基于自旋閥巨磁阻傳感器的磁珠檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、生物傳感器在醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷以及生態(tài)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。近年來,生物傳感器一直是傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自從巨磁阻(GMR)效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后,基于巨磁阻效應(yīng)的生物傳感器成為生物傳感器領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究方向。巨磁阻生物傳感器主要由GMR傳感器和信號(hào)檢測(cè)電路組成,其檢測(cè)對(duì)象是含有免疫磁珠標(biāo)記的生物樣品。GMR傳感器具有靈敏度高、探測(cè)范圍寬、抗惡劣環(huán)境和制備成本低等優(yōu)點(diǎn),而且可以采用現(xiàn)有的微電子加工工藝制造,使得GMR傳感器易于集成化

2、。目前,巨磁阻材料有多層膜、自旋閥和隧道結(jié)等多種結(jié)構(gòu)類型,用它們制作的GMR傳感器均可用于生物樣品的探測(cè)。
　　用GMR生物傳感器進(jìn)行生物檢測(cè)的一般步驟是:首先在傳感器表面固定用于特定檢測(cè)的生物探針;再將生物樣品的目標(biāo)分子與免疫磁珠結(jié)合完成磁標(biāo)記;當(dāng)完成磁標(biāo)記的待測(cè)生物樣品試液流過傳感器表面時(shí),樣品試液中的目標(biāo)生物成分將被固定在傳感器表面的生物探針捕獲;最后在施加的外部激勵(lì)磁場(chǎng)的作用下免疫磁珠產(chǎn)生附加磁場(chǎng),磁珠產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)會(huì)使G

3、MR傳感器輸出信號(hào)發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品的探測(cè)?？梢奊MR傳感器的直接檢測(cè)對(duì)象是免疫磁珠,對(duì)免疫磁珠的檢測(cè)水平將直接決定著對(duì)生物樣品的檢測(cè)量。
　　除了GMR傳感器以外,另一個(gè)影響檢測(cè)性能的因素是信號(hào)檢測(cè)電路。因?yàn)镚MR生物傳感器的輸出信號(hào)十分微弱,為了提高檢測(cè)靈敏度通常需要采用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中常常采用鎖相放大器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。鎖相放大器是利用信號(hào)的相關(guān)原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),能最大限度地壓縮帶寬和抑制噪聲,從

4、而將掩埋在強(qiáng)噪聲中的微弱信號(hào)提取出來,具有很高的穩(wěn)定性和靈活性。但是商用鎖相放大器存在著體積大、價(jià)格昂貴和不適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等缺點(diǎn)。因此根據(jù)GMR生物傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)專用的弱信號(hào)檢測(cè)電路有其實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。本課題的工作目標(biāo)是設(shè)計(jì)制作一個(gè)磁珠檢測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)磁珠的定性檢測(cè),主要工作如下:
　?、俑鶕?jù)自旋閥GMR傳感器的工作原理及其特點(diǎn),確定它的工作模式及其輸出信號(hào)檢測(cè)方法,提出了磁珠檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。
　?、诟鶕?jù)檢測(cè)系

5、統(tǒng)的實(shí)際需要,設(shè)計(jì)制作亥姆霍茲線圈。
　　③根據(jù)相關(guān)檢測(cè)的原理,利用Matlab/Simulink軟件對(duì)弱信號(hào)檢測(cè)電路中相關(guān)檢測(cè)電路進(jìn)行了建模和仿真;在Quartus II11.0軟件平臺(tái)上完成了基于FPGA芯片的DDS電路控制、A/D轉(zhuǎn)換電路控制等模塊的邏輯設(shè)計(jì);在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了弱信號(hào)檢測(cè)電路的硬件設(shè)計(jì)、并繪制了相應(yīng)的PCB板圖,完成了該電路的制作。
　?、軐?duì)弱信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)