基于GMR傳感器陣列的生物檢測研究 (1)2011-05-27 22:29:12來源:鄭飛雁 楊陳 王豪才 蘭中文 張力
　　0 引 言

　　生物傳感器的研究具有巨大的應用前景，近年來，隨著電子自旋現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，結合了半導體微電子工藝制備的GMR設備，在生物檢測領域引起了人們越來越濃厚的研究興趣，使其成為傳統(tǒng)生物檢測方法的替換方案之一。由于其獨特的物理特性，GMR傳感器比電子傳感器更靈敏、可重復性強，具有更寬的工作溫度、工作電壓和抗機械沖擊、震動的優(yōu)異性能，而且GMR傳感器的工作點也不會隨時間推移而發(fā)生偏移。GMR傳感器的制備成本和檢測成本低，對樣本的需求量很小。由GMR傳感器組成的陣列，還可以結合現(xiàn)有的IC工藝，提高整體設備的集成度，進行多目標的檢測。同時，對比傳統(tǒng)的熒光檢測法，磁性標記沒有很強的環(huán)境噪聲，標記本身不會逐漸消退，也不需要昂貴的光學掃描設備以及專業(yè)的操作人員。因此，無論是傳感器本身的性能，還是磁性標記的特點，都決定了GMR傳感器陣列在生物檢測領域的研究具有較高的應用價值和實踐意義。

　　1 巨磁阻陣列傳感器生物檢測的基本原理

　　1．1 巨磁阻(GMR)效應

　　1988年派瑞松大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了GMR效應，這是一種在鐵磁性層與非鐵磁性層交替疊置的結構中觀測到的量子效應，是指某些磁性或合金材料的磁電阻在一定磁場作用下急劇減小，而Aρ／ρ急劇增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性與合金材料的磁電阻約高10倍。GMR效應的理論很復雜，許多機理至今還不清楚，目前普遍接受的解釋是兩流模型，如圖1所示。多個鐵磁層中的磁矩方向由施加的外磁場控制，當鐵磁性層的磁矩反平行排列時見圖1(a)，載流子受到的自旋散射最大，多層膜電阻最高；當鐵磁性層的磁矩平行排列時見圖1(b)，載流子受到的自旋散射最小，多層膜的電阻最低。


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　　目前，按其結構、GMR材料可分為具有層間偶合特性的多層膜(例如Fe／Cr)、自旋閥多層膜(例如FeMn／FeNi／Cu／FeNi)、顆粒型多層膜(例如Fe-Co)和鈣鈦礦氧化物型多層膜(例如AMnO3)等。

　　1．2 巨磁阻(GMR)的電子特性

　　圖2是一個典型的多層GMR材料在外加磁場下的電阻變化情況。圖2中的輸出表明，無論是正向還是反向的外加磁場變化，都能帶來相同的磁阻變化，也就是說GMR效應是全極性的。曲線的斜率體現(xiàn)了磁性敏感程度，通常以V(mV)／Oe為單位。當阻值不隨磁場繼續(xù)變化時，磁性材料就達到了其磁性飽和區(qū)。兩條曲線中的偏移是磁性材料的磁滯導致的，從零磁場到飽和磁場所帶來的阻值變化就稱為磁阻。


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