Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors

Walkenhorst S (2007)
Bielefeld (Germany): Bielefeld University.

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Bielefeld Master Thesis | English
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Bislang war eine Signalverstärkung nötig für die Detektion einzelner magnetischer Marker mittels magnetoresistiver Sensoren. Die Detektion ohne Signalverstärkung mit Hilfe von magnetischen Tunnelelementen (englisch: "magnetic tunnel junction", MTJ) wäre ein Fortschritt im Bereich der Miniaturisierung und in der Anwendbarkeit als Biosensoren. Versuche mit konventionellen AlOx-Tunnelelementen wurden durchgeführt in Verbindung mit superparamagnetischen Teilchen, sog. Beads, die senkrecht zur Sensorebene gesättigt wurden. TMR-Messungen von Sensoren mit und ohne Bead, gesättigt und ungesättigt, wurden miteinander verglichen. Mit Helmholtz-Spulen ist eine verschobene Hysterese möglich, die auch schmaler ist, dagegen scheinen die Aufbauten mit Permanentmagneten nicht einsetzbar zu sein, da das magnetische Feld nicht homogen genug war. Von Elementen mit senkrechtem "pinning" wird erwartet, dass sie keine Hysterese zeigen. Für MgO-Tunnelelemente wurde senkrechtes pinning durch Formanisotropie verwirklicht. Mittels Elektronenstrahllithografie und Ionenätzen wurden Felder mit tausenden (Sub-)Mikrometerelementen hergestellt. Messungen auf Grundlage des magnetooptischen Kerr-Effekts zeigen Hysterese-freie Signale, wenn mit kleinen Feldern gemessen wird.

Signal enhancement was so far necessary for detection of single magnetic markers using magnetoresistive sensors. Detection without signal enhancement on basis of a magnetic tunnel junction (MTJ) would be an important feature for miniaturization and for applications such as biosensors. Based on conventional MTJs with AlOx barrier several setups with out-of-plane saturation of superparamagnetic beads were analyzed. TMR measurements with and without beads on top of a sensor, alternatively saturated or not were compared. With Helmholtz coils a shifted and narrow hysteresis is possible, whereas permanent magnets seem to be not applicable due to a very inhomogeneous field in this setup. Elements are expected to have a hysteresis-free magnetic switching due to a perpendicular pinning. For MgO based sensors perpendicular pinning has been established via shape anisotropy. Arrays containing thousands of (sub-)micron elements were structured by electron beam lithography and ion beam etching. Measurements using the magneto-optical Kerr effect show a hysteresis-free signal for low magnetic fields.
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Walkenhorst S. Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2007.
Walkenhorst, S. (2007). Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors. Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
Walkenhorst, S. (2007). Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors. Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
Walkenhorst, S., 2007. Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors, Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
S. Walkenhorst, Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors, Bielefeld (Germany): Bielefeld University, 2007.
Walkenhorst, S.: Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors. Bielefeld University, Bielefeld (Germany) (2007).
Walkenhorst, Sascha. Detection of superparamagnetic beads with TMR sensors. Bielefeld (Germany): Bielefeld University, 2007.
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