專利名稱：用于降低生物傳感器中的磁串擾的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于感測可磁化物體在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場的方法。
本發(fā)明還涉及執(zhí)行所述感測的磁傳感器，以及將這樣的傳感器應(yīng)用到生物芯片當中，例如，所述生物芯片用于分子診斷、生物樣本分析或化學樣本分析。
背景技術(shù)：
微陣列或生物芯片的引入為DNA(脫氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)、核酸、蛋白質(zhì)、細胞和細胞碎片、組織成分等的樣本分析帶來了革命。例如，其應(yīng)用包括人體基因分型(例如，在醫(yī)院當中，或者由醫(yī)生或護士個人承擔)、醫(yī)藥篩選、生物和藥理學研究、唾液中的藥物檢測等。生物芯片的作用在于檢測和量化通常為溶液的樣本中的生物分子的存在。
生物芯片又稱生物傳感器、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被束縛在芯片上具有明確邊界的區(qū)域內(nèi)。
“襯底”一詞可以包括任何可以采用的位于下部的一種或多種材料，或者可以在其上形成電路或外延層的一種或多種材料?！耙r底”一詞還可以包括諸如摻雜硅、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、塑料、陶瓷、玻璃上硅、藍寶石上硅襯底。因而，采用“襯底”一詞對位于感興趣的層或部分之下的層組成部分做一般性定義。而且，“襯底”可以是任何能夠在其上形成層的基底，例如玻璃或金屬層。
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志探測結(jié)合反應(yīng)的產(chǎn)生。作為熒光標志的替代，可以采用可磁化物體作為耦合至有待分析的分子的磁標志。本發(fā)明處理的是后一種類型的標志。在生物芯片中，通常通過所謂的超順磁珠實現(xiàn)所述可磁化物體。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。在作為WO03/054523A2公開的本申請人的國際專利申請中已經(jīng)給出了對生物芯片操作的一般性說明。
可以采用以超順磁珠的探測為基礎(chǔ)的、由傳感器陣列(例如，100個)構(gòu)成的生物芯片同時測量樣本流體(例如，諸如血液或唾液的溶液)中大量不同分子(例如，蛋白質(zhì)、DNA、濫用藥物、激素)的濃度。樣本流體包括目標分子種類或抗原。任何具有磁標簽(標志)的生物分子都具有潛在的可用性。使超順磁珠附著于目標，并通過外加磁場使所述珠磁化，進而采用(例如)巨磁致電阻(GMR)傳感器探測磁化珠的雜散場，由此可以實現(xiàn)測量。
本專利申請的關(guān)注重點是以超順磁納米顆粒的激發(fā)為基礎(chǔ)的生物芯片。但是，在諸如各向異性磁敏電阻器(AMR)和隧道磁敏電阻器(TMR)中的應(yīng)用也是本發(fā)明的部分。所述磁場發(fā)生器可以包括使電流流經(jīng)電線，以生成磁場，由此使超順磁珠磁化。來自所述超順磁珠的雜散場在GMR中引入了平面內(nèi)磁化分量，其將導(dǎo)致電阻變化。
下面將參考圖1和圖2對本發(fā)明的背景技術(shù)做進一步說明。
圖2示出了襯底SBSTR上的磁傳感器MS的實施例?？梢詫蝹€或多個這樣的傳感器集成到同一個襯底SBSTR上，以形成圖1中給出了示意性圖示的生物芯片BCP。磁傳感器MS包括磁場發(fā)生器，在這一例子中，例如，通過第一導(dǎo)線WR1將所述磁場發(fā)生器集成到襯底SBSTR上。其還可以包括第二(甚至更多)導(dǎo)線WR2。可以采用其他裝置替代導(dǎo)線生成磁場H。所述磁場發(fā)生器還可以位于襯底SBSTR之外(外部激發(fā))。在每一磁傳感器MS中，在襯底SBSTR中集成諸如巨磁致電阻GMR的磁致電阻元件，從而讀取通過生物芯片BCP采集的信息，進而通過可磁化物體讀取是否存在目標顆粒，由此確定或估計目標顆粒TR的面密度。優(yōu)選通過所謂的超順磁珠SPB實現(xiàn)所述可磁化物體。使能夠有選擇地結(jié)合目標TR的結(jié)合部位BS附著在探針元件PE上。使探針元件PE附著在襯底SBSTR的頂部。
磁傳感器MS的操作，或者更一般地來講，生物芯片BCP的操作如下。每一探針元件PE設(shè)有某種類型的結(jié)合部位BS。將目標樣本TR提供給或傳遞給探針元件PE，如果結(jié)合部位BS和目標樣本TR匹配，那么它們相互結(jié)合。超順磁珠SPB直接或間接耦合至目標樣本TR。超順磁珠SPB允許讀取由生物芯片BCP采集的信息。超順磁顆粒懸浮在(聚合物)黏合劑或基質(zhì)當中，所述黏合劑或基質(zhì)中，由于在磁化測量的時間量程內(nèi)頻繁發(fā)生熱感生磁矩反轉(zhuǎn)，因而在外加磁場為零時，時間平均磁化為零。平均反轉(zhuǎn)頻率的表達式如下v=v0exp-KVkT]]>其中，KV(K是磁各向異性能量密度，V是顆粒體積)是必須克服的能量勢壘，V0是反轉(zhuǎn)嘗試頻率(典型值109s-1)，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度(開爾文)。
磁場H使超順磁珠SPB磁化，作為響應(yīng)，超順磁珠SPB產(chǎn)生能夠被GMR探測的雜散場SF。盡管未必一定如此，但是優(yōu)選采取這樣的方式設(shè)置GMR，即使通過所述GMR的磁場H的部分垂直于所述GMR層的敏感方向。由圖2的Hext表示GMR敏感的總外部場(即不處于GMR的內(nèi)部的場)。
假設(shè)生物芯片BCP水平布置(從而垂直于地心引力)，那么將GMR布置為僅對或主要對具有水平分量的磁場敏感。其目的在于使GMR對磁場H的敏感性最小化，從而使磁場H和GMR之間的磁串擾最小化。如果磁場H將以良好地垂直于GMR的方式通過GMR，那么這一磁場H將不會具有水平分量。相反，雜散場SF確實具有水平分量，因而將使GMR的電阻值產(chǎn)生差異。傳感器MS能夠由此提供作為目標TR的量的量度的電輸出信號(例如，在通過DC電壓受到偏置時(圖1中未示出)，由通過GMR的電流變化產(chǎn)生)。但是，在實踐當中，不能使GMR無窮小(沿垂直方向)。因此，始終能夠獲得磁場H的水平分量(這時所施加的磁力線將不是完全均勻的，例如，由積分電流生成的圓對稱磁場)。此外，GMR可能不是理想地僅沿一個方向具有敏感性。此外，由于某些機械定位的原因，磁場H與GMR的對齊可能不是理想的，甚至可能不是預(yù)期的。所有的這些不完善的地方都將在磁場和GMR之間導(dǎo)致一定的串擾，也就是說，所感測的輸出信號不僅取決于雜散磁場SF，而且還直接取決于磁場H。由圖2中的Hx表示這一串擾。所述串擾降低了大量不同生物分子的濃度的測量精確度。尤其是在雜散磁場SF非常弱(或者串擾磁場不穩(wěn)定)，并導(dǎo)致磁傳感器必須具有非常高的靈敏度的情況下，測量精確度將非常糟。對于非常靈敏的測量而言，甚至可能發(fā)生磁串擾比雜散磁場SF高幾十倍。這當然使得測量失去了意義。因此，對降低磁串擾或降低磁串擾的影響具有高度的需求。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于感測可磁化物體在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場的磁傳感器，其生成的輸出信號幾乎只取決于所感測的雜散磁場。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的這一目的，提供了一種磁傳感器，其用于感測可磁化物體在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場，并生成取決于所感測的雜散磁場的電物體信號，所述磁傳感器包括用于生成使所述可磁化物體磁化的主磁場的磁場發(fā)生器，以及用于抑制由所述主磁場與所述雜散磁場之間的串擾引起的所述電物體信號中的串擾信號成分的影響的串擾減少裝置，其中，將所述串擾減少裝置設(shè)置為區(qū)分所述電物體信號中的串擾信號成分和其余部分之間的信號特性，并產(chǎn)生電輸出信號。
通過區(qū)分所述電物體信號的所述串擾信號成分與其余部分之間的信號特性，能夠?qū)⑺龃當_與物體信號隔離，從而生成無串擾輸出信號。
所述信號特性例如可以是信號相位。有可能實現(xiàn)磁串擾(進而為直接來自磁場發(fā)生器的磁場)和雜散磁場(進而為經(jīng)由順磁珠來自磁場發(fā)生器的磁場)之間的區(qū)分的依據(jù)在于，與所述(直接)磁場相比，所述雜散磁場在時間上滯后。所述串擾減少裝置可以包括用于生成與所述串擾信號成分正交的正交電信號的裝置，以及用于使所述正交電信號與所述電物體信號相乘的乘法器。在所述乘法操作之后得到的信號形成了所述電輸出信號的基礎(chǔ)。將所得信號直接用作電輸出信號。但是，所述串擾減少裝置優(yōu)選包括用于在所述乘法操作之后對所得信號濾波的低通濾波器。之后，所述低通濾波器產(chǎn)生電輸出信號。可以通過選擇所述主磁場的頻率使得所感測的雜散磁場與所述主磁場之間的由弧度表示的相位差約等于π/2+nπ，其中，n為整數(shù)。這樣做能夠使傳感器的增益最大化。
另一信號特性例如可以是信號幅度。例如，如果主磁場包括具有第一頻率的第一磁信號和具有第二頻率的第二磁信號，其中，所述第二頻率基本上大于所述第一頻率，并且大于所述可磁化物體的磁化截止頻率，就可以應(yīng)用這種情況。對于高于磁化截止頻率的頻率而言，所產(chǎn)生的雜散磁場的強度將隨著頻率的增大而降低。所述第一和第二磁信號在電物體信號中產(chǎn)生具有第一頻率的和第一幅度的第一電信號分量，在所述電物體信號中產(chǎn)生具有第二頻率和第二幅度的第二電信號分量。所述串擾減少裝置包括用于測量所述第一和第二電信號分量的幅度，并使所測的幅度相減的裝置。在所述減法操作之后得到的信號形成了所述電輸出信號的基礎(chǔ)?？梢詫⑺眯盘栔苯佑米麟娸敵鲂盘?。但是，所述串擾減少裝置優(yōu)選包括對經(jīng)過所述乘法操作之后的得到的信號濾波的低通濾波器。之后，所述低通濾波器產(chǎn)生電輸出信號。所述第一頻率優(yōu)選低于所述磁化截止頻率，所述第二頻率比所述磁化截止頻率高得多。通過這樣做，在GMR內(nèi)處于第一頻率的串擾磁場和雜散磁場幾乎沒有受到減弱，處于第二頻率的串擾磁場也幾乎沒有受到減弱，而處于第二頻率的雜散磁場則受到急劇的減弱。這使得串擾的消除變得非常容易，因為只需將分別具有第一和第二頻率的所得物體信號相減，而不需要調(diào)整所述物體信號中的至少一個的幅度。
在本發(fā)明的上述實施例中，減小了串擾磁場的作用。但是，有可能更為直接地清除串擾磁場。因此本發(fā)明還提供了一種磁傳感器，其用于感測可磁化物體在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場，以及生成取決于所感測的雜散磁場的電物體信號，所述磁傳感器包括用于生成使所述可磁化物體磁化的第一主磁場的第一外部磁場發(fā)生器，以及用于減少由所述第一外部主磁場與所述雜散磁場之間的磁串擾導(dǎo)致的所述電物體信號中的串擾信號成分的串擾減少裝置，所述串擾減少裝置包括用于生成第二主磁場的第二外部磁場發(fā)生器，所述第二主磁場用于補償所述第一外部主磁場與所述雜散磁場之間的磁串擾。通過為第二主磁場的幅度和相位選擇適當?shù)闹?，能夠消除磁串擾。例如，第一和第二外部磁場發(fā)生器可以包括第一和第二線圈，在磁傳感器的操作過程中，具有相同頻率的第一和第二AC電流分別流過所述第一和第二線圈。所述串擾減少裝置可以包括用于對所述第一和第二AC電流的幅度比率進行適配，從而使所述磁串擾最小化的裝置。其還可以包括用于對所述第一和第二AC電流的相位差進行適配，從而進一步降低所述磁串擾的裝置。這是一種能夠容易地調(diào)整第一和第二磁場相互之間的強度以及它們相互之間的相位的方式，因為不需要機械調(diào)整。例如，有可能通過采用公知的反饋技術(shù)自動執(zhí)行所述適配。
本發(fā)明還提供了一種用于感測可磁化物體在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場的方法，所述方法包括的步驟有在第一主步驟中采用如下步驟在不存在任何可磁化物體的情況下生成主磁場，感測所述磁場，就像已經(jīng)存在了可磁化物體，并且所述磁場是由可磁化物體產(chǎn)生的雜散磁場一樣，由所感測的磁場生成電物體信號，
測量所述電物體信號的幅度，以及將所述電物體信號存儲在存儲器內(nèi)，在第二主步驟中采用如下步驟生成用于使所述可磁化物體磁化的主磁場，感測由所述可磁化物體生成的雜散磁場，由感測的雜散磁場生成另一電物體信號，以及測量所述另一電物體信號的幅度，檢索所存儲的所述電物體信號的幅度，以及使所存儲的幅度與所述另一電物體信號的幅度相減，由此生成電輸出信號。
這一方法相對于先前提及的抑制磁串擾(的影響)的方法的優(yōu)點在于，沒有必要對傳感器做功能上的改變。因此，不僅可以將其成功地應(yīng)用于在本專利申請中公開的本發(fā)明的生物芯片，而且可以將其應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)的生物芯片當中。


還將參考附圖解釋本發(fā)明，其中圖1示出了包括襯底和多個磁傳感器的生物芯片；圖2示出了具有綜合磁場激發(fā)的磁傳感器的實施例；圖3示出了作為磁場分量的函數(shù)的GMR的電阻，其中，所述磁場分量處于GMR層對磁場敏感的方向；圖4示出了本發(fā)明的實施例，其中，采用串擾信號與被感測雜散場之間的相位差區(qū)分物體信號中的串擾信號成分與物體信號的其余部分；圖5示出了用于進一步說明圖6所示的本發(fā)明的實施例的伯德圖；圖6示出了本發(fā)明的實施例，其中，采用串擾信號與被感測雜散場之間的幅度差區(qū)分物體信號中的串擾信號成分與物體信號的其余部分；圖7示出了本發(fā)明的實施例，其中，生成額外的磁場補償串擾磁場；以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的方法，其中，在進行實際的(生物)測量之前，在還不存在順磁珠時，測量并存儲物體信號的幅值，在實際測量過程中，當出現(xiàn)順磁珠時，從當前物體信號中減去所存儲的幅值，由此提供無串擾輸出信號。
具體實施例方式
附圖僅是示意性的，而不是限制性的。在附圖中，可能夸大了某些元件的尺寸，而不是按比例尺描繪的，附圖僅起到舉例說明的目的。對附圖的說明僅起到說明本發(fā)明的原理的目的，不應(yīng)由此推斷將本發(fā)明限制為這一說明和/或附圖。
圖3示出了作為磁場分量Hext的函數(shù)的GMR的電阻。注意，GMR靈敏度sGMR=dRGMRdHext]]>不是常數(shù)，而是取決于Hext。
在圖2所示的傳感器MS中，除了巨磁致電阻GMR之外，可以采用任何其他具有取決于磁場的特性(參數(shù))的裝置，例如隧道磁致電阻(TMR)或各向異性磁致電阻(AMR)等某種類型的電阻器。在AMR、GMR或TMR材料中，當一個或多個層的磁化方向因施加了磁場而改變時，電阻將發(fā)生變化。GMR是針對分層結(jié)構(gòu)的磁致電阻，在所述分層結(jié)構(gòu)中，在所謂的切換磁層之間夾有導(dǎo)體中間層，TMR是針對分層結(jié)構(gòu)的磁致電阻，所述分層結(jié)構(gòu)包括磁金屬電極層和電介質(zhì)中間層。
在GMR技術(shù)中，其結(jié)構(gòu)得到了發(fā)展，其中，將兩個非常薄的磁膜緊密結(jié)合在一起。使第一磁膜緊靠交換偏置層，由此釘扎所述第一磁膜，即固定其磁性取向，其中，所述交換偏置層是固定所述第一磁膜的磁定向的反鐵磁性材料層。第二磁層或自由層具有自由、可變的磁性取向。在目前的情況下，由超順磁顆粒SPB的磁化變化而導(dǎo)致的磁場的變化引起了自由磁層磁性取向的旋轉(zhuǎn)，其又將增大或減小GMR結(jié)構(gòu)的電阻。在使傳感器和釘扎層沿相同的方向磁定向時，通常產(chǎn)生低電阻。在傳感器和釘扎層(膜)的磁性取向彼此相反時，將產(chǎn)生高電阻。
TMR由通過隔離(隧道)阻擋層分隔的兩個鐵磁電極層構(gòu)成。這一阻擋層必須非常薄，即1nm的量級。只有這樣，電子才能隧穿這一阻擋層。這是量子力學輸運過程?？梢岳媒粨Q偏置層改變其中一個層的磁取向，而不對另一個層造成影響。在目前的情況下，由超順磁顆粒SPB的磁化變化而導(dǎo)致的磁場的變化引起了傳感器膜磁性取向的旋轉(zhuǎn)，其反過來將增大或減小TMR結(jié)構(gòu)的電阻。
在AMR中，鐵磁材料的電阻取決于電流與磁化方向所成的角度。這一現(xiàn)象是由鐵磁材料的電子散射橫截面的不對稱引起的。
圖4示出了本發(fā)明的實施例，其中，采用串擾信號與被感測雜散場SF之間的相位差區(qū)分物體信號UOB中的串擾信號成分與物體信號的其余部分。磁傳感器MS包括用于產(chǎn)生具有角頻率ω1的AC電壓/電流的發(fā)生器G。其產(chǎn)生通過導(dǎo)線WR1的AC電流，作為響應(yīng)，其產(chǎn)生主磁場H(參見圖2)。主磁場H使超順磁珠SPB磁化，作為響應(yīng)，超順磁珠SPB生成雜散場SF(也參見圖2)。如先前參考圖1和圖2所述，GMR能夠感測雜散磁場SF，因為雜散磁場SF沿GMR的敏感方向(x方向)具有大分量。(參考圖2中的x方向)。如前所述，在GMR中感測的磁場總是存在一些水平方向分量，所述分量是由主磁場H直接產(chǎn)生的，即不是通過順磁珠SPB產(chǎn)生的。由圖4中的HXT表示這一所謂的磁串擾。由DC電流源IBIAS提供的電流偏置GMR。所述電流在GMR內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)磁場。因此，通過為電流is選擇適當?shù)闹?，能夠水平“移動”圖3中的曲線，并且能夠選擇適當?shù)腉MR靈敏度。在大多數(shù)情況下將選擇可能的最高靈敏度(圖3所示的曲線中的“最高”負斜率)。磁傳感器MS還包括放大器AMP、移相器PHSFT、乘法器MP和頻率低通濾波器LPF。將放大器AMP的輸入耦合至接收由雜散場SF引起的跨越GMR的電壓變化。緩沖這一電壓變化，并優(yōu)選通過放大器AMP對其放大，所述放大器AMP在其輸出端提供物體信號UOB。將移相器PHSFT的輸入耦合至接收AC信號，所述AC信號與通過導(dǎo)線WR1的AC電流同相，因而也與主磁場H和串擾場HXT同相。移相器PHSFT提供正交電信號UORT，所述正交電信號UORT相對于移相器PHSFT的輸入處的AC信號具有90度的相位延遲。通過方程[1]表示磁串擾HXTHXT＝H1cosω1t [1]由磁傳感器MS觀測的磁化順磁珠SPB的場分量將較串擾場HXT滯后相位。因而，由方程[2]表示雜散場SFSF＝Hbcos(ω1t-) [2]Hb取決于珠的數(shù)量。
通過磁化和弛豫時間常數(shù)對這一滯后效應(yīng)建模。弛豫時間常數(shù)τneel表示在磁場降為零時的弛豫時間(參考Neel弛豫“Journal ofMagnetism and Magnetic Materials 194(1999)page 62 by R.Ktiz etal.”)。在使順磁珠SPB磁化所需的時間的影響下，順磁珠SPB的雜散場SF將滯后于所施加的主磁場H。這將與串擾場HXT形成對比，其中，串擾場HXT與主磁場H具有基本相同的相位。在角頻率ω＜＜1/τNeel處，相位滯后小。但是，實質(zhì)上是所施加的主磁場H的分量的串擾場HXT的相位不發(fā)生變化。其仍將在磁傳感器MS中導(dǎo)致串擾磁場HXT與來自順磁珠SPB的雜散場SF之間的相位差。在通過放大器AMP放大之后，采用正交電信號UORT＝sinω1t對物體信號UOB解調(diào)。通過乘法器MP執(zhí)行這一解調(diào)，乘法器MP將物體信號UOB與正交電信號UORT相乘，由此在乘法器的輸出端提供無串擾信號UMP，其形成了作為目標顆粒TR(參見圖2)的量的量度的輸出電信號U0的基礎(chǔ)。通過方程[3]表示這一物體信號UOB 在低通濾波器LPF之后，由方程[4]表示輸出信號U0 從方程[4]顯然可以看出輸出信號U0代表了位于磁傳感器MS的附近的順磁珠SPB的數(shù)量，但不表示磁串擾HXT，因為在方程[4]中僅存在幅度Hb(參考方程[2])，而不存在幅度H1(參考方程[1])。從方程[4]顯然可以看出，要想在磁傳感器MS中達到最大增益，相位滯后的正弦(＝sin)應(yīng)當?shù)扔?，因而優(yōu)選通過選擇主磁場H的頻率ω1使得由弧度表示的相位滯后近似等于π/2+nπ，其中，n為整數(shù)。顯然，針對放大器中的延遲c.q.相移校正PHSFT的相位偏移。
圖6示出了本發(fā)明的實施例，其中，采用串擾信號HXT與感測雜散磁場SF之間的幅度差區(qū)分物體信號UOB中的串擾信號成分與物體信號的其余部分。與前面的實施例一樣，磁傳感器MS包括AC發(fā)生器G、導(dǎo)線WR1、GMR、DC電流源IBIAS、放大器AMP和頻率低通濾波器LPF，現(xiàn)在AC發(fā)生器將產(chǎn)生第一頻率f1和第二頻率f2。其還包括加法裝置SM、增益適配器Gv、第一乘法器MP1、第二乘法器MP2和減法器DFF。將乘法器MP1的第一輸入和乘法器MP2的第一輸入耦合至放大器AMP的輸出。將第一乘法器MP1的第二輸入通過增益適配器Gv耦合至接收具有第一頻率f1的AC信號。將第二乘法器MP2的第二輸入耦合至接收具有第二頻率f2的AC信號。減法器DFF將其第一輸入耦合至第一乘法器MP1的輸出，其尤其用于接收第一DC信號DC1，減法器DFF將其第二輸入耦合至第二乘法器MP2的輸出，其尤其用于接收第二DC信號DC2。將減法器DFF的輸出耦合至低通濾波器LPF的輸入，以提供執(zhí)行減法操作后得到的信號。低通濾波器LPF的輸出提供了輸出信號U0。加法裝置SM將來自發(fā)生器G的兩個AC信號相加，并通過導(dǎo)線WR1提供同時具有第一和第二頻率f1和f2(具有相等幅度)的AC電流。
或者，可以將增益適配器Gv放在發(fā)生器G和第二乘法器MP2的第二輸入之間。增益適配器Gv的其他備選位置包括位于放大器AMP的輸出與第一乘法器MP1的第一輸入之間，位于放大器AMP的輸出與第二乘法器MP2的第一輸入之間，位于第一乘法器MP1的輸出與減法器DFF的第一輸入之間，位于第二乘法器MP2的輸出與減法器DFF的第二輸入之間。
圖5示出了用于進一步說明圖6所示的本發(fā)明的實施例的伯德圖。
這一實施例的操作如下。所施加的主磁場H(參見圖2)由兩個頻率構(gòu)成相對較低的頻率f1和相對較高的頻率f2。所述磁串擾HXT不是頻率相關(guān)的，因而所產(chǎn)生的串擾信號的幅度對于兩個頻率是一樣的。因而，由方程[5]表示串擾信號HXTHXT＝H1cosω1t+H2cosω2t [5]但是來自順磁珠SPB的信號是頻率相關(guān)的。如果所施加的磁場H1的頻率f1比所述珠粒的磁化截止頻率(ωc＝1/τNeel)高得多，那么就難以使順磁珠SPB磁化，即，順磁珠SPB過“慢”，難以跟上外加主磁場H1的速度，因此所探測到的信號就小得多。
在極端和優(yōu)選情況下，f1＜fc且f2＞＞fc，頻率為f1的信號的幅度既含有串擾又含有來自順磁珠SPB的信號，同時頻率為f2的信號的幅度僅為串擾，因為雜散場SF在f2處幾乎降到了零，這一點可以從圖5的伯德圖中看出。在后一種情況下，由方程[2]表示雜散場SF。
采用第一頻率f1通過第一乘法器MP1以及采用第二頻率f2通過第二乘法器MP2對物體信號UOB進行并行解調(diào)分別形成了處于其他成分當中的第一DC信號DC1和第二DC信號DC2?；旧贤ㄟ^方程[6]表示第一DC信號DC1DC1＝H1+Hb[6]通過方程[7]表示第二DC信號DC2DC2＝H2[7]假設(shè)H1＝H2，那么由減法器DFF提供的所得信號中的DC分量將僅包括值Hb。優(yōu)選通過低通濾波器LPF對所得信號過濾，以提供具有值Hb的純DC信號U0。理想情況下，適配器Gv是不必要的(換言之，其具有等于1的增益值)。但是，在值H1不等于值H2的情況下，如果存在增益適配器Gv，并且其能夠提供適當?shù)脑鲆嫘Ｕ禂?shù)，那么仍然只通過值Hb就能夠確定信號U0。例如，如果第二頻率f2并非＞＞f1，而僅是＞f1，那么有可能通過這一手段實現(xiàn)這一目的。盡管不是優(yōu)選情況，但是即使第一和第二頻率f1和f2都處于所謂的截止頻率fc之上，本發(fā)明還是能夠起作用。無論如何，f2＞fc。
圖7示出了本發(fā)明的實施例，其中，生成額外的主磁場補償串擾磁場。在前面提及的本發(fā)明的實施例中，抑制了磁串擾的作用。但是，有可能更為直接地清除磁串擾。因此，提供了通過第一線圈LA實現(xiàn)的、用于生成使可磁化物體SPB磁化的第一主磁場HA的第一外部磁場發(fā)生器，以及用于減少由第一外部磁場HA和雜散磁場SF(在圖7中未示出，參考圖2)之間的磁串擾導(dǎo)致的電物體信號中的串擾信號成分的串擾減少裝置。所述串擾減少裝置包括通過第二線圈LB實現(xiàn)的第二外部磁場發(fā)生器，其用于生成補償所述第一外部主磁場HA與所述雜散磁場SF之間的磁串擾的第二主磁場HB。
可以將這種采用具有相同相位和頻率的干涉場HA、HB消除x方向的分量的方法用于采用從內(nèi)部施加的場(如前面的實施例所述)使順磁珠SPB磁化的傳感器或者如圖7所示采用從外部施加的場使順磁珠SPB磁化的傳感器。在后一種情況下，采用第二線圈LB消除串擾，所述串擾可以是由下述原因?qū)е碌娜魏未當_第一線圈LA的輕微錯位、所施加的第一主磁場HA并非理想均勻或任何其他導(dǎo)致串擾的原因，例如先前就本發(fā)明的其他實施例提及的原因。例如，在圖7中，用于使順磁珠SPB磁化的第一線圈LA產(chǎn)生了錯位，使得其產(chǎn)生的場HA沿x方向具有小分量。在圖7中，采用不等于零的角α表示這一錯位。在磁傳感器MS的操作過程中，具有相同頻率的第一和第二AC電流分別流過第一和第二線圈LA和LB。采用第二線圈LB產(chǎn)生具有相同x分量幅度但方向相反的第二主磁場HB，從而消除x分量(為串擾)。因而，所得的場Hres不具有x分量，即，消除了磁串擾，因而在GMR的x方向僅存在由雜散磁場SF引起的(從外部導(dǎo)致的)水平磁場。例如，有可能通過一般的已知反饋技術(shù)自動執(zhí)行串擾消除。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的方法，其中，在進行實際的(生物)測量之前，在還不存在順磁珠SPB時，測量并存儲物體信號UOB的幅值，在實際測量過程中，當出現(xiàn)順磁珠時，從當前物體信號UOF中減去所存儲的幅值，由此提供無串擾輸出信號。
在第一主步驟中，磁傳感器MS在不具有任何可磁化物體，例如，不具有順磁珠的情況下生成主磁場H。之后，感測磁場H，就像已經(jīng)存在了順磁珠，并且該場來自所述順磁珠一樣。這樣在不存在任何順磁珠的情況下建立了電物體信號UOB。其表示物體信號UOB基本上100％是磁串擾。通過頻率低通濾波器LPF過濾電物體信號UOB。所得的輸出信號U0為純DC信號。將所述信號存儲在存儲器MM中。
在第二主步驟中，磁傳感器MS在存在順磁珠SPB的情況下生成主磁場H。之后，感測磁場H，并生成另一個電物體信號UFOB。由于現(xiàn)在存在了順磁珠SPB，所以電物體信號UFOB還由感測雜散磁場SF決定，因而其包括與目標TR(參見圖2)有關(guān)的信息和磁串擾。也通過頻率低通濾波器LPF過濾另一電物體信號UOB。所得的另一輸出信號UOF也是純DC信號。之后，通過減法器SBSTR從當前生成的DC信號中減去在第一主步驟中存儲的DC信號，由此產(chǎn)生作為表示目標TR的數(shù)量的無串擾DC信號的DC輸出電壓UOUT。這是因為信號U0和UOF二者的串擾分量是相等的。當然，也可以反轉(zhuǎn)所述減法。此外也可能還存儲信號UOF，以備以后對信號U0和UxOF二者進行檢索，并使這些信號相減，由此生成DC輸出電壓UOUT。
應(yīng)當注意，上述實施例的作用在于舉例說明，而不是限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離權(quán)利要求界定的本發(fā)明的范圍的情況下設(shè)計出替換實施例。在權(quán)利要求中，置于括號內(nèi)的附圖標記不應(yīng)被視作是對權(quán)利要求的限定?！鞍ā钡仍~語不排除在任何權(quán)利要求或整個本申請中列舉的元件之外還存在其他元件。元件的單數(shù)引用不排除對此類元件的復(fù)數(shù)引用。最起碼的事實是，在互不相同的從屬權(quán)利要求中列舉了某些措施不表示不能將這些措施結(jié)合使用。在說明書和權(quán)利要求中出現(xiàn)的頂部、底部、上、下等詞語僅做說明用途，未必一定用于描述相對位置。應(yīng)當理解，在適當?shù)那闆r下可以對所述詞語交換使用，文中描述的本發(fā)明的實施例能夠在除了文中描述或附圖示出的取向之外的其他取向下實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種磁傳感器(MS)，其用于感測可磁化物體(SPB)在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場(SF)，以及生成取決于所感測的雜散磁場(SF)的電物體信號(UOB)，所述磁傳感器包括用于生成使所述可磁化物體(SPB)磁化的主磁場(H)的磁場發(fā)生器(WR1，WR2)，以及用于降低由所述主磁場(H)與所述雜散磁場(SF)之間的磁串擾導(dǎo)致的所述電物體信號(UOB)中的串擾信號成分的影響的串擾減少裝置，其中，將所述串擾減少裝置布置為區(qū)分所述電物體信號(UOB)的所述串擾信號成分和其余部分之間的信號特性，并產(chǎn)生電輸出信號(U0)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器(MS)，其特征在于，所述信號特性是信號的相位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器(MS)，其特征在于，所述串擾減少裝置包括用于生成與所述串擾信號成分具有正交關(guān)系的正交電信號(UORT)的裝置(PHSFT)和用于將所述正交電信號(UORT)與所述電物體信號(UOB)相乘的乘法器(MP)，所述相乘之后的所得信號(UMP)形成了所述電輸出信號(U0)的基礎(chǔ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器(MS)，其特征在于，所述串擾減少裝置包括用于對在所述乘法操作之后的所述所得信號(UMP)濾波的低通濾波器(LPF)，在經(jīng)過所述低通濾波器后得到的信號為所述電輸出信號(U0)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的傳感器(MS)，其特征在于，通過選擇所述主磁場(H，H1)的頻率(f1，ω1)，使得由弧度表示的所感測的雜散磁場(SF)和所述主磁場(H，H1)之間的相位差大約等于π/2+nπ，其中，n為整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器(MS)，其特征在于，所述信號特性是信號的幅度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器(MS)，其特征在于，所述主磁場(H)包括具有第一頻率(f1，ω1)的第一磁信號(H1)和具有第二頻率(f2，ω2)的第二磁信號(H2)，所述第二頻率基本大于所述第一頻率(f1，ω1)，并且大于所述可磁化物體(SPB)的磁化截止頻率，所述第一和第二磁信號(H1，H2)產(chǎn)生具有第一頻率(f1)和第一幅度的電物體信號(UOB)中的第一電信號分量，且產(chǎn)生具有第二頻率(f2)和第二幅度的電物體信號(UOB)中的第二電信號分量，其特征還在于，所述串擾減少裝置包括測量所述第一和第二電信號分量的幅度(DC1，DC2)，并使測得的幅度(DC1，DC2)相減的裝置(Gv，MP1，MP2，DFF)，經(jīng)過所述減法操作之后的所得信號形成了所述電輸出信號(U0)的基礎(chǔ)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器(MS)，其特征在于，所述串擾減少裝置包括用于對所述減法操作之后的所述所得信號濾波的低通濾波器(LPF)，在經(jīng)過所述低通濾波器后得到的信號為所述電輸出信號(U0)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的傳感器(MS)，其特征在于，所述第一頻率(f1)低于所述磁化截止頻率(fc)，所述第二頻率(f2)遠高于所述磁化截止頻率(fc)。
10.一種磁傳感器(MS)，其用于感測可磁化物體(SPB)在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場(SF)，以及生成取決于所感測的雜散磁場(SF)的電物體信號(UOB)，所述磁傳感器包括用于生成使所述可磁化物體(SPB)磁化的第一主磁場(HA)的第一外部磁場發(fā)生器(LA)，以及用于減少由所述第一外部主磁場(HA)與所述雜散磁場(SF)之間的磁串擾導(dǎo)致的所述電物體信號中的串擾信號成分的串擾減少裝置，所述串擾減少裝置包括用于生成第二主磁場(HB)的第二外部磁場發(fā)生器(HB)，所述第二主磁場用于補償所述第一外部主磁場(HA)與所述雜散磁場(SF)之間的磁串擾。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁傳感器(MS)，其特征在于，所述第一和第二外部磁場發(fā)生器包括第一和第二線圈(LA，LB)，在所述磁傳感器(MS)的工作過程中，具有相同頻率的第一和第二AC電流分別流過所述第一和第二線圈(LA，LB)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的磁傳感器(MS)，其特征在于，所述串擾減少裝置包括用于對所述第一和第二AC電流的幅度比率進行適配，從而使所述磁串擾最小化的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的磁傳感器(MS)，其特征在于，所述串擾減少裝置包括用于對所述第一和第二AC電流的相位差進行適配，從而使所述磁串擾最小化的裝置。
14.包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的磁傳感器(MS)的生物芯片(BCP)。
15.一種用于感測可磁化物體(SPB)在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場(SF)的方法，所述方法包括的步驟有生成用于使所述可磁化物體(SPB)磁化的主磁場(H)，感測從所述可磁化物體(SPB)產(chǎn)生的雜散磁場(SF)，從所感測的雜散磁場(SF)生成電物體信號(UOB)，在由所述主磁場(H)與所感測的雜散磁場(SF)之間的磁串擾引起的所述電物體信號(UOB)中的串擾信號與所述電物體信號(UOB)的其余部分之間區(qū)分信號特性，以及將所區(qū)分的信號特性用于生成電輸出信號(U0)。
16.一種用于感測可磁化物體(SPB)在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場(SF)的方法，所述方法包括的步驟有生成用于使所述可磁化物體(SPB)磁化的第一主磁場(HA)，感測從所述可磁化物體(SPB)產(chǎn)生的雜散磁場(SF)，從所感測的雜散磁場(SF)生成電物體信號，生成第二主磁場(HB)，其用于補償所述電物體信號中的磁串擾信號，所述磁串擾信號是由所述第一主磁場(HA)和所感測的雜散磁場(SF)之間的磁串擾引起的，以及生成電輸出信號。
17.一種用于感測可磁化物體(SPB)在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場(SF)的方法，所述方法包括的步驟有在第一主步驟中采用如下步驟在不存在任何可磁化物體的情況下生成主磁場(H)，感測所述磁場(H)，就像已經(jīng)存在了可磁化物體，并且所述磁場是由可磁化物體產(chǎn)生的雜散磁場一樣，從所感測的磁場(SF)生成電物體信號(UOB)，測量所述電物體信號(UOB)的幅度，將所述電物體信號(UOB)的幅度存儲在存儲器(MM)內(nèi)，在第二主步驟中采用如下步驟生成用于使所述可磁化物體(SPB)磁化的主磁場(H)，感測從所述可磁化物體(SPB)產(chǎn)生的雜散磁場(SF)，從所感測的雜散磁場(SF)生成另一電物體信號(UFOB)，以及測量所述另一電物體信號(UFOB)的幅度，檢索所存儲的所述電物體信號(UOB)的幅度，以及使所存儲的幅度與所述另一電物體信號(UOB)的幅度相減(SBTR)，由此生成電輸出信號(UOUT)。
全文摘要
一種磁傳感器(MS)，其用于感測可磁化物體(SPB)在受到磁化時產(chǎn)生的雜散磁場(SF)，以及生成取決于所感測的雜散磁場(SF)的電物體信號(U
文檔編號G01R33/09GK101069094SQ200580040991
公開日2007年11月7日 申請日期2005年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者J·A·H·M·卡爾曼, B·M·德布爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司