1 引 言
GMR传感器本身所具有的灵敏度高、易小型化、能牦低、自然干扰小等优点，使其非常适合成为生物识别器件的探头。1998年，美国海军实验室(NRL)率先提出利用巨磁电阻(GMR)效应和免疫磁标记实现GMR生物传感器的设想。他们通过测量DNA、抗原-抗体、施体和受体等的实验，证明了其原理的可行性，从而进一步提出了“磁标记阵列计数器”(bead array counter，BRARC)，并研制出DNA阵列芯片。在这种新型器件中，磁标记取代了传统的荧光标记，并利用GMR传感器进行生物信息探测。EW_GI是电子科技大学与成都恩威集团合作开发的生物芯片系统，目标是研发成本低廉、检测耗时短、结果准确、方便民用的病毒生物芯片，一期目标是进行定性分析，二期目标实现较准确的定量分析。
2 巨磁阻传感器
2.1 基本原理
GMR效应最初是一种在磁性多层膜中观测到的量子效应，这种薄膜具有铁磁性层与非铁磁性层交替叠置的结构。当铁磁性层的磁矩平行排列的时候，载流子受到的自旋散射最小．多层膜的电阻最低；当铁磁性层的磁矩反平行排列的时候，载流子受到的自旋散射最大，多层膜电阻最高，铁磁层中的磁矩方向由施加外磁场控制。
2.2 检测原理图及优势
GMR生物传感器利用夹心标记法，用磁标记作为标记物，以GMR磁敏元件进行检测。GMR传感器检测过程如下：首先，在传感器表面结合用于特定检测的生物探针，再使检测试液流过传感器表面，试液中特定的目标分子将被探针捕获，然后加入免疫磁性微球，免疫磁性微球再与目标分子发生作用完成标记。此时，需要采用垂直于传感器表面的外加梯度磁场将未参与标记的多余免疫磁性微球分离，这样可以减小检测时的背景噪声，从而提高检测的精确度。然后，再用外加的交变磁场将磁标记磁化，磁化的磁标记产生的附加交变磁场引起传感器磁电阻的变化，通过读取磁电阻的变化可以判定待检试液中是否有目标分子，并根据磁电阻变化的幅度可以判断待检试液中目标分子的浓度等情况。
图1为半桥式GMR传感器电路，其中外加交变磁场方向平行于GMR传感器易轴，磁球磁化后，产生寄生磁场。每对GMR传感器单元共有一个偏置输入，其中参考GMR电阻表面覆盖PR膜，表面不发生特异性生物反应，因此不会结合磁球。相对于其他类型的生物芯片，这种新型GMR生物芯片具有磁标记稳定，灵敏度高，与IC工艺兼容，适用于自动化分析，不依赖于昂贵、高精度的光学测量系统、易于小型化等优势，同时利于减小甚至消除背景噪声，而且可以进行单片多通量检测。
2.3 EW_GI传感器设计
传感器阵列采用自旋阀GMR，如图2所示，整个区域包含32个GMR传感器单元和2个传感器参考单元，形成多路的半桥式惠斯通电桥，用于感应绑定磁球的附加磁场。每个单元(100 μm×100μm)由长1 mm、宽7μm的巨磁电阻蜿蜒而成，该电阻为[Ag(2 nm)／NiFe(6 nm)／Cu(2.2 nm)／CoFe(4 nm)]20结构，采用Ag作为镜面层，以增大GMR值到6％，饱和磁场小于 30 mT。外加1 kHz交变磁场和2.7～3.3 V的稳压电源，令交变磁场Mmax=3.7 kA／m，径粒28 nm的单个磁性微球在芯片表面处的Bmax约为0.68 mT，参考与测试磁电阻相差1.3×10-4％时，产生约1μV的电信号。
3 锁相放大器设计
3.1 整体描述
针对目前商用锁相放大器体积太大、与GMR生物芯片匹配性差、价格昂贵以及不宜携带等缺点，设计出一款专用于GMR生物芯片的锁相放大器IC芯片以解决上述问题。
如图3所示，该芯片包括了前置低噪声放大器、带通滤波器、可控增益放大器、相敏检测电路、正交移相电路、差分直流放大电路等构成。整个芯片的设计功耗小于50 mW@Vcc=3 V。
考虑剑GMR生物芯片输出信号的直流分量易受外界的影响，所以需采用电容隔直后再将信号输入锁相放大器IC芯片。图3所示的IC芯片电路的一条支路为从LNA端口输入的4路病毒信号和1路病毒参考信号，信号频率为2 kHz；另一支路为输入大于100 mV(约120 mV)，频率1 kHz的信号源。最后输出I／Q检测出的直流电压信号。
该芯片通过前端低噪声放大器将病毒信号(500nV～100 μV)放大45 dB，然后通过中心频率为2kHz的带通滤波器，虑除掉其他频率的干扰杂波，将2 kHz的信号输入可控增益放大器(VGA)进行放大，放大到一定的幅度，便于相敏检测器进行信号检测，相敏监测器将检测到的信号通过直流电压的方式输出范围(1～1.5 V)。
在该芯片的实际应用中，将采用混合集成技术将其和GMR生物芯片集成在同一个Si基片上，或采用MCM技术将二者封装在一个封装体内，大大提高了GMR生物检测系统的实用性，使其具有更加广阔的应用前景。初次设计的锁相放大器IC芯片主要是针对四路GMR生物芯片检测系统，对于多路GMR生物芯片检洲系统(假设GMR生物芯片的输出信号为N路)，只需将四路输入端口扩展为N路输入端口即可，其余子电路模块均无须再作改变。
3.2 测试及性能
设计电路主要性能参数见表1，其基于0.35μm COMS n阱工艺，用Cadence Spectre仿真，每个模块性能都满足系统设计的要求。整体电路的仿真结果表明设计的芯片能够检测幅度低至1μV的有用信号，且具有很强的噪声拟制能力。
图4为Vdd=3 V。低通滤波器R为10 kΩ，C为2 μF，LNA输入信号幅度为1μV，频率为2kHz，参考通道输入信号幅度为60 mV，频率为1kHz时，整体电路的瞬态仿真图。图中(a)，(b)，(c)分别为温度为-40，25，85℃时得到的结果。从图中可以看出，温度升高，输出的直流信号幅度有微弱降低。这是因为，温度升高时，芯片内放大器的增益有所降低。
4 结 语
本文通过对GMR生物芯片的工作原理及检测过程的分析和研究，给出了GMR阵列方案，并设计出一种应用于该种GMR生物芯片的信号检测IC芯片——锁相放大器IC芯片，讨论了整体电路的设计和仿真。结果表明，该芯片电路能够在-40～85℃之间的温度条件下正常工作，功耗约为30 mW。本文的设计以应用为目的，体现出适用性和灵活性，可为其他同类检测的设计应用提供参考。
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