基于GMR传感器阵列的生物检测研究

2011-05-27 22:29:12来源: 郑飞雁 杨陈 王豪才 兰中文 张力

  0 引 言

  生物传感器的研究具有巨大的应用前景,近年来,随着电子自旋现象的发现,结合了半导体微电子工艺制备的GMR设备,在生物检测领域引起了人们越来越浓厚的研究兴趣,使其成为传统生物检测方法的替换方案之一。由于其独特的物理特性,GMR传感器比电子传感器更灵敏、可重复性强,具有更宽的工作温度、工作电压和抗机械冲击、震动的优异性能,而且GMR传感器的工作点也不会随时间推移而发生偏移。GMR传感器的制备成本和检测成本低,对样本的需求量很小。由GMR传感器组成的阵列,还可以结合现有的IC工艺,提高整体设备的集成度,进行多目标的检测。同时,对比传统的荧光检测法,磁性标记没有很强的环境噪声,标记本身不会逐渐消退,也不需要昂贵的光学扫描设备以及专业的操作人员。因此,无论是传感器本身的性能,还是磁性标记的特点,都决定了GMR传感器阵列在生物检测领域的研究具有较高的应用价值和实践意义。

  1 巨磁阻阵列传感器生物检测的基本原理

  1.1 巨磁阻(GMR)效应

  1988年派瑞松大学的研究人员发现了GMR效应,这是一种在铁磁性层与非铁磁性层交替叠置的结构中观测到的量子效应,是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小,而Aρ/ρ急剧增大的特性,一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。GMR效应的理论很复杂,许多机理至今还不清楚,目前普遍接受的解释是两流模型,如图1所示。多个铁磁层中的磁矩方向由施加的外磁场控制,当铁磁性层的磁矩反平行排列时见图1(a),载流子受到的自旋散射最大,多层膜电阻最高;当铁磁性层的磁矩平行排列时见图1(b),载流子受到的自旋散射最小,多层膜的电阻最低。

自旋向上与自旋向下电子穿过GMR多层膜结构

  目前,按其结构、GMR材料可分为具有层间偶合特性的多层膜(例如Fe/Cr)、自旋阀多层膜(例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi)、颗粒型多层膜(例如Fe-Co)和钙钛矿氧化物型多层膜(例如AMnO3)等。

  1.2 巨磁阻(GMR)的电子特性

  图2是一个典型的多层GMR材料在外加磁场下的电阻变化情况。图2中的输出表明,无论是正向还是反向的外加磁场变化,都能带来相同的磁阻变化,也就是说GMR效应是全极性的。曲线的斜率体现了磁性敏感程度,通常以V(mV)/Oe为单位。当阻值不随磁场继续变化时,磁性材料就达到了其磁性饱和区。两条曲线中的偏移是磁性材料的磁滞导致的,从零磁场到饱和磁场所带来的阻值变化就称为磁阻。

典型的多层GMR材料在外加磁场下的电阻变化情况

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关键字:GMR  传感器  生物检测

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0527/article_2521.html
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