CN101438180A - 具有改进的输出信号特性的磁电阻传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁电阻传感器(20)，其包括用于稳定磁电阻传感器(20)的输出电信号(U₀)的稳定电路，以便于校正作为传感器(20)一部分的磁电阻元件(21)所产生的内部磁场的贡献。本发明还提供了一种包括至少一个这种磁电阻传感器(20)的生物芯片，以及一种用于稳定磁电阻传感器(20)的输出电信号(U₀)的方法。

Description

具有改进的输出信号特性的磁电阻传感器

本发明涉及磁电阻传感器，具体而言涉及具有稳定的输出信号的磁电阻传感器。而且，本发明还涉及包含这种磁电阻传感器的生物传感器或生物芯片、这种磁电阻传感器的用途，以及一种用于稳定磁电阻传感器输出信号的方法。

当前，基于AMR(各向异性磁电阻)元件、GMR(巨磁电阻)元件和TMR(隧道磁电阻)元件的磁电阻传感器日益变得重要。除了诸如硬盘磁头和MRAM的已知高速应用之外，在分子诊断(MDx)、IC中的电流感测、汽车等领域中出现了新的较低带宽应用。

引入包含这种磁电阻传感器的微阵列或生物芯片，对于DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质的分析是革命性的。应用例如是基因分型(例如，在医院中或者由个体医生和护士进行)、细菌学筛查、生物学和药理学研究。这种磁电阻生物芯片对于(例如)生物分子诊断在灵敏度、特异性、一体化、使用方便和成本方面都有应用前景。

生物芯片，也称为生物传感器芯片、生物微芯片、基因芯片和DNA芯片，其最简单的形式存在于其上附有大量不同探针分子的衬底，在该芯片的明确定义区域上，如果待分析的分子或分子片断与探针分子完美匹配，则它们可与探针分子相结合。例如，DNA分子片断结合至一个唯一互补DNA(c-DNA)分子片断。例如通过使用诸如荧光标记物或磁性标签的标记物，将其耦合至待分析分子，可以检测结合反应的发生。这提供了短时间内并行分析大量不同分子或分子片断中少量部分的能力。一个生物芯片可以容纳对1000或更多不同分子片断的分析。应当预见到的是，使用生物芯片可获得的有用信息将在未来十年由于诸如人类基因工程的工程以及对基因和蛋白质功能的后续研究而迅速增长。

包括由(例如100个)基于检测(例如)超顺磁珠的传感器构成的阵列的生物传感器，可以用于同时测量溶液(例如，血液)中大量不同生物分子(例如，蛋白质、DNA)的浓度。这可以通过将超顺磁珠连附到待确定的靶分子、用所施加的磁场磁化该珠并且使用(例如)巨磁电阻(GMR)传感器检测磁化珠的磁场而实现。

图1示出了具有集成磁场激励的磁电阻传感器10。集成有磁场激励是指在磁电阻传感器10中集成磁场发生装置。磁电阻传感器10包括形成磁场发生器的两个电导体1以及形成磁电阻传感器元件的GMR元件2。在磁电阻传感器10的表面3处设有结合位点4，其上可以结合(例如)靶分子5，靶分子5具有与其相连附的磁纳米颗粒6。流过导体1的电流产生磁场，该磁场使磁纳米颗粒6磁化。磁纳米颗粒6产生磁矩m，用图1中的场线7指示。磁矩m随后生成偶极磁场，该偶极磁场在GMR元件2的位置处具有平面内磁场分量8。因而，磁纳米颗粒6使得由流过导体1的电流所感生的磁场9产生偏转，从而产生在GMR元件2的敏感x方向上的磁场分量8，也称作磁场的x分量H_外部。磁场的x分量H_外部随后由GMR元件2感测，并且其取决于在磁电阻传感器10的表面3处存在的磁纳米颗粒6的数量N_np和导体电流的大小。

GMR元件2中的平面内磁场分量H_外部导致GMR元件2的电阻变化ΔR_GMR(H_外部)。图2示出了作为GMR堆栈的敏感层中的平面内磁场分量H_外部的函数的GMR电阻。磁电阻传感器10的灵敏度表示为：

其并不恒定，而是取决于不可控参数，例如，生产公差、老化效应和温度。因此，由磁电阻传感器10所执行的测量的有效增益同样对这些不可控参数敏感。

一种针对这一问题的解决方案被描述在PCT/IB2005/053935中。该文献描述了使用磁电阻传感器所感测的信号中的二次谐波，并且在磁电阻(MR)电压中任选地使用其它谐波(例如，四次谐波)作为稳定磁电阻传感器的敏感度所要使用的增益指标。谐波由磁电阻传感器元件的自磁化特性产生。

该方法的一个缺点在于，由于指示二次谐波2f₂的期望增益和频率f₂处的基带信号之间较大的65dB动态范围，这要求进行高阶带通滤波，并且由于需要频率2f₂处附加的检测电路，从而增加了所需硬件的复杂性和不稳定性。

本发明的一个目的是提供一种具有良好输出电信号特性的磁电阻传感器设备，一种包括至少一个这种磁电阻传感器的生物芯片以及一种用于稳定磁电阻传感器的输出电信号的方法。由根据本发明所述的方法和设备来实现上述目的。

在独立和从属权利要求中给出了本发明的各特定和优选方面。从属权利要求的特征可以视情况与独立权利要求的特征和其它从属权利要求的特征进行组合，而不仅仅是各权利要求中所明确指出的情况。

本发明提供了一种磁电阻传感器，包括：

—磁场发生器，其用于产生磁场，进一步称为所产生的磁场，

—至少一个磁电阻元件，其用于感测磁场，

—电流源，其用于使感测电流(I_感测)流过至少一个磁电阻元件，这样产生取决于所感测磁场的感测信号，以及

—电子装置，其用于产生从感测信号得到且具有振幅的输出电信号，该电子装置包括稳定电路，

其中，稳定电路包括用于稳定指示所产生磁场的输出电信号分量的装置。

本发明提供了一种磁电阻传感器，包括：

—磁场发生器，其用于产生磁场，

—至少一个磁电阻元件，其用于感测磁场，

—电流源，其用于使感测电流(I_感测)流过至少一个磁电阻元件，这样产生取决于所感测磁场的感测信号，以及

—电子装置，其用于产生从感测信号得到且具有振幅的输出电信号，该电子装置包括稳定电路，

其中，稳定电路包括用于确定感测信号中DC分量的装置和用于响应所述DC分量而稳定输出电信号的振幅的装置。

通过将感测信号中DC分量解释为增益指标，而不是使用如现有技术方案中的感测信号中的二次(或更高次)谐波，能够限制甚至忽略根据这些现有技术方案的磁电阻传感器中出现的缺点。

根据本发明所述的磁电阻传感器的又一优点在于，其抑制了感测电流的变化，从而可以使用可控高欧姆电压源代替实际电流源来输送感测电流。这便于实现低噪声感测电流发生器。低噪声电压源更易于通过例如对频域中输出进行滤波来实现。

磁电阻传感器的输出电信号因而不受下列因素影响：即磁电阻元件的敏感度S_GMR的变化，或者感测电流I_感测的振幅或I₂的变化，或者换言之，电流源的波动。

磁电阻元件可以是GMR元件、TMR元件或AMR元件。磁场发生器可以包括至少一个电导体。至少一个电导体可以由至少一根导线形成。

根据本发明的实施例，用于确定DC分量的装置可以包括低通滤波器，优选为DC或0Hz滤波器。优选地，低通滤波器可以是低阶低通滤波器，最优选为1阶至3阶滤波器。用于稳定输出电信号的振幅的装置可以包括受感测信号中DC分量的振幅控制的规范器(normalizer)。使用根据这些实施例所述的设备，输出电信号U₀的振幅完全受电控制。根据这些实施例所述的设备仅需要简单的低通滤波器，这是因为DC分量必须与比DC分量频率高很多的频率ω₁相分离，而在根据现有技术的设备中，其中使用二次(或更高次)谐波稳定输出信号，彼此略有不同的两个频率ω₁和ω₂将彼此分离。这非常困难，因而可能需要更复杂的部件。

根据本发明的实施例，稳定电路可以包括前馈回路。

根据其它实施例，稳定电路可以包括反馈回路。

根据本发明的实施例，反馈回路可以包括减法器和积分回路滤波器。根据其它实施例，反馈回路还可以包括乘法器，其可以受到积分回路滤波器的输出控制。在根据该实施例所述的设备中，磁电阻元件用作增益乘法器。

根据该实施例所述的设备将很少遇到关于(例如)稳定性的设计的可能复杂问题，这是因为与根据在先实施例所述的实现相反，由于在反馈回路中不存在可控电流源和GMR元件，因此反馈回路在回路中包括很少的元件。

根据本发明的实施例，电子装置还可以包括用于放大感测信号的放大器。

根据本发明的实施例，磁场发生器可以适于对可磁化对象进行磁化，并且至少一个磁电阻元件可以适于感测由可磁化对象在被磁化时所产生的磁场。根据这些实施例所述的设备可以用于检测存在于样品中并且用磁颗粒标记的靶分子。

根据本发明的实施例所述的磁电阻传感器可以用于分子诊断、生物样品分析或化学样品分析。

本发明还提供一种包括根据本发明所述的至少一个磁电阻传感器的生物芯片。

根据本发明的实施例，生物芯片可以包括多个磁电阻传感器，其中，至少一个磁电阻传感器可以用作参考传感器，并且其中，可以通过使用从至少一个参考传感器得到的信息来执行磁电阻传感器的输出电信号振幅的稳定。

根据本发明的实施例所述的生物芯片可以用于分子诊断、生物样品分析或化学样品分析。

本发明还提供了一种用于使指示磁电阻传感器的磁场发生器中所产生的磁场的输出电信号分量稳定的方法。该方法包括：

—产生磁场，其也称为所产生的磁场；

—产生指示由感测电流在磁电阻元件中所感生的磁场的感测信号，以及

—产生从所述感测信号得到的输出电信号，

其中，该方法还包括：

—稳定指示所产生的磁场的输出电信号分量。

本发明还提供了一种用于使磁电阻传感器的输出电信号的振幅稳定的方法。该方法包括：

—产生磁场，

—产生指示由感测电流在磁电阻元件中所感生的磁场的感测信号，以及

—产生从所述感测信号得到的输出电信号，

其中，该方法还包括：

—根据所述感测信号确定DC分量，以及

—响应于所述确定的DC分量使指示磁场的输出电信号的振幅稳定。

通过将感测信号中的DC分量解释为增益指标，而不是使用如现有技术方案中的感测信号中的二次(或更高次)谐波，能够限制甚至忽略根据那些现有技术方案的磁电阻传感器中出现的缺点。

根据本发明所述的方法的又一优点在于，其抑制了感测电流中的变化，从而可以使用可控高欧姆电压源代替实际电流源来输送感测电流。这便于实现低噪声感测电流发生器。低噪声电压源易于通过例如对频域中输出进行滤波来实现。

根据本发明的实施例，确定DC分量的步骤可以通过进行低通滤波从感测信号中提取所述DC分量来执行。根据这些实施例所述的方法仅需要简单的低通滤波器，这是因为DC分量必须与高于DC分量频率的频率ω₁相分离，而在根据现有技术的设备中，其中使用二次(或更高次)谐波稳定输出信号，彼此略有不同的两个频率ω₁和ω₂将彼此分离，因而可能需要更复杂的部件。

根据本发明的实施例，稳定输出电信号的振幅的步骤可以由规范器执行。

根据本发明的实施例，产生磁场的步骤可以包括产生磁场以对可磁化对象进行磁化，并且感测磁场的步骤可以包括感测由所述可磁化对象在被磁化时产生的磁场。

根据本发明的实施例所述的方法可以用于分子诊断、生物样品分析或化学样品分析。

本发明的教导允许设计出改进的方法和设备，用于稳定磁电阻传感器的输出电信号的振幅。

本发明的上述及其它特性、特征和优点将从下面参照附图的详细描述中变得显而已见，在附图中通过举例的方式示出了本发明的原理。仅处于举例的目的给出该描述，而非限制本发明的范围。下文中引用的参考数字指代附图。

图1示出了根据现有技术已知的具有集成磁场激励的磁电阻传感器；

图2示出了作为所施加的外部磁场的函数的GMR元件的电阻；

图3示意性示出了磁电阻传感器中的磁串扰；

图4示出了GMR堆栈的横截面，其中示意性指示出通过堆栈的电流；

图5示意性示出了在一方面通过使电流流过磁场发生装置产生的外部磁场和另一方面由磁电阻传感器元件自身产生的内部磁场的贡献；

图6示意性示出了根据本发明一个实施例的磁电阻传感器设备；

图7示意性示出了根据本发明另一实施例的磁电阻传感器设备；

图8示意性示出了根据本发明又一实施例的磁电阻传感器设备；

图9示出了包括根据本发明实施例所述的磁电阻传感器的生物芯片。

在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或类似的元件。

本发明将参考具体实施例并参照一定的附图进行描述，但是本发明并不局限于此，而是仅由权利要求限定。权利要求中的任何附图标记不应当理解为限制保护范围。所述的附图仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，出于图示目的，一些元件的尺寸可能被放大，而并未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用术语“包括”的地方，并不排除有其它元件或步骤。虽然当引用单数名词时使用了不定冠词或定冠词，例如“一”或“一个”、“该”或“所述”，但是除特定说明外这还包括该名词的复数形式。

此外，说明书和权利要求书中使用第一、第二、第三等术语来区分相似元件，而并不一定描述顺序或时序。应当理解到的是，这样使用的术语在合适的情况下是可以互换的，并且本文所描述的本发明的各实施例能够以不同于本文所描述或图示的其它顺序进行操作。

而且，出于描述目的而非必要地在说明书和权利要求书中使用顶部、底部等术语来描述相对位置关系。应当理解到的是，这样使用的术语在合适的情况下是可以互换的，并且本文所描述的本发明的各实施例能够以不同于本文所描述或图示的其它取向进行操作。

本发明涉及具有稳定输出电信号特性的磁电阻传感器，涉及一种包括至少一个这种磁电阻传感器的生物芯片，以及涉及一种用于稳定磁电阻传感器的输出电信号的方法。具有稳定输出电信号是指根据存在于传感器中磁电阻元件的灵敏度S_GMR的变化和通过磁电阻元件所发送的感测电流的振幅的变化，单独地形成输出电信号。而且，磁传感器可以是基于对传感器表面上或附近待测颗粒的磁性能进行检测的任意合适的传感器。因此，磁传感器可设计为线圈、磁电阻传感器、磁限制(magnetorestrictive)传感器、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感器、SQUID(半导体超导量子干扰设备)、磁共振传感器或设计为另一由磁场致动的传感器。

根据本发明所述的磁电阻传感器包括磁场发生器，其用于产生磁场，进一步也称为所产生磁场；至少一个磁电阻元件，其用于感测磁场；电流源，其用于使感测电流I_感测流过至少一个磁电阻元件，由此产生取决于所感测磁场的感测信号；以及读出电子器件，其用于产生从感测信号得到且具有振幅的输出电信号，该读出电子器件包括稳定电路。根据本发明，稳定电路包括用于确定感测信号中DC分量的装置，以及用于通过使用DC分量而稳定输出电信号的振幅的装置，或者更一般而言，稳定电路包括用于稳定指示所产生磁场的输出电信号分量的装置。

磁场发生器可以用于对存在于磁电阻传感器附近并且连附到待检测靶分子的可磁化对象进行磁化。可磁化对象优选是磁纳米颗粒，但是也可以是任何其它可以连附到靶分子的合适的可磁化对象。本发明将进一步借助于一个或多个磁电阻传感器进行描述，所述磁电阻传感器具有用于磁化可磁化对象的磁场发生器，以及用于感测可磁化对象在被磁化时所产生的磁场的至少一个磁电阻元件，其中，可磁化对象是磁纳米颗粒。根据本发明的实施例，磁场发生器可以包括至少一个导体。应当理解到的是，这并不以任何方式限制本发明。

至少一个磁电阻元件用于感测由磁场发生器所产生的、或者由诸如磁纳米颗粒的可磁化对象在被由磁场发生器产生的磁场磁化时所产生的磁场。根据本发明的实施例，磁电阻元件可以是其中当由于施加磁场而一层或多层的磁化方向发生变化时电阻也发生变化的元件，例如巨磁电阻(GMR)元件、隧道磁电阻(TMR)元件或各向异性磁电阻(AMR)元件。

在GMR技术中，已经研发出这样的结构，其中使两层薄磁膜靠近。通常通过使第一磁薄膜紧靠交换偏置层而钉扎第一磁薄膜，这意味着其磁取向是固定的，所述交换偏置层是固定第一磁薄膜的磁取向的一层反铁磁材料。第二磁层或自由层具有自由可变的磁取向。磁场的变化使得自由磁层的磁取向发生旋转，这又增加或减少了GMR结构的电阻，其中根据本发明，磁场的变化源自于磁性材料磁化的变化，所述磁性材料例如为传感器附近的磁纳米颗粒(例如，超顺磁颗粒)。通常在传感器和被固定的层在相同方向上进行磁取向时发生低电阻。在传感器和被固定的层的磁取向彼此相反时发生较高电阻。

在系统中可以观察到，TMR包含绝缘(隧道)势垒(barrier)隔离的两个铁磁电极层。该势垒必须非常薄，即，必须是1nm的量级，以便电子能够穿隧该势垒。这就是量子力学传输过程。通过利用交换偏置层，可以改变一层的磁排列，而不影响其它层。磁场的变化使得一个铁磁电极层的磁取向发生旋转，这又增加或减少TMR结构的电阻，其中根据本发明的实施例，磁场的变化源自于诸如超顺磁纳米颗粒的磁性材料的磁化变化。

铁磁材料的AMR是电阻对电流与磁化方向成角的依赖性。该现象是因为铁磁材料的电子散射截面的不对称性。

本发明将借助于GMR元件进行描述，但是应当理解到的是，这并不以任何方式限制本发明，并且代替这些GMR元件，也可以应用任何其它具有取决于磁场的性质或参数的装置，例如上述的TMR和AMR。

图3示出了根据本发明一个实施例的磁电阻传感器20的横截面。磁电阻传感器20包括磁电阻元件21，在给定示例中为GMR元件；以及磁场发生器，在给定示例中包括两个电导体22。

由于磁电阻传感器20中的非对称电流分布，其根据该实例包括带有GMR堆栈的GMR元件21，因此感测电流I_感测将引入平面内磁场分量H_内部，在图3中由箭头23所指示：

H_内部＝α·I_感测                            (2)

其中，α是常数值，而I_感测是通过磁电阻元件21，在该实例中为GMR元件发送的感测电流。平面内磁场分量23还将由磁电阻元件21，在该实例中为GMR元件进行感测。平面内磁场分量H_内部的效应将解释为内部磁串扰。

图4示出了GMR元件21的横截面，该元件包括GMR堆栈24，其中示意性示出了流过GMR堆栈24的感测电流I_感测。GMR堆栈24包括非磁层25、自由或敏感磁层26和钉扎层(pinned layer)27。GMR堆栈24中的电流分布集中在自由或敏感层26和钉扎层27之间的非磁层25。将感测电流I_感测的重心移动至自由或敏感层26正下的最佳位置，从而使得自由或敏感层26中感测电流I_感测所感生的磁场强度更大，这增加了稳定电路的控制范围和增益。这可以通过优化堆栈中电阻平衡，例如通过为堆栈增加低欧姆层或通过改变GMR堆栈24中不同层的厚度而实现。例如，可以通过改变例如NiFe层的自由磁层的厚度和/或例如CoFe层的钉扎磁层的厚度而改变电阻平衡。上述定义的参数α和s_GMR都是GMR堆栈24中电流分布的函数。

如上所述，由磁电阻元件21自身的感测电流I_感测所产生的平面内磁场分量由图3中箭头23指示。由于例如GMR元件的磁电阻元件21自身的感测电流I_感测所产生的平面内磁场分量23，因此产生的感测信号进而从该感测信号得到的任何信号、例如从该感测信号得到的输出电信号，并未产生关于例如待检测靶分子的可靠测量值，这是因为所感测的信号不仅仅源自于外部磁场，例如由连附到靶分子的可磁化对象所产生的磁场。作为例如不稳定电流源的原因，该平面内磁场分量23还可以随着时间变化，并且产生不稳定的输出电信号。

图5示出了部分的磁传感器20，其中除了例如源自于诸如磁纳米颗粒的可磁化对象的外部磁场H_外部之外，还指示出由在例如GMR元件的磁电阻元件21自身中的感测电流I_感测所产生的内部磁场H_内部。电流源28将感测电流I_感测＝I_2sin(ω₂t)提供给例如GMR元件的磁电阻元件21。感测电流I_感测在整个例如GMR元件的磁电阻元件21上产生感测信号U_GMR。随后，感测信号U_GMR可以被放大器29放大，该放大器29输送信号U_AMP。如上所述，感测电流I_感测在GMR元件21的敏感层26中产生平面内磁场分量23(参见等式(2))。平面内磁场分量H_内部的效应可以解释为内部磁串扰，并且将在信号U_GMR中产生电压分量：

结果，感测信号U_GMR包括DC分量，根据本发明该DC分量将用于获得具有稳定振幅的输出电信号U₀。下面将对这点进行说明。GMR元件21的敏感层26中的总平面内磁化强度H_X等于：

H_X＝H_外部+α·I_感测                                     (4)

感测信号U_GMR可以表达为：

通过代入I_感测＝I₂sinω₂t，感测信号U_GMR可以写为：

U_GMR＝I₂sinω₂t(R_GMR+s_GMR·H_外部)+I₂sin²ω₂t·s_GMR·α      (6)

假设来自珠的磁场H_外部＝H_1sinω₁t，那么在一些计算之后获得下式：

$U_{\mathrm{GMR}}=\frac{1}{2}{I}_2^2\·s_{\mathrm{GMR}}\·\mathrm{\α}$

$-\frac{1}{2}{I}_2^2\·s_{\mathrm{GMR}}\·\mathrm{\α}\·\cos 2{\mathrm{\ω}}_{2}t---\left(7\right)$

$+\frac{1}{2}{I}_2\·s_{\mathrm{GMR}}\·H_1[\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t-\cos ({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)t]$

等式(7)中第一项是DC分量，并且还将称为增益指标G。DC分量或增益指标G等于：

$G=\frac{1}{2}{I}_2^2\·s_{\mathrm{GMR}}\·\mathrm{\α}---\left(8\right)$

根据本发明，该DC分量或增益指标G将用于稳定输出电信号的振幅。

因此，根据本发明，磁电阻传感器20的电子读出装置包括用于稳定输出电信号的振幅的稳定电路，由此产生可靠的测量值，该测量值并不受磁电阻元件(21)的灵敏度s_GMR的变化或者I₂或感测电流I_感测的振幅中的变化的影响，或者换言之，不受电流源28的波动的影响。

下文中，将借助不同的实施例描述本发明。

图6中示意性示出了根据本发明第一实施例的磁电阻传感器20。磁电阻传感器20可以包括磁场发生器(图中未示出)，其可以是位于其中设有传感器20的衬底外部或内部的磁场发生器，用以提供外部磁场H_外部。位于其中设有传感器20的衬底内部的磁场发生器的实例可以例如包括两个电流导体22，如图3中所示。此外，磁电阻传感器20还可以包括至少一个磁电阻元件21，用于使感测电流I_感测流过该至少一个磁电阻元件21由此产生感测信号U_GMR的电流源，以及用于产生从感测信号U_GMR得到的输出电信号U₀的电子装置30，该电子装置30至少包括稳定电路30a，其用于稳定输出电信号U₀的振幅进而用于获得具有稳定振幅的输出电信号U₀。具有稳定的振幅意味着输出电信号U₀对于磁电阻传感器元件21的灵敏度s_GMR不敏感或者不取决于磁电阻传感器元件21的灵敏度s_GMR，并且其对于I₂的变化、即对电流源28输送的感测电流I_感测的振幅的变化不敏感或者不取决于I₂的变化、即电流源28输送的感测电流I_感测的振幅的变化。

稳定电路30a包括用于确定感测信号U_GMR中DC分量的装置和用于稳定输出电信号U₀的振幅的装置，进而稳定电路30a通过使用DC分量而获得具有稳定振幅的输出电信号U₀。

根据本实施例，稳定电路30a可以包括低通滤波器31，优选为DC或0Hz滤波器，用于从感测信号U_GMR中提取DC分量，也称为增益指标G：

$G=\frac{1}{2}{I}_2^2\·s_{\mathrm{GMR}}\·\mathrm{\α}---\left(9\right)$

低通滤波器31可以是低阶滤波器，优选是1阶到3阶滤波器。稳定电路30a还可以包括规范器32，其具有耦合至放大器29的输出端的信号输入端，用于接收信号U_AMP，该信号U_AMP是放大后的感测信号U_GMR，所述规范器32还具有耦合至乘法器33的输入端的信号输出端，用于输送信号U_规范。增益指标G在前馈回路中耦合到规范器32。在规范器32中，信号U_AMP根据下式控制：

在实际的实现中，如图6中所示，增益_max根据下式限制规范器32的最大增益：

以便当G＝0时避免过度的噪声放大。规范器32的操作是本领域技术人员熟知的，因此将不再赘述。

信号U_规范是通过使用DC分量或增益指标G来稳定振幅的信号。这样稳定的信号U_规范随后可以由乘法器33同步解调，乘法器33将信号U_规范乘以cos(ω₁-ω₂)t或cos(ω₁+ω₂)t，或乘以这些信号的组合。在放大器33的输出端处的结果信号U_MP随后可以由低通滤波器34进行滤波，所述低通滤波器34输送输出电信号U₀，所述输出电信号U₀是与存在于磁电阻传感器20处的外部磁场有关的测量值，例如，诸如磁纳米颗粒的可磁化对象的浓度测量值，进而，在该情况下，是待确定靶分子、例如生物分子的浓度测量值。输出电信号U₀并不受灵敏度S_GMR的变化和感测电流I_感测的振幅(I₂)的变化的影响。

在根据本发明的第二实施例中，如图7中所示，稳定电路30a可以包括减法器35，其中从放大后的感测信号U_AMP中减去预定值sp_AGC。预定值sp_AGC是期望的G值或设定点。控制回路调整感测电流振幅以达到该值。sp_AGC的值可以是所需信噪比所确定的最小值与传感器元件21中允许的功耗所确定的最大值之间的任意值。

结果信号是误差信号U_误差，并且被输送至积分回路滤波器36。预定值sp_AGC确定由放大器29、减法器35、积分回路滤波器36、电流源28和诸如GMR元件的磁电阻元件21所形成的负反馈回路的操作点。积分回路滤波器36的输出信号随后可以用于调节电流源28所输送的感测电流I_感测的振幅。因此，如果反馈回路的增益足够高，则减法器35的输出端处或积分回路滤波器36的输入端处的误差信号U_误差将被控制至近似零。因此，磁电阻传感器20的有效灵敏度将等于预定值，因而得以稳定。这样稳定的信号U_AMP随后可以由乘法器33同步解调，所述乘法器33将该信号乘以cos(ω₁-ω₂)t或cos(ω₁+ω₂)t，或乘以这些信号的组合。在放大器33的输出端处的结果信号U_MP随后可以由低通滤波器34进行滤波，所述低通滤波器34输送输出电信号U₀，该输出电信号U₀是与存在于磁电阻传感器20处的外部磁场有关的测量值，例如，诸如磁纳米颗粒的可磁化对象的浓度测量值，因而是待确定靶分子、例如生物分子的浓度测量值。输出电信号U₀并不受磁电阻元件21的灵敏度S_GMR的变化或感测电流I_感测的振幅或I₂中的变化的影响，或者换言之不受电流源28的波动的影响。

图8中示出了根据本发明的另一实施例。在该实施例中，类似于图7中所述的实施例，稳定电路30a可以包括减法器35和积分回路滤波器36。在减法器35中，从信号U_AMP中减去预定值sp_AGC。预定值sp_AGC是期望的G值或设定点。控制回路调整感测电流振幅以达到该值。sp_AGC的值可以在所需信噪比所确定的最小值与传感器中允许的功耗所确定的最大值之间。

结果信号是误差信号U_误差，并且将被输送至积分回路滤波器36。

根据该实施例，稳定电路30a还包括第二乘法器37，其第一输入端耦合至放大器29的输出端。根据本实施例，积分回路滤波器36的输出端并不是像图7所示并且如上所述的实施例的情况那样耦合至电流源28，而是耦合至乘法器37的第二输入端。因而，放大后的感测信号U_AMP与增益指标G相乘。乘法器37用于在积分回路滤波器36的输出控制下影响信号U_AMP的振幅。

应当注意到，虽然在图7和图8中实现的磁电阻传感器20之间大体相同，但是这两个电路的工作原理不同。图8中所示的电路的工作原理类似于图6中所示的电路的工作原理。在图6和图8中，输出电信号U₀的振幅完全受电控制，然而在图7中，使用磁电阻元件21作为“增益乘法器”。

基本上，根据本实施例，由第二乘法器37、减法器35和积分回路滤波器36所形成的负反馈回路执行与图6中低阶低通滤波器31和规范器32所形成的前馈回路类似的功能，即放大后的感测信号的振幅通过将其与增益指标G直接组合进行稳定。这不同于图7中所示的实施例的工作原理，在图7所示的实施例的工作原理中，通过借助于增益指标G改变感测电流I_感测而稳定放大后的感测信号的振幅。

还应当注意到的是，关于根据图7所述的磁电阻传感器20的实现，根据图8所述的实现将很少受到关于例如稳定性的设计的可能复杂性的影响，这是因为反馈回路在回路中包括更少的元件，这与根据图7的实现相反，可控制电流源28和GMR元件21不存在反馈回路中。

通过将感测信号U_GMR中的DC分量解释为增益指标，而不是如现有技术解决方案在感测信号中使用二次(或更高次)谐波，可以限制甚至忽略根据那些现有技术解决方案的磁电阻传感器中存在的缺点。

根据本发明的磁电阻传感器20的又一优点是，其还抑制了感测电流I_感测的变化，从而使得可以使用可控制高欧姆电压源，来代替用于输送感测电流I_感测的真实电流源。这简化了低噪声感测电流发生器28的实现。通过例如对频域中输出进行滤波，更易于实现低噪声电压源。

由磁电阻元件21、该实例中为GMR元件中的感测电流I_感测所产生的平面内磁场分量H_内部自身集中于磁电阻元件21、例如GMR元件，从而使得在位于磁电阻传感器20的表面处的可磁化对象、例如磁纳米颗粒和施加于磁电阻元件21、例如GMR元件的感测电流I_感测之间存在可忽略的相互作用。因此，根据本发明，在其中通过与可磁化对象、也称为磁珠相互作用而测量外部磁场的实施例中，对诸如GMR元件的磁电阻元件21所产生的该平面内磁场分量的校正自身可以与实际磁珠测量同时施加。

应当注意，因为感测电流I_感测所感生的磁场的AC振幅小，所以可以忽略由于非线性磁电阻、例如GMR特性而产生的谐波失真分量。这是因为对于所施加的磁场振幅，可以假设R(H)特性(参考图2)是线性的。

在另一方面，本发明还提供了一种生物芯片，其包括根据本发明各实施例的至少一个磁电阻传感器20。图9示出了根据本发明一个实施例的生物芯片40。生物芯片40可以包括集成在衬底41上的根据本发明实施例的至少一个磁电阻传感器20。术语“衬底”可以包括任何一种或多种可以使用的下层材料，或者任何一种或多种可以其上形成设备、电路或外延层的下层材料。术语“衬底”可以包括半导体衬底，例如掺杂硅、砷化镓(GaAs)、砷化镓磷(GaAsP)、磷化铟(InP)、锗(Ge)或锗化硅(SiGe)的衬底。例如，“衬底”除了半导体衬底部分可以包括诸如SiO₂或Si₃N₄层的绝缘层。因而，术语“衬底”还包括玻璃、塑料、陶瓷、玻璃上硅、蓝宝石上硅的衬底。因而，术语“衬底”通常用于定义位于感兴趣层或部分下的各层的元件。同样，“衬底”可以是任何其它在上面形成诸如玻璃或金属层的层的底部。

根据本发明的各实施例，在相同的衬底41上可以集成单个磁电阻传感器20或多个磁电阻传感器20，以形成生物芯片40。

磁电阻传感器20的磁场发生器22可以是衬底41外部的磁场发生器，或者如图9中所示的本实例中，还可以集成在衬底41中。根据本实例，磁场发生器22可以包括第一和第二电导体，例如，其由第一电流导线22a和第二电流导线22b来实现。同样，可以应用其它装置代替电流导线22a、22b以产生外部磁场。此外，磁场发生器22还可以包括另一数量的电导体。根据其它实施例，磁场发生器22还可以位于衬底41外侧。

在每个磁电阻传感器20中，至少一个磁电阻元件21、例如GMR元件可以集成在衬底41中，以读取由生物芯片40所收集的信息，进而例如经由连附到靶颗粒43的可磁化对象45、例如磁纳米颗粒来读取靶颗粒43是否存在，由此确定或估计靶颗粒43的分布浓度(areal desity)。可磁化对象45、例如磁颗粒优选由所谓的超顺磁珠来实现。能够选择性结合靶分子43的结合位点42连附在探针元件44上。探针元件44连附在衬底41顶部。

将在下文中对生物芯片40的功能，进而还对磁电阻传感器20的功能进行解释。每个探针元件44可以设置有特定类型的结合位点42，用于结合预定靶分子43。包括待检测靶分子43的靶样品可以给予或者传送给生物芯片40的探针元件44，并且如果结合位点42和靶分子43匹配，则它们彼此结合。超顺磁珠45或者更一般地可磁化对象，可以直接或间接耦合至靶分子43。可磁化对象、例如超顺磁珠45允许读取由生物芯片40收集的信息。

在图9所示的实施例中，外部磁场磁化可磁化对象、例如超顺磁珠45，其作为响应产生可以由磁电阻元件21、例如GMR元件检测到的磁场。虽然并非必须，磁电阻元件21、例如GMR元件应当优选定位成这样，即由通过磁电阻元件21、例如GMR元件的可磁化对象45产生的响应磁场的部分位于磁电阻元件21、例如GMR元件的敏感方向上。

根据本发明的各实施例，生物芯片40可以包括磁电阻传感器20的阵列，其中一个磁电阻传感器20作为参考传感器，并且其中，其它磁电阻传感器20的输出电信号U₀的振幅在从参考传感器得到的信息的帮助下得以稳定。根据这些实施例，假设增益变化对于阵列中每个磁电阻传感器20是相同的。这种假设很好是因为传感器在同一生物芯片40上彼此靠近。

根据本发明的磁电阻传感器20、生物芯片40和方法可以用于分子诊断、生物样品分析或化学样品分析。

应当理解的是，虽然本文针对根据本发明的设备已经讨论了优选实施例、具体结构和构造，但是在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以在形式和细节上进行各种改变或修改。

Claims (23)

1、一种磁电阻传感器(20)，包括：

—磁场发生器(22)，其用于产生磁场，

—至少一个磁电阻元件(21)，其用于感测所述磁场，

—电流源(28)，其用于使感测电流(I_感测)流过所述至少一个磁电阻元件(21)，这样产生取决于所述所感测磁场的感测信号(U_GMR)，以及

—电子装置(30)，其用于产生从所述感测信号(U_GMR)得到且具有振幅的输出电信号(U₀)，所述电子装置(30)包括稳定电路(30a)，

其中，所述稳定电路(30a)包括用于确定所述感测信号(U_GMR)中DC分量(G)的装置和用于响应所述DC分量(G)而稳定所述输出电信号(U₀)的所述振幅的装置。

2、根据权利要求1所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述用于确定所述DC分量(G)的装置包括低通滤波器(31)。

3、根据权利要求2所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述低通滤波器是低阶低通滤波器(31)。

4、根据权利要求2所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述用于稳定所述输出电信号(U₀)的所述振幅的装置包括受所述感测信号(U_GMR)中DC分量的振幅控制的规范器(32)。

5、根据权利要求1所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述稳定电路(30a)包括前馈回路。

6、根据权利要求1所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述稳定电路(30a)包括反馈回路。

7、根据权利要求6所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述反馈回路包括减法器(35)和积分回路滤波器(36)。

8、根据权利要求6所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述反馈回路还包括乘法器(37)。

9、根据权利要求1所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述电子装置(30)还包括用于放大所述感测信号(U_GMR)的放大器(29)。

10、根据权利要求1所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述磁电阻元件(21)是GMR元件、TMR元件或AMR元件。

11、根据权利要求1所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述磁场发生器(22)包括至少一个电导体。

12、根据权利要求11所述的磁电阻传感器(20)，其中，所述至少一个电导体由至少一根导线(22a，22b)形成。

13、根据权利要求1所述的磁电阻传感器(20)，其中

—所述磁场发生器(22)适于对可磁化对象进行磁化，以及

—所述至少一个磁电阻元件(21)适于感测由所述可磁化对象在被磁化时产生的磁场。

14、一种生物芯片(40)，包括根据权利要求13所述的至少一个磁电阻传感器(20)。

15、根据权利要求14所述的生物芯片(40)，包括多个磁电阻传感器(20)，其中，至少一个磁电阻传感器(20)用作参考传感器，并且其中，通过使用从所述至少一个参考传感器得到的信息来执行对所述磁电阻传感器(20)的所述输出电信号(U₀)的所述振幅的稳定。

16、根据权利要求13所述的磁电阻传感器(20)在分子诊断、生物样品分析或化学样品分析中的用途。

17、根据权利要求14所述的生物芯片(40)在分子诊断、生物样品分析或化学样品分析中的用途。

18、根据权利要求15所述的生物芯片(40)在分子诊断、生物样品分析或化学样品分析中的用途。

19、一种用于稳定磁电阻传感器(20)的输出电信号(U₀)的振幅的方法，所述方法包括：

—产生磁场，

—产生指示出由感测电流(I_感测)在磁电阻元件(21)中所感生的磁场的感测信号(U_GMR)，以及

—产生从所述感测信号(U_GMR)得到的输出电信号(U₀)，

其中，所述方法还包括：

—根据所述感测信号(U_GMR)确定DC分量(G)，以及

—响应所述已确定的DC分量(G)而稳定指示所述磁场的所述输出电信号(U₀)的振幅。

20、根据权利要求19所述的方法，其中，确定DC分量(G)的所述步骤通过由低通滤波从所述感测信号(U_GMR)中提取所述DC分量(G)来执行。

21、根据权利要求20所述的方法，其中，稳定所述输出电信号(U₀)的振幅的所述步骤由规范器(32)来执行。

22、根据权利要求19所述的方法，其中

—产生磁场的所述步骤包括产生用于对可磁化对象进行磁化的磁场，并且其中

—感测所述磁场的所述步骤包括感测由所述可磁化对象在被磁化时所产生的磁场。

23、根据权利要求22所述的方法在分子诊断、生物样品分析或化学样品分析中的用途。

Images