和2B分别是由一个衬底和第一介电层所限定的晶片的侧视图和顶视图的示意性表示，该晶片形成图1A和图1B的传感器的一部分；
图3A和3B分别是沉积到晶片上并被图案化的光致抗蚀剂材料的侧视图和顶视图的示意性表示；
图4A和4B分别是构成晶片上的第一片上线圈的金属薄膜的的侧视图和顶视图的示意性表示；
图5A和5B分别是沉积到第一片上线圈上的第二介电质层的侧视图和顶视图的示意性表示；
图6A和6B分别是沉积到第二介电质层上的光致抗蚀剂材料的侧视图和顶视图的示意性表示，该光致抗蚀剂材料被图案化；
图7A和7B分别是构成第二介电质层上的第二片上线圈的金属薄膜的侧视图和顶视图的示意性表示；
图8A和8B分别是沉积到第二片上线圈上的第三介电层的侧视图和顶视图的示意性表示；图9A和9B分别是沉积到第三介电层上的石墨烯层的侧视图和顶视图的示意性表示；
图10A和10B分别是沉积到石墨烯层上的光致抗蚀剂材料的侧视图和顶视图的示意性表示，该光致抗蚀剂材料被图案化；
图11A和11B分别是蚀刻处理后的石墨烯层的侧视图和顶视图的示意性表示；
图12A和12B分别是沉积到石墨烯和第三电介质层上的光致抗蚀剂材料的侧视图和顶视图的示意性表示，该光致抗蚀剂材料被图案化；
图13A和13B分别是邻近石墨烯形成的一组触点(contacts)的侧视图和顶视图的示意性表示；
图14是沉积在石墨烯和一组触点上的光致抗蚀剂材料的侧视图的示意性表示，该光致抗蚀剂材料被图案化；
图15是基于石墨烯的霍尔效应传感器的第一片上线圈、第二片上线圈、和石墨烯层的叠加的俯视图的示意性表示，并显示各种电压；
图16是基于石墨烯的霍尔效应传感器的一个示例性操作原理的示意性表示；
图17A-17C是采用各种石墨烯层几何形状的传感器的操作的计算机仿真结果；
图18A是表示使用多个传感器的二维流场中的一个示例性确定的示意图；
图18B是随着时间的推移所确定的顺序霍尔电压信号的图形表示；
图19是速度场的确定的一个示例性例示的示意性表示；
图20是可能适合用于提供流体流分析的各种电子装置和设备的框图；和
图21是一个逻辑流程图，其例示按照提供流体流分析的示例性实施例的一个示例性方法的操作，以及体现在计算机可读存储器中的计算机程序指令的执行的结果。
具体实施方式
这里描述的示例性实施例涉及对直径约1至几百纳米、作为磁性示踪剂操作的、散布在流过微/纳米通道的承载流体中时的一个或多个磁性纳米粒子的检测和表征。然而，示例性实施例并不限于纳米粒子的检测和表征，因为微粒子(即直径约1微米或更大的粒子)也可被检测到。与本文所描述的示例性实施例一起使用的设备和方法允许通过从磁性示踪剂提取的信息来表征承载流体本身。
在检测和表征磁性纳米粒子的实施例中，将微米/纳米尺寸的导电基本二维晶格结构(例如，石墨烯层或片)集成到一个微/纳米通道中，并用电压偏置以促进电流的流动。附近的磁性纳米粒子，在承载流体微/纳米通道内流动，由外部磁场激发而在石墨烯片产生磁场。由于霍尔效应，在石墨烯片产生可检测的横向霍尔电压。霍尔电压信号传达关于该附近的磁性纳米粒子和承载流体的流动特性的信息。这就允许检测分散在流动的流体中的、直径在约1纳米到几百纳米的单个纳米粒子(以及更大的微粒子)以及使用该信息来确定微通道和纳米通道中的流体流速。因此，这里描述的装置和方法促进与磁性纳米粒子测速相关联的技术和工艺。
参考图1A和1B，基于石墨烯的磁性霍尔效应传感器总体上由附图标记100表示，在下文中被称为“传感器100”。传感器100包括设置在第一电介质层110上并被第二介电质层115覆盖的第一片上线圈105，设置在第二介电质层115上并被第三电介质层125覆盖的第二片上线圈120，设置在第三电介质层125上的导电基本二维晶格结构130，设置在第三电介质层125上并与导电基本二维晶格结构130邻近的第一组触点135，通过第三介电层125和第二介电质层115至第一片上线圈105所形成的第一组通孔145，和通过第三介电层125到第二片上线圈120所形成的第二组通孔140。第一电介质层110可以设置在固体或柔性衬底150上，第一个片上线圈105产生直流(DC)磁场。第二个片上线圈120产生交流电流(AC)磁场。
导电基本二维晶格结构130可以是任何合适的单层或多层有机或无机层状材料，例如：石墨烯、MoS2、WSE2、黑磷、由诸如有机和无机纳米管/纳米线(例如碳纳米管、Si纳米线等)的准一维晶格结构构成的规则阵列或随机网络/薄膜、任何前述材料的组合，等等。不过，基本二维晶格结构130在下文中被称为“石墨烯130”。
现在参看图2A至图14，示出并描述可以制造传感器100的主要工艺步骤的例子。
如图2A和2B所示，衬底150可以是绝缘的平坦化衬底，涂覆以第一电介质层110以形成晶片155。衬底150可以包括例如玻璃、石英、碳化硅、诸如Si3N4的氮化硅、塑料等的一个或多个。适合用于第一介电层110的介电材料包括—但不限于—SiO2、Al2O3、HFO、上述物质的组合，等等。这样的介电材料可以通过例如原子层沉积、热蒸发、或化学气相沉积(CVD)等标准方法来沉积。
如图3A和3B所示，晶片155可以用正性光刻胶材料涂覆(例如PMMA)，用于生产掩模160，随后，使用电子束或光刻技术进行图案化，以暴露部分光致抗蚀剂，并用一个显影步骤，除去暴光区域165。一般来说，掩模160可以是软掩模，如光学或电子束光刻抗蚀剂(例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，氢倍半硅氧烷(HSQ)，或基于多晶硅的材料(如可从供应商获得的MICROPOSIT S1818))，或者是硬掩模，如氧化物、氮化物、或通过兼容沉积法沉积的金属。
如图4A和4B所示，通过标准金属沉积工艺，可以把金属薄膜沉积在曝光区域165的去除部分之中和所述第一介电层110之上。此金属薄膜将形成第一片上线圈105，用于生成DC磁场。用以形成所述第一片上线圈105的金属薄膜的合适金属包括——但不限于——钨(W)、钛(Ti)、钯(Pd)、金(Au)、铬(Cr)，等等。掩模160可以使用任何合适的剥离技术除去。
如图5A和5B所示，第一片上线圈105可以用第二电介质层115涂覆，使得限定第一片上线圈105的金属薄膜被完全覆盖。然后可将第二介电质层115平坦化。适合用于第二介电质层115的电介质包括—但不限于—SiO2、Al2O3、HFO、上述物质的组合，等等，其可以通过如原子层沉积、热蒸发、或CVD的标准工艺沉积。
如图6A和6B所示，第二介电质层115可以涂覆以有正光致抗蚀剂(例如，PMMA)，以生成第二掩模170，接着用电子束或光刻技术进行图案化，以暴露部分光致抗蚀剂，并用一个显影步骤，除去暴光区域175。通常，第二掩模170可以是软掩模，如光学或电子束光刻抗蚀剂(例如，PMMA、HSQ、或S1818)，或者是硬掩模，如氧化物、氮化物、或由兼容沉积法沉积的金属。
如图7A和7B所示，通过标准金属沉积工艺，可以把金属薄膜沉积在曝光区域175的去除部分之中和第二介电质层115之上。此金属薄膜形成所述第二片上线圈120，用于生成交流磁场。如图7B所示，第二片上线圈120可以是薄的线性元件。适合用于形成第二片上线圈120的金属薄膜的金属可以包括—但不限于—钨、钛、钯、金、铬，等等。第二掩模170可以使用任何合适的剥离技术除去。
如图8A和图8B所示，第二片上线圈120可以涂有第三介电层125，使得限定所述第二片上线圈120的金属薄膜被完全覆盖。然后可将第三电介质层125平坦化。适合用于第三介电层125的电介质包括—但不限于—SiO2、Al2O3、HFO、上述物质的组合，等等，其可以通过如原子层沉积、热蒸发、或CVD的标准工艺沉积。
如图9A和9B中所示，石墨烯可被设置到第三电介质层125的平坦化顶表面，以提供石墨烯层130。沉积石墨烯的一种合适的方法包括——但不限于——用CVD法把石墨烯沉积在铜线圈上以合成该层，随后溶解铜，使得石墨烯漂浮在水上，随后传送漂浮的石墨烯到第三电介质层125的平坦化顶表面。
如图10A和10B中所示，然后可用负光致抗蚀剂(例如PMMA)涂覆石墨烯130，以生成一个第三掩模180，随后用电子束或光刻技术进行图案化，以暴露部分负光致抗蚀剂，并用一个显影步骤，除去第三掩模180的未曝光区域。通常，第三掩模180可为软掩模，如光学或电子束光刻抗蚀剂(例如PMMA、HSQ、或S1818)，或者是硬掩模，如氧化物、氮化物、或由兼容沉积法沉积的金属。
如图11和图11B中所示，石墨烯130的暴光部分(位于第三掩模180的被去除的未曝光区域之下)，可以通过合适的技术(例如，氧反应离子蚀刻(RIE))来蚀刻。这可以在第三电介质层125上留下石墨烯130的十字型图案。
如图12A和12B中所示，可以用正光致抗蚀剂(例如，PMMA)涂覆石墨烯130和第三电介质层125的顶表面，以生成一个第四掩模190，随后使用电子束或光刻技术图案化，以暴露正光致抗蚀剂的部分，并用一个显影步骤，以去除所述第四掩模190的暴光区域195。一般来说，第四掩模190可以是软掩模，如光学或电子束光刻抗蚀剂(例如，PMMA、HSQ或S1818)，或者是硬掩模，如氧化物、氮化物、或通过兼容沉积法沉积的金属。
如图13A和13B中所示，通过标准金属沉积工艺，可以把金属薄膜沉积在去除曝光区域195之中和邻近石墨烯130的第三电介质层125之上。沉积在去除曝光区域195中的第三金属膜形成第一组触点135。适于形成第一组触点135的第三金属膜包括但不限于钨、钛、钯、金、铬，等等。
如图14所示，可以用正光致抗蚀剂(例如PMMA)涂覆第三电介质层125的顶表面、石墨烯130和第一组触点135，以生成第五掩模210，随后使用电子束或光刻技术图案化，以暴露的正光致抗蚀剂的部分，并用一个显影步骤，除去第五掩模210的暴光区域215。一般来说，第五掩模210可以是软掩模，如光学或电子束光刻抗蚀剂(例如，PMMA、HSQ、或S1818)，或是硬掩模，如氧化物、氮化物、或通过兼容沉积法沉积的金属。
可以用任何合适的蚀刻方法(如RIE)顺序地蚀刻第五掩模210的暴光区域215下方的开放区域，以把第三电介质层125的区域向下打开到第二片上线圈120，并把第三电介质层125和第二介电质层115向下打开到第一片上线圈105。
再次参照图1A和1B，接着可以通过标准金属沉积工艺把金属薄膜沉积到向下延伸到第二片上线圈120和向下延伸到第一片上线圈105的开放区域。该金属沉积形成通过第三电介质层125和第二介电质层115到第一片上线圈105的第一组通孔145和通过所述第三电介质层125到第二片上线圈120的第二组通孔140。
现在参照图15，该图示意性示出不同金属层(形成第一片上线圈105和第二片上线圈120)和石墨烯130的重叠。源电压(VSource)被显示为跨石墨烯130的相对端点。也指示了其它测得的电压。例如，当传感器100位于流体中时石墨烯130在流的方向测量的电压由VDETECT指示。AC和DC电压也分别表示为跨第一组通孔140的和跨第二组通孔145的VAC和VDC。
如图16所示，示出采用传感器100的检测磁性纳米粒子的一个示例性操作原理。为了用传感器100改进磁性纳米粒子的可测量性，一个在数百赫兹(Hz)的频率下操作的几毫特斯拉(MT)的小AC磁场，被用于感应纳米粒子中的同相(in-phase)AC磁化。纳米粒子250的感应磁化在传感器100的石墨烯130处生成外部AC磁场。通过在外部AC磁场上叠加外部DC磁场，跨石墨烯130测量到的AC霍尔电压会大大增加，这是由于纳米粒子250的存在，相比之下，相同的系统没有靠近传感器100的磁化纳米粒子250。AC霍尔电压的可使用在该外部磁场的频率下工作的锁定放大器来测量。基于所测得的这个交流霍尔电压，可以推断出对磁场的AC贡献。
在所示出的示例性实施例中，使用约1μm宽(LX)、约100nm长(LY)、被施加100mV偏置电压的石墨烯片130检测直径约20纳米的γ-Fe2O3纳米粒子。所述纳米粒子250具有12.5千焦/立方米(kJ/m3)的能量密度(K)和380千安/米(kA/M)的磁场强度(Ms)。石墨烯130具有1.5平方米/伏秒(m2/(VS))的电子迁移率(μ)和用于模拟1016/m2的石墨烯130中的假定载流子密度(n)。施加的交流磁场是在250Hz下约5mT。关于所施加的AC(TAC)和DC直流磁场(Tm)的弛豫时间分别是0.6毫秒和1毫秒。纳米粒子250在距离石墨烯130约100nm处是可检测的。虽然归于附图以特定的物理值，本文中所描述的操作原理不限于那些特定的值。
如图17A-17C所示，在图16中举例说明的传感器100的操作的模拟，但采用各种石墨烯层几何形状，一般在300、310和320处示出。具有多重十字几何形状的传感器100分别如图17B和17C中的310和320处指示，允许在流体通道上的不同X位置处的霍尔电压的独立测量。十字形状架也便于电压测量的电接触。在这些模拟中，将磁性纳米粒子250放置在石墨烯130的中心处。除了在中央交叉点(以及例如如图17A所示的穿过传感器100的任何地方)之外的其他地方测量霍尔电压，将会给出零信号。该特征允许沿着X的关于纳米粒子250的检测的空间分辨率。多重十字几何形状可以具有任意数量(N)的十字，而不是所示的仅仅3个。对于较大数量的十字，整个频道的检测分辨率将相应提高。该检测方案允许检测磁性纳米粒子250的存在，由此使得能够使用传感器100进行生物免疫测定，其中可以用磁性纳米粒子250标记检测抗体以确定抗原的存在。
如图18A和18B所示，一般在400处示出二维流速场的确定。通过将多个传感器100(其中每一个包括石墨烯片130)放置在沿着通道的多个位置处(在410处指示)，将可以测量在磁性纳米粒子250沿着通道410流动时的一系列时移的霍尔电压信号。通过使用以下等式使这些多个霍尔电压信号交叉关联：
Vcorr(Δt)＝∫dt′V1(t′)·V2(t′+Δt) (等式1)
其中VCORR是相关电压，V1为第一霍尔电压信号，V2是第二霍尔电压信号，t是时间，有可能确定电压信号之间的时移，其与石墨烯片之间的空间距离一起，给出该区域的周围流体的平均流速，如下所示：
U＝ΔY/Δt (等式2)
其中U是速度，Y是沿通道的距离，t是时间。顺序霍尔电压信号(V1，V2)是在时移(Δt)上确定的，如图18B中的450处所示的那样。这样，说明了如何通过采用在沿着通道410(其可以是纳米通道或微通道)相隔已知距离(ΔY)的两个传感器100来确定的流体的平均流速。此测速技术可以使用任意数量(M)传感器100，而不仅仅是所示的两个。这样的M个相等间隔的传感器100的阵列可以提高确定时移(Δt)时所涉及的交叉关联计算的信噪比。
由于纳米粒子250的磁场是非常局部的，所以通过测量石墨烯130的不同位置处的霍尔电压，可以确定具有X(壁正常)和Y(流向)分辨率的纳米粒子250的位置，提供关于纳米粒子250的存在的二维信息。通过将这个二维位置信息与从沿着通道410的不同位置接收的时移信号的交叉关联相结合，可以仅用示踪剂的磁性来获得周围的流体二维流速场。
图19示出了如何通过分别具有分辨率ΔX和ΔY的M个传感器在通道410的壁法线方向和流方向上使用N个十字矩阵来获得速度场确定。可以包括额外的十字(在500处示出，位于通道410中的磁性粒子250的流之外)以提供参考信号Vref并进一步提高检测方案的可靠性。
另外，也可以确定三维流速场。例如，在了解磁性纳米粒子250的性质(大小和材料)的情况下，可以通过探测大距离处的磁场的距离立方的倒数来推断纳米粒子250的垂直位置。由于霍尔电压取决于与纳米粒子250相关联的磁场的强度，霍尔信号将被纳米粒子250和石墨烯130之间的垂直距离调制，从而提供可能潜在地使三维纳米粒子250能局部化的额外信息源。通过将与纳米粒子250有关的三维位置信息与来自沿着通道410的不同位置处的传感器的阵列100的时移信号的交叉关联相关联，可以获得周围流体三维流速场。
现在参考图20，示出了适用于实践本文描述的示例性实施例的各种电子设备和装置的简化框图。例如，可以使用计算机2010来控制如上所述的一个或多个过程。计算机2010包括诸如计算机或数据处理器(DP)2014的控制器和体现为存储计算机指令程序(PROG)2018的存储器(MEM)2016的计算机可读存储器介质。
PROG 2018包括程序指令，所述程序指令在由关联的DP 2014执行时使各个电子设备和装置能够根据示例性实施例进行操作。也就是说，各种示例性实施例可以至少部分地由计算机2010的DP2014可执行的计算机软件，或者通过硬件，或者通过软件和硬件(以及固件)的组合来实现。
计算机2010还可以包括专用处理器，例如控制纳米粒子250中的同相AC磁化的诱导、测量生成的对传感器100处的磁场的AC贡献、在外部AC磁场上叠加外部DC、以及/或者测量传感器100的石墨烯一部分上的AC霍尔电压的的处理器2015。
计算机可读的MEM 2016，可以是适合于本地技术环境的任何类型，并且可以使用任何合适的数据存储技术来实现，诸如基于半导体的存储器设备、闪存、磁存储器设备和系统、光学存储器设备和系统、固定存储器和可移动存储器。DP 2014可以是适用于本地技术环境的任何类型，并且，作为非限制的例子，可以包括通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)以及基于多核处理器架构的处理器中的一个或多个。
如本文所讨论的以及关于示例性方法特别描述的示例性实施例，可以结合机器可读的程序存储设备(例如，至少一个存储器)来实现，该程序存储设备有形地体现可由机器执行以执行操作的指令程序，例如程序或计算机程序。这些操作包括利用在此描述的方法的示例性实施例。
基于前述内容，显而易见的是，各种示例性实施例提供了用于检测和表征分散在流经通道的承载流体中时的磁性纳米粒子的方法。
图21是说明用于检测和表征分散在流经通道的承载流体中时的磁性纳米粒子的方法2100的一个示例性实施例的操作的逻辑流程图。在方法2100中，在2110处，在纳米粒子中诱导同相AC磁化。在2120处，在霍尔效应传感器处接收对磁场的AC贡献。在2130处测量所接收的AC贡献，并且在2140处将外部DC磁场叠加在对磁场的AC贡献上。在2150处，在霍尔效应传感器的石墨片上测量AC霍尔电压。在2160处，使用所测量的AC霍尔电压来确定流体中纳米粒子的位置和纳米粒子的速度的一个或多个。
在一个示例性方面，检测粒子的方法包括使用AC磁场来磁化粒子；在具有导电基本二维晶格结构的感测装置中从所述磁化的粒子生成AC电压；在感测装置中的生成的AC电压上叠加DC磁场；并在感测装置处测量交流霍尔电压。
在该方法中，在感测装置中从磁化的粒子生成AC电压可以包括在感测装置上的AC线圈两端施加AC电压。在感测装置中的生成的AC电压上叠加DC磁场，与感测装置中生成的AC电压上没有叠加DC磁场相比，可以增加用于在感测装置处测量的AC霍尔电压。在感测装置中的生成的AC电压上叠加DC磁场可以包括在感测装置上的DC线圈两端施加DC电压。该方法可以进一步包括在导电基本二维晶格结构的相对端之间施加源极。在具有导电基本二维晶格结构的感测装置中从磁化的粒子生成AC电压可包括在用电压偏置的石墨烯元件中生成AC电压。
在另一个示例性方面，一种确定流速场的方法包括：通过将AC磁场施加到粒子来使在通道中流动的流体中的该粒子磁化；测量所述通道中的第一感测装置处的第一AC霍尔电压，所述第一感测装置包括用电压偏置的第一石墨烯元件；测量所述通道中的第二感测装置处的第二AC霍尔电压，所述第二感测装置包括利用电压偏置的第二石墨烯元件；确定测量的第一交流霍尔电压和测量的第二交流霍尔电压之间的时移；以及基于所确定的时移以及所述第一感测装置与所述第二感测装置之间的空间距离来确定所述通道中的流体流速。
在通道中的第一感测装置处测量第一AC霍尔电压可以包括在第一感测装置的导电基本二维晶格结构中从该磁化的粒子生成AC电压，并且在第一感测装置的导电基本二维晶格结构中生成的AC电压上叠加DC磁场。确定测量的第一AC霍尔电压和测量的第二AC霍尔电压之间的时移可以包括使用如本文所述的等式(1)使测量的第一AC霍尔电压和测量的第二AC霍尔电压交叉关联。在通道中流动的流体的平均流动速度可以由如本文所述的等式(2)来指示。该方法可以进一步包括向通道外部的第一感测设备和第二感测设备提供参考电压。
在另一示例性方面，一种装置包括用于提供DC磁场的第一线圈；用于提供AC磁场的第二线圈；以及接近所述第一线圈和所述第二线圈并且用电压偏置的导电基本二维晶格结构。第一线圈，第二线圈和导电基本二维晶格结构由介电层分开。
该装置还可以包括设置为与导电基本二维晶格结构接触的第一组接触。该装置还可以包括与第一线圈接触的第一组通孔和与第二线圈接触的第二组通孔。导电基本二维晶格结构可以包括石墨烯。导电基本二维晶格结构可以包括MoS2、WSe2，黑磷、碳纳米管、Si纳米线或任何上述材料的组合。电介质层中的至少一个可以设置在玻璃、石英、SiC、氮化硅、塑料或任何前述材料的组合的衬底上。介电层中的至少一个可以包括SiO2、Al2O3、HfO或任何前述材料的组合。第二线圈可以是薄的线性元件。
前面的描述已经通过示例性且非限制性的例子提供了发明人目前考虑的用于执行各种示例性实施例的最佳方法和设备的全面和信息性描述。然而，对于相关领域的技术人员来说，鉴于前面的描述，当结合附图和所附权利要求阅读时，各种修改和调整可变得显而易见。然而，所有这些和类似的修改仍将落入示例性实施例的教导的范围内。
此外，优选实施例的一些特征可以被有利地使用而不需要相应地使用其他特征。这样，前面的描述应该被认为仅仅是原理的说明，而不是对其的限制。

Claims (18)

1.一种检测粒子的方法，包括：
使用AC磁场磁化粒子；
在具有导电基本二维晶格结构的感测装置中从所述磁化的粒子生成AC电压；
在所述感测装置中生成的所述AC电压上叠加DC磁场；和
测量所述感测装置处的AC霍尔电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生成AC电压包括在所述感测装置上的AC线圈两端施加AC电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述叠加DC磁场包括在所述感测装置上的DC线圈两端施加DC电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述叠加DC磁场，与在所述感测装置中生成的没有叠加DC磁场的AC电压相比，增加了用于在所述感测装置处测量的所述AC霍尔电压。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述晶格结构的相对端部上施加源电压。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生成AC电压包括在用电压偏置的石墨烯元件中生成AC电压。
7.一种确定流速场的方法，包含如权利要求1所述的检测粒子的方法，其中所述磁化粒子包含通过对在通道中流动的流体中的该粒子施加该AC磁场来磁化该粒子，其中所述生成AC电压包含在第一感测装置的导电基本二维晶格结构中从该磁化的粒子生成该AC电压，并且其中所述叠加DC磁场包含在第一感测装置的导电基本二维晶格结构中生成的该AC电压上叠加DC磁场；该方法进一步包含：
测量所述通道中的第一感测装置处的第一AC霍尔电压，所述第一感测装置包括用电压偏置的第一石墨烯元件；
测量所述通道中的第二感测装置处的第二AC霍尔电压，所述第二感测装置包括用电压偏置的第二石墨烯元件；
确定测量的所述第一AC霍尔电压和测量的所述第二AC霍尔电压之间的时移；和
基于所确定的时移以及所述第一感测装置与所述第二感测装置之间的空间距离来确定所述通道中的流体流速。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述确定时移包括用下式使所述第一和测量的所述AC霍尔电压交叉相关：
Vcorr(Δt)＝∫dt′V1(t′)·V2(t′+Δt)
其中，Vcorr是相关电压，V1是第一霍尔电压信号，V2是第二霍尔电压信号，t是时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述通道中流动的所述流体的平均流速由下式指示：
U＝ΔY/Δt
其中U是速度，Y是沿着通道的距离，t是时间。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括向所述通道外部的所述第一感测装置和所述第二感测装置提供参考电压。
11.一种装置，包括：
用于提供DC磁场的第一线圈；
用于提供AC磁场的第二线圈；以及
邻近所述第一线圈和所述第二线圈的、并用电压偏置的导电基本二维晶格结构；
其中所述第一线圈和所述第二线圈以及所述晶格结构由电介质层分隔开。
12.根据权利要求11所述的装置，进一步包含设置得与所述晶格结构接触的第一组接触件。
13.如权利要求11所述的装置，还包括与所述第一线圈接触的第一组通孔和与所述第二线圈接触的第二组通孔。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述晶格结构包含石墨烯。
15.根据权利要求11所述的装置，其中所述晶格结构包含MoS2、WSe2、黑磷、碳纳米管、Si纳米线或任何前述材料的组合。
16.根据权利要求11所述的装置，其中所述电介质层中的至少一个电介质层设置在玻璃、石英、SiC、氮化硅、塑料或任何前述材料的组合的衬底上。
17.根据权利要求11所述的装置，其中所述介电层中的至少一个包含SiO2、Al2O3、HfO或任何前述材料的组合。
18.根据权利要求11所述的装置，其中所述第二线圈是薄的线性元件。
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