專利名稱：用于檢測和測量磁性微粒積聚物的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及檢測磁性微粒的存在，尤其涉及通過DC磁力激勵定量測量該微粒的積聚物，并檢測該微粒磁矩的合成激勵的幅度。
廣泛使用的用于檢測所關(guān)心的微粒混合物是否存在的方法是免疫測定技術(shù)，其中，對給定分子種類(通常指配體(ligand))的檢測需要通過使用第二分子種類實現(xiàn)，該第二分子種類通常稱作反配體(antiligand)或受體(receptor)，特別用于和所關(guān)心的配體結(jié)合。通過直接或間接地測量或推斷配體和反配體結(jié)合的程度來檢測所關(guān)心的配體是否存在。
美國專利U.S.4,537,861號(Elings等人)公布對了幾種檢測和測量方法的較好討論。該專利指出了幾種在配體和反配體結(jié)合反應(yīng)的溶液里完成勻相免疫測定的方法，該配體和反配體通常是抗原和抗體。Elings的觀點是創(chuàng)建空間圖案(spatial pattern)，該空間圖案由附在固態(tài)基片上的反配體材料的分離區(qū)域的空間排列形成。接著，相應(yīng)的配體在該固態(tài)基片上分散，導(dǎo)致該標記配體能夠和空間圖案上的反配體發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，該配體已被通過附加具有特定物理屬性的分子或微粒預(yù)先作了標記。在被標記的粘附復(fù)合物被積聚在該空間圖案中后，使用裝置掃描該固態(tài)基片，從而測量該標記的物理特征，以提供想要的免疫測定。該掃描裝置可基于熒光、光密度、光散射、顏色和反射等等。另外，Elings還指出，在采用上述的掃描技術(shù)后，為了在溶液中或在準備好的基片表面上積聚被標記過的粘附復(fù)合物，磁性微粒也能被附加給配體或被標記的配體。
實際上，由磁鐵礦制成磁性微粒和惰性復(fù)合材料已經(jīng)被長期應(yīng)用于生物化學(xué)領(lǐng)域。它們的直徑大小范圍從幾個納米至幾個微米，含磁鐵礦的范圍從15％至100％。它們經(jīng)常被稱為超順磁性微粒(superparamagnetic particle)，或如果尺寸較大，則被稱為磁珠(magnetic bead)。常用的方法是在微粒的表面涂敷一些生物活性材料，這些生物活性材料將使它們和特定的微觀物體或所關(guān)心的微粒(如蛋白質(zhì)、病毒、細胞、DNA片段)緊密結(jié)合。接著，這些微粒就成為可以通過磁力梯度來移動物體或固定物體的“柄(handles)”，磁力梯度通常用強大的永久磁鐵提供。Elings的專利是磁性微粒的這一應(yīng)用的例子。用于此目的的采用稀土磁鐵和磁極片的專用固定裝置在市場上是可買到的。
盡管這些磁性微粒主要被用于移動或固定粘附物，但是人們已經(jīng)做了一些實驗性的工作，使用微粒作為標簽以檢測粘附復(fù)合物是否存在。過去，通過粘附于所關(guān)心的復(fù)合物的放射性的、發(fā)熒光的、或發(fā)磷光的分子，已經(jīng)完成對粘附復(fù)合物的檢測和定量。這些現(xiàn)有的標記技術(shù)有很多嚴重缺陷。放射性方法帶來由低放射性廢料引起的健康和處理問題，并且放射性方法的反應(yīng)也是相當慢的。熒光或磷光技術(shù)在量化精度和動態(tài)范圍方面有局限，因為發(fā)射的光子可被試樣中的其它物質(zhì)吸收(參看日本專利公告63-90765，于1988年4月21日公布，F(xiàn)ujiwara等人)。而且，熒光或磷光分子的信號通常在數(shù)個小時內(nèi)或最多在數(shù)天內(nèi)衰退。
另一方面，由于來自微小體積的磁性微粒的信號相當弱，研究者很自然的就嘗試著建立基于超傳導(dǎo)量子干涉裝置(SQUIDs)的檢測器，該超傳導(dǎo)量子干涉裝置是公知的用于很多應(yīng)用系統(tǒng)的最靈敏的磁場檢測器。然而，這一方法存在多個實際的困難。由于SQUIDs的拾取環(huán)(pickup loop)必須維持在低溫下，所以該試樣必須被冷卻以便獲得和這些環(huán)最大程度的耦合。該過程使測量過程變得難以接受的冗長乏味，因而不適合許多生物技術(shù)應(yīng)用。另外，SQUIDS的綜合復(fù)雜性以及與其關(guān)聯(lián)的低溫元件使其非常昂貴，從而通常不適合用于低廉的桌面裝置。即使基于“高臨界溫度(highTc)”超導(dǎo)體的設(shè)計也不能完全解決這些問題，并可能造成多個新困難，正如Fujiwara等人所討論的。
更多的用于檢測和量化磁性微粒的傳統(tǒng)方法通常涉及某種磁力測定形式，其中該試樣被置于強磁場梯度中，測量作用于試樣的合力。例如，在力平衡磁力計中，測量當梯度改變時試樣的明顯的重量改變。Rohr的第5,445,970號和第5,445,971號專利中示出了關(guān)于這種技術(shù)的例子。用更復(fù)雜的技術(shù)測量微粒對微電機懸臂的偏轉(zhuǎn)或振動的影響(參看Baselt等人，“一種基于力微觀技術(shù)的生物傳感器”(A Biosensor Based on Force Microscope Technology)，海軍研究實驗室，J.Vac.Science Tech.B.，Vol14，No.2，5pp，1996年4月)。這些方法都有局限性，因為它們都依賴于將內(nèi)在的磁性作用轉(zhuǎn)化為機械響應(yīng)，接著必須將該機械響應(yīng)區(qū)別于一大類其它的機械作用，如振動、粘力、和浮力，因為這些機械作用將直接干擾預(yù)期的測量。
在美國專利第6,046,585號(U.S.patent6,046,585)中，Simmonds描述了一種使用環(huán)形磁化裝置的小區(qū)域(“間隙”)的技術(shù)，其中，設(shè)置一對(或多對)感應(yīng)檢測線圈，并產(chǎn)生高頻振蕩磁場(“驅(qū)動場”)。在該裝置中，各個(individual)檢測線圈除反向纏繞之外還需要在尺寸上精確地匹配，以便當不存在任何其它磁性材料時(例如是磁性粘附復(fù)合物的一部分的磁性微粒)，線圈將產(chǎn)生零輸出電壓。換言之，該驅(qū)動場完全和每一反向纏繞線圈的反向極性相耦合，導(dǎo)致來自每一單獨線圈的電壓的代數(shù)和正好是零。
當在固態(tài)基片上的磁性微粒積聚物被置于靠近該檢測線圈的間隙中時，該振蕩驅(qū)動場在磁性微粒中產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩磁化作用，從而檢測線圈能檢測到該磁性微粒。在Simmonds的專利中，微粒積聚物的物理尺寸精確匹配檢測線圈中的一個的尺寸，以使當該基片移動經(jīng)過該檢測線圈組時，微粒積聚物在其中的一個線圈中產(chǎn)生信號。在這個意義上，可以認為，當微粒積聚物移動通過該檢測線圈時，磁性微粒積聚物改變了檢測線圈組的有效平衡。如Simmonds所述，當積聚物的物理尺寸匹配檢測線圈組中專用線圈的一個的尺寸時，從任意給定的磁性微粒積聚物得到了最大的信號。
在Simmonds的實施方法中，高頻振蕩場(通常具有500至1000奧斯特的最大幅度)具有兩個作用。第一，在磁性微粒中產(chǎn)生較強的磁性作用，第二，振蕩場的高頻屬性導(dǎo)致該磁性微粒的感應(yīng)磁化以和驅(qū)動場相同的頻率(通常指定100KHz)振蕩。由于在感應(yīng)檢測線圈中感應(yīng)的電壓和該檢測信號的頻率成比例，所以可以使用帶有感應(yīng)檢測線圈的高頻驅(qū)動場提高裝置的靈敏度，并允許其檢測極少量的磁性微粒。
一項正處于申請過程中的涉及Simmonds的發(fā)明的專利申請在幾個方面拓寬了基本概念。首先，描述了用以在形成間隙過程中提供更好的對稱性的E核心設(shè)計的使用，從而在保持關(guān)于該檢測線圈的高平衡級時允許其產(chǎn)生強驅(qū)動場。其次，披露了交替檢測系統(tǒng)的使用，包括其它傳感器的使用，例如磁通量閘門、巨磁電阻(GMR)、超巨磁電阻(colossal magneto-resistance)(CMR)、以及霍爾效應(yīng)傳感器，所有這些仍都采用AC驅(qū)動場。
Simmonds描述的檢測系統(tǒng)公開了由磁性微粒組成的材料的基本磁性性能，以檢測并測量他們的磁化強度。在這些應(yīng)用中使用的磁珠通常被稱為超順磁性的，意味著這些磁珠僅在被置于施加磁場中時是磁性的。更特別地，當不存在外在的施加場時，他們不是磁性的，這就相當于說，這些磁珠沒有剩磁(零剩磁)。事實上，用于生物化學(xué)應(yīng)用的磁珠被相當謹慎地設(shè)計為具有零剩磁，因為將帶有剩磁的磁珠置于溶液中時，它們將粘到一起并聚集起來，從而導(dǎo)致了很多問題。因此，在進行測量時，通常用于生物化學(xué)應(yīng)用的被設(shè)計為用以檢測和測量磁珠的磁力強度的任何裝置只在有外場施加給磁珠時才能工作。這一情況區(qū)別于在磁記錄中使用的技術(shù)，在磁記錄技術(shù)中，磁帶或磁盤上的磁性膜被特別設(shè)計為具有高剩磁和強矯頑磁場。(材料的矯頑磁場產(chǎn)生磁場值，該磁場被用于對材料進行完全消磁。)事實上，在記錄應(yīng)用中，高剩磁是信息被實際存儲的工具。
通常應(yīng)用于生物技術(shù)應(yīng)用的磁性微粒由氧化鐵組成，該氧化鐵通常是Fe3O4和Fe2O3的混合物，在不考慮它們的尺寸的情況下，對來自多個制造商的微粒的測量已表明所有這些材料的飽和磁化強度大約是300奧斯特。這是一個用于這些類型的鐵氧體材料的非常典型的飽和場。更具體的，這一低于大約500奧斯特的施加較大的場給微粒的裝置增加了微粒的磁化強度，也潛在地增加了將被檢測的信號。然而，在過飽和的場中，該作用被大大減小，因而進一步增加施加磁場對微粒的磁化作用產(chǎn)生較小的增加或不增加。此外，事實上在每種磁性檢測系統(tǒng)中，噪聲源都存在，并且其的增加和周圍的磁場成比例。因此，在飽和等級之上增加施加場實際上是通過降低它的信號噪音比(signal to noise ratio)來降級測量。施加場的增加還能使對來自強磁性雜質(zhì)的信號的不希望的影響更加明顯。因此，如果有人希望通過測量它們的磁力強度來確定微粒存在的數(shù)量，用于測量的最佳信號噪音比通常通過施加和微粒的飽和場相同的磁場來得到，在我們的例子中，大約是500奧斯特。
如上所述，Simmonds的專利描述了通過給微粒施加強振蕩磁場并檢測微粒中感應(yīng)的振蕩磁強度，對在粘附復(fù)合物中的超順磁性微粒進行量化測量的技術(shù)。在該實施方式中，傳感器必須是在有強振蕩磁場的情況下運行良好的傳感器。Simmonds裝置極度靈敏并運行良好。然而，有幾個因素增加了Simmonds的設(shè)計的復(fù)雜性。更重要的是，因為Simmonds檢測系統(tǒng)在高頻下工作(通常是大約100KHz)，所以在試樣/基片組合物和檢測線圈之間存在著電容耦合作用。另外，該高頻系統(tǒng)總是受在施加的AC驅(qū)動場和檢測線圈之間的相移(phase shift)的影響。當在100KHz下運行此檢測系統(tǒng)時，這些作用非常大，并且如果該系統(tǒng)將對微粒的磁強度作出精確的測量，就必須準確地計算這些作用。此外，在環(huán)形磁化裝置中的間隙產(chǎn)生高頻AC驅(qū)動場需要相當大的功率，尤其是在該裝置首次被激發(fā)后馬上就可能在檢測電子中產(chǎn)生熱漂移。AC驅(qū)動場的高功率要求對使用電池電源的該系統(tǒng)的使用時間產(chǎn)生限制。最后，在磁鐵和線圈中的AC驅(qū)動可能產(chǎn)生應(yīng)當被避免的RF發(fā)射。
本發(fā)明的主要特征在于使用DC磁場(替代了現(xiàn)有技術(shù)中的時變驅(qū)動場)在磁性微粒中引起磁化，和霍爾傳感器結(jié)合使用以檢測被引起的磁化強度。使用DC場替代時變場的優(yōu)點是顯著的。
在本發(fā)明的實施例中產(chǎn)生DC磁場不需要產(chǎn)生場的電源，比現(xiàn)有技術(shù)中的AC驅(qū)動系統(tǒng)更易實施，并能使元件的成本降低大約兩個數(shù)量級?？梢允褂玫土挠谰么盆F和一個或多個鐵片提供適當?shù)膱鎏卣饕陨杀匦璧腄C磁場，并且不需要電力消耗。在示范樣機中，用來產(chǎn)生DC磁場的元件成本低于大約25美分。相反，在前述裝置中使用的用來產(chǎn)生高頻AC場的元件成本超過20美元，并且需要很大的功率。
產(chǎn)生100KHz的AC場的功率需求還要受使用AC驅(qū)動場的裝置中的測量區(qū)(間隙)的容量的限制，因為需要產(chǎn)生場的功率隨間隙的容量的增加而增加。間隙的面積高度比的增加提高了間隙中場的均勻性，但是在使用AC驅(qū)動場的系統(tǒng)中，這將帶來增加功率消耗的懲罰。當使用DC磁場時要增大間隙的容量只需使用相應(yīng)的較大的永久磁鐵。樣品系統(tǒng)得到了在間隙中處于1000奧斯特級的場，這是Simmonds的AC系統(tǒng)的容量的兩倍。
需要優(yōu)化這些測量的相當大的磁場(500奧斯特級)和一些傳感器不兼容。然而，霍爾傳感器的靈敏度不會在強場中降低。事實上，能夠設(shè)計霍爾傳感器，使其在這個級別的場中最優(yōu)化地工作。該傳感器區(qū)域也應(yīng)當匹配試樣的尺寸，以使測量的靈敏度最大化。包括GMR和CMR傳感器的其它類型的霍爾傳感器能被設(shè)計以滿足上述標準，滿足這些標準的霍爾傳感器容易得到并且是廉價的。
使用于此種實施方式中的標準霍爾傳感器需要使用大約10至20毫安的電流偏置。傳感器的輸出電壓與施加的場和偏置電流成比例。因此，偏置電流的改變將在輸出信號中產(chǎn)生相應(yīng)的改變，并且很難電子化地產(chǎn)生非常穩(wěn)定的DC電流。然而，通過將頻率通常是數(shù)個千赫的AC電流施加給霍爾傳感器，允許生成非常平穩(wěn)的峰值振幅，則非常容易地解決了這一問題。以這種方式偏置傳感器還允許檢測系統(tǒng)在數(shù)個千赫下工作，由此利用了相位檢測技術(shù)的優(yōu)點，大大地改善了可達到的信號噪音等級。(然而，應(yīng)當理解，本發(fā)明中不要求有AC電流，在本發(fā)明中僅有對為傳感器提供偏置電流的電子電路的穩(wěn)定性的較嚴格的要求。)使用DC磁場的檢測系統(tǒng)還基本上不受試樣和霍爾傳感器之間的電容效應(yīng)的影響。在Simmonds的高頻AC系統(tǒng)中，試樣基片的絕緣屬性能導(dǎo)致感應(yīng)檢測線圈之間顯著的電容耦合，從而產(chǎn)生寄生信號。雖然能夠使用合適的相位檢測方案排斥這些電容耦合，使用霍爾傳感器的DC系統(tǒng)可較強地抵抗AC耦合電容效應(yīng)。
在優(yōu)選實施例中，兩個單獨的霍爾效應(yīng)傳感器被彼此相鄰地置于施加的磁場中，以形成配對的傳感器。每一傳感器產(chǎn)生表示由傳感器檢測的磁場的信號。其它傳感器的信號減去來自一個傳感器的信號，形成合成信號，表示一個傳感器的信號與另一個傳感器的信號在磁場中的差。電子地執(zhí)行這一信號減法將因為施加場而顯著地削弱不希望的合成信號。在磁檢測工業(yè)中，這樣的傳感器結(jié)構(gòu)被稱作“梯度計(gradiometer)”。
在實踐中，通過將磁性靈敏微粒的定義明確的圖案移動通過并接近兩個霍爾傳感器來進行測量，而這些靈敏微粒同時被暴露在DC磁場中。正如Simmonds的現(xiàn)有技術(shù)中所提到的，磁性微粒的圖案的空間尺寸精確匹配霍爾傳感器的物理尺寸是相當重要的。在本例中，當磁性微粒的圖案移動通過時被第一霍爾傳感器檢測，接著在離開第一傳感器的檢測區(qū)后，它隨后第二霍爾傳感器檢測。因為這兩個霍爾傳感器被連在一起，致使他們產(chǎn)生相反極性的信號，當空間圖案移動通過這兩個傳感器時，在兩個霍爾傳感器之間的差信號是空間圖案位置的函數(shù)，從而表示微粒存在的數(shù)目。
附圖簡要說明結(jié)合附圖，通過下邊的詳細敘述，將更清楚地理解本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點，其中

圖1是本發(fā)明的裝置的優(yōu)選實施例的透視圖；圖2示出圖1所示的實施例中使用的霍爾傳感器；圖3是本發(fā)明的可選實施例的透視圖；圖4是能被圖1所示的實施例使用的示范電路的框圖；圖5是能被圖3所示的實施例使用的示范電路的框圖；圖6是結(jié)合了偏置圖1所示的霍爾傳感器的可選方式的框圖；圖7是示出試樣相對于圖1所示的傳感器的運動的示意性橫截面；以及圖8是根據(jù)圖7所示的運動的傳感器輸出信號的曲線圖。
試樣21被置于在基片22上的定義圖案中(通常是1mm×2mm)，并經(jīng)過霍爾傳感器15和16被移入間隙12，以提供來自圖4所示電路的輸出信號，例如，正如下邊詳細討論的。在后邊對圖7和圖8的討論中，將闡明該運動和該傳感器輸出的更多詳細情況。
作為可選改進，可形成具有延伸部分20的基片22，在該延伸部分20的上邊印有條形碼19。通過圖中示出的帶有合適的電導(dǎo)線29的光輻射檢測器或條形碼閱讀器28讀出該條形碼。該條形碼被置于離試樣圖案21的預(yù)定距離處，而閱讀器28相對于該霍爾傳感器具有固定的位置。于是，來自該閱讀器的信號能夠提供試樣圖案相對于該霍爾傳感器的位置的信息。
可以設(shè)想，該光輻射檢測器是一個相當復(fù)雜的商用裝置，每當條形碼線條中的一個通過該檢測器時，該裝置發(fā)出兩個脈沖。第一脈沖對應(yīng)于該條形碼線條的前緣，而第二脈沖(相位相差1/4周期(in quadrature))對應(yīng)于該條形碼線條的后緣。在這一執(zhí)行過程(implementation)中，這些脈沖被用來觸發(fā)數(shù)據(jù)收集電子儀器，該數(shù)據(jù)收集電子儀器用來測量和儲存那兩個霍爾傳感器的電壓輸出，并且當AC電流被用以偏置該霍爾傳感器時，這些脈沖還可被用來控制電流倒向。以同樣的方式，來自該光輻射檢測器(或可能是第二光輻射檢測器)的脈沖能被用來啟動和終止該數(shù)據(jù)收集進程。因此，該條形碼信息能夠命令該電子控制系統(tǒng)何時開始和何時停止數(shù)據(jù)收集，當試樣移動通過時，還為對來自該霍爾傳感器的信號的每次測量提供位置信息。
圖2示出了霍爾傳感器的工作原理。在I+和I-上施加低頻交流電，以偏置或激勵霍爾傳感器15，該霍爾傳感器的靈敏區(qū)15b在基片15a上。輸出電壓V+和V-被施加到將在下邊詳述的圖4和圖5所示的電路上。磁鐵11施加的磁場由箭頭23表示。
圖4所示電路涉及圖1所示實施例。該優(yōu)選實施例具有由低頻交流電24激勵的霍爾傳感器對。來自該傳感器對的輸出電壓信號以高阻抗形式被放大器25和26讀取。接著，該電路產(chǎn)生表示該傳感器對中的傳感器信號的和與差。當該傳感器的附近不存在磁性試樣時，利用元件30調(diào)整平衡增益，使該級(this stage)的輸出信號最小化，完成了平衡級(balancing stage)27的進一步信號處理過程。接著，來自該平衡級的合成信號被用作鎖定級(lock-in stage)31的信號輸入。鎖定級的參考輸入優(yōu)選和經(jīng)過信號放大器32的激勵源24同步耦合。該鎖定級的輸出代表微粒材料存在的量。除與鎖定級同步耦合的激勵源外，可用其它方式獲得適合的輸出。
該鎖定級可被鎖定技術(shù)用于信號處理過程。該技術(shù)是公知的，在信號處理領(lǐng)域中還被稱為“相敏檢波(phase sensitive detection)”“混頻(mixing)”和“外差作用(heterodyning)”。該鎖定級被描述為具有兩個輸入和一個輸出的信號處理級。該技術(shù)需要使用AC信號激勵測量裝置，并尋找和交流激勵同步的輸出信號。該技術(shù)用來消除傳感裝置中存在的信號噪音和干擾。在圖4所示的實施例中，交流激勵裝置24是用以激勵霍爾傳感器的電流。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的和如上邊討論的，與該激勵信號同步的信號被用作同步信號處理級的“參考”輸入信號。來自該傳感器的合成差分信號被配置作為該鎖定級的其它輸入。該差分信號可被上述平衡級任意地調(diào)節(jié)。就這里描述的裝置來說，該鎖定級的輸出信號將被用來表示微粒材料21存在的量。理想地是選擇激勵頻率以便在傳感器的噪音和干擾被最小化的頻率間隔區(qū)域進行信號檢測。在該激勵頻率的倍數(shù)頻率進行檢測也是理想的。
上述信號處理的實際執(zhí)行過程通?？梢杂珊芏嗫捎玫难b置完成，包括有源和無源模擬電子裝置、數(shù)字信號處理裝置或其組合。該執(zhí)行還可包括模-數(shù)或數(shù)-模轉(zhuǎn)換，或兩者兼有。
正如圖1中的結(jié)構(gòu)所示，使將被測定的試樣通過一個很窄的間隙的要求可能在一些應(yīng)用中不容許。例如，當試樣圖案已被沉積到非常厚的基片上或甚至被沉積到一些疏松材料的表面上時，將不可能使這樣的固態(tài)表面通過非常小的間隙。對于這一類型的應(yīng)用，可通過如圖3所示的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生必需的DC磁場，其中，尖狀鐵“極部”從霍爾傳感器的背面產(chǎn)生DC磁場。雖然這一所謂“單面”磁鐵設(shè)計允許使用較大的材料和疏松的材料，但是缺點在于，在該霍爾傳感器(和試樣)位置的磁場不是均勻的。這將使裝置的調(diào)節(jié)變得困難，并將降低將做的定量測量的精度。例如，不均勻的磁場將使測量強烈地依賴于在該試樣和該傳感器之間的間隙，所以該試樣位置的小的變動將導(dǎo)致測量的大的不確定性。然而，圖3所示裝置的輸出可用于不能使用圖1所示的實施例但需要對微粒數(shù)進行較好估計的場合。
可通過將在基片37上的磁性靈敏微粒36定義明確的圖案沿箭頭42的方向移進傳感器41的附近，同時接近通過永久磁鐵結(jié)構(gòu)43施加的磁場，進行圖3所示裝置中的測量。磁鐵結(jié)構(gòu)43包括永久磁鐵38和尖狀磁極片39，被安裝裝置40固定在一起。該安裝裝置可以是任何絕緣材料，如塑料。為了提供一個安裝霍爾傳感器41的表面，磁極片39和磁鐵38之間的空間可由塑料40a填充?？梢允欠蛛x的塑料組件或可以和安裝裝置40合為一體。安裝裝置被成形以使能被安裝于一個表面，并提供了孔40b以便于固定。該合成信號，作為組成圖案的微粒和傳感器之間的距離的函數(shù)，與試樣微粒不存在時的信號比較，表示微粒材料36的量。
圖5示出了圖3所示實施例的電路圖。此處，霍爾傳感器41由低頻交流電44激勵。來自傳感器的輸出電壓信號以高阻抗方式被放大器45讀取。接著，與激勵成比例的信號在46處求和，這一信號代表穿過該傳感器的電壓。當該傳感器的附近沒有磁性試樣時，使用平衡裝置48調(diào)整平衡級47中的平衡增益，以使該級的輸出信號最小化，實現(xiàn)了信號平衡。接著，以和上述優(yōu)選的梯度計(gradiometer)實施例相同的方式，鎖定級51利用和通過放大器52的激勵信號同步的參考信號檢測到該合成的和信號。該鎖定級的輸出表示微粒材料36存在的量。
參考圖6，能夠理解的是，可設(shè)想本發(fā)明具有兩種偏置該霍爾傳感器的方式。在圖4中，霍爾傳感器15和16串聯(lián)，完全相同的偏置電流經(jīng)過這兩個傳感器。因此，該偏置電流的任何變化都將引起輸出電壓的改變，一個傳感器的任何變化都將被另一個傳感器的完全相同的變化(異號的)完全消去。然而，沿每一霍爾傳感器的長度還有一個顯著的電壓降落，這也意味著在兩個霍爾傳感器上標記為V+的電壓點有著相當不同的電壓電勢。這將不能簡單地把第一傳感器的V-連接連接至第二傳感器的V+連接。(連接這兩點實際上為偏置電流產(chǎn)生了短路電流通路-從第一傳感器的V-點至第二傳感器的V+點。)如圖4所示，通過使用附加于每一霍爾傳感器的分離的微分放大器25、26解決了這一問題。當使用AC偏置電流時，在兩個霍爾傳感器之間存在大的電壓差仍是不利的，因為此時在兩個傳感器上的電壓點的電壓電勢將在相當大的電勢之間迅速切換。
圖6示出了一個備選結(jié)構(gòu)，其中至兩個霍爾傳感器15、16的偏置電流55被并聯(lián)。本設(shè)計對由通過一個傳感器的偏置電流的改變產(chǎn)生的錯誤信號更敏感，因為這一改變將不必被另一傳感器的相似改變完全匹配。然而，在本設(shè)計中，在兩個傳感器上的V+和V-點的電壓電勢都將是幾乎相同的電壓。當然，如果傳感器完全匹配，當不存在任何磁場時(致使霍爾電壓為零)，兩個傳感器的所有四個電壓接頭將具有完全相同的電壓。因此，在本結(jié)構(gòu)中，兩個傳感器的電壓接頭被連接起來，單級微分放大器56被用來檢測通過兩個傳感器的霍爾電壓的差。通過放大器57、平衡級58以及鎖定級59的參考輸入以和前述相同的方式起作用。
這兩個結(jié)構(gòu)中的任一個都可以是優(yōu)選的執(zhí)行過程，這將取決于該測量系統(tǒng)的其余部分的指定設(shè)計。例如，當使用AC電壓偏置時，該并聯(lián)的偏置電路可被優(yōu)選，從而消除了在串聯(lián)的傳感器上使用AC偏置時的大的電壓波動。相反，當使用DC電流偏置時，串聯(lián)偏置電路是較理想的。在任何情況下，任何串聯(lián)/并聯(lián)和AC/DC的組合均可被使用，這由所強調(diào)的特征而定。
現(xiàn)在參考圖7和圖8，給出了關(guān)于傳感器響應(yīng)以及試樣和傳感器的相對運動的詳細情況。當記錄電子傳感器信號時，為了使磁信號和背景區(qū)別開，最好相對于該傳感器移動該試樣。這在圖7作了說明。當試樣21移動經(jīng)過一個或多個傳感器(15、16)時，試樣的磁通量將進入傳感器。該傳感器信號(圖8)被記錄為位置的函數(shù)，反映了試樣圖案和傳感器的空間響應(yīng)之間的幾何關(guān)系。如果在梯度計結(jié)構(gòu)中有兩個傳感器，如圖1所示，當試樣接近一個傳感器時，該試樣將產(chǎn)生一個極性信號，當試樣接近另一個傳感器時，該試樣將產(chǎn)生一個反向極性信號。
圖8說明了相對于試樣位置標繪的全部測量結(jié)果。實線曲線表示符合采用最小二乘方法的理想響應(yīng)函數(shù)的曲線。顯然，使用位置和信號電壓信息可導(dǎo)出對該試樣磁矩的絕對計算。這將不依賴磁背景的等級和不依賴信號電壓中的電子的或不均衡的偏移量。
雖然該磁極片優(yōu)選由鐵制成，但也要求其具有高的磁導(dǎo)率。它們還可由鈷、鎳、或具有必要特征的合適的合金制成。該磁極片能被彎曲以使間隙外露，如間隙12?？梢杂脝蝹€的C形磁鐵替代圖1所示的兩個磁鐵?；?2可以是具有所關(guān)心的區(qū)域(region ofinterest)21的橫向流動片。該基片優(yōu)選是絕緣的并由絕緣材料制成，并可由塑料、木材或其它滿足這些要求的材料制成。能用手移動基片22使其通過該傳感器，也可使用步進電動機、伺服電動機、或其它能夠使試樣相對于傳感器移動的裝置使這一移動機械化。移動的方式對于本發(fā)明來說并不重要。
本發(fā)明的系統(tǒng)具有在1毫微伏至10微伏的范圍內(nèi)的極好的靈敏度。即，本發(fā)明被用于很靈敏的磁傳感器在較大場(500-1000奧斯特)中檢測非常小的信號。檢測到的信號是由于目標微粒的存在而在磁場中發(fā)生的改變，這一改變可以是毫-奧斯特等級的改變。運算公式為V=IBend]]>其中，V是檢測到的電壓改變；I是偏置電流；n是載流子密度；B是施加場；d是傳感表面的厚度；以及e是載流子電荷。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照附圖和優(yōu)選實施例進行了說明，但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。本發(fā)明的各種更改和變化由所附的權(quán)利要求書和等同物的內(nèi)容涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種對目標磁性微粒的積聚物進行定量測量的裝置(10)，所述裝置包括基片(22)，所述基片(22)被配置以在定義的圖案(pattern)中容納包括所述目標微粒的試樣(21)，所述試樣包括粘附至目標微粒的具有已知尺寸和磁特性的磁性微粒，以形成磁性粘附復(fù)合物試樣；磁鐵(11)，所述磁鐵(11)用于產(chǎn)生DC磁場；至少一個具有輸出信號導(dǎo)體的磁場傳感元件(11A或11B)；裝置，所述裝置用于引起所述基片和磁場之間的運動，以將所述試樣置于與所述至少一個傳感元件產(chǎn)生操作關(guān)系的位置中，所述傳感元件具有合成輸出信號；以及信號處理器，所述信號處理器用于轉(zhuǎn)化來自所述至少一個傳感元件的所述輸出信號，以提供表示圖案中的試樣數(shù)量的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，具有輸出信號導(dǎo)體的所述磁場傳感元件被置于所述DC磁場中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個傳感元件包括霍爾傳感器(15)，偏置激勵電流經(jīng)過所述霍爾傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述至少一個傳感元件包括磁阻傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個傳感元件包括兩個霍爾傳感器(15、16)，偏置激勵電流經(jīng)過所述霍爾傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述至少一個傳感元件包括兩個霍爾傳感器(15、16)，每一霍爾傳感器適合連接至施加給所述傳感器的偏置激勵電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的裝置，其中，所述激勵電流串聯(lián)經(jīng)過所述霍爾傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的裝置，其中，所述激勵電流并聯(lián)經(jīng)過所述霍爾傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其中，所述激勵電流是連接至所述至少一個霍爾傳感器的AC激勵電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的裝置，其中，所述激勵電流是連接至所述霍爾傳感器的AC激勵電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，還包括在所述基片上的代碼元素(19)；以及代碼閱讀器(28)，所述代碼閱讀器被安裝在合適的位置，當所述試樣被移入與所述至少一個傳感元件產(chǎn)生操作關(guān)系的位置中時讀取所述代碼元素。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個傳感元件檢測所述存在試樣在所述DC磁場中形成的差值。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述至少一個傳感元件檢測所述存在試樣在所述DC磁場中形成的差值。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述至少一個傳感元件檢測所述存在試樣在所述DC磁場中形成的差值。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述信號處理器包括放大器(25)，所述放大器連接至所述至少一個傳感元件的輸出端；平衡級(27)，所述平衡級連接至所述放大器；以及鎖定級(31)，所述鎖定級的輸出表示圖案中所述試樣的數(shù)量。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述信號處理器包括放大器(25)，所述放大器連接至所述至少一個傳感元件的輸出端；平衡級(27)，所述平衡級連接至所述放大器；以及鎖定級(31)，所述鎖定級的輸出表在圖案中所述試樣的數(shù)量；以及裝置，所述裝置用于將激勵電流同步耦合至所述鎖定級。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，還包括裝置，所述裝置用于將所述傳感裝置連接至激勵電源；所述傳感裝置包括連接至所述裝置的霍爾傳感器(15)，所述裝置用于連接至所述偏置激勵電源。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述信號處理器包括放大器(25)，所述放大器連接至所述至少一個傳感元件的輸出端；平衡級(27)，所述平衡級連接至所述放大器；以及鎖定級(31)，所述鎖定級的輸出表示圖案中所述試樣的數(shù)量。
19.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述信號處理器包括放大器(25)，所述放大器連接至所述至少一個傳感元件的輸出端；平衡級(27)，所述平衡級連接至所述放大器；以及鎖定級(31)，所述鎖定級的輸出表示圖案中所述試樣的數(shù)量；以及裝置，所述裝置用于將激勵電流同步耦合至所述鎖定級。
20.一種用于定量測量目標微粒的方法，所述方法包括在基片(22)的預(yù)定義結(jié)構(gòu)中放置(applying)至少一個試樣圖案，所述試樣圖案包括粘附至目標微粒的具有已知尺寸和磁特性的微粒，以形成磁性粘附復(fù)合物試樣；建立DC磁場；在所述基片和所述磁場之間產(chǎn)生相對運動，以將所述試樣圖案置于所述磁場中，激勵圖案中的所述磁性微粒并使所述磁性微粒擾動所述磁場；檢測由磁性微粒引起的磁場改變；以及產(chǎn)生表示所述場中的磁性微粒的數(shù)量的信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述相對運動產(chǎn)生所述磁場，并且，所述傳感步驟檢測由所述磁性微粒產(chǎn)生的磁場。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述傳感過程通過至少一個霍爾傳感器(15)完成。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括將AC偏置激勵電流(24)施加給所述至少一個霍爾傳感器。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括當將所述試樣圖案移入所述磁場時，檢測所述基片的位置。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，通過磁鐵(11)建立所述磁場。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述信號由信號處理器產(chǎn)生，所述信號表示在所述場中的磁性微粒的數(shù)量。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括將AC偏置激勵電流施加給所述至少一個霍爾傳感器和信號處理器。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述傳感過程通過兩個在梯度計結(jié)構(gòu)中連接的霍爾傳感器(15、16)完成。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，還包括施加串聯(lián)通過所述傳感器的AC偏置激勵電流。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，還包括施加并聯(lián)通過所述傳感器的AC偏置激勵電流。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括通過基片上的代碼元素(19)和代碼閱讀器(28)來確定所述基片相對于所述至少一個霍爾傳感器的位置，所述代碼閱讀器(28)以和所述傳感器具有固定關(guān)系的方式安裝。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述傳感過程通過至少一個磁阻傳感器完成。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括通過基片上的代碼元素(19)和代碼閱讀器(28)來確定所述基片相對于所述至少一個磁阻傳感器的位置，所述代碼閱讀器(28)以和所述傳感器具有固定關(guān)系的方式安裝。
全文摘要
使用霍爾傳感器(15、16)檢測和測量磁性微粒積聚物的裝置。使用低頻AC信號(24)激勵或偏置DC磁場(23)中的霍爾傳感器。為了產(chǎn)生表示基片(22)上的微粒數(shù)量的信號，該微粒被移入與該霍爾傳感器產(chǎn)生操作關(guān)系的位置。用于這樣的檢測和測量的方法也是本發(fā)明的一部分。
文檔編號G01N27/74GK1457434SQ02800318
公開日2003年11月19日 申請日期2002年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月16日
發(fā)明者羅納德·E·塞杰, 邁克爾·B·西蒙茲, 約斯特·H·迪德里赫斯, 庫爾特·G·延森, 蘭德爾·C·布萊克 申請人:量子設(shè)計有限公司