CN112710973A - 磁传感器及其制造方法、以及磁检测装置和磁检测*** - Google Patents

磁传感器及其制造方法、以及磁检测装置和磁检测*** Download PDF

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Abstract

用于检测试样中的检测对象物质的磁传感器包括：具有第一面和与第一面相对的第二面的基板；设置在基板的第一面上且电阻值根据输入磁场而变化的磁阻效应元件；和覆盖在磁阻效应元件上的保护层。位于磁阻效应元件上的保护层的表面具有规定的表面粗糙度。

Description

磁传感器及其制造方法、以及磁检测装置和磁检测***
技术领域
本发明涉及磁传感器及其制造方法、以及磁检测装置和磁检测***。
背景技术
作为定量的免疫测定(免疫测定法)，已知放射免疫测定法(RIA(radioimmunoassay)、IRMA(immunoradiometric assay))。在该方法中，能够利用放射性核素标记竞争抗原或抗体，根据比放射性的测定结果定量地测定抗原。免疫测定是标记抗原等目标物体并间接地进行测定的方法。该方法的灵敏度高，所以在临床诊断中做出了巨大贡献，但存在需要确保放射性核素的安全性、需要专用的设施和装置的缺点。因此，作为更容易操作的方法，例如，提出了使用利用磁珠等作为标记的生物传感器的方法(参照专利文献1～4)。
现有的生物传感器具有基板、设置于基板上的GMR元件等磁阻效应元件和覆盖磁阻效应元件的保护膜。如果在对试样中的生物分子具有亲和性的磁珠经由生物分子被捕获到保护层上之后施加磁场，就会从磁珠产生杂散磁场。通过该杂散磁场输入到磁阻效应元件，磁阻效应元件的电阻值发生变化，能够基于其电阻值变化而间接地检测生物分子。
现有技术文献
专利文献1：日本特许第5161459号公报
专利文献2：日本特许第6043395号公报
专利文献3：日本特许第6101215号公报
专利文献4：国际公开第2017/82227号小册子
发明内容
本发明所要解决的问题
在检测试样中的生物分子时使用上述生物传感器的情况下，通过使生物传感器与包含检测对象的生物分子的试样接触，将生物分子捕获在保护层的表面。然后，使捕获在保护层表面的生物分子与磁珠结合之后，通过梯度磁场或清洗等选择性地去除未被保护层捕获的多余的生物分子和磁珠，测量磁阻效应元件的电阻值变化。
然而，在现有的生物传感器中，由于施加梯度磁场或清洗等，有时被保护层捕获的生物分子和磁珠的一部分也会被去除。因此，有时磁阻效应元件的电阻值难以发生足够的变化以检测生物分子，存在检测结果出现偏差的问题。特别是在使用生物分子浓度低的试样来检测该生物分子的情况下，存在该检测结果的偏差增大的问题。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种能够利用磁珠高精度地检测检测对象物质的具有磁阻效应元件的磁传感器及其制造方法、以及磁检测装置和磁检测***。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于检测试样中的检测对象物质的磁传感器，该磁传感器包括：具有第一面和与上述第一面相对的第二面的基板；设置在上述基板的上述第一面上且其电阻值根据输入磁场而变化的磁阻效应元件；和覆盖在上述磁阻效应元件上的保护层，位于上述磁阻效应元件上的上述保护层的表面具有规定的表面粗糙度。
上述保护层表面的算术平均粗糙度Ra的下限值可以为0.1nm，上述算术平均粗糙度Ra的上限值可以为上述磁阻效应元件上的上述保护层的厚度的1/2。上述磁阻效应元件上的上述保护层的厚度可以为3～200nm。上述算术平均粗糙度Ra可以为0.2～5.0nm。作为上述磁阻效应元件，可以使用GMR元件。上述检测对象物质可以是生物分子。
本发明提供一种磁检测装置，其具有上述磁传感器和支承上述磁传感器的支承部。在上述保护层的表面可以存在能够与检测对象物质特异性结合的探针。
本发明提供一种磁检测***，其包括上述磁检测装置、磁场发生部和能够保持上述试样的保持部，上述磁检测装置以能够使上述磁传感器与上述保持部所保持的上述试样接触的方式设置，上述磁场发生部以对与上述保持部所保持的上述试样接触的上述磁传感器施加磁场的方式设置。
本发明提供一种磁传感器的制造方法，其是用于检测试样中的检测对象物质的磁传感器的制造方法，该制造方法包括：制备具有第一面和与上述第一面相对的第二面的基板的工序；在上述基板的上述第一面上设置电阻值根据输入磁场而变化的磁阻效应元件的工序；形成覆盖上述磁阻效应元件的保护层的工序；和将位于上述磁阻效应元件上的上述保护层的表面调整到规定的表面粗糙度的工序。
上述保护层的表面的算术平均粗糙度Ra的下限值可以为0.1nm，上述算术平均粗糙度Ra的上限值可以为上述磁阻效应元件上的上述保护层的厚度的1/2。可以通过对位于上述磁阻效应元件上的上述保护层的表面进行CVD处理或研磨处理，将上述保护层的表面的算术平均粗糙度Ra调整到规定的范围。可以以上述磁阻效应元件上的上述保护层的厚度达到3～200nm的方式形成上述保护层。上述算术平均粗糙度Ra可以为0.2～5.0nm。上述磁阻效应元件可以为GMR元件。上述检测对象物质可以为生物分子。
发明效果
根据本发明，可以提供一种能够利用磁珠高精度地检测检测对象物质的具有磁阻效应元件的磁传感器及其制造方法、以及磁检测装置和磁检测***。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的生物传感器的概略结构的截面图。
图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的生物传感器的概略结构的局部放大截面图。
图3是表示本发明的一个实施方式所涉及的磁阻效应元件的概略结构的截面图。
图4是表示本发明的一个实施方式所涉及的生物传感器的概略结构的立体图。
图5是用于说明使用了本发明的一个实施方式所涉及的生物传感器的生物分子的检测方法的概况的截面图。
图6A是表示本发明的一个实施方式所涉及的生物传感器的制造工序之一的截面图。
图6B是表示图6A所示的工序的后续工序的截面图。
图6C是表示图6B所示的工序的后续工序的截面图。
图6D是表示图6C所示的工序的后续工序的截面图。
图6E是表示图6D所示的工序的后续工序的截面图。
图7是表示本发明的一个实施方式的磁检测***的概略结构的截面图。
符号说明
1：生物传感器；2：基板；21：第一面；22：第二面；3：磁阻效应元件；31：线状部；3A：第一区域；3B：第二区域；4：保护层。
具体实施方式
参考附图说明本发明的实施方式。其中，在本实施方式中，列举用于检测作为检测对象物质的生物分子的生物传感器作为磁传感器的一个例子进行说明，但不限定于这种方式。作为能够利用磁传感器检测的检测对象物质，除了生物分子以外，还包括例如污水等中所含的挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)等各种有机化合物等。
图1是表示本实施方式所涉及的生物传感器的概略结构的截面图，图2是表示本实施方式所涉及的生物传感器的概略结构的局部放大截面图，图3是表示本实施方式的磁阻效应元件的概略结构的截面图，图4是表示本实施方式所涉及的生物传感器的概略结构的立体图。
在本实施方式所涉及的生物传感器中，根据需要，在几个附图中规定“X轴方向、Y轴方向和Z轴方向”。在此，X轴方向和Y轴方向是在本实施方式中的基板的面内(与基板的第一面和第二面实际上平行的平面内)相互正交的方向，Z轴方向是基板的厚度方向(与基板的第一面和第二面正交的方向)。
本实施方式所涉及的生物传感器1包括：具有第一面21和与其相对的第二面22的基板2；设置在基板2的第一面21上的磁阻效应元件3；和覆盖在磁阻效应元件3上的保护层4。在本实施方式所涉及的生物传感器1中，通过对被磁阻效应元件3上的保护层4捕获的聚集了试样中的生物分子的磁珠10施加磁场H，利用磁阻效应元件3检测来自该磁珠10的杂散磁场HS，由此能够检测生物分子(参照图5)。
基板2只要是能够搭载磁阻效应元件3的矩形的部件即可，例如可以举出：硅晶片等半导体基板；AlTiC基板、氧化铝基板等陶瓷基板；树脂基板；玻璃基板等。可以根据基板2的种类，在基板2的第一面21上、特别是在基板2的第一面21与磁阻效应元件3之间设置包含Al2O3等的基底层(省略图示)。基板2的厚度可以从基板2的强度、生物传感器1的薄型化及轻量化等观点考虑适当设定，例如可以为5～100nm左右。
在本实施方式中，作为磁阻效应元件3，能够使用自旋阀型的GMR元件等。磁阻效应元件3具有包含从基板2侧起依次叠层的反铁磁性层61、磁化固定层62、非磁性层63和自由层64的MR叠层体60(参照图3)。反铁磁性层61由反铁磁性材料构成，通过在反铁磁性层与磁化固定层62之间产生交换耦合，起到将磁化固定层62的磁化方向固定的作用。此外，磁阻效应元件3也可以具有从基板2侧起依次叠层有自由层64、非磁性层63、磁化固定层62和反铁磁性层64的结构。另外，还可以通过使磁化固定层62为铁磁性层/非磁性中间层/铁磁性层的叠层铁氧体结构，形成两铁磁性层以反铁磁性结合而成的所谓的自销型的固定层(Synthetic Ferri Pinned层，SFP层)，从而省略反铁磁性层61。
在作为磁阻效应元件3的GMR元件中，非磁性层63为非磁性导电层。在GMR元件中，电阻值根据自由层64的磁化方向相对于磁化固定层62的磁化方向所呈的角度而变化，该角度为0°(磁化方向彼此平行)时，电阻值最小；该角度为180°(磁化方向彼此反平行)时，电阻值最大。
磁阻效应元件3通过沿着X轴方向(第一方向)延伸的多个线状部31在Y轴方向(第二方向)上排列，并利用引线电极6使相邻的线状部31的端部之间连接而构成为曲折状(参照图4)。此外，在图4中，由于附图变得复杂，省略了保护层4的图示。
作为磁阻效应元件3的GMR元件通常具有相对低的元件电阻值，因此，为了从生物传感器1输出规定强度的信号，需要减小GMR元件的线宽，并且延长线长。于是，通过将GMR元件构成为上述曲折状，能够在基板2的第一面21上的有限的区域内减小GMR元件的线宽并延长线长。引线电极6可以由例如Cu、Al、Au、Ta、Ti等中的一种导电材料或两种以上的导电材料的复合膜构成。
在由上述多个线状部31构成的磁阻效应元件3中，磁化固定层62的磁化方向实质上与各线状部31的短边方向平行。在本实施方式所涉及的生物传感器1中，通过对被磁阻效应元件3上的保护层4捕获的磁珠10施加与基板2的第一面21正交的方向的磁场H，从磁珠10产生杂散磁场HS，并施加到磁阻效应元件3(参照图5)。通过该杂散磁场HS施加到磁阻效应元件3，自由层64的磁化方向发生变化，由此，磁阻效应元件3的电阻值发生变化。该电阻值的变化作为信号被输出，由此在生物传感器1中能够检测试样中的生物分子的存在及存在量。
线状部31的长边方向的长度可以根据生物传感器1整体的大小和生物传感器1所要求的灵敏度等适当设定，例如，可以为10～500μm左右，短边方向的长度例如可以为0.2～10μm左右。
在俯视本实施方式所涉及的生物传感器1时，磁阻效应元件3的各线状部31具有位于该各线状部31的外周缘的第一区域3A、和位于第一区域3A的内部且被第一区域3A包围的第二区域3B。第一区域3A是从各线状部31的上表面32的各端边起朝向与该各端边正交的内部的规定宽度(例如40nm左右)的区域。另外，线状部31的短边方向上的第一区域3A的宽度的上限值小于磁阻效应元件3的各线状部31的上表面的短边方向的宽度的1/2即可，优选为各线状部31的上表面的短边方向的宽度的10％左右。
在本实施方式中，覆盖基板2的第一面21和磁阻效应元件3的全部的保护层4是能够捕获聚集在磁珠10上的生物分子的层。聚集在磁珠10上的生物分子可以通过与保护层4之间的例如静电相互作用、氢键相互作用等被保护层4捕获，也可以通过设置在保护层4的表面的能够与生物分子特异性结合的探针被捕获。保护层4可以由例如SiO2、Al2O3、Si3N4、TiN、TaN、TaO、TiO、AlN等能够与生物分子之间发挥静电相互作用、氢键相互作用等的材料构成。另外，在保护层4的表面、特别是位于磁阻效应元件3的第二区域3B的保护层4的表面，可以具有能够与作为检测对象的生物分子特异性结合的亲和性物质，以便能够容易地捕获生物分子。保护层4可以是由上述材料构成的1层的单层结构，也可以具有两层以上的多层结构。在保护层4为多层结构的情况下，该多层结构的各层的构成材料可以是相同的材料，也可以是不同的材料。
保护层4的表面具有规定的表面粗糙度，优选保护层4的表面的算术平均表面粗糙度Ra为0.1nm以上、保护层4的厚度T4的1/2以下，更优选为0.2～5.0nm。由于保护层4的表面是具有规定的表面粗糙度的面(粗糙化面)，因此被保护层4捕获的生物分子和磁珠10不易因施加梯度磁场或清洗而被去除。作为结果，能够高精度地检测生物分子的存在及存在量。保护层4的表面的算术平均表面粗糙度Ra可以使用例如XE-3DM装置(Park Systems公司制造)等来测量。
另外，位于磁阻效应元件3的第二区域3B的保护层4的表面具有上述表面粗糙度，但位于第一区域3A的保护层4的表面可以具有或不具有上述表面粗糙度。在磁阻效应元件3的第一区域3A中，由于来自被捕获的磁珠10的杂散磁场HS，噪声容易与来自生物传感器1的输出叠加。但是，通过位于磁阻效应元件3的第一区域3A的保护层4的表面不具有上述表面粗糙度，位于磁阻效应元件3的第一区域3A的保护层4难以捕获生物分子和磁珠10，并且，被位于第一区域3A的保护层4捕获的生物分子和磁珠10容易因施加梯度磁场或清洗等而去除。
保护层4的厚度T4可以在由与被第二区域3B中的保护层4的上表面捕获的生物分子结合的磁珠10所产生的杂散磁场HS能够施加到磁阻效应元件3的程度的范围内适当设定。保护层4的厚度T4可以设定为例如3～200nm左右。当保护层4具有多层结构(例如第一保护层和第二保护层的两层结构)的情况下，例如位于磁阻效应元件3上的第一保护层的厚度可以设定为0.1～100nm左右，位于第一保护层上的第二保护层的厚度可以设定为0.1～100nm左右。
通过使具有上述结构的生物传感器1与包含检测对象的生物分子11的试样接触，能够使保护层4的表面捕获该生物分子11。而且，在使被保护层4的表面捕获的生物分子11与磁珠10结合之后，通过梯度磁场或清洗等选择性地去除未被磁阻效应元件3上的保护层4的表面捕获的多余的生物分子11和磁珠10。在本实施方式中，由于磁阻效应元件3上的保护层4的表面是粗糙化面，因此可以抑制在保护层4上被捕获的生物分子11和磁珠10因施加梯度磁场或清洗而被去除。即，能够通过梯度磁场或清洗等容易地选择性地去除未被磁阻效应元件3上的保护层4的表面捕获的多余的生物分子11和磁珠10。
如上所述，在磁阻效应元件3上的保护层4的表面上残留有生物分子11和磁珠10之后，沿着与基板2的第一面21正交的方向施加磁场H，由此，磁珠10带有磁性，从磁珠10产生杂散磁场HS(参照图5)。通过该杂散磁场HS施加于磁阻效应元件3，自由层64的磁化方向发生变化，作为结果，磁阻效应元件3的电阻值发生变化。该电阻值变化与被保护层4的表面捕获的生物分子11所结合的磁珠10的数量之间具有相关性(线性相关)，因此，通过该电阻值变化作为信号从生物传感器1输出，能够检测试样中的检测对象的生物分子的存在及存在量。
作为能够使用本实施方式的生物传感器1检测的生物分子11，例如可以举出：DNA、mRNA、miRNA、siRNA、人工核酸(例如，LNA(锁核酸，Locked Nucleic Acid)、BNA(桥接核酸，Bridged Nucleic Acid)等)等核酸(可以源自天然，也可以是化学合成的)；配体、细胞因子、激素等肽；受体、酶、抗原、抗体等蛋白质；细胞、病毒、细菌、真菌等。
另外，作为包含检测对象的生物分子11的试样，例如可以举出血液、血清、血浆、尿、血沉棕黄层(Buffy coat)、唾液、***、胸腔渗出液、脑脊髓液、泪液、痰、粘液、淋巴液、腹水、胸腔积液、羊水、膀胱冲洗液、支气管肺泡灌洗液、细胞提取液、细胞培养上清液等。
磁珠10只要是能够带有磁性的颗粒即可，例如可以是由金、氧化铁等构成的颗粒等。磁珠10的平均粒径例如可以为5～250nm左右，优选为20～150μm左右。其中，磁珠10的平均粒径例如可以使用激光衍射式粒径分布测定装置(产品名称：SALD-2300，岛津制作所株式会社制造)进行测量。
磁珠10的表面可以固定有链酶亲和素等蛋白质，也可以进一步具备能够与生物分子特异性结合的亲和性物质。在用于捕获作为生物分子11的配体的情况下，优选磁珠10具有亲水性表面，在用于捕获作为生物分子11的抗体的情况下，优选磁珠10具有疏水性表面。
根据具有上述结构的生物传感器1，通过使磁阻效应元件3上的保护层4的表面为具有规定的表面粗糙度(粗糙化面)的表面，在该保护层4的表面上被捕获的磁珠10不易因梯度磁场或清洗等而被去除。因此，根据本实施方式所涉及的生物传感器1，能够使用磁珠10高精度地检测生物分子的存在及存在量，特别是即使在试样中的生物分子为低浓度的情况下，也能够抑制检测结果的偏差，能够高精度地检测生物分子的存在及存在量。
具有上述结构的生物传感器1例如可以如下制造。图6A～图6E是以截面表示本实施方式所涉及的生物传感器1的制造方法的各工序的工序流程图。
在硅晶片等半导体基板、AlTiC基板、氧化铝基板等陶瓷基板、树脂基板、玻璃基板等的基板2的第一面21上的形成磁阻效应元件3的预定区域形成包含Al2O3等的基底层，通过溅射等在该基板2的第一面21上形成MR膜70(反铁磁性膜、铁磁性膜、非磁性膜和铁磁性膜依次叠层的叠层膜)(参照图6A)。
接着，形成覆盖MR膜70的抗蚀剂层80(参照图6B)，通过曝光、显影处理形成与磁阻效应元件3对应的抗蚀剂图案82(参照图6C)。作为构成抗蚀剂层80的抗蚀剂材料，可以是正型或负型的任意类型，例如可以举出环戊酮系抗蚀剂材料、酚醛清漆树脂系抗蚀剂材料。
接着，将抗蚀剂图案82作为掩模对MR膜70进行铣削处理后，一边实施规定的退火处理一边施加磁场，从而在基板2的第一面上形成磁阻效应元件3的多个线状部31(参照图6D)。所施加的磁场可以根据磁阻效应元件3的各层的构成材料、各层的膜厚、尺寸、形状、由磁化固定层62的垂直磁各向异性能Ku和形状各向异性能Kd提供的有效垂直磁各向异性能Keff等，以在反铁磁性层61与磁化固定层62之间引发规定的交换磁各向异性的方式适当设置。
随后，通过利用导电材料的溅射等，形成将相邻的线状部31的长边方向端部间连接的引线电极6，从而形成磁阻效应元件3。然后，在剥离去除抗蚀剂图案82之后，通过CVD方法、反应性溅射等PVD法、真空蒸镀法等成膜方法形成覆盖基板2的第一面21和磁阻效应元件3的保护层4(参照图6E)。
对于如上所述形成的位于磁阻效应元件3上的保护层4的表面进行表面粗糙度调整处理，使其具有规定的表面粗糙度。由此，能够制造本实施方式所涉及的生物传感器1。
作为表面粗糙度调整处理，例如可以举出对保护层4的表面的CVD处理、研磨处理等。由上述成膜方法(CVD法、PVD法、真空蒸镀法等)形成的保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra有时会偏离规定的范围(0.1nm以上、保护层4的厚度T4的1/2以下)。可以认为主要原因在于在形成磁阻效应元件3(MR膜70)的过程中，在暴露于磁阻效应元件3(MR膜70)的最外表面的金属膜上氧化膜生长，或者该金属膜的颗粒生长，或者由于根据需要进行的清洁处理或剥离处理而在磁阻效应元件3(MR膜70)的最外表面形成凹凸。当保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra偏离规定的范围时，在保护层4上被捕获的生物分子和磁珠10的至少一部分因施加梯度磁场或清洗而被去除，可能导致生物传感器1的检测结果出现偏差。但是，在本实施方式中，对保护层4的表面进行上述表面粗糙度调整处理，因此能够使保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra在规定的范围内，能够抑制在保护层4上被捕获的生物分子和磁珠10因施加梯度磁场或清洗等而被去除，能够实现高精度的检测。其中，作为上述表面粗糙度调整处理，在对保护层4的表面进行CVD处理的情况下，通过调整CVD处理的处理条件(例如成膜温度、放电功率和成膜压力等)，也能够调整保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra。
对使用具有上述结构的生物传感器1的磁检测装置以及具备该磁检测装置的磁检测***进行说明。图7是表示本实施方式的磁检测***的概略结构的截面图。
本实施方式的磁检测***100包括：具有生物传感器1和支承该生物传感器1的支承部110的磁检测装置、磁场发生部120、和具有容纳包含生物分子的试样200的多个储液器140的板130。
生物传感器1的保护层4的表面也可以设置能够与试样200中的生物分子特异性结合的探针(例如配体等)。当然，也可以构成为不在生物传感器1的保护层4的表面设置该探针，而是生物传感器1的保护层4的表面例如通过静电相互作用、氢键相互作用等由保护层4捕获生物分子。试样200中的生物分子只要聚集于磁珠10(参照图5)即可。支承生物传感器1的支承部110具有能够***到各储液器140中的大小的多个长条状部。在各长条状部的前端安装该生物传感器1，使得在将该长条状部的前端***到储液器140中时，能够使生物传感器1与收纳于各储液器140中的试样200接触。支承部110以能够升降的方式设置，由此，能够将各长条状部***到各储液器140中或从各储液器140取出。
磁场发生部120例如由能够产生与生物传感器1的基板2的第一面21正交的方向的磁场的线圈等构成，并且以在使生物传感器1与收纳于各储液器140中的试样200接触时，能够对该生物传感器1施加磁场的方式设置。
在具有这样的结构的磁检测***100中，当使生物传感器1与收纳于各储液器140中的试样200接触时，聚集于磁珠10(参照图5)的生物分子被生物传感器1的保护层4捕获。在该状态下，当从磁场发生部120产生沿着与基板2的第一面21正交的方向的磁场时，磁珠10带有磁性，从磁珠10产生杂散磁场HS(参照图5)。通过该杂散磁场HS施加于磁阻效应元件3，自由层64的磁化方向发生变化，作为结果，磁阻效应元件3的电阻值发生变化，从生物传感器1输出信号。该磁阻效应元件3的电阻值变化与被保护层4的表面捕获的生物分子11所结合的磁珠10的数量之间具有相关性(线性相关)，因此，在磁检测***100中，能够基于从生物传感器1输出的信号检测试样中的生物分子的存在及存在量。
此外，在上述磁检测***100中，磁场发生部120也可以为产生用于使磁珠10磁化的磁场，并且在磁化后的磁珠10上聚集的生物分子被生物传感器1的保护层4捕获的状态下，产生磁阻效应元件3的面内方向(XY平面的面内方向)的交流磁场的磁场发生部。在该实施方式的磁检测***100中，首先，使生物传感器1与收纳于各储液器140中的试样200接触，通过从磁场发生部120产生的磁场使磁珠10磁化，并且在磁化后的磁珠10上聚集的生物分子被生物传感器1的保护层4捕获。在该状态下，当从磁场发生部120产生上述交流磁场时，从磁珠10产生杂散磁场。通过该杂散磁场施加到磁阻效应元件3，自由层64的磁化方向发生变化，作为结果，磁阻效应元件3的电阻值发生变化，从生物传感器1输出信号。
以上说明的实施方式是为了容易理解本发明而记载的内容，而不是为了限制本发明。因此，上述实施方式所公开的各要素还包括属于本发明的技术范围的所有设计变更或等效物。
在上述实施方式中，可以仅将位于磁阻效应元件3(线状部31)上的保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra调整到规定的范围内，也可以仅将位于磁阻效应元件3(线状部31)的第二区域3B上的保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra调整到规定的范围内。例如，可以形成具有仅使位于磁阻效应元件3的第二区域3B上的保护层4露出的开口部的抗蚀剂图案，以低角度对从该抗蚀剂图案的开口部露出的保护层4进行离子铣削处理，从而减小该保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra，并调整到上述规定的范围内。也可以通过利用CVD法等在从上述抗蚀剂图案的开口部露出的保护层4上形成绝缘膜，从而减小该保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra，并调整到上述规定的范围内。还可以通过使规定的化学试剂(例如氢氟酸缓冲液等)与从上述抗蚀剂图案的开口部露出的保护层4的表面接触，出现构成保护层4的材料的晶界，从而增大该保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra，并调整到上述规定的范围内。此外，还可以在从上述抗蚀剂图案的开口部露出的保护层4的表面，进行调整了Al2O3、SiO2、SiN等靶颗粒的粒径的溅射等来形成薄膜，从而调整构成该薄膜的颗粒的粒径，将薄膜的表面的算术平均粗糙度Ra调整到上述规定的范围内。可以仅将保护层4的表面中的特定区域(线状部31上的区域或线状部31的第二区域3B上的区域)的算术平均粗糙度Ra调整到规定的范围内。
[实施例]
下面，列举实施例等对本发明进行更详细的说明，但本发明不限于下述的实施例等。
[试验例1]
准备具有图1所示结构且具有90个磁阻效应元件3的生物传感器1，该磁阻效应元件3的第二区域3B中的保护层4的厚度T4为30nm，各样品的保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra不同(样品1～9，各样品的算术平均粗糙度Ra(nm)参照表1)。具体而言，进行对保护层4的CVD处理(使用四乙氧基硅烷(TEOS)作为原料气体)，通过调整CVD处理中的成膜温度、放电功率和成膜压力来调整各样品中的保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra。对于各样品，求出保护层4上捕获有磁珠10的状态下的磁阻效应元件3的电阻变化率R(以捕捉磁珠10前(零磁场)的磁阻效应元件3的电阻值为基准的变化率)，算出该电阻变化率R除以能够由磁阻效应元件3检测到的试样浓度的下限值CMIN的值(R/CMIN)。结果如表1所示。其中，能够检测出的试样浓度的下限值CMIN作为试样浓度与电阻变化率之间失去相关性的最小试验浓度求出。此外，表1所示的结果(R/CMIN)是将样品3和样品4的值(R/CMIN)作为1时的相对值。其中，如果R/CMIN为0.3以上，则可以说检查灵敏度是可以接受的。
此外，在上述各样品(样品1～9)中，求出90个磁阻效应元件3各自的电阻变化率R的偏差(检测偏差，％)，基于该检测偏差来评价各样品。结果一并示于表1。其中，在表1中，“◎”表示检测偏差小于5％，“○”表示检测偏差为5％，“×”表示检测偏差超过5％。
[表1]
Ra(nm) R/C<sub>MIN</sub> 检测偏差 保护层成膜性
样品1 0.01 0.25 ◎ ×
样品2 0.1 0.75 ◎ ×
样品3 0.2 1 ◎ ○
样品4 0.5 1 ◎ ◎
样品5 1.0 0.67 ◎ ◎
样品6 3.0 0.45 ◎ ◎
样品7 5.0 0.41 ◎ ◎
样品8 15.0 0.37 ○ ◎
样品9 30.0 0.36 × ◎
由表1所示的结果可以确认，通过使保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra为规定的范围(0.1nm以上15nm以下)，能够使用磁珠10高精度地检测试样中的生物分子11。特别是可以确认即使使用浓度极低的试样，也能够高精度地检测生物分子11。并且，通过使保护层4的表面的算术平均粗糙度Ra为5.0nm以下，能够进一步降低生物传感器1所具有的多个磁阻效应元件3各自的生物分子11的检测偏差。

Claims (16)

1.一种磁传感器，其是用于检测试样中的检测对象物质的磁传感器，该磁传感器的特征在于，包括：
基板，其具有第一面和与所述第一面相对的第二面；
磁阻效应元件，其设置在所述基板的所述第一面上，其电阻值根据输入磁场而变化；和
保护层，其覆盖在所述磁阻效应元件上，
位于所述磁阻效应元件上的所述保护层的表面具有规定的表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，
所述保护层的表面的算术平均粗糙度Ra的下限值为0.1nm，所述算术平均粗糙度Ra的上限值为所述磁阻效应元件上的所述保护层的厚度的1/2。
3.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，
所述磁阻效应元件上的所述保护层的厚度为3～200nm。
4.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，
所述算术平均粗糙度Ra为0.2～5.0nm。
5.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，
所述磁阻效应元件为GMR元件。
6.根据权利要求1或2所述的磁传感器，其特征在于，
所述检测对象物质为生物分子。
7.一种磁检测装置，其特征在于，
包括权利要求1或2所述的磁传感器和支承所述磁传感器的支承部。
8.根据权利要求7所述的磁检测装置，其特征在于，
在所述保护层的表面存在能够与所述检测对象物质特异性结合的探针。
9.一种磁检测***，其特征在于，
包括权利要求7所述的磁检测装置、磁场发生部和能够保持所述试样的保持部，
所述磁检测装置以能够使所述磁传感器与所述保持部所保持的所述试样接触的方式设置，
所述磁场发生部以对与所述保持部所保持的所述试样接触的所述磁传感器施加磁场的方式设置。
10.一种磁传感器的制造方法，其是制造用于检测试样中的检测对象物质的磁传感器的方法，该制造方法的特征在于，包括：
准备具有第一面和与所述第一面相对的第二面的基板的工序；
在所述基板的所述第一面上设置电阻值根据输入磁场而变化的磁阻效应元件的工序；
形成覆盖所述磁阻效应元件的保护层的工序；和
将位于所述磁阻效应元件上的所述保护层的表面调整为规定的表面粗糙度的工序。
11.根据权利要求10所述的磁传感器的制造方法，其特征在于，
所述保护层的表面的算术平均粗糙度Ra的下限值为0.1nm，该算术平均粗糙度Ra的上限值为所述磁阻效应元件上的所述保护层的厚度的1/2。
12.根据权利要求10或11所述的磁传感器的制造方法，其特征在于，
通过对位于所述磁阻效应元件上的所述保护层的表面进行CVD处理或研磨处理，将所述保护层的表面的算术平均粗糙度Ra调整为规定的范围。
13.根据权利要求10或11所述的磁传感器的制造方法，其特征在于，
以所述磁阻效应元件上的所述保护层的厚度达到3～200nm的方式形成所述保护层。
14.根据权利要求10或11所述的磁传感器的制造方法，其特征在于，
所述算术平均粗糙度Ra为0.2～5.0nm。
15.根据权利要求10或11所述的磁传感器的制造方法，其特征在于，
所述磁阻效应元件为GMR元件。
16.根据权利要求10或11所述的磁传感器的制造方法，其特征在于，
所述检测对象物质为生物分子。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002107433A (ja) * 2000-09-28 2002-04-10 Hitachi Metals Ltd 磁気式センサーとその製造方法、およびエンコーダー
US20020086182A1 (en) * 2000-12-28 2002-07-04 Nec Corporation Spin tunnel magnetoresistive effect film and element, magnetoresistive sensor using same, magnetic apparatus, and method for manufacturing same
JP2006253562A (ja) * 2005-03-14 2006-09-21 Mitsubishi Electric Corp 磁気抵抗効果素子、これを用いた磁界検出器、および磁気抵抗効果素子の製造方法
US20110175605A1 (en) * 2010-01-21 2011-07-21 The Industry & Academic Cooperation In Chungnam National University (Iac) Magnetic Sensor
WO2017110534A1 (ja) * 2015-12-25 2017-06-29 国立研究開発法人物質・材料研究機構 面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜、面直通電巨大磁気抵抗素子、及びその用途
US20170263854A1 (en) * 2016-03-08 2017-09-14 Tohoku University Spin electronics element and method of manufacturing thereof
WO2017170238A1 (ja) * 2016-03-28 2017-10-05 Tdk株式会社 バイオセンサ及びバイオチップ
DE102017123789A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Tdk Corporation Dreiachsiger Magnetsensor und Verfahren zur Herstellung desselben
US20180240479A1 (en) * 2017-02-20 2018-08-23 Fujifilm Corporation Magnetic tape device and magnetic reproducing method

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0148842B1 (ko) * 1993-07-22 1998-10-15 가나이 쯔또무 자기기록매체 및 그의 제조방법과 자기기록 시스템
JP2002237006A (ja) 2001-02-08 2002-08-23 Sony Corp 磁気ヘッドの製造方法
US7906345B2 (en) 2003-11-12 2011-03-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Magnetic nanoparticles, magnetic detector arrays, and methods for their use in detecting biological molecules
US7564659B2 (en) * 2005-08-09 2009-07-21 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Magnetoresistive sensor having an anisotropic pinned layer for pinning improvement
US7525775B2 (en) * 2005-11-17 2009-04-28 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Oblique angle etched underlayers for improved exchange biased structures in a magnetoresitive sensor
US7989396B2 (en) * 2006-12-05 2011-08-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Biomolecule immobilization on biosensors
AU2008345242B2 (en) 2007-10-31 2014-02-27 Xencor, Inc. Fc variants with altered binding to FcRn
JP5707174B2 (ja) 2010-04-16 2015-04-22 キヤノンアネルバ株式会社 磁気抵抗効果素子の製造方法
US9151763B2 (en) 2011-03-09 2015-10-06 Magarray, Inc. Systems and methods for high-throughput detection of an analyte in a sample
JP6812986B2 (ja) 2015-11-10 2021-01-13 Tdk株式会社 センサ及びバイオチップ

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002107433A (ja) * 2000-09-28 2002-04-10 Hitachi Metals Ltd 磁気式センサーとその製造方法、およびエンコーダー
US20020086182A1 (en) * 2000-12-28 2002-07-04 Nec Corporation Spin tunnel magnetoresistive effect film and element, magnetoresistive sensor using same, magnetic apparatus, and method for manufacturing same
JP2006253562A (ja) * 2005-03-14 2006-09-21 Mitsubishi Electric Corp 磁気抵抗効果素子、これを用いた磁界検出器、および磁気抵抗効果素子の製造方法
US20110175605A1 (en) * 2010-01-21 2011-07-21 The Industry & Academic Cooperation In Chungnam National University (Iac) Magnetic Sensor
WO2017110534A1 (ja) * 2015-12-25 2017-06-29 国立研究開発法人物質・材料研究機構 面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜、面直通電巨大磁気抵抗素子、及びその用途
US20170263854A1 (en) * 2016-03-08 2017-09-14 Tohoku University Spin electronics element and method of manufacturing thereof
WO2017170238A1 (ja) * 2016-03-28 2017-10-05 Tdk株式会社 バイオセンサ及びバイオチップ
DE102017123789A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Tdk Corporation Dreiachsiger Magnetsensor und Verfahren zur Herstellung desselben
US20180240479A1 (en) * 2017-02-20 2018-08-23 Fujifilm Corporation Magnetic tape device and magnetic reproducing method

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