CN110462416A - 采用具有不同磁场灵敏度的隧道磁阻(tmr)器件以提高检测灵敏度的tmr传感器 - Google Patents

采用具有不同磁场灵敏度的隧道磁阻(tmr)器件以提高检测灵敏度的tmr传感器 Download PDF

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Abstract

公开了一种采用具有不同磁场灵敏度的TMR器件以提高检测灵敏度的隧道磁阻(TMR)传感器。例如，TMR传感器可用作生物传感器来检测生物材料的存在。在本文公开的方面中，制造TMR传感器中的至少两个TMR器件的自由层以相对于彼此显示出不同的磁特性(诸如MR比率、磁各向异性，矫顽力)，使得每个TMR器件将针对给定的杂散磁场显示出不同的电阻变化，以提高磁场检测灵敏度。例如，TMR器件可被制造为具有不同的磁特性，使得一个TMR器件在存在较小杂散磁场的情况下显示出更大的电阻变化，而另一TMR器件在存在较大杂散磁场的情况下显示出较大的电阻变化。

Description

采用具有不同磁场灵敏度的隧道磁阻(TMR)器件以提高检测 灵敏度的TMR传感器
优先权
本申请要求2017年3月30日提交的标题为“TUNNEL MAGNETO-RESISTIVE(TMR)SENSORS EMPLYING TMR DEVICES WITH DIFFERENT MAGNETIC FIELD SENSITIVITIES FORINCREASED DETECTION SENSITIVITY”的美国专利申请序列第15/474339号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的技术总体上涉及磁阻(MR)器件，更具体地，涉及将MR器件用作MR传感器(诸如生物传感器)，用于检测磁场(诸如由磁性纳米颗粒显示的磁场)的存在。
背景技术
在卫生保健和其他相关领域，期望能够检测生物样本中是否存在目标分析物，用于诊断、监控和/或维持康健和健康。检测目标分析物也可期望用于特定卫生保健相关的应用，诸如人类基因分型、细菌学筛选以及生物和药理学研究。关于这点，生物感测系统可用于检测目标分析物在用于这种应用的生物样本中的存在。生物传感器被用于生物感测系统，以检测目标分析物的存在。生物传感器由两(2)个部分组成：生物受体和换能器。生物受体是识别目标分析物的生物分子。换能器基于从反应中的生物受体到目标分析物的存在发生的变化将目标分析物的识别事件转换为可测量信号。例如，可以提供一种生物传感器，通过简单地将生物传感器浸入样本中来测量血液样本中的葡萄糖浓度。这与使用许多步骤并且每个步骤可需要试剂来处理样本的传统化验不同。简单和快速的测量是生物传感器的主要优点。生物传感器可以许多不同的形式提供，包括无创、体外、经皮、摄入(例如，药丸)以及作为可穿戴或外科植入的设备。
图1示出了使用生物传感器检测生物样本的存在和/或特性的示例性生物感测系统100。获得或制备待测生物样本102。生物样本102是敏感生物元素(例如，组织、微生物、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等)，并且是与所研究的目标分析物相互作用(结合或识别)的生物衍生材料或仿生成分。生物样本的示例包括细胞培养物、人类样本、食物样本和环境样本。然后，对生物样本102进行处理以分离感兴趣的目标分析物104(例如，特定分子、核苷酸、保护物或金属离子)。然后，将目标分析物104引入目标生物受体106，其中目标生物受体106被设计为与感兴趣的特定目标分析物104相互作用以产生可被换能器测量的效果。未结合的分析物被冲走。
已经被开发来检测感兴趣的目标分析物的一种类型的生物传感器是磁阻(MR)生物传感器。MR生物传感器包括被配置为将磁场变化识别为感测电阻的函数的换能器。关于这点，如图1所示，高磁化磁性或超顺磁性纳米颗粒108(以下称为“磁性纳米颗粒108”)可被引入并被将与目标分析物104结合的目标生物受体106捕获。然后，磁性纳米颗粒108可被引入MR生物传感器110以检测磁性纳米颗粒108的存在。MR生物传感器110根据电阻变化测量由于引入磁性纳米颗粒108而引起的磁场变化。MR生物传感器110生成表示该电阻变化的信号112，其可被感测电路114分析以确定目标分析物104在目标生物受体106中的存在。
可用于生物感测应用的一种MR感测技术是巨磁阻(GMR)生物传感器，诸如图2所示的GMR传感器200。GMR传感器200可使用标准超大规模集成(VLSI)制造技术来制造。GMR传感器200的GMR效应源于其自旋相关的散射，这取决于载流子的相对自旋和散射位置。关于这点，GMR传感器200包括GMR器件202，该GMR器件202包括具有固定磁化强度的钉扎层204、非磁性金属间隔件206和具有自由磁化的自由层208。钉扎层204形成在衬底210上，并且由在X方向上具有固定水平磁化(即，在X方向上对齐的磁矩)的金属材料(例如，钴(Co)材料)组成，其在GMR器件202的平面内。金属间隔件206(诸如铜(Cu)间隔件)设置在钉扎层204上方。自由层208设置在金属间隔件206上方。自由层208具有可基于施加至自由层208的杂散磁场212的变化而自由旋转的磁化。杂散磁场212通过在GMR传感器200中的外部通道216(例如，微流体通道)中穿过的磁性纳米颗粒214的磁化来提供，从而形成被绑定到待检测目标分析物的生物受体捕获的生物活性区。外部通道216可形成在金属盖层222上方的生物芯片220的钝化层218中，使得外部通道216可从形成微流体设备的生物芯片220的内部组件外部地存取。例如，磁性纳米颗粒214可以是设置在外部通道216中的流体形式。外部磁场224(诸如来自外部线圈)纵向于或垂直于外部通道216施加，以对准并饱和磁性纳米颗粒214的磁矩。因此，当磁性纳米颗粒214通过第一极性的自由层208上方的外部通道216时，磁性纳米颗粒214的杂散磁场212诱发自由层208中的磁矩的变化。自由层208的磁矩的这种变化引起GMR器件202的电阻的变化。可基于感测GMR器件202中的电压变化来确定由干扰自由层208的磁矩而引起的电阻的这种变化。例如，根据欧姆定律，感测电流Is1可被引导流过金属间隔件206和自由层208以及在金属线226(1)、226(2)之间，以基于GMR器件202的电阻测量金属线226(1)、226(2)两端的电压。
虽然图2中的GMR器件202可用作生物传感器，但存在多种问题。GMR器件202由于其面内流(CIP)设计而难以缩小。在CIP设计中，金属线226(1)、226(2)设置在GMR传感器200的顶部。由于不能缩小的制造限制，金属线226(1)、226(2)可具有最小间距。此外，在生物芯片220之外还要求外部磁场224。此外，GMR器件202的MR比率可以很低，诸如小于25％，从而提供磁性纳米颗粒214的存在与不存在之间的电阻变化的较低信噪比(SNR)，从而产生较低灵敏度的设备。磁性纳米颗粒214中的强杂散磁场212和/或更多磁性纳米颗粒214的存在可提高GMR器件202的SNR。然而，外部通道216通过钝化层218和金属盖层222与自由层208分离。此外，GMR器件202的工作温度可以更低，因为金属间隔件206可扩散到钉扎层和自由层204、208中，从而改变GMR器件202的MR特性。
发明内容
本公开的多个方面涉及使用具有不同磁场灵敏度的TMR器件的隧道磁阻(TMR)传感器，以提高检测灵敏度。例如，TMR传感器可用作生物传感器来检测生物材料的存在。TMR传感器可使用半导体制造方法制造为生物传感器芯片。TMR传感器包括TMR器件，每个TMR器件均包括由通过隧道势垒分离的、具有固定磁化强度(即，磁矩)的钉扎铁磁层和具有可在存在杂散磁场时旋转的自由磁化的自由层组成的磁性隧道结(MTJ)。TMR器件的电阻变化是其自由层与钉扎层之间的磁化角度变化的函数。形成在TMR传感器中的外部通道提供生物活性区，以允许结合到感兴趣的目标分析物的生物受体捕获的磁性纳米颗粒通过并被检测。在磁性纳米颗粒通过外部通道时，磁场可施加于磁性纳米颗粒，以对准它们的磁矩，用于在TMR器件的自由层中生成杂散磁场。因此，自由层的磁矩发生变化，从而改变自由层与它们的钉扎层之间的磁化角度，这改变了TMR器件的电阻。可以在TMR传感器中包括感测电路，以感测TMR器件中电阻的变化，作为检测存在并测量穿过TMR传感器的外部通道的磁性纳米颗粒的方式。TMR传感器的检测灵敏度取决于可被包括在TMR传感器中的感测电路感测的电阻的最小变化。
当TMR器件的制造将自由层和钉扎层之间的磁化角度朝向正交设置为更大时，在存在杂散磁场的情况下，TMR器件中发生电阻的更大变化。当自由层与钉扎层之间的磁化角度从正交改变时，在存在杂散磁场的情况下在TMR器件中发生电阻较小的变化。当向TMR传感器施加偏置磁场以对准通过外部通道的磁性纳米颗粒的磁矩时，该磁场也被施加于TMR传感器中的TMR器件的自由层。这会引起自由层的磁矩旋转并减小TMR器件中它们对应的自由层和钉扎层之间的磁化角度。减小TMR器件中的自由层和钉扎层之间的磁化角度可以将TMR传感器的检测灵敏度降低到由磁性纳米颗粒生成的杂散磁场引起的电阻变化无法被感测电路检测到的点。这是因为当TMR器件的自由层和钉扎层之间的磁化角度减小时，在存在杂散磁场的情况下，可发生较小的电阻变化。此外，在制造期间，工艺变化可改变TMR器件的磁特性，诸如MR比率、磁各向异性和/或矫顽力，并由此改变和潜在地减小TMR器件中它们对应的自由层和钉扎层之间的磁化角度，从而降低TMR传感器的检测灵敏度。此外，自由层的矫顽力可随着TMR传感器的环境温度的降低而增加，从而降低TMR传感器的检测灵敏度。
因此，在本文公开的多个方面中，TMR传感器中的至少两个TMR器件的自由层被制造为彼此显示出不同的磁特性(例如，MR比率、磁各向异性、矫顽力)，使得每个TMR器件将针对给定的杂散磁场显示出不同的电阻变化，用于提高磁场检测灵敏度。例如，TMR器件可被制造为显示出不同的磁特性，使得一个TMR器件在存在较小杂散磁场的情况下显示出更大的电阻变化，而另一个TMR器件在存在较大杂散磁场的情况下显示出更大的电阻变化。作为提供具有不同磁特性的TMR器件的一个示例，TMR器件可被制造为在制造时在它们的自由层和钉扎层之间具有不同的磁化角度。例如，TMR传感器中的一个TMR器件可通过在制造时增加其自由层和钉扎层之间的磁化角度而使其对较小的杂散磁场更加敏感。这可以补偿可以其他方式导致自由层和钉扎层之间磁化角度减小的因素，包括由于施加偏置磁场以对准磁性纳米颗粒的磁矩而导致的自由层的磁矩的旋转和/或由于工艺变化而引起的磁特性的改变。另一个TMR器件可被制造为使其自由层和钉扎层之间的磁化角度低于正交，从而对较大的杂散磁场更敏感。在另一示例中，TMR传感器中的不同TMR器件可被制造具有不同纵横比的自由层，以补偿例如由于环境温度的变化而引起的磁各向异性和矫顽力的变化。自由层的较小纵横比为TMR器件提供了更大的磁场灵敏度。
关于这点，在一个示例性方面中，提供了一种TMR传感器。该TMR传感器包括：第一TMR器件，包括第一钉扎层、第一自由层和设置在第一钉扎层和第一自由层之间的第一隧道势垒。第一TMR器件具有第一磁灵敏度和作为第一磁灵敏度的函数(即，取决于第一磁灵敏度)的第一电阻。TMR传感器还包括第二TMR器件，其包括第二钉扎层、第二自由层和设置在第二钉扎层和第二自由层之间的第二隧道势垒。第二TMR器件具有不同于第一TMR器件的第一磁灵敏度的第二磁灵敏度，并且具有作为第二磁灵敏度的函数的第二电阻。
在另一示例性方面中，提供了一种TMR传感器。该TMR传感器包括第一装置，其设置在封装材料中并且具有第一磁灵敏度，用于提供作为第一磁灵敏度的函数的第一电阻，并且用于响应于杂散磁场显示出作为第一磁灵敏度的函数的第一电阻的第一变化率。TMR传感器还包括第二装置，其设置在封装材料中并且具有第二磁灵敏度，用于提供作为第二磁灵敏度的函数的第二电阻，并且用于响应于杂散磁场显示出作为第二磁灵敏度的函数的第二电阻的第二变化率。TMR传感器还包括形成在封装材料中的空隙中的装置，用于捕获在第一装置和第二装置上施加杂散磁场的外部磁性纳米颗粒。
在另一示例性方面中，提供了TMR感测系统。该TMR感测系统包括一个或多个TMR传感器。一个或多个TMR传感器中的每一个均包括设置在封装材料中的第一TMR器件。第一TMR器件包括第一钉扎层、第一自由层和设置在第一钉扎层与第一自由层之间的第一隧道势垒，其中第一TMR器件具有第一磁灵敏度和作为第一磁灵敏度的函数的第一电阻。一个或多个TMR传感器中的每一个还包括设置在封装材料中的第二TMR器件。第二TMR器件包括第二钉扎层、第二自由层和设置在第二钉扎层与第二自由层之间的第二隧道势垒，其中第二TMR器件具有不同于第一TMR器件的第一磁灵敏度的第二磁灵敏度，并且具有作为第二磁灵敏度的函数的第二电阻。TMR感测系统还包括感测电路。感测电路被配置为响应于感测操作在一个或多个TMR传感器中选择TMR传感器，基于所选TMR传感器的第一TMR器件的第一电阻的变化生成第一感测电压，并且基于所选TMR传感器的第二TMR器件的第二电阻的变化生成第二感测电压。
在另一示例性方面中，提供了一种检测TMR传感器中的磁性纳米颗粒的存在的方法。该方法包括：接收结合到生物受体的磁性纳米颗粒，生物受体被配置为在多个外部通道中的至少一个外部通道中捕获生物传感器芯片中的目标分析物，每个外部通道均形成生物活性区。生物传感器芯片包括多个TMR传感器，每个TMR传感器均包括设置在封装材料中的第一TMR器件。第一TMR器件包括第一钉扎层、第一自由层和设置在第一钉扎层与第一自由层之间的第一隧道势垒，其中第一TMR器件具有第一磁灵敏度和作为第一磁灵敏度的函数的第一电阻。多个TMR传感器还分别包括设置在封装材料中的第二TMR器件，第二TMR器件包括第二钉扎层、第二自由层和设置在第二钉扎层与第二自由层之间的第二隧道势垒，其中第二TMR器件具有不同于第一TMR器件的第一磁灵敏度的第二磁灵敏度，并且具有作为第二磁灵敏度的函数的第二电阻。该方法还包括：响应于感测操作，在多个TMR传感器中选择至少一个TMR传感器。该方法还包括：基于所选至少一个TMR传感器的第一TMR器件的第一电阻的变化生成第一感测电压。该方法还包括：基于所选至少一个TMR传感器的第二TMR器件的第二电阻的变化生成第二感测电压。
附图说明
图1是采用用于检测生物样本的存在和/或特性的生物传感器的生物感测系统的示意图；
图2是基于巨磁阻(GMR)效应的、在电阻被配置为响应于磁性纳米颗粒的存在而改变的芯片中的GMR器件的GMR传感器的示意图，磁性纳米颗粒可结合到生物受体，生物受体结合到感兴趣的目标分析物；
图3是基于隧道磁阻(TMR)效应的、可被用作生物传感器的TMR传感器的示意图，该传感器采用在电阻被配置为响应于磁性纳米颗粒的存在而改变的芯片中的GMR器件，磁性纳米颗粒可结合到生物受体，生物受体结合到感兴趣的目标分析物；
图4A和图4B是示出分别当磁性纳米颗粒不存在外部磁场时以及当在磁性纳米颗粒存在的情况下生成杂散磁场时的图3中的TMR器件中的自由层和钉扎层之间的示例性磁化角度的示图；
图5是作为施加至图3中的TMR器件的自由层的磁场的磁场强度的函数的图3中的TMR器件的电阻的示图，并且具体示出了图4A和图4B所示的自由层和钉扎层之间的磁化角度定向下的TMR器件的电阻；
图6是示出基于影响自由层的磁化的工艺变化和/或环境，TMR器件的示例性磁场检测灵敏度低于或高于电阻感测限制的变化的示图，作为它们在存在施加于自由层的外部磁场的情况下的自由层和钉扎层之间的磁化角度的变化的函数；
图7示出了采用图6的示图所示的不同磁场检测灵敏度的TMR器件的TMR传感器的俯视图；
图8是包括多个TMR器件的示例性TMR传感器的侧视图，其中提供了至少两个TMR器件以增加磁场检测灵敏度；
图9是采用用于检测磁性纳米颗粒的图8中的多个TMR传感器的示例性生物传感器芯片的示意图；
图10是图8中的TMR传感器的一个示例的俯视图，其中多个TMR器件以它们对应的自由层和钉扎层之间改变磁化角度的形式具有不同的磁场灵敏度以增加磁场检测灵敏度；
图11是图8中的TMR传感器的另一示例的俯视图，其中至少两个TMR器件以改变它们对应自由层的纵横比的形式具有不同的磁场灵敏度以增加磁场检测灵敏度；
图12是采用图8中的TMR器件的TMR传感器和采用被配置为基于施加于TMR传感器的外部通道的杂散磁场的存在来感测TMR器件中电阻的变化的感测电路的TMR感测系统的示意图；
图13是示出测量通过TMR传感器的外部通道的磁性纳米颗粒的存在的图12中的TMR传感器中的TMR感测系统的示例性处理的流程图；
图14是包括多个TMR器件的另一示例性TMR传感器的侧视图，其中至少两个TMR器件具有不同的磁灵敏度以增加磁场检测灵敏度，并且其中耦合至TMR器件的金属线被配置为响应于流过其中的电流生成偏置磁场，以对准通过TMR传感器的外部通道的磁性纳米颗粒的磁矩；以及
图15是可采用一个或多个TMR传感器的示例性生物传感器芯片，每个TMR传感器采用至少两个TMR器件，至少两个TMR器件具有不同的磁场灵敏度以提高磁场检测灵敏度，包括但不限于图8-图11、图13和图14中的TMR传感器。
具体实施方式
现在参考附图，描述本公开的几个示例性方面。这里使用的词语“示例性”是指“作为示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何方面不一定被解释为优于其他方面。
本公开的多个方面涉及采用具有不同磁场灵敏度以增加检测灵敏度的TMR器件的隧道磁阻(TMR)传感器。例如，TMR传感器可用作生物传感器来检测生物材料的存在。TMR传感器可使用半导体制造方法制造为生物传感器芯片。TMR传感器包括TMR器件，每个TMR器件包括由通过隧道势垒分离的、具有固定磁化(即，磁矩)的钉扎铁磁层和具有可在存在杂散场的情况下旋转的自由层磁化的自由层组成的磁性隧道结(MTJ)。TMR器件中电阻的变化是其自由层与钉扎层之间的磁化角度的变化的函数。在TMR传感器中形成的外部通道提供生物活性区，以允许被结合到感兴趣的目标分析物的生物受体捕获的磁性纳米颗粒通过并被检测。在磁性纳米颗粒在外部通道中通过时，磁场可施加于磁性纳米颗粒，以对准它们的磁矩，用于在TMR器件的自由层中生成杂散磁场。因此，自由层的磁矩发生变化，由此改变自由层与其钉扎层之间的磁化角度，这改变TMR器件的电阻。可以在TMR传感器中包括感测电路，以感测TMR器件中电阻的变化，作为检测存在并测量穿过TMR传感器的外部通道的磁性纳米颗粒的方式。TMR传感器的检测灵敏度取决于可被TMR传感器中包括的感测电路感测的电阻的最小变化。
当TMR器件的制造将自由层和钉扎层之间的磁化角度朝向正交设置时，在存在杂散磁场的情况下，TMR器件中发生电阻更大的变化。随着自由层与钉扎层之间的磁化角度从正交变化时，在杂散磁场存在的情况下在TMR器件中发生电阻的较小变化。当向TMR传感器施加偏置磁场以对准通过外部通道的磁性纳米颗粒的磁矩时，该磁场也被施加到TMR传感器中TMR器件的自由层。这会导致自由层的磁矩旋转，并减小TMR器件中它们对应的自由层和钉扎层之间的磁化角度。减小TMR器件中自由层和钉扎层之间的磁化角度可以将TMR传感器的检测灵敏度降低到由磁性纳米颗粒生成的杂散磁场引起的电阻变化无法被感测电路检测的点。这是因为当TMR器件的自由层和钉扎层之间的磁化角度减小时，在存在杂散磁场的情况下，电阻可发生较小的变化。此外，在制造期间，工艺变化可改变TMR器件的磁特性，诸如MR比率、磁各向异性和/或矫顽力，由此改变和潜在地减小TMR器件中相应自由层和钉扎层之间的磁化角度，从而降低TMR传感器的检测灵敏度。此外，自由层的矫顽力可随着TMR传感器的环境温度的降低而增加，从而降低TMR传感器的检测灵敏度。
因此，在本文公开的方面中，TMR传感器中的至少两个TMR器件的自由层被制造为显示彼此不同的磁特性(例如，MR比率、磁各向异性、矫顽力)，使得每个TMR器件将对给定的杂散磁场显示电阻的不同变化，用于增加磁场检测灵敏度。例如，TMR器件可被制造为显示不同的磁特性，使得一个TMR器件在存在较小杂散磁场的情况下显示出更大的电阻变化，而另一个TMR器件在存在较大杂散磁场的情况下显示出较大的电阻变化。作为提供具有不同磁特性的TMR器件的一个示例，TMR器件可在制造时制造为在它们的自由层和钉扎层之间具有不同的磁化角度。例如，TMR传感器中的一个TMR器件可通过在制造时增加其自由层和钉扎层之间的磁化角度超过正交而使其对较小的杂散磁场更加敏感。这可以补偿可导致自由层和钉扎层之间磁化角度减小的因素，包括由于施加偏置磁场以对准磁性纳米颗粒的磁化力矩而引起的自由层磁矩的旋转和/或由于工艺变化而引起的磁特性的变化。另一种TMR器件可被制造为使其自由层和钉扎层之间的磁化角度低于正交，从而对较大的杂散磁场更敏感。在另一示例中，TMR传感器中的不同TMR器件可制造为具有不同纵横比的自由层，以补偿例如由于环境温度的变化而引起的磁各向异性和矫顽力的变化。自由层的较小纵横比为TMR器件提供了更大的磁场灵敏度。
在讨论采用具有不同磁场灵敏度的至少两个TMR器件以增加从图8开始的检测灵敏度的TMR传感器的示例之前，下面首先参考图3-图7讨论包括基于施加杂散磁场改变电阻的TMR器件的TMR传感器。
图3示出了TMR传感器300，其可用作生物传感器，以检测结合到生物受体的磁性纳米颗粒的存在，其中磁性纳米颗粒结合到感兴趣的目标分析物。TMR传感器300可使用标准超大规模集成(VLSI)制造技术制造。TMR传感器300的TMR效应源于其隧道电流在两个(2)铁磁层之间流动的能力。TMR传感器300的电阻的大小取决于两个(2)铁磁层之间的磁化角度。关于这点，TMR传感器300包括TMR器件302，该TMR器件302包括具有固定磁化的钉扎层304、隧道势垒306和具有自由磁化的自由层308。钉扎层304形成在衬底310上，并且是在X方向上具有固定水平磁化的金属材料(例如，钴(Co)材料)。隧道势垒306由绝缘材料金属间隔件构成，设置在钉扎层304上方。自由层308设置在隧道势垒306上方。在TMR器件302平面外的自由层308的磁化与钉扎层304的平面内磁化具有正交对准。自由层308的磁矩被配置为基于通过磁性纳米颗粒314施加到自由层308的杂散磁场312旋转。杂散磁场312通过被结合到设置在TMR传感器300外进行检测的目标分析物的生物受体捕获的磁性纳米颗粒314的磁化来提供的，使得杂散磁场312将与自由层308相互作用。例如，磁性纳米颗粒314可以是流体形式。因此，TMR传感器300可被提供为生物芯片320。
继续参考图3，施加外部偏置磁场324(诸如来自外部线圈)以对准磁性纳米颗粒314的磁矩。外部磁场324还可以饱和磁性纳米颗粒314的磁矩。因此，当磁性纳米颗粒314设置在第一极性的自由层308上方时，磁性纳米颗粒314的杂散磁场312在自由层308中诱发磁矩变化，引起其磁化状态从相对于钉扎层304的磁化的正交或垂直磁化状态发生角度变化。与自由层308的正交磁化状态相比，自由层308和钉扎层304之间的磁化角度变化在TMR器件302中产生电阻变化。可基于感测TMR器件302中的电压变化来确定由干扰自由层308的磁矩引起的电阻的这种变化。例如，感测电流Is2可被引导流过金属线326(1)、326(2)之间的TMR器件302，以根据欧姆定律基于TMR器件302的电阻测量金属线326(1)、326(2)两端的电压。
图3中的TMR传感器300比图2中的GMR传感器200具有优势。TMR传感器300具有比图2中的GMR传感器200更高的MR比率，以提供检测磁性纳米颗粒314存在的更高灵敏度。例如，TMR器件302的MR比率可以在100-300％之间，从而提供磁性纳米颗粒314的存在与不存在之间的电阻变化的更高信噪比(SNR)，由此产生更高的灵敏度设备。此外，由于金属线326(1)、326(2)在水平X方向上没有设置为彼此相邻，因此当缩减TMR传感器300的尺寸时，金属节距不是问题。然而，在生物芯片320之外还需要外部偏置磁场324。此外，由于TMR传感器300的垂直于平面电流(CPP)设计，磁性纳米颗粒314与自由层308的分离距离比图2中GMR传感器200中的分离距离大，从而有效地降低TMR传感器300的改进SNR。
图4A和图4B分别是当磁性纳米颗粒(MNP)314不存在杂散磁场312时以及当在存在磁性纳米颗粒314的情况下生成杂散磁场312时的图3的TMR器件302中的自由层308的磁矩404的示例性磁化图400、402。如图4A所示，自由层308的初始平面外磁矩404被示为在定向‘0’中，其与本示例中的钉扎层308的平面内磁矩406正交或垂直。自由层308的磁矩404可以在偏置磁场408存在的情况下相对于钉扎层304旋转。例如，偏置磁场408可以是外部偏置磁场324，其被施加以对准图3所示TMR传感器300中的磁性纳米颗粒314的磁矩。自由层308的磁矩404的示例性旋转位置被示为磁矩方向‘0’、‘1’、‘2’和‘3’。磁化角Θ1是自由层308的磁矩404的方向与钉扎层304的磁矩406的方向之间的角度。自由层308的磁矩404的旋转取决于偏置磁场408的磁场强度。在图4B中，偏置磁场408和来自磁性纳米颗粒314的杂散磁场312都施加于自由层308。施加于图3中的TMR器件302的自由层302的磁性纳米颗粒314的杂散磁场312也有助于自由层308的磁矩404的旋转。
TMR器件302的电阻取决于自由层308的磁矩404和钉扎层304的磁矩406之间的磁化角Θ1。这在图5的示图500中绘制，示出了示例性参考电阻(R)、磁场强度(H)(RH)曲线502示出图3中的TMR器件302针对施加于自由层308的磁场的给定磁场强度(H)(X轴)的电阻R(Y轴)。对于磁矩定向‘0’、‘1’、‘2’和‘3’，在图5中绘制了TMR器件302的电阻R。如图5所示，电阻R0、R1、R2和R3对应于自由层308的磁矩404的磁矩定向‘0’、‘1’、‘2’和‘3’。电阻R0和R1、R1和R2以及R2和R3之间的斜率S1、S2和S3分别随着自由层308的磁矩404和钉扎层304的磁矩406之间的磁化角度Θ1的减小而减小。换言之，随着自由层308的磁矩404与钉扎层304的磁矩406之间的磁化角度Θ1减小，TMR器件302的磁灵敏度(即，电阻R的变化/外部磁场强度H的变化)减小。随着自由层308和钉扎层304之间的磁化角度Θ1从正交改变时，在存在施加磁场的情况下，在TMR器件302中发生电阻R的较小变化。因此，当自由层308的磁矩404与钉扎层304正交或垂直时，TMR器件302是最敏感的。
参考图4B，当将偏置磁场408施加给TMR器件302以对准磁性纳米颗粒314的磁矩时，偏置磁场408也施加给TMR器件302的自由层308。这可以使得自由层308的磁矩404初始旋转，并且减小TMR器件302中的自由层308和钉扎层304之间的磁化角度Θ1。减小自由层308和钉扎层304之间的磁化角度Θ1可以将TMR传感器300的检测灵敏度降低到由磁性纳米颗粒314生成的杂散磁场312引起的电阻R的变化无法被感测电路检测的点。这是因为当TMR器件302的自由层308和钉扎层304之间的磁化角度Θ1减小时，在存在杂散磁场312的情况下，可发生电阻R较小的变化。然后，当来自磁性纳米颗粒314的杂散磁场312施加于自由层308时，自由层308和钉扎层304之间的磁化角度Θ1可进一步减小。
在制造期间，工艺变化还可以改变TMR器件302的磁特性，诸如MR比率、磁各向异性和/或矫顽力，由此改变并潜在地减小它们相应的自由层308和钉扎层304之间的磁化角度Θ1，从而降低TMR传感器300的检测灵敏度。此外，自由层308的矫顽力也可以随着TMR器件302的环境温度的降低而增加，从而降低TMR传感器300的检测灵敏度。
图6是示出类似于图3中的TMR器件302的TMR器件302(1)-302(4)、作为它们针对给定施加磁场的磁场强度的电阻变化ΔR(Y轴)的函数的示例性磁场检测灵敏度(在X轴上)的示图600，低于或高于感测限制线602的电阻变化。如上所讨论的，TMR器件302(1)-302(4)的相应自由层和钉扎层之间的初始磁化角度影响自由层的磁矩的起始定向，进而影响TMR器件302(1)-302(4)的磁灵敏度。图7示出了采用多个TMR器件302的TMR传感器700的俯视图，包括图6中的TMR器件302(1)-302(4)。根据TMR器件302的磁灵敏度和穿过TMR器件302的磁性纳米颗粒的磁场强度，TMR器件302中由于磁性纳米颗粒的通过而导致的电阻变化ΔR可以被检测到或者不可被检测到，这取决于用于检测电阻变化ΔR的感测电路的检测灵敏度。磁灵敏度低于设计或指定感测限制(例如，图6中的感测限制线602)的TMR器件302将被视为故障器件，这也可以使得TMR传感器700被视为故障传感器。例如，图7中的TMR传感器700所示的TMR器件302F被视为故障器件。图6所示的TMR器件302(1)和302(2)在图7的TMR传感器700中也被示为故障TMR器件302F。
为了提高TMR传感器中使用的TMR器件的磁灵敏度，可在TMR传感器中制造不同的TMR器件以显示彼此不同的磁特性，使得每个TMR器件将对给定的杂散磁场显示出电阻的不同变化以提高磁场检测灵敏度。例如，TMR器件的这些磁特性包括影响TMR器件的MR比率、TMR器件中自由层的磁各向异性和TMR器件中自由层的矫顽力的方面。例如，TMR传感器中的TMR器件可被制造为显示出不同的磁特性，使得TMR传感器中的一个或多个TMR器件在存在较小杂散磁场的情况下表现出更大的电阻变化。可以制造TMR传感器中的一个或多个其它TMR器件，以在存在较大杂散磁场的情况下表现出更大的电阻变化。作为提供具有不同磁特性的TMR器件的一个示例，TMR器件可在制造时被制造为在其自由层和钉扎层之间具有不同的磁化角度。
关于这点，图8是示例性TMR传感器800的侧视图，其包括多个、第一和第二TMR器件802(1)-802(2)，每个TMR器件均可被制造为显示出彼此不同的磁特性，使得每个TMR器件802(1)-802(2)将针对给定的杂散磁场显示出不同的电阻变化，以提高磁场检测灵敏度。TMR传感器800可设置在集成电路(IC)生物传感器芯片804中。如下文将更详细讨论的，在与TMR器件802(1)、802(2)相邻的外部通道808中，第一和第二TMR器件802(1)、802(2)被配置为响应于磁性纳米颗粒806的存在而提供电阻变化的TMR感测，磁性纳米颗粒806可结合到生物受体，生物受体可结合到感兴趣的目标分析物。外部通道808形成在封装材料812的空隙810中，封装材料812包围TMR器件802(1)、802(2)，使得外部通道808可捕获磁性纳米颗粒806，而磁性纳米颗粒806不会物理地接触包括TMR器件802(1)、802(2)的TMR传感器800。TMR器件802(1)、802(2)设置在衬底814上方，并且设置在封装材料812中，封装材料812可包括形成在衬底814上方的钝化材料816(即，层间介电(ILD)材料)。TMR器件802(1)、802(2)的X、Y和Z坐标如图8所示。X和Z坐标在TMR器件802(1)、802(2)的平面中。Y坐标在TMR器件802(1)、802(2)的平面外。
应注意，尽管在图8的TMR传感器800中示出了两个TMR器件802(1)、802(2)，但可以在图8的TMR传感器800中包括两个以上的TMR器件(未示出)。例如，可以在IC生物传感器芯片804中为TMR传感器800设置在X轴方向上与两个TMR器件802(1)、802(2)相邻的附加TMR器件802(3)、802(4)。例如，如图9所示，附加TMR器件802(3)、802(4)可设置在IC生物传感器芯片804中，在Y轴方向上位于两个TMR器件802(1)、802(2)的后面或前面。附加TMR器件802(5)、802(6)可位于IC生物传感器芯片804中，与TMR器件802(3)、802(4)相邻。TMR器件802(1)-802(6)均定位为与IC生物传感器芯片804中的外部通道808(1)相邻。TMR器件802(2)、802(4)、802(6)还定位为与IC生物传感器芯片804中的另一外部通道808(2)相邻，在附加TMR器件802(7)、802(8)、802(9)对面。在图9的IC生物传感器芯片804中定位为在外部通道808(1)、808(2)的每一侧上彼此相邻的任何TMR器件802(1)-802(9)可应用于图8中的第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的示例的讨论。TMR器件802(1)-802(9)中的任一个可相对于彼此具有不同的磁特性以增加它们的磁灵敏度，因此增加TMR传感器800的检测灵敏度。
返回参考图8，TMR器件802(1)和802(2)均具有分别基于它们的叠层的第一和第二电阻RA、RB。关于这点，第一TMR器件802(1)具有在X轴方向上具有第一钉扎层磁化(即，磁矩)的第一钉扎层(PL)818(1)。第一钉扎层818(1)设置在第一底部电极(BE)820(1)上方并且与第一底部电极(BE)820(1)电接触。由绝缘材料(例如，氧化铝(AlOx)或氧化镁(MgO))制成的第一隧道势垒(TB)822(1)组成的第一间隔件设置在第一钉扎层818(1)上方。第一自由层(FL)824(1)设置在第一隧道势垒822(1)上方，第一自由层在与TMR器件802(1)的平面外或基本上平面外且与X轴方向正交的Y轴方向上具有第一自由层磁化(即，磁矩)。因此，第一隧道势垒822(1)形成磁性隧道结(MTJ)。
第一自由层824(1)的磁矩被配置为响应于施加于第一自由层824(1)的磁场的存在而从Y轴方向朝向X轴方向旋转。例如，如前所讨论的，外部偏置磁场也可以施加于外部通道808，以对准磁性纳米颗粒806的磁矩，其也可以施加于第一自由层824(1)。此外，外部通道808中的磁性纳米颗粒806在第一自由层824(1)上施加杂散磁场826。外部通道808的底面828设置在第一TMR器件802(1)上方并与其相邻，使得由磁性纳米颗粒806生成的杂散磁场826施加于第一自由层824(1)，从而使第一自由层824(1)的磁矩朝向钉扎层818(1)的磁化方向旋转。第一自由层824(1)的磁矩的旋转使得磁化角度在第一自由层824(1)和第一钉扎层818(1)之间改变。响应于此，作为来自磁性纳米颗粒806的杂散磁场826施加于第一自由层824(1)的结果，第一TMR器件802(1)的第一电阻RA改变。如下文将更详细讨论的，第一TMR器件802(1)的磁特性将影响第一自由层824(1)的初始磁性定向，由此由于施加于第一自由层824(1)的磁场(包括外部磁场和来自磁性纳米颗粒806的杂散磁场826)影响第一自由层824(1)和第一钉扎层818(1)之间的磁化角度。
类似地，继续参考图8，第二TMR器件802(2)具有在X轴方向上具有第一磁化的第二钉扎层(PL)818(2)。第二钉扎层818(2)设置在第二底部电极(BE)820(2)上方并且与第二底部电极(BE)820(2)电接触。由绝缘材料(例如，氧化铝(AlOx)或氧化镁(MgO))制成的第二隧道势垒(TB)822(2)组成的第一间隔件设置在第二钉扎层818(2)上方。第二自由层(FL)824(2)设置在第二隧道势垒822(2)上方，其在与X轴正交的Y轴方向上具有第二磁化。因此，第二隧道势垒822(2)形成MTJ。第二自由层824(2)的磁矩被配置为响应于磁性纳米颗粒806在外部通道808中的存在而与第一自由层824(1)的旋转相反从Y轴方向朝向X轴方向旋转，在第二自由层824(2)上施加来自磁性纳米颗粒806的杂散磁场826。第二自由层824(2)的磁矩的这种旋转使得第二自由层824(2)的磁化在第二自由层824(2)和第二钉扎层818(2)之间变化。作为响应，第二TMR器件802(2)的第二电阻RB由于施加于第二自由层824(2)的磁场(包括外部磁场和来自磁性纳米颗粒806的杂散磁场826)而改变。
应注意，第一和第二TMR器件802(1)、802(2)可备选地制造，使得它们的第一和第二自由层824(1)、824(2)设置在第一和第二隧道势垒822(1)、822(2)下方，更靠近底部电极820(1)、820(2)和衬底814，并且它们的第一和第二钉扎层818(1)、818(2)可设置在第一和第二隧道势垒822(1)、822(2)上方。
继续参考图8，第一和第二TMR器件802(1)、802(2)设置在第一和第二底部电极820(1)、820(2)与顶部电极(TE)830(1)、830(2)之间并且与它们电接触。在本示例中，第一底部电极820(1)设置在第一TMR器件802(1)和第一钉扎层818(1)下方并且与第一TMR器件802(1)和第一钉扎层818(1)电接触。在本示例中，第一顶部电极830(1)设置在第一TMR器件802(1)和第一自由层824(1)上方并且还与第一TMR器件802(1)和第一自由层824(1)电接触。设置在第一自由层824(1)上方且与第一顶部电极830(1)接触的硬掩模(HM)832(1)在制造工艺期间(诸如在蚀刻期间)保护TMR器件802(1)。第一TMR器件802(1)被配置为响应于在第一底部电极820(1)和第一顶部电极830(1)之间施加的基于第一TMR器件802(1)的电阻RA的第一电压差在第一底部电极820(1)和第一顶部电极830(1)之间承载第一电流I1。响应于施加于第一自由层824(1)的磁场的第一TMR器件802(1)的第一电阻RA的变化是第一TMR器件802(1)的磁灵敏度的函数。
类似地，在本示例中，第二底部电极820(2)设置在第二TMR器件802(2)和第二钉扎层818(2)下方并且与第二TMR器件802(2)和第二钉扎层818(2)电接触。在本示例中，第二顶部电极830(2)设置在第二TMR器件802(2)和第二自由层824(2)上方并且还与第二TMR器件802(2)和第二自由层824(2)电接触。设置在第二自由层824(2)上方并与第二顶部电极830(2)接触硬掩模(HM)832(2)在制造工艺期间(诸如在蚀刻期间)保护TMR器件802(2)。第二TMR器件802(2)被配置为响应于在第二底部电极820(2)和第二顶部电极830(2)之间施加的基于第二TMR器件802(2)的第二电阻RB在第二底部电极820(2)和第二顶部电极830(2)之间承载第二电流I2。响应于施加于第二自由层824(2)的磁场的第二TMR器件802(2)的第二电阻RB的变化是第二TMR器件802(2)的磁灵敏度的函数。
如下面将要讨论的，这些电流I1、I2可被感测以生成信号，包括但不限于差分信号，指示响应于磁性纳米颗粒806通过外部通道808的第一和第二TMR器件802(1)、802(2)中的电阻RA、RB的差分变化。
继续参考图8，第一和第二金属线832(1)、832(2)设置在相应的顶部电极830(1)、830(2)上方并且与相应的顶部电极830(1)、830(2)电接触。例如，金属线832(1)、832(2)可形成位线，用于在顶部电极830(1)、830(2)和底部电极820(1)、820(2)之间跨TMR器件802(1)、802(2)施加电压。关于这点，底部电极820(1)、820(2)与一个或多个垂直互连通路(通孔)(在本示例中为通孔V1(1)、V1(2))电接触，通孔与第一金属层MOL中的金属线M0(1)、M0(2)接触。通孔V0(1)、V0(2)与金属线M0(1)、M0(2)接触，以将有源半导体层836中的器件耦合至TMR器件802(1)、802(2)。例如，形成在有源半导体层836中的存取晶体管838(1)、838(2)可通过通孔V0(1)、V0(2)、V1(1)、V1(2)和金属线M0(1)、M0(2)耦合至TMR器件802(1)、802(2)，以控制从顶部电极830(1)到底部电极820(1)、820(2)提供电流路径。例如，存取晶体管838(1)包括栅极G1，其控制通过源极S1和漏极D1之间的沟道C1的传导。存取晶体管838(2)包括栅极G2，其控制通过源极S2和漏极D2之间的沟道C2的传导。漏极D1、D2耦合至TMR器件802(1)、802(2)。当期望提供通过TMR器件802(1)、802(2)的电流路径时，控制存取晶体管838(1)、838(2)的栅极G1、G2以激活沟道C、C2中的传导路径，从而在TMR器件802(1)、802(2)中创建漏极D1、D2与金属线832(1)、832(2)之间的电流路径。例如，存取晶体管838(1)、838(2)的栅极G1、G2可以是被感测电路控制的字线。
继续参考图8，TMR传感器800中的第一和第二TMR器件802(1)、802(2)也可被配置为提供磁性纳米颗粒806的差分感测以提高TMR传感器800的SNR。例如，第一和第二TMR器件802(1)、802(2)可被布置为使得它们的自由层824(1)、824(2)响应于所施加的杂散磁场826以相反的方向旋转，使得它们的第一和第二电阻RA、RB也以相反的方式改变。例如，在图8的TMR传感器800中，第一TMR器件802(1)的第一电阻RA可以随着第一自由层824(1)的正交磁化状态远离钉扎层818(1)的磁化状态旋转而增加特定的第一δ电阻(例如，在微欧姆或纳米欧姆的范围内)。第二TMR器件802(2)的第二电阻RB可以随着第二自由层824(2)的磁化状态朝向钉扎层818(2)的磁化旋转而减小特定的第二δ电阻(例如，在微欧姆或纳米欧姆的范围内)。
图8中的TMR传感器800可具有其他优点。例如，TMR器件802(1)、802(2)的MR比率可以在60％-500％之间，并且通常在100％-300％之间以提供更高的SNR。结合差分TMR感测，SNR进一步增加。第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的尺寸可缩减到纳米(nm)(例如，40-100nm)。第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的第一和第二电阻RA、RB受它们磁场灵敏度的影响，其磁场灵敏度受诸如它们的第一和第二隧道势垒822(1)、822(2)的结尺寸、自由层824(1)、824(2)和钉扎层818(1)、818(2)的磁各向异性和自由层824(1)、824(2)的矫顽力的因素的影响。取决于应用(诸如对于可穿戴或定点照护设备)，TMR传感器800的尺寸可能是重要的。例如，TMR传感器800的灵敏度可需要针对可穿戴或定点照护设备而不同设计。第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的应用和制造温度能够增加到更高的温度(例如，300-400摄氏度)，因为第一和第二隧道势垒822(1)、822(2)由非金属绝缘材料制成，例如在400摄氏度之前不会扩散。
图10是图8中的TMR传感器800的一个示例的俯视图，以提供具有不同磁场灵敏度的多个TMR器件，从而针对给定杂散磁场显示出电阻的不同变化，增加磁场检测灵敏度。例如，TMR器件的这些磁特性包括影响TMR器件的MR比率、TMR器件中自由层的磁各向异性和TMR器件中自由层的矫顽力的方面。例如，TMR传感器中的TMR器件可被制造为显示出不同的磁特性，使得TMR传感器中的一个或多个TMR器件在存在较小杂散磁场的情况下显示出更大的电阻变化。可以制造TMR传感器中的一个或多个其它TMR器件，以在存在较大杂散磁场的情况下显示出更大的电阻变化。作为提供具有不同磁特性的TMR器件的一个示例，TMR器件可以在制造时被制造为在它们的自由层和钉扎层之间具有不同的磁化角度。在本示例中，图8所示的TMR器件802(1)、802(2)如图10所示。还显示了另外两个TMR器件802(3)、802(4)，它们包括类似于图8中的TMR器件802(1)、802(2)所示的结构。TMR器件802(1)、802(2)在外部通道808的相对侧上在X轴方向上彼此相邻，并且基本正交于Y轴对准。TMR器件802(1)、802(3)在Y轴方向上彼此相邻，并且基本正交于X轴对准。TMR器件802(2)、802(4)在Y轴方向上彼此相邻，并且基本正交于X轴对准。
继续参考图10，TMR器件802(1)-802(4)的钉扎层818(1)-818(4)均具有钉扎层磁化840(1)-840(4)，在本示例中，它们分别在X轴方向的平面内。第一自由层824(1)具有第一自由层磁化842(1)，其在不与钉扎层磁化840(1)正交的第一磁化角度处Θ1远离第一钉扎层818(1)旋转。第一TMR器件802(1)的电阻是第一磁化角度Θ1的函数。例如，在本示例中，第一磁化角度Θ1可以在大约一百(100)和一百二十(120)度之间。第二自由层824(2)具有第二自由层磁化842(2)，其在不与钉扎层磁化840(2)正交的第二磁化角度Θ2处朝向第二钉扎层818(2)旋转。第二TMR器件802(2)的电阻是第二磁化角度Θ2的函数。例如，在本示例中，第二磁化角度Θ2可以在大约六十(60)和八十(80)度之间。第三自由层824(3)具有第三自由层磁化842(3)，其在与钉扎层磁化840(2)正交的第三磁化角度Θ3处朝向第三钉扎层818(3)旋转。第三TMR器件802(3)的电阻是第三磁化角度Θ3的函数。第四自由层824(4)具有第四自由层磁化842(4)，其在不与钉扎层磁化840(4)正交的第四磁化角度Θ4处朝向第四钉扎层818(4)旋转。第四TMR器件802(4)的电阻是第四磁化角度Θ4的函数。例如，在本示例中，第四磁化角度Θ4可以在大约四十(40)和六十(60)度之间。
TMR器件802(1)-802(4)均被配置为响应于施加到它们的自由层824(1)-824(4)的杂散磁场826显示出它们电阻的变化，作为它们相应的自由层824(1)-824(4)和它们的钉扎层818(1)-818(4)之间的相应磁化角度Θ1-Θ4的函数。以这种方式，由于TMR器件802(1)-802(4)的磁化角度Θ1-Θ4不同，所以它们的磁灵敏度将不同，由此它们的电阻变化响应于施加于它们的自由层824(1)-824(4)的杂散磁场826将处于不同的变化率。这利于在TMR传感器800中针对不同尺寸和/或体积的磁性纳米颗粒806提供不同的检测灵敏度。TMR器件802(1)-802(4)的不同磁灵敏度可补偿在制造期间影响TMR器件802(1)-802(4)的磁特性的工艺变化，诸如它们的MR比率、磁各向异性和/或矫顽力，由此改变并潜在地减小它们相应的自由层824(1)-824(4)和它们的钉扎层818(1)-818(4)之间的磁化角度Θ1-Θ4，否则这将降低TMR传感器800的检测灵敏度。例如，在图10的TMR传感器800中，至少两个TMR器件802(1)-802(4)之间的磁化角度Θ1-Θ4可相差大于至少约十(10)度。
在另一示例中，TMR传感器800中的不同TMR器件可以用具有不同纵横比的自由层来制造，以补偿例如由于环境温度的变化而引起的磁各向异性和矫顽力的变化。自由层较小的纵横比为TMR器件提供了更大的磁场灵敏度。
关于这点，图11是图8中的TMR传感器800的另一示例的俯视图，其中以改变它们相应自由层的纵横比来增加磁场检测灵敏度的方式，至少两个TMR器件具有不同的磁场灵敏度。图10和图11之间的公共元素用图10和图11中的公共元素标号表示，因此将不会再介绍或再描述。在该示例中，TMR器件802(1)-802(4)具有第一自由层824’(1)-824’(4)，它们在与钉扎层818’(1)-814’(4)的钉扎层磁化840’(1)-840’(4)正交的磁化角度Θ1’-Θ4’处具有相应的自由层磁化842’(1)-842’(4)。TMR器件802(1)-802(4)的电阻是磁化角度Θ1’-Θ4’的函数。TMR器件802(1)-802(4)的电阻也是自由层824’(1)-824’(4)的纵横比844(1)-844(4)的函数。在本示例中，第一自由层824’(1)具有第一纵横比844(1)，第一自由层824’(1)的易磁化轴相对于X轴方向沿Y轴方向拉长。例如，在本示例中，第一纵横比844(1)可以在大约3.5和4.5之间。第二自由层824’(2)具有第二纵横比844(2)，第二自由层824’(2)的易磁化轴相对于X方向沿Y轴方向拉长。例如，在本示例中，第二纵横比844(2)可以在约1.5和2.5之间。第三自由层824’(3)具有第三纵横比844(3)，第三自由层824’(3)的易磁化轴相对于X轴方向沿Y轴方向拉长。例如，在本示例中，第三纵横比844(3)可以在大约2.5和3.5之间。第四自由层824’(4)具有第四纵横比844(4)，第四自由层824’(4)的易磁化轴相对于X轴方向沿Y轴方向拉长。例如，在本示例中，第四纵横比844(4)可以在约4.5和5.5之间。
图11中的TMR器件802(1)-802(4)均被配置为响应于施加到它们的自由层824’(1)-824’(4)的杂散磁场826显示出它们电阻的变化，作为它们的自由层824’(1)-824’(4)和它们的钉扎层818’(1)-818’(4)之间相应磁化角度Θ1-Θ4及其相应自由层824’(1)-824’(4)的纵横比844(1)-844(4)的函数。在本示例中，因为TMR器件802(1)-802(4)的自由层824’(1)-824’(4)的纵横比844(1)-844(4)不同，所以它们的磁灵敏度将不同，由此它们响应于施加于它们的自由层824’(1)-824’(4)的杂散磁场826的电阻变化的变化率将不同。这利于在TMR传感器800中针对不同尺寸和/或体积的磁性纳米颗粒806提供不同的检测灵敏度。TMR器件802(1)-802(4)的不同磁灵敏度可补偿在制造期间影响TMR器件802(1)-802(4)的磁特性(诸如它们的MR比率、磁各向异性和/或矫顽力)的工艺变化，否则这会降低TMR传感器800的检测灵敏度。例如，在图11的TMR传感器800中的至少两个TMR器件802(1)-802(4)之间，纵横比844(1)-844(4)可相差大于至少约0.5。
应注意，图10和图11中的TMR传感器800的示例可组合来提供具有在磁化角度上变化的两个或更多个自由层以及具有可变纵横比的相同或不同的两个或更多个自由层的TMR器件，从而改变TMR传感器800中TMR器件的磁灵敏度。
图12是示例性TMR感测系统1200的示意图，其可以采用图8-图11中的TMR传感器800来基于TMR传感器800的电阻的差分变化生成表示磁性纳米颗粒806的检测的信号。例如，图8中具有不同磁灵敏度的TMR传感器800的第一和第二TMR器件802(1)、802(2)以电路形式表示为电阻RA、RB。在TMR传感器800中示出第一和第二存取晶体管838(1)、838(2)，以提供通过TMR器件802(1)、802(2)的电流路径。如先前在图8中所讨论的，第一和第二存取晶体管838(1)、838(2)包括栅极G1、G2、源极S1、S2和漏极D1、D2。在本示例中，栅极G1、G2耦合至公共字线(WL)。第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的第一和第二顶部电极830(1)、830(2)耦合至公共源线(SL)。第一和第二TMR器件802(1)、802(2)均被配置为：响应于字线(WL)上激活第一和第二存取晶体管838(1)、838(2)的控制信号1202以及施加到源线(SL)的电压V1、V2，基于第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的第一和第二电阻RA、RB，在它们的第一和第二顶部电极830(1)、830(2)和它们相应的第一和第二底部电极820(1)、820(2)之间接收第一和第二电流I1、I2。
继续参考图12，在TMR感测系统1200中提供包括电路1205(1)、1205(2)的感测电路1204。电路1205(1)、1205(2)被配置为响应于指示使能状态(在本示例中为高状态)的使能信号EN从TMR传感器800的第一和第二TMR器件802(1)、802(2)接收相应的第一和第二电流I1、I2。响应于指示使能状态的使能信号EN，电路1205(1)被配置为从第一TMR器件802(1)接收第一电流I1，并且电路1205(2)被配置为从第二TMR器件802(2)接收第二电流I2。电路1205(1)、1205(2)被配置为生成相应的第一感测电压Vs1和第二感测电压Vs2，指示表示第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的第一和第二电阻RA、RB的感测的第一和第二电流I1、I2。例如，如果采用差分感测方案，则感测电路1204可以是组合差分感测电路，诸如电流锁存感测放大器(CLSA)。例如，可用于感测电路1204的差分感测电路可为N型(N)MOS偏移抵消(OC)电流锁存(CL)感测放大器(SA)(NOC-CLSA)，如Kim等人在“A 45nm 1Mb Embedded STT-MRAM with design techniques to minimize read-disturbance”中所描述的，其全文通过引用并入本文。
继续参考图12，如果在TMR感测系统1200中使用差分感测，则在TMR感测系统1200中的感测电路1204中还提供可选的感测放大器1206。感测放大器1206被配置为从电路1205(1)、1205(2)接收第一和第二感测电压Vs1和Vs2。在该示例中，以传输门形式设置的第一输入电路1208(1)和第二输入电路1208(2)控制基于使能信号EN从感测电路1204接收第一和第二感测电压Vs1和Vs2的感测放大器1206的定时。在第二感测阶段期间，第一输入电路1208(1)被配置为通过第一感测电压Vs1，并且第二输入电路1208(2)被配置为通过第二感测电压Vs2。感测放大器1206被配置为基于它们之间的差分电压感测第一感测电压Vs1和第二感测电压Vs2，以在输出节点1210上生成指示TMR器件802(1)、802(2)的电阻状态的放大差分输出电压Vout。如果不采用差分感测方案，则可以分别分析第一感测电压Vs1和第二感测电压Vs2以确定第一和第二TMR器件802(1)、802(2)的电阻RA、RB的变化。
图13是示出图12的TMR传感器800中的TMR感测系统1200的示例处理1300的流程图，测量通过TMR传感器800的外部通道808的磁性纳米颗粒806的存在。关于这点，TMR传感器800接收结合到生物受体的磁性纳米颗粒806，该生物受体被配置为在形成生物活性区的至少一个外部通道808中捕获生物传感器芯片804中感兴趣的目标分析物，IC生物传感器芯片804包括多个TMR传感器800(框1302)。如先前关于图8所讨论的，TMR传感器800包括设置在封装材料812中的第一TMR器件802(1)。第一TMR器件802(1)包括第一钉扎层818(1)、第一自由层824(1)和设置在第一钉扎层818(1)与第一自由层824(1)之间的第一隧道势垒822(1)。第一TMR器件802(1)具有第一磁灵敏度和作为第一磁灵敏度的函数的第一电阻RA。TMR传感器800还包括设置在封装材料812中的第二TMR器件802(2)。第二TMR器件802(2)包括第二钉扎层818(2)、第二自由层824(2)和设置在第二钉扎层818(2)与第二自由层824(2)之间的第二隧道势垒822(2)。第二TMR器件802(2)具有第二磁灵敏度和作为第二磁灵敏度的函数的第二电阻RB。感测电路1204被配置为响应于感测操作选择至少一个TMR传感器800(框1304)。感测电路1204还被配置为基于所选至少一个TMR传感器800的第一TMR器件802(1)的第一电阻RA的变化来生成第一感测电压Vs1(框1306)。感测电路1204还被配置为基于所选至少一个TMR传感器800的第二TMR器件802(1)的第二电阻RB的变化而生成第二感测电压Vs2(框1308)。
如前所讨论的，可期望对将在图8的TMR传感器800中检测的磁性纳米颗粒806施加外部偏置磁场，以对准它们的磁矩。可期望避免为图8中的TMR传感器800提供用于生成外部磁场的外部源。在这方面，图14示出了与图8中的TMR传感器800相似的备选TMR传感器1400。图14中的TMR传感器1400和图8中的TMR传感器800之间的公共元素用公共元素标号示出。在图8中的TMR传感器1400中，金属线832(1)、832(2)用于在外部通道808中生成磁场1402(1)、1402(2)，以对准磁性纳米颗粒806的磁矩。例如，金属线832(1)、832(2)可以是铜(Cu)。关于这点，在TMR传感器800中生成电流1404(1)，并在Y轴方向上施加到金属线832(1)的平面中，以生成磁场1402(1)。在TMR传感器800中生成电流1404(2)，并在Y轴方向施加到金属线832(2)的平面中，以生成磁场1402(2)。用于可对准磁性纳米颗粒806的磁矩以在外部通道808中生成均匀杂散磁场826的磁环的偏置磁场1402(1)、1402(2)也被施加到自由层824(1)、824(2)。以这种方式，不需要提供外部磁场发生器(诸如线圈)来在外部通道808中生成偏置磁场，以对准设置在外部通道808中的磁性纳米颗粒806的磁矩。
图15是可采用一个或多个TMR传感器1502的示例性生物传感器芯片1500，例如包括但不限于图8-图11、图12和图14中的TMR传感器800、1400，每一个均具有不同的磁场灵敏度以提高检测灵敏度。可在不同应用中提供生物传感器芯片1500，包括可穿戴设备、用于定点护理应用的定点护理设备、用于细菌感染检测应用的细菌感染诊断设备、用于癌症检测的癌症检测设备、用于检测心脏病的心脏病诊断设备、用于食品监控应用的食品安全监控设备等。基于MR效应，在TMR器件1504之间设置的通道中，磁性纳米颗粒可结合到生物受体，生物受体结合到感兴趣的目标分析物。如图15所示，生物传感器芯片1500可具有多个生物通道1506，作为包含多个TMR传感器1502的MR传感器阵列1508的一部分。生物通道1506被配置为接收生物材料，诸如结合到捕获感兴趣的分析物的生物受体的磁性纳米颗粒。还可以在生物传感器芯片1500中提供控制电路1510，其控制生物传感器芯片1500的感测操作。例如，控制电路1510可包括图12中的TMR感测系统1200中的组件，包括感测电路1204和感测放大器1206。
在另一示例中，可以提供TMR传感器，其包括设置在封装材料中并且具有第一磁灵敏度的第一装置，用于提供作为第一磁灵敏度的函数的第一电阻以及用于响应于作为第一磁灵敏度的函数的的杂散磁场显示出第一电阻的第一变化率。作为示例，第一装置可以是图8-图12和图14中的第一TMR器件802(1)。TMR传感器包括设置在封装材料中并且具有第二磁灵敏度的第二装置，用于提供作为第二磁灵敏度的函数的第二电阻并且用于响应于作为第二磁灵敏度的函数的杂散磁场显示出第二电阻的第二变化率。作为示例，第二装置可以是图8-图12和图14中的第二TMR器件802(2)。TMR传感器还可以包括形成在封装材料中的空隙中的装置，诸如图8-图11和图14所示的外部通道808，用于捕获在第一装置和第二装置上施加杂散磁场的外部磁性纳米颗粒。
本领域技术人员将进一步理解，结合本文公开的方面描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法可以被实施为电子硬件、存储在存储器中或另一计算机可读介质中且由处理器或其它处理设备执行的指令、或者二者的组合。例如，这里描述的主设备和从设备可用于任何电路、硬件组件、集成电路(IC)或IC芯片。本文公开的存储器可以是任何类型和大小的存储器，并且可以被配置为存储任何类型的期望信息。为了清楚地说明这种可互换性，上面大体上根据其功能性描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。如何实施这些功能取决于特定应用、设计选择和/或对整个系统施加的设计约束。本领域技术人员以针对每个特定应用以不同的方式实施所述功能，但是这种实施决策不应被解释为导致偏离本公开的范围。
可以使用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或者被设计为执行本文所述功能的任何组合来实施或执行结合本文公开的方面描述的各种说明性逻辑块、模块和电路。处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实施为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核心的结合或者任何其它这样的配置。
本文公开的方面可体现在硬件和存储在硬件中的指令中，并且可以例如驻留在随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域已知的任何其他形式的计算机可读介质中。示例性存储介质耦合至处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息并将信息写入存储介质。可代替地，存储介质可以是处理器的整体。处理器和存储介质可在ASIC中。ASIC可驻留在远程站中。在替代方案中，处理器和存储介质可作为离散组件驻留在远程站、基站或服务器中。
还应注意，描述本文在任何示例性方面中描述的操作步骤以提供示例和讨论。所描述的操作可以在除所示序列之外的许多不同序列中执行。此外，在单个操作步骤中描述的操作实际上可以在多个不同步骤中执行。另外，可以组合在示例性方面中讨论的一个或多个操作步骤。应当理解，流程图中所示的操作步骤可以进行许多不同的修改，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。本领域技术人员还将理解，信息和信号可以使用各种不同技术中的任一种来表示。例如，可在整个上面的描述中引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和芯片可通过电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或任何它们的组合来表示。
提供本发明的先前描述是为了使本领域技术人员制造或使用本公开。对于本领域技术人员来说，对本发明的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原则可以应用于其他变型。因此，本公开不限于本文所述的示例和设计，而是应给予与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (30)

1.一种隧道磁阻(TMR)传感器，包括：
第一TMR器件，包括：
第一钉扎层、第一自由层和设置在所述第一钉扎层与所述第一自由层之间的第一隧道势垒；
所述第一TMR器件具有第一磁灵敏度和作为所述第一磁灵敏度的函数的第一电阻；以及
第二TMR器件，包括：
第二钉扎层、第二自由层和设置在所述第二钉扎层与所述第二自由层之间的第二隧道势垒；
所述第二TMR器件具有不同于所述第一TMR器件的所述第一磁灵敏度的第二磁灵敏度，并且具有作为所述第二磁灵敏度的函数的第二电阻。
2.根据权利要求1所述的TMR传感器，其中：
所述第一TMR器件被封装在封装材料中；
所述第二TMR器件被封装在所述封装材料中；以及
还包括：外部通道，形成在所述密封材料中的空隙中，与所述第一TMR器件和所述第二TMR器件相邻，所述外部通道被配置为捕获磁性纳米颗粒，以在所述第一自由层和所述第二自由层上施加杂散磁场。
3.根据权利要求1所述的TMR传感器，其中：
所述第一TMR器件被配置为：响应于施加至所述第一自由层的杂散磁场，显示出作为所述第一磁灵敏度的函数的所述第一电阻的第一变化率；以及
所述第二TMR器件被配置为：响应于施加至所述第二自由层的杂散磁场显示出所述第二电阻的第二变化率，所述第二电阻的第二变化率与所述第一TMR器件的所述第一电阻的所述第一变化率不同。
4.根据权利要求1所述的TMR传感器，其中：
所述第一钉扎层具有第一钉扎磁化；
所述第一自由层相对于所述第一钉扎层的所述第一钉扎磁化具有第一磁化角度的第一自由层磁化，其中所述第一TMR器件的所述第一电阻是所述第一磁化角度的函数；
所述第二钉扎层具有第二钉扎磁化；以及
所述第二自由层相对于所述第二钉扎层的所述第二钉扎磁化具有第二磁化角度的第二自由层磁化，其中所述第二TMR器件的所述第二电阻是所述第二磁化角度的函数。
5.根据权利要求4所述的TMR传感器，其中：
所述第一TMR器件被配置为：响应于施加至所述第一自由层的杂散磁场，显示出作为所述第一磁化角度的函数的所述第一电阻的第一变化率；以及
所述第二TMR器件被配置为：响应于施加于所述第二自由层的杂散磁化，显示出作为所述第二磁化角度的函数的所述第二电阻的第二变化率，所述第二电阻的第二变化率与所述第一TMR器件的所述第一电阻的所述第一变化率不同。
6.根据权利要求4所述的TMR传感器，其中所述第一磁化角度和所述第二磁化角度相差大于至少约十(10)度。
7.根据权利要求4所述的TMR传感器，其中：
所述第一自由层磁化相对于所述第一钉扎磁化至少相差九十(90)度；以及
所述第二自由层磁化相对于所述第二钉扎磁化至少相差六十(60)度到八十(80)度之间。
8.根据权利要求4所述的TMR传感器，其中所述第一自由层磁化基本在所述第一钉扎磁化的平面外，并且所述第二自由层磁化基本在所述第二钉扎磁化的平面外。
9.根据权利要求1所述的TMR传感器，其中：
所述第一自由层具有第一纵横比，其中所述第一TMR器件的所述第一电阻是所述第一纵横比的函数；以及
所述第二自由层具有不同于所述第一自由层的所述第一纵横比的第二纵横比，其中所述第二TMR器件的所述第二电阻是所述第二纵横比的函数。
10.根据权利要求9所述的TMR传感器，其中：
所述第一纵横比在大约3.5和5.5之间；以及
所述第二纵横比在大约1.5和3.5之间。
11.根据权利要求9所述的TMR传感器，其中：
所述第一TMR器件被配置为：响应于施加至所述第一自由层的杂散磁场，显示出作为所述第一自由层的所述第一纵横比的函数的所述第一电阻的第一变化率；以及
所述第二TMR器件被配置为：响应于施加至所述第二自由层的杂散磁场，显示出作为所述第二自由层的所述第二纵横比的函数的所述第二电阻的第二变化率，所述第二电阻的第二变化率与所述第一TMR器的所述第一电阻的所述第一变化率不同。
12.根据权利要求9所述的TMR传感器，其中：
所述第一钉扎层具有第一钉扎磁化；
所述第一自由层相对于所述第一钉扎层的所述第一钉扎磁化具有第一磁化角度的第一自由层磁化，其中所述第一TMR器件的所述第一电阻是所述第一磁化角度的又一函数；
所述第二钉扎层具有第二钉扎磁化；以及
所述第二自由层相对于所述第二钉扎层的所述第二钉扎磁化具有第二磁化角度的第二自由层磁化，所述第二磁化角度不同于所述第一磁化角度，其中所述第二TMR器件的所述第二电阻是所述第二磁化角度的又一函数。
13.根据权利要求1所述的TMR传感器，还包括：
第三TMR器件，设置在密封材料中并且具有第三电阻，所述第三TMR器件包括：
第三钉扎层、第三自由层和设置在所述第三钉扎层与所述第三自由层之间的第三隧道势垒；
所述第三TMR器件具有第三磁灵敏度。
14.根据权利要求13所述的TMR传感器，其中所述第三磁灵敏度与所述第一磁灵敏度和所述第二磁灵敏度中的至少一个磁灵敏度不同。
15.根据权利要求13所述的TMR传感器，还包括：
第四TMR器件，设置在所述密封材料中并且具有第四电阻，所述第四TMR器件包括：
第四钉扎层、第四自由层和设置在所述第四钉扎层与所述第四自由层之间的第四隧道势垒；
所述第四TMR器件具有第四磁灵敏度，所述第四磁灵敏度不同于所述第一TMR器件的所述第一磁灵敏度和所述第二TMR器件的所述第二磁灵敏度，所述第四TMR器件被配置为响应于施加至所述第四自由层的杂散磁场显示出第四电阻的第四变化率。
16.根据权利要求15所述的TMR传感器，其中：
所述第一TMR器件和所述第二TMR器件沿着第一轴对准；
所述第三TMR器件和所述第四TMR器件沿着与所述第一轴基本平行的第二轴对准；
所述第一TMR器件和所述第三TMR器件沿着与所述第一轴基本正交的第三轴对准；以及
所述第二TMR器件和所述第四TMR器件沿着与所述第一轴基本正交且与所述第三轴基本平行的第四轴对准。
17.根据权利要求1所述的TMR传感器，其中外部通道的底面被设置在与所述第一TMR器件和所述第二TMR器件相邻的水平平面中。
18.根据权利要求1所述的TMR传感器，还包括：
第一底部电极，电耦合至所述第一TMR器件的所述第一钉扎层；
第一顶部电极，电耦合至所述第一TMR器件的所述第一自由层；
第二底部电极，电耦合至所述第二TMR器件的所述第二钉扎层；
第二顶部电极，电耦合至所述第二TMR器件的所述第二自由层；
所述第一TMR器件被配置为基于所述第一TMR器件的所述第一电阻响应于在所述第一底部电极和所述第一顶部电极之间施加的第一电压差在所述第一底部电极和所述第一顶部电极之间承载第一电流；以及
所述第二TMR器件被配置为基于所述第二TMR器件的所述第二电阻响应于在所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间施加的第二电压差在所述第二底部电极和所述第二顶部电极之间承载第二电流。
19.根据权利要求18所述的TMR传感器，还包括：
第一金属线，电耦合至所述第一顶部电极；
第二金属线，电耦合至所述第二顶部电极；
所述第一金属线被配置为在第一方向上承载所述第一TMR器件的平面外的第一电流，并且所述第二金属线被配置为在与所述第一方向相反的第二方向上承载所述第二TMR器件的平面外的第二电流。
20.根据权利要求18所述的TMR传感器，还包括：
第一存取晶体管，包括第一栅极、第一电极和第二电极，其中：
所述第一存取晶体管的所述第一栅极电耦合至字线；
所述第一TMR器件的所述第一底部电极电耦合至所述第一存取晶体管的所述第一电极；以及
所述第一TMR器件的所述第一顶部电极电耦合至源极线；所述第一TMR器件被配置为响应于所述字线上激活所述第一存取晶体管的控制信号以及施加至所述源极线的第一电压，基于所述第一TMR器件的所述第一电阻在所述第一顶部电极和所述第一底部电极之间接收所述第一电流；以及
第二存取晶体管，包括第二栅极、第一电极和第二电极，其中：
所述第二存取晶体管的所述第二栅极电耦合至所述字线；
所述第二TMR器件的所述第二底部电极电耦合至所述第二存取晶体管的所述第一电极；以及
所述第二TMR器件的所述第二顶部电极电耦合至所述源极线；
所述第二TMR器件被配置为响应于所述字线上激活所述第二存取晶体管的控制信号以及施加至所述源极线的第二电压，基于所述第二TMR器件的所述第二电阻在所述第二顶部电极和所述第二底部电极之间接收所述第二电流。
21.根据权利要求1所述的TMR传感器，包括：MR生物传感器，被配置为捕获结合到生物受体的磁性纳米颗粒，所述生物受体结合到生物样本的目标分析物。
22.根据权利要求1所述的TMR传感器，集成到集成电路(IC)芯片。
23.根据权利要求1所述的TMR传感器，集成到从由以下设备组成的组中的设备中：可穿戴设备、定点护理设备、细菌感染诊断设备、癌症检测设备、心脏病诊断设备和食品安全监控设备。
24.一种隧道磁阻(TMR)传感器，包括：
第一装置，设置在封装材料中并且具有第一磁灵敏度，用于提供作为所述第一磁灵敏度的函数的第一电阻，并且用于响应于杂散磁场显示出作为所述第一磁灵敏度的函数的第一电阻的第一变化率；
第二装置，设置在所述封装材料中并且具有第二磁灵敏度，用于提供作为所述第二磁灵敏度的函数的第二电阻，并且用于响应于所述杂散磁场显示出作为所述第二磁灵敏度的函数的所述第二电阻的第二变化率；以及
形成在所述封装材料中的空隙中的装置，用于捕获在所述第一装置和所述第二装置上施加所述杂散磁场的外部磁性纳米颗粒。
25.一种隧道磁阻(TMR)传感系统，包括：
一个或多个TMR传感器，每个TMR传感器均包括：
第一TMR器件，设置在封装材料中，所述第一TMR器件包括：
第一钉扎层、第一自由层和设置在所述第一钉扎层与所述第一自由层之间的第一隧道势垒；
所述第一TMR器件具有第一磁灵敏度和作为所述第一磁灵敏度的函数的第一电阻；以及
第二TMR器件，设置在所述封装材料中，所述第二TMR器件包括：
第二钉扎层、第二自由层和设置在所述第二钉扎层与所述第二自由层之间的第二隧道势垒；
所述第二TMR器件具有不同于所述第一TMR器件的所述第一磁灵敏度的第二磁灵敏度，并且具有作为所述第二磁灵敏度的函数的第二电阻；以及
感测电路，被配置为：
响应于感测操作在所述一个或多个TMR传感器中选择TMR传感器；
基于所选TMR传感器的所述第一TMR器件的所述第一电阻的变化生成第一感测电压；并且
基于所选TMR传感器的所述第二TMR器件的所述第二电阻的变化生成第二感测电压。
26.根据权利要求25所述的TMR感测系统，还包括：感测放大器，被配置为基于所述第一感测电压和所述第二感测电压之间的差生成差分输出电压。
27.根据权利要求25所述的TMR感测系统，其中：
对于所述一个或多个TMR传感器中的每个所述第一TMR器件：
所述第一钉扎层具有第一钉扎磁化；并且
所述第一自由层相对于所述第一钉扎层的所述第一钉扎磁化具有第一磁化角度的第一自由层磁化，其中所述第一TMR器件的所述第一电阻是所述第一磁化角度的函数；以及
对于所述一个或多个TMR传感器中的每个所述第二TMR器件：
所述第二钉扎层具有第二钉扎磁化；并且
所述第二自由层相对于所述第二钉扎层的所述第二钉扎磁化具有第二磁化角度的第二自由层磁化，其中所述第二TMR器件的所述第二电阻是所述第二磁化角度的函数。
28.根据权利要求25所述的TMR感测系统，其中：
对于所述一个或多个TMR传感器中的每个所述第一TMR器件，所述第一自由层具有第一纵横比，其中所述第一TMR器件的所述第一电阻是所述第一纵横比的函数；以及
对于所述一个或多个TMR传感器中的每个所述第二TMR器件，所述第二自由层具有不同于所述第一自由层的所述第一纵横比的第二纵横比，其中所述第二TMR器件的所述第二电阻是所述第二纵横比的函数。
29.一种检测隧道磁阻(TMR)传感器中的磁性纳米颗粒的存在的方法，包括：
接收被结合到生物受体的磁性纳米颗粒，所述生物受体被配置为在多个外部通道中的至少一个外部通道中捕获生物传感器芯片中的目标分析物，每个外部通道均形成生物活性区，所述生物传感器芯片包括多个TMR传感器，每个TMR传感器均包括：
第一TMR器件，设置在封装材料中，所述第一TMR器件包括：
第一钉扎层、第一自由层和设置在所述第一钉扎层与所述第一自由层之间的第一隧道势垒；
所述第一TMR器件具有第一磁灵敏度和作为所述第一磁灵敏度的函数的第一电阻；
第二TMR器件，设置在所述封装材料，所述第二TMR器件包括：
第二钉扎层、第二自由层和设置在所述第二钉扎层与所述第二自由层之间的第二隧道势垒；
所述第二TMR器件具有不同于所述第一TMR器件的所述第一磁灵敏度的第二磁灵敏度，并且具有作为所述第二磁灵敏度的函数的第二电阻；
响应于感测操作，在所述多个TMR传感器中选择至少一个TMR传感器；
基于所选至少一个TMR传感器的所述第一TMR器件的所述第一电阻的变化生成第一感测电压；以及
基于所选至少一个TMR传感器的所述第二TMR器件的所述第二电阻的变化生成第二感测电压。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：基于所述第一感测电压和所述第二感测电压之间的差，生成指示在所述至少一个外部通道中存在所述磁性纳米颗粒的差分输出电压。
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