王立乾，胡忠強，關(guān)蒙萌，吳金根，仙 丹，王琛英，毛 琦，王志廣，周子堯，田 邊，蔣莊德，劉 明

(1.西安交通大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，電子陶瓷與器件教育部重點實驗室與國際電介質(zhì)研究中心，陜西西安 710049；2.西安交通大學(xué)高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西西安 710049；3.西安交通大學(xué)微納制造與測試技術(shù)國際合作聯(lián)合實驗室，陜西西安 710049)

0 引言

磁傳感器能夠感知與磁現(xiàn)象有關(guān)的物理量的變化，將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而直接或間接地探測磁場大小、方向、電流等信息量，被廣泛應(yīng)用于汽車、導(dǎo)航、生命醫(yī)學(xué)等多種領(lǐng)域[1-2]。從霍爾、磁通門傳感器、各類磁阻傳感器到光泵磁強計和超導(dǎo)量子干涉儀，磁傳感器種類繁多，其靈敏度、適用范圍也千差萬別。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，磁傳感器在電力計量、無損探測、便攜式生物檢測等新興交叉領(lǐng)域的需求越來越大，對磁傳感器的體積、質(zhì)量、功耗等性能提出了更高的要求?；诰薮抛栊?yīng)(giant magnetoresistance，GMR)的磁阻傳感器，相比第一代的各項異性磁阻傳感器和傳統(tǒng)的霍爾等傳感器，具有靈敏度高、體積小、熱穩(wěn)定性好、探測范圍廣等優(yōu)點，而相比第三代隧穿磁阻傳感器，GMR磁傳感器又具有較好的CMOS兼容性和更簡單的工藝結(jié)構(gòu)，在傳感器市場中占有的份額越來越高[3]。

經(jīng)過三十多年的發(fā)展，GMR磁傳感器已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，例如在汽車、航空等行業(yè)中，進行羅盤定位[4]、檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)子方位[5]等；在電力系統(tǒng)中，進行電流大小檢測及設(shè)計反饋式控制電路；在生物醫(yī)藥及無損檢測等交叉領(lǐng)域，通過磁傳感器與檢測裝置結(jié)合，將傳統(tǒng)光學(xué)及電學(xué)方式進行的檢測轉(zhuǎn)換為磁學(xué)檢測，從而實現(xiàn)隔離式、低噪聲、高靈敏度的檢測功能[6]。本文主要針對GMR磁傳感器在不同應(yīng)用場景下的器件原理和結(jié)構(gòu)進行介紹，并對其發(fā)展前景進行了展望。

1 巨磁阻原理與發(fā)展

自1988年，Baibich等人發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)以來[7],在許多形式的(鐵磁/非磁)多層結(jié)構(gòu)中都觀察到了這種磁阻效應(yīng)，包括Fe/Cr,Co/Cu以及雙矯頑場如(NiFe/Cu/Co/Cu)n[8-9]等結(jié)構(gòu)。在這樣的磁性多層薄膜中，每層的厚度保持在nm范圍內(nèi)，使得連續(xù)的鐵磁層薄膜有著自發(fā)的相反的磁化取向，因此在零場下電阻很高。而當(dāng)施加較大的磁場時，各鐵磁層磁化取向一致，電阻會顯著降低。這個過程中測得的磁阻變化率比各向異性磁阻大得多，為了有別于一般的各向異性磁阻效應(yīng)，因此被稱為巨磁阻效應(yīng)。GMR的發(fā)現(xiàn)引起了廣泛的關(guān)注，這是凝聚態(tài)物理學(xué)的一項重大成就。在此后的多年里，對其作用機理的研究一直沒有突破性進展，目前廣泛采用二流體模型來解釋[10-11]：由于傳導(dǎo)電子的非磁性散射大多不能使電子的自旋發(fā)生反轉(zhuǎn)，所以可將電子分為自旋向上和向下兩個幾乎獨立的導(dǎo)電通道，相互并聯(lián)。當(dāng)電子的自旋與鐵磁金屬的自旋向上的3d子帶平行時，其平均自由程長而電阻率低。當(dāng)其與鐵磁金屬自旋向下的3d子帶平行時，其平均自由程短而電阻率高。因此當(dāng)相鄰鐵磁層的磁矩呈反鐵磁耦合時，無論哪種自旋朝向的電子都會周期性地受到強、弱散射，表現(xiàn)為高阻態(tài)，如圖1(a)、圖1(b)所示。而當(dāng)相鄰鐵磁層的磁矩在磁場下趨于平行時，與鐵磁層電子自旋方向相同的電子均受到較弱散射，構(gòu)成短路狀態(tài)而具有低阻態(tài)，如圖1(c)、圖1(d)所示。

盡管GMR的電阻變化率高于各向異性磁阻效應(yīng)一個數(shù)量級，但當(dāng)時距離實際應(yīng)用仍有很多困難，如反鐵磁耦合的多層膜需要非常高的磁場(kOe量級)才能有明顯的磁阻變化，而雙矯頑力的多層膜磁阻無法自動復(fù)位等。所有這些困難，都隨著1991年被稱為自旋閥結(jié)構(gòu)的發(fā)明得以克服[12]。自旋閥結(jié)構(gòu)主要由被非磁性層隔開的2個磁性層組成，一層的磁化方向因與相鄰反鐵磁層的交換偏置作用而固定[13]，另一層可在外加磁場中自由翻轉(zhuǎn)。由于兩層間的耦合非常弱，因此在很小的磁場下就會有磁化從平行到反平行的結(jié)構(gòu)變化，使其在弱磁場下即具有較高的靈敏度[14]。

隨著自旋閥的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，短時內(nèi)就迅速研發(fā)出一系列具有深遠(yuǎn)影響的磁電子學(xué)新器件。它最初被美國IBM公司應(yīng)用于硬盤驅(qū)動器的讀磁頭[15]，使計算機外存儲器容量獲得突破性增長，內(nèi)存方面的開發(fā)也引起內(nèi)存芯片的革命[16]。由于GMR的磁阻變化與外部磁場呈線性關(guān)系，可以根據(jù)磁阻大小探測外部磁場大小。因而隨著自旋閥結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用也蓬勃發(fā)展，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、導(dǎo)航、生命醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

2 GMR磁傳感器的應(yīng)用

GMR磁傳感器是利用傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)(光刻)直接在基底(硅、玻璃、氧化鋁絕緣體等)上，用蒸鍍[17]、磁控濺射[18]、離子束濺射[19]和分子束外延[20]等方式制備的。結(jié)構(gòu)上采用自旋閥與人工反鐵磁結(jié)構(gòu)相結(jié)合，極大地減少了兩鐵磁層的層間耦合，優(yōu)化了傳感器的測量范圍[21]，并通過添加極薄的Co金屬層，大幅提高了磁阻的比值[22]。通過控制每層的薄膜厚度、結(jié)晶度和材料矯頑場等參數(shù)，最終制備得到線性磁場傳感器[23]。而且自旋閥的應(yīng)用，使得弱磁場下傳感器靈敏度得到了極大的提高，是其取代之前各類磁傳感器的關(guān)鍵[24-25]。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，目前GMR磁傳感器已經(jīng)可以集成在10 μm2的面積內(nèi)，并在晶圓上大規(guī)模制備，這使得它能夠通過晶圓鍵合技術(shù)和傳統(tǒng)的印刷電路等方式，整體集成到標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片中，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，這是GMR磁傳感器相比傳統(tǒng)磁傳感器的獨特優(yōu)點之一。以下針對不同應(yīng)用場景下的GMR器件原理和結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)介紹。

2.1 線性磁傳感器

2.2 應(yīng)用于電網(wǎng)的電流測量傳感器

電流傳感器分為直接式和間接式2類。其中直接式是通過電阻在電壓兩端產(chǎn)生的壓降來確定被測電流的大小，結(jié)構(gòu)簡單，不受外磁場干擾，性能可靠，如分流器設(shè)備。但它會產(chǎn)生插入損耗，工作帶寬有限，器件發(fā)熱嚴(yán)重。而間接式測量是通過測量電流所產(chǎn)生的磁場大小，計算得到被測電流的大小，又稱為非接觸式測量，避免了直接式電流傳感器的諸多問題，同時比直接式測量的精度更高、線性度更好，因此成為目前電流傳感器研究的重要方向[32]。

2.2.1 集成電路電流檢測傳感器

基于集成電路的電流傳感器，由于電路空間所限，很多情況下設(shè)計自由度很小[33]。對此，常采用惠斯登電橋結(jié)構(gòu)來設(shè)計傳感器，即可以利用靈活多變的電橋配置來應(yīng)對不同的集成電路設(shè)計，實現(xiàn)電阻變化函數(shù)的差分輸出和較高的靈敏度。如圖3所示，面對不同的電流路徑，可以有著靈活的電橋設(shè)計方式[34-36]。同時，為避免二次沉積導(dǎo)致的電阻不匹配問題，所設(shè)計傳感器元件結(jié)構(gòu)均可通過單次沉積獲得。

如果被測電流的路徑已經(jīng)固定且無法修改，如圖3(a)所示，可以采用雙元件傳感方式，使其具有成對的相對敏感結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計在面對任意結(jié)構(gòu)的集成電路時均可使用[37]。如果被測電流的路徑可以修改，則可以考慮如圖3(b)和圖3(c)所示的設(shè)計[38]。在這2種情況下，由于電流流向的改變，使得4個相同的傳感元件有著兩兩相反的電阻變化，因此具有全橋惠斯登結(jié)構(gòu)的特性和最高的靈敏度。圖3中，3種設(shè)計均是通過端口1、2外加偏置電壓，測量端口3、4間的輸出電壓來測量電流的變化。目前集成于電路中的傳感器可以達到1 mV/(VmA)以上的靈敏度[39]。

2.2.2 反饋式直流電流傳感器

除直接集成于電路中的電流傳感器外，很多應(yīng)用場景并未限制傳感器的應(yīng)用空間，由此衍生出一種反饋式智能電流傳感器[40]，能夠更精確地測得電流參數(shù)。這種電流傳感器主要包括3部分：巨磁阻線性磁傳感器與被測電流組成的測試部分，放大電路和反饋電路，反饋電阻部分,如圖4所示。

其工作原理為：當(dāng)電流流過被測導(dǎo)線時，GMR磁傳感器由于磁場變化而產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過信號放大與功率放大后，產(chǎn)生反饋電流。反饋電流產(chǎn)生與被測電流相反的磁場，進而抵消磁環(huán)內(nèi)的磁通量，使得GMR磁傳感器輸出信號降低直至歸零。經(jīng)過連續(xù)振蕩反饋后，將得到反饋電流正好抵消被測電流所產(chǎn)生的磁場，GMR磁傳感器無電壓輸出。此時測量外接的反饋電阻，即可獲得反饋電流的大小，間接計算出被測電流大小。采用反饋式設(shè)計，使得GMR磁傳感器始終工作于零磁場情況，處于對外磁場變化最靈敏的狀態(tài)，對測量精確度有很好的保障[41]。

基于GMR的傳感器已經(jīng)被證明適合在電路中監(jiān)測電流，包括單電阻、半橋、惠斯登全橋在內(nèi)的不同設(shè)計可以應(yīng)對各種實際需求。而且它們與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)、專用和通用技術(shù)的兼容性，使得GMR磁傳感器成為非接觸式電流傳感技術(shù)的重要基礎(chǔ)[42]。

2.3 應(yīng)用于汽車行業(yè)的多類型傳感器

汽車傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它能夠在非接觸的狀況下，對轉(zhuǎn)速、位移、角度、加速度、溫度等各種信息進行實時、準(zhǔn)確的測量和控制[43]?；诎雽?dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展的GMR磁傳感器，相比傳統(tǒng)的霍爾傳感器，集成度和靈敏度更高，能夠大規(guī)模生產(chǎn)，目前已經(jīng)在汽車抱死系統(tǒng)(ABS)、汽車發(fā)動機點火系統(tǒng)、方向控制系統(tǒng)等方面得到了廣泛應(yīng)用[44]。

2.3.1 轉(zhuǎn)速傳感器

磁場傳感器可以通過檢測磁場變化來檢測目標(biāo)輪轉(zhuǎn)速及方向，多應(yīng)用于車速轉(zhuǎn)速檢測及發(fā)動機點火系統(tǒng)。其測量轉(zhuǎn)速采用的是差動原理，即采用一對信號輸出相反的傳感器，通過采集信號的峰峰值來判斷轉(zhuǎn)速。目前多采用2個釘扎層方向相同的GMR磁傳感器，將其按合適的距離放置于齒輪下方。當(dāng)輪齒正對芯片時，放置于齒輪兩側(cè)的GMR磁傳感器會受到相同大小，但方向相反的磁場影響，此時信號輸出最大，由此產(chǎn)生的信號經(jīng)過進一步處理，即可得到轉(zhuǎn)速結(jié)果[45]。

主要測試方式有2種：一種是使用南北極交替磁化的磁極輪，如圖5(a)所示，傳感器安裝在該極輪附近，通過監(jiān)測傳感器的輸出信號頻率可以直接測量轉(zhuǎn)速，這種結(jié)構(gòu)較為簡單，已廣泛應(yīng)用于GMR轉(zhuǎn)速傳感器中。另一種是使用鐵磁性的靶輪，在這種結(jié)構(gòu)中，磁場需要一個外加的磁鐵來產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)輪的齒形和槽形會對磁場進行調(diào)制[46-47]，之后通過傳感器測量磁場的變化頻率，進而得到轉(zhuǎn)速，其結(jié)構(gòu)如圖 5(b)所示，被稱為后偏置(back bias)結(jié)構(gòu)[46]。由于霍爾傳感器具有垂直于芯片表面的靈敏度軸，且無信號飽和的優(yōu)點，這種結(jié)構(gòu)曾被廣泛應(yīng)用，但它在GMR磁傳感器的應(yīng)用中遇到了許多困難。GMR磁傳感器測量的是沿芯片表面的磁場，且工作范圍在幾十Oe內(nèi)，由于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動過程磁場變化劇烈，時常導(dǎo)致GMR磁傳感器偏離工作區(qū)域甚至達到飽和區(qū)域，兩個傳感器難以同時正常運行。最終只能通過抑制背磁強度來使其正常運行，額外增加了許多成本。這一問題最終通過改進磁鐵的形狀設(shè)計得到解決，如圖6所示。該設(shè)計由英飛凌公司提出，它通過特定的形狀改變了傳感器附近磁場分布，使傳感器附近磁場垂直于其工作平面，避免了傳感器因磁場過強而飽和。而且由于該設(shè)計無需考慮定位誤差，因此可直接與鐵磁性靶輪配合使用，此種轉(zhuǎn)速傳感器精度很高。這一設(shè)計目前已投入實際生產(chǎn)應(yīng)用。

2.3.2 角度傳感器

GMR角度傳感器的基本元件為GMR線性傳感器，但是其工作區(qū)域并非在零磁場附近，而是在飽和場區(qū)域[48]。在角度傳感器工作狀態(tài)下，自由層磁化的方向與外磁場方向一致，而釘扎層磁化由于交換偏置作用而保持不變，此時GMR元件的電阻率只取決于外部磁場相對于釘扎層磁化的方向。但僅靠GMR磁傳感器的輸出電壓，只能判斷磁場的方向與釘扎層磁化方向的夾角，而無法得到具體指向。為明確探測磁場方向，需采用如圖7所示的傳感器結(jié)構(gòu)。

圖7所示的角度傳感器包含12個釘扎層方向彼此正交的全橋結(jié)構(gòu)GMR芯片[49]。圖中虛線箭頭代表釘扎層的磁化方向，實線箭頭為施加0°方向的飽和強度磁場時自由層的磁化方向。當(dāng)磁場方向改變，導(dǎo)致GMR電阻發(fā)生變化，橋結(jié)構(gòu)輸出電壓信號。假如磁場旋轉(zhuǎn)360°，傳感器1將提供一個正弦信號，而傳感器2提供一個余弦信號，兩信號即可用來計算磁場矢量的絕對角度。相比于AMR傳感器只能探測180°的磁場角度變化，GMR使用此原理可探測360°范圍的角度變化。

2.3.3 轉(zhuǎn)子位置傳感器

隨著液壓系統(tǒng)向電氣系統(tǒng)的融合和轉(zhuǎn)變，汽車上的電動換向電機越來越多。這種無刷電機有著無易損件、低噪聲、低轉(zhuǎn)矩脈動的優(yōu)點。為了保證電動機能夠精確換向，在較大的轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子的位置必須能夠進行精確的測量。對電機轉(zhuǎn)子位置的測量，也是對GMR角度傳感器的一項實際應(yīng)用[5]。圖8為轉(zhuǎn)子位置傳感器，其包括電動機、齒輪、端口磁鐵與GMR角度傳感器4部分。首先在轉(zhuǎn)子前端固定一塊磁鐵，能夠?qū)ν猱a(chǎn)生具有較大強度的定向磁場，該磁場穿過GMR角度傳感器平面，使傳感器能夠?qū)崟r判斷該磁場的角度，不同角度可對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置。傳統(tǒng)的AMR的傳感器由于只有180°的測量范圍，只能用于雙極電機[50]，而GMR角度傳感器具有360°的測量范圍，因此可用于偶極對電機和奇極對電機。

如今，利用GMR效應(yīng)制成的高靈敏度和高分辨率的各類傳感器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車自動控制的各個方面，隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對傳感器的需求也越來越多，GMR汽車傳感器必然有著更廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 羅盤

電子羅盤作為一種新型的低能耗、小體積、高精度、微型化的姿態(tài)傳感器，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛導(dǎo)航、智能設(shè)備等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的測量地磁場的傳感器主要有磁通門傳感器、霍爾傳感器、AMR傳感器3類。它們的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，能夠制備適應(yīng)各類環(huán)境的不同襯底類型的傳感器[51]。但它們同樣各有缺點，磁通門傳感器體積大、頻響特性差，而霍爾傳感器靈敏度低、溫度特性差。AMR傳感器雖然比前兩者應(yīng)用更多，但其靈敏度更低且需要額外的置位/復(fù)位電路，較為復(fù)雜[52]。相比之下，GMR磁傳感器有著高靈敏度和磁場分辨率，且線性度好，后端電路簡單，是電子羅盤的發(fā)展方向[4]。

基于GMR磁傳感器的三維電子羅盤，其具體原理如下[53-54]：首先利用傳感器測量載體坐標(biāo)系(Hx、Hy、Hz)三軸方向上的地磁場分量(hx、hy、hz)，再用加速度傾角傳感器測得載體姿態(tài)角(包括橫滾角與俯仰角)，將載體坐標(biāo)系中的地磁場分量換算成水平地理坐標(biāo)系(X、Y)中的地磁場方向(Xh、Yh)，即可得到載體方向與地磁北極方向的夾角。再加上磁偏角補償，即可得實際地理北極方向。具體了解電子羅盤工作原理，必須了解以下幾個名詞定義：

俯仰角：羅盤載體的前進(縱軸Hy)方向與水平面之間的夾角，記為φ，如圖9(a)所示。

橫滾角：水平面與羅盤載體的前進方向的垂直(橫軸Hx)方向之間的夾角，記為θ，如圖9(a)所示。

地磁航向角：羅盤載體的前進方向，在水平面的投影與地磁北極的夾角，如圖9(b)所示。

磁偏角：地球表面任一點的地磁場矢量方向在水平面的投影，與地理坐標(biāo)系正北(Y軸)方向的夾角，如圖9(b)所示，具體數(shù)值依據(jù)各地實際測量得到。

地理航向角：羅盤載體的前進方向，在水平面的投影與地理北極的夾角。由磁偏角加上地磁航向角，即可求出。

當(dāng)把傳感器的靈敏度調(diào)節(jié)到最佳點后，可以精確測得地磁場在載體坐標(biāo)系下，三軸的磁場強度分量。而通過加速度傾角傳感器，可以測得載體三軸方向上重力加速度分量Ax、Ay、Az，計算可得到橫滾角與俯仰角分別為:

將測得的俯仰角和橫滾角與測得的磁場分量hx、hy、hz結(jié)合計算，即可轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)系下的磁場強度Xh與Yh：

Xh=hx·cosφ+hy·sinθ-hz·cosθ·sinφ

Yh=hy·cosθ+hz·sinθ

目前，基于新型GMR磁傳感器三維的電子羅盤僅初步發(fā)展，但其能夠有效補償?shù)卮鸥蓴_，測量精度很高，在手機、汽車、船舶等導(dǎo)航系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價值。

2.5 應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的傳感器

近年來，GMR磁傳感器被廣泛用于生物傳感器檢測，其高靈敏度和低成本滿足了當(dāng)代生物檢測的需求。目前GMR磁傳感器已經(jīng)在生物監(jiān)測、生物標(biāo)記監(jiān)測等領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用，采用的方法是傳感器檢測生物樣本分子密度，通過生化技術(shù)使得被測生物分子與納米磁性顆粒結(jié)合，進而利用GMR磁傳感器檢測納米顆粒密度，即可測得特定生物分子數(shù)量[55]?；贕MR磁傳感器的生物檢測平臺，以磁性顆粒為信號供體，與傳統(tǒng)方式相比，有著獨特優(yōu)勢：一是大部分臨床樣本(血液、尿液等)基本不含有磁性物質(zhì)，背景信號低，使對信號采集沒有阻礙；二是每個傳感器區(qū)域有獨立的檢測顆粒，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)信號相互干擾的問題[6]。而且GMR磁傳感器靈敏度更高，易于集成，可設(shè)計成微陣列，在生物醫(yī)學(xué)檢測方面有著很高的應(yīng)用價值[56-57]，被廣泛關(guān)注。此外，基于生物心臟微磁測量和腦微磁測量的概念也有提出[58]，但仍不成熟，還需較長時間的發(fā)展。

2.5.1 磁靜態(tài)傳感

利用磁阻傳感器探測固定磁性粒子/標(biāo)簽的磁雜散場的形式，一般被稱為“磁靜態(tài)傳感”。磁靜態(tài)傳感多采用傳感器微陣列作為測試平臺，通過在傳感器陣列的基板表面對應(yīng)區(qū)域描繪不同類型的捕獲分子，可用于多重免疫測試[59]。由于單個磁阻傳感器條紋通常只用于單分子檢測，因此測試平臺要求GMR磁傳感器陣列的尺寸與磁性標(biāo)簽相匹配。目前對于GMR磁傳感器的大小和形狀已經(jīng)有著較成熟的設(shè)計，應(yīng)用最多的是矩形和曲流形，也有采用螺旋和環(huán)狀的[60]。這些設(shè)計增加了傳感器的長寬比，使更多的傳感器集成于小的區(qū)域，并且增加了測量的靈敏度[61]，目前傳感器的長度已可以減小到幾μm量級。

測試前，為避免傳感器與待測樣本接觸，需要在傳感器陣列表面實行鈍化處理。鈍化處理目前有2種可選方法，一種是采用Al2O3/SiO2雙分子層或Si3N4等材料，它們可以通過真空沉積的方式獲得超薄薄膜(低于30 nm)，而使得傳感器能精確測量超順磁納米顆粒[62-63]。另一種是采用聚合物旋涂的方式，這種方法方便快捷，不需要真空環(huán)境。但是不同聚合物對待測樣本的影響不同，需謹(jǐn)慎選擇，且旋涂得到的最薄厚度也至少比Si3N4薄膜厚一個量級。

其測試原理如圖10所示[64](以抗原抗體為例)，過程如下：

(1)將捕獲抗體通過生物化學(xué)反應(yīng)固定在傳感器鈍化層表面。

(2)含有未知濃度的待測抗原的溶液在傳感器表面流動，使待測抗原與表面的捕獲抗體結(jié)合，固定在傳感器的表面。

(3)磁性顆粒通過表面改性，與檢測抗體結(jié)合，使檢測抗體被標(biāo)記。將檢測抗體改性后的磁性顆粒溶液流經(jīng)傳感器表面，與待測抗原結(jié)合，完成二抗反應(yīng)，使磁性顆粒也固定在傳感器表面。

(4)由于磁性顆粒存在，GMR磁傳感器受到彌散場的作用，電阻發(fā)生變化，根據(jù)經(jīng)驗公式進行分析可以推測出待測抗原的濃度。通常在一個傳感器平臺上，會有數(shù)種不同的捕獲抗體分布于對應(yīng)區(qū)域，這樣可以同時檢測多種待測抗原，能夠?qū)悠愤M行更完善的檢測。

基于GMR的磁靜態(tài)生物傳感器發(fā)展較為成熟，目前已部分投入生產(chǎn)應(yīng)用[65-66]。

2.5.2 單相磁流入式檢測

磁標(biāo)顆粒對磁傳感器發(fā)生相對運動的檢測方式，目前被統(tǒng)稱為磁動態(tài)傳感。磁動態(tài)傳感通常只需一個磁傳感器集成于流體通道中作為檢測元件，消除了多傳感器之間的變化所帶來的諸多問題，這使其相比磁靜態(tài)傳感更有優(yōu)勢。而且磁動態(tài)傳感可以在單細(xì)胞水平上進行分析，不再受限于傳感器的面積與傳感器數(shù)量，可以用于大規(guī)模多路分子篩選，這使其在細(xì)胞研究和分子生物學(xué)中有很好的應(yīng)用前景[67]。

目前磁動態(tài)傳感已向多個方向發(fā)展，但主要方向仍是磁流入式檢測，它最初的目的是實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)流入式檢測的關(guān)鍵功能。方法是通過一個微觀通道來限制磁性顆粒，外加壓力使得磁性顆粒流經(jīng)管道，借由傳感器對其數(shù)目進行采集的一種方法[68]。原理如圖11(a)所示，被標(biāo)記的待測分子經(jīng)微觀通道流過磁傳感器，其標(biāo)記磁性顆粒改變了周圍的磁場，改變了磁傳感器的電壓輸出信號，從而被計數(shù)[69]。由于磁性顆粒在運動過程中，其磁偶極矩分布在整個圓周方向上，因此多采用管狀微觀通道，配合柔性GMR磁傳感器應(yīng)用[70]，以探測360°范圍的磁場變化，來提高檢測的靈敏度。柔性GMR磁傳感器設(shè)計通常如圖11(b)所示，4個蛇形的GMR磁阻橫向分布，能夠同時接收磁性顆粒信號，并連接為惠斯登電橋結(jié)構(gòu)以提高性能。為提高計數(shù)精度，磁性通道的尺寸需與被測顆粒尺寸匹配，并采取磁光輔助等方式[71]，避免多個顆粒同時經(jīng)過傳感器。

2.5.3 多相磁流入式篩選

磁流入式檢測不僅在基于細(xì)胞的單相流態(tài)研究中有很好的應(yīng)用前景，而且可以與一種新型的多相流態(tài)結(jié)合，用于對液滴的高通量篩選[72-73]。此方式是利用大量液滴來封裝各種生物化學(xué)物質(zhì)，包括細(xì)胞、藥物、蛋白質(zhì)和顆粒等[74]。通過將含有不同測定物的水溶液注入非混相，由于施加在液相上的剪切力，可以制備體積為μm到nm量級的微小液滴。此方法制備的液滴比傳統(tǒng)方法批量制備的液滴具有更小的粒徑分散性，有利于進行均勻的生化反應(yīng)和控制細(xì)胞培養(yǎng)[75-76]。隨后應(yīng)用流入式檢測的方法，使液滴逐滴通過傳感器，進行高頻率的計數(shù)和定量，可大規(guī)模地對液滴進行檢測和高通量篩選[77]。

由于目前對藥物的研究過程中，需要同時辨別的組分可能高達數(shù)十種[78]，傳統(tǒng)的無標(biāo)簽檢測方法和光學(xué)標(biāo)記方法均不適合使用。前者易受到pH、離子強度等環(huán)境因素的影響[68]。而傳統(tǒng)的熒光標(biāo)記組合的方式，則受限于光學(xué)的動態(tài)范圍和靈敏度。相比之下，磁流入式由于其對環(huán)境不敏感的檢測原理，使得它非常適合對特定標(biāo)記的液滴樣品進行編碼，適合高通量篩選。目前多相磁流入檢測的原理是將不同數(shù)量的磁性納米顆粒封裝在液滴中，產(chǎn)生不同水平的磁信號，以對不同液滴進行編碼，再利用GMR磁傳感器檢測液滴中磁性納米顆粒雜散場來篩選液滴。

依此原理，在由聚四氟乙烯(PTFE)管構(gòu)成的微流控網(wǎng)絡(luò)中，Lin等首次演示了磁流入式的液滴分選(MADS)技術(shù)，如圖12所示[79]。將含有不同大小液滴的通道相連，使液滴混合，隨后流經(jīng)GMR磁傳感器，傳感器檢測分析了含有磁性納米顆粒的液滴信號，并與磁控機械隔離閥的分選閥進行了聯(lián)通。這項工作首次表明，含有不同大小磁性納米顆粒的液滴可以被傳感器分析，并可被控制分選流向不同通道。通過縮小傳感器和通道的尺寸，可以高保真地分離出不同大小和含有不同濃度磁性納米顆粒的液滴。雖然這種方法可以很好地控制編碼的液滴的雜散磁場，但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，這種方式受到單個液滴所能封裝的最大磁顆粒含量的限制，為確保靈敏度，可選液滴的種類很少，不利于大規(guī)模的編碼應(yīng)用[80]。

為應(yīng)對大規(guī)模編碼篩選的需求，后續(xù)研究提出了一種在微流控通道中利用多個液滴位形成編碼序列的方法，如圖13所示[81]。為實現(xiàn)編碼需求，用液滴發(fā)生器產(chǎn)生了帶有不同數(shù)量磁性納米顆粒的液滴，這些顆粒具有不同的磁性信號強度，進而成功創(chuàng)建了包含4位數(shù)字的唯一液滴序列，演示了一種二進制的編碼方式。依據(jù)不同級別的磁信號來對液滴進行編碼，可以獲取(mN+m)/2數(shù)量的信號，其中m為磁信號的級別數(shù)目，N為編碼位數(shù)。

磁流入檢測的方式已經(jīng)被證明能夠在復(fù)雜不透明的樣品中高精度地計數(shù)待測分子含量[82]。且通過與新興的微流體液滴技術(shù)結(jié)合，利用納米磁性顆粒和傳感器分析技術(shù)，多相流入式的檢測方法已經(jīng)被證明能夠用于篩選大量含不同信號強度的液滴，在生物醫(yī)學(xué)的高通量篩選方面，有著很好的應(yīng)用潛力。

2.5.4 磁性掃描探針陣列

對于磁靜態(tài)傳感，當(dāng)有數(shù)百個待檢測的DNA陣列點時，相應(yīng)所需的集成磁傳感器陣列至少要增加到相同數(shù)量。這會明顯增加多路測試的成本、技術(shù)難度和系統(tǒng)復(fù)雜性[83]。因此可以采用一個自由移動的磁傳感器陣列掃描固定的樣品陣列來克服這些困難[84]，原理類似于使用傳統(tǒng)的激光掃描顯微鏡來成像用熒光標(biāo)記的DNA陣列。與磁靜態(tài)傳感和磁流入式檢測相比，對磁性掃描探針陣列的研究很少，目前的研究主要集中在原理論證方面，Chan等人對磁掃描探針系統(tǒng)進行了演示，其原理如圖14所示。

將DNA陣列旋涂在載玻片表面，然后采用標(biāo)準(zhǔn)捕獲法將磁性顆粒標(biāo)記在DNA分子表面，其具體方法與磁靜態(tài)傳感一致。磁性顆粒的雜散場可被傳感器陣列檢測到，即可測得對應(yīng)區(qū)域DNA分子的數(shù)目以及區(qū)域大小。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，磁性掃描探針陣列的檢測極限仍然高于熒光標(biāo)準(zhǔn)，進一步的改進可以通過減少傳感器間距以及采用更小尺寸的磁性顆粒來實現(xiàn)。

2.6 無損檢測

近年來，在工業(yè)和運輸行業(yè)中，確保系統(tǒng)的可靠、完整和安全性變得至關(guān)重要，檢測金屬部件缺陷的產(chǎn)生、擴展和失效能夠顯著降低成本并提高生產(chǎn)率。無損檢測技術(shù)滿足了這一需求，既能收集相關(guān)結(jié)構(gòu)的狀況信息又不會對其造成損害[85-86]。但隨著硅技術(shù)和包括晶圓級封裝、堆疊式裸片等3D封裝集成技術(shù)的發(fā)展，芯片的不透明層和金屬層數(shù)量倍增[87]。這導(dǎo)致傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)(包括渦流檢測、超聲檢測和聲發(fā)射等)難以對集成電路和微型器件進行測試與故障分析，其檢測分辨率低且無法定位內(nèi)部缺陷，這迫使人們尋找新的無損檢測技術(shù)。

2.6.1 磁成像技術(shù)

1980年以來被報道的以SQUID作為傳感元件的磁成像技術(shù)[88]，是對傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的革新。其優(yōu)點在于它是一種完全無損、非接觸式的技術(shù)，且被測設(shè)備中產(chǎn)生的磁場幾乎完全不受外部封裝技術(shù)中的所用材料影響，可以穿透多層金屬、絕緣體甚至是垂直堆疊的芯片，因此可以進行高分辨率的內(nèi)部缺陷檢測。

其原理相對簡單：將被測設(shè)備通入電流，電流會在其周圍產(chǎn)生磁場，并由設(shè)備周圍的傳感器檢測該磁場。通過對樣品進行掃描，可以獲得磁場分布的磁像。進而使用標(biāo)準(zhǔn)反演技術(shù)處理此磁場數(shù)據(jù)[89]，即可獲得設(shè)備的電流密度圖，將此電流圖與無故障電流圖或光學(xué)紅外圖像進行對比，即可確定故障位置。這種方式早期也被用于檢測鐵磁性材料，通過施加定向磁場使其飽和，即可通過檢測漏磁分布圖像得到缺陷信息。

SQUID雖然具有超高的靈敏度和檢測范圍，但為保持空間分辨率必須采用復(fù)雜的儀器設(shè)備在低溫下工作，已經(jīng)逐漸無法滿足行業(yè)對無損檢測技術(shù)的需求。而磁阻傳感器，尤其是第二代GMR磁傳感器有著良好的空間分辨率，而且價格低廉、應(yīng)用環(huán)境簡單，同樣可以滿足完整探測設(shè)備磁場的需求，目前已開始被應(yīng)用于磁成像技術(shù)中[90-91]。但其應(yīng)用目前還處于實驗室初級階段，仍需后續(xù)研究。

2.6.2 懸臂梁探針傳感器——用于表面探測

GMR磁傳感器有著帶寬高(超過1 MHz)、易集成的優(yōu)點，能夠方便地接收并處理高頻信號，這為掃描探針顯微鏡提供了一條利用磁傳感器檢測懸臂位移的新途徑，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)或壓電檢測模式。Sahoo等人提出了一種將磁傳感器應(yīng)用于懸臂梁探針的方案[92]，其關(guān)鍵是在懸臂梁末端加一個微磁鐵和一個相對懸臂固定的磁阻傳感器，當(dāng)懸臂梁位置改變，傳感器附近磁場變化進而可探測出懸臂梁的位移。這種結(jié)構(gòu)理論上能夠在1 MHz帶寬下達到84 pm的分辨率，超過了最先進的AFMs中光學(xué)手段可以達到的200 pm。

其具體結(jié)構(gòu)原理如圖15所示，當(dāng)懸臂梁探針發(fā)生位移時，其上方磁鐵相對GMR傳感芯片發(fā)生位移，導(dǎo)致其在GMR磁傳感器平面的磁場分量Hx變化，進而引起傳感器磁阻變化。通過兩個位置相對的傳感器，可以計算判斷出磁鐵的相對位移從而計算樣品表面的形貌構(gòu)造[93]。

3 總結(jié)與展望

基于巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器在過去的幾十年里得到了長遠(yuǎn)的發(fā)展，它能夠滿足人們對新一代傳感器尺寸、靈敏度及熱穩(wěn)定性等越來越高的要求，且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝具有極高的兼容性，在汽車、航空等傳統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)有著較為成熟的應(yīng)用。而隨著智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為實現(xiàn)先進數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)對終端用戶的智能化管理，提高資源利用效率及滿足靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別，必須建設(shè)發(fā)達的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其核心是測量寬頻帶范圍內(nèi)的各種微小電學(xué)信號，實現(xiàn)對智能網(wǎng)絡(luò)各關(guān)鍵節(jié)點的實時監(jiān)測。這對傳感器提出了許多新的性能指標(biāo)需求，巨磁阻傳感器由于其優(yōu)異的性能，正逐步取代傳統(tǒng)磁傳感器的地位，占據(jù)越來越多的市場份額。

此外，巨磁阻傳感器在性能方面相比傳統(tǒng)傳感器得到了極大提高，滿足了許多交叉領(lǐng)域應(yīng)用的需求。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中，巨磁阻傳感器已經(jīng)在生物檢測等方向有著較長遠(yuǎn)的發(fā)展。例如，巨磁阻磁傳感平臺用于測量分析生物磁標(biāo)記物數(shù)目，可完成對臨床樣本抗體含量快速、精準(zhǔn)的檢測，已經(jīng)可以部分取代傳統(tǒng)光學(xué)標(biāo)記的檢測方式，具備很好的穿透性和準(zhǔn)確度。而在心磁、腦磁等生物微磁測量領(lǐng)域，采用磁阻傳感器的非接觸診斷裝置已有構(gòu)架，可通過小型化傳感器探頭檢測內(nèi)部器官磁場變化，用于診斷早期的缺血性心臟病、阿爾茲海默病等重大疾病，雖然這種診斷方式還處于初步階段，但隨著高性能磁傳感技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用將逐漸成熟，有望部分取代大型昂貴醫(yī)用磁檢測儀器的使用。近年來，巨磁阻傳感器在無損探測領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐步發(fā)展，基于該傳感器的探頭及相關(guān)顯微探測設(shè)備正在實現(xiàn)。如在渦流探傷的設(shè)備中利用巨磁阻傳感器，能夠更準(zhǔn)確地探測缺陷的位置和信號強弱或是對PCB高密度集成電路分析檢測，在磁成像領(lǐng)域，采用磁阻傳感器陣列可以構(gòu)建小型化、移動式檢測設(shè)備，便于對大型金屬材料設(shè)備損傷等進行檢測，能夠顯著降低成本并提高檢測準(zhǔn)確度。因此，GMR磁傳感器在交叉領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用將成為下一步研究的重點。

國內(nèi)GMR磁傳感器研究起步較晚，與國外相比，技術(shù)積累不足，知識產(chǎn)權(quán)較為匱乏。但隨著國家政策對傳感器領(lǐng)域越來越有力的支持，國內(nèi)不少科研院所、企業(yè)等單位在該領(lǐng)域做出了原創(chuàng)性的突出貢獻。相信在不久的將來，巨磁阻傳感器會被更為廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，在智能感知、電力計量、無損探測、生物檢測等新興交叉領(lǐng)域占據(jù)更加重要的地位。