CN101438179A - 感测磁性粒子的磁传感器设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于感测磁性粒子(15)的磁传感器设备(300)，所述磁传感器设备(300)包括：磁场发生器单元(12)，用于产生磁场；激励信号源(302)，用于向所述磁场发生器单元(12)提供静电激励信号；激励切换单元(303)，用于对所述激励信号源(302)与所述磁场发生器单元(12)电耦合所采用的不同模式进行切换；以及感测单元(11)，用于感测信号，其中所述信号指示在所述产生的磁场中存在所述磁性粒子(15)。

Description

感测磁性粒子的磁传感器设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于感测磁性粒子的磁传感器设备。

本发明进一步涉及一种感测磁性粒子的方法。

此外，本发明涉及一种程序单元。

此外，本发明还涉及一种计算机可读介质。

背景技术

生物传感器是一种检测分析物的设备，该生物传感器将生物部件与生物化学检测器部件或者物理检测器部件结合起来。

磁生物传感器可以使用巨磁阻效应(GMR)来检测磁性的生物分子或者检测用磁珠作标记的生物分子。

在下文中，对使用巨磁阻效应的生物传感器进行说明。

WO 2005/010542公开了使用集成磁传感器元件或芯片一体的磁传感器元件来检测或确定存在的磁性粒子。该设备可用于对微阵列或生物芯片上绑定的生物分子进行磁检测。具体而言，WO 2005/010542公开了一种用于确定至少一种磁性粒子的存在的磁传感器设备，并且该磁传感器设备包括基板上的磁传感器元件；磁场发生器，用于产生AC磁场；传感器电路，包括用于感测至少一个磁性粒子的磁性的磁传感器元件，所述磁性与AC磁场相关，其中所述磁场发生器集成在基板上，并且所述磁场发生器以100Hz或者更高的频率工作。

WO 2005/010543公开了一种磁传感器设备，它包括基板上的磁传感器元件和至少一个用于在基板上产生磁场的磁场发生器，其中存在串扰抑制模块来抑制磁传感器元件与至少一个磁场发生器之间的串扰。

然而，在不利情况下，串扰依然是问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种串扰足够小的传感器。

为了实现上述目标，提供了根据独立权利要求所述的用于感测磁性粒子的磁传感器设备、感测磁性粒子的方法、程序单元和计算机可读介质。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于感测磁性粒子的磁传感器设备，所述磁传感器设备包括：磁场发生器单元，用于产生磁场；激励信号源，用于向所述磁场发生器单元提供静电激励信号；激励切换单元，用于对所述激励信号源与所述磁场发生器单元电耦合所采用的不同模式进行切换；以及感测单元，用于感测信号，其中该信号指示在所产生的磁场中存在所述磁性粒子。

根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种感测磁性粒子的方法，所述方法包括：磁场发生器单元产生磁场；向所述磁场发生器单元提供静电激励信号；对所述磁场发生器单元与所述静电激励信号电耦合所采用的不同模式进行切换；以及感测单元感测用于指示在所述产生的磁场中存在所述磁性粒子的信号。

根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种程序单元，当处理器执行该程序单元时，该程序单元控制或执行具有上述特征的感测磁性粒子的方法。

根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种计算机可读介质，在该计算机可读介质中存储了计算机程序，当处理器执行该计算机程序时，该计算机程序控制或执行具有上述特征的感测磁性粒子的方法。

根据本发明实施例的电子感测方案可以由计算机程序来实现，即由软件实现，或者根据本发明实施例的电子感测方案可以通过使用一个或多个专用电子优化电路来实现，即由硬件实现，或者以混合形式实现，即由软件部件和硬件部件来实现。

根据示例性实施例，提供了一种磁传感器，可以将该磁传感器实现为一种能够降低串扰并抑制或移除感测电流干扰的磁生物传感器IC。在这种磁传感器中，磁场发生器产生磁场，而感测单元(如GMR传感器)对在磁场中是否存在要检测的磁性粒子或者数量进行检测，这是因为这种磁性粒子可以特有地影响或者改变感测单元在所述磁场中检测的信号。这种磁场发生器单元可以是具有两个端子的导线或者导体或者线圈，并且对这种磁场发生器单元提供恒定的电激励信号，例如直流电流(DC)。为了实时产生调制磁场发生器的时间相关信号，磁场发生器的两个端子以两种不同的方式连接到激励源，使得流经磁场发生器的电流的极性或流向可以随着由激励切换单元的操作频率所限定的频率而实时变化。而且，可以向感测单元提供恒定驱动电流，可以采用类似于磁场发生器的方式(例如，采用相同的切换频率和/或同步)对该恒定驱动电流进行切换。有利地，可以根据切换时间(switching chronology)来协调流经磁场发生器的激励电流的流向的切换顺序和流经感测单元的感测电流的流向的切换顺序。这种操作方案可以显著提高传感器的灵敏度和精确度，这是因为可以抑制寄生的LC影响，并且避免串扰。

因此，根据示例性实施例，提供了一种磁传感器设备，包括：至少一个磁场发生器，用于在样品室的明显研究区中产生磁性激励场；以及至少一个相关的磁传感器元件。此外，该磁传感器设备可用于检测至少一个磁性交互粒子。这种传感器可用作微传感器设备，其例如可以被应用在微流体生物传感器中，以便检测用磁珠做标记的生物分子。

接下来，介绍了本发明的其它示例性实施例。在下文中，介绍了磁传感器设备的其它示例性实施例，然而，这些实施例也适用于感测磁性粒子的方法、程序单元和计算机可读介质。

磁传感器设备可以进一步包括感测信号源，用于向所述感测单元提供静电感测信号。感测切换单元可用于对所述感测信号源与所述感测单元耦合所采用的不同模式进行切换。因此，还可以以一种方式操作感测电流产生，使得可以使用感测开关将与时间无关的源信号转换成时变信号，从而改变静电感测信号在感测单元中的流向，其代表了两种不同的耦合模式，其中所述感测开关仅仅将恒定的电感测信号(例如，直流DC)耦合到感测单元的两个端子。通过采取该措施，特别是与磁场发生器的这种操作进行结合，可以调制传感器，以便有效地抑制串扰并去除测量谱中的假像。

磁传感器设备可以进一步包括同步单元，用于使所述激励切换单元与所述感测切换单元同步。特别地，所述激励切换单元和所述感测切换单元以共同切换频率进行操作(同步或不同步)。所述同步单元可以通过使用共同切换频率控制激励切换单元和感测切换单元来使所述激励切换单元与所述感测切换单元同步。通过调整所述感测切换单元和所述激励切换单元的性能，可以使激励信号的施加与感测信号的施加的时间相关性彼此适当相关，这进一步提高了传感器测量的质量。例如，可以应用完全相同的切换频率和切换时间来控制所述磁场发生器单元和所述感测单元。

具体而言，所述共同切换频率可以是所述磁传感器设备的1/f噪声基本上等于热白噪声的频率。在非常低的频率下，传感器的1/f噪声的影响相对于与频率基本无关的热白噪声占支配地位。共同切换单元的适当操作模式可以是该噪声和另一噪声的影响都不占显著支配地位的区域。可以将共同切换频率选择为例如100kHz，这恰好在GMR的1/f噪声频谱之外。与将频率(图8中的f₁)选择为例如10MHz的情况相比，这已经提供了系数为100(或40dB)的较小串扰电压，这是由于滤波所要求的间隔。

所述静电激励信号和所述静电感测信号可以是直流(DC)信号。与向磁场发生器单元和感测单元提供交流信号的常规方法相比，本发明的实施例仅仅向这些单元提供幅值随时间不变的直流信号。于是，这些切换单元起数字开关或者调制器的作用，其在半个周期内以第一方向向所述单元提供该直流电流，而在另半个周期以相反方向提供该直流电流。

所述激励信号源与所述磁场发生器单元电耦合所采用的不同模式在所述静电激励信号通过所述磁场发生器单元的流向上不同。换言之，可以以这样一种方式向磁场发生器单元或者感测单元的两个端子施加同一个电流：在第一个半周期内，电流从第一端子流到第二端子，在第二个半周期内，电流从第二端子流到第一端子。

所述感测信号源与所述感测单元电耦合所采用的不同模式在所述静电感测信号通过所述感测单元的流向上不同。上述对所述激励信号源与所述磁场发生器单元的电耦合的不同模式的介绍也同样适用于所述感测信号源与所述感测单元的电耦合的不同模式。

磁传感器设备可以包括评估单元，其用于对所述感测单元感测到的信号进行电子评估。所述评估单元可以是一种具有某些处理能力的电路，从而能够处理感测到的信号，进而获得关于是否存在待检测的磁性粒子(特别是存在的浓度和数量)的信息。因此，这种评估单元可以对测量结果进行定量或定性评估。作为这种评估的基础，可以从感测单元(GMR传感器)上分接出所感测的信号。所述感测单元还可以包括基于对传感器表面上或附近的待测量粒子的磁性的检测的任何适当传感器。因此，可将传感器设计为线圈、磁阻传感器、磁限制传感器(magneto-restrictive sensor)、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器件)、磁共振传感器或者由磁场激活的其它传感器。

所述评估单元可以包括放大器，其用于放大所述感测单元感测到的信号。该放大器可以帮助增大所述感测到的信号的幅值，在所述感测到的信号中，串扰或者寄生电容和电感的干扰影响已经得到了抑制。

所述评估单元可以包括评估切换单元，其用于选择性地耦合或去耦合所述感测单元感测到的待评估的信号。而且，所述评估切换单元可以与所述激励切换单元同步并且与所述感测切换单元同步。通过协调所述三个切换单元的切换频率，可以获得它们功能的理想协调，这增大了传感器的灵敏度。

所述评估切换单元、所述激励切换单元和所述感测切换单元可以包括CMOS斩波器(chopper)电路。该CMOS斩波器电路可以是具有适当准确度的切换电路的低成本实现方式。

所述评估单元可以包括信号评估延迟单元，其用于在包括所述激励切换单元和所述感测切换单元的组中的至少一个执行切换之后，将所述信号评估延迟一个预定的时间延迟值。在该切换后，测量频谱可能含有峰值或尖峰(假像)，从而可以推荐在实际评估开始之前等待一个预定的等待时间。利用该延迟或者通过选择评估测量频谱(延迟)的时间间隔，可以获得更有意义的结果。

所述信号评估延迟单元可以包括下面组中的至少一个器件，所述组包括采样保持模数转换器、高速模数转换器、斩波器单元和西格玛-德耳塔转换器。这种内置时间窗可以为干扰尖峰在信号转换之前稳定下来提供空间。因而，然后，利用采样保持AD转换器、具有丢弃采样或者对采样平均化功能的高速AD转换器、具有保护时间的斩波器、在保护时间后开启的西格玛-德耳塔转换器等将该信号转换到数字域。

所述感测单元可以通过对在所述感测信号源与所述感测单元耦合的不同模式下感测的信号进行综合评估来感测所述磁性粒子，从而对包括电感性串扰和电容性串扰的组中的至少一种串扰进行抑制。通过使所述感测单元的操作与所述磁场发生器的操作相互配合和协调，可以有效地抑制所述干扰影响，从而改善传感器的性能。

所述感测单元可以基于巨磁阻效应(GMR)来感测所述磁性粒子。磁生物传感器可以使用巨磁阻效应(GMR)，所述巨磁阻效应(GMR)是在由交替叠合的铁磁体和非磁性金属层组成的薄膜结构中观察到的量子机械效应。该效应表现为：在零场状态下当相邻的(铁)磁层的磁化由于层间的弱反铁磁耦合而变得反向平行时的电阻显著减小到在由于施加外部场而使相邻层的磁化对准时的较低电阻级别。可以从WO 2005/010542 A2和WO2005/010543 A1中获得实现这种GMR传感器的一般方面，通过引用将它们全文(尤其是与GMR磁传感器、特别是生物传感器相关的方面)并入此处。

所述感测单元可以用于定量地感测所述磁性粒子。因此，评估单元以这样一种方式评估信号的幅值，从而作为最终结果，可以估计待检测的磁性粒子或用磁标记的粒子的浓度或数量。与是否存在特定种类或部分的(生物)分子的纯定性结果相比，这可以是更有意义的结果。

所述磁传感器设备可用于感测附着到生物分子的磁珠。因此，例如使用连接分子，可以将顺磁珠或者铁磁珠直接附着到生物分子(如，核酸、DNA链、蛋白质、多肽、荷尔蒙等)，以便进行或者促进磁检测。然而，可以使用生物分子自身的磁性作为检测基础，而不使用磁标记。

特别地，也就是说，可以将所述磁传感器设备用作磁生物传感器设备，从而检测是否存在生物分子或者检测浓度。

可以将所述磁传感器设备的至少一部分实现为单片集成电路。因而，所述磁传感器设备的至少一部分部件可以单片集成在基板内，特别是半导体基板内，更特别是硅基板内。然而，本发明的这些实施例也适用于III-V族半导体的情况，如砷化镓。这样的单片集成可以显著地减小生物传感器的尺寸，并由此可以减小待分析的样品的要求体积。此外，在集成方案中，信号处理路径短且小，从而可以减小信号可能受干扰效应负面影响的传导路径的长度。因此，这种单片集成生物传感器特别有利。

通过下文描述的实施例的例子，本发明的上述方面和其它方面将变得显而易见，并且参照实施例的这些例子来介绍本发明的上述方面和其它方面。

附图说明

下文将参考实施例的例子来对本发明进行更加具体地描述，但是本发明不仅限于这些例子。

图1示出了处于第一操作状态的根据示例性实施例的磁传感器设备；

图2示出了处于第二操作状态的图1的磁传感器设备；

图3示出了根据本发明示例性实施例的磁传感器设备；

图4—图7示出了磁传感器设备来说明相应的噪声特性；

图8—图10示出了根据本发明示例性实施例的磁传感器设备；

图11—图14示出了根据本发明示例性实施例的电感性串扰降低；

图15和图16示出了根据本发明示例性实施例的电容性串扰降低；

图17和图18示出了根据本发明示例性实施例的实现单频检测的磁传感器设备；

图19和图20示出了根据本发明示例性实施例的实现时间窗的磁传感器设备；以及

图21示出了根据本发明示例性实施例的包括斩波器多路复用功能的磁传感器设备。

具体实施方式

附图说明是示意性的。在不同的附图中，类似或相同的元件具有相同的附图标记。

在第一实施例中，根据本发明的设备是生物传感器，并且参考图1和图2来描述该生物传感器。生物传感器检测诸如流体、液体、气体、粘弹性介质、凝胶体或者组织样品之类的样品中的磁性粒子。磁性粒子可以具有小的尺寸。纳米粒子意味着粒子的至少一个尺寸在0.1nm到1000nm之间，优选在3nm和500nm之间，更优选地在10nm和300nm之间。由于施加的磁场(如，它们可以是顺磁性的)，磁性粒子可以获得磁矩。磁性粒子可以是合成物，例如，磁性粒子包括一个或多个位于非磁性材料内或附着于非磁性材料的小磁性粒子。只要粒子对于调制的磁场产生非零响应，即，当它们产生磁化率或磁导率时，它们就可以被使用。

设备可以包括基板10和电路，如集成电路。

图1和图2中的虚线表示设备的测量表面。在本发明的实施例中，术语“基板”包括可使用的任何底层材料，或者包括其上可形成器件、电路或者外延层的任何底层材料。在其它可替换实施例中，这种“基板”可以包括半导体基板，例如掺杂硅基板、砷化镓(GaAs)基板、磷砷化镓(GaAsP)基板、磷化铟(InP)基板、锗(Ge)基板或者锗化硅(SiGe)基板。除半导体基板部分之外，“基板”还可以包括例如绝缘层，如SiO₂层或者Si₃N₄层。因而，术语“基板”还包括玻璃基板、塑料基板、陶瓷基板、玻璃上硅(silicon-on-glass)基板、蓝宝石上硅(silicon-on-sapphire)基板。这样，通常使用术语“基板”来限定所关心的层或部分下面的层的元件。而且，“基板”可以是其上形成了层的其它基底，例如，玻璃或金属层。因为硅半导体被普通使用，因此下面将参考硅处理进行说明，但是本领域技术人员应该理解，可以基于其它半导体材料器件来实施本发明，并且本领域技术人员可以选择适当的材料作为下文描述的电介质和导电材料的等价物。

电路可以包括用作传感器元件的磁阻传感器11和导体12形式的磁场发生器。磁阻传感器11可以例如是GMR或TMR类型的传感器。磁阻传感器11可以例如具有细长(即长并且窄)条的几何形状，但是磁阻传感器11并不仅限于这种几何形状。传感器11和导体12可以在靠近的距离g内彼此相邻放置。传感器11与导体12之间的距离可以例如在1nm和1mm之间，该距离例如是3μm。最小距离由IC工艺决定。

在图1和图2中，引入坐标设备来指示：如果传感器设备位于xy平面内，则传感器11主要检测磁场的x分量，即，x方向是传感器11的灵敏方向。图1和图2中的箭头13指出了根据本发明的磁阻传感器11的灵敏方向x。因为传感器11在与传感器设备的平面垂直的方向上几乎不灵敏，所以在不存在磁性纳米粒子15时传感器11不对由流经导体12的电流引起的(在图中的)垂直方向或z方向上的磁场14进行检测。在不存在磁性纳米粒子15时，通过向导体12施加电流，可以校准传感器11的信号。优选在任何测量之前执行该校准。

当磁性材料(这例如可以是磁性离子、磁性分子、磁性纳米粒子15、具有磁性分量的固体材料或流体)位于导体12的附近时，它产生了由图2中的场线16指示的磁矩m。

然后，磁矩m产生了双极杂散场，该双极杂散场在传感器11的位置处具有面内磁场分量17。因而，纳米粒子15使磁场14偏转到由箭头13(图2)指示的传感器11的灵敏方向x。传感器11感测到位于传感器11的灵敏方向x上的磁场的x分量Hx，并且磁场的x分量Hx取决于磁性纳米粒子15的数量和导体电流Ic。

对于这样的传感器的一般结构的其它细节，请参考WO 2005/010542和WO 2005/010543。

图1和图2中的附图标记20示出了协调感测单元11和磁场发生器12的操作模式的控制单元。下面将参考图3、图8—图21来介绍这种控制实体20的实施例。

在下文中，参考图3，介绍根据本发明示例性实施例的磁传感器设备300。

磁传感器设备300用于感测附着于待检测的生物分子301的磁性粒子15。例如，生物分子301是DNA链，该DNA链的一个部分上附着了磁珠15。此外，还示出了磁场发生器单元12，其用于产生磁场14。除此之外，激励信号源302(即，第一直流(DC)源)用于向磁场发生器单元12提供静电激励信号，即直流电流。

激励切换单元303用于对激励信号源302电耦合到磁场发生器单元12所采用的不同模式进行切换。如从图3可见，磁场发生器单元12包括第一端子304和第二端子305。激励信号源302包括第一端子306和第二端子307。激励切换单元303将激励信号源302耦合到磁场发生器单元12，使得在一个周期的第一个半周期中，磁场发生器单元12的第一端子304耦合到激励切换单元306的第一端子306，并且磁场发生器单元12的第二端子305耦合到激励信号源302的第二端子307。在第二个半周期中，激励切换单元302切换端子304与307的连接，使得在第二个半周期中，磁场发生器12的第一端子304耦合到激励信号源302的第二端子307，并且磁场发生器12的第二端子305耦合到激励信号源302的第一端子306。

除此之外，磁传感器设备300包括感测单元11(GMR传感器)，其对用于指示在产生的磁场中存在磁性粒子15的信号进行感测。提供感测信号源308，作为另一个直流(DC)源，并且该感测信号源308用于向感测单元11提供静电感测信号，即另一个直流电流。提供感测切换单元309，该感测切换单元309用于对感测信号源308耦合到感测单元11所采用的不同模式进行切换。具体而言，感测单元11具有第一端子310和第二端子311，感测信号源308具有第一端子312和第二端子313。在一个周期的第一个半周期中，切换单元309将感测单元11耦合到感测信号源308，使得第一端子310耦合到第一端子312并且第二端子311耦合到第二端子313。在第二个半周期中，第一端子310与第二端子313耦合，并且第二端子311耦合到第一端子312。

此外，提供了同步单元314，该同步单元314对所述激励切换单元303和所述感测切换单元309的启动进行同步，使得切换同时发生。此外，同步单元314控制切换单元303和309，以使它们具有相同的切换频率。

除此之外，评估单元315用于对感测单元11感测的信号进行电气评估。因此，在感测单元11的一个端子312或313上分接出待分析的信号。评估单元315可以包括诸如放大器、模数转换器、滤波器等部件。评估单元315可以对在由切换单元303和309限定的两种操作模式下检测到的信号进行评估。

在下文中，参考图4—图7，介绍可能在磁传感器设备中出现的问题。

通常，可以将微传感器系统中可能引入的电子误差分成三组：随机误差、系统误差和多径误差。基于GMR的生物传感器中的随机误差的最大来源是GMR的固有1/f噪声。

图4示出了GMR11，并且该GMR11通常由感测电路I_sense 401驱动。如曲线图410所示，在非常低的频率处，主要是1/f噪声，而在较高频率值处，主要是基本恒定的白噪声。

为了避免这种噪声频谱并且为了使信噪比仅由传感器元件的热噪声层确定，可以对频谱中的大于GMR的1/f噪声截止频率f_c的激励电流进行上调制。

图5示出了这种情况。

图5示出了激励电流源500和感测电流源401。放大器501可以评估结果。如曲线图510所示，通过采用f₁>f_c的操作频率，可以将磁感测成分511与噪声成分更好地分开。上调制后的激励电流产生的高频磁场H(t)使得传感器电阻值R_GMR随频率f₁实时变化，它的幅值

取决于传感器11附近的超顺磁性纳米粒子(即，磁珠15)的数量。

H_in-plane(t)∝sin(2πf₁t)

$R_{\mathrm{GMR}}=R+\mathrm{\ΔR}\left(t\right)=R+s_{\mathrm{GMR}}\·H_{\mathrm{in}-\mathrm{plane}}\left(t\right)=R+\hat{r}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)$

其中，S_GMR是单位为(ΩmA^-1)的GMR灵敏度，H_in-plane(t)是由磁珠15引起的杂散磁场的面内分量，单位为(Am^-1)。

由于不可避免的电容性耦合和电感性耦合(图6中用寄生电容600和寄生电感601、602表示)，LC串扰干扰从电流线耦合到传感器11。典型地，图6的曲线图610所示出的这个串扰分量603比磁传感器信号511大10.000倍，这导致频率f₁处具有大的动态范围。

虽然LC串扰电压相对于磁信号511有90°的相移，而且LC串扰电压在原理上是系统误差，但是前述动态范围使得难以实现在f₁的检测。

为了避免这个问题，如图7所示，可以通过在第二频率f₂处应用电子感测的电流调制来在频域中将磁信号511与LC串扰分量603分开。

图7中的曲线图710示出了感测到的电流700。由于欧姆定律，GMR元件11内发生信号分离；在频率f₁和f₂的和与差处出现磁信号频谱分量。

$u_{\mathrm{GMR}}=I_{\mathrm{sense}}\·R_{\mathrm{GMR}}={\hat{i}}_{\mathrm{sense}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{2}t\right)\·(R+\hat{r}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right))$

由于底层的电阻值波动(通过实验)已经显示出具有磁性来源，因此在f₂附近还调制1/f噪声频谱。

根据前述，可能存在以下问题：感测电流的电子调制在f₂处引入了大的干扰700，这个大的干扰很容易使前置放大器A 501饱和。随后产生的相互调制和失真项会严重干扰测量。

为了避免这个问题，例如，频域上的滤波可能需要排除感测电流分量。

然而，这种措施要求芯片上的高通滤波，这会显著地增大集成电路面积和复杂度。具体而言，需要下列额外的装置：用于调制感测电流、系统中的第二频率的模块；以及高通滤波器。

高通滤波器特别难以集成，并且它需要大的面积来耦合高带宽前置放大器A501的电容。由于f₂处的感测电流干扰，因此后者可能比f₁±f₂处想要的磁信号大一百万倍。为了利用简单(如一阶)滤波器获得对f₂分量的充分抑制，需要频率f₁与f₂具有大的间隔。

基于这些认识，本发明的示例性实施例提供了一种用于单频测量的不复杂架构和元件，它不要求芯片上的高通滤波。

图8示出了根据本发明示例性实施例的解决方案，下面对此进行介绍。

除了已经描述的部件外，图8示出的磁传感器设备800还显示了评估单元315，它包括放大器801和信号处理模块802。

通过使激励电流和感测电流基本相等并且相对彼此静态，可以显著地降低电容性串扰分量和电感性串扰分量。

根据示例性实施例，在切换电路的与连接所述磁传感器的一侧相对的另一侧上感测信号电压。这可以通过将它的能量变换成DC和偶次谐波来降低或消除感兴趣频率处的LC串扰。此外，可以抑制或者完全移除感测电流干扰，因此不再需要芯片上的高通滤波。

在下文中，参考图9和图10来对这样的实施例进行更详细的介绍。

接下来，讨论磁信号的特性。

在周期的一部分期间，DC激励电流源302首先通过端子1(图3的第一端子304)将电流馈入场发生导线12。图9示出了这个第一阶段。

同时，DC感测电流源308通过端子3(图3的第一端子310)将电流馈入GMR传感器11。

磁珠15引起的杂散磁场使得自由层900的磁化与固定层901平行对准，幅值与传感器11附近的磁珠15的数量成比例。平行对准会使得GMR电阻比零场电阻R₀低。

施加给前置放大器801的电压u_GMR(t)在该阶段比DC值I_senseR₀低。

图9还示出了曲线图910和第二曲线图920，曲线图910示出了场H与电阻R_GMR的相关性，第二曲线图920示出了电压u_GMR(t)与时间t的相关性。

模块802在频率f₁处执行检测。

所有电压都以地为参考。例如，u_GMR(t)是节点u_GMR相对于地节点的电压。

图10示出了周期的第二部分。

在该操作状态下，所述激励电流反向，这使得自由层900与固定层901反向平行对准。前述电流现在分别通过端子2和4(对应于图3中的第二端子305和311)馈入。反向平行取向增大了GMR电阻，使得在该阶段中电压u_GMR(t)的值比DC值I_senseR₀高。

相应地，施加给前置放大器801的电压u_GMR(t)随着频率f₁实时变化，并且电压u_GMR(t)的幅值是对传感器11附近的磁珠15数量的度量。

在下文中示出：端子3和4的同步颠倒移除或者至少显著抑制了在频率f₁下节点u_GMR上的LC串扰电压，其中所述磁信号是在节点u_GMR上感测的。

在下文中，参考图11—图14，介绍电感性串扰降低。

在许多传感器几何结构中，电感性串扰分量的影响最大，并且它可能比电容性串扰大几个数量级，并且它可能比磁信号大10.000倍。因此，重要的是消除这种电感性串扰分量，这种电感性串扰分量的频率可能与有用磁信号的频率f₁相同。

图11示出了一种传感器布局。

图11以放大图的方式示出了端子1—端子4、导线1100和1102的结构、以及位于导线1100与1102之间的GMR元件1101的结构。

该布置可以用图11所示的三个同心共面环来近似。

反向电流通过场生成导线产生的时变磁通密度B在GMR端子上诱发出串扰电压，该串扰电压与表面A成比例。

图12再次示出了具有场生成导线1100、1102和GMR元件1101的这种结构。此外，表面A用附图标记1200表示。

可以将在GMR端子上感应的瞬时串扰电压写为：

$e\left(t\right)=-\frac{\∂}{\∂t}\underset{S}{\∫}\stackrel{\→}{B}\·d\stackrel{\→}{a}=-M\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}$

其中，M是场生成导线1100、1102和GMR元件1101之间的互感。互感M仅取决于几何因数，并且互感M是与时间无关的。

串扰电压主要在激励电流上升瞬间和下降瞬间感应出来，在图13所示的曲线图1300中，上升瞬间和下降瞬间分别用Δt_r和Δt_f来表示。

图13的电路图1310和1320示意性示出：在上升瞬间的过程中，电压e具有某种正弦曲线(例如，正的)，并且前置放大器节点u_GMR上的电压也是正的。

在下降瞬间的过程中，电压e的正弦曲线将反向(例如，负的)，而节点u_GMR上的电压由于同步传感器极性反向而保持为正。

GMR端子上的感应串扰电压e(t)和前置放大器输入端上的电压u_GMR(t)具有类似的形状，如图14的曲线图1400和1410所示。

曲线图1400示出了未经过同步反向的情形，而曲线图1410示出了经过同步反向的情形。因此，曲线图1410显示电感性串扰的大部分能量从频率f₁移动到DC和二倍频率2f₁。

利用传感器极性的同步反向，还从f₁处移除了由L di_sense/dt引起的自感电压。然而，前述分量的幅值比由激励电流引起的感应电压的幅值小若干数量级，并且可以被忽略。

在下文中，参考图15和图16，介绍电容性串扰降低。

主要采用与如上所述的移除电感性串扰的原理相同的调制原理来从f₁处移除电容性串扰电压。然而，在调制以远离f₁之前，可以同时采用额外的机制来首先减小感应的电容性串扰的量。

考虑图15，在周期的一个部分期间(在图15中，这被显示为“第一阶段”)，DC激励电流源302通过第一端子1将电流馈入场生成导线12。同时，DC感测电流源308通过端子3将电流馈入GMR传感器11。

在曲线图1500、1510、1520、1530中还分别示出了端子1、端子2、端子3和端子4处的相应电压(即，V₁(t)—V₄(t))。

在周期的第二部分中，即图16所示的所谓“第二阶段”，流经场生成导线12和GMR传感器11的电流方向反向。上述电流现在分别通过端子2和4馈入。

最终的端子电压在图16的曲线图1500、1510、1520、1530中示出。

电容性串扰降低基于以下认识，即串扰电压的幅值与通过寄生电容C_par1和C_par2(附图标记1501和1502)的位移电流成比例。这通过感测电流和激励电流的同时反向(使得它们相对彼此不随时间变化)以及使节点1和3上的电势幅值基本相等(减小电荷存储和电容)来实现。

例如，

V₁＝I_exc*R_wire＝100mA*10Ω＝1V

V₃＝I_sense*R_GMR＝2mA*500Ω＝1V

由于切换电路的对称性，因此端子2和端子4上的电压也变得基本相等。

在下文中，参考图17和图18，介绍具有单频检测的磁传感器设备1700的实施例。

在图17的磁传感器设备1700的实施例中，低噪声DC激励电流源302通过切换电路303将电流馈入场生成导线12，第二低噪声DC感测电流源308将电流馈入GMR传感器11。第一放大器A₁ 801连接在感测电流源308与切换电路309之间的节点U_GMR上，该第一放大器A₁ 801感测信号电压。将放大后的信号传递给解调单元1701、放大单元A₂ 1702和模数转换单元1703，以便进行进一步的信号调节。还可以想到其它部件。

切换电路303和309在频率f₁下同步操作，在该频率f₁下还获得了磁信号。

图18示出了第一曲线图1800和第二曲线图1810，它们示出了GMR端子和节点U_GMR处的串扰尖峰频谱。

在节点U_GMR处，尖峰信号的能量由切换电路移动到DC，甚至移动到f₁的偶次谐波。

CMOS斩波器电路可以以低成本实现所述切换电路303、309。

图17和图18的实施例的优点在于不需要在芯片上滤波。前端架构对大范围频率是透明的(因为没有固定的滤波器时间常数)。可以将频率f₁选择为100kHz，这恰好在GMR的1/f噪声频谱之外。与将f₁选择为例如10MHz的情况相比，这已经提供了系数为100(或40dB)的较小串扰电压，这是因为滤波所要求的间隔(f₂例如为10kHz)。

该实施例还可以提供利用GMR DC电压电平来确定第一放大器801的偏置点的可能性。

在下文中，参考图19和图20，介绍根据本发明示例性实施例的磁传感器设备1900，其已经实现了时间窗特征。

在图19的实施例中，内置有时间窗，其为干扰尖峰在信号转换之前稳定下来提供了空间，例如，在3τ之后。然后，利用例如采样保持转换器1901将信号转换到数字域。其它可行的设备是丢弃采样的高速A/D转换器、具有保护时间的斩波器、在保护时间后开启的西格玛-德耳塔转换器、或者任何其它结构。

图20示出了曲线图2000，其也指出了保护时间2001。因而，图20示出了采样时刻的例子。在由切换引起的干扰已经减弱(到足够程度)后，对信号进行采样。

优点在于不需要解调，这可以降低硬件数量和它的复杂度。此外，采样器能够容易地与被采样的信号同步。

在下文中，参考图21，介绍根据本发明示例性实施例的磁传感器设备2100。

可以将图21的实施例称为“斩波器多路复用”实施例。

在这个实施例中，将多路复用功能与切换电路进行结合。通过在那个时间仅向一个斩波器309应用切换阶段，可以选择所需要的GMR 11。

为了将激励电流源多路复用给不同的场生成导线(图中未示出)，也可以运用相同的原理。

这种实施例的优点在于：多个GMR传感器仅需要一个感测电流源和一个前置放大器。于是，可以从信号路径上去除多路复用器开关(否则就需要它)，这可以改善电路的噪声性能和带宽。

例如，应当采取预防措施来降低时钟干扰耦合量，例如设计具有良好PSRR(电源抑制比)和CMRR(共模抑制率)性能的电路、应用保护环、应用共模和差模信号隔离等。

应该注意，术语“包括”不排除其它元件和特征，并且“一个”或“一种”不排除多个的可能性。还可以将结合不同实施例描述的元件进行组合。

还应该注意，权利要求中的附图标记不应该被理解为限制了权利要求的保护范围。

Claims (27)

1、一种用于感测磁性粒子(15)的磁传感器设备(300)，所述磁传感器设备(300)包括：

磁场发生器单元(12)，用于产生磁场；

激励信号源(302)，用于向所述磁场发生器单元(12)提供静电激励信号；

激励切换单元(303)，用于对所述激励信号源(302)与所述磁场发生器单元(12)电耦合所采用的不同模式进行切换；

感测单元(11)，用于感测信号，其中所述信号指示在所述产生的磁场中存在所述磁性粒子(15)。

2、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，还包括：

感测信号源(308)，用于向所述感测单元(11)提供静电感测信号；

感测切换单元(309)，用于对所述感测信号源与所述感测单元(11)耦合所采用的不同模式进行切换。

3、根据权利要求2所述的磁传感器设备(300)，包括：

同步单元(314)，用于使所述激励切换单元(303)与感测切换单元(309)同步。

4、根据权利要求2所述的磁传感器设备(300)，

其中所述激励切换单元(303)和所述感测切换单元(309)以共同切换频率进行操作。

5、根据权利要求4所述的磁传感器设备(300)，

其中所述共同切换频率是所述磁传感器设备(300)的1/f噪声基本等于热白噪声的频率。

6、根据权利要求4所述的磁传感器设备(300)，

其中所述共同切换频率基本上为100kHz。

7、根据权利要求2所述的磁传感器设备(300)，

其中所述静电激励信号和所述静电感测信号是直流信号。

8、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，

其中所述激励信号源(303)与所述磁场发生器单元(12)电耦合所采用的不同模式在所述静电激励信号通过所述磁场发生器单元(12)的流向上不同。

9、根据权利要求2所述的磁传感器设备(300)，

其中所述感测信号源(303)与所述感测单元(11)电耦合所采用的不同模式在所述静电感测信号通过所述感测单元(11)的流向上不同。

10、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，包括：

评估单元(315)，用于对所述感测单元(11)感测到的信号进行电子评估。

11、根据权利要求10所述的磁传感器设备(800)，

其中所述评估单元(315)包括放大器单元(801)，用于放大所述感测单元(11)感测到的所述信号。

12、根据权利要求10所述的磁传感器设备(1700)，

其中所述评估单元(315)包括评估切换单元(1701)，用于选择性地耦合或去耦合所述感测单元(11)感测到的待评估的信号。

13、根据权利要求12所述的磁传感器设备(1700)，

其中所述评估切换单元(1701)与所述激励切换单元(303)同步并且与所述感测切换单元(309)同步。

14、根据权利要求12所述的磁传感器设备(1700)，

其中由所述评估切换单元(1701)、所述激励切换单元(303)和所述感测切换单元(309)构成的组中的至少一个包括CMOS斩波器电路。

15、根据权利要求10所述的磁传感器设备(1900)，

其中所述评估单元(315)包括信号评估延迟单元(1901)，用于在包括所述激励切换单元(303)和所述感测切换单元(309)的组中的至少一个执行切换之后，将所述信号评估延迟一个预定的时间延迟值。

16、根据权利要求15所述的磁传感器设备(1900)，

其中所述信号评估延迟单元(1901)包括下面组中的至少一个，所述组包括采样保持模数转换器、高速模数转换器、斩波器单元和西格玛-德耳塔转换器。

17、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，

其中所述感测单元(11)通过对在所述感测信号源(308)与所述感测单元(11)耦合的不同模式下感测的信号进行综合评估来感测所述磁性粒子(15)，从而对包括电感性串扰和电容性串扰的组中的至少一种串扰进行抑制。

18、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，

其中所述感测单元(11)基于巨磁阻效应来感测所述磁性粒子(15)。

19、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，

其中所述感测单元(11)用于定量地感测所述磁性粒子(15)。

20、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，

用于感测附着到生物分子的磁性粒子(15)。

21、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，

用作磁生物传感器设备。

22、根据权利要求1所述的磁传感器设备(300)，

其中所述磁传感器设备(300)的至少一部分被实现为单片集成电路。

23、一种感测磁性粒子(15)的方法，所述方法包括：

磁场发生器单元(12)产生磁场；

向所述磁场发生器单元(12)提供静电激励信号；

对所述磁场发生器单元(12)与所述静电激励信号电耦合所采用的不同模式进行切换；

感测单元(11)感测用于指示在所述产生的磁场中存在所述磁性粒子(15)的信号。

24、根据权利要求23所述的方法，包括：

向所述感测单元(11)提供静电感测信号；

对所述感测单元(11)与所述静电感测信号电耦合所采用的不同模式进行切换。

25、根据权利要求24所述的方法，包括：

使得对所述磁场发生器单元(12)与所述静电激励信号电耦合所采用的不同模式进行的切换和对所述感测单元(11)与所述静电感测信号电耦合所采用的不同模式进行的切换同步。

26、一种程序单元，当处理器(20)执行该程序单元时，该程序单元控制或执行用于感测磁性粒子(15)的方法，所述方法包括：

磁场发生器单元(12)产生磁场；

向所述磁场发生器单元(12)提供静电激励信号；

对所述磁场发生器单元(12)与所述静电激励信号电耦合所采用的不同模式进行切换；

感测单元(11)感测用于指示在所述产生的磁场中存在所述磁性粒子(15)的信号。

27、一种计算机可读介质，在该计算机可读介质中存储了计算机程序，当处理器(20)执行该计算机程序时，该计算机程序控制或执行用于感测磁性粒子(15)的方法，所述方法包括：

磁场发生器单元(12)产生磁场；

向所述磁场发生器单元(12)提供静电激励信号；

对所述磁场发生器单元(12)与所述静电激励信号电耦合所采用的不同模式进行切换；

感测单元(11)感测用于指示在所述产生的磁场中存在所述磁性粒子(15)的信号。

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