專利名稱：具有并聯(lián)的磁傳感器條的磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于探測或判斷磁顆粒的裝置和方法，例如，所述顆?？梢允堑幌抻诖偶{米顆粒。具體而言，其涉及包括并聯(lián)的磁傳感器條的磁傳感器及其操作方法。
背景技術(shù)：
目前，基于AMR(各向異性磁致電阻)、GMR(巨磁致電阻)和TMR(隧道磁致電阻)元件的磁致電阻傳感器正在發(fā)揮越來越重要的作用。除了諸如硬磁盤頭和MRAM的已知高速應(yīng)用之外，還在分子診斷(MDx)、IC中的電流感測、機動車等領(lǐng)域出現(xiàn)了新的帶寬相對較低的應(yīng)用。
生物芯片就是磁致電阻傳感器的一個例子。生物芯片又稱生物傳感器芯片、生物微芯片、基因芯片或DNA芯片，其最簡單的形式是包括其上附著了大量不同的探針分子的襯底，在得到良好匹配的情況下，有待分析的分子或片段能夠結(jié)合至芯片上具有明確邊界的區(qū)域內(nèi)。例如，DNA分子的片段結(jié)合至某一唯一的互補DNA(c-DNA)分子片段。例如，可以采用耦合至有待分析的分子的熒光標(biāo)志探測結(jié)合反應(yīng)的產(chǎn)生。其提供了在短時間內(nèi)同時分析少量的很多不同分子或分子片段的能力。一個生物芯片能夠化驗10-1000或更多種不同的分子片段。預(yù)計，在未來的十年內(nèi)，作為Human Genome Project等計劃以及有關(guān)基因和蛋白質(zhì)的功能的跟進(jìn)研究的結(jié)果，能夠通過生物芯片的使用獲得的信息的可用性將迅速提高。
在WO03/054523中，公開了一種用于探測微陣列或生物芯片上的生物分子的磁納米顆粒生物傳感器，所述傳感器采用GMR傳感器元件。圖1種示出了在所引用的文獻(xiàn)中作為一個實施例予以說明的磁致電阻傳感器1。傳感器1包括集成到生物芯片襯底4內(nèi)的第一GMR傳感元件2和第二GMR傳感元件3，所述傳感元件在襯底4的表面5下方距離d處。要想允許納米顆粒6與之結(jié)合，就必須對生物芯片襯底4的表面5進(jìn)行改性。
在圖1中引入了坐標(biāo)系，根據(jù)所述坐標(biāo)系，第一和第二GMR元件2和3沿y方向延伸一定長度。如果磁致電阻傳感器元件2和3處于xy平面內(nèi)，那么GMR傳感器元件2和3主要探測磁場的x分量，即它們的感測方向是x方向。為了讀取生物芯片，通過垂直于生物芯片的平面的均勻外部磁場使結(jié)合于其上的超順磁性納米顆粒6磁化。垂直磁場使得位于磁偶極子的末端處的更高的磁場的取向朝向或靠近第一和第二GMR傳感元件2和3，其中，所述磁偶極子是由納米顆粒6形成的。磁化后的納米顆粒6在位于下層的GMR膜所在的平面內(nèi)產(chǎn)生具有相反的磁感應(yīng)向量的區(qū)域，通過第一和第二GMR傳感元件2和3探測所得的磁場。將GMR傳感元件2和3的輸出提供給比較器。
一般而言，GMR傳感器的信噪比(SNR)，即信號功率與噪聲功率之間的比率，與條的面積成正比，因而SNR∝l·w其中，l為GMR傳感器的長度，w為寬度。
提高GMR讀出元件2和3的長度將增大SNR，但是也將由此提高所需的電源電壓。這種效果難以適應(yīng)在集成電路上結(jié)合了GMR傳感器和信號處理電路的應(yīng)用。
在很多應(yīng)用中，提高傳感器長度l是一種有利的做法。在WO03/054523中提出的磁致電阻傳感器1的幾何形態(tài)使得靈敏度在傳感器條的邊緣處最大。因此，提高條的寬度不能提高SNR，提高SNR的唯一途徑是提高傳感器長度。此外，大傳感器面積將提高所結(jié)合的納米顆粒的數(shù)量，從而降低結(jié)合過程的噪聲。
提高傳感元件2和3的長度，以及由此導(dǎo)致的磁致電阻傳感器1的長度l的增大還將提高磁致電阻傳感器1的電阻，這將帶來問題，各參數(shù)關(guān)系如下RGMR=Rsq·lw]]>
其中，RGMR是特定磁致電阻傳感器1的電阻，Rsq是用于GMR傳感元件2和3的磁致電阻材料的薄層電阻。
假設(shè)通過電流源7(參見圖2)施加了恒定感測電流Is，那么所需要的電源電壓Vsuppl將隨著磁致電阻傳感器1的電阻的增大而增大。由于IC工藝限制了可用的電源電壓的最大值，因而這一點在集成電路中尤其存在問題。此外，還限制了跨越GMR傳感器的最大電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁致電阻傳感器和用于探測或確定磁顆粒的方法，它們所需要的電源電壓更低，和/或?qū)Υ蓬w粒在傳感器表面上的結(jié)合分布表現(xiàn)出了更低的敏感性。
通過根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置實現(xiàn)了上述目的。
在附加的獨立權(quán)利要求和從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的具體和優(yōu)選方面。來自從屬權(quán)利要求的特征可以與獨立權(quán)利要求的特征結(jié)合，而且可以酌情與其他從屬權(quán)利要求的特征結(jié)合，而不只是像權(quán)利要求中明確陳述的那樣。
本發(fā)明提供了一種傳感器裝置，其包括至少一個磁傳感元件和至少一個用于產(chǎn)生磁場的磁場發(fā)生裝置。根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個磁傳感元件包括復(fù)數(shù)N個并聯(lián)磁傳感器條，其中N至少為2，所述傳感器裝置還包括用于在所述至少一個磁傳感元件上施加恒定電壓的電壓源。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述磁傳感器條可以是磁致電阻傳感器條，例如，GMR、TMR或AMR傳感器條。
在根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置中，作為所述傳感器裝置附近的磁顆粒的結(jié)果的總測量信號將與磁顆粒的量成正比變化，而不管磁顆粒是否均勻分布于傳感元件的不同傳感器條上。因此，總測量信號不受磁顆粒在獨立的磁傳感器條上的結(jié)合分布的影響。
可以通過芯片上或芯片外磁場發(fā)生裝置實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的傳感元件。此外，在需要具有高均勻性靈敏度的大傳感器表面時，能夠有利地應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的裝置。
可以將磁傳感元件置于襯底上，所述傳感器裝置還可以包括與所述磁傳感元件位于同一襯底上的信號處理裝置。在本發(fā)明的實施例中，所述磁傳感元件、信號處理裝置和磁場發(fā)生裝置可以形成集成電路。所述信號處理裝置可以包括至少一個放大器。在另一個實施例中，所述信號處理裝置還可以包括線性化電路。所述線性化電路具有用于校正傳感元件的非線性R-H特性的功能部件。
在一個實施例中，所述磁場發(fā)生裝置可以包括導(dǎo)體和用于生成流經(jīng)所述導(dǎo)體的交流電流的交流電流源。
在本發(fā)明的特殊實施例中，所述傳感器裝置可以包括兩個磁傳感元件，每一磁傳感元件包括N個并聯(lián)磁傳感器條，所述N至少為2。
根據(jù)本發(fā)明，所述傳感器裝置還可以包括用于測量流經(jīng)所述至少一個磁傳感元件的電流的裝置。
本發(fā)明還提供了一種用于探測磁顆粒的存在或確定磁顆粒的方法。所述方法包括的步驟有在磁傳感元件的附近產(chǎn)生磁場，所述磁傳感元件包括復(fù)數(shù)N個并聯(lián)磁傳感器條，跨越所述磁傳感元件施加恒定電壓，以及測量所述磁傳感元件內(nèi)的總信號電流is。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，可以通過磁場發(fā)生器產(chǎn)生磁場，所述磁場發(fā)生器包括導(dǎo)體和用于生成通過所述導(dǎo)體的電流的電流源。
通過應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的探測方法，抑制了低頻磁噪聲以及低頻電子噪聲、漂移和偏移。
本發(fā)明還包括將根據(jù)本發(fā)明的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。


通過下文結(jié)合附圖給出的具體實施方式
，本發(fā)明的這些和其他特點、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中附圖通過舉例的方式示出了本發(fā)明的原理。所給出的說明的目的僅在于舉例，而不是對本發(fā)明的范圍加以限制。
下文引用的附圖標(biāo)記用于參考附圖。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的包括GMR傳感元件的磁致電阻傳感器的局部截面圖。
圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電流驅(qū)動長GMR條。
圖3示出了根據(jù)針對待解決的問題的非優(yōu)選解決方案的電流驅(qū)動并聯(lián)傳感器條。
圖4示出了圖3所示的電流驅(qū)動并聯(lián)傳感器條的特例，其中，在一個條上集中了所有的磁性顆粒。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的通過電壓源提供電力的并聯(lián)傳感器條。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的生物傳感器裝置的示意圖。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的第一和第二OpAmp電路的橋式構(gòu)造。
圖8示出了現(xiàn)有技術(shù)中傳感裝置的全惠斯通電橋構(gòu)造。
圖9示出了適于在集成電路中實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器構(gòu)造。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的生物傳感器裝置的示意圖。
圖11A、11B和11C示出了設(shè)有能夠有選擇地結(jié)合目標(biāo)樣本的結(jié)合部位的探針元件的細(xì)節(jié)，其中，磁納米顆粒通過不同的方式直接或間接結(jié)合至目標(biāo)樣本。
圖12是根據(jù)本發(fā)明實施例的探測方法的示意圖。
在不同的附圖中，采用相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的部分。
具體實施例方式
在下文中將相對于具體實施例并參考某些附圖描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此，而是由權(quán)利要求限定。不應(yīng)將權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記視為限制范圍。所示附圖只是示意性的，并非是限制性的。在附圖中，出于舉例說明的目的，可能夸大了某些元件的尺寸，而不是按比例尺描繪的。在本說明書中和權(quán)利要求中采用了“包括”一詞，其不排除存在其他元件或步驟。如果在涉及單數(shù)名詞時采用了諸如“一”、“一個”、“該”等非定冠詞或定冠詞，那么其包括所述名詞的復(fù)數(shù)，除非另行明確說明。
此外，應(yīng)當(dāng)注意，不應(yīng)將說明書和權(quán)利要求中采用的“包括”一詞解釋為僅局限于其后列舉的內(nèi)容，其不排除存在其他元件或步驟。因而，不應(yīng)將“包括部件A和B的裝置”的表達(dá)范圍限定于僅由部件A和B構(gòu)成的裝置。其相對于本發(fā)明的含義在于，A和B只是與所述裝置相關(guān)的部件。
正如在背景技術(shù)部分所提及的，現(xiàn)有技術(shù)傳感器表現(xiàn)出了這樣的缺點，即，為了獲得提高的SNR而增大傳感元件2的長度還將導(dǎo)致傳感器電阻RGMR的增大，在通過電流源7提供恒定感測電流Is的情況下，其將導(dǎo)致所需的電源電壓的增大(參考圖2)。
作為該問題的一個非優(yōu)選解決方案，可以將整個磁致電阻傳感元件2劃分為N個磁致電阻傳感器條10，每一磁致電阻傳感器條10代表通過電流源11向其提供恒定感測電流Is的電阻R/N。但是，電流驅(qū)動并聯(lián)GMR或TMR傳感器條10的缺點在于，總傳感器信號取決于磁顆粒12跨越傳感器條10的分布。因此，假設(shè)磁顆粒12在不同的傳感器條10上分布不均勻，那么在這種情況下并非所有的條10都具有相同的電阻變化ΔR。因而，總電阻和總傳感器信號es將取決于磁顆粒12在不同傳感器條10上的分布。磁顆粒12可以具有小尺寸，例如，其可以是納米顆粒。納米顆粒是指其尺寸至少具有處于0.1nm到1000nm的范圍內(nèi)的顆粒，所述尺寸優(yōu)選處于3nm到500nm之間，更優(yōu)選處于10nm和300nm之間。磁顆粒12能夠在外加磁場的作用下獲取磁矩(例如，它們可以是順磁性的)，或者它們可以具有永磁矩。磁顆粒12可以是復(fù)合的，例如，由其內(nèi)的或者附著于非磁性材料的一個或多個小磁顆粒構(gòu)成。只要顆粒12能夠?qū)c磁場的頻率產(chǎn)生非零響應(yīng)，即當(dāng)它們產(chǎn)生磁化率或磁導(dǎo)率時，就可以采用它們。
在圖3中示出了磁顆粒12在傳感器裝置的傳感器條10上等同分布的情況。在不存在磁顆粒12時，每一傳感器條10的電阻為R/N。當(dāng)在每一傳感器條10的表面存在等量的磁顆粒時，這些傳感器條10中的每者的電阻值改變了ΔR/N，在圖3中用附圖標(biāo)記15表示這一改變的電阻。因而每一傳感器條10的電阻變?yōu)镽GMR=(R+ΔR)·1N.]]>由于每一傳感器條10的電阻相等，因而流過每一傳感器條10的電流Is相同。結(jié)果，由于存在等同分布的顆粒12，跨越傳感器裝置測得的有效傳感器信號等于es=IsΔRN.]]>如果在某一特殊情況下，例如在最壞的情況下，所有的磁顆粒12都集中在一個傳感器條10上(如圖4所示)，那么作為由于存在磁顆粒而改變的電壓的有效傳感器信號es將等于es=IsΔRN·11+(N-1)ΔRR]]>在假設(shè)N＝10，ΔR/R＝0.04時，與磁顆粒12均勻分布的情況相比，有效傳感器信號下降到73％。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，這一問題的解決方案是將磁傳感元件13設(shè)置為N個并聯(lián)的獨立磁傳感器條10，其中，N至少為兩個。形成傳感元件13的并聯(lián)傳感器條10的數(shù)量不受限制。但是，當(dāng)傳感元件13的電阻過低時，例如，低于10歐姆，那么將不可能實現(xiàn)固有噪聲電平位于傳感器的熱噪聲之下的前置放大器。
跨越這些磁傳感器條10，從而跨越磁傳感器13施加由電壓源14提供的恒定電壓(參考圖5)。例如，磁傳感器條10可以是磁致電阻傳感器條，例如AMR、GMR或TMR傳感器條。
因而，每一傳感器條10上的電壓降是恒定的，并測量通過傳感元件13的總電流。那么，使總信號電流等于每一傳感器中的電流的和。因而，總信號電流將隨磁顆粒12的量按比例變化，而不管磁顆粒12在傳感元件13的不同傳感器條10上是否均勻分布。因此，總測量信號(當(dāng)前情況下為電流)不受磁顆粒12在獨立的磁傳感器條10上的結(jié)合分布的影響。由信號電流is＝N*Is表示總傳感器信號。
提高傳感器長度以及將磁傳感元件13劃分為獨立的磁傳感器條10的優(yōu)點在于，其能夠在不提高電源電壓的情況下提高SNR(信噪比)。這使得有效加長的傳感器條10與低壓IC工藝相兼容。另一個優(yōu)點在于，總傳感器信號與傳感器條10上的磁顆粒12的結(jié)合分布無關(guān)。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明可以采用的可能的信號處理裝置20，在這一實施例中，其可以包括諸如運算放大器(OpAmp)21的的放大器，當(dāng)磁傳感元件13用于諸如生物傳感器(參見下文)的傳感器裝置中時，其用于對傳感器信號放大。因此，在這一實施例中，磁傳感元件13包括N個并聯(lián)的磁傳感器條10和包括OpAmp電路22的信號處理裝置20。磁傳感元件13和信號處理裝置20位于同一襯底(圖中未示出)上。在本發(fā)明的實施例中，“襯底”一詞可以包括任何能夠用在下部的，或者能夠在其上形成器件、電路或外延層的一種或多種材料。在其他備選實施例中，這一“襯底”可以包括半導(dǎo)體襯底，例如，摻雜硅、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、鍺(Ge)或硅鍺(SiGe)襯底。所述“襯底”除了包括半導(dǎo)體襯底部分外，還可以包括，例如，諸如SiO2或Si3N4層的絕緣層。因而，“襯底”一詞還包括玻璃上硅、藍(lán)寶石上硅襯底。因而，采用“襯底”一詞對位于感興趣的層或部分之下的層要素做一般性定義。而且，“襯底”可以是任何其他可以在其上形成層(例如，玻璃、塑料或金屬層)的基底。
但是，必須理解，圖6只是根據(jù)本發(fā)明可以采用的信號處理裝置20的可能的例子，其作用并非在于限制本發(fā)明。例如，信號處理裝置20可以包括超過一個OpAmp 21，或者還可以包括其他功能性(參見下文)。
在本發(fā)明的另一實施例中，提供了第一和第二放大器，例如，分別為OpAmp電路21a和21b，的半橋式構(gòu)造。在圖7中給出了這一構(gòu)造。采用這一半橋式構(gòu)造，能夠消除溫度影響和共有模式擾動磁場的影響。例如，可以通過導(dǎo)體等將磁場施加到第一OpAmp電路21a的傳感器條10a上。將第一OpAmp電路21a的信號發(fā)送至加法器23。不向第二OpAmp電路21b的傳感器條10b施加磁場。從第二OpAmp電路21b發(fā)送至加法器23的信號只包括來自傳感器條的噪聲。從第一OpAmp電路21a的信號中減去第二OpAmp電路21b的信號，之后對所得信號做進(jìn)一步處理。通過這種方式，能夠針對共有模式擾動磁場執(zhí)行校正。由于并聯(lián)的傳感元件13a和13b在同一襯底上相互靠近，因而它們具有相同的溫度，并且具有相同的溫度相關(guān)性R(T)。因此，溫度變化將對來自并聯(lián)傳感元件13a和13b的信號造成相同量的影響，所述效應(yīng)將在減法操作之后消除。換言之，這是一種共有模式效應(yīng)。
出于使探測器特性線性化的原因，常常采用圖8所示的全惠斯通電橋構(gòu)造。由于所述惠斯通電橋構(gòu)造需要為每一傳感元件13配置四個磁傳感器條10，因此，所述構(gòu)造的缺點在于面積不充裕。此外，與前一實施例相比，所需要的電源電壓加倍。
但是，可以采用圖9所示的根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的傳感器構(gòu)造實現(xiàn)相同的功能。所述傳感器構(gòu)造可以包括每者包括N個并聯(lián)磁傳感器條10a、10b的兩個磁傳感元件13a、13b和信號處理裝置20。信號處理裝置20可以包括用于對傳感器信號進(jìn)行放大的兩個放大器21a和21b。信號處理裝置20還可以包括加法器23，其用于從來自傳感元件13a的信號中減去來自第二傳感元件13b的信號。信號處理裝置20還可以包括AD轉(zhuǎn)換器24。
信號處理裝置20還可以包括線性化單元25，其作用在于校正傳感元件13a和13b的非線性R-H特性。在該實施例中，對來自磁傳感元件13a和13b的信號放大，并將其轉(zhuǎn)化到數(shù)字域。數(shù)字電路對磁傳感元件13a和13b的非線性R-H曲線進(jìn)行校正?？梢圆捎肦OM表或者具有固定或自適應(yīng)系數(shù)的算術(shù)函數(shù)實現(xiàn)這一點?？梢酝ㄟ^向每一磁傳感元件13a和13b施加磁場，并將R-H特性或針對其反函數(shù)(校正)的測量存儲在芯片或襯底上，由此測定每一磁傳感元件13a和13b的非線性。
在本實施例中，在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)線性化功能。但是，在其他實施例中，也可以在模擬域中，例如，采用諸如二極管的非線性元件實現(xiàn)所述線性化功能。
必須理解，圖9所示的傳感器構(gòu)造只是一個例子，并不是用于限制本發(fā)明。所述傳感器構(gòu)造可以包括超過或少于兩個傳感器13a和13b、超過一個或沒有AD轉(zhuǎn)換器24以及超過一個線性化功能部件25。例如，將在下文中描述的典型的生物傳感器可以包括多個，例如100個磁傳感元件13a、b，所述磁傳感元件單獨或成組地多路復(fù)用到信號處理裝置24。
為了探測在傳感器附近是否存在和/或聚集了磁顆粒12，必須施加磁場?？梢酝ㄟ^磁場發(fā)生裝置完成磁場的施加，在一個實施例中，所述裝置可以與磁傳感元件13和信號處理裝置20位于同一襯底上，并且可以將其稱為芯片上磁場發(fā)生裝置。在這種情況下，磁傳感元件13、信號處理裝置20和磁場發(fā)生裝置可以形成集成電路。在另一個實施例中，所述磁場發(fā)生裝置可以位于不同的襯底上，這時可以將其稱為芯片外磁場發(fā)生裝置。
因而，可以通過芯片上或芯片外磁場發(fā)生裝置實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的傳感元件13。此外，在需要具有高均勻性靈敏度的大傳感器表面時，能夠有利地應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的裝置。
能夠應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的傳感元件13的傳感器裝置30的一個例子是圖10所示的生物傳感器裝置30。生物傳感器裝置30可以包括盒式外殼31、用于容納諸如有待分析的分析物的材料的室32和/或通道33以及生物芯片34。生物芯片34是布置在固體襯底上的被稱為微陣列的小型化測試部位的集合，其允許同時執(zhí)行很多測試，以獲得更高的處理能力和速度?？梢詫⑵鋭澐譃閿?shù)十到數(shù)千個小室，每者含有生物活性分子，例如，短DNA鏈或探針。除了基因應(yīng)用(例如，破譯基因)外，還可以將生物芯片34應(yīng)用到毒物學(xué)、蛋白質(zhì)和生物化學(xué)研究領(lǐng)域，以及將其應(yīng)用到臨床診斷和科學(xué)研究領(lǐng)域，以改進(jìn)疾病的發(fā)現(xiàn)、診斷和根本預(yù)防。
生物芯片34的襯底表面具有至少一個，優(yōu)選多個探針區(qū)域。每一探針區(qū)域包括至少位于其部分表面上的探針元件35。探針元件35設(shè)有結(jié)合部位36，例如，其包括能夠有選擇地結(jié)合諸如目標(biāo)分子種或抗原的目標(biāo)樣本分子37的結(jié)合分子或抗體。任何能夠耦合至基體組織的生物活性分子在本申請中都具有潛在的可用性。所舉出的例子可以包括變異或未變異核酸(例如DNA、RNA)、變異或未變異蛋白質(zhì)或肽(例如，抗體、DNA或RNA結(jié)合蛋白質(zhì))、寡糖或多糖、諸如抑制劑的小分子、交聯(lián)至基體組織或經(jīng)由間隔分子交聯(lián)的配體。
在圖11A中，以磁顆粒14作標(biāo)示的傳感器分子38能夠有選擇地結(jié)合目標(biāo)樣本分子37。在這一例子中，磁顆粒15間接結(jié)合至目標(biāo)樣本37。在圖11B中，由磁顆粒14直接標(biāo)示目標(biāo)樣本分子37，在圖11C中，通過目標(biāo)樣本分子37上的標(biāo)簽39標(biāo)示目標(biāo)樣本分子37。同樣在這種情況下，磁顆粒14間接結(jié)合至目標(biāo)樣本分子37。
生物芯片34的操作如下。每一探針元件35設(shè)有某種類型的結(jié)合部位36。將目標(biāo)樣本分子37提供至探針元件35，或使其通過探針元件35，如果結(jié)合部位36與目標(biāo)樣本分子37匹配，它們將相互結(jié)合。如圖11A、11B和11C所示，磁顆粒14直接或間接耦合至目標(biāo)樣本分子37。磁顆粒14允許讀取由生物芯片34采集的信息。為了實現(xiàn)這一目的，可以對每一結(jié)合部位單獨尋址或讀取。
可以將生物傳感器裝置30用于探測諸如流體、液體、氣體、粘彈性介質(zhì)、凝膠體或組織樣本。
生物傳感器裝置30可以包括襯底和電路，例如集成電路。所述電路可以包括至少一個根據(jù)本發(fā)明所述的磁傳感器13和至少一個具有導(dǎo)體等形式的磁場發(fā)生器。
但是，應(yīng)當(dāng)注意，上文所述的生物傳感器裝置30只是一個例子，本發(fā)明提供的一般解決方案結(jié)合了低壓IC工藝和GMR元件，因此其不限于僅應(yīng)用于這些生物傳感器。例如，可以將根據(jù)本發(fā)明的傳感器裝置30用到每一像素都具有均勻的靈敏度的磁攝像機裝置中，或者將其用到可以通過并聯(lián)的傳感器元件13a、b感測磁性實體的MRAM中。
在圖12中，示出了一種探測磁顆粒12的方法，其中，采用了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有N個并聯(lián)傳感器條10的傳感元件13。將由源41提供的調(diào)制信號Mod(t)發(fā)送至導(dǎo)體42，以調(diào)制導(dǎo)體電流Ic，其中，所述調(diào)制信號具有諸如正弦波(sin at)的適當(dāng)振幅，并且具有例如，但不限于50kHz的頻率。根據(jù)本發(fā)明，高頻是指不會造成磁顆粒12的明顯運動的頻率，例如，100Hz或更高，優(yōu)選為1kHz或更高，更優(yōu)選為50kHz或更高，直到(例如)1GHz。
可以通過任何適當(dāng)?shù)牟ㄐ?，例如，Ic＝Icsin at，調(diào)制導(dǎo)體電流，這一調(diào)制電流將誘發(fā)磁場，所述磁場自身在磁傳感器條10的位置處主要是垂直的，或具有z取向。
感測電流Is通過磁傳感器條10。如果不存在磁顆粒12，那么來自導(dǎo)體42的輸入信號為ac磁場。磁傳感器條10所在位置處的磁場，以及磁傳感器條10的電阻將隨著磁傳感器條10附近納米顆粒12的存在而變化。處于磁傳感器條10的敏感方向x方向的磁場Hx將與磁顆粒12的數(shù)量Nnp和導(dǎo)體電流Ic成一階正比Hx∝NnpIcsin at磁傳感器條10的不同電阻導(dǎo)致了傳感器條10上的不同電壓降，并由此導(dǎo)致了磁傳感元件13提供不同的測量信號。
之后，將磁傳感器13提供的測量信號提供給讀出電路，所述讀出電路包括用于放大，從而生成放大信號Ampl(t)的放大器21。這一經(jīng)放大的信號Ampl(t)在通過諸如解調(diào)乘法器43的解調(diào)器時，采用調(diào)制信號Mod(t)(在這種情況下等于sin at)對其同步解調(diào)，從而得到中間信號Mult(t)，中間信號Mult(t)等于Mult(t)＝NnpIcsin2at＝NnpIc·1/2(1-cos 2at)。
在最后的步驟中，通過低通濾波器44發(fā)送中間信號Mult(t)。因而，所得的信號Det(t)與存在于磁傳感器條10的表面上的磁顆粒12的數(shù)量Nnp成正比。
通過應(yīng)用在本發(fā)明的該實施例中描述的探測方法，能夠抑制低頻磁噪聲以及低頻電子噪聲、漂移和偏移。
上述用于探測磁顆粒12的方法只是一個例子，并非意在限制本發(fā)明。在其他實施例中，信號處理裝置可以包括其他和/或附加的功能性。
應(yīng)當(dāng)理解，盡管文中針對根據(jù)本發(fā)明的裝置討論了優(yōu)選實施例、具體結(jié)構(gòu)和配置以及材料，但是在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以在形式和細(xì)節(jié)上做出各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種傳感器裝置(30)，包括至少一個磁傳感元件(13)，以及至少一個用于產(chǎn)生磁場的磁場發(fā)生裝置(42)，其中，所述至少一個磁傳感元件(13)包括復(fù)數(shù)N個并聯(lián)磁傳感器條(10)，其中，所述傳感器裝置(30)還包括用于在所述至少一個磁傳感元件(13)上施加恒定電壓的電壓源(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置(30)，所述磁傳感元件(13)位于襯底上，并且其中，所述傳感器裝置(30)還包括與所述磁傳感元件(13)位于同一襯底上的信號處理裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置(30)，其中，所述磁場發(fā)生裝置(42)包括導(dǎo)體(42)和用于產(chǎn)生流經(jīng)所述導(dǎo)體(42)的交流電流的交流電流源(41)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器裝置(30)，其中，所述磁傳感元件(13)、所述信號處理裝置(24)和所述磁場發(fā)生裝置(42)形成集成電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置(30)，其中，所述磁傳感器條(10)為磁致電阻傳感器條。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器裝置(30)，其中，所述磁致電阻傳感器條為AMR、GMR或TMR傳感器條。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器裝置(30)，其中，所述信號處理裝置包括至少一個放大器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器裝置(30)，其中，所述信號處理裝置(24)還包括線性化電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置(30)，所述傳感器裝置(30)包括兩個磁傳感元件(13)，每一所述磁傳感元件包括N個并聯(lián)磁傳感器條(10)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置(30)，所述傳感器裝置(30)還包括用于測量所述至少一個磁傳感元件(13)中的總電流信號is的裝置。
11.一種用于探測磁顆粒(12)的存在或確定磁顆粒(12)的方法，所述方法包括在磁傳感元件(13)的附近產(chǎn)生磁場，所述磁傳感元件(13)包括復(fù)數(shù)N個并聯(lián)磁傳感器條(10)，跨越所述磁傳感元件(13)施加恒定電壓，測量所述磁傳感元件(13)內(nèi)的總信號電流is。
12.將根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置(30)用于分子診斷、生物樣本分析或化學(xué)樣本分析。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種磁傳感器裝置，其包括至少一個帶有N個并聯(lián)磁傳感器條的磁傳感元件，所述N至少為2，其中，跨越所述N個并聯(lián)磁傳感器條施加恒定電壓?？梢詫⑺鰝鞲衅餮b置有利地應(yīng)用到需要具有高均勻性靈敏度的大傳感器表面的應(yīng)用當(dāng)中。
文檔編號G01R33/06GK101065682SQ200580040260
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25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