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巨磁传感器应用于医疗设备的新篇章自旋电子固态传感器已应用于工业中，对这一领域进一步的研究也可能会使它应用于医疗设备。DanielA.Baker,JayL.Brown,andCarlH.Smith量子力学认为电子有两种稳态——上和下。随着纳米加工方法的改进,设备制造公司将这一技术应用于设备制造中.被称为自旋电子学的技术已经用于提高硬盘存储密度.自旋电子传感器应用于业领域至少有五年的历史，例如机器人制造中应用了磁圆筒位置检测计。这篇文章总结了当前自旋电子传感器在医疗中的应用、传感器的结构、操作和设计思路以及它们在医疗器械方面的发展前景。自旋电子传感器军事方面的应用对自旋电子传感器的开发产生了很大的促进作用。在医疗行业中，这类传感器通常作为机电磁开关的替代品，例如安瓿和微型机电系统(MEMS)弹簧开关。由于没有活动部分，与电子传感器比较起来，自旋电子传感器除了其固有的可靠性外，还具有更高的灵敏度和精度。相对于其它固态传感器，自旋电子传感器具有更高的灵敏度和精度，而且不易被强磁场破坏。此外,自旋电子传感器与传统的半导体处理器相兼容,这有利于制造高集成度的传感器系统。模拟传感器可以检测到低于0.1nT的磁场，数字传感器磁性操作点低达1mT，重复性优于1%。可将以下数据作为参考,地球磁场是0.05mT,磁共振成像系统磁场强度一般为1-3T。自旋电子传感器逐渐应用于第一类医疗设备，如空气传导助听器。在助听器中，传感器检测到电话或其他电子设备后自动进入信号处理模式。例如，当使用助听器的人用手机时，灵敏的传感器就能检测得到.厂商也愿意使用这种传感器，因为它结实，抗震性强。此外,这种传感器体积小这一点也有利于助听器的小型化。自旋电子传感器也可应用于第三类医疗设备，如心率震动器、可植入的心脏复率器的电震发生器、神经调节器等。一个非常重要的应用就是植入设备中在程序磁激活和特殊模式下替代安瓿和微型机电系统(MEMS)开关。同样，其无活动部分和小体积的特点使得它非常适合应用于可移植设备。正因为具有这些特点，自旋电子传感器与机电传感器相比，在温度和电压范围方面，自旋电子传感器具有更高的精度和更好的可重复性。与机电传感器不同，自旋电子传感器在长时间内操作点稳定且重复性好，对机械震动和冲击抵抗力强.。良好的精度和可重复性（高于百分之一）使得它在要求的磁场范围内稳定运行，同时减少意外启动的可能性。巨磁阻效应大多数自旋电子传感器利用了一种称作巨磁阻效应（GMR）的原理。GMR昀早是在1988年被巴黎肃德大学的研究人员所发现。“巨“这个字眼似乎与具有纳米属性的设备格格不入,但这里指的是在磁场中电阻变化巨大（进入商业应用的设备电阻变化10%--20%,实验室中装置变化达100%),而其它类型的磁传感器昀多只变化几个百分点。GMR是一种层状结构，外层是铁磁合金，中间层的一个超薄非磁性导体层（参看图1.A），上海有限公司-1-电话：非磁性导体层一般是由铜构成。通常情况下，铜是良好的导体，但当它的厚度只有几个原子时，电子散乱分布导致其电阻显著增大。电阻的改变取决于围绕在导体层外的电子的相对旋转方向。当处于磁场中时，磁性材料中导体层上下的旋转方向将进行交换（参看图1b）。设备的电阻发生了改变，所以这种结构能够用于检测外界磁场。实际应用中，通常设置多个交替的磁性层和非磁性层，以增加其灵敏度。量子力学：为了理解GMR在原子级上的工作原理，考虑以下的类比：如果一个人将一个球（比作导体的电子）扔进两个正在向同一方向转动的滚筒间（比作平行旋转排列的磁性层），球会顺畅的运动；当上下两个滚筒运动方向相反时，球会跳动，运动杂乱。另一方面我们可以将GMR效应比作光通过偏光器，当偏光器排列一致时光线可以通过，当它们的排列相反时，光就被阻挡了。图1.A无外加磁场时局磁阻传感器电阻很大，加了外界磁场后，一般电阻会下降10–15%金属的电阻取决于传导电子实际的自由轨道的数目，而在GMR设备中，电阻则取决于电子的旋转方向。在铁磁材料中，当电子的旋转方向与铁磁体的磁场一致时，电子便加速运动，相反时，电子的运动速度便降低。在非磁性导体中，任意能带的向上运动和向下运动的电子数目相等。由于铁磁的交互作用，导体层中向上旋转和向下旋转的电子数目是不同的。依据量子力学的原理，当电子进入铁磁导体层后，被散射的可能性取决于它的旋转方向。一般说来，当电子的旋转方向与铁磁体中大多数电子旋转方向一致时，电子便能运动得更远而不被分散。合适的层厚度可以增加磁性层的逆平行耦合作用，这对于在无磁场情况下保持传感器的高阻态是必需的。当外部磁场克服了逆平行耦合作用时，磁性层内部的磁矩变为一致，从而减小电阻；然而当各层的厚度不合适时，便会在磁性层之间产生磁耦合，耦合作用从而会破坏GMR效应。因为依赖于自旋方向的电子分散是影响总电阻的一个重要方面,所以在大部分电子自旋材料中,层的厚度必须比电子轨道要薄（几纳米左右）.典型的GMR医疗传感器的厚度大约是3nm(,千万分之一英尺),比十个铜原子层还要薄,也比薄纸的万分之一还薄.电子自旋GMR桥传感器图2是一个典型的GMR的磁力传感器（又称作磁强计）的显微图。其中的金属合金薄片将用于放置芯片，其它制造工序包括一些热退火，磁退火以及影印。在影印过程中，GMR电阻通常制成蜿蜒电阻，蜿蜒的结构使得单位面积的电阻达到昀大，从而在采样时增大电阻减少能消。在一个典型传感器中，四个GMR电阻组成一个惠斯通桥路。桥路产生与外加磁场强度成比例电压输出，易于使用，同时输出对GMR设备的绝对电阻变化不敏感。四个电阻中，两个是用于传感的电阻，另外两个是用于参照的电阻。参照电阻被厚度为0.0004英寸的镍铁合金的磁性层包起来。在外界磁场的作用下，裸露的传感电阻的阻值减小，而参照电阻的阻值不变，从而在桥路上产生电压输出。外面的磁性层同时作为传感电阻的磁通量集中器，从而增加了设备的灵敏度，提高了其空间特性。因为电子自旋传感器尺寸小，磁通量集中器非常有效，可以使其灵敏度增加到100。尽管组装时改变每段电流方向的长度可以改变磁性操作点，安瓿弹簧开关只能通过电流方向来集中磁通量。图2.自旋电子传感器桥路电子自旋传感器可以按照制造商的需求来定制尺寸、外形比例、磁性开关点。小型传感器电阻更小和具有更少的空间特性。更多的GMR材料可以有更高的电阻，从而具有较低的能耗。对于制造商来说，尺寸比例大的传感器更难集成到芯片中，从而成本也更高。电气特性图3是处于磁场中的典型的GMR传感器的输出电压曲线，输出电压是全极型的，也就是说无论是在活泼磁场还是在惰性磁场中都有相同电阻变化规律。电阻在磁场中的这种变化与简易电子学中的机电开关的变化有相类似的原理。图中曲线的斜率与磁场的灵敏度成比率，其强度通常用毫伏/奥斯特表示。当磁场不再使电阻发生变化时，我们称之为饱和状态。通常情况下，磁场从零到饱和导致电阻变化用饱和电阻百分数（饱和度）来表示，也称为磁阻。磁滞是指正向曲线和负相曲线不重合的现象。图3.磁场中典型自旋电子传感器输出曲线尺寸和封装。自旋电子传感器常应用于微型半导体封装中，例如TDFN封装和MSOP封装，对于空间敏感的设备也有部分采用裸封的形式。芯片通过半导体和黏线设备连接起来。桥形传感器可以只有0.020平方英寸大，0.008英寸高。系统因素.自旋电子传感器可作为桥路，昀近也可作为包含比较器以及相关功能的传感器开关的替代品。桥路可用作连续磁场传感器，也可应用于在现存的控制电路中增加模拟或数字比较功能的医疗设备。尽管不再有机电开关输入去抖的需求，采用模拟桥路而非机电开关仍然增加了控制电路的复杂性。设计与自旋电子桥路传感器直接连接的控制电路需要考虑边界探测和采样两个因素。集成电路形成一个数字自旋电子传感器的高精度意味着桥路无需再进行预放大。桥路可由可调节的电源驱集成电路.2005年初,带有集成电路的传感器(又称数字传感器)进入医疗市场。桥路与低电压低能耗的比采样.由于自旋电子传感器是阻性的,只要在电阻上加上电源，就会产生电流。一个持续上电的桥路或数字未来医疗中的自旋电子传感器自旋电子传感器传感器技术在今后几年中有望继续发展，传感器将变得更小.。未来的GMR材料将会使得除GMR之外,研究人员正在完善另外一种自旋电子结构——自旋相关隧道(SDT)器件。这些设备具有很高的动，输出与驱动比较器直接相连。如果需要的话，比较器可提供额外的磁滞。另外，桥路也可直接由电源供电，比较器的启栅端连到同一个电源电压上。较器以及输出电路集成在一个集成芯片上产生数字输出。这些设备在出厂时就设成为一定的磁性操作点。虽然这类设备缺乏桥路的灵活性，但它们简化了电气接口，可能会促进医疗领域由机电开关向固态传感器的转变。传感器将会消耗大量能量。例如，一个由2.8V原电池持续供电的5kΩ桥路将会产生500µA以上的电流，而这对于由电池供电的设备来说是完全不可接受的。为了减少电池供电医疗设备的能耗，传感器采样的占空比大多较小。自旋电子传感器相对较快，因为它没有运动部件，并且一般采样时间为10ms或更短。如果要求一秒钟采样十次，那么占空比就小于0.01%，传感器的平均电流就小于0.1µA，与控制电路能耗相比这是可忽略不计的。虽然控制电路现在具有采样功能，但具有片上采样，电源管理和传感器桥路的集成电路有望在将来出现。灵敏度更高，线性特性更好，滞后更小。复杂的集成电路将会在片内集成采样，信号处理、和电源管理的功能.灵敏度。隧道指的是传导电子在他们本来无法越过的障碍中运动。SDT与GMR相反，它是减少绝缘层阻力，增加传导层阻力。自旋电子基本上是一个相反的世界，在这里绝缘体变成了导体，导体变成了绝缘体。研究人员指出的磁阻比高于70%的SDT采用氧化铝隧道障碍，355%以上的采用氧化镁隧道障碍5–8SDT器件的一个优势是他们具有更高的电阻，高至兆欧姆的范围，因此与GMR传感器相比，他们需要能量的更少。更高的磁阻比意味着可得到更高的信号电平。进一步说，如果具有高磁阻比的设备能够商业化，那么他们无需其它电子装置就具有开关性质。这一点使得设备可以进一步的小型化。潜在的医疗应用包括MRI,心磁描记术,涡流缺陷检测仪。长期应用还包括用于片上实验室系统的自旋电子生物芯片。这些系统可进行贴有磁纳米颗粒的生化化验。自旋电子传感器可替代光学系统来检测作为生物标志物的磁性纳米颗粒。一种方法就是将与待匹配DNA进行匹配的单列DNA系列附着在自旋电子传感器的芯片表面上，目标DNA处于被自旋电子传感器包围的溶液中，它与芯片上的匹配DNA进行杂交。然后，有纳米磁标签的DNA与目标DNA裸露的部分杂交。这样一来，磁标签有选择地附着在芯片表面。自旋电子传感器检测附着的纳米磁性标签的数量，这些聚集了生物分子，细胞和细菌。自旋电子另一个有趣的医学应用是磁阻随机存储器（MRAM）。MRAM的数据由电脉冲写入，这个电脉冲产生一个磁场。磁场中的电子在自旋相关隧道连结处中旋转。数据存储在铁磁夹层中的某一层中，作为连接处电阻读出。MRAM被称作是理想的存储器，因为它有可能综合不同半导体存储器的优点：静态RAM的速度，动态RAM的密度，Flash存储器的非易失性。已有一些公司已开发出MRAM的样品和演示产品。MRAM因其潜力已经吸引了主流存储器应用的注意力，例如小巧节能的手机，瞬时启动计算机等。对于医疗设备，MRAM有可能综合多存储器的功能从而减少体积和能耗方面的要求。总结自旋电子被誉为开发全新仪器的一个前所未有的机遇.11自旋电子仪器以其可靠性，尺寸和精度的优势正在提高助听器，起搏器等医疗设备的性能。电子的行为变得更具实际价值，为医疗电子应用提供了新的机遇.GMR传感器已应用于第三类医疗设备，自旋相关隧道(SDT)器件正在开发之中。自旋电子传感器利用量子纳米传感器来发挥量子力学的优势.GMR传感器由半导体处理器和金属制造而成,可根据制造商对几何结构和磁性转换点的需求而定制.这种传感器可作为桥路或作为集成电路替代数字开关，可以封装得很小或者裸露封装。自旋电子传感器的速度使得它能选择合适的采样速率，从而大大降低能耗。随着技术的进步GMR