CN101454683A - 具有自适应场补偿的传感器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁传感器设备，其包括激励线和GMR传感器(12)，所述激励线用于产生交变的激励磁场(B_i)，所述GMR传感器(12)用于感测由磁化颗粒(2)反作用于所述激励场而产生的反作用场(B2)。并且，其包括用于产生补偿磁场(B3)的补偿器(15)，所述补偿磁场(B3)自适应地抵消位于磁传感器元件(12)的感测方向上的所有磁场(B2、B3)的预定频谱分量。因此，GMR传感器(12)的测量可以有效地抵抗传感器的增益变化。

Description

具有自适应场补偿的传感器设备

技术领域

本发明涉及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的磁传感器设备。并且，本发明包括这种磁传感器设备的应用以及用于检测研究区域中的磁性颗粒(magnetic particle)的方法。

背景技术

从WO 2005/010543 A1和WO 2005/010542 A2中已知一种磁传感器设备，其例如可以在微流体生物传感器中用于检测以磁珠(magnetic bead)标记的生物分子。微传感器设备设置有传感器阵列，该传感器阵列包括用于产生激励磁场的激励线(excitation wire)以及用于检测已磁化的磁珠产生的反作用场的巨磁阻(Giant Magneto Resistances，GMRs)。并且，GMR的信号指示传感器附近的磁珠的数目。这种磁传感器设备的问题在于GMR受到相对较强的激励磁场以及其他干扰场的影响，这可导致所需的信号出错。因此，在WO 2005/010503 A1中特别建议利用正弦电流和自适应电流之和来驱动GMR传感器附近的配线，其中该自适应电流恰好补偿已由静态外部激励磁场磁化的磁珠所产生的反作用场。

发明内容

基于这种情况，本发明的目的在于提供一种允许利用可良好抵抗不同源的磁场的干扰的磁传感器设备进行测量的手段。

该目的通过根据权利要求1所述的磁传感器设备、根据权利要求16所述的方法以及根据权利要求18所述的应用来实现。在从属权利要求中公开了优选实施例。

根据本发明的磁传感器设备用于检测研究区域中的磁化颗粒，例如在微流体设备的样本室中的磁珠，其包括下列组件：

a)至少一个磁场发生器，用于在所述研究区域中产生交变的激励磁场，例如，具有激励频率f₁的周期性的正弦或方波场。所述磁场发生器例如可由微芯片的衬底上的线(“激励线”)来实现。

b)与上述磁场发生器相关联的至少一个磁传感器元件，在这个意义下，所述磁传感器元件能够感测由所述磁化颗粒反作用于上述激励磁场而产生的反作用磁场。所述磁传感器元件通常主要(或仅)对与传感器元件的“感测方向”平行的磁场向量的分量敏感。基于传感器元件表面上或附近的待测量的颗粒的磁特性的检测，磁传感器元件可以是任意适当的传感器元件。因此，所述磁传感器元件可以被设计为线圈、磁阻传感器、磁约束(magneto-restrictive)传感器、霍尔(Hall)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致动的其他传感器。

c)至少一个磁场补偿器，用于在磁传感器元件中产生补偿磁场。所述磁场补偿器例如可以通过微芯片的衬底上的线(“补偿线”)来实现。

d)反馈控制器，其输入耦合到所述磁传感器元件，其输出耦合到所述磁场补偿器，该反馈控制器用于自适应地控制所述磁场补偿器，使得在所述磁传感器元件中起作用的所有磁场的预定频谱分量基本上抵消。具体而言，所述控制器可以是控制流过补偿线的电流的大小和方向的电路。在极端情况下，“预定频谱分量”可以包括所有频率的全部频谱，或者它们可以仅包括该全部频谱的有限频带。在本文中，如果磁场能够产生磁传感器元件的信号，则该磁场被认为是“在所述传感器元件中起作用”；通常只有在磁传感器元件的感测方向上的磁场的向量分量构成所述磁场的“起作用”的部分。并且，如果由磁传感器元件中的磁场产生的信号保持低于给定阈值，例如低于磁传感器元件所能产生的最大信号的2％，或者低于磁传感器元件所产生的噪声的大小，则磁传感器元件中的磁场被认为“基本上抵消”。

在上述类型的磁传感器元件中，在测量过程中磁场沿其感测方向为(接近)零。这样的优点在于能够最小化干扰，尤其是由于Barkhausen效应造成的噪声，从而实现精确度提高的测量。

根据进一步的发展，所述磁传感器元件包括评价单元，该评价单元耦合到所述磁传感器元件或耦合到所述反馈控制器的输出，该评价单元用于确定由磁化颗粒的反作用磁场引起的信号分量。当然，所述磁传感器设备可以同时包括两个这样的评价单元，一个耦合到所述磁传感器元件，而一个耦合到所述反馈控制器的输出。

在本发明的第一重要变型中，由反馈控制器抵消的预定频谱分量包括由研究区域中的磁化颗粒的反作用磁场产生的那些信号的频率。因此，仅对感兴趣的信号补偿干扰。在该实施例中，上述评价单元将特别耦合到所述反馈控制器的输出，因为所述磁传感器元件的直接输出在感兴趣的频率范围内变为零。

在本发明的第二重要变型中，由反馈控制器抵消的预定频谱分量不包括由研究区域中的磁化颗粒的反作用磁场产生的那些信号的频率。因此反馈回路不(直接)改变感兴趣的磁信号，并且上述类型的评价单元通常将直接耦合到磁传感器元件。去除除了感兴趣的频率之外的其他频率处的干扰对测量有间接的积极影响，因为例如，降低了传感器元件的灵敏度变化。

磁传感器设备优选可以包括位于所述磁传感器元件和所述反馈控制器之间的解调器。这种解调器可以用于在不是全部频谱均要被处理的情况下提取测量信号所需的频谱分量。

具体而言，所述磁传感器元件可以以非零感测频率f2来驱动。这个频率使得能够检测传感器信号中的驱动操作的影响，并且相对于信号频谱中的噪声最优地定位感兴趣的信号分量。

在磁传感器设备的优选设计中，包括(至少)所述磁传感器元件、所述反馈控制器和所述磁场补偿器的控制回路的增益(其绝对值)大于10，优选大于100。如将参照附图所说明的，在这种情况下能够最小化磁传感器元件的影响，从而使得测量良好地抵抗所述元件的(增益)变化。

在许多情况下，反馈控制器的线性设计足以在至少给定工作点处实现令人满意的控制特性。在本发明进一步的发展中，所述反馈控制器包括非线性模块，该非线性模块补偿所述磁传感器元件、所述磁场发生器和/或所述磁场补偿器的非线性特性。那么，可以考虑已知的非线性，从而提高了反馈控制器的精确性，并且扩展了其工作范围。

在上述实施例中，所述非线性模块优选包括仅取决于传感器设备的几何结构的特征曲线。这种曲线例如可以由理论上的考虑一次性确定或者由相同传感器设计的产品系列的校准来确定。

所述磁场补偿器必须设置为使得其在所述磁传感器元件中的所需效果最优地实现，同时尽可能少地干扰设备的其他元件。因此，该补偿器通常设置在磁传感器元件的附近，例如，与磁传感器元件的距离小于磁传感器元件的最大直径的10倍。并且，其优选设置在相对于磁场发生器的镜像位置。

所述磁场补偿器其自身可以是硬件组件，例如单独的导线。然而，一个且相同的电子硬件组件可以一方面用作磁场补偿器，且另一方面用作磁场发生器或磁传感器元件。在这种情况下，这取决于所述组件的工作模式是否产生了补偿磁场、产生了激励磁场或测量磁场。如果磁场补偿和磁测量在频谱的不同部分进行，则尤其可能有硬件组件的这种双重应用。

如上所述，磁场发生器和/或磁场补偿器可以特别包括至少一个导线。磁传感器元件具体可以由磁阻元件来实现，例如巨磁阻(GMR)、TMR(隧道磁阻)或者AMR(各向异性磁阻)。并且，磁场发生器、磁场补偿器以及磁传感器元件可以例如使用CMOS技术以及用于在CMOS电路基础上实现磁阻组件的额外步骤来实现为集成电路。所述集成电路可选地还可以包括所述磁传感器设备的控制电路。

在上述情况下，所述磁传感器设备优选包括信号处理电路，其设置在磁传感器元件的附近，例如，与磁传感器元件的距离不大于磁传感器元件最大直径的50倍。磁传感器元件和相关联的处理电路之间的这种接近设置的优点在于使得信号损失和信号对连接引线上的信号干扰最小化；这是有可能的，因为处理电路中产生的磁场的串扰效应由于它们被反馈控制器补偿时而没有危害。

本发明还涉及一种方法，该方法用于检测研究区域中的磁化颗粒，例如固定在传感器表面上的磁珠，所述方法包括以下步骤：

a)在所述研究区域中产生交变的激励磁场。

b)在磁传感器元件中产生补偿磁场，使得在所述磁传感器元件中起作用的所有磁场的预定频谱分量基本上抵消。

c)借助于所述磁传感器元件，确定由所述磁化颗粒反作用于所述激励磁场而产生的反作用磁场。

所述方法通常包括可以利用上述类型的磁传感器设备执行的步骤。因此，可参照前面的描述来获得与该方法的细节、优点以及改进有关的更多信息。

在所述方法的优选实施例中，系统特性的特征由校准测量来确定，并且在产生补偿磁场过程中考虑该系统特性的特征，其中“系统”包括在该方法执行时参与的所有组件(例如磁场发生器、传感器等)。例如，该方法在对补偿磁场与研究区域中的磁化颗粒的数量之间的非线性关系进行补偿时非常有用。

本发明还涉及上述磁传感器设备在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中的应用。分子诊断例如可以利用直接或间接附着于目标分子的磁珠来实现。

附图说明

参照下述实施例的说明，本发明的这些和其他方面将更加显明和清楚。这些实施例将借助于附图通过实例的方式进行描述，在附图中：

图1示出了根据本发明的磁传感器设备的原理图；

图2说明了取决于所施加的磁场的GMR传感器的阻抗；

图3示出了根据本发明的磁传感器设备的基本方框图，还说明了不同位置处的信号频谱；

图4示出了根据本发明的磁传感器设备的扩展方框图；

图5示出了根据本发明的具有低频磁场补偿的磁传感器设备的电路；

图6示出了图5的磁传感器设备的信号频谱；

图7示出了图5的磁传感器设备的变型，其在反馈控制器之前包含有共模电路；

图8示出了根据本发明的使用激励线的磁传感器设备，其中激励线还用作磁场补偿器；

图9示出了根据本发明的施加了用于分别驱动激励线以及磁传感器元件的自适应电流源的磁传感器设备；

图10示出了图9的设备的方框图。

具体实施方式

附图中相似的参考标号指的是相同或相似的组件。

磁阻式生物芯片对于生物分子诊断来说在灵敏度、特异性、集成性、易用性以及成本方面具有良好的特性。这种生物芯片的实例例如在WO2003/054566、WO 2003/054523、WO 2005/010542A2、WO 2005/010543A1或者Rife等人(Sens.Act.A vol.107，p.209(2003))中进行了描述，其全部结合到本申请中以供参考。

图1说明了用于检测超顺磁性颗粒或磁珠2的单个传感器10的原理。由这种传感器10的阵列(例如，100个)组成的磁(生物)传感器设备可以用来同时测量溶液(例如，血液或唾液)中大量不同的生物目标分子1(例如，蛋白质、DNA、氨基酸)的浓度。在结合方案(binding scheme)的一个可能实例中，所谓的“夹心法”，这是通过向结合表面14提供第一抗体3来实现的，目标分子1可以结合在第一抗体3上。随后，载有第二抗体的超顺磁性磁珠2可以附着于结合的目标分子1。在传感器10的激励线11中流动的励磁电流I1产生激励磁场B1，该磁场对超顺磁性磁珠2进行磁化。来自超顺磁性磁珠2的杂散场B2在传感器10的巨磁阻GMR12中感生出共平面(in-plane)的磁分量，这导致可测量的阻抗变化。

图1还说明了作为干扰GMR传感器12的示例性的磁干扰源的作用线圈(actuation coil)16，该作用线圈放置在该传感器设备的盒(cartridge)(或读取器)中，以产生可将磁性颗粒2吸引(或排斥)朝向(或偏离)结合表面14的大磁场B_ext。传感器芯片与作用线圈16的(随机)不重合或非均匀作用场B_ext将在GMR传感器12内部产生显著的磁场B_ext的共平面干扰分量。

在上述种类的磁传感器设备中，基本的传感器元件(例如AMR或GMR)通常具有包围多个磁畴的尺寸，并且因此易于产生Barkhausen(巴克豪森)噪声。Barkhausen效应是在铁磁材料的磁化或去磁过程中产生的铁磁畴或者所排列的原子磁体的微观簇的大小和取向中的一系列突变。众所周知，与磁结构相关联的(Barkhausen)噪声直接与施加到其上的任意时变磁场的强度成正比。

图2描绘了GMR元件12(或类似的磁阻性元件)的阻抗R作为与GMR元件的感测方向平行(即，GMR叠置体的感测层)的磁场分量B_‖的函数。曲线的斜率对应于磁传感器元件的灵敏度s_GMR，并且取决于B_‖。不幸的是，由于传感器中的磁不稳定性、外部施加的磁场、生产公差、机械应力、老化影响、温度或来自例如磁作用场的存储器影响，利用GMR元件进行测量的灵敏度s_GMR以及由此的有效增益对于非可控参数，例如随机灵敏度变化，是敏感的。

图2还利用插图说明了Barkhausen噪声对阻抗值R的影响。显然，当以更小的刻度观察时，平滑的磁化曲线显示为一系列离散的跳变。这些突发的、不连续的畴壁运动可以在时域和频域中进行研究，并且可以将其解释为传感器的灵敏度噪声(或增益噪声)。所述畴壁运动对传感器信号的影响是双重的：

-传感器的灵敏度s_GMR偏移，这影响了校准点。

-产生宽带噪声频谱，这降低了信噪比。

因此，现在的问题在于源自例如，作用线圈16、主机(main)、PC监视器、永磁体等的任何磁干扰可以引起传感器灵敏度s_GMR中的偏移，并且产生宽度(Barkhausen)噪声频谱。由于这一干扰可严重地降低测量精确度，并且人们不能指望没有这些干扰，所以非常需要保护措施。

作为一种解决方案，这里建议将传感器12与至少一个“磁场补偿器”包含在一个控制回路中，其中磁场补偿器将自适应地迫使感测层中的共平面磁场变为零。因此，传感器12将动态地屏蔽任何干扰。

在图1中，上述场补偿器是由GMR传感器12下方与激励线11对称设置的附加的导线15来实现的。当反馈控制器50向场补偿器施加电流时，其在传感器12中产生磁“补偿场”B₃(以下将更详细地描述)。所显示的对称几何结构的优点在于如果补偿器15在静态情况下传导一个基本等于励磁电流I₁的电流，则来自激励线11的磁串扰能够被抵消，结果在GMR传感器12的位置处由于励磁电流引起的共平面磁场被抵消。为了在激励和补偿线11和15之间产生更好的均匀场，这些线可以优选地制造得沿图1的水平方向更宽。

在静态情况下，还可以由反馈控制器50通过场补偿器15强加一个额外的电流，这将补偿由驱动GMR传感器12的感测电流的内部磁串扰所产生的磁场。

在磁性颗粒2引入到结合表面14顶部之后，激励场B₁(与补偿场B₃一起)对它们进行磁化。来自所述颗粒2所产生的反作用场B₂可以在GMR传感器12的位置处通过补偿器15中的反馈电流进行补偿，这是一种对磁性颗粒数量的测量。

所示的“竖直”设置的优点在于所述磁性颗粒2非常接近激励线11，并因此将受到很强的激励场B₁。并且，完整的几何结构在水平方向上相对较小，从而能够更好地利用表面面积。最后，所需要的反馈回路的动态范围可以保持得较小，因为大部分磁场已经被该几何结构抑制。

现在将参考图3的概括系统图来更详细地说明场补偿器15的所需要的反馈控制。为了清楚起见，考虑将DC感测电流I₂施加给GMR传感器12的情况。

根据图3，将激励场B₁作为输入X提供给“处理”，即，颗粒2的结合和磁化动力学。所述处理利用其传递函数P(s)产生作为输出的反作用场B₂。反作用场B₂与由补偿器15(传递函数D(s))产生的补偿磁场B₃以及干扰磁场相叠加，其中该干扰磁场源自例如外部线圈并且其还包括GMR传感器的固有1/f噪声。上述所有场之和由GMR传感器12(传递函数G(s))感测，该GMR传感器产生作为输出的测量信号Y₀(通常跨GMR传感器的电压u_GMR)。

GMR信号Y₀(通常)可以由第一评价单元Det_1处理，以确定感兴趣的信号分量(即，由反作用场B₂产生的)。在这里所建议的反馈方法中，传感器信号Y₀被馈送给具有传递函数C(s)的反馈控制器50。该控制器的输出Y驱动补偿器15产生补偿场B₃，这样就形成了回路。还可将控制器50的输出Y提供给第二评价单元Det_2，以确定感兴趣的信号分量。

图3还示出了在该系统的若干位置处的功率谱密度(PSD)曲线图I-V。PSD I示出了在频率f₁下源自被激励的磁性颗粒2的反作用场B₂。同时，(低频)干扰磁场作用到传感器上，这用PSD III中的线“Intf”表示。PSD III中还示出了源自GMR传感器12的自由层中的固有磁畴旋转的1/f噪声。

在稳态情况下，反馈回路提供对传感器12的输入处的磁场进行补偿的PSD II，这将产生如PSD IV所示的接近于零的信号。为了简化起见，这里忽略了热噪声。最后，在反馈控制器50的输出处得到PSD V，并且其正比于补偿传感器12的输入处的磁场所需要的工作。

为了抑制畴壁运动(Barkhausen)的类量化影响，可以将抖动附加地结合到控制回路中以线性化传感器响应，这是数模转换器领域中公知的技术。显然，这种效果也可以由残留(f₁或f₂)场分量来实现。

通过迫使GMR传感器12内部的磁场变为零，将显著地降低传感器(Barkhausen)噪声。如果对于所有频率且传感器中的每个位置都很好地保持磁场抵消，则这种技术可以得到优异的测量精确性。此外，由于不存在较大的磁场，所以避免产生新的畴壁。

传感器12的输入处的磁场降低是由回路增益决定的，回路增益可以通过C(s)·G(s)·D(s)来计算得到。通过选择控制器增益C(s)使得回路增益C(s)·G(s)·D(s)>>1，可以使得系统传递函数H(s)与(不稳定的)传感器增益G(s)无关：

$H\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{C\left(s\right)\·G\left(s\right)\·P\left(s\right)}{1+C\left(s\right)\·G\left(s\right)\·D\left(s\right)}\≈\frac{P\left(s\right)}{D\left(s\right)}$

因此，系统传递函数H(s)仅由处理P(s)和补偿器传递函数D(s)决定。D(s)非常稳定，并且仅取决于传感器和补偿器之间的物理位置和磁耦合，其在每个传感器设备的使用寿命期间是物理上固定的。重要的是要注意到，应该使补偿器传递函数D(s)与温度无关。如果补偿线例如由电压源驱动，则电流(以及磁场强度)将取决于线的温度(通常具有(1+α·(T-T₀))^-1的因子)。然而，自加热等的影响可以通过使用电流源驱动补偿线来避免。与温度无关(或与绝对温度成正比)的电流源通常以单片式集成电路实现。

上述与传感器增益G(s)无关的H(s)可实现静态自校准过程，其中校准点可以如下(重复)建立：在实际的生物测量之前，测量系统传递函数并将其用作零值。由于激励磁场的大小X(s)＝B₁是固定的，所以由于磁性颗粒造成的处理传递函数P(s)中的任何变化都将引起输出信号Y(s)的变化，这正是要测量的。

图3的系统的进一步优点在于温度和IC工艺散布对传感器前置放大器和回路滤波器电路的影响也可以从系统传递函数中去除。并且，传感器12被反馈回路很大程度地线性化。最后，该方法使得能够在信号处理手段(例如CMOS工艺的后端)上使用传感器，因为源自所述处理手段的干扰磁场可以被抑制。

图4示出了图3的系统图的扩展版，其包括本发明的多个具体实施例。作为第一扩展，图4包括励磁电流源CS_exc，其产生频率为f₁的励磁电流I₁。所述电流I₁驱动激励线W_exc，该激励线产生激励场B₁。类似地，该图包括感测电流源CS_sens，其产生用于驱动GMR传感器12的频率为f₂的感测电流I₂。其它干扰场的源由方框“Intf”概括。

作为特定的干扰源，已经介绍了磁串扰XT，即，直接(具有频率f₁)影响GMR传感器12的激励场B₁的磁场分量B_XT。

在控制器的一侧，在控制器50之前和之后分别插入作为可选组件的解调器Demod和调制器Mod。并且，已经增加了可选的电流源28和29。它们受控制器50控制并且分别向励磁电流I₁和感测电流I₂增加电流。下面将结合优选实施例讨论上述所有组件的功能。

最后，在补偿场B₃和处理P(s)的输入之间增加漏磁支路LK。在实际的情况中，磁性颗粒2并不与补偿场B₃相隔离，因此有部分反馈磁场通过磁性颗粒2“泄漏”到传感器12中。然而，可以表明：这种作用对总体信号的影响通常可以忽略(磁场强度随距离而下降；因此，GMR传感器和磁珠都将经受下降的补偿场；磁珠的相应降低的磁化产生反作用场，该反作用场在到达传感器的过程中再次下降。所以，在反作用场中距离的影响基本上是平方下降的)。

由于漏磁，补偿线的传递函数D(s)对于高浓度的磁性颗粒来说变为非线性的。这在该测量中引入了误差，尤其是能被补偿的“系统误差”。通过进行一定次数的试验，可以预先确定D(s)与被磁化的颗粒的数量之间的非线性关系的形状，并将其存储在某一系统存储器中。这一曲线对于具有相同几何结构的所有传感器(在一定生产公差内)来说都是相同的。由于这种作用的影响是先验已知的，所以例如可以使用微控制器来对其进行补偿。

在本发明的第一具体实施例中，传感器12由DC电流驱动(即，f₂＝0)，并且补偿了直到激励频率f₁为止的完整的磁场频谱(“宽带抵消”)。图4表示了如果省略模块Det_1、Demod和Mod以及电流源28和29的情况。(多个)补偿致动器15以如下方式定位于GMR传感器12附近：即，来自所述致动器的磁场B₃到GMR传感器的耦合被最大化，并且源自任意干扰(磁珠作用、励磁电流、感测电流、主机等)的磁场在传感器上的每个位置处可被最优地抵消。反馈致动器15可以放置为与传感器侧面、顶部或底部相邻(参考图1)。应该采取措施来区分电容性和电感性串扰、f₁处的磁串扰以及f₁处来自磁珠的所需信号。由于在该实施例中传感器通过DC电流感测，所以所有电压分量(电容性和电感性串扰、磁串扰以及磁珠信号)均落在相同的频率f₁上，并且难以区分。因此，需要降低串扰分量。例如，可以通过将励磁电流线的中线与GMR传感器的自由层对准来降低磁串扰。例如，可以通过相敏(正交)检测来实现电(即，电容性和电感性)串扰降低，因为电串扰信号相对于磁(磁珠和串扰)信号是移相的。

例如，如果要求在激励频率f₁＝100kHz处100倍的降低，则需要至少10MHz的闭环带宽，因此

$H\left(s\right)=\frac{1}{1+\frac{S}{2\mathrm{\π}\·{10}^7}}$

此外，可以在控制器C(s)中增加DC模块以去除源自感测电流I₂的DC电压。

在本发明的第二具体实施例中，存在图4中的解调器Demod和调制器Mod，而仍然省略了组件Det_1、28和29。感测电流I₂可以是AC或DC的。通过解调-调制步骤，回路可选择性地仅在希望的频率处闭合，例如如果在f₁-f₂或f₁+f₂驱动解调器Demod，在f₁驱动调制器Mod，则希望的频率是激励频率f₁(这种方法仅降低了传感器增益变化对于频率f₁±f₂处磁珠测量的影响)。

与第一实施例相比，f₁处降低幅度变化所需的闭环带宽可以非常低，即，例如为1kHz而不是10MHz。应该注意，f₁调制器Mod必须能够应付较大的动态范围和高精确度(0.1per mil)。

图5示出了具有低频(LF)动态屏蔽、AC感测电流I₂和高频读出的磁传感器设备的电路。在该更优选的实施例中，低带宽控制器50抑制了LF磁场。由于磁场与感测电流I₂的相乘，在该设备中干扰磁场Intf的频率偏移感测电流频率f₂，如图6中所示。为了校正该影响并将频谱移回(图6中的箭头)，在控制器50和GMR传感器12之间增加解调器40，并以频率f₂来驱动。这种解调器例如可以是低成本的，实施为四路CMOS斩波器开关。

在控制器50中，解调的信号经由电容器51和电阻52馈送到运算放大器54的反相输入。所述输入经由第二电容器53耦合到放大器的输出，并且放大器54的非反相输入与地耦合。放大器54的输出驱动补偿器15。

在评价单元Det_1中，GMR传感器12的测量信号进一步经由高通滤波器(电容器23、电阻24)和低噪声放大器25发送到频率为f₁±f₂的解调器26，在解调器26处提取出感兴趣的信号。激励线11和GMR传感器12分别由频率为f₁和f₂的电流源21、22驱动。

如果控制回路的(即，放大器54的)输出用于确定评价单元Det_2(图5中未示出)的磁珠信号，并且如果在传感器位置处全部(磁)频谱被补偿，则将输出信号(电流或电压)与补偿磁场之间的关系固定(即，与温度无关)是非常重要的。这可以通过以电流源驱动补偿线15来实现，例如通过将电压-电流转换器插入在放大器54和补偿线15之间，或者通过将运算跨导放大器(OTA)用作放大器54来实现。补偿电流可被镜像、按比例缩小并用作输出信号。

所述方法具有很强的优点：即，可以选择频率以使得检测信号f₁±f₂超出控制带宽，从而使得漏磁没有影响。结果，可以使用典型的使用平面激励线的传感器几何结构。此外，可以增加DC阻断装置(回路滤波器50中的零点，或者解调前的f₂陷波滤波器或者桥结构)来去除源自f₂的DC。

如果例如f₁＝2MHz，f₂＝100kHz，并且闭环带宽BW＝10kHz，则反馈回路将减小从0.1Hz直至10kHz的磁场，这足以降低作用场和电源干扰(50/60Hz)。

图7示出了前面实施例的变型，其中感测电流I₂是共模电路的一部分，并且其中应用差分信号模式降低了频率为f₂的感测电流的影响。为了避免大的f₂感测电流分量的影响，运算放大器42的非反相端可以连接到电阻R_ref以及产生频率为f₂的参考电流I_ref的可调电流源27，这可以被调整，以使得在静态情况下，非反相端的电压基本等于跨GMR传感器的电压。通过这种方式，将感测电流形成为共模，并且回路将仅补偿f₂处的差模磁干扰。电阻R_ref可选地是另一GMR带，其对磁珠不敏感(例如通过覆盖层)。通过这种方式，温度漂移也成为共模信号的一部分。

显然，通过施加DC感测电流(f₂＝0Hz)，图7的LF反馈回路中省略了解调器40和DC模块。通过这种方式，也可以抑制非时变磁场。

图8示出了图5的电路的又一种变型，其中控制器50驱动耦合到激励线11上的额外的电流源28。因此，激励线11也用作补偿器。因为检测信号f₁±f₂超过了控制带宽，使得漏磁原则上没有影响，所以这是有可能的。

在图9中所示的实施例中，在GMR传感器12的两侧具有两条激励线11和13的传感器几何结构可用于抵消来自励磁电流I₁(频率f₁)和感测电流I₂(频率f₂)的磁场。可调电流源28增加频率为f₂的电流α·I₂，该电流被施加给激励线11、13以补偿由感测电流I₂产生的自磁化场。同时，第二可调电流源29将频率为f₁的电流β·I₁提供给GMR传感器12，以在GMR中产生自磁化场，补偿源自激励和源自磁珠的磁场。

图10在图4的方框图的基础上更详细地示出了上述实施例的控制回路的方框图。在第一路径中，解调器40利用频率f₁-f₂(或f₁+f₂)对传感器信号Y0进行解调，将其通过控制器50发送，由调制器41利用频率f₁进行调制，并用于控制向GMR传感器12提供额外的感测电流的可调电流源29。在第二路径中，解调器40′利用频率2f₂对传感器信号Y₀进行解调，由调制器41′利用频率f₂进行调制，并用于控制向激励线11、13提供额外的励磁电流的可调电流源28。

所述实施例可以以多种方式变型。尤其是，可以应用更复杂的补偿场产生手段来在每个传感器位置(例如在CMOS顶部金属层中的若干致动器段)提供适当的场抵消。

总之，本发明解决了如下问题：即，源自例如作用线圈、磁珠激励和杂散场(频率f₁)、来自感测电流(频率f₂)的自磁化场、主机、PC监视器、永磁体、CMOS偏置电路等的任何磁干扰可造成传感器校准点的偏移，并且通过将磁传感器元件和(多个)场抵消致动器一起包括在控制回路中来产生宽带(Barkhausen)噪声频谱。所述致动器自适应地迫使传感器元件的感测层中的共平面磁场变为零，从而动态地将传感器与干扰屏蔽开来。

最后，还应指出，在本申请中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个，并且单个处理器或其它单元可满足多个装置的功能。本发明在于其每个新颖性特征及其特征的每个组合。此外，权利要求中的参考标号不应被认为限制其范围。

Claims (18)

1、一种用于检测研究区域中的磁化颗粒(2)的磁传感器设备(10)，包括：

a)磁场发生器(11、13)，用于在所述研究区域中产生交变的激励磁场(B₁)；

b)相关联的磁传感器元件(12)，用于感测由所述磁化颗粒(2)反作用于所述激励磁场(B₁)而产生的反作用磁场(B₂)；

c)磁场补偿器(15)，用于在所述磁传感器元件(12)中产生补偿磁场(B₃)；

d)反馈控制器(50)，其耦合到所述磁传感器元件(12)和所述磁场补偿器(15)，所述反馈控制器用于自适应地控制所述磁场补偿器(15)，使得在所述磁传感器元件(12)中起作用的所有磁场(B₂、B₃、B_XT、B_intf)的预定频谱分量基本上抵消。

2、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于包括：耦合到所述磁传感器元件(12)或耦合到所述反馈控制器(50)的输出的评价单元(Det_2、Det_1)，所述评价单元用于确定由反作用磁场(B₂)引起的信号分量。

3、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述预定频谱分量包括由反作用磁场(B₂)引起的信号的频率(f₁±f₂)。

4、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述预定频谱分量不包括由反作用磁场(B₂)引起的信号的频率(f₁±f₂)。

5、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述磁传感器设备(10)包括位于所述磁传感器元件(12)和所述反馈控制器(50)之间的解调器(40)。

6、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，以感测频率f₂来驱动所述磁传感器元件(12)。

7、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，包括所述磁传感器元件(12)、所述反馈控制器(50)和所述磁场补偿器(15)的控制回路的增益的绝对值大于10，优选大于100。

8、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述反馈控制器(50)包括非线性模块，所述非线性模块补偿所述磁传感器元件(12)、所述磁场发生器(11、13)和/或所述磁场补偿器(15)的非线性特性。

9、根据权利要求8所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述非线性模块包括取决于几何结构的特征曲线。

10、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述磁场发生器(11、13)和/或所述磁场补偿器(15)包括导线。

11、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述磁场补偿器(15)设置在所述磁传感器元件(12)的附近。

12、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述磁场补偿器(15)至少部分由与所述磁场发生器(11、13)和/或所述磁传感器元件(12)相同的电子组件来实现。

13、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，所述磁传感器元件包括类似GMR(12)、TMR、或AMR元件的磁阻元件。

14、根据权利要求1所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于，将所述磁传感器设备(10)实现为集成电路。

15、根据权利要求14所述的磁传感器设备(10)，

其特征在于包括：设置在所述磁传感器元件(12)的所述附近的信号处理电路。

16、一种用于检测研究区域中的磁化颗粒(2)的方法，所述方法包括以下步骤：

a)在所述研究区域中产生交变的激励磁场(B₁)；

b)在磁传感器元件(12)中产生补偿磁场(B₃)，使得在所述磁传感器元件(12)中起作用的所有磁场(B₂、B₃、B_XT、B_intf)的预定频谱分量基本上抵消；

c)借助于所述磁传感器元件(12)，确定由所述磁化颗粒(2)反作用于所述激励磁场(B₁)而产生的反作用磁场(B₂)。

17、根据权利要求16所述的方法，

其特征在于，系统特性的特征由校准测量来确定，并在产生所述补偿磁场(B₃)过程中考虑所述系统特性的特征。

18、根据权利要求1至15中任一项所述的磁传感器设备(10)在分子诊断、生物样本分析或化学样本分析中的应用。

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