基于巨磁阻效应的磁场传感器研究进展

王立乾，胡忠强，关蒙萌，吴金根，仙 丹，王琛英，毛 琦，王志广，周子尧，田 边，蒋庄德，刘 明

(1.西安交通大学电子科学与工程学院，电子陶瓷与器件教育部重点实验室与国际电介质研究中心，陕西西安 710049；2.西安交通大学高端制造装备协同创新中心，陕西西安 710049；3.西安交通大学微纳制造与测试技术国际合作联合实验室，陕西西安 710049)

0 引言

磁传感器能够感知与磁现象有关的物理量的变化，将其转换为电信号输出，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、电流等信息量，被广泛应用于汽车、导航、生命医学等多种领域[1-2]。从霍尔、磁通门传感器、各类磁阻传感器到光泵磁强计和超导量子干涉仪，磁传感器种类繁多，其灵敏度、适用范围也千差万别。随着信息技术的发展和物联网时代的到来，磁传感器在电力计量、无损探测、便携式生物检测等新兴交叉领域的需求越来越大，对磁传感器的体积、质量、功耗等性能提出了更高的要求。基于巨磁阻效应(giant magnetoresistance，GMR)的磁阻传感器，相比第一代的各项异性磁阻传感器和传统的霍尔等传感器，具有灵敏度高、体积小、热稳定性好、探测范围广等优点，而相比第三代隧穿磁阻传感器，GMR磁传感器又具有较好的CMOS兼容性和更简单的工艺结构，在传感器市场中占有的份额越来越高[3]。

经过三十多年的发展，GMR磁传感器已经获得了广泛应用，例如在汽车、航空等行业中，进行罗盘定位[4]、检测发动机转子方位[5]等；在电力系统中，进行电流大小检测及设计反馈式控制电路；在生物医药及无损检测等交叉领域，通过磁传感器与检测装置结合，将传统光学及电学方式进行的检测转换为磁学检测，从而实现隔离式、低噪声、高灵敏度的检测功能[6]。本文主要针对GMR磁传感器在不同应用场景下的器件原理和结构进行介绍，并对其发展前景进行了展望。

1 巨磁阻原理与发展

自1988年，Baibich等人发现巨磁阻效应以来[7],在许多形式的(铁磁/非磁)多层结构中都观察到了这种磁阻效应，包括Fe/Cr,Co/Cu以及双矫顽场如(NiFe/Cu/Co/Cu)n[8-9]等结构。在这样的磁性多层薄膜中，每层的厚度保持在nm范围内，使得连续的铁磁层薄膜有着自发的相反的磁化取向，因此在零场下电阻很高。而当施加较大的磁场时，各铁磁层磁化取向一致，电阻会显著降低。这个过程中测得的磁阻变化率比各向异性磁阻大得多，为了有别于一般的各向异性磁阻效应，因此被称为巨磁阻效应。GMR的发现引起了广泛的关注，这是凝聚态物理学的一项重大成就。在此后的多年里，对其作用机理的研究一直没有突破性进展，目前广泛采用二流体模型来解释[10-11]：由于传导电子的非磁性散射大多不能使电子的自旋发生反转，所以可将电子分为自旋向上和向下两个几乎独立的导电通道，相互并联。当电子的自旋与铁磁金属的自旋向上的3d子带平行时，其平均自由程长而电阻率低。当其与铁磁金属自旋向下的3d子带平行时，其平均自由程短而电阻率高。因此当相邻铁磁层的磁矩呈反铁磁耦合时，无论哪种自旋朝向的电子都会周期性地受到强、弱散射，表现为高阻态，如图1(a)、图1(b)所示。而当相邻铁磁层的磁矩在磁场下趋于平行时，与铁磁层电子自旋方向相同的电子均受到较弱散射，构成短路状态而具有低阻态，如图1(c)、图1(d)所示。

尽管GMR的电阻变化率高于各向异性磁阻效应一个数量级，但当时距离实际应用仍有很多困难，如反铁磁耦合的多层膜需要非常高的磁场(kOe量级)才能有明显的磁阻变化，而双矫顽力的多层膜磁阻无法自动复位等。所有这些困难，都随着1991年被称为自旋阀结构的发明得以克服[12]。自旋阀结构主要由被非磁性层隔开的2个磁性层组成，一层的磁化方向因与相邻反铁磁层的交换偏置作用而固定[13]，另一层可在外加磁场中自由翻转。由于两层间的耦合非常弱，因此在很小的磁场下就会有磁化从平行到反平行的结构变化，使其在弱磁场下即具有较高的灵敏度[14]。

随着自旋阀的发展和广泛应用，短时内就迅速研发出一系列具有深远影响的磁电子学新器件。它最初被美国IBM公司应用于硬盘驱动器的读磁头[15]，使计算机外存储器容量获得突破性增长，内存方面的开发也引起内存芯片的革命[16]。由于GMR的磁阻变化与外部磁场呈线性关系，可以根据磁阻大小探测外部磁场大小。因而随着自旋阀结构的出现，其在传感器领域的应用也蓬勃发展，目前已经被广泛应用于汽车、导航、生命医学等领域。

2 GMR磁传感器的应用

GMR磁传感器是利用传统的微纳加工技术(光刻)直接在基底(硅、玻璃、氧化铝绝缘体等)上，用蒸镀[17]、磁控溅射[18]、离子束溅射[19]和分子束外延[20]等方式制备的。结构上采用自旋阀与人工反铁磁结构相结合，极大地减少了两铁磁层的层间耦合，优化了传感器的测量范围[21]，并通过添加极薄的Co金属层，大幅提高了磁阻的比值[22]。通过控制每层的薄膜厚度、结晶度和材料矫顽场等参数，最终制备得到线性磁场传感器[23]。而且自旋阀的应用，使得弱磁场下传感器灵敏度得到了极大的提高，是其取代之前各类磁传感器的关键[24-25]。随着微纳加工技术的发展，目前GMR磁传感器已经可以集成在10 μm2的面积内，并在晶圆上大规模制备，这使得它能够通过晶圆键合技术和传统的印刷电路等方式，整体集成到标准CMOS芯片中，以适应不同的应用场景，这是GMR磁传感器相比传统磁传感器的独特优点之一。以下针对不同应用场景下的GMR器件原理和结构进行详细介绍。

2.1 线性磁传感器

2.2 应用于电网的电流测量传感器

电流传感器分为直接式和间接式2类。其中直接式是通过电阻在电压两端产生的压降来确定被测电流的大小，结构简单，不受外磁场干扰，性能可靠，如分流器设备。但它会产生插入损耗，工作带宽有限，器件发热严重。而间接式测量是通过测量电流所产生的磁场大小，计算得到被测电流的大小，又称为非接触式测量，避免了直接式电流传感器的诸多问题，同时比直接式测量的精度更高、线性度更好，因此成为目前电流传感器研究的重要方向[32]。

2.2.1 集成电路电流检测传感器

基于集成电路的电流传感器，由于电路空间所限，很多情况下设计自由度很小[33]。对此，常采用惠斯登电桥结构来设计传感器，即可以利用灵活多变的电桥配置来应对不同的集成电路设计，实现电阻变化函数的差分输出和较高的灵敏度。如图3所示，面对不同的电流路径，可以有着灵活的电桥设计方式[34-36]。同时，为避免二次沉积导致的电阻不匹配问题，所设计传感器元件结构均可通过单次沉积获得。

如果被测电流的路径已经固定且无法修改，如图3(a)所示，可以采用双元件传感方式，使其具有成对的相对敏感结构，这种设计在面对任意结构的集成电路时均可使用[37]。如果被测电流的路径可以修改，则可以考虑如图3(b)和图3(c)所示的设计[38]。在这2种情况下，由于电流流向的改变，使得4个相同的传感元件有着两两相反的电阻变化，因此具有全桥惠斯登结构的特性和最高的灵敏度。图3中，3种设计均是通过端口1、2外加偏置电压，测量端口3、4间的输出电压来测量电流的变化。目前集成于电路中的传感器可以达到1 mV/(VmA)以上的灵敏度[39]。

2.2.2 反馈式直流电流传感器

除直接集成于电路中的电流传感器外，很多应用场景并未限制传感器的应用空间，由此衍生出一种反馈式智能电流传感器[40]，能够更精确地测得电流参数。这种电流传感器主要包括3部分：巨磁阻线性磁传感器与被测电流组成的测试部分，放大电路和反馈电路，反馈电阻部分,如图4所示。

其工作原理为：当电流流过被测导线时，GMR磁传感器由于磁场变化而产生电压信号，经过信号放大与功率放大后，产生反馈电流。反馈电流产生与被测电流相反的磁场，进而抵消磁环内的磁通量，使得GMR磁传感器输出信号降低直至归零。经过连续振荡反馈后，将得到反馈电流正好抵消被测电流所产生的磁场，GMR磁传感器无电压输出。此时测量外接的反馈电阻，即可获得反馈电流的大小，间接计算出被测电流大小。采用反馈式设计，使得GMR磁传感器始终工作于零磁场情况，处于对外磁场变化最灵敏的状态，对测量精确度有很好的保障[41]。

基于GMR的传感器已经被证明适合在电路中监测电流，包括单电阻、半桥、惠斯登全桥在内的不同设计可以应对各种实际需求。而且它们与标准CMOS技术、专用和通用技术的兼容性，使得GMR磁传感器成为非接触式电流传感技术的重要基础[42]。

2.3 应用于汽车行业的多类型传感器

汽车传感器是汽车电子控制系统的关键部件，它能够在非接触的状况下，对转速、位移、角度、加速度、温度等各种信息进行实时、准确的测量和控制[43]。基于半导体集成电路技术发展的GMR磁传感器，相比传统的霍尔传感器，集成度和灵敏度更高，能够大规模生产，目前已经在汽车抱死系统(ABS)、汽车发动机点火系统、方向控制系统等方面得到了广泛应用[44]。

2.3.1 转速传感器

磁场传感器可以通过检测磁场变化来检测目标轮转速及方向，多应用于车速转速检测及发动机点火系统。其测量转速采用的是差动原理，即采用一对信号输出相反的传感器，通过采集信号的峰峰值来判断转速。目前多采用2个钉扎层方向相同的GMR磁传感器，将其按合适的距离放置于齿轮下方。当轮齿正对芯片时，放置于齿轮两侧的GMR磁传感器会受到相同大小，但方向相反的磁场影响，此时信号输出最大，由此产生的信号经过进一步处理，即可得到转速结果[45]。

主要测试方式有2种：一种是使用南北极交替磁化的磁极轮，如图5(a)所示，传感器安装在该极轮附近，通过监测传感器的输出信号频率可以直接测量转速，这种结构较为简单，已广泛应用于GMR转速传感器中。另一种是使用铁磁性的靶轮，在这种结构中，磁场需要一个外加的磁铁来产生。旋转的目标轮的齿形和槽形会对磁场进行调制[46-47]，之后通过传感器测量磁场的变化频率，进而得到转速，其结构如图 5(b)所示，被称为后偏置(back bias)结构[46]。由于霍尔传感器具有垂直于芯片表面的灵敏度轴，且无信号饱和的优点，这种结构曾被广泛应用，但它在GMR磁传感器的应用中遇到了许多困难。GMR磁传感器测量的是沿芯片表面的磁场，且工作范围在几十Oe内，由于转轮转动过程磁场变化剧烈，时常导致GMR磁传感器偏离工作区域甚至达到饱和区域，两个传感器难以同时正常运行。最终只能通过抑制背磁强度来使其正常运行，额外增加了许多成本。这一问题最终通过改进磁铁的形状设计得到解决，如图6所示。该设计由英飞凌公司提出，它通过特定的形状改变了传感器附近磁场分布，使传感器附近磁场垂直于其工作平面，避免了传感器因磁场过强而饱和。而且由于该设计无需考虑定位误差，因此可直接与铁磁性靶轮配合使用，此种转速传感器精度很高。这一设计目前已投入实际生产应用。

2.3.2 角度传感器

GMR角度传感器的基本元件为GMR线性传感器，但是其工作区域并非在零磁场附近，而是在饱和场区域[48]。在角度传感器工作状态下，自由层磁化的方向与外磁场方向一致，而钉扎层磁化由于交换偏置作用而保持不变，此时GMR元件的电阻率只取决于外部磁场相对于钉扎层磁化的方向。但仅靠GMR磁传感器的输出电压，只能判断磁场的方向与钉扎层磁化方向的夹角，而无法得到具体指向。为明确探测磁场方向，需采用如图7所示的传感器结构。

图7所示的角度传感器包含12个钉扎层方向彼此正交的全桥结构GMR芯片[49]。图中虚线箭头代表钉扎层的磁化方向，实线箭头为施加0°方向的饱和强度磁场时自由层的磁化方向。当磁场方向改变，导致GMR电阻发生变化，桥结构输出电压信号。假如磁场旋转360°，传感器1将提供一个正弦信号，而传感器2提供一个余弦信号，两信号即可用来计算磁场矢量的绝对角度。相比于AMR传感器只能探测180°的磁场角度变化，GMR使用此原理可探测360°范围的角度变化。

2.3.3 转子位置传感器

随着液压系统向电气系统的融合和转变，汽车上的电动换向电机越来越多。这种无刷电机有着无易损件、低噪声、低转矩脉动的优点。为了保证电动机能够精确换向，在较大的转速变化范围内，转子的位置必须能够进行精确的测量。对电机转子位置的测量，也是对GMR角度传感器的一项实际应用[5]。图8为转子位置传感器，其包括电动机、齿轮、端口磁铁与GMR角度传感器4部分。首先在转子前端固定一块磁铁，能够对外产生具有较大强度的定向磁场，该磁场穿过GMR角度传感器平面，使传感器能够实时判断该磁场的角度，不同角度可对应转子位置。传统的AMR的传感器由于只有180°的测量范围，只能用于双极电机[50]，而GMR角度传感器具有360°的测量范围，因此可用于偶极对电机和奇极对电机。

如今，利用GMR效应制成的高灵敏度和高分辨率的各类传感器，已经被广泛应用于汽车自动控制的各个方面，随着汽车行业的发展，对传感器的需求也越来越多，GMR汽车传感器必然有着更广阔的应用前景。

2.4 罗盘

电子罗盘作为一种新型的低能耗、小体积、高精度、微型化的姿态传感器，目前已经被广泛应用于航空航天、车辆导航、智能设备等领域。传统的测量地磁场的传感器主要有磁通门传感器、霍尔传感器、AMR传感器3类。它们的发展已经较为成熟，能够制备适应各类环境的不同衬底类型的传感器[51]。但它们同样各有缺点，磁通门传感器体积大、频响特性差，而霍尔传感器灵敏度低、温度特性差。AMR传感器虽然比前两者应用更多，但其灵敏度更低且需要额外的置位/复位电路，较为复杂[52]。相比之下，GMR磁传感器有着高灵敏度和磁场分辨率，且线性度好，后端电路简单，是电子罗盘的发展方向[4]。

基于GMR磁传感器的三维电子罗盘，其具体原理如下[53-54]：首先利用传感器测量载体坐标系(Hx、Hy、Hz)三轴方向上的地磁场分量(hx、hy、hz)，再用加速度倾角传感器测得载体姿态角(包括横滚角与俯仰角)，将载体坐标系中的地磁场分量换算成水平地理坐标系(X、Y)中的地磁场方向(Xh、Yh)，即可得到载体方向与地磁北极方向的夹角。再加上磁偏角补偿，即可得实际地理北极方向。具体了解电子罗盘工作原理，必须了解以下几个名词定义：

俯仰角：罗盘载体的前进(纵轴Hy)方向与水平面之间的夹角，记为φ，如图9(a)所示。

横滚角：水平面与罗盘载体的前进方向的垂直(横轴Hx)方向之间的夹角，记为θ，如图9(a)所示。

地磁航向角：罗盘载体的前进方向，在水平面的投影与地磁北极的夹角，如图9(b)所示。

磁偏角：地球表面任一点的地磁场矢量方向在水平面的投影，与地理坐标系正北(Y轴)方向的夹角，如图9(b)所示，具体数值依据各地实际测量得到。

地理航向角：罗盘载体的前进方向，在水平面的投影与地理北极的夹角。由磁偏角加上地磁航向角，即可求出。

当把传感器的灵敏度调节到最佳点后，可以精确测得地磁场在载体坐标系下，三轴的磁场强度分量。而通过加速度倾角传感器，可以测得载体三轴方向上重力加速度分量Ax、Ay、Az，计算可得到横滚角与俯仰角分别为:

将测得的俯仰角和横滚角与测得的磁场分量hx、hy、hz结合计算，即可转化为地理坐标系下的磁场强度Xh与Yh：

Xh=hx·cosφ+hy·sinθ-hz·cosθ·sinφ

Yh=hy·cosθ+hz·sinθ

目前，基于新型GMR磁传感器三维的电子罗盘仅初步发展，但其能够有效补偿地磁干扰，测量精度很高，在手机、汽车、船舶等导航系统中具有很高的应用价值。

2.5 应用于生物医学的传感器

近年来，GMR磁传感器被广泛用于生物传感器检测，其高灵敏度和低成本满足了当代生物检测的需求。目前GMR磁传感器已经在生物监测、生物标记监测等领域有了一定的应用，采用的方法是传感器检测生物样本分子密度，通过生化技术使得被测生物分子与纳米磁性颗粒结合，进而利用GMR磁传感器检测纳米颗粒密度，即可测得特定生物分子数量[55]。基于GMR磁传感器的生物检测平台，以磁性颗粒为信号供体，与传统方式相比，有着独特优势：一是大部分临床样本(血液、尿液等)基本不含有磁性物质，背景信号低，使对信号采集没有阻碍；二是每个传感器区域有独立的检测颗粒，不会出现传统光学信号相互干扰的问题[6]。而且GMR磁传感器灵敏度更高，易于集成，可设计成微阵列，在生物医学检测方面有着很高的应用价值[56-57]，被广泛关注。此外，基于生物心脏微磁测量和脑微磁测量的概念也有提出[58]，但仍不成熟，还需较长时间的发展。

2.5.1 磁静态传感

利用磁阻传感器探测固定磁性粒子/标签的磁杂散场的形式，一般被称为“磁静态传感”。磁静态传感多采用传感器微阵列作为测试平台，通过在传感器阵列的基板表面对应区域描绘不同类型的捕获分子，可用于多重免疫测试[59]。由于单个磁阻传感器条纹通常只用于单分子检测，因此测试平台要求GMR磁传感器阵列的尺寸与磁性标签相匹配。目前对于GMR磁传感器的大小和形状已经有着较成熟的设计，应用最多的是矩形和曲流形，也有采用螺旋和环状的[60]。这些设计增加了传感器的长宽比，使更多的传感器集成于小的区域，并且增加了测量的灵敏度[61]，目前传感器的长度已可以减小到几μm量级。

测试前，为避免传感器与待测样本接触，需要在传感器阵列表面实行钝化处理。钝化处理目前有2种可选方法，一种是采用Al2O3/SiO2双分子层或Si3N4等材料，它们可以通过真空沉积的方式获得超薄薄膜(低于30 nm)，而使得传感器能精确测量超顺磁纳米颗粒[62-63]。另一种是采用聚合物旋涂的方式，这种方法方便快捷，不需要真空环境。但是不同聚合物对待测样本的影响不同，需谨慎选择，且旋涂得到的最薄厚度也至少比Si3N4薄膜厚一个量级。

其测试原理如图10所示[64](以抗原抗体为例)，过程如下：

(1)将捕获抗体通过生物化学反应固定在传感器钝化层表面。

(2)含有未知浓度的待测抗原的溶液在传感器表面流动，使待测抗原与表面的捕获抗体结合，固定在传感器的表面。

(3)磁性颗粒通过表面改性，与检测抗体结合，使检测抗体被标记。将检测抗体改性后的磁性颗粒溶液流经传感器表面，与待测抗原结合，完成二抗反应，使磁性颗粒也固定在传感器表面。

(4)由于磁性颗粒存在，GMR磁传感器受到弥散场的作用，电阻发生变化，根据经验公式进行分析可以推测出待测抗原的浓度。通常在一个传感器平台上，会有数种不同的捕获抗体分布于对应区域，这样可以同时检测多种待测抗原，能够对样品进行更完善的检测。

基于GMR的磁静态生物传感器发展较为成熟，目前已部分投入生产应用[65-66]。

2.5.2 单相磁流入式检测

磁标颗粒对磁传感器发生相对运动的检测方式，目前被统称为磁动态传感。磁动态传感通常只需一个磁传感器集成于流体通道中作为检测元件，消除了多传感器之间的变化所带来的诸多问题，这使其相比磁静态传感更有优势。而且磁动态传感可以在单细胞水平上进行分析，不再受限于传感器的面积与传感器数量，可以用于大规模多路分子筛选，这使其在细胞研究和分子生物学中有很好的应用前景[67]。

目前磁动态传感已向多个方向发展，但主要方向仍是磁流入式检测，它最初的目的是实现传统光学流入式检测的关键功能。方法是通过一个微观通道来限制磁性颗粒，外加压力使得磁性颗粒流经管道，借由传感器对其数目进行采集的一种方法[68]。原理如图11(a)所示，被标记的待测分子经微观通道流过磁传感器，其标记磁性颗粒改变了周围的磁场，改变了磁传感器的电压输出信号，从而被计数[69]。由于磁性颗粒在运动过程中，其磁偶极矩分布在整个圆周方向上，因此多采用管状微观通道，配合柔性GMR磁传感器应用[70]，以探测360°范围的磁场变化，来提高检测的灵敏度。柔性GMR磁传感器设计通常如图11(b)所示，4个蛇形的GMR磁阻横向分布，能够同时接收磁性颗粒信号，并连接为惠斯登电桥结构以提高性能。为提高计数精度，磁性通道的尺寸需与被测颗粒尺寸匹配，并采取磁光辅助等方式[71]，避免多个颗粒同时经过传感器。

2.5.3 多相磁流入式筛选

磁流入式检测不仅在基于细胞的单相流态研究中有很好的应用前景，而且可以与一种新型的多相流态结合，用于对液滴的高通量筛选[72-73]。此方式是利用大量液滴来封装各种生物化学物质，包括细胞、药物、蛋白质和颗粒等[74]。通过将含有不同测定物的水溶液注入非混相，由于施加在液相上的剪切力，可以制备体积为μm到nm量级的微小液滴。此方法制备的液滴比传统方法批量制备的液滴具有更小的粒径分散性，有利于进行均匀的生化反应和控制细胞培养[75-76]。随后应用流入式检测的方法，使液滴逐滴通过传感器，进行高频率的计数和定量，可大规模地对液滴进行检测和高通量筛选[77]。

由于目前对药物的研究过程中，需要同时辨别的组分可能高达数十种[78]，传统的无标签检测方法和光学标记方法均不适合使用。前者易受到pH、离子强度等环境因素的影响[68]。而传统的荧光标记组合的方式，则受限于光学的动态范围和灵敏度。相比之下，磁流入式由于其对环境不敏感的检测原理，使得它非常适合对特定标记的液滴样品进行编码，适合高通量筛选。目前多相磁流入检测的原理是将不同数量的磁性纳米颗粒封装在液滴中，产生不同水平的磁信号，以对不同液滴进行编码，再利用GMR磁传感器检测液滴中磁性纳米颗粒杂散场来筛选液滴。

依此原理，在由聚四氟乙烯(PTFE)管构成的微流控网络中，Lin等首次演示了磁流入式的液滴分选(MADS)技术，如图12所示[79]。将含有不同大小液滴的通道相连，使液滴混合，随后流经GMR磁传感器，传感器检测分析了含有磁性纳米颗粒的液滴信号，并与磁控机械隔离阀的分选阀进行了联通。这项工作首次表明，含有不同大小磁性纳米颗粒的液滴可以被传感器分析，并可被控制分选流向不同通道。通过缩小传感器和通道的尺寸，可以高保真地分离出不同大小和含有不同浓度磁性纳米颗粒的液滴。虽然这种方法可以很好地控制编码的液滴的杂散磁场，但在后续的研究中发现，这种方式受到单个液滴所能封装的最大磁颗粒含量的限制，为确保灵敏度，可选液滴的种类很少，不利于大规模的编码应用[80]。

为应对大规模编码筛选的需求，后续研究提出了一种在微流控通道中利用多个液滴位形成编码序列的方法，如图13所示[81]。为实现编码需求，用液滴发生器产生了带有不同数量磁性纳米颗粒的液滴，这些颗粒具有不同的磁性信号强度，进而成功创建了包含4位数字的唯一液滴序列，演示了一种二进制的编码方式。依据不同级别的磁信号来对液滴进行编码，可以获取(mN+m)/2数量的信号，其中m为磁信号的级别数目，N为编码位数。

磁流入检测的方式已经被证明能够在复杂不透明的样品中高精度地计数待测分子含量[82]。且通过与新兴的微流体液滴技术结合，利用纳米磁性颗粒和传感器分析技术，多相流入式的检测方法已经被证明能够用于筛选大量含不同信号强度的液滴，在生物医学的高通量筛选方面，有着很好的应用潜力。

2.5.4 磁性扫描探针阵列

对于磁静态传感，当有数百个待检测的DNA阵列点时，相应所需的集成磁传感器阵列至少要增加到相同数量。这会明显增加多路测试的成本、技术难度和系统复杂性[83]。因此可以采用一个自由移动的磁传感器阵列扫描固定的样品阵列来克服这些困难[84]，原理类似于使用传统的激光扫描显微镜来成像用荧光标记的DNA阵列。与磁静态传感和磁流入式检测相比，对磁性扫描探针阵列的研究很少，目前的研究主要集中在原理论证方面，Chan等人对磁扫描探针系统进行了演示，其原理如图14所示。

将DNA阵列旋涂在载玻片表面，然后采用标准捕获法将磁性颗粒标记在DNA分子表面，其具体方法与磁静态传感一致。磁性颗粒的杂散场可被传感器阵列检测到，即可测得对应区域DNA分子的数目以及区域大小。在现有的技术条件下，磁性扫描探针阵列的检测极限仍然高于荧光标准，进一步的改进可以通过减少传感器间距以及采用更小尺寸的磁性颗粒来实现。

2.6 无损检测

近年来，在工业和运输行业中，确保系统的可靠、完整和安全性变得至关重要，检测金属部件缺陷的产生、扩展和失效能够显著降低成本并提高生产率。无损检测技术满足了这一需求，既能收集相关结构的状况信息又不会对其造成损害[85-86]。但随着硅技术和包括晶圆级封装、堆叠式裸片等3D封装集成技术的发展，芯片的不透明层和金属层数量倍增[87]。这导致传统的无损检测技术(包括涡流检测、超声检测和声发射等)难以对集成电路和微型器件进行测试与故障分析，其检测分辨率低且无法定位内部缺陷，这迫使人们寻找新的无损检测技术。

2.6.1 磁成像技术

1980年以来被报道的以SQUID作为传感元件的磁成像技术[88]，是对传统无损检测技术的革新。其优点在于它是一种完全无损、非接触式的技术，且被测设备中产生的磁场几乎完全不受外部封装技术中的所用材料影响，可以穿透多层金属、绝缘体甚至是垂直堆叠的芯片，因此可以进行高分辨率的内部缺陷检测。

其原理相对简单：将被测设备通入电流，电流会在其周围产生磁场，并由设备周围的传感器检测该磁场。通过对样品进行扫描，可以获得磁场分布的磁像。进而使用标准反演技术处理此磁场数据[89]，即可获得设备的电流密度图，将此电流图与无故障电流图或光学红外图像进行对比，即可确定故障位置。这种方式早期也被用于检测铁磁性材料，通过施加定向磁场使其饱和，即可通过检测漏磁分布图像得到缺陷信息。

SQUID虽然具有超高的灵敏度和检测范围，但为保持空间分辨率必须采用复杂的仪器设备在低温下工作，已经逐渐无法满足行业对无损检测技术的需求。而磁阻传感器，尤其是第二代GMR磁传感器有着良好的空间分辨率，而且价格低廉、应用环境简单，同样可以满足完整探测设备磁场的需求，目前已开始被应用于磁成像技术中[90-91]。但其应用目前还处于实验室初级阶段，仍需后续研究。

2.6.2 悬臂梁探针传感器——用于表面探测

GMR磁传感器有着带宽高(超过1 MHz)、易集成的优点，能够方便地接收并处理高频信号，这为扫描探针显微镜提供了一条利用磁传感器检测悬臂位移的新途径，可以代替传统的光学或压电检测模式。Sahoo等人提出了一种将磁传感器应用于悬臂梁探针的方案[92]，其关键是在悬臂梁末端加一个微磁铁和一个相对悬臂固定的磁阻传感器，当悬臂梁位置改变，传感器附近磁场变化进而可探测出悬臂梁的位移。这种结构理论上能够在1 MHz带宽下达到84 pm的分辨率，超过了最先进的AFMs中光学手段可以达到的200 pm。

其具体结构原理如图15所示，当悬臂梁探针发生位移时，其上方磁铁相对GMR传感芯片发生位移，导致其在GMR磁传感器平面的磁场分量Hx变化，进而引起传感器磁阻变化。通过两个位置相对的传感器，可以计算判断出磁铁的相对位移从而计算样品表面的形貌构造[93]。

3 总结与展望

基于巨磁阻效应的磁传感器在过去的几十年里得到了长远的发展，它能够满足人们对新一代传感器尺寸、灵敏度及热稳定性等越来越高的要求，且与标准CMOS工艺具有极高的兼容性，在汽车、航空等传统行业已经有着较为成熟的应用。而随着智能电网、物联网的发展，为实现先进数字化信息网络对终端用户的智能化管理，提高资源利用效率及满足灵活的网络拓扑识别，必须建设发达的传感器网络，其核心是测量宽频带范围内的各种微小电学信号，实现对智能网络各关键节点的实时监测。这对传感器提出了许多新的性能指标需求，巨磁阻传感器由于其优异的性能，正逐步取代传统磁传感器的地位，占据越来越多的市场份额。

此外，巨磁阻传感器在性能方面相比传统传感器得到了极大提高，满足了许多交叉领域应用的需求。在生物医药领域中，巨磁阻传感器已经在生物检测等方向有着较长远的发展。例如，巨磁阻磁传感平台用于测量分析生物磁标记物数目，可完成对临床样本抗体含量快速、精准的检测，已经可以部分取代传统光学标记的检测方式，具备很好的穿透性和准确度。而在心磁、脑磁等生物微磁测量领域，采用磁阻传感器的非接触诊断装置已有构架，可通过小型化传感器探头检测内部器官磁场变化，用于诊断早期的缺血性心脏病、阿尔兹海默病等重大疾病，虽然这种诊断方式还处于初步阶段，但随着高性能磁传感技术的发展，其应用将逐渐成熟，有望部分取代大型昂贵医用磁检测仪器的使用。近年来，巨磁阻传感器在无损探测领域的应用也在逐步发展，基于该传感器的探头及相关显微探测设备正在实现。如在涡流探伤的设备中利用巨磁阻传感器，能够更准确地探测缺陷的位置和信号强弱或是对PCB高密度集成电路分析检测，在磁成像领域，采用磁阻传感器阵列可以构建小型化、移动式检测设备，便于对大型金属材料设备损伤等进行检测，能够显著降低成本并提高检测准确度。因此，GMR磁传感器在交叉领域的拓展和应用将成为下一步研究的重点。

国内GMR磁传感器研究起步较晚，与国外相比，技术积累不足，知识产权较为匮乏。但随着国家政策对传感器领域越来越有力的支持，国内不少科研院所、企业等单位在该领域做出了原创性的突出贡献。相信在不久的将来，巨磁阻传感器会被更为广泛地应用于各行各业，在智能感知、电力计量、无损探测、生物检测等新兴交叉领域占据更加重要的地位。