磁隧道结传感器及使用方法
【专利说明】磁隧道结传感器及使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]按照美国法典第35篇第119条(e)款，本申请要求2013年3月15日提交的美国临时申请序列号61/792，257的申请日的优先权；所述申请的公开内容通过引用并入本文。
[0003]关于联邦政府资助研宄的声明
[0004]本发明是在政府支持下在美国国立卫生研宄院授予的合同号HHSN216200900011C下进行。政府对本发明具有某些权利。
[0005]引言
[0006]生物标志物(也称为疾病签名)是类似RNA、DNA和蛋白质的特异性分析物，所述特异性分析物可用作作用机制、疾病状态或临床终点的代替物。详言之，多重或多标志物方法可用于分子诊断和个人化医疗，其目标是鉴定针对正确患者的在正确时间和以正确剂量的正确治疗，或灵敏地且明确地提早检测出复杂疾病，如癌症和心血管疾病。已研制出DNA和蛋白质微阵列来容纳大量生物标志物。
[0007]大部分商业DNA微阵列系统利用焚光标记(标签)来量化生物分子分析物(目标)。它们可具有有限灵敏度，因为它们需要近似14或更多的分子来实现有用的信噪比并且由于所涉及的光学系统且还由于串扰和漂白而少量定量的。光学检测系统通常与放大技术如聚合酶链反应(PCR)结合使用，所述聚合酶链反应使原始生物分子倍增许多数量级。之后寻求具有较高灵敏度、较低成本和更好的可移植性的替代微阵列技术。此类技术可开放分子诊断和基因组学领域的许多新应用。
[0008]概述
[0009]本公开提供磁传感器，所述磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面的边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。本公开还提供使用本发明磁传感器的装置、系统和方法。
[0010]本公开的方面包括磁传感器。磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面的边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。
[0011]在一些实施方案中，第一电极接触MTJ磁阻元件的基本上整个表面。
[0012]在一些实施方案中，第二电极接触MTJ磁阻元件的基本上整个相对表面。
[0013]在一些实施方案中，第二电极的边缘与MTJ磁阻元件的所述相对表面的边缘对齐。
[0014]在一些实施方案中，磁传感器包括设置在第一电极上的钝化层。
[0015]在一些实施方案中，磁传感器包括被结合到磁传感器的表面的分析物-特异性探针。
[0016]本公开的方面包括磁传感器装置。磁传感器装置包括具有两个或更多个磁传感器的磁传感器阵列。每个磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面的边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。
[0017]在一些实施方案中，磁传感器通过第一电极和第二电极串联电连接。
[0018]在一些实施方案中，一个或多个磁传感器包括被结合到磁传感器的表面的分析物-特异性探针。
[0019]在一些实施方案中，磁传感器阵列包括各自被配置来特异性地检测相同分析物的两个或更多个不同的磁传感器。
[0020]在一些实施方案中，磁传感器阵列包括各自被配置来特异性地检测不同分析物的两个或更多个不同的磁传感器。
[0021]本公开的方面包括磁传感器系统。磁传感器系统包括磁传感器装置，所述磁传感器装置包括具有两个或更多个磁传感器的磁传感器阵列。每个磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面的边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。磁传感器系统还包括磁场源。
[0022]在一些实施方案中，磁传感器系统包括被配置来获得来自所述磁传感器装置的分析物-特异性信号的处理器。
[0023]本公开的方面包括一种用于估计分析物是否存在于样品中的方法。所述方法包括:使磁传感器与样品接触以产生信号；获得来自磁传感器的信号；以及基于所述信号估计分析物是否存在于每个样品中。磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面的边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。
[0024]在一些实施方案中，磁传感器包括被结合到磁传感器的表面的分析物-特异性探针。
[0025]在一些实施方案中，所述方法包括在接触之前磁性地标记所述样品。
[0026]在一些实施方案中，所述估计包括当磁性标记的样品接触磁传感器时，获得来自磁传感器的信号。在一些实施方案中，信号是分析物-特异性信号。
[0027]在一些实施方案中，所述接触包括在使磁传感器与样品接触之后将磁性标签施加到磁传感器。
[0028]本公开的方面包括套件，所述套件包括磁传感器装置和磁性标签。磁传感器装置包括磁传感器阵列，其包括两个或更多个磁传感器。每个磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面的边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。
[0029]在一些实施方案中，磁性标签是磁性纳米粒子。
[0030]附图简述
[0031]图1示出GMR自旋阀传感器(12% (左))和磁隧道结(236% (右))的磁响应(传递曲线)图。此处所示的磁阻代表每种类型的装置。这示出的是，基于MTJ的传感器明显可比基于自旋阀的传感器更灵敏。
[0032]图2(a)和图2(b)示出根据本公开的实施方案的磁隧道结传感器设计(图2(a))和现有的GMR自旋阀传感器设计(图2(b))的示意图。感测电流垂直地通过磁隧道结。
[0033]图3示出根据本公开的实施方案的磁传感器装置的示意性(不按实际比例)横截面，所述磁传感器装置包括一起形成单一生物传感器的MTJ传感器阵列。
[0034]图4示出根据本公开的实施方案的MTJ生物传感器的晶片(左)和芯片(例如，磁传感器装置(右))示意图。
[0035]图5示出根据本公开的实施方案的具有80个活性生物传感器的MTJ生物芯片布局的不意图。
[0036]图6示出根据本公开的实施方案的MTJ生物传感器的实验结果图。
[0037]图7示出根据本公开的实施方案的具有串联布置的MTJ传感器元件的MTJ传感器元件阵列的扫描电子显微图像。
[0038]图8示出根据本公开的实施方案的包括具有80个MTJ生物传感器的阵列的1mmX 12mm生物芯片的图像。
[0039]图9示出根据本公开的实施方案的具有80个MTJ生物传感器的阵列的放大图像。
[0040]图10示出根据本公开的实施方案的个别MTJ生物传感器的放大图像。
[0041]图11示出根据本公开的实施方案的与参考传感器相比涂有生物素的传感器在检测PBS缓冲液中的抗生蛋白链菌素-生物素结合时电阻变化(ppm)和时间(min)的曲线图。
[0042]详述
[0043]本公开提供磁传感器，所述磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的表面边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。本公开还提供使用本发明磁传感器的装置、系统和方法。
[0044]在更详细地描述本发明之前，应理解本发明不限于所描述的特定实施方案，因为此类实施方案当然可变化。还应理解，本文所用的术语仅为出于描述特定实施方案的目的，并且不意图为限制性的，因为本发明的范围将仅受所附权利要求书限制。
[0045]在提供值的范围的情况下，应理解本发明内涵盖这一范围的上限与下限之间的各介入值，准确到下限的单位的十分之一(除非上下文另外清楚指示)，以及这一所述范围内的任何其它所述值或介入值。这些较小范围的上限和下限可独立地被包括在这些较小范围内并且也涵盖于本发明内，从属于所述范围内的任何特定排除的极限值。在所述范围包括所述极限值中的一个或两个的情况下，本发明中还包括排除那些所包括的极限值中的任一个或两个的范围。
[0046]某些范围在本文中通过前面带有术语“约”的数值呈现。术语“约”在本文中用于为它之后的确切数字以及接近或近似所述术语之后的数字的数字提供字面支持。在确定数值是接近还是近似具体列举的数值时，接近或近似的未列举的数值可以是在其出现的上下文中提供与具体列举的数值大致等同的数值。
[0047]除非另外定义，否则本文使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然与本文中所述的那些方法和材料相似或相等的任何方法和材料也可用于实践或测试本发明，但是现在描述代表性例示方法和材料。
[0048]本说明书中所引用的所有公布和专利均以引用的方式并入本文中，就如同各个别公布或专利特定地且个别地被指示为以引用的方式并入，并且以引用的方式并入本文中以公开并且描述引用所述公布时所涉及的方法和/或材料。对任何公布的引用都是针对其在申请日之前的公开内容并且不应被解释为承认本发明由于先前发明而无权先于所述公布。此外，所提供的公布日期可能不同于可需要独立确认的实际公开日期。
[0049]应注意，除非上下文另有明确规定，否则在本文和附加权利要求书中使用的单数形式“一(a/an)”和“所述”包括多个指示物。此外应注意，可起草权利要求书以排除任何可选要素。因此，对于与叙述权利要求要素有关所使用的像“单独”、“只”等这样的排他性术语或所使用的“否定性”限制，这声明意在充当先行基础。
[0050]应理解，出于清晰目的而在分开的实施方案的上下文中所描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，出于简洁目的而在单个实施方案的上下文中所描述的本发明的各种特征也可以分开地或以任何适合的子组合来提供。实施方案的所有组合明确地由本发明包含并且就犹如每个组合被单独地并明确地公开一样而在本文中公开，其公开程度为:这类组合包含可操作的过程和/或装置/系统/套件。此外，在描述这类变量的实施方案中所列举的所有子组合也明确地由本发明包含，并且就犹如每个这样的化学基团子组合被单独地并明确地公开在本文中一样而在本文中公开。
[0051]本领域技术人员在阅读本公开时将明白的是，本文所描述且说明的各个个别实施方案具有离散组分和特征，这些组分和特征可容易地与任何其它若干实施方案的特征分离或组合而不偏离本发明的范围或精神。任何所陈述方法均可以所陈述事件的顺序或以逻辑上可能的任何其它顺序进行。
[0052]在以下部分中，首先更详细地描述本发明磁传感器，然后是描述使用本发明磁传感器的磁传感器装置、系统和方法。
[0053]磁传感器
[0054]本公开的方面包括磁传感器。在一些实例中，磁传感器被配置来使可能发生在被连接到传感器的电极之间的电气短路最小化。例如，磁传感器可包括磁阻元件和被连接到所述磁阻元件的两个电极，其中磁传感器被配置来使两个电极之间的电气短路的发生几率最小化。使两个电极之间的电气短路最小化可有助于传感器的准确度的增加。
[0055]在某些实施方案中，磁传感器包括:磁隧道结(MTJ)磁阻元件(本文也称为MTJ元件)；第一电极，其接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的表面边缘；以及第二电极，其接触MTJ磁阻元件的相对表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相对表面边缘，其中第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。在下文部分更详细地描述MTJ磁阻元件的额外方面。
[0056]在某些实施方案中，第一电极接触MTJ磁阻元件的表面的至少一部分。至少一部分意指电极接触电极的足够表面区域以进行足以操作传感器来检测感兴趣的分析物的电接触。在一些情况下，电极可接触MTJ电极的表面的10%或更多，如20%或更多、或30%或更多、或40%或更多、或50%或更多、或60%或更多、或70%或更多、或80%或更多、或90 %或更多，或在一些实施方案中，电极可接触MTJ元件的一个表面的基本上整个表面区域，例如MTJ元件的顶面或MTJ元件的底面。
[0057]类似地，第二电极可接触MTJ元件的相对表面的至少一部分。因此，第一电极和第二电极接触MTJ元件的相对表面。例如，第一电极可接触MTJ元件的顶面的至少一部分，并且第二电极可接触MTJ元件的底面的至少一部分。电极的相反布置也是可能的，其中第一电极接触MTJ元件的底面的至少一部分，并且第二电极接触MTJ元件的顶面的至少一部分。
[0058]在某些实施方案中，第一电极接触电极的表面的一部分，例如小于MTJ元件的所接触表面的表面区域的100%。例如，第一电极可接触MTJ元件的顶面的一部分。在某些实例中，第二电极接触MTJ传感器的基本上整个相对表面，例如MTJ元件的基本上整个底面。
[0059]在某些实施方案中，第一电极延伸超出MTJ元件的表面边缘。延伸超出边缘意指电极具有如上所述的接触MTJ元件的表面的一部分(例如，端部)，并且包括悬于MTJ元件的边缘之上的一部分。例如，电极可以是平面电极，其中所述平面电极的端部接触MTJ元件的表面，并且平面电极的剩余部分伸出通过MTJ元件的边缘。第一电极可延伸超出MTJ元件的表面(如MTJ元件的顶面)边缘。
[0060]类似地，第二电极可延伸超出MTJ元件的相对表面边缘。如上所述，第二电极可具有接触MTJ元件的相对表面(例如，MTJ元件的与由第一电极接触的表面相对的表面)的一部分(例如，端部)，并且第二电极的剩余部分可悬于MTJ元件的边缘之上。例如，第二电极可以是平面电极，其中所述第二平面电极的端部接触MTJ元件的相对表面，并且第二平面电极的剩余部分伸出通过MTJ元件的边缘。第二电极可延伸超出MTJ元件的表面(如MTJ元件的底面)边缘。
[0061]如上所述，第一电极包括悬于MTJ元件的边缘之上的延伸部分，并且因此第一电极具有面向外表面和面向内表面，其中所述面向外表面背向MTJ元件并且所述面向内表面面向MTJ元件。类似地，第二电极包括悬于MTJ元件的边缘之上的延伸部分，并且因此第二电极具有面向外表面和面向内表面，其中所述面向外表面背向MTJ元件并且所述面向内表面面向MTJ元件。
[0062]在某些实施方案中，第一电极和第二电极被布置使得第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面是不重叠的。相向表面意指第一电极的面向内表面和第二电极的面向内表面，例如第一电极和第二电极中分别面向MTJ元件的表面。不重叠意指第一电极的延伸部分的相向表面并未定位在第二电极的延伸部分的相对相向表面上方(或下方)。换句话说，不重叠电极包括垂直于且穿过第一电极的延伸部分的线不穿过第二电极的延伸部分的实施方案。
[0063]因此，在第一电极和第二电极的延伸部分的相向表面基本上不重叠的实施方案中，第一电极和第二电极可在不同方向上从MTJ元件的其相应边缘延伸。例如，如从上文来看，第一电极可从MTJ元件的顶面朝向左边延伸，并且第二电极可从MTJ元件的底面朝向右边延伸。电极的其它布置也是可能的，只要第一电极和第二电极的延伸部分如上所述是基本上不重叠的。
[0064]在某些实施方案中，电极可以与MTJ元件的边缘对齐。例如，不重叠电极可延伸超出MTJ元件的边缘，如上所述。在一些情况下，电极的与延伸部分相对的边缘可以与MTJ元件的边缘基本上对齐。在一些情况下，电极的边缘不与MTJ元件的边缘对齐。例如，如上所述，电极可接触小于MTJ元件的整个表面，并且因此可能不一直延伸到MTJ元件的表面边缘。换句话说，在一些情况下，电极可具有接触MTJ元件的表面的端部，但留下MTJ元件的表面的一部分未接触，使得电极的端部边缘与MTJ元件的一个或多个边缘(例如，电极未从其延伸的一个或多个边缘)之间存在间隙。如上所述，在电极的边缘与MTJ元件的边缘对齐或电极的边缘与MTJ元件的边缘之间存在间隙的实施方案中，这可有助于提供第一电极和第二电极基本上不重叠的磁传感器。
[0065]磁传感器装置
[0066]本公开的方面包括磁传感器装置。磁传感器