基于巨磁阻效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感器研究進(jìn)展

王立乾，胡忠強(qiáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)試技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(hào)輸出，從而直接或間接地探測(cè)磁場(chǎng)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(qiáng)計(jì)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(shí)代的到來，磁傳感器在電力計(jì)量、無損探測(cè)、便攜式生物檢測(cè)等新興交叉領(lǐng)域的需求越來越大，對(duì)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(xiàng)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(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)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(jìn)行羅盤定位[4]、檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子方位[5]等；在電力系統(tǒng)中，進(jìn)行電流大小檢測(cè)及設(shè)計(jì)反饋式控制電路；在生物醫(yī)藥及無損檢測(cè)等交叉領(lǐng)域，通過磁傳感器與檢測(cè)裝置結(jié)合，將傳統(tǒng)光學(xué)及電學(xué)方式進(jìn)行的檢測(cè)轉(zhuǎn)換為磁學(xué)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)隔離式、低噪聲、高靈敏度的檢測(cè)功能[6]。本文主要針對(duì)GMR磁傳感器在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的器件原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)下電阻很高。而當(dāng)施加較大的磁場(chǎng)時(shí)，各鐵磁層磁化取向一致，電阻會(huì)顯著降低。這個(gè)過程中測(cè)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(xiàng)重大成就。在此后的多年里，對(duì)其作用機(jī)理的研究一直沒有突破性進(jìn)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(gè)幾乎獨(dú)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(shí)，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(shí)，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(shí)，無論哪種自旋朝向的電子都會(huì)周期性地受到強(qiáng)、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(chǎng)下趨于平行時(shí)，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(gè)數(shù)量級(jí)，但當(dāng)時(shí)距離實(shí)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(chǎng)(kOe量級(jí))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(dòng)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(gè)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(chǎng)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(chǎng)下就會(huì)有磁化從平行到反平行的結(jié)構(gòu)變化，使其在弱磁場(chǎng)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(shí)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(dòng)器的讀磁頭[15]，使計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)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(chǎng)呈線性關(guān)系，可以根據(jù)磁阻大小探測(cè)外部磁場(chǎng)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(cè)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(chǎng)等參數(shù)，最終制備得到線性磁場(chǎng)傳感器[23]。而且自旋閥的應(yīng)用，使得弱磁場(chǎng)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(chǎng)景，這是GMR磁傳感器相比傳統(tǒng)磁傳感器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)之一。以下針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的GMR器件原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)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(cè)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(cè)電流的大小，結(jié)構(gòu)簡單，不受外磁場(chǎng)干擾，性能可靠，如分流器設(shè)備。但它會(huì)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(cè)量是通過測(cè)量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小，計(jì)算得到被測(cè)電流的大小，又稱為非接觸式測(cè)量，避免了直接式電流傳感器的諸多問題，同時(shí)比直接式測(cè)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(cè)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(jì)自由度很小[33]。對(duì)此，常采用惠斯登電橋結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)傳感器，即可以利用靈活多變的電橋配置來應(yīng)對(duì)不同的集成電路設(shè)計(jì)，實(shí)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(duì)不同的電流路徑，可以有著靈活的電橋設(shè)計(jì)方式[34-36]。同時(shí)，為避免二次沉積導(dǎo)致的電阻不匹配問題，所設(shè)計(jì)傳感器元件結(jié)構(gòu)均可通過單次沉積獲得。

如果被測(cè)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(duì)的相對(duì)敏感結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)在面對(duì)任意結(jié)構(gòu)的集成電路時(shí)均可使用[37]。如果被測(cè)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(jì)[38]。在這2種情況下，由于電流流向的改變，使得4個(gè)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(jì)均是通過端口1、2外加偏置電壓，測(cè)量端口3、4間的輸出電壓來測(cè)量電流的變化。目前集成于電路中的傳感器可以達(dá)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(chǎng)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(cè)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(cè)電流組成的測(cè)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(cè)導(dǎo)線時(shí)，GMR磁傳感器由于磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)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(cè)電流相反的磁場(chǎng)，進(jìn)而抵消磁環(huán)內(nèi)的磁通量，使得GMR磁傳感器輸出信號(hào)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(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，GMR磁傳感器無電壓輸出。此時(shí)測(cè)量外接的反饋電阻，即可獲得反饋電流的大小，間接計(jì)算出被測(cè)電流大小。采用反饋式設(shè)計(jì)，使得GMR磁傳感器始終工作于零磁場(chǎng)情況，處于對(duì)外磁場(chǎng)變化最靈敏的狀態(tài)，對(duì)測(cè)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(cè)電流，包括單電阻、半橋、惠斯登全橋在內(nèi)的不同設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)各種實(shí)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(duì)轉(zhuǎn)速、位移、角度、加速度、溫度等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制[43]。基于半導(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(dòng)機(jī)點(diǎn)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(chǎng)傳感器可以通過檢測(cè)磁場(chǎng)變化來檢測(cè)目標(biāo)輪轉(zhuǎn)速及方向，多應(yīng)用于車速轉(zhuǎn)速檢測(cè)及發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。其測(cè)量轉(zhuǎn)速采用的是差動(dòng)原理，即采用一對(duì)信號(hào)輸出相反的傳感器，通過采集信號(hào)的峰峰值來判斷轉(zhuǎn)速。目前多采用2個(gè)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(duì)芯片時(shí)，放置于齒輪兩側(cè)的GMR磁傳感器會(huì)受到相同大小，但方向相反的磁場(chǎng)影響，此時(shí)信號(hào)輸出最大，由此產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過進(jìn)一步處理，即可得到轉(zhuǎn)速結(jié)果[45]。

主要測(cè)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(cè)傳感器的輸出信號(hào)頻率可以直接測(cè)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(chǎng)需要一個(gè)外加的磁鐵來產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)輪的齒形和槽形會(huì)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制[46-47]，之后通過傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的變化頻率，進(jìn)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(hào)飽和的優(yōu)點(diǎn)，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(cè)量的是沿芯片表面的磁場(chǎng)，且工作范圍在幾十Oe內(nèi)，由于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程磁場(chǎng)變化劇烈，時(shí)常導(dǎo)致GMR磁傳感器偏離工作區(qū)域甚至達(dá)到飽和區(qū)域，兩個(gè)傳感器難以同時(shí)正常運(yùn)行。最終只能通過抑制背磁強(qiáng)度來使其正常運(yùn)行，額外增加了許多成本。這一問題最終通過改進(jìn)磁鐵的形狀設(shè)計(jì)得到解決，如圖6所示。該設(shè)計(jì)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(chǎng)分布，使傳感器附近磁場(chǎng)垂直于其工作平面，避免了傳感器因磁場(chǎng)過強(qiáng)而飽和。而且由于該設(shè)計(jì)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(jì)目前已投入實(shí)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(chǎng)附近，而是在飽和場(chǎng)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(chǎng)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(shí)GMR元件的電阻率只取決于外部磁場(chǎng)相對(duì)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(chǎng)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(cè)磁場(chǎng)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(gè)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(shí)線箭頭為施加0°方向的飽和強(qiáng)度磁場(chǎng)時(shí)自由層的磁化方向。當(dāng)磁場(chǎng)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(hào)。假如磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)360°，傳感器1將提供一個(gè)正弦信號(hào)，而傳感器2提供一個(gè)余弦信號(hào)，兩信號(hào)即可用來計(jì)算磁場(chǎng)矢量的絕對(duì)角度。相比于AMR傳感器只能探測(cè)180°的磁場(chǎng)角度變化，GMR使用此原理可探測(cè)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(dòng)換向電機(jī)越來越多。這種無刷電機(jī)有著無易損件、低噪聲、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。為了保證電動(dòng)機(jī)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(jìn)行精確的測(cè)量。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量，也是對(duì)GMR角度傳感器的一項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用[5]。圖8為轉(zhuǎn)子位置傳感器，其包括電動(dòng)機(jī)、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(qiáng)度的定向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)穿過GMR角度傳感器平面，使傳感器能夠?qū)崟r(shí)判斷該磁場(chǎng)的角度，不同角度可對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置。傳統(tǒng)的AMR的傳感器由于只有180°的測(cè)量范圍，只能用于雙極電機(jī)[50]，而GMR角度傳感器具有360°的測(cè)量范圍，因此可用于偶極對(duì)電機(jī)和奇極對(duì)電機(jī)。

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(dòng)控制的各個(gè)方面，隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)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(cè)量地磁場(chǎng)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(diǎn)，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(chǎng)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(cè)量載體坐標(biāo)系(Hx、Hy、Hz)三軸方向上的地磁場(chǎng)分量(hx、hy、hz)，再用加速度傾角傳感器測(cè)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(chǎng)分量換算成水平地理坐標(biāo)系(X、Y)中的地磁場(chǎng)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(bǔ)償，即可得實(shí)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(gè)名詞定義：

俯仰角：羅盤載體的前進(jìn)(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(jìn)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(jìn)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(diǎn)的地磁場(chǎng)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(shí)際測(cè)量得到。

地理航向角：羅盤載體的前進(jìn)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(diǎn)后，可以精確測(cè)得地磁場(chǎng)在載體坐標(biāo)系下，三軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量。而通過加速度傾角傳感器，可以測(cè)得載體三軸方向上重力加速度分量Ax、Ay、Az，計(jì)算可得到橫滾角與俯仰角分別為:

將測(cè)得的俯仰角和橫滾角與測(cè)得的磁場(chǎng)分量hx、hy、hz結(jié)合計(jì)算，即可轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)強(qiáng)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(bǔ)償?shù)卮鸥蓴_，測(cè)量精度很高，在手機(jī)、汽車、船舶等導(dǎo)航系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)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(cè)，其高靈敏度和低成本滿足了當(dāng)代生物檢測(cè)的需求。目前GMR磁傳感器已經(jīng)在生物監(jiān)測(cè)、生物標(biāo)記監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用，采用的方法是傳感器檢測(cè)生物樣本分子密度，通過生化技術(shù)使得被測(cè)生物分子與納米磁性顆粒結(jié)合，進(jìn)而利用GMR磁傳感器檢測(cè)納米顆粒密度，即可測(cè)得特定生物分子數(shù)量[55]?；贕MR磁傳感器的生物檢測(cè)平臺(tái)，以磁性顆粒為信號(hào)供體，與傳統(tǒng)方式相比，有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：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(hào)低，使對(duì)信號(hào)采集沒有阻礙；二是每個(gè)傳感器區(qū)域有獨(dú)立的檢測(cè)顆粒，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)信號(hào)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(jì)成微陣列，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面有著很高的應(yīng)用價(jià)值[56-57]，被廣泛關(guān)注。此外，基于生物心臟微磁測(cè)量和腦微磁測(cè)量的概念也有提出[58]，但仍不成熟，還需較長時(shí)間的發(fā)展。

2.5.1 磁靜態(tài)傳感

利用磁阻傳感器探測(cè)固定磁性粒子/標(biāo)簽的磁雜散場(chǎng)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(cè)試平臺(tái)，通過在傳感器陣列的基板表面對(duì)應(yīng)區(qū)域描繪不同類型的捕獲分子，可用于多重免疫測(cè)試[59]。由于單個(gè)磁阻傳感器條紋通常只用于單分子檢測(cè)，因此測(cè)試平臺(tái)要求GMR磁傳感器陣列的尺寸與磁性標(biāo)簽相匹配。目前對(duì)于GMR磁傳感器的大小和形狀已經(jīng)有著較成熟的設(shè)計(jì)，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(jì)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(cè)量的靈敏度[61]，目前傳感器的長度已可以減小到幾μm量級(jí)。

測(cè)試前，為避免傳感器與待測(cè)樣本接觸，需要在傳感器陣列表面實(shí)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(cè)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(duì)待測(cè)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(gè)量級(jí)。

其測(cè)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(cè)抗原的溶液在傳感器表面流動(dòng)，使待測(cè)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(cè)抗體結(jié)合，使檢測(cè)抗體被標(biāo)記。將檢測(cè)抗體改性后的磁性顆粒溶液流經(jīng)傳感器表面，與待測(cè)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(chǎng)的作用，電阻發(fā)生變化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析可以推測(cè)出待測(cè)抗原的濃度。通常在一個(gè)傳感器平臺(tái)上，會(huì)有數(shù)種不同的捕獲抗體分布于對(duì)應(yīng)區(qū)域，這樣可以同時(shí)檢測(cè)多種待測(cè)抗原，能夠?qū)悠愤M(jìn)行更完善的檢測(cè)。

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(cè)

磁標(biāo)顆粒對(duì)磁傳感器發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方式，目前被統(tǒng)稱為磁動(dòng)態(tài)傳感。磁動(dòng)態(tài)傳感通常只需一個(gè)磁傳感器集成于流體通道中作為檢測(cè)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(shì)。而且磁動(dòng)態(tài)傳感可以在單細(xì)胞水平上進(jìn)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(dòng)態(tài)傳感已向多個(gè)方向發(fā)展，但主要方向仍是磁流入式檢測(cè)，它最初的目的是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)流入式檢測(cè)的關(guān)鍵功能。方法是通過一個(gè)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(duì)其數(shù)目進(jìn)行采集的一種方法[68]。原理如圖11(a)所示，被標(biāo)記的待測(cè)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(chǎng)，改變了磁傳感器的電壓輸出信號(hào)，從而被計(jì)數(shù)[69]。由于磁性顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中，其磁偶極矩分布在整個(gè)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(cè)360°范圍的磁場(chǎng)變化，來提高檢測(cè)的靈敏度。柔性GMR磁傳感器設(shè)計(jì)通常如圖11(b)所示，4個(gè)蛇形的GMR磁阻橫向分布，能夠同時(shí)接收磁性顆粒信號(hào)，并連接為惠斯登電橋結(jié)構(gòu)以提高性能。為提高計(jì)數(shù)精度，磁性通道的尺寸需與被測(cè)顆粒尺寸匹配，并采取磁光輔助等方式[71]，避免多個(gè)顆粒同時(shí)經(jīng)過傳感器。

2.5.3 多相磁流入式篩選

磁流入式檢測(cè)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(duì)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(cè)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(jí)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(jìn)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(cè)的方法，使液滴逐滴通過傳感器，進(jìn)行高頻率的計(jì)數(shù)和定量，可大規(guī)模地對(duì)液滴進(jìn)行檢測(cè)和高通量篩選[77]。

由于目前對(duì)藥物的研究過程中，需要同時(shí)辨別的組分可能高達(dá)數(shù)十種[78]，傳統(tǒng)的無標(biāo)簽檢測(cè)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(qiáng)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(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。相比之下，磁流入式由于其對(duì)環(huán)境不敏感的檢測(cè)原理，使得它非常適合對(duì)特定標(biāo)記的液滴樣品進(jìn)行編碼，適合高通量篩選。目前多相磁流入檢測(cè)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(hào)，以對(duì)不同液滴進(jìn)行編碼，再利用GMR磁傳感器檢測(cè)液滴中磁性納米顆粒雜散場(chǎng)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(cè)分析了含有磁性納米顆粒的液滴信號(hào)，并與磁控機(jī)械隔離閥的分選閥進(jìn)行了聯(lián)通。這項(xiàng)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(chǎng)，但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，這種方式受到單個(gè)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(duì)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(gè)液滴位形成編碼序列的方法，如圖13所示[81]。為實(shí)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(hào)強(qiáng)度，進(jìn)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(jìn)制的編碼方式。依據(jù)不同級(jí)別的磁信號(hào)來對(duì)液滴進(jìn)行編碼，可以獲取(mN+m)/2數(shù)量的信號(hào)，其中m為磁信號(hào)的級(jí)別數(shù)目，N為編碼位數(shù)。

磁流入檢測(cè)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(jì)數(shù)待測(cè)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(cè)方法已經(jīng)被證明能夠用于篩選大量含不同信號(hào)強(qiáng)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(duì)于磁靜態(tài)傳感，當(dāng)有數(shù)百個(gè)待檢測(cè)的DNA陣列點(diǎn)時(shí)，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(huì)明顯增加多路測(cè)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(gè)自由移動(dòng)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(cè)相比，對(duì)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(duì)磁掃描探針系統(tǒng)進(jìn)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(chǎng)可被傳感器陣列檢測(cè)到，即可測(cè)得對(duì)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(cè)極限仍然高于熒光標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步的改進(jìn)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(shí)現(xiàn)。

2.6 無損檢測(cè)

近年來，在工業(yè)和運(yùn)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(cè)金屬部件缺陷的產(chǎn)生、擴(kuò)展和失效能夠顯著降低成本并提高生產(chǎn)率。無損檢測(cè)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(huì)對(duì)其造成損害[85-86]。但隨著硅技術(shù)和包括晶圓級(jí)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(cè)技術(shù)(包括渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)和聲發(fā)射等)難以對(duì)集成電路和微型器件進(jìn)行測(cè)試與故障分析，其檢測(cè)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(cè)技術(shù)。

2.6.1 磁成像技術(shù)

1980年以來被報(bào)道的以SQUID作為傳感元件的磁成像技術(shù)[88]，是對(duì)傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)的革新。其優(yōu)點(diǎn)在于它是一種完全無損、非接觸式的技術(shù)，且被測(cè)設(shè)備中產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(jìn)行高分辨率的內(nèi)部缺陷檢測(cè)。

其原理相對(duì)簡單：將被測(cè)設(shè)備通入電流，電流會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，并由設(shè)備周圍的傳感器檢測(cè)該磁場(chǎng)。通過對(duì)樣品進(jìn)行掃描，可以獲得磁場(chǎng)分布的磁像。進(jìn)而使用標(biāo)準(zhǔn)反演技術(shù)處理此磁場(chǎng)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(jìn)行對(duì)比，即可確定故障位置。這種方式早期也被用于檢測(cè)鐵磁性材料，通過施加定向磁場(chǎng)使其飽和，即可通過檢測(cè)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(cè)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(duì)無損檢測(cè)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(jià)格低廉、應(yīng)用環(huán)境簡單，同樣可以滿足完整探測(cè)設(shè)備磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室初級(jí)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(cè)

GMR磁傳感器有著帶寬高(超過1 MHz)、易集成的優(yōu)點(diǎn)，能夠方便地接收并處理高頻信號(hào)，這為掃描探針顯微鏡提供了一條利用磁傳感器檢測(cè)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(cè)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(gè)微磁鐵和一個(gè)相對(duì)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(chǎng)變化進(jìn)而可探測(cè)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(dá)到84 pm的分辨率，超過了最先進(jìn)的AFMs中光學(xué)手段可以達(dá)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(shí)，其上方磁鐵相對(duì)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(chǎng)分量Hx變化，進(jìn)而引起傳感器磁阻變化。通過兩個(gè)位置相對(duì)的傳感器，可以計(jì)算判斷出磁鐵的相對(duì)位移從而計(jì)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(duì)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shí)別，必須建設(shè)發(fā)達(dá)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其核心是測(cè)量寬頻帶范圍內(nèi)的各種微小電學(xué)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這對(duì)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(chǎng)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(cè)等方向有著較長遠(yuǎn)的發(fā)展。例如，巨磁阻磁傳感平臺(tái)用于測(cè)量分析生物磁標(biāo)記物數(shù)目，可完成對(duì)臨床樣本抗體含量快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)，已經(jīng)可以部分取代傳統(tǒng)光學(xué)標(biāo)記的檢測(cè)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(cè)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(cè)內(nèi)部器官磁場(chǎng)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(cè)儀器的使用。近年來，巨磁阻傳感器在無損探測(cè)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(cè)設(shè)備正在實(shí)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(cè)缺陷的位置和信號(hào)強(qiáng)弱或是對(duì)PCB高密度集成電路分析檢測(cè)，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(dòng)式檢測(cè)設(shè)備，便于對(duì)大型金屬材料設(shè)備損傷等進(jìn)行檢測(cè)，能夠顯著降低成本并提高檢測(cè)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(diǎn)。

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(shí)產(chǎn)權(quán)較為匱乏。但隨著國家政策對(duì)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(xiàn)。相信在不久的將來，巨磁阻傳感器會(huì)被更為廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，在智能感知、電力計(jì)量、無損探測(cè)、生物檢測(cè)等新興交叉領(lǐng)域占據(jù)更加重要的地位。