CN102478546B - 微机电磁性生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个微机电磁性生物传感器，该磁性传感器包含一个热辅助巨磁阻测量单元，该测量单元包含一个热阻层，该热阻层的电导率等于或高于37.8×10⁶S/m，而其热导率等于或小于1.5Wm^-1K^-1。

Description

微机电磁性生物传感器

技术领域

本发明申请一般性地涉及生物传感器，具体说，涉及基于磁阻效应或巨磁阻效应的微机电磁性生物传感器。

背景技术

材料的电阻值随外加磁场变化的现象通常被称为磁阻效应。巨磁阻效应是一种与电子自旋相关的量子力学的磁阻效应。常见的基于巨磁阻效应的巨磁阻器件有自旋阀(spinvalve，SV)、磁隧穿(magnetictunneljunction，MTJ)和其他一些磁性多层膜堆叠结构。

巨磁阻效应引发了新型的学科-自旋电子学(spintronics)，同时在诸如硬盘存储器和磁性测量等方面逐渐得到实际应用。与微机电(MEMS)技术相结合使巨磁阻效应得到更加广泛和迅速的应用。这种应用之一就是磁性生物传感器。磁性生物传感器使用巨磁阻器件为核心测量单元，结合纳米磁性颗粒标识生物分子。其制备和结构特征基于微机电和集成电路技术。

使用中，磁性生物传感器通过定量地测量磁性纳米颗粒，利用定量的测量结果和已知的生物探针的信息得出被测量生物样品的特征信息。由于分子的尺寸大约在1-100纳米，作为标识的磁性纳米颗粒的尺寸一般在20纳米左右。而20纳米的磁性颗粒通常表现为超顺磁性，因此测量中需要外加激发磁场来磁化纳米颗粒。在实际测量中往往有其他附加磁场，比如偏置磁场存在。被磁化的纳米颗粒的诱导磁场与激发场和附加场同时存在。准确地在众多磁场信号中捕捉和测量磁性纳米颗粒的磁场是一件相对困难的任务。

本发明提供了一种磁性生物传感器可以用来在多种磁场信号中捕捉和测量纳米磁性颗粒的诱导磁场，从而准确测量生物分子。

发明内容

在第一个实施例中公开了一种微机电磁性生物传感器，该传感器包括：衬底，该衬底包含一个电路；和在衬底上的一个传感器层，该传感器层包含：自由层，该自由层的磁化方向可以随目标磁场变化；钉扎层，该钉扎层的磁化方向不随目标磁场变化；反铁磁层用来固定钉扎层的磁化方向；非磁性空间层，该空间层夹在自由层和钉扎层之间；硬磁层，该硬磁层的阻隔温度高于室温；热阻层，该热阻层处于硬磁层的上表面或者下表面；生物薄膜层覆盖在传感器的上表面；至少两个测量电流电极，自由层、非铁磁空间层、钉扎层被夹在该至少两个电流电极之间；和至少两个热电流电极，该至少两个热电流电极连接到硬磁层和一个电流源对该硬磁层加热。

在另一个实施例中公开了一个微机电磁性生物传感器，该传感器包括：衬底，该衬底包含一个电路；和在衬底上的一个传感器层，该传感器层包含：自由层，该自由层的磁化方向可以随目标磁场变化；钉扎层，该钉扎层的磁化方向不随目标磁场变化；反铁磁层用来固定钉扎层的磁化方向；非磁性空间层，该空间层夹在自由层和钉扎层之间；热阻层，该热阻层处于自由层的上表面或者下表面；生物薄膜层覆盖在传感器的上表面；至少两个测量电流电极，自由层、非铁磁空间层、钉扎层被夹在该至少两个电流电极之间；和至少两个热电流电极，该至少两个热电流电极连接到自由层和一个电流源对该自由层加热。

附图说明

由以下结合附图的详细说明，本发明的各个示范性实施方式能够被更加清楚地理解。

图1示意性地展示了本发明中磁性生物传感器的一个范例的剖面图，该磁性生物传感器包含一个硬磁层和一个热阻层；

图2示意性地展示了图1中硬磁层的矫顽场和其温度的变化关系；

图3示意性地展示了本发明中磁性生物传感器的另一个范例的剖面图，该磁性生物传感器包含一个自由层和一个热阻层；

图4示意性地展示了图1和图3中热阻层的一个实施范例，在该实施范例中，热阻层是一个多层膜结构；

图5示意性地展示了本发明中磁性生物传感器的另一个范例的剖面图，该磁性生物传感器包含单侧单元和一个参考单元；

图6示意性地展示了本发明中磁性生物传感器的另一个范例的剖面图，该磁性生物传感器包含单侧单元和一个参考单元；

图7示意性地展示了一个磁性生物传感器阵列，该阵列包含多个如图1或者图2所示的磁性生物传感器；和

图8示意性地展示了一个磁性生物传感器阵列的控制电路的一部分，该控制电路可以被应用到如图7所示的磁性生物传感器阵列中。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明磁性生物传感器的几个选定的例子。本领域技术人员会理解以下的介绍是为了说明的目的，不应该理解为对本发明的限制。在本发明范围内的其他变化也包含在本发明中。

作为本发明的一个实施例，图1示意性的展示了本发明的一个磁性生物传感器的剖面图。参照图1，磁性生物传感器100包含衬底122和传感层123。衬底122包含电路用来控制磁性生物传感器100的操作以及传感器100和其他功能单元的数据交换(控制数据和测量数据等)。传感器层123包含反铁磁层120、订扎层116、隧穿层114、自由层112、热阻层108、硬磁层106、生物薄膜104以及电极110和118。上电极118在本实施例中放置在热阻层108和自由层112之间，而下电极118放置在订扎层116和反铁磁层120之间。实际上，上电极110可以放置在自由层112以上的任何位置，而下电极118可以被放置在订扎层116和衬底122之间的任何位置。本实例的磁隧穿传感器123配置为CPP(current-perpendiculartotheplane)形式。上下电极分别连接触点T3和T4，电流I_s通过触点T3和T4引入传感器层123沿垂直于薄膜的方向流过自由层112，隧穿层114和钉扎层116。

钉扎层116和反铁磁层126在衬底122上。钉扎层116的磁化方向预先设定，并由反铁磁层120固定，因此在磁场测量中不随外加磁场而变化。隧穿层114是一个介电薄膜层，其厚度大约为1纳米。自由层112的磁化方向在传感器100的正常工作温度比如室温下可以由外加磁场改变。在一个实例中，自由层的初始磁化方向可以设定为钉扎层116的方向。自由层112和钉扎层116相同的磁化方向导致传感器100的低电阻态。当外加磁场的方向沿钉扎层磁化方向的相反方向时，自由层112的磁化方向发生翻转，从沿钉扎层116的初始方向翻转到沿外加场的方向(从而与钉扎层116的磁化方向相反)。自由层112和钉扎层116相反的磁化方向导致传感器100的高电阻态。值得注意的是，不同于硬盘存贮，传感器100中在用于进行磁场测量的时候，我们希望高阻态和低阻态的差值尽可能与磁场的大小(强度)成线形关系，或者说高组态和低阻态之间的差值尽可能与纳米颗粒(比如纳米颗粒102)的数目成线形关系。

磁性传感器100还包含硬磁层106和覆盖在硬磁层106上的生物薄膜104。值得指出的是，硬磁层106和生物薄膜104之间可以有其他功能薄膜比如钝化层和附着层等。生物薄膜104主要起到固定生物分子的作用。硬磁层106在磁性生物传感器100的正常工作温度RT比如室温下表现为铁磁性，其阻隔温度(Blockingtemperature)略高于自由层110的阻隔温度，也高于工作温度RT。在RT温度下，硬磁层106的矫顽场H₀略高于纳米颗粒102的磁场以及激发场和其他附加场如偏置场。因此在RT温度下，硬磁层106的磁化强度不随纳米颗粒及其它磁场而变化。硬磁层106包含两个电极T2和T3，这两个电极T2和T3连接到一个电流源用来对硬磁层106进行加热。加热后的硬磁层106升高其温度，而随着其温度的升高，其矫顽场降低如图2所示。

图2示意性地展示了硬磁层的矫顽场随其温度的变化。在RT温度下，硬磁层106的矫顽场为H₀。随着温度的升高，硬磁层106的矫顽场降低。当温度升高到阻隔温度T_B时，硬磁层106的矫顽场降低到H_NP。H_NP小于或等于纳米颗粒的磁场。因此，在T_B温度以上，硬磁层106的磁化方向根据纳米颗粒的磁场而变化-即硬磁层106在T_B温度或该温度以上，可以探测纳米颗粒102的磁场。当硬磁层106完成对纳米颗粒102磁场的测量后，加热硬磁层106的电流I_b被撤销，硬磁层106冷却至工作温度RT。在冷却的过程中，硬磁层106测量到的纳米颗粒102的磁场被“冻结”在硬磁层106中。当硬磁层106的温度稳定到RT之后，探测电流I_s通过触点T3和T4被引入自由层112，隧穿层114和钉扎层116。由于自由层112的磁化方向决定于硬磁层106的磁化方向，而硬磁层106的磁化方向决定于纳米颗粒102的磁场，因此，自由层112的磁化方向实际上包含纳米颗粒102的磁场信息。通过比较低阻态和高阻态之间的差值，纳米磁性颗粒102的数目可以被推断出来。

硬磁层106的加热升温会影响传感器100其他功能层的温度，因而对其他功能层的运作产生负面或者难以预测的影响。为此，热阻层108可以被放置在热阻层106和自由层112之间起到热绝缘的作用。同时，热阻层108也可以起到以小电流使硬磁层106达到其居里温度的作用，如美国发明专利7,411,817所阐述，该美国专利的全部内容包含在本说明书中。

根据热阻层108的设计功能，热阻层108具有低热导率和高电导率，比如相对金属铝来说。一些现有的相关技术，比如使用在磁盘存储器的磁隧穿器件和自旋阀结构，常常使用基于硫族元素的材料比如锗锑碲合金。这种合金材料往往是有毒材料而且加工困难，并且与现在普遍的微机电和半导体工艺不匹配。

作为本发明的一部分，热阻层108是一个包含陶瓷和金属的金属陶瓷薄膜层，其热导率等于或低于2.0Wm^-1K^-1，而电导率等于或高于锗锑碲合金的电导率。具体来说，热阻层108的热导率等于或低于1.5Wm^-1K^-1，比如0.5Wm^-1K^-1，0.47Wm^-1K^-1，0.28Wm^-1K^-1，0.27Wm^-1K^-1，0.15Wm^-1K^-1；最好是在0.05Wm^-1K^-1到1.5Wm^-1K^-1之间。尽管热阻层108可以由多种方法实现，但是其自然冷却时间最好在20纳秒以下，比如等于或小于10纳秒或者等于或小于5纳秒。

热阻层108在温度为20℃时的电导率为37.8×10⁶S/m或者更高，比如等于或大于45.2×10⁶S/m；等于或大于58×10⁶S/m；等于或大于59.6×10⁶S/m。热阻层108在温度为20℃时的面电阻为1.1×10^-6Ωm或更小，比如1.0×10^-7Ωm或更小；2.82×10^-8Ωm或更小；1.72×10^-8Ωm或更小。

在一个实例中，热阻层108的热电阻系数α为负值，具体由下式表示：ΔR/R₀＝αΔT，其中R为电阻，R₀为参考电阻，T为温度，ΔR为R和R₀的差值，ΔT是温度变化。α是热电阻系数，小于零。

热阻层108的高电导和低热导的特性可以有多种方式实现。作为一个实例，热阻层108是一个由金属材料和陶瓷(介电)材料合成的陶瓷金属。在这里，陶瓷材料指那些无机、非金属固体，通过加热和后续的冷却过程制备的材料。陶瓷材料构成热阻层108的基体，而金属材料随机或者无序地分布在该基体中。具体来说，金属材料的长程序小于50纳米，比如40纳米以下，20纳米以下，10纳米以下，或者2纳米以下。

由于热阻层108包含无序分布的金属导电材料，这些导电材料可以使热阻层表现出导电性。另一方面，这些导电金属材料在陶瓷基体中的无序随机分布，使得热阻层108表现出较高的热阻性。金属导电材料在陶瓷基体中可以以集团形式分布在陶瓷基体中。这些集团可以以多种形态存在，比如团聚体(clusters)或者/以及纳米颗粒(nanoparticles)等。金属材料的集团内部可以是多晶、单晶或者混合体。

热阻层108的材料可以有多种选择。比如热阻层108可以由过渡族金属氮化物，过渡族金属氧化物，过渡族金属硅氮化物，过渡族金属硼氮化物或者/以及铱，钌，铼，钯，铂或铑等的硅氧化物。热阻层108还可以包含硫族化合物或金属铝氮化物或贵重金属铝氮化物。在这里过渡金属指在元素周期表中第3列到第12(1B至8B)的元素，即从钪，钛，钒，铬，锰，铁，钴，镍，铜和锌开始。在本文的讨论中，除非特指，氮化物包含氮氧化物和碳氧化物。贵重金属包含钌，铑，钯，银，锇，铱，铂和金等元素。

热阻层108中的基体可以由二元化合物Y-Z组成，其中Y元素可以从元素周期表中3A到6A选择。嵌在基体中的金属元素可以是过渡族金属。热阻层108中的基体可以由三元化合物X-Y-Z组成，其中X元素可以是过渡族金属，最好是后过渡族金属。Y元素可以是硅，铝或硼。Z元素可以是氮(或者氧氮、碳氮)。热阻层108也可以包含X_aY_bZ_c，X是过渡族金属；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。X_aY_bZ_c的实例可以是CoSiN和TiSiN。

热阻层108可以通过多种薄膜制备方法制备，比如物理汽相沉积(PVD)，化学汽相沉积(CVD)，等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)，低压化学汽相沉积(LPCVD)以及其他薄膜制备技术。在一个实例中，过渡族金属氮化物薄膜层可以通过使用过渡族金属溅射靶，在氮气环境中以溅射方式形成。该过渡族金属溅射靶可以包含至少一个过渡族金属元素和一个合金。当使用合金时，尽量减少0和H的杂质含量。在另一个范例中，过渡族金属溅射靶仅含有过渡族金属(除了杂质和痕量元素之外)。在这种情况下，过渡族金属溅射靶中的过渡族金属占90％以上，最好是98％以上。在溅射过程中常常会使用氮气和氩气，比如20％的氮气和80％的氩气。少量的氧气或者氢气或者其混合气体也可以加入氮气和氩气中。

在一些实例中，热阻层108也可以是多层膜结构如图3所示。参考图3，热阻层108包含隔离层142，该隔离层142夹在附着层140和144之间。隔离层142可以包含过渡族金属氮化物或过渡族金属氧化物，也可以是以上有关热阻层108的其它材料。隔离层142厚度在1纳米到100纳米之间，最好在20纳米左右。附着层140和144主要为了增强隔离层142与其它薄膜层的附着力。附着层140和144在材料的选择上尽可能与隔离层142以及被附着的薄膜层相匹配，比如力学匹配。

值得指出的是，附着层的数目可以根据具体应用实例而定，可以使用一个或多个附着层。另外，传感器100也可以包含多个热阻层，比如在硬磁层106和生物薄膜104之间也可以另外放置一个热阻层，而其功能和结构与热阻层108相同或近似。在图1中，加热硬磁层106的电流沿硬磁层106的长轴方向(比如平行于薄膜平面的方向)。这不是必需的，在其它一些实例中，加热电流可以沿垂直于平面的方向加热硬磁层106。

硬磁层106和热阻层108也可以被应用到其它巨磁阻结构如自旋阀(spinvalve)中。在自旋阀的一种应用中，图1中的隧穿层114被非磁性导体薄膜取代，测量电流I_h沿平行于薄膜的方向，如水平轴，穿过个薄膜层。与此相应，测量电流的电极110和118被分别放置在自由层、非磁性导体薄膜和钉扎层116的两端。

除了如图1所示的硬磁层106，巨磁阻器件的自由层也可以在测量过程中通过改变温度达到测量的目的，而热阻层可以用来对这样的自由层进行热绝缘以及以小电流达到预定的温度。一个范例被示意性地展示在图3中。参照图3，磁性生物传感器124包含衬底138，反铁磁层136，钉扎层132，空间层130，自由层128，热阻层108，生物薄膜104以及电极126和134。本例中的衬底138包含电路用来控制传感器124的操作和负责传感器124与外部元件的通讯和数据交流。反铁磁层136用来钉扎钉扎层132的磁化方向，使钉扎层132的磁化方向在传感器操作中不发生变化。

空间层130是非磁性层。在如图3所示的CPP(currentperpendiculartoplanes)结构中，测量电流I_s垂直于薄膜平面，空间层130是一个介电层，其厚度大约1纳米左右，形成磁性隧穿结构(MTJ)。空间层130也可以是导体层比如铜，而测量电极126和134分别连接到自由层128、空间层130、钉扎层132的两端，形成CIP(currentinplanes)结构，比如自旋阀(SpinValve)结构。无论是CIP结构或者CPP结构，自由层128连接到电流源对自由层128加热升温。热阻层108可以与自由层128一起，一方面起到绝热的作用，另一方面可以起到用小电流达到预定温度(比如等于或者高于自由层128的阻隔温度)的目的。图3中的热阻层108与前文参照图1所述的热阻层具有相同或者近似的特点和性能，因此这里不再重复。

自由层128在传感器124的正常工作温度RT比如室温下表现为铁电性。自由层128的阻隔温度高于RT，比如在200℃到500℃之间，最好在300℃左右。自由层128两端(或者上下两个表面)通过电极T1和T2连接到一个电流源。该电流源可以将电流I_h引入自由层，通过加热可以将自由层128的温度升高到该自由层的阻隔温度或者更高。图3中自由层128与前文参照图1所述的硬磁层106具有类似的温度相应关系和操作方式，尽管具体的操作参数可以就具体的事例有相应的变化，但是它们的特点及操作机理是一致的，因此这里不再重复。

在实际的生物分子测量试验中，磁性生物传感器往往包含一个参考单元和一个信号单元，如图5所示。参照图5，磁性生物传感器150包含放置在衬底122上的参考单元100和信号单元101、以及生物薄膜146。参考单元100和信号单元101各自包含硬磁层105。参考单元100和信号单元101具有相同的结构，比如前文参照图1所述的磁性生物传感器100。硬磁层105与前文参照图1所述的硬磁层106相同或相似，这里不再重复。生物薄膜层146用来固定生物分子，比如已知的生物探针分子。待测的生物分子被纳米磁性颗粒102标识。通过定量测量纳米磁性颗粒102，待测生物分子与已知的生物探针分子(被预先固定在生物薄膜146上)杂化(配对)可以被测量。通过测量到的分子杂化并结合生物探针分子的已知信息，待测生物分子的信息可以被推断出来。

在实际测量中，纳米磁性颗粒102往往需要外加激发磁场H_ext来磁化纳米磁性颗粒，同时其它附加磁场比如偏置磁场也往往同时存在，在多种磁场中仅仅利用单一的词磁测量结构(比如单一的MTJ或者SV结构)测量纳米颗粒的诱导磁场往往是件很困难的事情。采用参考单元和信号单元共同测量目标磁场(纳米颗粒的诱导磁场)可以精确地测量目标磁场。

在实际测量中，信号单元101可以被用来测量目标磁场比如纳米颗粒的诱导磁场，而参考单元100可以为信号单元101的测量结果提供参考值。为此，信号单元101和参考单元100可以连接到一个惠斯通电桥电路中，惠斯通电桥的输出(即信号单元101和参考单元100的输出)可以连接到一个放大器的输入端进行信号放大。

在一个范例中，参考单元100可以用来测量除纳米颗粒102的诱导磁场以外的其它磁场(比如外加激发场和偏置场等附加磁场)，并将测量到的磁场信号作为背景磁场信号提供给信号单元101。在实际测量中，通过合理地安排信号单元101、参考单元100、外加场(激发场、偏置场等附加磁场)以及放置纳米颗粒102到生物薄膜146上的时序，参考单元100可以动态地测量纳米磁性颗粒102所在空间环境中的磁场背景信号以及其它工作背景信号(比如背景噪音信号、由结构的微小变化所引起的信号漂移等)等。作为一个测量范例，传感器150在将纳米颗粒102移动到生物薄膜层146上之前，可以首先初始化。在初始化的过程中，外加磁场比如激发场和偏置场等附加场可以打开，参考单元100测量并记录这些外加磁场。初始化结束之后，纳米颗粒102被移动到生物薄膜层146表面以及信号单元101的附近。信号单元101测量目标磁场信号。该目标磁场信号包含纳米颗粒102的诱导磁场、激发场以及其它附加磁场如偏置场等(如果使用的话)。在信号单元101测量纳米颗粒102的诱导磁场的过程中，参考单元100处于锁定状态，不应纳米磁性颗粒102的出现而产生变化。

在信号单元101测量结束后，信号单元101的侧量结果参照参考单元100的测量结果被修正。修正后的测量结果可以被放大后输出。

在如图5所示的范例中，参考单元100和信号单元101在功能上等同，比如任何一个都可以用来测量背景信号，而另一个被用来测量目标磁场信号。它们的具体用途可以通过时序控制电路(比如在衬底122上)实现。因而生物薄膜146可以覆盖在参考单元100和信号单元101上，这一点与现有相关技术是不同的。在现有的相关技术中，参考单元的表面被覆盖一层软磁薄膜使参考单元与外加磁场完全隔离(磁隔离)，参考单元因此无法测量激发场和偏置场等附加场的磁信号背景，因此也无法为信号单元的测量提供动态的背景信号校准。

在另一个范例中，参考单元100和信号单元101的功能可以被预先固定，如图6所示。参考图6，生物薄膜层146仅覆盖在信号单元101之上，而参考单元100的表面被覆盖惰性薄膜147，该惰性薄膜147无法固定生物分子。这样的结构使得生物分子只能够出现在信号单元101的上表面附近，以利于信号单元101对纳米磁性颗粒102的测量。

在实际应用中，多个磁性生物传感器往往组成一个阵列，这样的阵列被称为生物传感器阵列或者生物阵列芯片。作为一个范例，图7示意性地展示出一个磁性生物传感器阵列154。该阵列154包含按照行和列排列的阵点，比如阵点156。在同一个阵列中，所有的阵点往往是全同的或者极为近似的。阵列154中的阵点如阵点156可以是前文中参照图1或者图3所述的磁性传感器的任何一种。阵列154中的任何一个阵点是一个测试单元，可以用来测量生物分子，如前文参照图1和图3所述。而所有的单元可以独立地进行生物分子的测量。这种测量的独立性来源于阵列154的电路控制。为简单而不失去一般性，图8示意性的展示了图7中一行阵点的电路控制。值得注意的是，该电路控制的说明以及附图8只是为了说明目的，其它的电路部分以及功能模块和相应的具体操作在这里被省略。

参照图8，阵列154中的每个阵点处于一个字线(比如字线164)和一个位线(比如位线162)的交叉节点。阵列154中的多个字线(比如全部)汇集到字线选择器158。字线选择器158可以通过多种方式，比如寻址方式，在某一特定时刻选择一个特定的字线(比如字线164)，并激活连接在该字线(164)上的阵点(比如阵点156)。对于已经被激活的连接在同一字线的阵点，对具体的某一个阵点(比如阵点156)的选择和操作可以通过位线(比如位线162)实现。阵列154中的多个位线(比如全部)可以汇集到位线选择器160，而位线选择器160可以通过多种方式，比如寻址方式，在在某一特定时刻选择一个特定的位线(比如位线162)，并选择连接在该位线(如162)上的阵点(比如阵点156)。值得指出的是，一个阵列(比如阵列154)可以包含多个字线选择器和/或者多个位线选择器。一个字(位)线选择器连接一个或多个字(位)线。当一个阵列包含多个字(位)线选择器时，多个字(位)线选择器可以通过其它的字(位)线选择器进行逐级控制和选择，这里不再重复。当一个传感器包含参考单元和信号单元时，同一个传感器中的参考单元和信号单元可以连接到同一条字线和不同的位线。在这种情况下，一个传感器使用一条字线和两条位线。作为一个选择，一个传感器也可以同时连接两条位线和一条字线。

本领域技术人员能够理解，以上的讨论的目的是为了介绍，上面所举的例子是许多可能的例子中的一部份，其他的变型也是可行的。

本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是，结合该实施例描述的具体特性、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书各处出现的这种短语不一定是指同一个实施例。另外，当结合任何实施例描述具体特性、结构或特征时，这意味着本领域技术人员能够该特性、结构或特征应用于其他的实施例中。而且，为了易于理解，一些方法步骤被描述为独立的步骤；但是，这些独立描述的步骤不应被认为必须按照一定的顺序执行。也就是说，一些步骤同时也可以按照另外的顺序执行。此外，示例性的示图显示了根据本发明实施例的各种方法。这里的这种示例性方法实施例是利用相应的装置实施例来描述的，并可以应用于这些相应的装置实施例。但是，这些方法实施例不是为了限制本发明。

的虽然这里展示和说明了本发明的几个实施例，但本领域技术人员能理解，可以对这些实施例进行改变而不脱离本发明的原则和精神。因此，以上的各实施例从任何意义上讲都应被认为是说明性的而不是对这里所描述的本发明的限制。本发明的范围由所附的权利要求书而不是上述说明书限定。在说明书的等价描述的含义和范围内的所有变化都包含在本发明的范围中。在本说明书中使用的术语“优选”不是排它的，其含义是“优选为但并不限于”。权利要求书中的术语，在与说明书所描述的本发明的一般概念一致的情况下，应按照它们的最宽范围解释。例如，术语“连接”和“耦合”(及其派生词汇)意味着直接和间接的连接/耦合。作为另一个例子，“具有”和“包括”及其派生词和变异词或词组都和“包含”具有相同的意思(即，都是“开放式”术语)-只有词组“由…构成”和“实质上由…构成”应被认为是“关闭式”的。不应按照112条第6款解释权利要求书，除非词组“意味着”和相关的功能出现在某项权利要求中，并且该权利要求没有描述充分的结构来执行该功能。

Claims (20)

1.一种微机电磁性生物传感器，包括：

衬底，该衬底包含一个电路；

在衬底上的两个传感器层，一个传感器层作为参考单元，另一个传感器

层作为信号单元，分别用来测量背景信号和测量目标磁场信号；和

生物薄膜层，覆盖在传感器层的上表面；

其中，每个所述传感器层包含：

反铁磁层，位于所述衬底上，用来固定钉扎层的磁化方向；

钉扎层，位于所述反铁磁层上，其磁化方向不随目标磁场变化；

非磁性空间层，位于所述钉扎层上；

自由层，位于所述非磁性空间层上，其磁化方向可以随目标磁场变化；

硬磁层，位于自由层上，该硬磁层的阻隔温度高于室温；

热阻层，该热阻层处于硬磁层的上表面或者下表面；

至少两个测量电流电极，自由层、非磁性空间层、钉扎层被夹在该至少两个电流电极之间；和

至少两个热电流电极，该至少两个热电流电极连接到硬磁层和一个电流源用于对该硬磁层加热。

2.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层在20℃时的电导率等于或高于37.8′10⁶S/m。

3.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层在20℃时的电导率等于或高于58′10⁶S/m。

4.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层的热导率等于或低于2.0Wm^-1K^-1。

5.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层的热导率在0.05Wm^-1K^-1到1.5Wm^-1K^-1之间。

6.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层的热电阻系数小于零。

7.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层包含陶瓷基体和分布在该陶瓷基体的金属材料，该金属材料在该陶瓷基体中长程序小于50纳米。

8.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层包含过渡族金属氮化物，过渡族金属氧化物，过渡族金属硅氮化物，或者过渡族金属硼氮化物。

9.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层包含硫族化合物。

10.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，非磁性空间层是一个介电层，其厚度等于或小于1纳米，测量电流通过测量电流电极沿自由层、非磁性空间层和钉扎层的垂直方向至少经过自由层、非磁性空间层和钉扎层。

11.如权利要求1所述的微机电磁性生物传感器，其中，非磁性空间层是一个导电层，测量电流通过测量电流电极沿平行于自由层、非磁性空间层和钉扎层的方向至少经过自由层、非磁性空间层和钉扎层。

12.一种微机电磁性生物传感器，包括：

衬底，该衬底包含一个电路；

在衬底上的两个传感器层，一个传感器层作为参考单元，另一个传感器层作为信号单元，分别用来测量背景信号和测量目标磁场信号；和

生物薄膜层，覆盖在传感器层的上表面；

其中，每个所述传感器层包含：

反铁磁层，位于所述衬底上，用来固定钉扎层的磁化方向；

钉扎层，位于所述反铁磁层上，其磁化方向不随目标磁场变化；

非磁性空间层，位于所述钉扎层上；

自由层，位于所述非磁性空间层上，其磁化方向可以随目标磁场变化；

热阻层，该热阻层处于自由层的上表面或者下表面；

至少两个测量电流电极，自由层、非磁性空间层、钉扎层被夹在该至少两个电流电极之间；和

至少两个热电流电极，该至少两个热电流电极连接到自由层和一个电流源以对该自由层加热。

13.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层在20℃时的电导率等于或高于37.8′10⁶S/m。

14.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层的热导率在0.05Wm^-1K^-1到1.5Wm^-1K^-1之间。

15.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层的热电阻系数小于零。

16.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层包含陶瓷基体和分布在该陶瓷基体的金属材料，该金属材料在该陶瓷基体中长程序小于50纳米。

17.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层包含过渡族金属氮化物，过渡族金属氧化物，过渡族金属硅氮化物，或者过渡族金属硼氮化物。

18.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，热阻层包含硫族化合物。

19.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，非磁性空间层是一个介电层，其厚度等于或小于1纳米，测量电流通过测量电流电极沿自由层、非磁性空间层和钉扎层的垂直方向至少经过自由层、非磁性空间层和钉扎层。

20.如权利要求12所述的微机电磁性生物传感器，其中，非磁性空间层是一个导电层，测量电流通过测量电流电极沿平行于自由层、非磁性空间层和钉扎层的方向至少经过自由层、非磁性空间层和钉扎层。