1.前言

　　業界對高敏感度、高特異性、低成本、易攜帶的生物傳感器的研發興趣有增無減。這些要求對于醫療、食品、制藥、臨床等應用領域具有重要意義。高敏感度和高特異性是生物傳感器的核心要素，通過整合適合的變送方法與適合的生物過程，例如，免疫分析法和/或核酸雜交，可以實現高敏感度和高特異性。生物傳感器概念的核心是把特定生物識別事件轉換成電信號并輸出。生物識別事件是通過一個涉及使用適合的標記法的生物過程，來識別分析物(抗原或DNA序列)與其特定識別元件(抗體或寡核苷酸)之間發生的特定生物事件。標記物可以是磁性、放射性、酶、熒光、電化或電介質物質。應根據特定應用的功能選擇適合的標記物。

　　在這種情況下，使用磁性顆粒作為免疫分析法的標記物(夾心式免疫分析法和競爭性免疫分析法均使用這種方法[3])有潛在優勢，這與其極高的穩定性、低成本、無毒、易感測有關。

　　通過選用適合的標記法，可直接量化磁珠數量，無需再為獲取可測量的信號而執行其它操作。現有多種不同的磁珠感測方法，例如，磁阻傳感器[4]、微機械懸臂裝置 [5]、超導量子干涉儀[6]、自旋閥[7]、霍爾探針[8]、磁通門磁力計[9-11]。另一種感測方法是把樣品置于線圈內或附近，線圈同時還兼作致動器和傳感器。微射流系統是線圈被用作致動器的例子[12]:在微射流系統的通道中，電感器用于分離磁性顆粒上固定化的生物分子。

　　一個新方法是使用磁珠進行量化，利用磁珠磁芯來影響初級線圈磁場的空間分布，這樣，可以使用一個次級線圈感測與磁性顆粒鏈接的生物分子。事實上，樣品中磁性顆粒的存在可改變次級線圈電感。使用線圈充當感測結構有一個重要的優點，即關系到能否實現集成結構。與宏觀電磁閥相比，采用硅技術集成電感元件有很多潛在優點，其中包括與制造成本、產品良率和平面電感器件可再制性相關的優點。此外，產品尺寸最小化可以大幅降低被分析物質的取樣量，降低每個分析實驗的試劑成本。高集成度還為開發更復雜的感測系統帶來一個有趣的觀點，例如，可同時感測多個物種的傳感器陣列。

　　這種磁性生物傳感器的感測敏感度完全取決于感受器(抗體)與目標分子(抗原)的親和性、線圈參數、感測電路的穩定性，最重要地是，磁性顆粒的特征。

　　如前文所述，因為與感受器鏈接的磁性顆粒的存在,電感方法可通過測量線圈電感的變化來識別目標分子。

　　可用多種方法測量電感變化。在參考文獻[13]中，作者提論述了如何利用相關設計、有限元素法仿真和采用硅技術制造集成電感元件來提高傳感器的敏感度。該方法是用一個阻抗分析儀測量電感。為提高傳感器對磁性顆粒存在的敏感度，在線圈區域的襯底背面局部沉積一個磁層。

　　本文討論一個新的電感生物傳感器。這項成果是參考文獻[21]的傳感器在參考文獻[22]的仿真結果基礎上進化的結果。準確地講，該傳感器架構經過優化設計，主要考慮次級線圈相對于初級線圈中心的位置、線寬和線的間隔。此外，我們還開發一個新的信號調理產品，使傳感器響應性能高于參考文獻[21]描述的傳感器，因為存在兩個感測系統，可完全表征兩個不同的工作區，本文以下章節給予詳細介紹。

　　本文主要內容如下：下一章即第二章介紹傳感器工作原理以及布局設計和制造技術;一套驗證磁特性的實驗方法。第三章先是簡要介紹信號調理電子元件和所用磁珠，然后介紹并探討集成雙感測系統的生物傳感器的全面表征功能。

　　2.電感式生物傳感器

　　2.1.工作原理

　　該生物傳感器由一個初級線圈和兩對次級線圈組成，構成兩個不同的感測系統，如圖1所示。在每個感測系統內，兩個次級線圈的繞線方向相反，以差分方式相連。在每對次級線圈中，只有一個線圈對磁性顆粒敏感;另一個線圈可去除變壓器總輸出中的寄生效應。初級線圈由交流信號驅動，產生一個與所有次級線圈相關的磁場。

　　圖1.生物傳感器結構示意圖：黑色部分是初級線圈;綠色部分是大感測系統;紅色部分是小感測系統。

　　在每個感測系統中，因為感測線圈繞線方向相反,初級線圈產生的磁場在次級線圈上感應出的兩個電壓大小相等但極性相反; 因此，當不存在磁性顆粒時，兩個輸出信號的電壓差值為零。 如前文所述，在每個感測系統內，磁性顆粒只置于其中一個線圈(工作線圈)上;另一個線圈充當“替身”，用于去除常見干擾輸入。當磁性顆粒置于工作線圈上時，磁通量線將會重新分布，并產生一個非零的輸出電壓。

　　2.2.傳感器設計和制造工藝

　　很多化學反應需要考慮溫度，因為大多數化學反應規則需要特定溫度或溫度循環。為開發一個適合多種應用的生物傳感器，需要在傳感器芯片版圖上整合熱致動結構(在一個區域內確定統一的溫度或恒定的梯度)和熱控制結構(精確控制溫度)。根據參考文獻[23]介紹的制造工藝，我們采用硅技術制造生物傳感器。更詳細地講，第一個金屬層用于制造加熱器和熱阻，兩個熱結構都經過測試。用一個6V直流信號驅動加熱器，溫度可達100°C以上;溫度傳感器可精確測量加熱器溫度。第二個金屬層用于制造初級線圈;第三個金屬層用于制造兩個感測系統(次級大線圈和次級小線圈)。圖2所示是兩個不同的傳感器芯片版圖，一個有熱結構，另一個沒有熱結構。根據參考文獻[23]描述的程序，我們對溫度感測和熱致動進行了實驗表征。本文討論無熱結構生物傳感器的表征。

　　a)　 b)

　　圖2：兩個不同的生物傳感器芯片版圖; 圖a：傳感器(紅色和藍色)和熱結構(青色); 圖b，無熱結構傳感器

　　電感值主要與線圈材質和設計有關;同樣地，磁場也與線圈設計有關。既然傳感器行為與幾何學參數緊密相關，為找到盡可能最好的配置，我們設計并制造了八個不同的傳感器版圖。這些芯片版圖擁有相同的線圈匝數、線寬和間隔。這八個傳感器分別叫做1B、2B、…8B。按照參考文獻[22]列出的仿真結果，我們為所有傳感器(8B除外)選定了線寬和間隔，以及次級大小線圈的位置。表1列出每個傳感器的幾何參數。為避免環境噪聲，設計一個外部接地保護環路。

　　圖3所示是傳感器5B。

　　圖3：在光學顯微鏡下的傳感器5B

　　2.3.磁耦合

　　為確定最好的工作頻率，我們采用了圖4的磁耦合檢測配置：用幅值恒定變頻正弦信號驅動初級線圈，在1MHz-20MHz范圍內調節信號頻率，同時記錄次級大線圈的輸出信號。

　　圖4：初級線圈和次級線圈磁耦合效應電子測試方法

　　圖5是測試結果。不難發現，次級大線圈的信號幅值與諧振頻率大約15MHz的頻率是函數關系。傳感器表征選用這個頻率。

　　圖5：傳感器輸出與頻率呈函數關系的行為特性。用圖4的電子測量方法獲取信號

　　因為磁耦合與設計參數呈函數關系，例如，初級線圈匝數和次級線圈匝數，為表征磁耦合，我們做了一系列測量實驗。

　　幾何參數與電參數的關系見方程式1。

　　其中，N1和N2 表示初級線圈和次級線圈的匝數;R1和R2分別是初級線圈和次級線圈的電阻;i1 是初級線圈的電流;L’2 是次級工作線圈的電感，而ΔL 是磁性物質出現導致工作線圈的電感變化。

　　次級大小線圈的磁耦合效應經過檢查。圖6給出了次級大線圈的測量結果。根據方程式(1)，輸出信號幅值隨一次級線圈匝數增加而升高。更詳細地講，如果次級線圈匝數固定(圖中的Ns)，輸出信號幅度隨初級線圈匝數增加而升高，反之亦然。兩個次級線圈理論上完全相同，但是還是有細微差別存在。因此，從不存在磁性物質的零開始，輸出電壓就出現不同的數值，不過，電壓值大約只有幾毫伏。這個問題放在下一章討論，共用同一拓撲的傳感器的失調電壓值都是恒定值(例如，所有的1B傳感器的失調電壓都相同)。這個問題容易解決，例如，將兩個拓撲相同的傳感器緊靠在一起，并計算輸信號電壓的差值。在這種情況下，顯然只有一個傳感器是工作傳感器。

　　圖6：用恒幅恒頻的正弦信號驅動初級線圈時的次級大線圈的輸出電壓。

　　次級小線圈是5匝。圖7描述了表1列出的每個傳感器的輸出電壓與初級線圈匝數的函數關系特性。同樣，次級大線圈輸出信號電壓隨初級線圈匝數增加而升高。

　　圖7： 次級小線圈輸出電壓與初級線圈匝數保持函數關系