專利名稱：微機(jī)電磁性生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明申請一般性地涉及生物傳感器，具體說，涉及基于磁阻效應(yīng)或巨磁阻效應(yīng)的微機(jī)電磁性生物傳感器。
背景技術(shù)：
材料的電阻值隨外加磁場變化的現(xiàn)象通常被稱為磁阻效應(yīng)。巨磁阻效應(yīng)是一種與電子自旋相關(guān)的量子力學(xué)的磁阻效應(yīng)。常見的基于巨磁阻效應(yīng)的巨磁阻器件有自旋閥 (spin valve，SV)、磁隧穿(magnetic tunnel junction, MTJ)和其他一些磁性多層膜堆疊結(jié)構(gòu)。巨磁阻效應(yīng)引發(fā)了新型的學(xué)科-自旋電子學(xué)(spintronics)，同時(shí)在諸如硬盤存儲器和磁性測量等方面逐漸得到實(shí)際應(yīng)用。與微機(jī)電(MEMQ技術(shù)相結(jié)合使巨磁阻效應(yīng)得到更加廣泛和迅速的應(yīng)用。這種應(yīng)用之一就是磁性生物傳感器。磁性生物傳感器使用巨磁阻器件為核心測量單元，結(jié)合納米磁性顆粒標(biāo)識生物分子。其制備和結(jié)構(gòu)特征基于微機(jī)電和集成電路技術(shù)。使用中，磁性生物傳感器通過定量地測量磁性納米顆粒，利用定量的測量結(jié)果和已知的生物探針的信息得出被測量生物樣品的特征信息。由于分子的尺寸大約在1-100納米，作為標(biāo)識的磁性納米顆粒的尺寸一般在20納米左右。而20納米的磁性顆粒通常表現(xiàn)為超順磁性，因此測量中需要外加激發(fā)磁場來磁化納米顆粒。在實(shí)際測量中往往有其他附加磁場，比如偏置磁場存在。被磁化的納米顆粒的誘導(dǎo)磁場與激發(fā)場和附加場同時(shí)存在。準(zhǔn)確地在眾多磁場信號中捕捉和測量磁性納米顆粒的磁場是一件相對困難的任務(wù)。本發(fā)明提供了一種磁性生物傳感器可以用來在多種磁場信號中捕捉和測量納米磁性顆粒的誘導(dǎo)磁場，從而準(zhǔn)確測量生物分子。

發(fā)明內(nèi)容
在第一個(gè)實(shí)施例中公開了一種微機(jī)電磁性生物傳感器，該傳感器包括襯底，該襯底包含一個(gè)電路；和在襯底上的一個(gè)傳感器層，該傳感器層包含自由層，該自由層的磁化方向可以隨目標(biāo)磁場變化；釘扎層，該釘扎層的磁化方向不隨目標(biāo)磁場變化；反鐵磁層用來固定釘扎層的磁化方向；非磁性空間層，該空間層夾在自由層和釘扎層之間；硬磁層，該硬磁層的阻隔溫度高于室溫；熱阻層，該熱阻層處于硬磁層的上表面或者下表面；生物薄膜層覆蓋在傳感器的上表面；至少兩個(gè)測量電流電極，自由層、非鐵磁空間層、釘扎層被夾在該至少兩個(gè)電流電極之間；和至少兩個(gè)熱電流電極，該至少兩個(gè)熱電流電極連接到硬磁層和一個(gè)電流源對該硬磁層加熱。在另一個(gè)實(shí)施例中公開了一個(gè)微機(jī)電磁性生物傳感器，該傳感器包括襯底，該襯底包含一個(gè)電路；和在襯底上的一個(gè)傳感器層，該傳感器層包含自由層，該自由層的磁化方向可以隨目標(biāo)磁場變化；釘扎層，該釘扎層的磁化方向不隨目標(biāo)磁場變化；反鐵磁層用來固定釘扎層的磁化方向；非磁性空間層，該空間層夾在自由層和釘扎層之間；熱阻層，該熱阻層處于自由層的上表面或者下表面；生物薄膜層覆蓋在傳感器的上表面；至少兩個(gè)測量電流電極，自由層、非鐵磁空間層、釘扎層被夾在該至少兩個(gè)電流電極之間；和至少兩個(gè)熱電流電極，該至少兩個(gè)熱電流電極連接到自由層和一個(gè)電流源對該自由層加熱。


由以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明的各個(gè)示范性實(shí)施方式能夠被更加清楚地理解。圖1示意性地展示了本發(fā)明中磁性生物傳感器的一個(gè)范例的剖面圖，該磁性生物傳感器包含一個(gè)硬磁層和一個(gè)熱阻層；圖2示意性地展示了圖1中硬磁層的矯頑場和其溫度的變化關(guān)系；圖3示意性地展示了本發(fā)明中磁性生物傳感器的另一個(gè)范例的剖面圖，該磁性生物傳感器包含一個(gè)自由層和一個(gè)熱阻層；圖4示意性地展示了圖1和圖3中熱阻層的一個(gè)實(shí)施范例，在該實(shí)施范例中，熱阻層是一個(gè)多層膜結(jié)構(gòu)；圖5示意性地展示了本發(fā)明中磁性生物傳感器的另一個(gè)范例的剖面圖，該磁性生物傳感器包含單側(cè)單元和一個(gè)參考單元；圖6示意性地展示了本發(fā)明中磁性生物傳感器的另一個(gè)范例的剖面圖，該磁性生物傳感器包含單側(cè)單元和一個(gè)參考單元；圖7示意性地展示了一個(gè)磁性生物傳感器陣列，該陣列包含多個(gè)如圖1或者圖2 所示的磁性生物傳感器；和圖8示意性地展示了一個(gè)磁性生物傳感器陣列的控制電路的一部分，該控制電路可以被應(yīng)用到如圖7所示的磁性生物傳感器陣列中。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明磁性生物傳感器的幾個(gè)選定的例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解以下的介紹是為了說明的目的，不應(yīng)該理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他變化也包含在本發(fā)明中。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖1示意性的展示了本發(fā)明的一個(gè)磁性生物傳感器的剖面圖。參照圖1，磁性生物傳感器100包含襯底122和傳感層123。襯底122包含電路用來控制磁性生物傳感器100的操作以及傳感器100和其他功能單元的數(shù)據(jù)交換(控制數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)等)。傳感器層123包含反鐵磁層120、訂扎層116、隧穿層114、自由層112、熱阻層 108、硬磁層106、生物薄膜104以及電極110和118。上電極118在本實(shí)施例中放置在熱阻層 108和自由層112之間，而下電極118放置在訂扎層116和反鐵磁層120之間。實(shí)際上，上電極110可以放置在自由層112以上的任何位置，而下電極118可以被放置在訂扎層116和襯底122之間的任何位置。本實(shí)例的磁隧穿傳感器123配置為CPP(current-perpendicular to the plane)形式。上下電極分別連接觸點(diǎn)T3和T4，電流Is通過觸點(diǎn)T3和T4引入傳感器層123沿垂直于薄膜的方向流過自由層112，隧穿層114和釘扎層116。釘扎層116和反鐵磁層1 在襯底122上。釘扎層116的磁化方向預(yù)先設(shè)定，并由反鐵磁層120固定，因此在磁場測量中不隨外加磁場而變化。隧穿層114是一個(gè)介電薄膜層，其厚度大約為1納米。自由層112的磁化方向在傳感器100的正常工作溫度比如室溫下可以由外加磁場改變。在一個(gè)實(shí)例中，自由層的初始磁化方向可以設(shè)定為釘扎層116的方向。自由層112和釘扎層116相同的磁化方向?qū)е聜鞲衅?00的低電阻態(tài)。當(dāng)外加磁場的方向沿釘扎層磁化方向的相反方向時(shí)，自由層112的磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從沿釘扎層116 的初始方向翻轉(zhuǎn)到沿外加場的方向(從而與釘扎層116的磁化方向相反)。自由層112和釘扎層116相反的磁化方向?qū)е聜鞲衅?00的高電阻態(tài)。值得注意的是，不同于硬盤存貯， 傳感器100中在用于進(jìn)行磁場測量的時(shí)候，我們希望高阻態(tài)和低阻態(tài)的差值盡可能與磁場的大小(強(qiáng)度)成線形關(guān)系，或者說高組態(tài)和低阻態(tài)之間的差值盡可能與納米顆粒(比如納米顆粒102)的數(shù)目成線形關(guān)系。磁性傳感器100還包含硬磁層106和覆蓋在硬磁層106上的生物薄膜104。值得指出的是，硬磁層106和生物薄膜104之間可以有其他功能薄膜比如鈍化層和附著層等。 生物薄膜104主要起到固定生物分子的作用。硬磁層106在磁性生物傳感器100的正常工作溫度RT比如室溫下表現(xiàn)為鐵磁性，其阻隔溫度(Blocking temperature)略高于自由層 110的阻隔溫度，也高于工作溫度RT。在RT溫度下，硬磁層106的矯頑場Htl略高于納米顆粒102的磁場以及激發(fā)場和其他附加場如偏置場。因此在RT溫度下，硬磁層106的磁化強(qiáng)度不隨納米顆粒及其它磁場而變化。硬磁層106包含兩個(gè)電極T2和T3，這兩個(gè)電極T2和 T3連接到一個(gè)電流源用來對硬磁層106進(jìn)行加熱。加熱后的硬磁層106升高其溫度，而隨著其溫度的升高，其矯頑場降低如圖2所示。圖2示意性地展示了硬磁層的矯頑場隨其溫度的變化。在RT溫度下，硬磁層106 的矯頑場為氏。隨著溫度的升高，硬磁層106的矯頑場降低。當(dāng)溫度升高到阻隔溫度Tb時(shí)， 硬磁層106的矯頑場降低到知。Hnp小于或等于納米顆粒的磁場。因此，在Tb溫度以上，硬磁層106的磁化方向根據(jù)納米顆粒的磁場而變化-即硬磁層106在Tb溫度或該溫度以上， 可以探測納米顆粒102的磁場。當(dāng)硬磁層106完成對納米顆粒102磁場的測量后，加熱硬磁層106的電流Ib被撤銷，硬磁層106冷卻至工作溫度RT。在冷卻的過程中，硬磁層106 測量到的納米顆粒102的磁場被“凍結(jié)”在硬磁層106中。當(dāng)硬磁層106的溫度穩(wěn)定到RT 之后，探測電流Is通過觸點(diǎn)T3和T4被引入自由層112，隧穿層114和釘扎層116。由于自由層112的磁化方向決定于硬磁層106的磁化方向，而硬磁層106的磁化方向決定于納米顆粒102的磁場，因此，自由層112的磁化方向?qū)嶋H上包含納米顆粒102的磁場信息。通過比較低阻態(tài)和高阻態(tài)之間的差值，納米磁性顆粒102的數(shù)目可以被推斷出來。硬磁層106的加熱升溫會影響傳感器100其他功能層的溫度，因而對其他功能層的運(yùn)作產(chǎn)生負(fù)面或者難以預(yù)測的影響。為此，熱阻層108可以被放置在熱阻層106和自由層112之間起到熱絕緣的作用。同時(shí)，熱阻層108也可以起到以小電流使硬磁層106達(dá)到其居里溫度的作用，如美國發(fā)明專利7，411，817所闡述，該美國專利的全部內(nèi)容包含在本說明書中。根據(jù)熱阻層108的設(shè)計(jì)功能，熱阻層108具有低熱導(dǎo)率和高電導(dǎo)率，比如相對金屬鋁來說。一些現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)，比如使用在磁盤存儲器的磁隧穿器件和自旋閥結(jié)構(gòu)，常常使用基于硫族元素的材料比如鍺銻碲合金。這種合金材料往往是有毒材料而且加工困難，并且與現(xiàn)在普遍的微機(jī)電和半導(dǎo)體工藝不匹配。作為本發(fā)明的一部分，熱阻層108是一個(gè)包含陶瓷和金屬的金屬陶瓷薄膜層，其熱導(dǎo)率等于或低于2. OWnT1K-1,而電導(dǎo)率等于或高于鍺銻碲合金的電導(dǎo)率。具體來說， 熱阻層108的熱導(dǎo)率等于或低于1. 5Wm j1，比如0. SWmH. 47馳1、0. 28 ^1,
0.271111^^,0. ISWmj1 ；最好是在0. OSWmj1到1. 5ffm_1K_1之間。盡管熱阻層108可以由多種方法實(shí)現(xiàn)，但是其自然冷卻時(shí)間最好在20納秒以下，比如等于或小于10納秒或者等于或小于5納秒。熱阻層108在溫度為20°C時(shí)的電導(dǎo)率為37. 8X 106S/m或者更高，比如等于或大于 45. 2X 106S/m ；等于或大于58X 106S/m ；等于或大于59. 6X lOS/m。熱阻層108在溫度為 20°C時(shí)的面電阻為1. 1Χ1(Γ6Ωπι或更小，比如1. 0Χ1(Γ7Ωπι或更??；2. 82Χ10_8Ωπι或更小；
1.72Χ10_8Ωπι 或更小。在一個(gè)實(shí)例中，熱阻層108的熱電阻系數(shù)α為負(fù)值，具體由下式表示△ R/RQ = α Δ Τ，其中R為電阻，Rtl為參考電阻，T為溫度，AR為R和Rtl的差值，Δ T是溫度變化。α 是熱電阻系數(shù)，小于零。熱阻層108的高電導(dǎo)和低熱導(dǎo)的特性可以有多種方式實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)實(shí)例，熱阻層108是一個(gè)由金屬材料和陶瓷(介電)材料合成的陶瓷金屬。在這里，陶瓷材料指那些無機(jī)、非金屬固體，通過加熱和后續(xù)的冷卻過程制備的材料。陶瓷材料構(gòu)成熱阻層108的基體，而金屬材料隨機(jī)或者無序地分布在該基體中。具體來說，金屬材料的長程序小于50納米，比如40納米以下，20納米以下，10納米以下，或者2納米以下。由于熱阻層108包含無序分布的金屬導(dǎo)電材料，這些導(dǎo)電材料可以使熱阻層表現(xiàn)出導(dǎo)電性。另一方面，這些導(dǎo)電金屬材料在陶瓷基體中的無序隨機(jī)分布，使得熱阻層108表現(xiàn)出較高的熱阻性。金屬導(dǎo)電材料在陶瓷基體中可以以集團(tuán)形式分布在陶瓷基體中。這些集團(tuán)可以以多種形態(tài)存在，比如團(tuán)聚體(clusters)或者/以及納米顆粒(nanoparticles) 等。金屬材料的集團(tuán)內(nèi)部可以是多晶、單晶或者混合體。熱阻層108的材料可以有多種選擇。比如熱阻層108可以由過渡族金屬氮化物， 過渡族金屬氧化物，過渡族金屬硅氮化物，過渡族金屬硼氮化物或者/以及銥，釕，錸，鈀， 鉬或銠等的硅氧化物。熱阻層108還可以包含硫族化合物或金屬鋁氮化物或貴重金屬鋁氮化物。在這里過渡金屬指在元素周期表中第3列到第12 (1B至8B)的元素，即從鈧，鈦，釩， 鉻，錳，鐵，鈷，鎳，銅和鋅開始。在本文的討論中，除非特指，氮化物包含氮氧化物和碳氧化物。貴重金屬包含釕，銠，鈀，銀，鋨，銥，鉬和金等元素。熱阻層108中的基體可以由二元化合物Y-Z組成，其中Y元素可以從元素周期表中3A到6A選擇。嵌在基體中的金屬元素可以是過渡族金屬。熱阻層108中的基體可以由三元化合物χ-γ-ζ組成，其中X元素可以是過渡族金屬，最好是后過渡族金屬。Y元素可以是硅，鋁或硼。Z元素可以是氮(或者氧氮、碳氮)。熱阻層108也可以包含XaYbZ。，X是過渡族金屬；Y是元素周期表中IIIA或者IVA的元素；Z是元素周期表中VA或者VIA元素。 XaYbZc的實(shí)例可以是CoSiN和TiSiN。熱阻層108可以通過多種薄膜制備方法制備，比如物理汽相沉積(PVD)，化學(xué)汽相沉積(CVD)，等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)，低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD)以及其他薄膜制備技術(shù)。在一個(gè)實(shí)例中，過渡族金屬氮化物薄膜層可以通過使用過渡族金屬濺射靶，在氮?dú)猸h(huán)境中以濺射方式形成。該過渡族金屬濺射靶可以包含至少一個(gè)過渡族金屬元素和一個(gè)合金。當(dāng)使用合金時(shí)，盡量減少0和H的雜質(zhì)含量。在另一個(gè)范例中，過渡族金屬濺射靶僅含有過渡族金屬(除了雜質(zhì)和痕量元素之外)。在這種情況下，過渡族金屬濺射靶中的過渡族金屬占90%以上，最好是98%以上。在濺射過程中常常會使用氮?dú)夂蜌鍤?，比?0% 的氮?dú)夂?0%的氬氣。少量的氧氣或者氫氣或者其混合氣體也可以加入氮?dú)夂蜌鍤庵?。在一些?shí)例中，熱阻層108也可以是多層膜結(jié)構(gòu)如圖3所示。參考圖3，熱阻層108 包含隔離層142，該隔離層142夾在附著層140和144之間。隔離層142可以包含過渡族金屬氮化物或過渡族金屬氧化物，也可以是以上有關(guān)熱阻層108的其它材料。隔離層142厚度在1納米到100納米之間，最好在20納米左右。附著層140和144主要為了增強(qiáng)隔離層 142與其它薄膜層的附著力。附著層140和144在材料的選擇上盡可能與隔離層142以及被附著的薄膜層相匹配，比如力學(xué)匹配。值得指出的是，附著層的數(shù)目可以根據(jù)具體應(yīng)用實(shí)例而定，可以使用一個(gè)或多個(gè)附著層。另外，傳感器100也可以包含多個(gè)熱阻層，比如在硬磁層106和生物薄膜104之間也可以另外放置一個(gè)熱阻層，而其功能和結(jié)構(gòu)與熱阻層108相同或近似。在圖1中，加熱硬磁層106的電流沿硬磁層106的長軸方向(比如平行于薄膜平面的方向)。這不是必需的， 在其它一些實(shí)例中，加熱電流可以沿垂直于平面的方向加熱硬磁層106。硬磁層106和熱阻層108也可以被應(yīng)用到其它巨磁阻結(jié)構(gòu)如自旋閥(spinvalve) 中。在自旋閥的一種應(yīng)用中，圖1中的隧穿層114被非磁性導(dǎo)體薄膜取代，測量電流Ih沿平行于薄膜的方向，如水平軸，穿過個(gè)薄膜層。與此相應(yīng)，測量電流的電極110和118被分別放置在自由層、非磁性導(dǎo)體薄膜和釘扎層116的兩端。除了如圖1所示的硬磁層106，巨磁阻器件的自由層也可以在測量過程中通過改變溫度達(dá)到測量的目的，而熱阻層可以用來對這樣的自由層進(jìn)行熱絕緣以及以小電流達(dá)到預(yù)定的溫度。一個(gè)范例被示意性地展示在圖3中。參照圖3，磁性生物傳感器IM包含襯底 138，反鐵磁層136，釘扎層132，空間層130，自由層128，熱阻層108，生物薄膜104以及電極1 和134。本例中的襯底138包含電路用來控制傳感器124的操作和負(fù)責(zé)傳感器124 與外部元件的通訊和數(shù)據(jù)交流。反鐵磁層136用來釘扎釘扎層132的磁化方向，使釘扎層 132的磁化方向在傳感器操作中不發(fā)生變化?？臻g層130 是非磁性層。在如圖 3 所示的 CPP (current perpendicular toplanes) 結(jié)構(gòu)中，測量電流Is垂直于薄膜平面，空間層130是一個(gè)介電層，其厚度大約1納米左右， 形成磁性隧穿結(jié)構(gòu)(MTJ)?？臻g層130也可以是導(dǎo)體層比如銅，而測量電極1 和134分別連接到自由層128、空間層130、釘扎層132的兩端，形成CIP (current in planes)結(jié)構(gòu)，比如自旋閥(Spin Valve)結(jié)構(gòu)。無論是CIP結(jié)構(gòu)或者CPP結(jié)構(gòu)，自由層1 連接到電流源對自由層1 加熱升溫。熱阻層108可以與自由層1 一起，一方面起到絕熱的作用，另一方面可以起到用小電流達(dá)到預(yù)定溫度(比如等于或者高于自由層1 的阻隔溫度)的目的。 圖3中的熱阻層108與前文參照圖1所述的熱阻層具有相同或者近似的特點(diǎn)和性能，因此這里不再重復(fù)。自由層128在傳感器124的正常工作溫度RT比如室溫下表現(xiàn)為鐵電性。自由層 128的阻隔溫度高于RT，比如在200°C到500°C之間，最好在300°C左右。自由層1 兩端 (或者上下兩個(gè)表面)通過電極Tl和T2連接到一個(gè)電流源。該電流源可以將電流Ih引入自由層，通過加熱可以將自由層1 的溫度升高到該自由層的阻隔溫度或者更高。圖3中自由層1 與前文參照圖1所述的硬磁層106具有類似的溫度相應(yīng)關(guān)系和操作方式，盡管具體的操作參數(shù)可以就具體的事例有相應(yīng)的變化，但是它們的特點(diǎn)及操作機(jī)理是一致的， 因此這里不再重復(fù)。在實(shí)際的生物分子測量試驗(yàn)中，磁性生物傳感器往往包含一個(gè)參考單元和一個(gè)信號單元，如圖5所示。參照圖5，磁性生物傳感器150包含放置在襯底122上的參考單元100 和信號單元101、以及生物薄膜146。參考單元100和信號單元101各自包含硬磁層105。 參考單元100和信號單元101具有相同的結(jié)構(gòu)，比如前文參照圖1所述的磁性生物傳感器 100。硬磁層105與前文參照圖1所述的硬磁層106相同或相似，這里不再重復(fù)。生物薄膜層146用來固定生物分子，比如已知的生物探針分子。待測的生物分子被納米磁性顆粒102 標(biāo)識。通過定量測量納米磁性顆粒102，待測生物分子與已知的生物探針分子(被預(yù)先固定在生物薄膜146上)雜化(配對)可以被測量。通過測量到的分子雜化并結(jié)合生物探針分子的已知信息，待測生物分子的信息可以被推斷出來。在實(shí)際測量中，納米磁性顆粒102往往需要外加激發(fā)磁場Hext來磁化納米磁性顆粒，同時(shí)其它附加磁場比如偏置磁場也往往同時(shí)存在，在多種磁場中僅僅利用單一的詞磁測量結(jié)構(gòu)(比如單一的MTJ或者SV結(jié)構(gòu))測量納米顆粒的誘導(dǎo)磁場往往是件很困難的事情。采用參考單元和信號單元共同測量目標(biāo)磁場(納米顆粒的誘導(dǎo)磁場)可以精確地測量目標(biāo)磁場。在實(shí)際測量中，信號單元101可以被用來測量目標(biāo)磁場比如納米顆粒的誘導(dǎo)磁場，而參考單元100可以為信號單元101的測量結(jié)果提供參考值。為此，信號單元101和參考單元100可以連接到一個(gè)惠斯通電橋電路中，惠斯通電橋的輸出(即信號單元101和參考單元100的輸出)可以連接到一個(gè)放大器的輸入端進(jìn)行信號放大。在一個(gè)范例中，參考單元100可以用來測量除納米顆粒102的誘導(dǎo)磁場以外的其它磁場(比如外加激發(fā)場和偏置場等附加磁場)，并將測量到的磁場信號作為背景磁場信號提供給信號單元101。在實(shí)際測量中，通過合理地安排信號單元101、參考單元100、外加場(激發(fā)場、偏置場等附加磁場)以及放置納米顆粒102到生物薄膜146上的時(shí)序，參考單元100可以動態(tài)地測量納米磁性顆粒102所在空間環(huán)境中的磁場背景信號以及其它工作背景信號(比如背景噪音信號、由結(jié)構(gòu)的微小變化所引起的信號漂移等)等。作為一個(gè)測量范例，傳感器150在將納米顆粒102移動到生物薄膜層146上之前，可以首先初始化。在初始化的過程中，外加磁場比如激發(fā)場和偏置場等附加場可以打開，參考單元100測量并記錄這些外加磁場。初始化結(jié)束之后，納米顆粒102被移動到生物薄膜層146表面以及信號單元101的附近。信號單元101測量目標(biāo)磁場信號。該目標(biāo)磁場信號包含納米顆粒102的誘導(dǎo)磁場、激發(fā)場以及其它附加磁場如偏置場等(如果使用的話)。在信號單元101測量納米顆粒102的誘導(dǎo)磁場的過程中，參考單元100處于鎖定狀態(tài)，不應(yīng)納米磁性顆粒102的出現(xiàn)而產(chǎn)生變化。在信號單元101測量結(jié)束后，信號單元101的側(cè)量結(jié)果參照參考單元100的測量結(jié)果被修正。修正后的測量結(jié)果可以被放大后輸出。在如圖5所示的范例中，參考單元100和信號單元101在功能上等同，比如任何一個(gè)都可以用來測量背景信號，而另一個(gè)被用來測量目標(biāo)磁場信號。它們的具體用途可以通過時(shí)序控制電路(比如在襯底122上)實(shí)現(xiàn)。因而生物薄膜146可以覆蓋在參考單元100 和信號單元101上，這一點(diǎn)與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)是不同的。在現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)中，參考單元的表面被覆蓋一層軟磁薄膜使參考單元與外加磁場完全隔離(磁隔離)，參考單元因此無法測量激發(fā)場和偏置場等附加場的磁信號背景，因此也無法為信號單元的測量提供動態(tài)的背景信號校準(zhǔn)。在另一個(gè)范例中，參考單元100和信號單元101的功能可以被預(yù)先固定，如圖6所示。參考圖6，生物薄膜層146僅覆蓋在信號單元101之上，而參考單元100的表面被覆蓋惰性薄膜147，該惰性薄膜147無法固定生物分子。這樣的結(jié)構(gòu)使得生物分子只能夠出現(xiàn)在信號單元101的上表面附近，以利于信號單元101對納米磁性顆粒102的測量。在實(shí)際應(yīng)用中，多個(gè)磁性生物傳感器往往組成一個(gè)陣列，這樣的陣列被稱為生物傳感器陣列或者生物陣列芯片。作為一個(gè)范例，圖7示意性地展示出一個(gè)磁性生物傳感器陣列154。該陣列IM包含按照行和列排列的陣點(diǎn)，比如陣點(diǎn)156。在同一個(gè)陣列中，所有的陣點(diǎn)往往是全同的或者極為近似的。陣列154中的陣點(diǎn)如陣點(diǎn)156可以是前文中參照圖 1或者圖3所述的磁性傳感器的任何一種。陣列IM中的任何一個(gè)陣點(diǎn)是一個(gè)測試單元，可以用來測量生物分子，如前文參照圖1和圖3所述。而所有的單元可以獨(dú)立地進(jìn)行生物分子的測量。這種測量的獨(dú)立性來源于陣列154的電路控制。為簡單而不失去一般性，圖8 示意性的展示了圖7中一行陣點(diǎn)的電路控制。值得注意的是，該電路控制的說明以及附圖 8只是為了說明目的，其它的電路部分以及功能模塊和相應(yīng)的具體操作在這里被省略。參照圖8，陣列154中的每個(gè)陣點(diǎn)處于一個(gè)字線(比如字線164)和一個(gè)位線(比如位線162)的交叉節(jié)點(diǎn)。陣列154中的多個(gè)字線(比如全部)匯集到字線選擇器158。字線選擇器158可以通過多種方式，比如尋址方式，在某一特定時(shí)刻選擇一個(gè)特定的字線(比如字線164)，并激活連接在該字線(164)上的陣點(diǎn)(比如陣點(diǎn)156)。對于已經(jīng)被激活的連接在同一字線的陣點(diǎn)，對具體的某一個(gè)陣點(diǎn)(比如陣點(diǎn)156)的選擇和操作可以通過位線 (比如位線162)實(shí)現(xiàn)。陣列154中的多個(gè)位線(比如全部)可以匯集到位線選擇器160， 而位線選擇器160可以通過多種方式，比如尋址方式，在在某一特定時(shí)刻選擇一個(gè)特定的位線(比如位線162)，并選擇連接在該位線(如162)上的陣點(diǎn)(比如陣點(diǎn)156)。值得指出的是，一個(gè)陣列(比如陣列154)可以包含多個(gè)字線選擇器和/或者多個(gè)位線選擇器。一個(gè)字(位)線選擇器連接一個(gè)或多個(gè)字(位)線。當(dāng)一個(gè)陣列包含多個(gè)字(位)線選擇器時(shí)，多個(gè)字(位)線選擇器可以通過其它的字(位)線選擇器進(jìn)行逐級控制和選擇，這里不再重復(fù)。當(dāng)一個(gè)傳感器包含參考單元和信號單元時(shí)，同一個(gè)傳感器中的參考單元和信號單元可以連接到同一條字線和不同的位線。在這種情況下，一個(gè)傳感器使用一條字線和兩條位線。作為一個(gè)選擇，一個(gè)傳感器也可以同時(shí)連接兩條位線和一條字線。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，以上的討論的目的是為了介紹，上面所舉的例子是許多可能的例子中的一部份，其他的變型也是可行的。本說明書中提到的“ 一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“示例性實(shí)施例”等，其含義是，結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特性、結(jié)構(gòu)或特征包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說明書各處出現(xiàn)的這種短語不一定是指同一個(gè)實(shí)施例。另外，當(dāng)結(jié)合任何實(shí)施例描述具體特性、結(jié)構(gòu)或特征時(shí)，這意味著本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠該特性、結(jié)構(gòu)或特征應(yīng)用于其他的實(shí)施例中。而且， 為了易于理解，一些方法步驟被描述為獨(dú)立的步驟；但是，這些獨(dú)立描述的步驟不應(yīng)被認(rèn)為必須按照一定的順序執(zhí)行。也就是說，一些步驟同時(shí)也可以按照另外的順序執(zhí)行。此外，示例性的示圖顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的各種方法。這里的這種示例性方法實(shí)施例是利用相應(yīng)的裝置實(shí)施例來描述的，并可以應(yīng)用于這些相應(yīng)的裝置實(shí)施例。但是，這些方法實(shí)施例不是為了限制本發(fā)明。 的雖然這里展示和說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行改變而不脫離本發(fā)明的原則和精神。因此，以上的各實(shí)施例從任何意義上講都應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而不是對這里所描述的本發(fā)明的限制。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書而不是上述說明書限定。在說明書的等價(jià)描述的含義和范圍內(nèi)的所有變化都包含在本發(fā)明的范圍中。在本說明書中使用的術(shù)語“優(yōu)選”不是排它的，其含義是“優(yōu)選為但并不限于”。權(quán)利要求書中的術(shù)語，在與說明書所描述的本發(fā)明的一般概念一致的情況下， 應(yīng)按照它們的最寬范圍解釋。例如，術(shù)語“連接”和“耦合”(及其派生詞匯)意味著直接和間接的連接/耦合。作為另一個(gè)例子，“具有”和“包括”及其派生詞和變異詞或詞組都和 “包含”具有相同的意思(即，都是“開放式”術(shù)語)_只有詞組“由…構(gòu)成”和“實(shí)質(zhì)上由… 構(gòu)成”應(yīng)被認(rèn)為是“關(guān)閉式”的。不應(yīng)按照112條第6款解釋權(quán)利要求書，除非詞組“意味著”和相關(guān)的功能出現(xiàn)在某項(xiàng)權(quán)利要求中，并且該權(quán)利要求沒有描述充分的結(jié)構(gòu)來執(zhí)行該功能。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電磁性生物傳感器，包括 襯底，該襯底包含一個(gè)電路；和在襯底上的一個(gè)傳感器層，該傳感器層包含 自由層，該自由層的磁化方向可以隨目標(biāo)磁場變化； 釘扎層，該釘扎層的磁化方向不隨目標(biāo)磁場變化； 反鐵磁層，用來固定釘扎層的磁化方向； 非磁性空間層，該空間層夾在自由層和釘扎層之間； 硬磁層，該硬磁層的阻隔溫度高于室溫； 熱阻層，該熱阻層處于硬磁層的上表面或者下表面； 生物薄膜層覆蓋在傳感器的上表面；至少兩個(gè)測量電流電極，自由層、非鐵磁空間層、釘扎層被夾在該至少兩個(gè)電流電極之間；和至少兩個(gè)熱電流電極，該至少兩個(gè)熱電流電極連接到硬磁層和一個(gè)電流源用于對該硬磁層加熱。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層在20C時(shí)的電導(dǎo)率等于或高于 37. 8X 106S/m。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層在20C時(shí)的電導(dǎo)率等于或高于 58X 106S/m。
4.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層的熱導(dǎo)率等于或低于 2. OWmH
5.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層的熱導(dǎo)率在0.OSWnr1Ir1 到1. SWm^r1之間。
6.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層的熱電阻系數(shù)小于零。
7.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層包含陶瓷基體和分布在該陶瓷基體的金屬材料，該金屬材料在該陶瓷基體中長程序小于50納米。
8.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層包含過渡族金屬氮化物， 過渡族金屬氧化物，過渡族金屬硅氮化物，或者過渡族金屬硼氮化物。
9.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層包含硫族化合物。
10.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，非磁性空間層是一個(gè)介電層， 其厚度等于或小于1納米，測量電流通過測量電流電極沿自由層、非磁性空間層和釘扎層的垂直方向至少經(jīng)過自由層、非磁性空間層和釘扎層。
11.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，非磁性空間層是一個(gè)導(dǎo)電層， 測量電流通過測量電流電極沿平行于自由層、非磁性空間層和釘扎層的方向至少經(jīng)過自由層、非磁性空間層和釘扎層。
12.—種微機(jī)電磁性生物傳感器，包括 襯底，該襯底包含一個(gè)電路；和在襯底上的一個(gè)傳感器層，該傳感器層包含 自由層，該自由層的磁化方向可以隨目標(biāo)磁場變化； 釘扎層，該釘扎層的磁化方向不隨目標(biāo)磁場變化；反鐵磁層，用來固定釘扎層的磁化方向；非磁性空間層，該空間層夾在自由層和釘扎層之間；熱阻層，該熱阻層處于自由層的上表面或者下表面；生物薄膜層，覆蓋在傳感器的上表面；至少兩個(gè)測量電流電極，自由層、非鐵磁空間層、釘扎層被夾在該至少兩個(gè)電流電極之間；和至少兩個(gè)熱電流電極，該至少兩個(gè)熱電流電極連接到自由層和一個(gè)電流源以對該自由層加熱。
13.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層在20C時(shí)的電導(dǎo)率等于或高于 37. 8X 106S/m。
14.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層在的熱導(dǎo)率在 0. OSWm^r1 到 1. SWm^r1 之間。
15.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層的熱電阻系數(shù)小于零。
16.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層包含陶瓷基體和分布在該陶瓷基體的金屬材料，該金屬材料在該陶瓷基體中長程序小于50納米。
17.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層包含過渡族金屬氮化物，過渡族金屬氧化物，過渡族金屬硅氮化物，或者過渡族金屬硼氮化物。
18.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，熱阻層包含硫族化合物。
19.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，非磁性空間層是一個(gè)介電層， 其厚度等于或小于1納米，測量電流通過測量電流電極沿自由層、非磁性空間層和釘扎層的垂直方向至少經(jīng)過自由層、非磁性空間層和釘扎層。
20.如權(quán)利要求12所述的微機(jī)電磁性生物傳感器，其中，非磁性空間層是一個(gè)導(dǎo)電層， 測量電流通過測量電流電極沿平行于自由層、非磁性空間層和釘扎層的方向至少經(jīng)過自由層、非磁性空間層和釘扎層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個(gè)微機(jī)電磁性生物傳感器，該磁性傳感器包含一個(gè)熱輔助巨磁阻測量單元，該測量單元包含一個(gè)熱阻層，該熱阻層的電導(dǎo)率等于或高于37.8×106S/m，而其熱導(dǎo)率等于或小于1.5Wm-1K-1。
文檔編號G01N27/72GK102478546SQ20111013606
公開日2012年5月30日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者張彪, 白虹 申請人:北京德銳磁星科技有限公司