專利名稱：微機(jī)電磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該專利申請(qǐng)一般地涉及磁阻傳感器，具體說(shuō)，涉及微機(jī)電(MEMQ磁阻傳感器。
背景技術(shù)：
目前，基于微機(jī)電的磁阻傳感器已經(jīng)應(yīng)用在很多領(lǐng)域。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文中的微機(jī)電磁傳感器簡(jiǎn)稱為磁傳感器。在過(guò)去的幾年里，磁阻傳感器開(kāi)始被用于生物分子學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域，比如DNA分析和蛋白質(zhì)分析等。在生物分子學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用的微機(jī)電傳感器常常被稱作生物傳感器或者生物芯片，而同類應(yīng)用的微機(jī)電磁傳感器被稱作磁性生物傳感器或者磁性生物芯片。作為示范性的例子，圖la，Ib和Ic示出了一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)中的磁性生物傳感器的截面。磁性傳感器(98)包含襯底(96)和傳感層(88)。襯底(96)包含電路。傳感層包含參考單元(94)和信號(hào)單元(9 。信號(hào)單元(9 被指定用來(lái)測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)(目標(biāo)磁性信號(hào))， 而參考單元(94)被指定用來(lái)為信號(hào)單元提供參考信號(hào)。這種參考信號(hào)的提供往往是通過(guò)惠斯通電橋(Wheatstone bridge)實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)中，這種參考單元往往被一層軟磁材料(90)覆蓋，以達(dá)到與目標(biāo)磁場(chǎng)隔離的作用?？梢钥闯?，這樣的設(shè)計(jì)使得在有效地磁隔離參考單元的同時(shí)，也將參考單元與目標(biāo)磁場(chǎng)所在的環(huán)境隔離開(kāi)(磁性隔離)。圖Ib示出了圖Ia中傳感器的俯視圖。為清楚起見(jiàn)，該圖中參考單元(94)和信號(hào)單元(9 以上的部分沒(méi)有畫出。參考單元(94)被一層軟磁材料(90)所覆蓋以達(dá)到磁性隔離參考單元的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器常常組合在一起形成傳感器陣列，如圖Ic所示。傳感器陣列80包含多個(gè)同樣的傳感器如傳感器98，86，84和82。這其中每一個(gè)傳感器都可以是圖Ia中所示的磁傳感器。如上所述，當(dāng)前的磁傳感器尤其是磁性生物傳感器大都使用軟磁覆蓋的方式將參考單元和所使用的環(huán)境磁隔離。這樣的設(shè)計(jì)有能力為信號(hào)單元的測(cè)量結(jié)果提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的參考信號(hào)。但是，實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境往往隨時(shí)間變化。磁性隔離的參考單元往往不能夠動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)到這些變化，最終所提供的參考信號(hào)存在一定的誤差。這種誤差最終給測(cè)量結(jié)果造成誤差。實(shí)際上，由參考信號(hào)的誤差所引起的測(cè)量誤差在很多情況下會(huì)變的更嚴(yán)重。比如，在實(shí)際的應(yīng)用中，目標(biāo)磁場(chǎng)往往與其它附加磁場(chǎng)比如激發(fā)磁場(chǎng)和偏置場(chǎng)等同時(shí)存在。在眾多的磁場(chǎng)信號(hào)中捕捉和測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)往往非常困難，非常容易產(chǎn)生測(cè)量誤差。激發(fā)場(chǎng)、偏置場(chǎng)等任何一個(gè)磁場(chǎng)的隨機(jī)的擾動(dòng)都將增加測(cè)量的難度和誤差。由于參考單元的磁隔離， 參考單元無(wú)法提取到這些附加磁場(chǎng)以及它們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化的信息，從而給目標(biāo)信號(hào)的測(cè)量帶來(lái)很大的難度，同時(shí)，也有可能給目標(biāo)磁場(chǎng)的測(cè)量帶來(lái)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
在第一個(gè)例子中公開(kāi)了一種微機(jī)電磁傳感器，該傳感器包含襯底，該襯底包含一個(gè)電路；參考單元；該參考單元能夠?qū)Υ艌?chǎng)進(jìn)行探測(cè)并且將探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；第一狀態(tài)控制單元與參考單元偶合，能夠動(dòng)態(tài)地將參考單元的狀態(tài)進(jìn)行鎖定和開(kāi)啟；信號(hào)單元，該信號(hào)單元能夠?qū)Υ艌?chǎng)進(jìn)行探測(cè)并且將探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；和第二狀態(tài)控制單元與信號(hào)單元偶合，能夠動(dòng)態(tài)地將信號(hào)單元的狀態(tài)進(jìn)行鎖定和開(kāi)啟。在第二個(gè)例子中公開(kāi)了一個(gè)測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)的方法，該方法包含提供一個(gè)傳感器， 該傳感器包含一個(gè)信號(hào)單元和一個(gè)參考單元；初始化該傳感器，包含開(kāi)啟參考單元使得參考單元測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)中的環(huán)境磁場(chǎng)；和鎖定參考單元；加入目標(biāo)磁場(chǎng)；利用信號(hào)單元測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)；和利用參考單元的信號(hào)校驗(yàn)信號(hào)單元的測(cè)量值從而得出目標(biāo)磁場(chǎng)校正后的測(cè)量值。在第三個(gè)例子中公開(kāi)了一個(gè)探測(cè)目標(biāo)磁場(chǎng)的方法，該目標(biāo)磁場(chǎng)由一個(gè)激發(fā)場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生，該方法包括提供一個(gè)傳感器，該傳感器包含一個(gè)參考單元和一個(gè)信號(hào)單元，該參考單元和信號(hào)單元各包含一個(gè)磁阻器件能夠測(cè)量激發(fā)場(chǎng)和目標(biāo)磁場(chǎng)；在傳感器所在的空間里產(chǎn)生激發(fā)場(chǎng)而不產(chǎn)生目標(biāo)磁場(chǎng)；利用參考單元對(duì)激發(fā)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；利用信號(hào)單元測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)；和利用參考單元的測(cè)量值對(duì)信號(hào)單元的測(cè)量值進(jìn)行修正從而得出目標(biāo)磁場(chǎng)的測(cè)量值。


由以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的各個(gè)示范性實(shí)施方式能夠被更清楚地理解。圖Ia示意性地示出現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)磁性傳感器范例的截面圖；圖Ib示意性地示圖Ia中磁性傳感器的俯視圖；圖Ic示意性地示出現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)磁性傳感器陣列，該陣列包含多個(gè)圖Ia所示的磁性傳感器；圖2示意性地示出本發(fā)明一個(gè)磁傳感器實(shí)例的截面圖；圖3示意性地示出本發(fā)明另一個(gè)磁傳感器實(shí)例的截面圖；圖4a和4b示意性地示出本發(fā)明一個(gè)狀態(tài)控制單元，該單元可以用來(lái)鎖定和開(kāi)啟圖2所示磁性傳感器中參考單元或者信號(hào)單元的傳感狀態(tài)；圖5和圖6示意性地示出本發(fā)明另一個(gè)狀態(tài)控制單元，該單元可以用來(lái)鎖定和開(kāi)啟圖2所示磁性傳感器中參考單元或者信號(hào)單元的傳感狀態(tài)；圖7示意性地示出一種磁性材料的矯頑場(chǎng)和溫度的關(guān)系，這種關(guān)系可以被實(shí)施在圖4a，4b，5和6中所示的狀態(tài)控制單元中；圖8圖示了一個(gè)惠斯通電橋的范例，該惠斯通電橋可以被應(yīng)用于連接如圖2所示的磁傳感器中參考單元和信號(hào)單元；圖9是圖2中磁傳感器的一個(gè)操作范例；圖10示意性地示出一個(gè)生物傳感器在一個(gè)生物分子探測(cè)過(guò)程中的截面圖，該生物傳感器是如圖2所示的磁傳感器的一個(gè)實(shí)施范例；圖11是如圖10所示的生物傳感器的一個(gè)操作范例；圖12示意性示出一個(gè)磁隧穿器件(Magnetic-tunnel-junction，MTJ)的截面圖， 該磁隧穿器件被應(yīng)用在如圖2所示的磁傳感器中；圖13示意性示出一個(gè)自旋閥器件(Spin-ValVe，SV)的截面圖，該自旋閥器件被應(yīng)用在如圖2所示的磁傳感器中；
圖14是一個(gè)俯視圖，示意性地示出如圖2所示的磁傳感器中參考單元和信號(hào)單元的一個(gè)布局范例；圖15是一個(gè)俯視圖，示意性地示出如圖2所示的磁傳感器中參考單元和信號(hào)單元的另一個(gè)布局范例；圖16是一個(gè)俯視圖，示意性地示出如圖2所示的磁傳感器中參考單元和信號(hào)單元的另一個(gè)布局范例；以及圖17是一個(gè)俯視圖，示意性地示出一個(gè)傳感器陣列，該傳感器陣列包含多個(gè)如圖 14和圖15所示的磁傳感器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹混合型MEMS裝置組件的幾個(gè)選定的例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解以下的介紹是為了說(shuō)明的目的，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他變化也是可行的。參照?qǐng)D2，磁傳感器100包含參考單元106和信號(hào)單元108。參考單元106和信號(hào)單元108設(shè)置在襯底102上。襯底102包含與參考單元和信號(hào)單元相關(guān)聯(lián)的電路，比如負(fù)責(zé)控制參考單元和信號(hào)單元操作、負(fù)責(zé)與參考單元和信號(hào)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(轉(zhuǎn)換)的電路。信號(hào)單元和參考單元能夠各自獨(dú)立地捕捉(探測(cè))磁場(chǎng)信號(hào)并將捕捉到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為其他形式的可測(cè)量的信號(hào)，比如電阻值的變化，電流的變化、電壓的變化等類似的信號(hào)。在本說(shuō)明書(shū)中，除非特別另指，“目標(biāo)磁場(chǎng)”和“目標(biāo)磁信號(hào)”是指那些磁傳感器待測(cè)的磁場(chǎng)。比如在利用生物磁傳感器探測(cè)生物分子及相關(guān)應(yīng)用中，目標(biāo)磁場(chǎng)或者目標(biāo)磁信號(hào)指的是用來(lái)標(biāo)識(shí)待測(cè)生物分子的納米顆粒所產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場(chǎng)。目標(biāo)磁場(chǎng)可以用信號(hào)單元測(cè)量，而參考單元為信號(hào)單元所測(cè)量的信號(hào)提供參考值。在以下的討論中可以看到，在一些操作實(shí)例中，目標(biāo)信號(hào)可以用參考單元測(cè)量，而信號(hào)單元為參考單元所測(cè)量的信號(hào)提供參考信號(hào)。參考單元和信號(hào)單元可以具有同樣的功能性結(jié)構(gòu)或者其功能結(jié)構(gòu)基于相同的磁場(chǎng)探測(cè)機(jī)理，比如磁隧穿結(jié)構(gòu)(MTJ)、自旋閥結(jié)構(gòu)(SV)或者其他形式的磁阻結(jié)構(gòu)(MR)，比如具有巨磁阻效應(yīng)的巨磁阻多層膜堆疊結(jié)構(gòu)。參考單元和信號(hào)單元可以采用相同的材料(材料組)也可以通過(guò)相同的制備流程制備。參考單元和信號(hào)單元也可以具有相同的幾何形狀、幾何尺寸。當(dāng)然，信號(hào)單元和參考單元也可以在結(jié)構(gòu)、探測(cè)機(jī)理、材料、制備方式、幾何形狀和幾何尺寸等一個(gè)或者多個(gè)方面具有不同的特征。如圖2所示的截面圖，在傳感層中的參考單元和信號(hào)單元可以在空間上相互分離。參考單元和信號(hào)單元在傳感層104中的各個(gè)功能部件在空間上被分離，沒(méi)有共用或者相連的部分。在另外一些實(shí)施例中，參考單元和信號(hào)單元在傳感層104中的一個(gè)或者多個(gè)功能部件可以被共用，這一點(diǎn)在以下參照?qǐng)D12的討論中將會(huì)更詳細(xì)地討論。在這里，圖3 簡(jiǎn)單地演示了參考單元106和信號(hào)單元108共用一個(gè)或者多個(gè)功能部件的特點(diǎn)。值得注意的是，參考單元和信號(hào)單元在功能上可以互換。也就是說(shuō)參考單元可以用來(lái)提供參考信號(hào)，也可以用來(lái)測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)。同樣信號(hào)單元可以用來(lái)測(cè)量目標(biāo)信號(hào)也可以用來(lái)提供參考信號(hào)。在一個(gè)實(shí)際的測(cè)量中，參考單元和信號(hào)單元的實(shí)際功能由控制電路實(shí)現(xiàn)，而控制電路本身可以動(dòng)態(tài)地改變。比如在一個(gè)測(cè)量中的某一段時(shí)間里，控制電路操控參考單元來(lái)提供參考信號(hào)，信號(hào)單元測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)。在同一個(gè)測(cè)量的另外一個(gè)時(shí)間段里，控制電路可以操控參考單元來(lái)測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)，而信號(hào)單元提供參考信號(hào)。通過(guò)功能的互換和對(duì)互換功能前后測(cè)量結(jié)果的對(duì)比處理，測(cè)量的精確度可能被進(jìn)一步被提高。本發(fā)明中磁傳感器的這種特點(diǎn)在磁傳感器的結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)于-磁傳感器中的參考單元和信號(hào)單元相對(duì)于目標(biāo)磁場(chǎng)(以及環(huán)境中與目標(biāo)磁場(chǎng)共存的其他磁場(chǎng))在功能上是一致的。這一點(diǎn)可以通過(guò)與如圖Ia中所示的當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)中磁傳感器的比較得到更加清楚的理解。如圖Ia所示， 當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)中的磁傳感器中，參考單元被軟磁材料覆蓋，從而與環(huán)境中的磁場(chǎng)隔離，而信號(hào)單元暴露在環(huán)境磁場(chǎng)中，用來(lái)測(cè)量環(huán)境中的目標(biāo)磁場(chǎng)。這種結(jié)構(gòu)使得參考單元和信號(hào)單元在功能上完全不同，不能夠?qū)崿F(xiàn)功能互換。而如圖2所示的本發(fā)明的一個(gè)范例中，本發(fā)明的參考單元和信號(hào)單元可以實(shí)現(xiàn)功能互換，這種功能互換在單元結(jié)構(gòu)上來(lái)源于參考單元和信號(hào)單元結(jié)構(gòu)等價(jià)-尤其是參考單元和信號(hào)單元都暴露在環(huán)境磁場(chǎng)中，并可以對(duì)環(huán)境中的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。參考單元和信號(hào)單元的功能互換在操作上通過(guò)對(duì)參考單元和信號(hào)單元狀態(tài)的控制實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明中，參考單元和信號(hào)單元每一個(gè)至少包含兩種狀態(tài)鎖定狀態(tài)和開(kāi)啟狀態(tài)。在開(kāi)啟狀態(tài)，信號(hào)單元(或者參考單元)可以測(cè)量磁場(chǎng)。在鎖定狀態(tài)，信號(hào)單元(或者參考單元)鎖定其當(dāng)時(shí)的一個(gè)或者多個(gè)狀態(tài)特性比如電阻(如磁阻)或者其內(nèi)部一個(gè)或者多個(gè)功能部件的狀態(tài)例如磁阻結(jié)構(gòu)(如磁隧穿和自旋閥等)中自由層(或者叫存儲(chǔ)層)的磁化方向。參考單元和信號(hào)單元的兩種狀態(tài)在結(jié)構(gòu)上可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，作為一個(gè)實(shí)例，圖如和4b以參考單元為例展示了其中一種方法，信號(hào)單元可以采用同樣或類似的方法在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制。如圖如所示，參考單元106包含一個(gè)狀態(tài)控制單元114。該狀態(tài)控制單元的一個(gè)實(shí)施例展示在圖4b。在圖4b所示的實(shí)施例中，參考單元106是一個(gè)磁隧穿器件(MTJ)，包含自由層114、釘扎層130和夾在自由層和釘扎層之間的隧穿層128。自由層 114在被用作測(cè)量磁場(chǎng)信號(hào)的同時(shí)也被用作狀態(tài)控制單元。自由層114是一個(gè)導(dǎo)電磁性層，其阻隔溫度(blocking temperature) Tb高于參考單元106的工作溫度RT (比如室溫)。盡管不是必須，釘扎層130的阻隔溫度等于或高于自由層的阻隔溫度。自由層114連接到一個(gè)熱源或者電流源可以實(shí)時(shí)地升高自由層的溫度。當(dāng)參考單元的自由層的溫度低于其阻隔溫度的時(shí)候，該自由層的磁化狀態(tài)不受外界磁場(chǎng)(比如目標(biāo)磁場(chǎng))的影響，因此參考單元的所表現(xiàn)出的磁阻值不發(fā)生變化，該參考單元因此被稱為處于“鎖定狀態(tài)”。當(dāng)參考單元的自由層的溫度等于或者高于其阻隔溫度的時(shí)候， 該自由層的磁化狀態(tài)受到外界磁場(chǎng)(比如目標(biāo)磁場(chǎng))的影響，并決定于外加磁場(chǎng)，因此參考單元的所表現(xiàn)出的磁阻值有可能發(fā)生變化，該參考單元因此被稱為處于“開(kāi)啟狀態(tài)”。自由層的磁化狀態(tài)與溫度的關(guān)系示意性的表示在圖7中。參考圖7，自由層的矯頑場(chǎng)隨溫度的升高而降低。在傳感器的工作溫度RT，自由層的矯頑場(chǎng)為氏。Htl高于目標(biāo)磁場(chǎng)和目標(biāo)磁場(chǎng)所在空間范圍內(nèi)其他磁場(chǎng)(比如激發(fā)場(chǎng)、偏置場(chǎng)等)的最大值。當(dāng)自由層的溫度達(dá)到其阻隔溫度Tb的時(shí)候，自由層的矯頑場(chǎng)下降到Hnp。 Hci等于或小于目標(biāo)磁場(chǎng)和目標(biāo)磁場(chǎng)所在空間范圍內(nèi)其他磁場(chǎng)(比如激發(fā)場(chǎng)、偏置場(chǎng)等)的最大值。值得指出的是，自由層矯頑力隨溫度的變化是可逆的。當(dāng)溫度降低的時(shí)候，自由層的矯頑力升高。比如，當(dāng)自由層的溫度從Tb下降到RT的時(shí)候，其矯頑場(chǎng)從Hnp升高到氏。在一個(gè)實(shí)例中，通過(guò)對(duì)自由層通入電流的方式可以升高自由層的溫度。撤銷電流后，自由層將會(huì)自然冷卻降低溫度。溫度的改變直接改變自由層的矯頑場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)參考單元在“鎖定狀態(tài)“和”開(kāi)啟狀態(tài)“之間的轉(zhuǎn)換。禾_鎖定狀態(tài)和開(kāi)啟狀態(tài)以及兩種之間的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)參考單元和信號(hào)單元對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)的測(cè)量、對(duì)環(huán)境中附加磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量以及對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)側(cè)量結(jié)果動(dòng)態(tài)的修正。最終提供精確的對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。以上以參考單元為例并參照?qǐng)D4a和4b討論的狀態(tài)控制實(shí)例可以同樣的被應(yīng)用在信號(hào)單元中，這里不再重復(fù)。作為另一個(gè)實(shí)例，如圖5所示，參考單元106的狀態(tài)控制可以通過(guò)外部獨(dú)立于參考單元的控制單元110實(shí)現(xiàn)。這種外部的狀態(tài)控制單元110可以通過(guò)許多種方式實(shí)現(xiàn)。作為示意，圖6展示了一個(gè)控制參考單元106狀態(tài)的外部控制單元110。在這個(gè)實(shí)例中，參考單元106是一個(gè)磁隧穿器件。參考圖6，外部狀態(tài)控制單元110是一個(gè)“硬磁層，”被放置在參考單元106的附近，比如在自由層114可以探測(cè)到的范圍里。硬磁層110可以鍍?cè)谧杂蓪由厦?。作為一個(gè)選擇，硬磁層與自由層之間可以放置一個(gè)導(dǎo)電的熱絕緣層以起到隔熱的作用。如圖4a和4b 所示的自由層(114) 一樣，硬磁層110也具有阻隔溫度和隨溫度變化的矯頑場(chǎng)。隨著溫度的升高，硬磁層110的矯頑場(chǎng)下降。在正常工作溫度如室溫下，硬磁層110表現(xiàn)出高的矯頑場(chǎng)，使得硬磁層110的磁化方向不受目標(biāo)磁場(chǎng)和附加場(chǎng)以及其他環(huán)境磁場(chǎng)的影響。這時(shí)候的參考單元處于“鎖定”狀態(tài)。升高硬磁層110的溫度，比如通過(guò)加電流等方式，硬磁層110 的矯頑場(chǎng)降低。當(dāng)溫度升高到或者高于阻隔溫度的時(shí)候，硬磁層的矯頑場(chǎng)等于或者小于目標(biāo)磁場(chǎng)、附加場(chǎng)以及其他環(huán)境磁場(chǎng)。這時(shí)候的參考單元處于“開(kāi)啟狀態(tài)”。硬磁層110同樣可以應(yīng)用到信號(hào)單元中控制信號(hào)單元的狀態(tài)。參考單元106和信號(hào)單元108可以用惠斯通電橋(Wheatstone bridge)連接，一個(gè)范例展示在圖8中。參考單元和信號(hào)單元的輸出可以連接到一個(gè)放大器的輸入端對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。作為示意，圖9展示了一個(gè)如圖2所示的磁傳感器100的操作范例。參考圖9，傳感器100先被初始化。在初始化的過(guò)程中，待測(cè)的目標(biāo)磁場(chǎng)被“關(guān)閉”，參考單元和信號(hào)單元被開(kāi)啟。參考單元和信號(hào)單元的開(kāi)啟可以通過(guò)加熱(比如通電流)使得參考單元和信號(hào)單元中的自由層或者硬磁層的溫度高于其阻隔溫度。目標(biāo)磁場(chǎng)所在環(huán)境信息，比如環(huán)境中的附加磁場(chǎng)等信息可以通過(guò)參考單元收集。根據(jù)收集到的環(huán)境信息，傳感器的實(shí)時(shí)“動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)”可以被確定。當(dāng)傳感器使用惠斯通電橋連接參考單元和信號(hào)單元的時(shí)候，惠斯通電橋的實(shí)時(shí)平衡點(diǎn)可以對(duì)應(yīng)于這種動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。當(dāng)環(huán)境中其他磁場(chǎng)，比如目標(biāo)磁場(chǎng)加入環(huán)境中的時(shí)候，這種動(dòng)態(tài)平衡被破壞，該其他磁場(chǎng)因此可以被探測(cè)。初始化結(jié)束的時(shí)候，參考單元被鎖定，而信號(hào)單元被開(kāi)啟。鎖定參考單元可以通過(guò)比如撤銷加熱電流實(shí)現(xiàn)。加熱電流被撤銷后，參考單元中的自由層或者硬磁層冷卻，其溫度低于阻隔溫度。在初始化過(guò)程中探測(cè)到的狀態(tài)將被“鎖定”在參考單元中，參考單元的輸出狀態(tài)(比如磁阻)仍然由上一個(gè)開(kāi)啟狀態(tài)(初始化過(guò)程)決定。參考單元被鎖定之后，目標(biāo)磁場(chǎng)被開(kāi)啟。信號(hào)單測(cè)量該目標(biāo)信號(hào)。信號(hào)單元的測(cè)量通過(guò)參考單元的測(cè)量值進(jìn)行修正，以提高對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)測(cè)量的精度。
傳感器100在生物分子中的一個(gè)具體使用實(shí)例展示在圖10和圖11中。參考圖 10，傳感器100在本實(shí)例中實(shí)施成為一個(gè)生物傳感器，包含襯底102，參考單元106，信號(hào)單元108，硬磁層114，硬磁層116和生物薄膜122。該生物傳感器的工作原理是基于分子的配對(duì)原則。探針?lè)肿颖活A(yù)先放置在生物薄膜122上。待測(cè)的生物分子被納米磁性顆粒IM標(biāo)識(shí)。實(shí)驗(yàn)中，將待測(cè)的生物分子放置在生物薄膜上，與生物探針進(jìn)行雜化反應(yīng)。如果待測(cè)的生物分子與生物探針發(fā)生雜化，說(shuō)明生物分子與生物探針是配對(duì)的。根據(jù)生物探針已知的生物信息(結(jié)構(gòu)等)可以推斷出待測(cè)生物分子的信息。利用生物傳感器測(cè)量生物分子的關(guān)鍵在于探測(cè)生物探針與待測(cè)生物分子是否發(fā)生雜化。這種探測(cè)是通過(guò)測(cè)量待測(cè)生物分子的磁性納米顆粒達(dá)到的。而磁性納米顆粒的量化探測(cè)是通過(guò)生物傳感器100實(shí)現(xiàn)的。換句話說(shuō)，如果傳感器100探測(cè)到納米顆粒124，說(shuō)明待測(cè)生物分子和生物探針發(fā)生了雜化。否則，待測(cè)生物分子與生物探針沒(méi)有發(fā)生雜化-即待測(cè)生物分子與已知的生物探針是不匹配的。因此，利用生物傳感器100探測(cè)生物分子的問(wèn)題最終歸結(jié)到定量的探測(cè)納米顆粒124。在實(shí)際應(yīng)用中，用來(lái)標(biāo)識(shí)待測(cè)生物分子的納米顆粒124的尺寸最好與生物分子的尺寸相匹配，也就是說(shuō)，磁性納米顆粒的尺寸最好在20納米以下。而尺寸在20納米以下的磁性納米顆粒通常表現(xiàn)為超順磁性。測(cè)量中需要激發(fā)場(chǎng)Hext磁化納米顆粒。磁化的納米顆粒產(chǎn)生誘導(dǎo)磁場(chǎng)。納米顆粒的量化測(cè)量就是通過(guò)探測(cè)這種誘導(dǎo)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。可以看出，納米顆粒的誘導(dǎo)磁場(chǎng)與激發(fā)場(chǎng)Hext同時(shí)存在。實(shí)際測(cè)量中往往還有另外一些附加磁場(chǎng)如偏置場(chǎng)等。生物傳感器100的測(cè)量目的就是精確地提取并測(cè)量磁化后納米顆粒IM的磁場(chǎng)。圖11展示了一個(gè)測(cè)試方法流程。參照?qǐng)D12并結(jié)合圖11，傳感器100首先被初始化。在初始化最好發(fā)生在放置納米顆粒IM到傳感器100之前，這個(gè)時(shí)候，傳感器100的工作環(huán)境中不存在納米顆粒IM的誘導(dǎo)磁場(chǎng)。初始化開(kāi)始后，激發(fā)場(chǎng)Hrait (以及其它磁場(chǎng)如偏置場(chǎng)等)被打開(kāi)。參考單元106 和信號(hào)單元108處于開(kāi)啟狀態(tài)。傳感器100探測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)包含激發(fā)場(chǎng)及其他磁場(chǎng)如偏置場(chǎng)等。根據(jù)測(cè)定的環(huán)境磁場(chǎng)，傳感器100可以(并不是一定要求)確定其工作平衡點(diǎn)。初始化之后，參考單元被鎖定，而信號(hào)單元處于開(kāi)啟狀態(tài)。參考單元的狀態(tài)被鎖定之后，納米顆粒被放置到傳感器表面。在激發(fā)場(chǎng)的激發(fā)下， 納米顆粒產(chǎn)生誘導(dǎo)磁場(chǎng)。信號(hào)單元108負(fù)責(zé)測(cè)量這個(gè)誘導(dǎo)磁場(chǎng)。信號(hào)單元測(cè)量完畢后，信號(hào)單元的狀態(tài)被鎖定。這時(shí)候，激發(fā)場(chǎng)可以被撤除也可以保留。參考信號(hào)的測(cè)量結(jié)果被作為參考信號(hào)對(duì)信號(hào)單元的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正。被修正后的信號(hào)單元的測(cè)量結(jié)果就是納米顆粒的磁場(chǎng)。根據(jù)測(cè)量到的納米顆粒的磁場(chǎng)值，可以確定納米顆粒的存在與否和多少， 從而推斷出待測(cè)生物分子的特征。由于參考單元和信號(hào)單元在功能上的可互換性，一些實(shí)際測(cè)量可以互換參考單元和信號(hào)單元探測(cè)納米顆粒的磁場(chǎng)以提高精確性。比如，在一個(gè)測(cè)量周期結(jié)束后(如上討論)，可以進(jìn)行一個(gè)校準(zhǔn)周期。在校準(zhǔn)周期里，參考單元被用于測(cè)量納米顆粒的磁場(chǎng)，而信號(hào)單元?jiǎng)t被用于測(cè)量激發(fā)場(chǎng)及其他場(chǎng)如偏置場(chǎng)等。測(cè)量周期和校準(zhǔn)周期的結(jié)果通過(guò)比較和校準(zhǔn)，可以更進(jìn)一步提高測(cè)量精度。傳感器100的參考單元和信號(hào)單元在結(jié)構(gòu)上有多種選擇，其中一種是MTJ磁隧穿結(jié)構(gòu)，如圖12所示。參考圖12，傳感器100包含參考單元106和信號(hào)單元108。參考單元106包含上電極124，自由層126，隧穿層128，釘扎層130以及下電極132。信號(hào)單元108包含上電極134，自由層136，隧穿層128，釘扎層130以及下電極132。在這個(gè)實(shí)施例中，參考單元106和信號(hào)單元108共用隧穿層128、釘扎層130和下電極132。在其他一些實(shí)施例中， 參考單元和信號(hào)單元可以有各自的功能層，這里不再贅述。傳感器100的參考單元106和信號(hào)單元108也可以采用自旋閥SV結(jié)構(gòu)，如圖13 所示。參考圖13，傳感器100包含參考單元106和信號(hào)單元108。參考單元106和信號(hào)單元108在這個(gè)實(shí)施例中表現(xiàn)為自旋閥結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，參考單元106包含自由層138、隔離層140、釘扎層142以及左右電極144和146。信號(hào)單元108包含自由層139、隔離層141、 釘扎層143以及左右電極146和148。參考單元106和信號(hào)單元108上覆蓋的生物薄膜沒(méi)有表示在圖中是為了方便和簡(jiǎn)單起見(jiàn)。參考單元106和信號(hào)單元108在傳感器中的相對(duì)幾何位置原則上可以隨意選擇。 其中一種選擇如圖14所示的俯視圖。參考圖14，傳感器以及參考單元106和信號(hào)單元108 在該俯視圖中大致呈矩形。參考單元106和信號(hào)單元108大致平行-比如沿著長(zhǎng)邊的對(duì)稱軸大致平行。參考單元106和信號(hào)單元108的沿長(zhǎng)邊的對(duì)稱軸與傳感器100的沿長(zhǎng)邊的對(duì)稱軸也大致平行。參考單元106和信號(hào)單元108的沿長(zhǎng)邊的對(duì)稱軸也可以與傳感器100的沿短邊的對(duì)稱軸平行，如圖15中的俯視圖所示。圖5中，參考單元106和信號(hào)單元108相互平行。實(shí)際上，參考單元和信號(hào)單元相對(duì)于傳感器可以任意放置，比如如圖16的俯視圖所示，參考單元106和信號(hào)單元108相互平行。參考單元和信號(hào)單元的長(zhǎng)軸方向與傳感器 100的一個(gè)對(duì)角線垂直。值得注意的是，參考單元106和信號(hào)單元108不一定相互平行。在許多實(shí)際應(yīng)用中，眾多的傳感器100按照行和列排列成一個(gè)點(diǎn)陣，這樣的點(diǎn)陣通常被稱為傳感器陣列(生物傳感器陣列、或者生物傳感器陣列芯片)。在這樣的一個(gè)陣列中，每一個(gè)傳感器是一個(gè)陣點(diǎn)，或者叫測(cè)試陣點(diǎn)。在每個(gè)陣點(diǎn)上可以進(jìn)行一種/ 一個(gè)測(cè)量。 由于傳感器陣列中的每一個(gè)陣點(diǎn)可以獨(dú)立操作，傳感器陣點(diǎn)上的測(cè)量也可以是互相獨(dú)立。 為了消除陣點(diǎn)之間，尤其是近鄰陣點(diǎn)之間的信號(hào)干擾，比如來(lái)自于近鄰的磁場(chǎng)干擾，相鄰陣點(diǎn)上參考單元和信號(hào)單元的空間排列可以有所差別。作為一個(gè)演示，圖17展示了一個(gè)傳感器陣列的一部分。參考圖17，該傳感器陣列包含四個(gè)陣點(diǎn)A11，A12，A21，A22 0對(duì)于陣點(diǎn)A11來(lái)說(shuō)，陣點(diǎn) A12和A21是最近鄰。參考單元106和信號(hào)單元108在陣點(diǎn)A11中的排列可以大體上與他們?cè)陉圏c(diǎn)A12和A21中相互垂直，如圖17所示。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(shuō)明書(shū)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(shuō)明書(shū)各處出現(xiàn)的這種短語(yǔ)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(shuō)，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(lái)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。 雖然這里展示和說(shuō)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(duì)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(shuō)明性的而不是對(duì)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(shū)而不是上述說(shuō)明書(shū)限定。在說(shuō)明書(shū)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(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)“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(shū)中的術(shù)語(yǔ)，在與說(shuō)明書(shū)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(yǔ)“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(kāi)放式”術(shù)語(yǔ))_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(shū)，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(méi)有描述充分的結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行該功能。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電磁性傳感器，包括 一個(gè)襯底，該襯底包含一個(gè)電路；參考單元，該參考單元能夠?qū)Υ艌?chǎng)進(jìn)行探測(cè)并且將探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 第一狀態(tài)控制單元與參考單元偶合，能夠動(dòng)態(tài)地將參考單元的狀態(tài)進(jìn)行鎖定和開(kāi)啟； 信號(hào)單元，該信號(hào)單元能夠?qū)Υ艌?chǎng)進(jìn)行探測(cè)并且將探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；和第二狀態(tài)控制單元與信號(hào)單元偶合，能夠動(dòng)態(tài)地將信號(hào)單元的狀態(tài)進(jìn)行鎖定和開(kāi)啟。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性傳感器，其中，參考單元包含一個(gè)磁阻結(jié)構(gòu)，該磁阻結(jié)構(gòu)包含一個(gè)自由層，該自由層連接到一個(gè)加熱裝置可以使該自由層溫度等于或者高于該自由層的阻隔溫度，而該自由層就是第一狀態(tài)控制單元。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性傳感器，其中，第一狀態(tài)控制單元是一個(gè)硬磁層，該硬磁層的阻隔溫度高于室溫。
4.如權(quán)利要求2所述的微機(jī)電磁性傳感器，其中，該參考單元和信號(hào)單元包含自旋閥結(jié)構(gòu)或者磁隧穿結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求3所述的微機(jī)電磁性傳感器，其中，該參考單元和信號(hào)單元包含自旋閥結(jié)構(gòu)或者磁隧穿結(jié)構(gòu)。
6.一種傳感器陣列，該傳感器陣列包含多個(gè)如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電磁性傳感器。
7.一種測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)的方法，該方法包括提供一個(gè)傳感器，該傳感器包含一個(gè)信號(hào)單元和一個(gè)參考單元； 初始化該傳感器，包括開(kāi)啟參考單元使得參考單元測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)中的環(huán)境磁場(chǎng)；和鎖定參考單元； 加入目標(biāo)磁場(chǎng)；利用信號(hào)單元測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)；和利用參考單元的信號(hào)校驗(yàn)信號(hào)單元的測(cè)量值從而得出目標(biāo)磁場(chǎng)的測(cè)量值。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，參考單元和信號(hào)單元各自包含一個(gè)磁阻器件，該磁阻器件可以探測(cè)目標(biāo)磁場(chǎng)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，目標(biāo)磁場(chǎng)和一個(gè)附加磁場(chǎng)共存，在初始化的過(guò)程中，該附加磁場(chǎng)存在于傳感器所在的空間，但是目標(biāo)磁場(chǎng)不存在，而在初始化過(guò)程結(jié)束后以及參考單元被鎖定之后，目標(biāo)磁場(chǎng)出現(xiàn)在該傳感器所在的空間。
10.一種探測(cè)目標(biāo)磁場(chǎng)的方法，該目標(biāo)磁場(chǎng)由一個(gè)激發(fā)場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生，該方法包括 提供一個(gè)傳感器，該傳感器包含一個(gè)參考單元和一個(gè)信號(hào)單元，該參考單元和信號(hào)單元各包含一個(gè)磁阻器件能夠測(cè)量激發(fā)場(chǎng)和目標(biāo)磁場(chǎng)；在傳感器所在的空間里產(chǎn)生激發(fā)場(chǎng)而不產(chǎn)生目標(biāo)磁場(chǎng)；利用參考單元對(duì)激發(fā)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；鎖定參考單元；利用激發(fā)場(chǎng)產(chǎn)生目標(biāo)磁場(chǎng)；利用信號(hào)單元測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)；和利用參考單元的測(cè)量值對(duì)信號(hào)單元的測(cè)量值進(jìn)行修正從而得出目標(biāo)磁場(chǎng)的測(cè)量值。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，磁阻器件是自旋閥或者磁隧穿器件。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，磁阻器件包含的自由層連接到一個(gè)熱源可以將該自由層的溫度升高到等于或高于該自由層的阻隔溫度，而該自由層的阻隔溫度高于室
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，每一個(gè)磁阻器件包含一個(gè)硬磁層，該硬磁層連接到一個(gè)熱源可以將該硬磁層的溫度升高到高于其阻隔溫度的溫度。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，該硬磁層放置在磁阻器件中自由層的上面，并和自由層之間以一個(gè)熱絕緣層相隔。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，該信號(hào)單元和參考單元連接到一個(gè)惠斯通電橋。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微機(jī)電磁傳感器，該傳感器包含一個(gè)參考單元和一個(gè)信號(hào)單元。參考單元和信號(hào)單元各自包含一個(gè)微機(jī)電磁阻器件可以測(cè)量磁場(chǎng)信號(hào)。參考單元和信號(hào)單元各自包含一個(gè)狀態(tài)控制器可以將參考單元或者信號(hào)單元的工作狀態(tài)設(shè)置在鎖定狀態(tài)和開(kāi)啟狀態(tài)。該傳感器的使用方法也在本發(fā)明中提供。
文檔編號(hào)B81B7/04GK102288926SQ20111012456
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者張彪, 白虹 申請(qǐng)人:北京德銳磁星科技有限公司