專利名稱：帶有基準(zhǔn)單元的磁傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁傳感器裝置，包括至少一個(gè)磁傳感器元件和用于提 供樣本的樣本室。此外，本發(fā)明還涉及這樣的磁傳感器裝置的應(yīng)用和采用 這樣的磁傳感器裝置測(cè)量磁場(chǎng)的方法。
背景技術(shù)：
WO 2005/010543 Al和WO 2005/010542 A2公開了一種磁傳感器裝置， 例如，可以在微流體生物傳感器中用其檢測(cè)帶有磁珠標(biāo)記的(生物學(xué))分 子。所述微傳感器裝置設(shè)有傳感器單元的陣列，其包括用于生成磁場(chǎng)的線 路和用于檢測(cè)受到磁化的磁珠所產(chǎn)生的雜散場(chǎng)的巨磁阻裝置(GMR)。從而 GMR的電阻表示傳感器單元附近的磁珠數(shù)量。
上述類型的磁性生物傳感器的問(wèn)題在于，磁阻元件的靈敏度對(duì)諸如傳 感器中的磁不穩(wěn)定性、外部磁場(chǎng)、老化、溫度等的不可控參數(shù)非常敏感， 并由此導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量的有效增益對(duì)此也非常敏感。

發(fā)明內(nèi)容
基于這種情況，本發(fā)明的目的在于提供一種措施，使得磁傳感器裝置 的測(cè)量對(duì)傳感器增益中的變化表現(xiàn)出更高的魯棒性。
這一目的是通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器裝置、根據(jù)權(quán)利要求 15所述的方法和根據(jù)權(quán)利要求24所述的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的。在從屬權(quán)利要求中公 開了優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的磁傳感器裝置包括下述部件
a) 用于提供例如電壓等傳感器信號(hào)的至少一個(gè)磁傳感器元件，其 中，所述傳感器信號(hào)指示所述磁傳感器元件(至少部分地)暴露于其中的 磁場(chǎng)(或至少其分量)。
b) 能夠在其內(nèi)提供樣本的樣本室，其能夠生成抵達(dá)磁傳感器元件的磁場(chǎng)。就最一般的意義而言，樣本室只是大體上處于磁傳感器元件附近的 區(qū)域，可以在該處提供某種磁交互實(shí)體(樣本)。顧名思義，樣本"室"通 常是被設(shè)置為限制樣本物質(zhì)的目標(biāo)分子的移動(dòng)(或使其混雜)的空腔或腔。 此外，樣本室通常是微流體系統(tǒng)的一部分。
C) 用于在所述磁傳感器元件中生成磁"基準(zhǔn)場(chǎng)"的基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器， 其中，所述基準(zhǔn)場(chǎng)在樣本室中具有可以忽視的強(qiáng)度。如果所述樣本室內(nèi)的 磁基準(zhǔn)場(chǎng)的(平均或最大)強(qiáng)度小于其在磁傳感器元件中的(平均或最大)
強(qiáng)度的O.Ol、優(yōu)選小于0.001、最優(yōu)選小于0.0001，那么通?？梢詽M足后
一條件。理想地，樣本室內(nèi)的磁基準(zhǔn)場(chǎng)的強(qiáng)度為零，或者至少低于檢測(cè)極 限。
上述基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器的設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于排除了對(duì)樣本室內(nèi)的樣本的磁干 擾，或者至少將干擾降低到了不可檢測(cè)的水平。因而，能夠確保使所觀察 到的磁傳感器元件的反應(yīng)明確關(guān)聯(lián)至所施加的具有已知強(qiáng)度的磁基準(zhǔn)場(chǎng)。 這允許準(zhǔn)確地監(jiān)督傳感器特性，尤其是對(duì)其測(cè)量的校準(zhǔn)。可以通過(guò)不同的方式實(shí)現(xiàn)只對(duì)磁傳感器元件造成影響而不對(duì)樣本室造 成影響的基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器包括基本呈 直線的第一導(dǎo)體，其中，"呈直線" 一詞表示所述導(dǎo)體的長(zhǎng)度明顯大于其最
大直徑(沿垂直于長(zhǎng)度的方向測(cè)量)，例如，是其10倍，優(yōu)選為100倍。
因而，可以將第一導(dǎo)體粗略地看作是一維的。典型地，第一導(dǎo)體是具有矩 形或圓形截面的直線路，但是其他的非直線的形狀也是可能的?；鶞?zhǔn)場(chǎng)發(fā) 生器還包括靠近所述第一導(dǎo)體并且基本與之平行延伸的第二平坦導(dǎo)體。"平 坦"一詞表示第二導(dǎo)體的長(zhǎng)度和寬度(沿垂直方向測(cè)得)明顯大于其高度
(沿垂直于長(zhǎng)度和寬度的方向測(cè)得)，例如，是其10倍，優(yōu)選為100倍。
因而，可以將第二導(dǎo)體粗略地看作是二維的。典型地，通過(guò)平面金屬薄板 實(shí)現(xiàn)所述第二導(dǎo)體。所述第一和第二導(dǎo)體的平行是相對(duì)于其主維度而言的， 即，相對(duì)于第一導(dǎo)體的長(zhǎng)度以及第二導(dǎo)體的長(zhǎng)度和寬度而言的。最后，必 須相對(duì)于第一和第二導(dǎo)體的所述維度來(lái)理解"靠近"一詞。因而，所述第 一和第二導(dǎo)體之間的距離通常分別具有所述第一導(dǎo)體的直徑或所述第二導(dǎo) 體的高度的數(shù)量級(jí)，和/或分別小于所述第一導(dǎo)體的長(zhǎng)度或所述第二導(dǎo)體的 長(zhǎng)度/寬度。在優(yōu)選情況下，所述第一和第二導(dǎo)體之間的距離是第一導(dǎo)體的
長(zhǎng)度的0.1倍，優(yōu)選為0.01倍。
根據(jù)上述實(shí)施例的進(jìn)一步擴(kuò)展，將所述第一和第二導(dǎo)體一端短接，并 在另一端處連接至基準(zhǔn)電源(其中，應(yīng)當(dāng)相對(duì)于其長(zhǎng)度限定所述第一和第 二導(dǎo)體的末端)。例如，所述基準(zhǔn)電源可以是(例如)恒流源或恒壓源。在 所述的布置中，可以通過(guò)所述第一導(dǎo)體沿一個(gè)方向傳導(dǎo)電流，并沿相反方 向通過(guò)所述第二導(dǎo)體返回所述電流。由這樣的電流生成的磁(基準(zhǔn))場(chǎng)基 本被限制在所述平面導(dǎo)體的一側(cè)，下文將參考附圖對(duì)此進(jìn)行更為詳細(xì)的說(shuō) 明。
在上述實(shí)施例中，優(yōu)選將磁傳感器元件布置在所述第一和第二導(dǎo)體之 間，因?yàn)橛呻娏魍ㄟ^(guò)所述導(dǎo)體所生成的磁(基準(zhǔn))場(chǎng)將集中在這一區(qū)域內(nèi)。 相反，優(yōu)選將所述樣本室布置在所述平坦的第二導(dǎo)體之后(分別從所述第 一導(dǎo)體或所述磁傳感器元件來(lái)看)，在該處所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)基本為零。
如果所述第二導(dǎo)體盡可能多地覆蓋所述第一導(dǎo)體，那么在所述平坦的 第二導(dǎo)體后面的空間將受到最大化的屏蔽，從而免受所述導(dǎo)體中的電流生 成的磁基準(zhǔn)場(chǎng)的影響。理想地，所述第二導(dǎo)體將因此沿兩個(gè)方向無(wú)限延伸。
如果所述第二導(dǎo)體的寬度超過(guò)所述第一導(dǎo)體的寬度的100倍，優(yōu)選超過(guò)200 倍，那么將實(shí)現(xiàn)這種理想情況的良好近似。所述第一和第二導(dǎo)體的長(zhǎng)度較 為不重要，其可以具有近乎相同的數(shù)值量級(jí)，其中，所述平坦的第二導(dǎo)體 的長(zhǎng)度稍微大于所述線狀第一導(dǎo)體的長(zhǎng)度。
所述平坦的第二導(dǎo)體的電導(dǎo)率應(yīng)當(dāng)非常高。如果將其實(shí)現(xiàn)為金屬層， 優(yōu)選實(shí)現(xiàn)為具有適當(dāng)厚度的金層，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的。
根據(jù)本發(fā)明的另一變型，所述磁傳感器元件包括信號(hào)分離單元，其用 于將所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)引起的磁傳感器元件基準(zhǔn)分量的傳感器信號(hào)與可能由其 他磁場(chǎng)或由人為因素引起的其他分量分離。因而，能夠隔離并測(cè)定所述磁 傳感器元件對(duì)所述具有已知強(qiáng)度的磁基準(zhǔn)場(chǎng)做出的反應(yīng)。
前述信號(hào)分離單元優(yōu)選適于基于信號(hào)分量的頻譜組成對(duì)信號(hào)分量進(jìn)行 分離。例如，如果基準(zhǔn)分量和其他分量出現(xiàn)在傳感器信號(hào)的頻譜的不同頻 率上，那么可以采用簡(jiǎn)單的帶通濾波使其相互分離。
在本發(fā)明的進(jìn)一步擴(kuò)展中，所述磁傳感器裝置包括至少一個(gè)用于在樣 本室內(nèi)生成磁激勵(lì)場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生器。所述磁場(chǎng)發(fā)生器通常包括處于傳感器的導(dǎo)體線路。例如，可以采用所述磁激勵(lì)場(chǎng)移動(dòng) 樣本室內(nèi)的磁交互顆粒和/或?qū)⒂糜跇?biāo)記目標(biāo)分子的磁珠磁化。在后一種情 況下，由所述標(biāo)記磁珠生成的磁場(chǎng)將成為所述磁傳感器元件應(yīng)當(dāng)測(cè)量的目 標(biāo)信號(hào)。由于所述磁激勵(lì)場(chǎng)進(jìn)入了所述樣本室內(nèi)，并且可能由此始終在該 處激發(fā)具有未知的規(guī)模形式的磁反應(yīng)。但是，在采用基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器時(shí)，將 排除這樣的干擾。
在前述實(shí)施例中，優(yōu)選采用激勵(lì)電源為磁場(chǎng)發(fā)生器提供具有第一頻率 的激勵(lì)電流。于是，樣本室內(nèi)的樣本的反應(yīng)將遵循這一第一頻率，由此能 夠在所測(cè)的傳感器信號(hào)的頻譜內(nèi)將其識(shí)別出來(lái)。
在本發(fā)明的另 一實(shí)施例中，所述磁傳感器裝置包括用于采用具有第二 頻率的基準(zhǔn)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器的基準(zhǔn)電源。從而，由所述磁基準(zhǔn)場(chǎng) 引起的磁傳感器元件的反應(yīng)將遵循該第二頻率，這允許在所測(cè)的傳感器信 號(hào)的頻譜中將它們識(shí)別出來(lái)。
如果所述的第一和第二頻率互不相同，那么所述傳感器信號(hào)中分別由 所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)和所述樣本室內(nèi)的樣本引起的分量的頻譜分離將成為可能。
根據(jù)本發(fā)明的另一變型，所述磁傳感器裝置包括增益估算單元，其用 于計(jì)算作為所述磁傳感器元件的傳感器增益和/或耦合至所述磁傳感器元 件以處理器傳感器信號(hào)的處理部件的增益的特性的"增益值"。例如，所述 增益值可以是傳感器增益本身或者是其與預(yù)定參考值的偏差。照例將傳感 器或處理部件的增益定義為其輸出信號(hào)(即電壓)相對(duì)于其輸入，即，就 傳感器而言所要測(cè)量的量(例如，磁場(chǎng)強(qiáng)度)的導(dǎo)數(shù)。傳感器增益是傳感 器性態(tài)的重要特性，對(duì)其的了解是對(duì)測(cè)量進(jìn)行準(zhǔn)確地定量評(píng)估所必需的。 后處理電路的增益也同樣。特別地，結(jié)合上述信號(hào)分離單元，能夠從所確 定的傳感器信號(hào)的基準(zhǔn)分量導(dǎo)出所述傳感器和/或其他處理部件的增益，因 為這明顯地返回到了已知的磁基準(zhǔn)場(chǎng)上。
在上述實(shí)施例的進(jìn)一步擴(kuò)展中，所述磁傳感器裝置包括根據(jù)所述增益 估算單元計(jì)算的增益值來(lái)調(diào)整所述磁傳感器元件的測(cè)量的自適應(yīng)單元。因
而，將所估算的傳感器增益用于傳感器測(cè)量的在線校準(zhǔn)，這將使得所述測(cè) 量甚至相對(duì)于短時(shí)間量程上的增益變化也能夠表現(xiàn)出魯棒性。
實(shí)現(xiàn)前述類型的自適應(yīng)單元的方式存在不同的可能性。根據(jù)第一種具
體實(shí)現(xiàn)，所述自適應(yīng)單元包括用于放大磁傳感器元件的傳感器信號(hào)的可變 增益放大器。之后，可以根據(jù)所計(jì)算的增益值來(lái)調(diào)整所述放大器，從而使 傳感器增益和放大器增益的組合保持恒定。
在第二種實(shí)現(xiàn)中，所述自適應(yīng)單元包括用于為磁傳感器元件提供可變 傳感器電流的可調(diào)整傳感器電源。例如，當(dāng)所述磁傳感器元件是磁阻元件， 該方法有效，其中該磁阻元件由傳感器電流驅(qū)動(dòng)，并產(chǎn)生與所施加的傳感 器電流成比例的作為傳感器信號(hào)的電壓降。
在另一實(shí)現(xiàn)中，所述磁傳感器裝置包括用于將模擬傳感器信號(hào)和所計(jì) 算的增益值變換成供進(jìn)一步處理的數(shù)字值的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。例如，可以 通過(guò)能夠相對(duì)于所應(yīng)用的算法實(shí)現(xiàn)最高的靈活性的個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行所述 處理。
本發(fā)明還涉及一種用于測(cè)量源于樣本室內(nèi)的磁場(chǎng)的方法，其中，采用 至少一個(gè)磁傳感器元件來(lái)執(zhí)行所述測(cè)量。所述方法包括在磁傳感器元件(或 至少其部分)內(nèi)生成磁基準(zhǔn)場(chǎng)，其中，所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)在樣本室內(nèi)具有可忽 略的強(qiáng)度。
在一般形式下，該方法包括能夠用上述種類的磁傳感器裝置執(zhí)行的步 驟。因此，關(guān)于該方法的細(xì)節(jié)、優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)之處的更多信息，參考前面的 描述。
所述方法的尤為重要的實(shí)施例包括將由磁基準(zhǔn)場(chǎng)引起的基準(zhǔn)分量與磁 傳感器元件的傳感器信號(hào)的其他分量分離。優(yōu)選借助頻譜，即，以所述傳 感器信號(hào)的頻譜為基礎(chǔ)完成所述分離。
在本方法的另一實(shí)施例中，在樣本室內(nèi)生成具有第一頻率的磁激勵(lì)場(chǎng)。 因而，采用所述第一頻率為樣本室內(nèi)的(例如)磁性顆粒的反應(yīng)做出了標(biāo) 記，從而易于在傳感器信號(hào)中進(jìn)行檢測(cè)。
優(yōu)選生成具有第二頻率的磁基準(zhǔn)場(chǎng)。因而，采用所述第二頻率對(duì)由所 述基準(zhǔn)場(chǎng)引起的反應(yīng)做出標(biāo)記，從而易于在傳感器信號(hào)中進(jìn)行檢測(cè)。
在所述方法的另一重要實(shí)施例中，由磁傳感器元件的傳感器信號(hào)計(jì)算 磁傳感器元件的傳感器增益和/或耦合至所述磁傳感器元件的處理部件的 "增益值"特性。在這一方法的進(jìn)一步擴(kuò)展中，根據(jù)所計(jì)算的增益值調(diào)整 所述磁傳感器元件的測(cè)量。其允許使所述測(cè)量不依賴于所述傳感器或其他
電子部件的增益的變化，從而顯著提高所述測(cè)量程序的準(zhǔn)確度。
尤其可以通過(guò)改變傳感器信號(hào)的放大率，通過(guò)改變提供給磁傳感器元
件的功率和/或通過(guò)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量調(diào)整。
如上文所述，任選通過(guò)磁阻元件實(shí)現(xiàn)所述磁傳感器元件。其可以是(例
如)巨磁阻(GMR)元件、TMR (隧道磁阻)元件或AMR (各向異性磁阻)元件。
本發(fā)明還涉及將上述磁傳感器裝置用于分子診斷、生物樣本分析或化 學(xué)樣本分析。例如，可以借助于直接或間接附著于目標(biāo)分子的磁珠來(lái)完成 分子診斷。


參考下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得明了且得到 闡述。將借助于附圖以舉例方式描述這些實(shí)施例，附圖中-
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器的磁傳感器裝置的示意性 截面圖2示出了沿垂直方向的圖1所示的磁傳感器裝置的示意性截面圖； 圖3通過(guò)透視圖示出了線狀第一導(dǎo)體和平面第二導(dǎo)體之間的磁基準(zhǔn)場(chǎng) 的生成；
圖4示出了所計(jì)算出的圖3的布置的磁場(chǎng)等勢(shì)線； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有自動(dòng)校準(zhǔn)的磁傳感器系統(tǒng)的方框圖； 圖6示出了帶有可變?cè)鲆娣糯笃鞯膱D5所示的系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)； 圖7示出了具有傳感器電流的調(diào)整的圖5所示的系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)； 圖8示出了具有用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的圖5所示的系統(tǒng) 的具體實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
附圖中類似的附圖標(biāo)記表示相同或類似的部件。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的微電子磁傳感器裝置，其中，將其具體用作 用于檢測(cè)樣本室1內(nèi)的例如超順磁珠2等的磁交互顆粒的生物傳感器。磁 阻生物芯片或生物傳感器在靈敏度、特異性、集成性、易用性和成本方面 對(duì)于生物分子診斷都具有大有前途的特性。在WO 2003/054566、 WO 2003/054523、 WO 2005/010542 A2、 WO 2005/010543 Al和WO 2005/038911 Al中描述了這種生物芯片的范例，在此通過(guò)引用將它們并入本文。但是， 所述傳感器裝置也可以是任何適當(dāng)?shù)囊晕挥趥鞲衅鞅砻嫔匣蚋浇拇郎y(cè)顆 粒的磁性的探測(cè)為基礎(chǔ)的傳感器。因此，可以將所述磁傳感器裝置設(shè)計(jì)為 線圈、磁阻傳感器、磁限制傳感器(magneto-restrictive sensor)、 Hall 傳感器、平面Hall傳感器、磁通量門傳感器、SQUID (半導(dǎo)體超導(dǎo)量子干 涉裝置)、磁共振傳感器或其他通過(guò)磁場(chǎng)激勵(lì)的傳感器裝置。
圖1所示的磁傳感器裝置包括至少一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器，這里，所述磁場(chǎng) 發(fā)生器由兩條矩形導(dǎo)體線11和13實(shí)現(xiàn)。電流源21 (參考圖6-8)以具有 頻率t的交變激勵(lì)電流L = 1,。.sin(27tf,t)驅(qū)動(dòng)線路11和13，以生成使樣 本室l內(nèi)的磁珠2磁化的磁激勵(lì)場(chǎng)B。例如，可以采用磁珠2作為所研究的 (生物)分子的標(biāo)記(更多細(xì)節(jié)參考所引用的文獻(xiàn))。于是，由磁珠2生成 的磁雜散場(chǎng)(未示出)將影響設(shè)置在導(dǎo)體線11和13之間的中點(diǎn)的巨磁阻 (GMR)傳感器元件12的電阻。如果不采用GMR，也可以采用諸如AMR或 TMR的其他磁阻裝置。GMR傳感器12的典型寬度為w = 3 Mm，與激勵(lì)線路 11和13的典型距離可以是d 二 3 Mm。
為了測(cè)量前述磁場(chǎng)，通過(guò)另一電流源22 (參考圖6-8)使具有頻率f2 的交流或直流12 = 12。.sin(27rfVt)流過(guò)GMR傳感器元件12。因而，跨越GMR 傳感器12的電壓降u^是表示GMR傳感器12的電阻，并由此表示其受到的 磁場(chǎng)的適當(dāng)?shù)膫鞲衅餍盘?hào)。
在帶有上述部件的磁傳感器裝置中，磁傳感器元件(例如，AMR或GMR) 往往具有包圍一個(gè)以上的磁疇的尺寸，因此易于受到Barkhausen噪聲的影 響。Barkhausen效應(yīng)是鐵磁疇或者對(duì)齊的原子磁體的微觀簇的尺寸和取向 的一系列突然變化。這樣的突然的不連續(xù)的跳越可能使傳感器的靈敏度(或 增益)偏移到另一工作點(diǎn)。因此，磁傳感器的靈敏度將表現(xiàn)出大的短期或 長(zhǎng)期不穩(wěn)定性。尤其是短期不穩(wěn)定性意味著，當(dāng)傳感器的靈敏度在測(cè)定過(guò) 程中突然變化時(shí)，剛剛在測(cè)定之前或者在測(cè)定過(guò)程中確立的(靜態(tài))校準(zhǔn) 點(diǎn)將有可能變得毫無(wú)用處。因此，本發(fā)明的目的在于提供方便的裝置和方 法，以在生物測(cè)定過(guò)程中實(shí)現(xiàn)磁性生物傳感器的連續(xù)自動(dòng)校準(zhǔn)。
根據(jù)這里提出的解決方案，將提供明確定義的穩(wěn)定的基準(zhǔn)磁場(chǎng)，其只
能被磁傳感器元件12感測(cè)到，而不會(huì)被磁性顆粒2感應(yīng)到。這樣的基準(zhǔn)場(chǎng) 允許對(duì)磁傳感器元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)自動(dòng)校準(zhǔn)，因而能夠?qū)θ魏纹埔蛩?(Barkhausen噪聲、溫度、機(jī)械應(yīng)力等)進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償。
除了已經(jīng)描述的部件之外，圖1還示出了前述概念的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)。本實(shí) 施例的核心元件是"基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器"，這里，其包括在GMR傳感器12的下 面與之平行且直線延伸的第一基準(zhǔn)導(dǎo)體線14以及在處于一側(cè)的樣本室1和 處于另一側(cè)的激勵(lì)線11、 12、 GMR傳感器12和第一導(dǎo)體線14之間作為金 層15延伸的平坦的第二基準(zhǔn)導(dǎo)體15。因而，所述第一和第二基準(zhǔn)導(dǎo)體形成 了在其中間具有GMR傳感器12的夾層結(jié)構(gòu)。
圖2示出了沿圖1的II-II線所截取的截面，其中，所述第一基準(zhǔn)導(dǎo) 體14和第二基準(zhǔn)導(dǎo)體15在它們的遠(yuǎn)端通過(guò)通孔16(或者其他低阻抗連接) 短接。在其前端，將所述第二基準(zhǔn)導(dǎo)體15接地，而將所述第一基準(zhǔn)導(dǎo)體14 連接至電流源20 (或者與電阻串聯(lián)的恒壓源)。因而，能夠通過(guò)線狀的第一 導(dǎo)體14傳導(dǎo)基準(zhǔn)電流Iw，并通過(guò)平坦的第二導(dǎo)體15使其返回。
圖3在示意性的草圖中示出了所述的線狀第一導(dǎo)體和平行的平面第二 導(dǎo)體的布置的磁效應(yīng)。在圖3中，將一個(gè)(或多個(gè))矩形導(dǎo)體14懸置于地 平面15的附近，并且使電流Iw通過(guò)導(dǎo)體14并通過(guò)地平面15返回。根據(jù) 電磁學(xué)理論可知，所述磁場(chǎng)是守恒的。因此，由電流Iw生成的磁通量① 完全被限制在電流的正向路徑和返回路徑之間的區(qū)域S (ABCD)內(nèi)。
為了對(duì)其此進(jìn)一步說(shuō)明，圖4示出了針對(duì)圖3的布置的磁場(chǎng)等勢(shì)線。 需要指出的重要的一點(diǎn)是，磁場(chǎng)Bw的所有磁場(chǎng)線都被限制在了地平面15 的一側(cè)。
現(xiàn)在，再次參考圖1和圖2，上述考慮的結(jié)論為由第一和第二基準(zhǔn)導(dǎo)體 14和15生成的磁基準(zhǔn)場(chǎng)B^與樣本室1中的任何樣本2是空間隔離的。因 此，基準(zhǔn)場(chǎng)B^只被耦合至GMR傳感器12。與之相反，允許激勵(lì)線路ll和 13的磁激勵(lì)場(chǎng)B滲透到第二導(dǎo)體15之上的樣本室1內(nèi)，并使其內(nèi)的磁性顆 粒2磁化。
圖1還示出了帶有多達(dá)三個(gè)層A,、 A2、 A3的傳感器裝置的可能的實(shí)現(xiàn)。 在第一實(shí)施例中，在CMOS信號(hào)調(diào)節(jié)芯片的頂部金屬層(層A2和A》之一內(nèi)
實(shí)現(xiàn)線狀基準(zhǔn)導(dǎo)體14，所述頂部金屬層頂部沉積了帶有GMR疊置體12和其 他連接部的薄膜后端(層A》。采用薄膜工藝的頂部的金作為地平面或第二 導(dǎo)體15，其優(yōu)選盡可能大。例如，其可以覆蓋通常為700X700Mm的整個(gè)有 源傳感器區(qū)域?？梢酝ㄟ^(guò)密封環(huán)將頂部的金連接至CMOS IC地，以獲得良 好的地平面。
在另一實(shí)施例中，基準(zhǔn)導(dǎo)體14可以位于半導(dǎo)體襯底A3 (例如Si)上， 并且可以通過(guò)(例如)在由Si扎構(gòu)成的層A2內(nèi)嵌入Au實(shí)現(xiàn)，在層A2上的 層A,內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 GMR和薄膜后端。
可以優(yōu)化基準(zhǔn)導(dǎo)體14和基準(zhǔn)導(dǎo)體15的尺寸，從而在GMR條12內(nèi)部實(shí) 現(xiàn)最佳的磁場(chǎng)輪廓。但是，必須指出，只有在理想平面的情況下，樣本室l 內(nèi)的磁基準(zhǔn)場(chǎng)才嚴(yán)格為零。首先，可以通過(guò)將平面頂部金導(dǎo)體15的寬度b 選擇為比線狀基準(zhǔn)導(dǎo)體14的寬度w大得多而近似實(shí)現(xiàn)這一理想情況。其次, 可以通過(guò)使頂部金層15具有更好的導(dǎo)電性并且更厚而降低磁場(chǎng)對(duì)樣本室1 的滲透。再次，也是最重要的基準(zhǔn)場(chǎng)B^只需要非常低的磁場(chǎng)，其通量集 中穿過(guò)恰恰需要它們的GMR疊置體。樣本室一側(cè)內(nèi)的對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)易于衰減至 少60dB (1000倍或更高)，其根本不會(huì)對(duì)納米顆粒2的磁化強(qiáng)度造成影響。
圖5示出了采用上述種類的磁傳感器裝置進(jìn)行測(cè)量的方框圖。在激勵(lì) 電源21的驅(qū)動(dòng)下，激勵(lì)線路11和激勵(lì)線路13生成作為過(guò)程P，即，納米 顆粒動(dòng)力學(xué)(沉降、激勵(lì)、鍵聯(lián)等)的輸入的磁激勵(lì)場(chǎng)B。在其輸出端X， 過(guò)程P在磁傳感器元件12內(nèi)生成外部磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)是由磁化顆粒生成的雜 散場(chǎng)。
在基準(zhǔn)電源20和基準(zhǔn)電源23的驅(qū)動(dòng)下，帶有第一和第二導(dǎo)體14和15 的基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器生成磁基準(zhǔn)場(chǎng)Bw。
使過(guò)程P的輸出和磁基準(zhǔn)場(chǎng)B^疊加，以獲得對(duì)磁傳感器元件12的有 效輸入，磁傳感器元件12將根據(jù)其當(dāng)前的傳感器增益生成傳感器信號(hào)(電
壓)UCMB作為輸出。
在現(xiàn)有技術(shù)的公知的磁傳感器裝置中，每一磁場(chǎng)發(fā)生器對(duì)過(guò)程P都存 在一些泄漏，在圖5中釆用虛線表示。所述泄漏的原因在于，所生成的磁 場(chǎng)也滲透到樣本室內(nèi)，并可能在該處激發(fā)(未知的)樣本反應(yīng)。如果存在 泄漏，就不可能區(qū)分出傳感器信號(hào)的變化是由傳感器漂移引起的，還是由
(例如)位于傳感器的頂部的磁納米顆粒的累積引起的。與之相反，在本
發(fā)明的磁傳感器裝置中，由于磁基準(zhǔn)場(chǎng)Bw與樣本室存在空間隔離，因而不 存在泄漏(或者至少將其降低至可以忽視的水平)。因此，磁傳感器元件12 對(duì)磁基準(zhǔn)場(chǎng)做出的反應(yīng)不受未知干擾的影響，因而能夠采用其來(lái)確定傳感 器特性。
基于上述考慮，信號(hào)分離單元40使僅由磁基準(zhǔn)場(chǎng)Bw引起的"基準(zhǔn)分 量"與傳感器信號(hào)i^中的其他"剩余分量"分離。之后，比較器能夠通過(guò) 比較作為一個(gè)方面的所述傳感器信號(hào)的基準(zhǔn)分量和作為另一個(gè)方面的所述 基準(zhǔn)電源20和23的輸出而確定磁傳感器元件12的實(shí)際傳感器增益。或者， 或此外，比較器還能夠確定傳感器信號(hào)的處理中涉及的其他電子元件的增 益。因此，能夠根據(jù)反映所確定的增益值中的漂移的誤差信號(hào)E、通過(guò)比較 器41來(lái)調(diào)整用于傳感器信號(hào)的剩余分量的可調(diào)整處理器42，從而生成相對(duì) 于可變傳感器增益和/或其他增益變化而自動(dòng)校準(zhǔn)的輸出Y。al。
在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，激勵(lì)電源21向激勵(lì)線路11和13提供激勵(lì)電流。 在第一個(gè)例子中，在傳感器12的附近不存在磁納米顆粒。因此，將所得到 的總體系統(tǒng)輸出U乍為零級(jí)存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器內(nèi)。接下來(lái)，執(zhí)行生物測(cè)定， 由此獲得的系統(tǒng)輸出Yw與所存儲(chǔ)的零級(jí)的差異含有生物信息。在測(cè)量過(guò)程 中，對(duì)由(例如)磁疇波動(dòng)、溫度或機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的任何漂移進(jìn)行補(bǔ)償。 由于自動(dòng)校準(zhǔn)法的連續(xù)和同步特性，不僅可以利用最后的值，而且可以利 用所有的中間信號(hào)值來(lái)監(jiān)測(cè)測(cè)定動(dòng)力學(xué)，并提取信息。
圖6示出了圖5的系統(tǒng)的第一具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)激勵(lì)電源21采用具有激 勵(lì)頻率f的交流L來(lái)驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線路11和13。通過(guò)電流源22采用DC電流 12驅(qū)動(dòng)GMR傳感器12，通過(guò)基準(zhǔn)電源23采用基準(zhǔn)電流Iw驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)場(chǎng)導(dǎo)體 14和15。通過(guò)選頻器20設(shè)置基準(zhǔn)電流Iref的頻率f f。
GMR傳感器兩端的電壓u，表示傳感器信號(hào)，通過(guò)電容器24和放大器 25對(duì)該信號(hào)進(jìn)行取樣。之后，在處理電路的下部分支內(nèi)以激勵(lì)頻率f,對(duì)經(jīng) 放大的傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以提取出現(xiàn)在激勵(lì)頻率f^上的預(yù)期信號(hào)。之 后，通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃?0發(fā)送解調(diào)信號(hào)，從而得到最終的傳感器輸出Y。al。
在處理電路的上部分支內(nèi)，將經(jīng)放大的傳感器信號(hào)發(fā)送至第二解調(diào)器 26，以基準(zhǔn)頻率f^驅(qū)動(dòng)所述第二解調(diào)器26，從而從所述信號(hào)提取由磁基準(zhǔn) 場(chǎng)Bw導(dǎo)致的基準(zhǔn)分量。之后，通過(guò)低通濾波器27將所提取的基準(zhǔn)分量發(fā) 送至增益估算單元28，其根據(jù)所提取的傳感器信號(hào)的基準(zhǔn)分量和選頻器20 (其驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器)的輸出之間的關(guān)系來(lái)確定當(dāng)前的傳感器增益和/或 其他處理部件，尤其是放大器25的增益。之后，采用所計(jì)算的增益值與預(yù) 定基本級(jí)的偏差E來(lái)相應(yīng)地調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃?0的增益。
應(yīng)當(dāng)注意，上述方法不僅能夠處理傳感器性態(tài)的變化，還能夠處理由 信號(hào)處理電子部件引入的不準(zhǔn)確性。因而，不能確切地獲知放大器25和其 他電子電路的增益，并且所述增益依賴于處理變化、部件容差等，這是定 量測(cè)量的一個(gè)問(wèn)題。此外，相關(guān)(電子)增益還受到溫度漂移的影響。所 提出的校準(zhǔn)方法通過(guò)首先確定相關(guān)增益值，之后對(duì)測(cè)量做出相應(yīng)的補(bǔ)償而 有效地消除了這些額外的不準(zhǔn)確性。
在圖6的實(shí)施例中，通過(guò)DC電流源22偏置GMR傳感器12，通過(guò)(例 如)h 二 1 MHz的頻率調(diào)制激勵(lì)線路11和13，并通過(guò)(例如)fref = 10 MHz 的基準(zhǔn)頻率調(diào)制基準(zhǔn)導(dǎo)體14和15。首先對(duì)外部磁信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行空間 分離(磁性顆粒不受fw的影響)，之后對(duì)其進(jìn)行頻域分離。
由于從GMR傳感器12附近不存在磁性顆粒的時(shí)刻開始，到測(cè)定的結(jié)束 對(duì)傳感器裝置進(jìn)行連續(xù)校準(zhǔn)，因而無(wú)需調(diào)制GMR傳感器偏置電流12 (通過(guò) 校準(zhǔn)消除了電容和電感耦合)。這是非常有利的，因?yàn)樾纬蒁C低噪聲電流 源比形成AC低噪聲電流源容易得多。但是，如果想要，可以通過(guò)(例如) f2 = 1kHz的非零頻率來(lái)調(diào)制GMR傳感器電流，從而能夠在f,士f2的頻率上 在解調(diào)器29中提取信號(hào)。
圖7示出了圖5所示的系統(tǒng)的備選實(shí)現(xiàn)，其中，采用由增益估算單元 28確定的傳感器增益的偏差E作為可調(diào)整傳感器電源22'的輸入。由此， 調(diào)整傳感器電流12的幅度，以補(bǔ)償傳感器漂移。
在圖8的實(shí)施例中，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器31將由增益估算單元28確定的 傳感器增益的偏差E和離開解調(diào)器29的解調(diào)傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換至數(shù)字域。因 而，能夠通過(guò)通用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的處理，尤其是數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。
通過(guò)提供用于對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)和源自于測(cè)定的磁信號(hào)進(jìn)行同步空間和頻率 分離的措施，能夠?qū)Ω鶕?jù)本發(fā)明的傳感器裝置進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，從而對(duì)漂移 因素(Barkhausen噪聲、溫度、機(jī)械應(yīng)力等)進(jìn)行補(bǔ)償。其顯著提高了磁
傳感器裝置的準(zhǔn)確性。
最后要指出的是，在本申請(qǐng)中，"包括" 一詞不排除其他元件或步驟的 存在，"一"或"一個(gè)"并不排除多個(gè)，且單個(gè)處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn) 若干裝置的功能。本發(fā)明體現(xiàn)在每個(gè)新穎的特征要素和特征要素的每種組 合中。此外，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被視為限制它們的范圍。
權(quán)利要求
1、一種磁傳感器裝置，包括a)至少一個(gè)磁傳感器元件(12)，其用于提供傳感器信號(hào)(uGMR)，該傳感器信號(hào)(uGMR)指示所述傳感器元件暴露于其中的磁場(chǎng)；b)樣本室(1)，可以在其內(nèi)提供生成抵達(dá)所述磁傳感器元件(12)的磁場(chǎng)的樣本；c)基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器(14，15)，其用于在所述磁傳感器元件(12)內(nèi)生成磁基準(zhǔn)場(chǎng)(Bref)，所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)在所述樣本室(1)內(nèi)具有可以忽視的強(qiáng)度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的磁傳感器裝置，其特征在于，所述基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器包括至少一個(gè)線狀的第一導(dǎo)體(14) 和接近所述第一導(dǎo)體并基本與之平行延伸的平坦的第二導(dǎo)體(15)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁傳感器裝置，其特征在于，所述第一和第二導(dǎo)體(14， 15)在一端被短接，并且在 另一端被連接至基準(zhǔn)電源(20， 23)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁傳感器裝置，其特征在于，所述磁傳感器元件(12)被布置在所述第一導(dǎo)體(14) 和第二導(dǎo)體(15)之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁傳感器裝置，其特征在于，所述第二導(dǎo)體(15)的寬度(b)是所述第一導(dǎo)體(14) 的寬度(w)的100倍以上，優(yōu)選是其200倍以上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁傳感器裝置，其特征在于，所述第二導(dǎo)體(15)包括金屬層，優(yōu)選包括金層。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的磁傳感器裝置，其特征在于，其包括信號(hào)分離單元(40)，該信號(hào)分離單元(40)用于 將所述磁傳感器元件(12)的傳感器信號(hào)(u )中的由磁基準(zhǔn)場(chǎng)(Br6f)引 起的基準(zhǔn)分量與其他分量分離。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁傳感器裝置，其特征在于，所述信號(hào)分離單元(40)適于基于所述信號(hào)分量的頻譜 組成來(lái)分離所述信號(hào)分量。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器裝置，其特征在于，其包括至少一個(gè)用于在所述樣本室(1)內(nèi)生成磁激勵(lì)場(chǎng) (B)的磁場(chǎng)發(fā)生器(11， 13)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁傳感器裝置，其特征在于，其包括用于為所述磁場(chǎng)發(fā)生器(11， 13)提供具有第一 頻率的激勵(lì)電流的激勵(lì)電源(21)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器裝置，其特征在于，其包括用于采用具有第二頻率的基準(zhǔn)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)所述基 準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器(14， 15)的基準(zhǔn)電源(20， 23)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器裝置，其特征在于，其包括增益估算單元(28)，該增益估算單元(28)用于 計(jì)算所述磁傳感器元件(12)的傳感器增益和/或耦合到所述磁傳感器元件 (12)的處理部件(25， 26， 27)的增益值特性。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁傳感器裝置，其特征在于，其包括用于根據(jù)所計(jì)算的增益值來(lái)調(diào)整所述磁傳感器元 件(12)的測(cè)量的自適應(yīng)單元(22'， 30， 42)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的磁傳感器裝置，其特征在于，所述自適應(yīng)單元包括可變?cè)鲆娣糯笃?30)、用于為所述 磁傳感器元件(12)提供可變傳感器電流的可調(diào)整傳感器電源(22')和/ 或用于將模擬傳感器信號(hào)(ii )和/或所計(jì)算的增益值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值以供進(jìn) 一步處理的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(31)。
15、 一種用于采用至少一個(gè)磁傳感器元件(12)來(lái)測(cè)量源自于樣本室 (1)內(nèi)的磁場(chǎng)的方法，其中，在所述磁傳感器元件(12)內(nèi)生成磁基準(zhǔn)場(chǎng) (Bre,)，該磁基準(zhǔn)場(chǎng)(Bw)在所述樣本室內(nèi)具有可忽視的強(qiáng)度。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，優(yōu)選使所述磁傳感器元件(12)的傳感器信號(hào)(Uc R)內(nèi) 的由所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)(Bw)引起的基準(zhǔn)分量與其他分量頻譜分離。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，在所述樣本室(1)內(nèi)生成具有第一頻率的磁激勵(lì)場(chǎng)(B)。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，將所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)(Bw)生成為具有第二頻率。
19、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，由所述磁傳感器元件(12)的傳感器信號(hào)(u )來(lái)計(jì)算 所述磁傳感器元件(12)的傳感器增益和/或耦合至所述磁傳感器元件(12) 的處理部件(25， 26， 27)的增益值特性。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述磁傳感器元件(12)的計(jì)算增益值來(lái)調(diào)整所述 磁傳感器元件(12)的所述測(cè)量。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，通過(guò)改變所述傳感器信號(hào)(U )的放大率，通過(guò)改變提供給所述磁傳感器元件(12)的功率和/或通過(guò)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理來(lái)調(diào)整所述測(cè)
22、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器裝置或根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述磁基準(zhǔn)場(chǎng)(B f)在所述樣本室(1)內(nèi)的強(qiáng)度小于其 在所述磁傳感器元件(12)內(nèi)的強(qiáng)度的0.01、優(yōu)選小于它的0.001，最優(yōu) 選小于O. 0001。
23、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器裝置或根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述磁傳感器元件(12)包括諸如GMR (12)、 TMR或AMR 元件的磁阻元件。
24、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器裝置在分子診斷、生物樣本分析 或化學(xué)樣本分析中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁傳感器裝置，其包括用于在樣本室(1)內(nèi)生成磁場(chǎng)(B)的激勵(lì)線路(11，13)和用于感測(cè)所述樣本室內(nèi)的磁性顆粒(2)所生成的磁場(chǎng)的諸如GMR元件等的磁傳感器元件(12)。所述裝置還包括由其間設(shè)置了磁傳感器元件(12)的線狀導(dǎo)體(14)和平面導(dǎo)體(15)構(gòu)成的基準(zhǔn)場(chǎng)發(fā)生器。由所述導(dǎo)體(14，15)生成的磁基準(zhǔn)場(chǎng)(B_ref)不滲透到所述樣本室(1)內(nèi)，而是僅抵達(dá)所述磁傳感器元件(12)。因此，能夠分離出由磁基準(zhǔn)場(chǎng)(B_ref)導(dǎo)致的傳感器信號(hào)分量，并采用所述傳感器信號(hào)分量來(lái)計(jì)算傳感器增益。例如，可以在測(cè)量過(guò)程中將這一值用于裝置的自動(dòng)校準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01R33/09GK101379384SQ200780004380
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月3日
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