CN101042360B - 一种基于巨磁电阻的传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于巨磁电阻的传感器，包括巨磁电阻元件[1]，压电元件[2]，附有磁性物质的微型悬臂梁[3]，巨磁电阻元件[1]的引出电极和引入电极[4和5]，压电元件[2]的引出电极和引入电极[6和7]。微型悬臂梁[3]固定在压电元件[2]上，悬在巨磁电阻元件[1]上方。压电元件[2]的上表面高于巨磁电阻元件[1]的上表面。巨磁电阻元件[1]的引入电极[4]和引出电极[5]分别连接巨磁电阻元件[1]，压电元件[2]的引入电极[6]和引出电极[7]分别连接压电元件[2]。微型悬臂梁[3]固有频率的改变，反映在巨磁电阻元件的阻值变化上，由此可得到所需要测量量的改变量。本发明制备，结构和匹配测量电路简单，且灵敏度高，反应快。多个巨磁电阻传感器可组成阵列，同时检测多种成分，确保采集的数据同时性和同地性。

Description

一种基于巨磁电阻的传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及基于巨磁电阻(GMR)的传感器。

背景技术

随着人类基因组计划的实施，细胞以及细胞内的诸多分子器件的运行机制被不断揭示，有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增长，人们认识到各种生物分子通过不同层次的组装，由微观到宏观，自发地形成了复杂精确的组装体系。利用MEMS/NEMS的器件的新特性研制新的生物传感器，成为提高传感器灵敏度特性的一个重要研究领域。MEMS/NEMS元件能够对环境具有感知和反应控制能力，且具有更高的灵敏度、更低的功耗、更小的体积。在诸多基于MEMS/NEMS的传感器中，谐振式的传感器由于其频率对质量或者反应体系性状具有高敏感性及测试简单性受到了广泛的关注。目前，美国等诸多发达国家都开展高频、高灵敏度的谐振式传感器：石英晶体微天平、微纳悬臂梁和纳米线的谐振式生物传感器的研究。

石英晶体微天平传感器利用石英晶体振荡频率对晶体表面质量负载改变的高敏感特性进行生物检测，其质量的敏感度非常高，目前可以检测到亚纳克级的质量精度。微悬臂梁传感器是另一个研究热点，在不同微悬臂梁列阵表面组装具有不同识别能力的探针分子，既可构成阵列式传感器，同时检测多项指标。目前，微悬臂梁可以达到10-300KHz量级范围，器件的噪声在1Hz到200Hz的带宽范围达到仅0.05纳米，可以检测到0.8pg/Hz的质量。但是在上述的基于微悬臂梁的检测手段主要利用光杠杆、压阻、电容等检测原理，虽然精度很高，但是测试技术实现、测试仪器加工以及系统操作相对比较复杂，比如：利用光杠杆的检测手段，对于后期处理所用的仪器要求很高，像投射激光的束斑大小、四象限光电接收器的灵敏度等等。这些原因不利于这些高灵敏度传感器在生物检测、医疗卫生等领域的普及和应用。

巨磁电阻(Giant Magnetoresistanc，简称GMR)效应是一种磁致电阻效应，相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上。不同高灵敏度传感器的电阻随外界磁场的变化率是不同的，最高可达50％，如图1所示。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的高灵敏度传感器测试技术实现、测试仪器加工以及系统操作相对比较复杂等缺点，利用巨磁电阻的磁致电阻效应，将巨磁电阻应用在传感器上，结合悬梁的共振法，设计了一种新型传感器，其制备、结构和匹配测量电路简单，且灵敏度高，反应快。

本发明采用的技术方案是：基于巨磁电阻(GMR)的传感器包括巨磁电阻元件，压电元件，附有磁性物质的微型悬臂梁，巨磁电阻元件的引出或引入电极，为压电元件的引出或引入电极。其结构为：微型悬臂梁固定在压电元件上；压电元件的上表面高于巨磁电阻元件的上表面；微型悬臂梁悬在巨磁电阻元件上方，微型悬臂梁和巨磁电阻元件之间的距离是L；引入电极和引出电极分别连接在巨磁电阻元件上，而引入电极和引出电极分别连接在压电元件上。在微型悬臂梁上附有永磁性物质，在悬臂梁的周围空间产生不随外界改变的磁场。

在微型悬臂梁的下表面附有一层永磁性物质。可以看成在微型悬臂梁的下表面有一层面磁荷，等效在巨磁电阻元件上的磁场为：

其中

为标量磁位，σ_m为面磁荷密度，r为源点与场点之间的距离，S为永磁体边界面，μ为常数。上式可以化为：

可以看到磁场的大小与r²成正比，H～r²。根据巨磁电阻的特性，巨磁电阻的电阻会随着磁场的增加而剧烈增加。所以距离的微小变化都会引起电阻较大的变化。

若干个巨磁电阻(GMR)传感器单元组成阵列。每个传感器单元都包括本发明的传感器。传感器阵列可同时检测多种成分，确保采集的数据同时性和同地性。

因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象，称为隧道磁电阻效应。所以用隧道巨磁电阻(TMR)元件代替发明中的巨磁电阻(GMR)元件同样也可以得到高灵敏的传感器。

附图说明

图1不同种类巨磁电阻材料的电阻值与外界磁场的关系；

图2基于巨磁电阻(GMR)的传感器的结构示意图，其中：1为巨磁电阻元件，2为压电元件，3微型悬臂梁，4和5为巨磁电阻元件的引出或引入电极，6和7为压电元件的引出或引入电极；

图3阵列式生物传感器及其信号处理示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明基于巨磁电阻(GMR)的传感器包括巨磁电阻元件1，压电元件2，附有磁性物质的微型悬臂梁3，巨磁电阻元件的引出或引入电极4和5，压电元件的引出或引入电极6和7。其结构为：微型悬臂梁3固定在压电元件2上；压电元件2的上表面高于巨磁电阻元件1的上表面；微型悬臂梁3悬在巨磁电阻元件1上方，微型悬臂梁3和巨磁电阻元件1之间的距离是L；巨磁电阻元件1的引入电极4和引出电极5分别连接在巨磁电阻元件1上，而压电元件2的引入电极6和引出电极7分别连接在压电元件2上。在微型悬臂梁3上附有永磁性物质，在悬臂梁的周围空间产生不随外界改变的磁场。

在引入电极6和引出电极7上加周期性电压U1，压电元件2将在周期性电压的作用下做周期性的运动，并带动固定在其上的微型悬臂梁3一起运动。导致微型悬臂梁3和巨磁电阻元件1之间的距离L也在不断变化，并且和电压U1的周期同样。由巨磁电阻的特性可以知道巨磁电阻元件1的阻值也在作周期性的变化。此时，若在引入电极4和引出电极5间接直流电压U2，就可以测得一个作周期性变化的电流。

当周期性电压U1的频率与微型悬臂梁3的固有频率相同时，微型悬臂梁3发生谐振，这时的振幅也最大，导致电流I的振幅最大。所以测出电流I振幅最大时的频率就可以推测出微型悬臂梁3的固有频率。随后根据悬臂梁3固有频率的关系式： $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m}$ 由微型悬臂梁3固有频率的改变，得出所需要测量量的改变量。

图3是阵列式传感器及信号处理示意图。如图3所示，扫描电源分别对每个传感器单元通过脉冲电流，再通过多路开关检测每个单元的电流变化后，可提取出不同位点的响应信号，经过预处理、放大滤波的过程将获得的有用信号保存到计算机中进行分析，获得相应的信息。其中每路开关对应一个传感器单元。

Claims (1)

1.一种基于巨磁电阻的传感器，其特征在于包括巨磁电阻元件[1]，压电元件[2]，附有永磁性物质的微型悬臂梁[3]，巨磁电阻元件[1]的引出或引入电极[4和5]，压电元件[2]的引出或引入电极[6和7]；微型悬臂梁[3]固定在压电元件[2]上；压电元件[2]的上表面高于巨磁电阻元件[1]的上表面；微型悬臂梁[3]悬在巨磁电阻元件[1]上方；巨磁电阻元件[1]的引入电极[4]和引出电极[5]分别连接在巨磁电阻元件[1]上，压电元件[2]的引入电极[6]和引出电极[7]分别连接在压电元件[2]上。

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