一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器及其制备方法 (Biological affinity type anisotropic magnetoresistance sensor and preparation method thereof ) 是由 刘明 周子尧 张晓慧 胡忠强 李春雷 查茜 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器及其制备方法,包括基底、铁磁层和电极,铁磁层设置在基底上表面,铁磁层上表面设置有电极；基底为丝素蛋白纤维基底。本发明将生物亲和材料丝素蛋白纤维与各向异性磁阻传感器相结合的方法,克服了丝素蛋白的缺点,没有使用传统的光刻工艺,而是借助专门设计的掩模版,仅通过真空磁控溅射的方法,制作了具有生物亲和性的各向异性磁阻传感器。本发明使磁传感器具有了生物亲和性,可以拓宽其在生物医学领域的应用,且具有低成本、工艺简单的优点。(A bioaffinity type anisotropic magnetoresistance sensor and a preparation method thereof comprise a substrate, a ferromagnetic layer and electrodes, wherein the ferromagnetic layer is arranged on the upper surface of the substrate, and the electrodes are arranged on the upper surface of the ferromagnetic layer; the substrate is silk fibroin fiber substrate. The invention combines the bioaffinity material silk fibroin fiber with the anisotropic magneto-resistive sensor, overcomes the defects of silk fibroin, does not use the traditional photoetching technology, but only uses a vacuum magnetron sputtering method by means of a specially designed mask plate to manufacture the anisotropic magneto-resistive sensor with bioaffinity. The invention makes the magnetic sensor have biological affinity, can broaden the application of the magnetic sensor in the field of biomedicine, and has the advantages of low cost and simple process.)
技术领域
本发明属于磁传感器技术领域，特别涉及一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器及其制备方法。
背景技术
磁传感器是一种将磁场、应变、温度、光照等环境因素变化作用下致使敏感元件的磁性发生相应的变化并将其转换成电信号，更加直观的表现出各种影响因素的变化。各向异性磁阻传感器是磁传感器中的一个重要的分支，其原理主要是利用了铁磁材料所具有的各向异性磁电阻效应。各向异性磁阻传感器是最适合在小磁场变化下工作的磁传感器，并且具有测量精度高、体积小、工作稳定、成本低等优点。由于各向异性磁阻传感器具有的诸多优点，使其可以应用到各类交通工具中，主要应用方向包括旋转位置传感器、电流传感、定向传感、航海类传感器以及虚拟现实技术。当然，各向异性磁阻传感器也在导航、车流控制、地表探测等方面给人们的生活和生产实践提供了帮助。
将各向异性磁阻传感器与生物亲和材料丝素蛋白纤维衬底相结合的过程中面临着诸多问题。首先，由于丝素蛋白纤维容易被水破坏的特殊性，致使其不能使用传统的光刻技术来制作磁传感器。其次，在丝素上生长薄膜引起的热效应会影响丝素卷曲，影响生长过程。这些问题阻碍着各向异性磁阻传感器在生物亲和性方面的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器及其制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器，包括基底、铁磁层和电极，铁磁层设置在基底上表面，铁磁层上表面设置有电极；基底为丝素蛋白纤维基底。
进一步的，其中铁磁层薄膜为NiFe、NiCr、CoFe、CoFeB、FeGaB、SmFe或FeCoSiB中的一种；电极为铜电极。
进一步的，一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备丝素蛋白纤维基底备用；
步骤2，制备掩膜版；
步骤3，使用步骤2的掩膜版固定步骤1的丝素蛋白纤维基底，然后用制备的丝素蛋白纤维基底制备铁磁层薄膜；
步骤4，在铁磁层薄膜上生长电极，形成样品；
步骤5，对样品进行最敏感角度和转角测试，得到合格的生物亲和型各向异性磁电阻传感器。
进一步的，步骤1具体为：
1)从蚕茧中提取出丝素蛋白纤维并对其进行提纯；
2)将丝素蛋白在1M LiCl/DMSO溶液中进行溶解后与甲基丙烯酸异氰基乙酯在60℃和干燥氮气环境下反应5小时来制备得到混合物；
3)将上述混合物倒入过量的冷乙醇中，沉淀出具有共轭甲基丙烯酸酯基团的蛋白质；
4)使用冷乙醇/丙酮的混合物对蛋白混合物进行洗涤，离心48小时以获得丝素溶液；
5)转移溶液到塑料容器中，确定溶液深度在4mm，静置12小时，待溶液凝固后将凝固的丝素薄膜取下，得到丝素基底。
进一步的，步骤2具体为：掩膜版由底层、中间层、顶层三个部分组成，底层是60*60*3mm的特制铝合金薄板；中间层是60*60*0.2mm的定制铝合金薄板，中间层共有两个图样，一个用来生长铁磁条，另一个用于生长电极；顶层是厚度为60*60*2mm的铝合金薄板。
进一步的，步骤3具体为：将丝素基底裁剪至合适大小并使用氮气吹净丝素基底表面后，使用特制的掩膜版将其固定在薄膜生长平台上；转移进磁控主腔后，用直流磁控溅射法在8.5x10-8Torr的真空度条件下，生长出铁磁薄膜。
进一步的，步骤4具体为：使用真空磁控溅射在8.5x10-8Torr的真空度条件下，在铁磁薄膜上生长出Cu电极。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明公开了一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器及其制备方法。将生物亲和材料丝素蛋白纤维与各向异性磁阻传感器相结合的方法，克服了丝素蛋白的缺点，没有使用传统的光刻工艺，而是借助专门设计的掩模版，仅通过真空磁控溅射的方法，制作了具有生物亲和性的各向异性磁阻传感器。本发明使磁传感器具有了生物亲和性，可以拓宽其在生物医学领域的应用，且具有低成本、工艺简单的优点。
附图说明
图1为本发明中各向异性磁电阻传感器的剖面示意图；
图2为掩膜版底层图样；
图3为掩膜版中间层图样；
图4为掩膜版顶层图样；
图5为最敏感角测试结果；
图6为转角测试结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图6，一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器，包括基底、铁磁层和电极，铁磁层设置在基底上表面，铁磁层上表面设置有电极；基底为丝素蛋白纤维基底。
其中铁磁层薄膜为NiFe、NiCr、CoFe、CoFeB、FeGaB、SmFe或FeCoSiB中的一种；电极为铜电极。
一种生物亲和型各向异性磁电阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备丝素蛋白纤维基底备用；
步骤2，制备掩膜版；
步骤3，使用步骤2的掩膜版固定步骤1的丝素蛋白纤维基底，然后用制备的丝素蛋白纤维基底制备铁磁层薄膜；
步骤4，在铁磁层薄膜上生长电极，形成样品；
步骤5，对样品进行最敏感角度和转角测试，得到合格的生物亲和型各向异性磁电阻传感器。
步骤1具体为：
1)从蚕茧中提取出丝素蛋白纤维并对其进行提纯；
2)将丝素蛋白在1M LiCl/DMSO溶液中进行溶解后与甲基丙烯酸异氰基乙酯在60℃和干燥氮气环境下反应5小时来制备得到混合物；
3)将上述混合物倒入过量的冷乙醇中，沉淀出具有共轭甲基丙烯酸酯基团的蛋白质；
4)使用冷乙醇/丙酮的混合物对蛋白混合物进行洗涤，离心48小时以获得丝素溶液；
5)转移溶液到塑料容器中，确定溶液深度在4mm，静置12小时，待溶液凝固后将凝固的丝素薄膜取下，得到丝素基底。
步骤2具体为：掩膜版由底层、中间层、顶层三个部分组成，底层是60*60*3mm的特制铝合金薄板；中间层是60*60*0.2mm的定制铝合金薄板，中间层共有两个图样，一个用来生长铁磁条，另一个用于生长电极；顶层是厚度为60*60*2mm的铝合金薄板。
步骤3具体为：将丝素基底裁剪至合适大小并使用氮气吹净丝素基底表面后，使用特制的掩膜版将其固定在薄膜生长平台上；转移进磁控主腔后，用直流磁控溅射法在8.5x10-8Torr的真空度条件下，生长出铁磁薄膜。
步骤4具体为：使用真空磁控溅射在8.5x10-8Torr的真空度条件下，在铁磁薄膜上生长出Cu电极。
实施例1
一种采用真空磁性粒子生长的方法，在生物亲和衬底丝素蛋白纤维表面制作各向异性磁电阻传感器的方法，包括如下步骤：
1)制备丝素蛋白纤维基底：从蚕茧中提取纤维蛋白并进行提纯；通过将纤维蛋白质溶解在1M LiCl/DMSO溶液中并与化学计量的甲基丙烯酸异氰基乙酯(IEM)在60℃和5小时的干燥氮气环境下反应来制备得到混合物；将混合物倒入过量的冷乙醇中，以沉淀出具有共轭甲基丙烯酸酯基团的蛋白质；将混合物在冷乙醇/丙酮的混合物中洗涤，离心48小时以获得丝素溶液；将溶液转移到直径4英寸的塑料容器中，保证溶液深度为4mm左右，静置12小时，待溶液凝固后将凝固的丝素薄膜取下，得到最终产物丝素蛋白纤维基底。
2)本发明中的掩膜版由底层、中间层、顶层三个部分组成，材料为铝合金，特制掩膜版的制作：底层是60*60*3mm的特制铝合金薄板，共需1片，主要作用是对薄膜进行机械地固定；中间层是60*60*0.2mm的定制铝合金薄板，起到遮挡作用，并可以利用其遮挡作用绘制出特定图案，中间层共有两个模型，一个为长条状用来生长铁磁条，另一个是四个正方形用于生长电极；顶层是60*60*2mm的铝合金薄板。
3)铁磁层薄膜的制备：将丝素基底裁剪至合适大小并使用氮气吹净丝素基底表面后；使用capton胶带将其固定在生长平台；转移进磁控主腔后，调整基底盘和靶材间距为27mm；使用直流磁控溅射法在8.5x10-8Torr的真空度条件下，控制氩气气压为5mTorr，在功率为50W下进行生长Ni0.81Fe0.19铁磁层，生长时间为400s，铁磁层厚度为10nm。
4)生长电极：在本底真空度为8.5x10-8Torr的条件下，控制氩气气压为5mTorr，在50W功率下进行磁控溅射生长Cu电极，生长时间为666.7s，电极厚度约为30nm；最终组成具有各向异性磁阻传感器功能的磁性薄膜。
实施例2
一种采用真空磁性粒子生长的方法，在生物亲和衬底丝素蛋白纤维表面制作各向异性磁电阻传感器的方法，包括如下步骤：
1)制备丝素蛋白纤维基底：从蚕茧中提取纤维蛋白并进行提纯；通过将纤维蛋白质溶解在1M LiCl/DMSO溶液中并与化学计量的甲基丙烯酸异氰基乙酯(IEM)在60℃和5小时的干燥氮气环境下反应来制备得到混合物；将混合物倒入过量的冷乙醇中，以沉淀出具有共轭甲基丙烯酸酯基团的蛋白质；将混合物在冷乙醇/丙酮的混合物中洗涤，离心48小时以获得丝素溶液；将溶液转移到直径4英寸的塑料容器中，保证溶液深度为4mm左右，静置12小时，待溶液凝固后将凝固的丝素薄膜取下，得到最终产物丝素蛋白纤维基底。
2)本发明中的掩膜版由底层、中间层、顶层三个部分组成，材料为铝合金，特制掩膜版的制作：底层是60*60*3mm的特制铝合金薄板，共需1片，主要作用是对薄膜进行机械地固定；中间层是60*60*0.2mm的定制铝合金薄板，起到遮挡作用，并可以利用其遮挡作用绘制出特定图案，中间层共有两个模型，一个为长条状用来生长铁磁条，另一个是四个正方形用于生长电极；顶层是60*60*2mm的铝合金薄板。
3)铁磁层薄膜的制备：将丝素基底裁剪至合适大小并使用氮气吹净丝素基底表面后；使用capton胶带将其固定在生长平台；转移进磁控主腔后，调整基底盘和靶材间距为27mm；使用直流磁控溅射法在8.5x10-8Torr的真空度条件下，控制氩气气压为5mTorr，在功率为50W下进行生长Co0.4Fe0.4B0.2铁磁层，生长时间为526.3s，铁磁层厚度约为10nm；
4)生长电极：在本底真空度为8.5x10-8Torr的条件下，控制氩气气压为5mTorr，在50W功率下进行磁控溅射生长Cu电极，生长时间为666.7s，厚度约为30nm；最终组成具有各向异性磁阻传感器功能的磁性薄膜。
本发明的附图1用于展示各向异性磁电阻传感器的剖面示意图，该器件由丝素基底、铁磁层和电极三部分组成。
本发明的附图2、附图3、附图4为实施例1、实施例2的步骤2中使用的掩膜版图样，为克服丝素衬底怕水的缺点，本发明中利用特定的掩膜版结合真空磁性粒子生长的方法避免了该问题的出现：本发明中的掩膜版由底层、中间层、顶层三个部分组成：底层是60*60*3mm的特制铝合金薄板，共需1片，主要作用是对薄膜进行机械地固定。图样如图1，图中圆孔为预留螺丝孔，便于将掩膜版组装和固定；中间层是60*60*0.2mm的定制铝合金薄板，起到遮挡作用，并可以利用其遮挡作用绘制出特定图案。本发明中设计的掩模图案，主要用于生长各向异性磁阻传感器结构。中间层共有两个模型，一个为长条状用来生长铁磁条，另一个是四个正方形用于生长电极。图样如图2，左侧两图样用于生长电极，右侧两图样用于生长铁磁长条，四周圆点为固定螺丝预留位；顶层是60*60*2mm的铝合金薄板，顶层和底层将中间层的掩模版和丝素基底固定并压平，防止薄膜在生长中受热蜷曲。顶层图样如图3，图中圆点为固定螺丝预留位，小正方形区域为生长薄膜留出空缺。
利用上述三部分组合而成的掩膜版，可以克服生物亲和材料丝素蛋白基底怕水的缺点，避免了使用传统的光刻工艺。利用本发明中的掩膜版，即可在真空磁性粒子生长的方法下，生成制备出具有生物亲和性的各向异性磁阻传感器。为各向异性磁阻传感器和生物亲和性材料的结合在一定程度上提供了解决办法。
本发明的附图5为实施例1中的各向异性磁阻传感器的最敏感角度测试结果，该样品在两组测试过程中，当磁性长条固定在与磁场方向夹角为45°时，磁阻对磁场强度的变化最为敏感，即此时电流方向和磁化方向平行，并将此时的角度确定为样品的最敏感角度。可以初步保证本发明制作的各向异性磁阻传感器具有基本的功能，样品满足了本发明的目标。
本发明的附图6为对实施例1中的部分样品进行转角测试结果。由图5可知，在固定磁场强度的情况下，测试样品在磁性长条与磁场夹角角度不同时，磁阻有着不同的变化强度，斜率越大处说明磁阻的变化越快。