具有磁场补偿的磁传感器设备的制作方法

专利名称：具有磁场补偿的磁传感器设备的制作方法
具有磁场补偿的磁传感器设备本发明涉及一种磁传感器设备，其包括至少一个磁场发生器和至少一 个相关联的磁传感器元件。并且，本发明包括该磁传感器设备的使用以及 用于在研究区域中检测至少一种磁性粒子的方法。从WO2005/010543 Al和WO2005/010542 A2中，获知了一种微型传感 器设备，它例如可以在微流体生物传感器中使用，该微流体生物传感器用 于对利用磁珠作标记的生物分子进行检测。微型传感器设备具有传感器阵 列，其包括用于产生磁场的导线以及用于检测由磁珠产生的杂散场的巨磁 电阻(GMR)。于是，GMR的信号指示传感器附近的磁珠的数量。已知磁传 感器设备的问题在于GMR受到比较强的励磁磁场的影响，这可能导致所需 信号的损坏。基于这种情况，本发明的目的是提供一种手段，该手段允许利用上述 类型的磁传感器设备进行更加精确的测量。该目的由根据权利要求1所述的磁传感器设备、根据权利要求10所述 的方法、以及根据权利要求13所述的使用来实现。优选实施例在从属权利 要求中公开。根据本发明的磁传感器设备包括下列元件a) 至少一个用于在研究区域中产生第一磁场的磁场发生器。该磁场发生器例如可以由微型传感器的基板上的导线("励磁导线")实现。b) 至少一个磁传感器元件，其具有灵敏度方向，并且在它受磁场发生器 的磁场的影响的意义上讲，该至少一个磁传感器元件与前述磁场发生器相 关联。该磁传感器元件可以特别是在WO2005/010543 Al或者 WO2005/010542 A2中描述的那种磁电祖元件。该磁传感器元件的"灵敏度 方向"表示该传感器元件对磁场矢量平行于所述空间方向的元件最灵敏， 或者仅对磁场矢量平行于所述空间方向的元件灵敏。通常，该磁传感器元件仅具有一个灵敏度方向，并且基本上对磁场与该方向垂直的元件不灵敏。 C)至少一个磁场补偿器，其用于产生第二磁场。该磁场补偿器可以例如由微型传感器的基板上的导线("补偿导线")实现。d)耦合至磁场发生器和磁场补偿器的控制器，其用于控制第一和第二磁场的产生。该控制器例如可以是对流经导线的电流的幅值和方向进行控制的电路，其中所述导线构成了磁场发生器和磁场补偿器。将磁传感器设备如此设计，使得它允许下述操作，即在该操作期间，第一和第二磁场在磁传感器元件中相对于该磁传感器元件的灵敏度方向基本上互相抵消。所述磁传感器设备的优点在于磁场发生器产生的第一磁场的直接影 响可以通过利用第二磁场对其有效补偿来抵消。因此，磁传感器元件所产 生的信号仅是由我们感兴趣的效应引起的，例如研究区域中的磁性粒子的 杂散场。这样，可以使来自磁场发生器的串扰所引起的信号损坏最小化。通过对磁场发生器和磁场补偿器进行恰当的布置和设计以及利用由控 制器确定的恰当操作条件，可以在根本上实现第一和第二磁场在磁传感器 元件的灵敏度方向上基本抵消的状况。根据磁传感器设备的第一实施例， 相对于磁传感器元件的灵敏度方向，对称布置磁场发生器和磁场补偿器， 其中该灵敏度方向可以被理解为是穿过磁传感器元件(或者，更精确地，其 灵敏区域)的直线或平面。并且，磁场发生器和磁场补偿器优选具有相同的 设计，例如相同材料和相同几何结构的导线。磁场发生器和磁场补偿器的 这种对称布局保证了它们产生的磁场可以在该布置的中心平面中完全抵 消。如果所述对称布局有偏差，那么它们可以通过在磁传感器设备的操作 期间改变导线电流之间的平衡来补偿。如己经所述的，磁场发生器和/或磁场补偿器尤其可以包括至少一个导 体导线。该磁传感器元件可以特别由磁电阻元件实现，例如巨磁电阻(GMR)， TMR(隧道磁电阻)，或者AMR(各向异性磁电阻)。并且，基于在 传感器表面上或附近对要测量的粒子的磁性的检测，磁传感器元件可以是 任何适合的传感器元件。因此，磁传感器元件可被设计为线圈、磁电阻传 感器、限磁传感器、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感器、SQUID(半 导体超导量子干涉设备)、磁共振传感器、或者被设计为由磁场激励的另一传感器。并且，可以将磁场发生器、磁场补偿器以及磁传感器元件实现为集成电路，例如使用CMOS技术以及附加的步骤来将磁电阻元件实现在 CMOS电路的顶部。任选地，所述集成电路还可以包括磁传感器设备的控 制器。根据磁传感器设备的另一优选实施例，磁传感器元件设置在数量为 N(例如N-2)的磁场发生器和相同数量的N个磁场补偿器之间的中间，其中 该磁场发生器的结构(即空间分布)和磁场补偿器的结构相同。这样，相对于 磁传感器元件来说，实现了发生器和磁场的对称布置。根据磁传感器设备的另一改进，该控制器适用于在第二操作模式中控 制第一和第二磁场，使得它们在研究区域中基本抵消。这样，可以建立一 种状况，在这种状况中，在研究区域中没有磁信号(例如磁性粒子的杂散场) 被激励，并且确定的磁状况在磁传感器元件中占主导。在前述实施例的进一步改进中，控制器适用于基于第二操作模式，即 第一和第二磁场在研究区域中基本抵消的状况，校准磁传感器元件(包括相 关联的处理电路)。这种在确定状况下对磁传感器元件进行的校准能够充分 提高设备的精确性。根据本发明的另一实施例，该磁传感器设备包括一个能量源，例如， 电流源，其给磁场发生器和磁场补偿器供电。不使用两个单独的能量源， 而仅使用一个能量源的优点在于可以避免增加两个独立的噪声贡献(来自两 个独立的能量源)。本发明进一步涉及一种用于在研究区域中检测至少一种磁性粒子，例 如在传感器表面上固定不动的磁珠的方法，该方法包括下列步骤a) 在研究区域中产生第一磁场。b) 产生第二磁场，使得它在磁传感器元件的灵敏度方向上基本抵消第一 磁场。c) 利用磁传感器元件感测粒子的磁性。该方法在通常形式上包括由上述类型的磁传感器设备执行的步骤。因 此，为了获得关于细节、优点以及该方法改进的更多信息，请参考前面的 描述。根据该方法的优选实施例，第一和第二磁场由相等幅值的并联电流产生。在这种情况下，与这些电流相关联的磁场在电流的中心对称平面上被 完全抵消。优选地，导线串联连接以保证电流完全相等以及保证实现非常(温 度)稳定的磁性补偿。并且，串联连接意味着仅包括一个电流源(由此，最小 的噪声输入)。并且，这些导线可以彼此并联布置，电流方向可以并联或反 并联。任选地，该方法进一步包括下列步骤改变磁场，使得它们在研究区 域中基本抵消，以及在该状况期间校准磁传感器元件。研究区域中的磁场 抵消避免了对来自研究区域中的粒子的磁信号的激励，这样在磁传感器元 件中允许在确定的磁状况下校准电子器件。本发明还涉及上述用于分子诊断、生物样品分析或化学样品分析的磁 传感器设备的使用。分子诊断例如可以借助于直接或间接附着到目标分子 上的磁珠来实现。参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并 且被阐明。这些实施例将通过借助于附图的示例来描述，在附图中

图1示意性示出了在第一操作模式(测量)中的根据本发明第一实施例 的磁传感器设备；图2示出了在第二操作模式(校准)中的图1的磁传感器设备；以及图3示意性示出了根据本发明第二实施例的磁传感器设备。附图中相同的参考标记表示相同或相似的元件。在灵敏性、专一性、集成性、使用简便以及成本方面，磁电阻生物芯 片或生物传感器对于生物分子诊断来说具有有前景的属性。在WO2003/054566、 WO2003/054523、 WO2005/010542 A2、 WO 2005/010543 Al、以及WO2005/038911 Al中描述了这种生物芯片的示例，通过援引将 它们并入本申请中。图1说明了用于检测超顺磁珠2的根据本发明的单个磁传感器设备10 的第一实施例。由这些(例如100个)传感器设备10的阵列构成的生物传感 器可以用于同时测量溶液(例如血液或唾液)中大量不同的生物目标分子或 合成目标分子l(例如，蛋白质，DNA，氨基酸，药物)。在结合方案的一个可行示例中，即所谓的"夹心法"，这是通过设置具有第一抗体3的结合表 面14来实现的，目标分子1可以结合到第一抗体3上。然后，承载第二抗 体的超顺磁珠2可以附着到结合的目标分子1上。流入用作"磁场发生器" 的励磁导线11中的电流产生磁场B,，然后，它(与导线13的磁场B2—起， 下文将介绍)磁化超顺磁珠2。超顺磁珠2的杂散场B'将磁化分量引入到传 感器设备10的巨磁电阻(GMR)12中，该磁化分量位于GMR 12的灵敏度方 向D上，并因此产生可测量的电阻变化。该方法也可适用于其他结合方案(例 如，抑制配位测定或竞争性测定)，以检测类似于药物的小分子。此外，该 方法也可以用于检测距离传感器表面一定距离的(固定不动的)磁珠(大块测为了实现灵敏、快速且稳定的传感器，这里提出在GMR传感器12内 施加补偿的磁场。特别地，这些磁场相对于GMR传感器12的灵敏度方向 D来说可以是对称的。图1示出了该总体概念的具体实现方式。磁传感器设备IO包括第二"补 偿"导线13，该第二"补偿"导线13用作"磁场补偿器"，并且相对于GMR 传感器12的灵敏度方向D来说，将第二 "补偿"导线13布置成象励磁导 线11的镜像。换言之，励磁导线11和补偿导线13具有相同的尺寸和几何 结构，而GMR传感器12布置在它们中间。图1进一步示意性描述了耦合至励磁导线11和补偿导线13两者的控 制器15，并且它可以集成在同一微型芯片上。控制器15可以在第一操作模 式中向两条导线ll、 13提供相同幅值的并联电流h、 12。因此，这些电流 产生具有相同空间形状和尺寸的磁场B,、 B2，但是这些磁场在导线11和 13中分别具有不同的起点。在磁场B,、 B2的对称平面中，两个磁场因此将 完全抵消。这样，第一磁场B,在GMR传感器12内由第二磁场B2抵消。 电流I,、 12优选由同一电流源产生以使噪声输入最小化。图2示出了在第二操作模式中的图1的磁传感器设备10。与图1相比， 补偿导线13中的第二电流V现在与励磁导线11中的第一电流h反并联。 并且，第二电流I2，比第一电流I,大得多，使得分别由电流I,和V产生的磁 场Bi、 B2，将在上述结合表面14上的研究区域内基本抵消。因此，没有杂 散场由磁性粒子2产生，并且GMR传感器12只经历两个磁场Bj卩B 的和(现在，它们在GMR传感器12内没有抵消)。由于GMR传感器12中的 这种叠加的磁场的幅值是已知的并且是确定的，因此它可以由控制器15使 用来校准GMR传感器12和相关处理电子器件的增益。通过向一侧的励磁导线11和另一侧的补偿导线13施加反并联电流， 使磁场聚集在所述电流导线之间，并且使用该磁场在不磁化磁珠的情况下 校准传感器和检测电子器件的增益。通过将交替的并联以及反并联电流施 加于导线，所述校准在实际生物测量中可以是时分复用的。并且，为了获 得更加精确的信号，也可以使用频分复用(通过使用并联和反并联电流的 不同频率)来实现连续测量和校准。在这种情况下，测量信号和校准信号 必须在频域中分开。应当注意，在文本中，"测量"指的是从与图1类似的结构中的GMR 传感器12获得的信号。然后，这些"测量"的进一步处理将特别考虑校准 结果以确定校正的(或"校准")的数据，其中该校正数据更精确地表示感兴 趣的值。图3示出了磁传感器设备110的替换实施例，其中与图1和图2中的 元件相同的元件的附图标记增加了 100。磁传感器设备IIO包括一对励磁导 线llla、 lllb和一对补偿导线113a、 113b。相对于对称平面E来说，这些 对导线被对称布置，其中该对称平面E包括灵敏度方向为D的GMR传感 器112。通过向这些导线施加相同幅值和方向的电流，由此可以在GMR传 感器112中实现所产生磁场的完全抵消。并且，可以再次使用反并联电流(未 示出)来进行校准。在上述公开的所有实施例中，流经励磁导线和补偿导线的电流(无论幅 值是否相等)优选由同一电流源产生，以使噪声贡献最小化。所述磁传感器设备IO、 IIO满足下列要求1、 磁珠2和GMR传感器12、 112之间的大的磁耦合。表面上的磁珠 在x方向被磁化，其最优的是耦合至GMR传感器的灵敏层。这提高了测量 的信噪比。2、 磁场产生导线ll、 13、 llla、 lllb、 113a、 113b和磁电阻传感器12、 112之间的低磁耦合(低磁串扰)，这使得增益变化和巴克豪森噪声的影响最 小化。在对称的几何结构中，并且在相等的电流以相同的方向施加于磁场产生电流导线的情况下，灵敏层中的磁场可以是零。优选地，GMR传感器的 灵敏层位于两个磁场产生导线的中间。3、 磁珠的磁引力朝向传感器最灵敏的区域。4、 通过增加反并联的补偿电流，从而对GMR传感器12、 112进行磁 屏蔽，其中所述反并联的补偿电流在GMR中产生补偿磁场且不会磁化磁 珠。该屏蔽通过防止磁操作点发生偏移以及传感器饱和来允许使用外部励 磁磁场。5、 通过施加反向电流，可以对传感器和信号处理电子器件进行增益校准。6、 由于紧凑设计而具有的高填充因数。每个传感器具有低的抗体消耗。 最后指出，在本申请中，术语"包括"不排除其他元件或步骤，"一个"不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现几个装置的功能。本发 明在于每个新颖性特征和这些特征的每个组合。并且，权利要求中的附图 标记不应该被理解成是限制它们的保护范围。
权利要求
1、一种磁传感器设备(10、110)，包括a)至少一个用于在研究区域中产生第一磁场(B1)的磁场发生器(11、111a、111b)；b)至少一个具有灵敏度方向(D)的相关联的磁传感器元件(12、112)；c)至少一个用于产生第二磁场(B2)的磁场补偿器(13、113a、113b)；d)耦合至所述磁场发生器(11、111a、111b)和所述磁场补偿器(13、113a、113b)的控制器(15、115)，其用于控制所述第一磁场和所述第二磁场(B1、B2)的产生；其中设计所述磁传感器设备(10、110)，使得它允许下述操作模式，在该操作模式中，所述第一磁场和第二磁场(B1、B2)在所述磁传感器元件(12、112)中相对于它的所述灵敏度方向(D)基本抵消。
2、 根据权利要求1所述的磁传感器设备(IO、 110)，其特征在于，相对 于所述磁传感器元件(12、 112)的所述灵敏度方向(D)，对称布置所述磁场发 生器(ll、 llla、 111b)和所述磁场补偿器(13、 13a、 113b)。
3、 根据权利要求1所述的磁传感器设备(IO、 110)，其特征在于，所述 磁场发生器(ll、 llla、 111b)和/或所述磁场补偿器(13、 13a、 113b)包括导体导线。
4、 根据权利要求1所述的磁传感器设备，其特征在于，所述磁传感器 元件(12、 112)是磁电阻元件，优选是巨磁电阻，或隧道磁电阻或者各向异 性磁电阻，和/或霍尔传感器。
5、 根据权利要求1所述的磁传感器设备(IO、 110)，其特征在于，所述 磁传感器元件(12、 112)设置在多个磁场发生器(11、 llla、 llb)和相同数量 的磁场补偿器(13、 113a、 113b)之间的中间，其中所述磁场发生器(ll、 llla、 111b)的结构和所述磁场补偿器(13、 113a、 113b)的结构相同。
6、 根据权利要求1所述的磁传感器设备(IO、 110)，其特征在于，它被 实现为集成电路。
7、 根据权利要求1所述的磁传感器设备(IO、 110)，其特征在于，所述 控制器(15、 115)适用于在第二操作模式中控制所述第一磁场和所述第二磁 场(B,、 B2)，使得它们在所述研究区域中基本抵消。
8、 根据权利要求7所述的磁传感器设备(IO、 110)，其特征在于，所述 控制器(15、 115)适用于基于所述第二操作模式来校准所述磁传感器元件 (12、 112)。
9、 根据权利要求1所述的磁传感器设备(IO、 110)，其特征在于，它包 括一个能量源，其给所述磁场发生器(ll、 llla、 111b)和所述磁场补偿器(13、 113a、 113b)供电。
10、 一种用于在研究区域中检测至少一种磁性粒子(2)的方法，所述方 法包括下列步骤a) 在所述研究区域中产生第一磁场(Bi);b) 产生第二磁场(B2)，使得它在磁传感器元件(12、 112)的灵敏度方向(D) 上基本抵消所述第一磁场(B^c) 利用所述磁传感器元件(12、 112)感测所述粒子(2)的磁性。
11、 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一磁场和所述 第二磁场(B,、 B2)由相等幅值的并联电流(1,、 12)产生。
12、 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，它进一步包括下列步骤d) 改变所述磁场(B,、 B2)，使得它们在所述研究区域中基本抵消，以及 基于该状况来校准所述磁传感器元件(12、 112)。
13、根据权利要求1至9中任一项所述的磁传感器设备(10)的使用，以 用于分子诊断、生物样品分析或化学样品分析。
全文摘要
本发明涉及一种磁传感器设备(10)，其包括用于产生第一磁场(B₁)的励磁导线(11)、用于感测由磁珠(2)产生的杂散场(B’)的GMR传感器(12)、以及用于产生第二磁场(B2)以在GMR传感器(12)中抵消第一磁场(B₁)的补偿导线(13)。优选地，励磁导线和补偿导线(11、13)对称设置在GMR传感器(12)的上方和下方，并被提供相等幅值的并联电流(I₁、I₂)。在第二操作模式中，可以将磁场(B₁、B₂)设定成在包含磁珠(2)的区域中基本抵消，以便允许校准GMR传感器(12)。
文档编号G01N35/00GK101283264SQ200680037719
公开日2008年10月8日 申请日期2006年9月29日 优先权日2005年10月12日
发明者H·杜里克, J·A·H·M·卡尔曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司