專利名稱：用于磁阻納米顆粒傳感器的集成1/f噪聲去除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于磁性納米顆粒檢測的傳感器裝置，尤其涉及用于磁阻納米顆粒傳感器中的噪聲去除的集成電路和方法。
現(xiàn)今，基于AMR(各向異性磁阻)、GMR(巨磁阻)和TMR(隧道磁阻)元件的磁阻傳感器已經(jīng)贏得了重要性。除了諸如磁性硬盤頭和MRAM的公知高速應(yīng)用之外，在分子診斷(MDx)、IC的電流感應(yīng)、汽車等領(lǐng)域也出現(xiàn)了新的較低帶寬應(yīng)用。
AMR出現(xiàn)在鐵磁或亞鐵磁的材料中。AMR是當(dāng)在亞鐵材料的薄帶中施加與電流流向不平行的磁場時電阻的變化。當(dāng)垂直于電流施加磁場時，電阻最大。AMR元件其特征是高靈敏度、寬工作溫度范圍、低且穩(wěn)定的偏移(offset)和達(dá)到MHz單位的寬頻率范圍。使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理使得能夠在特定方向上得到電阻變化與磁場強(qiáng)度的線性相關(guān)性。
在GMR技術(shù)中，已經(jīng)開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)，其中第一和第二非常薄的磁性膜非常近的結(jié)合在一起。通常通過保持第一磁性膜接近于交換層使第一磁性膜固定，這意味著固定磁性取向，所述交換層是一種固定第一磁性膜的磁性取向的抗鐵磁材料層。第二磁性膜或者傳感器膜，具有自由可變的磁性取向。在源自磁性材料(諸如超順磁性顆粒)的磁化強(qiáng)度改變的情況下，磁場中的改變引起傳感器膜磁性取向旋轉(zhuǎn)，從而使得整個傳感器結(jié)構(gòu)的電阻增大或減小。當(dāng)傳感器和固定膜的磁性取向在相同方向上時出現(xiàn)低電阻。當(dāng)傳感器和固定膜的磁性取向相互相對時出現(xiàn)高電阻。
在被隔離的(隧道)阻擋層隔開的兩個鐵磁層構(gòu)成的系統(tǒng)中可以觀察到TMR。該阻擋層必須非常薄，即為1納米級。那么僅僅電子可以隧穿該阻擋層，這又是一個完全的量子力學(xué)傳輸過程。可以改變一個層的磁性對準(zhǔn)而不影響其它層。在源自磁性材料(諸如超順磁性顆粒)的磁化強(qiáng)度改變的情況下，磁場中的變化引起傳感器膜磁性取向旋轉(zhuǎn)，從而使得整個傳感器結(jié)構(gòu)的電阻增大或減小。
在專利申請WO 03/054523、名稱為“用于測量微陣列上的磁性納米顆粒的面密度的傳感器和方法(Sensor and method for measuringthe areal density of magnetic nano-particles on a micro-array)”中，公開了一種磁性納米顆粒生物傳感器，用于微陣列或生物芯片上的生物分子的檢測，該傳感器使用了GMR傳感器元件。

圖1示出了如所引用文件的一個實施例中所述的磁阻傳感器1。傳感器1包括第一GMR傳感器元件2和第二GMR傳感器元件3，所述第一和第二GMR傳感器元件在襯底4的表面5下以距離d集成在生物芯片襯底4中。必須調(diào)整生物芯片襯底4的表面5以使納米顆粒6可以結(jié)合在其上。
在圖1中引入了一個坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)該坐標(biāo)系統(tǒng)，GMR元件2、3具有長度w，所述長度w是在y方向延伸的特定長度。如果磁阻傳感器元件2、3位于xy平面，則GMR傳感器元件2、3檢測磁場的x分量，即GMR傳感器元件2、3在x方向上具有敏感方向。為了讀出生物芯片，通過垂直于生物芯片平面的外部均勻磁場磁化與該生物芯片結(jié)合的超順磁性納米顆粒6。垂直磁場在磁偶極子端部定向了較高的磁場，所述磁偶極子由朝著并接近于第一和第二GMR傳感器元件2、3的納米顆粒6形成。被磁化的納米顆粒6在GMR膜下面的平面內(nèi)產(chǎn)生相對的磁感應(yīng)矢量區(qū)域，最后得到的磁場被第一和第二GMR傳感器元件2、3檢測。GMR傳感器元件2、3的輸出被饋送至比較器。
在所述文件中，在磁性納米顆粒6的飽和區(qū)域執(zhí)行測量。為了使納米顆?；蛘呒{米珠(對于50nm的磁珠，通常為0.025Am2/g或者更多)完全飽和，通常至少需要80kA/m(＝0.1特斯拉)的外部磁場。為了去除共模干擾或者1/f噪聲，優(yōu)選的是該外部磁場是交替的。為避免平面內(nèi)場元件引起的傳感器飽和(通常發(fā)生在+/-5mT，4kA/m)，因此需要精細(xì)的機(jī)械對準(zhǔn)。由于實際上最大磁場強(qiáng)度通常限制在40kAm和10Hz交替頻率，因此在線圈中耗散8瓦特(8V時1A)。
現(xiàn)有技術(shù)的方法和裝置的缺點在于，在低頻狀態(tài)下(通常0-20kHz)GMR和TMR元件可以實現(xiàn)的信噪比(SNR)受到這些元件本身存在的(磁性)1/f噪聲的限制、放大器的電噪聲特性(諸如噪聲、偏移、漂移)的限制以及不需要的磁場的限制。1/f噪聲的功率密度與頻率成反比，在電子部件中通常在100Hz以下占主要地位。在磁阻傳感器中，已知的是，在拐角頻率fc≈50kHz以上，熱白噪聲占主要地位。白噪聲電平限制了理論上可得到的檢測限度。如果SNR小于1，那么就很難得到一個有意義的測量。存在幾種提高SNR的方法。用于去除低頻噪聲的一個公知方法是應(yīng)用斬波(chopping)方法，以fc以上的速率使得用于磁化納米顆粒的外部磁場反向。然而這種方法需要高的功率消耗、外部線圈和磁扼以及額外的連接，因此當(dāng)需要小型生物傳感器時這種方法不適合。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種用于磁阻傳感器中的噪聲去除的裝置和方法，所述磁阻傳感器可以應(yīng)用于納米顆粒傳感器裝置。
通過根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置，可以實現(xiàn)上述目標(biāo)。
本發(fā)明提供了一個用于磁性納米顆粒傳感器裝置中的噪聲去除的集成電路。所述集成電路包括至少一個第一磁場發(fā)生器和至少一個磁阻傳感器。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述至少一個第一磁場發(fā)生器可以包括導(dǎo)體。所述至少一個第一磁場發(fā)生器適合于在所述至少一個磁阻傳感器的敏感方向產(chǎn)生第一磁場分量。此外集成電路還包括用于確定所述至少一個磁阻傳感器的工作點的裝置。需要確定最佳工作點，對于該最佳工作點信噪比最大，即必須找到傳感器檢測特性上的最大SNR。對于本發(fā)明，信噪比(SNR)可以至少為1。SNR的絕對值取決于所施加的外部磁場的幅值和傳感器噪聲功率。此外，還存在第二磁場發(fā)生器，用于產(chǎn)生磁化納米顆粒的磁場，從而在所述至少一個磁阻傳感器的敏感方向上產(chǎn)生第二磁場分量。第二磁場發(fā)生器可以是集成電路外部的磁場發(fā)生器。在另一實施例中，第二磁場發(fā)生器可以是集成電路的一部分。在本發(fā)明的一個實施例中，第二磁場發(fā)生器可以是永磁體。在另一實施例中，第二磁場發(fā)生器可包含一個或多個導(dǎo)體。此外，集成電路包括至少一個噪聲最優(yōu)化電路，適合于通過補償?shù)诙艌龇至吭趥鞲衅髦薪舸艌鰪?qiáng)度。
可以以垂直于裝置的方向或者以與傳感器裝置垂直方向成一個角度定位第二磁場發(fā)生器。然而，由于外部磁場比傳感器的動態(tài)范圍大的多，因而后一種方式容易使傳感器飽和。在傳感器的動態(tài)范圍內(nèi)，本發(fā)明可以阻止傳感器飽和。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述至少一個磁阻傳感器可以包括上側(cè)和下側(cè)，所述上側(cè)和下側(cè)彼此相對。在該實施例中，所述至少一個磁場發(fā)生器可以定位在所述至少一個磁阻傳感器的下側(cè)。
在另一實施例中，集成電路可以包括兩個彼此相鄰的磁阻傳感器和定位于每個磁阻傳感器下側(cè)的磁場發(fā)生器。
在本發(fā)明中，磁阻傳感器可以是GMR、TMR或者AMR傳感器，并且可以具有一個又長又窄的條帶幾何形狀。此外，在另一實施例中，第一磁場發(fā)生器可以集成至磁阻傳感器中。
在一個實施例中，噪聲最優(yōu)化電路可以包括積分器裝置。在本發(fā)明的另一實施例中，噪聲最優(yōu)化電路還可包括諧波調(diào)制源。
此外，本發(fā)明提供了一種包括根據(jù)本發(fā)明的集成電路的生物芯片。
本發(fā)明還提供了用于磁性納米顆粒傳感器裝置中的噪聲去除的方法。所述方法包括在磁阻傳感器的敏感方向上產(chǎn)生第一磁場分量，通過使所述磁阻傳感器輸出處的噪聲最小化來確定磁阻傳感器的工作點，應(yīng)用第二磁場以磁化納米顆粒，從而在磁阻傳感器的敏感方向上產(chǎn)生第二磁場分量。
工作點的信噪比可以盡可能高，可以至少為1。
可以通過永磁體或者通過一個或多個附加的導(dǎo)體產(chǎn)生第二磁場?？梢砸曰敬怪庇趥鞲衅餮b置的方向或者以與傳感器裝置垂直方向成一個角度定位所述第二磁場發(fā)生器。
在本發(fā)明的一個實施例中，可以通過使導(dǎo)體電流流過導(dǎo)體產(chǎn)生第一磁場分量。通過調(diào)節(jié)流經(jīng)導(dǎo)體的電流可以執(zhí)行對第一磁場分量的調(diào)節(jié)。
在另一實施例中，本發(fā)明的方法還可以包括通過使所述第二磁阻傳感器的輸出處的噪聲最小化，確定第二磁阻傳感器的工作點，和校準(zhǔn)所述第一磁阻傳感器和所述第二磁阻傳感器的輸出之間的差值為零。
確定第二磁阻傳感器的工作點可以通過確定最佳工作點實現(xiàn)，對于該最佳工作點來講信噪比可以盡可能高，并且可以至少為1。
此外，可以在集成電路的制造期間使用本發(fā)明的方法。
本發(fā)明還提供了使用根據(jù)本發(fā)明的集成電路，用于分子診斷、生物采樣分析或化學(xué)采樣分析。
本發(fā)明方法的優(yōu)點在于通過建立傳感器的工作點可以減少磁阻傳感器中產(chǎn)生的通常噪聲。另外的優(yōu)點在于，該方法補償了引起平面內(nèi)磁場的垂直對準(zhǔn)誤差，所述平面內(nèi)磁場可以使磁阻傳感器位于噪聲敏感區(qū)域或者處于飽和。本發(fā)明的另一優(yōu)點在于，本發(fā)明的方法可以產(chǎn)生小波形系數(shù)且低成本的傳感器裝置。
參考以實例的方式說明本發(fā)明原理的附圖，從下面的詳細(xì)描述中，這些特性、特征和優(yōu)點和其它特性、特征以及優(yōu)點將顯而易見。這些描述僅僅給出了實例，并未限制本發(fā)明的范圍。下面參考圖形是指附圖。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的包括GMR傳感器的部分生物傳感器的橫截面圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的裝置。
圖3示出了圖2裝置的橫截面圖。
圖4是示出了根據(jù)第一實施例的本發(fā)明方法的集成電路的示意圖。
圖5示出了AMR和GMR傳感器的偶R(H)特性。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的裝置的橫截面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的本發(fā)明方法的示意圖。
圖8是根據(jù)第二實施例的特殊實例的本發(fā)明的方法的示意圖。
圖9示出了GMR條帶傳感器的奇R(H)特性。
圖10是根據(jù)第三實施例的本發(fā)明的方法的示意圖。
圖11是根據(jù)第四實施例的本發(fā)明的方法的示意圖。
在不同的圖中，相同的附圖標(biāo)記指代相同或相似元件。
下面將結(jié)合具體實施例、參考特定附圖描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不僅限于此，而是由權(quán)利要求書限定。所述的附圖僅僅是示意性的并且是非限制性的。為了說明的目的，在附圖中一些元件的尺寸被放大，并非按照比例繪制。在本說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“包括”的地方，并不排除其它元件或者步驟。在提到一個單數(shù)名詞時使用了冠詞的地方，例如“一”、或“一個”、“這”，除非經(jīng)過特殊說明，否則包括多個這種名詞。
此外，說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語第一、第二和第三等用于區(qū)別相似元件，并不一定用于描述順序或者時間順序。應(yīng)當(dāng)理解的是，在適當(dāng)?shù)臈l件下，這樣使用的術(shù)語是可互換的，此處描述的本發(fā)明的實施例除了以此處描述或說明的順序操作，也可以以其它順序操作。
本發(fā)明提供了一種借助于傳感器裝置在納米顆粒檢測過程中的噪聲去除方法和集成電路10。集成電路10可以包括至少一個磁場發(fā)生器11，至少一個磁阻傳感器12，和至少一個噪聲優(yōu)化電路13。磁場發(fā)生器11可以例如為電流線。磁阻傳感器12可以例如為GMR、TMR或者AMR型傳感器，并且例如可以具有拉長的幾何形狀，例如又長又細(xì)的幾何形狀，但是本發(fā)明并不僅限于此形狀?？梢越咏诖抛鑲鞲衅?2定位磁場發(fā)生器11，以使磁場發(fā)生器11以這樣一種方式產(chǎn)生磁場在SNR最大的區(qū)域中建立磁阻傳感器12內(nèi)部的磁場強(qiáng)度。在生物測量之前，通過最優(yōu)化傳感器12輸出處的SNR來確定裝置的最佳工作點。
由于作為磁場強(qiáng)度函數(shù)的噪聲過程毫無規(guī)律，這意味著沒有可利用的梯度，因此一個重復(fù)過程可以尋找檢測曲線邊緣內(nèi)部的最佳區(qū)域。將通過下面描述的不同實施例對上述方法做進(jìn)一步的說明。
圖2至圖4示出了本發(fā)明的第一實施例。集成電路10可以包括磁阻傳感器12，所述磁阻傳感器12例如可以是具有偶(即對稱)R(H)特性的GMR元件。通過沿著幾何形狀的y軸或易磁化軸磁化GMR傳感器12的固定層(pinned layer)，可以實現(xiàn)這種偶R(H)特性。固定層14中的磁化強(qiáng)度方向由箭頭15指示。根據(jù)易磁化軸，磁阻傳感器12的自由層16中的優(yōu)選磁化強(qiáng)度由箭頭17指示。GMR傳感器12可以進(jìn)一步包括上側(cè)18和下側(cè)19，所述上側(cè)18和下側(cè)19彼此相對。
此外，該裝置還可以包括作為磁場發(fā)生器的導(dǎo)體11，所述導(dǎo)體11定位在磁阻傳感器12的下側(cè)19。在GMR傳感器12的上側(cè)18定位了一個表面，納米顆粒20可以固定在該表面作為生物測定的結(jié)果。該表面被稱為固定表面21。這意味著對于測量顆粒的體積濃度(bulkconcentration)，不需要表面改性(surface modicification)。僅僅當(dāng)必須測量固定在表面上的結(jié)合納米顆粒20的濃度時，才需要表面改性。當(dāng)必須檢測固定納米顆粒20時，芯片包括如上所述的頂層21或者固定表面21，該頂層21或者固定表面21主要為金，但是可以是用于生物材料沉積的任意其它適合材料。
在生化測量之前，即在磁性納米顆粒20出現(xiàn)在磁阻傳感器12的鄰近之前，通過使傳感器12的輸出處的噪聲最小化并校準(zhǔn)該輸出使其為零，來確定傳感器12的最佳工作點。需要一個重復(fù)過程以尋找傳感器12的最佳工作區(qū)域。對于最佳工作點，信噪比需要盡可能高，且優(yōu)選為1或更高。SNR的絕對值取決于所施加的外部磁場25的幅值和傳感器噪聲功率。
在圖4中，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的集成電路的示意圖。通過驅(qū)動電流經(jīng)過導(dǎo)體11，導(dǎo)體11產(chǎn)生磁場，該磁場在傳感器12中建立磁場強(qiáng)度，從而在傳感器12的位置處產(chǎn)生第一水平磁場分量22。正如從圖4可以看出，導(dǎo)體電流Icond為諧波調(diào)制源23所產(chǎn)生的調(diào)制信號(m(t)＝sin at)與積分器24的輸出Iint之和。因此Icond＝Iint+sin at (等式1)為了實現(xiàn)高度縮小，可以優(yōu)選積分器24為一級或更好級的積分環(huán)路濾波器。
然后將磁性納米顆粒20引入磁阻傳感器12附近，對固定在固定表面21上的磁性納米顆粒20施加外部磁場25(圖3)(例如可以由永磁體產(chǎn)生)，從而在施加外部磁場25的方向上磁化固定的納米顆粒20，在圖3所示的實例中為垂直方向。更為通常的是，可以垂直于磁阻傳感器12的敏感方向施加外部磁場25。然而，事實上，通常外部磁場25并非優(yōu)選的是垂直方向。因此本發(fā)明還能夠用于補償非垂直磁場作用。因此，相對于垂直傳感器裝置的方向以一個角度定位外部磁場發(fā)生器包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。然而，由于外部磁場25比傳感器12的動態(tài)范圍大的多，因此，這樣能夠很容易使傳感器12飽和。本發(fā)明還能夠阻止GMR傳感器的飽和。作為施加的外部磁場25的結(jié)果，在GMR傳感器12中產(chǎn)生第二水平磁場分量26。在開始生化測量之后，在積分器24的輸出可以測量由于納米顆粒20而產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的變化?，F(xiàn)在Iint和m(t)都在GMR傳感器12的位置產(chǎn)生水平磁場分量，即分別為第一水平磁場分量22和第二水平磁場分量26。在GMR傳感器12處的凈磁場27與來自納米顆粒20的磁場和導(dǎo)體電流的貢獻(xiàn)成比例或者相等，因此HGMR∝Icond+Hext·Nnano＝(Iint+sin at)+Hext·Nnano＝A+sin at(等式2)
此處，HGMR＝GMR傳感器的凈磁場，Hext＝外部磁場25，Nnano＝系統(tǒng)中存在的磁性納米顆粒的數(shù)量，此處，傳感器12的敏感層內(nèi)部的平均磁場A等于A＝Iint+Hext·Nnano(等式3)由于偶R(H)特性R(H)∝H2＝(A+sin at)2(等式4)圖4中具有注釋en，1/f的構(gòu)件只不過是這樣事實的示意表示來自磁阻傳感器12的信號包括1/f噪聲。在集成電路中該構(gòu)件不再起作用，因此在本發(fā)明的描述中將不再提及。
然后通過磁阻傳感器12測量的信號被傳送至放大器2放大，因而產(chǎn)生放大信號Amp1(t)。使用調(diào)制信號m(t)通過解調(diào)乘法器29同步解調(diào)放大信號Ampl(t)，產(chǎn)生了一個中間信號dem(t)，所述中間信號dem(t)等于；dem(t)＝(A+sin at)2·sin at＝A2sin at+2Asin2at+sin3atdem(t)＝(A2+sin2at)sin at+A-Acos2 at(等式5)假設(shè)對于最佳工作點，A等于零。在經(jīng)積分器24積分以后，調(diào)節(jié)導(dǎo)體電流Icond以補償源自固定納米顆粒20的磁場，即第二水平磁場分量26，因此A＝Iint+Hext·Nnano＝0等式(6)因此，補償?shù)诙酱艌龇至?6所需的電流Iint的大小取決于固定在固定表面21上的納米顆粒20的數(shù)量。
通過向積分器24的輸入添加偏移值，在不為零的工作點處建立了GMR傳感器12中的磁場強(qiáng)度。通過例如借助于電流控制裝置改變經(jīng)由“工作點”輸入的磁場發(fā)生器中的電流，來改變傳感器12中的磁場。通過測量噪聲功率(例如在積分器輸出)和諧波源23m(t)＝sin(at)的響應(yīng)的幅值，所述諧波源23響應(yīng)的幅值取決于R(H)特性的局部斜率，在GMR放大器28的輸出可以測量信噪比并使其最佳。可以提供噪聲功率測量裝置和幅值確定裝置用于輸出代表噪聲功率和/或響應(yīng)幅值的值。此外，還可提供控制裝置，用于選擇使得在足夠?qū)拝^(qū)域內(nèi)SNR最大的工作點作為檢測器的工作點。這種裝置可以包括噪聲最小化算法。噪聲最小化算法可以集成在芯片中，或者也可以位于芯片外部，諸如在讀出器位置。
用于所提出實施例的可實現(xiàn)的磁場強(qiáng)度可以推導(dǎo)如下。假設(shè)磁阻傳感器12具有又長又窄的條帶幾何形狀，導(dǎo)體11和GMR傳感器12的敏感層之間的距離w為0.5um，導(dǎo)體電流Icond＝20mA，垂直磁場強(qiáng)度等于H2=Icond2πw=0.022π·0.5·10-6≈6kA/m]]>(等式7)可以在+/-6kA/m范圍內(nèi)建立傳感器12的工作點。這意味著導(dǎo)體11能夠使用-20mA至20mA的電流產(chǎn)生-6至+6kA/m的磁場。
由磁性納米顆粒20所引起的磁場偏移比這個范圍小的多，通常對于50nm的納米顆粒20在1個納米顆粒/μm2的表面密度下該磁場偏移可以通常是0.4A/m。
圖5示出了根據(jù)上面提出的裝置幾何形狀的3μm寬AMR條帶傳感器12(圖形30)和GMR條帶傳感器13(圖形31)的傳輸函數(shù)。AMR傳感器示出了更陡的傳輸函數(shù)30，該傳輸函數(shù)30比GMR傳感器的傳輸函數(shù)31給出了更好的誤差信號。因此，AMR傳感器可更加適合應(yīng)用于本發(fā)明第一實施例的用于噪聲去除的集成電路和方法。
在本實施例中，僅討論了使噪聲去除最小化。對于最佳SNR，還必須考慮檢測曲線的靈敏度。經(jīng)由附加的波動(wobbling)技術(shù)或者從當(dāng)前波動幅值可以推導(dǎo)出檢測曲線的靈敏度，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講是公知的。放大器28輸出處的波動響應(yīng)幅值是對于GMR元件12的局部靈敏度的測量?？梢酝ㄟ^整流、FFT或者同步解調(diào)得到代表幅值的值。
在另一個實施例中，磁場發(fā)生器11可以集成在磁阻傳感器12中，因而形成了集成傳感器12/磁場發(fā)生器11裝置。該集成傳感器/磁場發(fā)生器11裝置既可以產(chǎn)生磁場又可以檢測磁場。然而，由于在高歐姆傳感器12/磁場發(fā)生器11裝置中的功率耗散，因此現(xiàn)在允許的傳感器電流小于第一實施例允許的導(dǎo)體電流Icond。通過改變傳感器電流，可以改變GMR傳感器12內(nèi)部的磁場以使SNR最佳。
第一實施例的不利之處在于，事實上共模磁場，即平均磁場A沒有得到抑制。還檢測到了源自例如磁體、變壓器等的外部磁場25。通過實施一個橋式(差分)結(jié)構(gòu)(參見另一實施例)，可以減弱共?；蛘哒麄€磁場分量。
在一個改進(jìn)的實施例中描述了解決這個問題的方法，圖6和圖7示意地示出了該改進(jìn)實施例。該改進(jìn)實施例的集成電路10可以包括兩個用在平衡結(jié)構(gòu)中的磁阻傳感器121、122，這種情況在上面所述段落中還稱為差分測量。
集成電路10還包括2個磁場發(fā)生器，諸如導(dǎo)體111、112。每個導(dǎo)體111、112可以定位在磁阻傳感器121、122的下側(cè)19(圖6)。每個傳感器121、122包括噪聲最優(yōu)化電路131、132以使積分器241、242輸出處的噪聲最小化(圖7)。噪聲最小化算法可以集成在芯片上或者可以位于芯片外部，諸如是在閱讀器位置。
在生化測量之前，通過使每個傳感器121、122輸出處的噪聲最小化或者使SNR最佳，確定每個傳感器121、122的最佳工作點，如第一實施例所述。在最優(yōu)化之后，可以校準(zhǔn)兩個積分器值之間的差值為零。
然后，可以將納米顆粒20引入磁阻傳感器121、122附近，并可開始生物測量。由于平衡結(jié)構(gòu)，抑制了共模磁場。
在圖6和圖7中，示出了固定表面21僅僅覆蓋每個傳感器12的一半。這是因為，如果偶R(H)特性被非零磁場“控制”，傳感器12的性能與奇R(H)特性相似，那么傳感器12的一半必須對于納米顆粒20不敏感(進(jìn)一步參考下面)。然而，在零磁場中，納米顆粒20可以位于芯片的整個區(qū)域上。在這種情況下，在距離傳感器12較大距離處靈敏度會降低。
在該實施例中，當(dāng)兩傳感器的斜率在相同方向上時，保持兩個傳感器的“平衡性能”。該斜率取決于它們特性上的工作點位置。
當(dāng)兩個斜率不在相同方向上時，為實現(xiàn)平衡結(jié)構(gòu)必須添加兩個積分器值而不是減去兩個積分器值。通過向磁場發(fā)生器電流添加諧波調(diào)制，并且對它們進(jìn)行同步解調(diào)(例如實施例1中的靈敏度測量)，或者根據(jù)低通濾波的Dem1或者Dem2可以確定斜率方向。
在第二實施例的具體實例中，磁阻傳感器121、122的噪聲特性可以相等。在這種情況下，僅需要一個控制環(huán)或者噪聲最優(yōu)化電路13以在磁阻傳感器121、122中建立磁場。圖8示出了這種情況。
分別通過第一和第二磁阻傳感器121、122測量的信號分別進(jìn)入第一和第二放大器281、282進(jìn)行放大，因而產(chǎn)生放大信號Ampl1(t)和Ampl2(t)。然后從放大信號Ampl1(t)中減去放大信號Ampl2(t)，結(jié)果產(chǎn)生信號Ampl(t)。然后使用調(diào)制信號m(t)通過解調(diào)乘法器29來同步解調(diào)信號Ampl(t)，結(jié)果產(chǎn)生中間信號dem(t)。通過使傳感器121、122的輸出處的噪聲最小化來確定磁阻傳感器121、122的最佳工作點。
在圖10所示的另一實施例中，本發(fā)明的方法和裝置可以用于建立具有奇R(H)特性(圖9)的磁阻傳感器121、122的工作點。集成電路10可以包括兩個磁阻傳感器121、122和兩個磁場發(fā)生器，諸如導(dǎo)體111、112。導(dǎo)體111、112可以定位在每個傳感器121、122的下側(cè)19。此外，集成電路10還可以包括兩個噪聲最優(yōu)化電路131、132。在該實施例中，由于傳感器121、122的奇特性，噪聲最優(yōu)化電路131、132不需要諧波調(diào)制源23。因此，Icond1＝Iint1和Icond2＝Iint2。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的方法的示意圖。由于凈磁場27(為第一磁場分量22和第二磁場分量26之和)，在第一和第二傳感器121、122處測量的信號被發(fā)送至第一和第二放大器281、282進(jìn)行放大，因而分別產(chǎn)生信號Ampl1(t)和Ampl2(t)。然后該信號可以重復(fù)發(fā)送至積分器241、242以使傳感器121、122的噪聲最佳。
在生物測量之前，在鄰近沒有磁性納米顆粒20的情況下，如上所述使每個傳感器121、122最佳。最優(yōu)化之后，可以將兩個積分器值(檢測器輸出信號)之差校準(zhǔn)為零。當(dāng)納米顆粒20出現(xiàn)在磁阻傳感器121、122附近時，可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)體電流以補償源自磁化納米顆粒20的第二水平磁場分量26，來確定納米顆粒20的濃度。補償需要的電流的大小是對傳感器121、122的上側(cè)18上出現(xiàn)的納米顆粒20的數(shù)量的測量。
在該實施例中，傳感器裝置需要一些措施以將納米顆粒20限制在每個傳感器12的一半(如圖10所述)，這是由于否則就消除了對于納米顆粒20的響應(yīng)。通過在傳感器12的一半上應(yīng)用非金層(固定表面21)就可以實現(xiàn)這一點。
在第四實施例中，用于本發(fā)明的噪聲去除的集成電路10和方法可以應(yīng)用在芯片上磁性顆粒傳感器裝置中，如圖11所述。
在該實施例中，集成電路可以包括磁阻傳感器12和磁場發(fā)生器，諸如定位在磁阻傳感器12的下側(cè)19處的導(dǎo)體11。此外，集成電路可以包括至少一個附加的磁場發(fā)生器，諸如定位在磁阻傳感器12附近的導(dǎo)體32，該至少一個附加導(dǎo)體32用作外部磁場發(fā)生器(圖11)。
通過對準(zhǔn)附加導(dǎo)體32和傳感器元件12以使磁場分量出現(xiàn)在傳感器元件12的敏感方向上，還能夠?qū)⒋艌霭l(fā)生器11的功能添加至附加導(dǎo)體32的功能中。
此外，圖11中的集成電路可以包括檢測裝置33?？梢砸匀绫景l(fā)明的第三實施例中所述的相同方式應(yīng)用噪聲最優(yōu)化。
還可以在集成電路10的制造期間應(yīng)用上述實施例所述的本發(fā)明的方法。通過應(yīng)用該方法，在制造過程中，確定最佳工作點并將該最佳工作點存儲在芯片中。
此外，根據(jù)本發(fā)明的集成電路可以用于分子診斷、生物采樣分析或者化學(xué)采樣分析。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，事實上當(dāng)施加外部磁場25時，傳感器噪聲功率確實沒有改變。此外，出現(xiàn)在芯片上的磁場產(chǎn)生元件11產(chǎn)生了取決于所施加的外部磁場25的幅值的磁場。
應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管此處討論了用于根據(jù)本發(fā)明裝置的優(yōu)選實施例、具體結(jié)構(gòu)和配置以及材料，但是在并不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還存在形式和細(xì)節(jié)上的各種改變或變型。
權(quán)利要求
1.一種用于磁性納米顆粒傳感器裝置中的噪聲去除的集成電路(10)，所述集成電路包括至少一個第一磁場發(fā)生器(11)和至少一個磁阻傳感器(12)，所述至少一個第一磁場發(fā)生器(11)適合于在至少一個磁阻傳感器(12)的敏感方向上產(chǎn)生第一磁場分量(22)，用于確定所述至少一個磁阻傳感器(12)的工作點的裝置，存在用于產(chǎn)生磁場以磁化納米顆粒(20)的第二磁場發(fā)生器，從而在至少一個磁阻傳感器(12)的敏感方向上產(chǎn)生第二磁場分量(26)，所述集成電路還包括至少一個噪聲最優(yōu)化電路(13)，適用于通過補償所述第二磁場分量(26)在傳感器(12)中建立凈磁場強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路(10)，其中所述第二磁場發(fā)生器為集成電路(10)外部的磁場發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成電路(10)，其中對于所述工作點，信噪比至少為1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的集成電路(10)，其中所述至少一個第一磁場發(fā)生器包括導(dǎo)體(11)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的集成電路(10)，其中所述至少一個磁阻傳感器(12)包括上側(cè)(18)和下側(cè)(19)，所述上側(cè)(18)和下側(cè)(19)彼此相對，并且其中所述至少一個磁場發(fā)生器(11)定位于所述至少一個磁阻傳感器(12)的下側(cè)(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集成電路(10)，所述集成電路(10)包括兩個彼此相鄰的磁阻傳感器(121、122)和定位在每個磁阻傳感器(121、122)的下側(cè)(19)的磁場發(fā)生器(111、112)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的集成電路(10)，其中所述磁阻傳感器(12)具有又長又窄的條帶幾何形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的集成電路(10)，其中所述第一磁場發(fā)生器(11)集成至所述磁阻傳感器(12)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的集成電路(10)，其中所述噪聲最優(yōu)化電路(13)包括積分器裝置(24)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的集成電路(10)，其中所述噪聲最優(yōu)化電路(13)還包括諧波調(diào)制源(23)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10任一項所述的集成電路(10)，其中第二磁場發(fā)生器包括一個或多個導(dǎo)體(32)。
12.一種包括根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的集成電路的生物芯片。
13.一種用于在磁性納米顆粒傳感器裝置中的噪聲去除的方法，所述方法包括在磁阻傳感器(12)的敏感方向上產(chǎn)生第一磁場分量(22)，通過使所述磁阻傳感器(12)輸出處的噪聲最小化來確定磁阻傳感器(12)的工作點，應(yīng)用第二磁場(25)以磁化納米顆粒(20)，從而在磁阻傳感器(12)的敏感方向上產(chǎn)生第二磁場分量(26)，調(diào)整第一磁場分量(22)以補償所述第二磁場分量(26)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中確定磁阻傳感器(12)的工作點包括確定信噪比至少為1的工作點。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中產(chǎn)生第一磁場分量包括使導(dǎo)體電流流過導(dǎo)體(11)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中通過調(diào)節(jié)流經(jīng)導(dǎo)體(11)的導(dǎo)體電流執(zhí)行對第一磁場分量的調(diào)節(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16任一項所述的方法，所述方法還包括通過使所述第二磁阻傳感器(122)的輸出處的噪聲最小化，確定第二磁阻傳感器(122)的工作點，校準(zhǔn)所述第一磁阻傳感器(121)和所述第二磁阻傳感器(122)的輸出之間的差值為零。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中確定第二磁阻傳感器(122)的工作點包括確定信噪比至少為1的工作點。
19.根據(jù)權(quán)利要求13-18任一項所述的方法，其中通過一個或多個附加導(dǎo)體(32)產(chǎn)生所述第二磁場(25)。
20.根據(jù)權(quán)利要求13-19任一項所述的方法，其中在集成電路(10)制造期間應(yīng)用所述方法。
21.使用前述權(quán)利要求任一項所述的集成電路，用于分子診斷、生物采樣分析或化學(xué)采樣分析。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于磁性納米顆粒傳感器裝置中的噪聲去除的集成電路和方法。本發(fā)明的方法包括通過導(dǎo)體傳送導(dǎo)體電流以在磁阻傳感器的位置產(chǎn)生第一水平磁場分量的步驟。在另一步驟中，通過借助于噪聲最優(yōu)化電路使磁阻傳感器的輸出處的噪聲最小化，來確定磁阻傳感器的最佳工作點。通過施加外部磁場使得傳感器附近的納米顆粒垂直磁化，在傳感器位置產(chǎn)生第二水平磁場分量。然后，調(diào)節(jié)導(dǎo)體電流以使第一水平磁場分量補償?shù)诙酱艌龇至俊Ｔ撗a償需要的導(dǎo)體電流的大小是對傳感器處出現(xiàn)的納米顆粒數(shù)量的測量。
文檔編號G01N33/543GK1829908SQ200480022116
公開日2006年9月6日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者J·A·H·M·卡爾曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司