CN101501486A - 微芯片上的磁传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微电子磁传感器装置，其包括至少一个具有磁场发生器(11，13)和磁传感器元件(12)的传感器单元(10)，该磁传感器元件(12)仅经由两个公共连接端子(x，y)耦合到电源单元(20)。通过这种方式，可以将关联的微电子芯片上的结合引脚数量降到最小。传感器单元(10)可以优选包括作为场发生器的磁激励线(11，13)和作为传感器元件的GMR电阻(12)，GMR电阻(任选经由电容器(14))并联连接到连接端子(x，y)。电源单元(20)优选供应具有两个频率分量的驱动电流，从而可以在测量信号的频域中分离感兴趣的信息。

Description

微芯片上的磁传感器装置

本发明涉及一种具有至少一个位于微芯片上的传感器单元的微电子磁传感器装置。此外，其涉及这种传感器装置的使用。

从WO 2005/010543 A1和WO 2005/010542 A2(通过引用将其并入本申请)获知一种微电子磁传感器装置，例如可以将其用在用于检测标记了磁珠的分子(例如生物分子)的微流体生物传感器中。该微传感器件设有传感器单元阵列和巨磁致电阻(GMR)，其中，传感器单元包括用于产生磁场的两根激励线，巨磁致电阻器件用于检测磁化珠产生的杂散磁场。然后，GMR的信号表示传感器单元附近的磁珠数量。

当在微芯片上实现上述种类的磁传感器装置时，需要至少六个结合引脚来将每个传感器单元逐一连接到外部电路(四个引脚用于两根激励导线，两个引脚用于GMR)。因此，微芯片上可用引脚的数量限制了可能的传感器单元的数量。

基于这种情况，本发明的目的是提供一种磁传感器装置，其特别适于利用包括多个传感器单元的微芯片来实现。

该目的是通过根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置和根据权利要求16听述的用法实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。

根据本发明的微电子磁传感器装置包括如下部件：

a)至少一个传感器单元，其包括至少一个用于在相邻的研究区域(例如其中可以提供样本流体的样品室)中产生磁激励场的磁场发生器。该传感器单元还包括与前述磁场发生器关联的至少一个磁传感器元件，所述关联的意义是其处于磁场发生器的磁场导致的效应的影响范围之内。例如，可以由一个或多个串联连接或并联连接的导体线实现该磁场发生器。该磁传感器元件具体而言可以包括霍尔传感器或磁致电阻元件，例如GMR(巨磁致电阻)、TMR(隧道磁致电阻)或AMR(各向异性磁致电阻)元件。

b)用于为前述传感器单元提供驱动电流的电源单元，其中所述电流是所述磁场发生器和磁传感器元件执行它们的功能所需要的。该驱动电流优选在其傅里叶谱中包括第一频率和不同的第二频率，允许检测和补偿测量信号中的特定寄生耦合效应。

c)用于经由(不超过)两个连接端子将传感器单元的磁场发生器和磁传感器元件连接到电源单元的耦合电路。在该上下文中，“连接端子”一词应当一般表示电路中全部驱动电流流经的任何部件，例如外部导线结合到接触焊盘的区域。

所提出的微电子磁传感器装置优点在于，仅经由两个端子连接多部件传感器单元和电源单元，这使得该设计尤其适于在可用连接的数量存在瓶颈的硬件实现。

该微电子磁传感器装置将典型地包括多个所述的磁传感器单元，因为在这种情况下，尤其需要每传感器单元仅有两个连接端子的减小的数量来将端子总数限制到合理值。传感器单元优选设置成阵列，例如规则的平面矩阵图案。

在前述情况下，每个传感器单元可能有一个相关联的电源单元。但优选地，电源单元的数量小于传感器单元的数量，且耦合电路包括用于将传感器单元选择性连接到电源单元的选择部件(例如开关和矩阵结构)。于是，耦合电路提供了用于在较大数量的传感器单元之间共享较少数量电源单元(甚至仅一个电源单元)的复用功能。如果选择部件实现于连接端子的传感器侧上，最好由较少数量的电源单元确定所述端子的总数。

微电子磁传感器装置的一个或多个传感器单元优选实现于一个微电子芯片上，即实现于一个(半导体)衬底中。在这种情况下，优选将连接端子实现为所述芯片的结合引脚，因为这种引脚的数量通常因为空间的原因而受到限制。

如果磁场发生器和/或磁传感器元件被实现为衬底上的集成电路，耦合电路的部件可以设置于同一衬底上或中、模制互连装置中、接通信号处理IC上、柔性板(flex)中和/或柔性板连接器中。当然也可以将耦合电路的各部件分配在所述部分上。

在本发明的进一步发展中，所述耦合电路包括以电感和/或电容方式将所述磁场发生器和所述磁传感器元件彼此耦合的部件。这种耦合典型地包括驱动电流在磁场发生器和磁传感器元件之间的取决于频率的分布，对于稍后的信号评估而言这是所希望的。

优选地，将磁场发生器和传感器元件以并联连接的导线束或路径连接到连接端子。然后，流经连接端子的驱动电流将根据两个并联路径的阻抗而被分配到这两个并联路径上。

在前述情况下，两个路径中的至少一个可以包括影响驱动电流在两路径间分配的额外无源电子部件，例如电容器、电感器和/或电阻。例如，包括磁场发生器的路径还可以包括串联或并联连接到磁场发生器的电容器。

前述电容器可以由被中间绝缘层分隔且设置于磁场发生器和/或磁传感器元件顶部上的至少两个金属(例如金)层的叠置体实现。于是可以将传感器单元上方可用的面积用于设置电容器。

典型地将评估单元耦合到磁传感器元件，用于处理由所述元件产生的测量信号并从它们中提取期望的信息(例如传感器单元附近的磁化颗粒的数量)。例如可以通过与传感器单元处于同一衬底中的集成电路实现所述评估单元。

在优选实施例中，评估单元经由两个连接端子耦合到磁传感器元件。在这种情况下，通常将评估单元实现为磁传感器装置的外部模块，即，其不集成在与传感器单元相同的微芯片上。通过用同样两个连接端子来连接电源单元和评估单元二者，可以进一步使结合引脚的数量最小化。

在前述情况下，评估单元可以任选地经滤波器部件(例如电感器)耦合到连接端子，以选择特定的频带来传送给评估单元。

评估单元优选包括用于处理选定频率的测量信号的部件，因为通常可以在频域中将相关信息与寄生信号分量分开。

在本发明的任选实施例中，电源单元包括用于产生驱动电流中具有第一频率的第一分量的第一电流源以及用于产生驱动电流中具有第二频率的第二分量的第二电流源，其中所述电流源尤其可以为恒流源。所得的驱动电流将包括至少两个频率，这有助于分离来自寄生部件的测量信号中的期望信息。

本发明还涉及将上述微电子磁传感器装置用于分子诊断、生物样品分析和/或化学样品分析，尤其是小分子的检测。例如，可以在直接或间接地附着到目标分子的磁珠的帮助下完成分子诊断。

参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明了并得到阐述。将在附图的辅助下以举例的方式描述这些实施例，附图中：

图1示意性示出了根据本发明第一实施例的微电子磁传感器装置的一个传感器单元；

图2示出了图1的传感器装置的电路图；

图3示意性示出了传感器芯片上的电容器的实现；

图4示出了传感器装置的第二实施例的电路图，其中经由矩阵结构将传感器单元耦合到外部部件；

图5示出了模制互连装置(MID)中无源部件的布置；

图6示出了传感器装置的第三实施例的电路图，其中在传感器和评估单元之间耦合电感器；

图7示出了传感器装置的第四实施例的电路图，其中磁场发生器和磁传感器元件是电感耦合的。

图中类似的参考数字表示相同或类似的部件。

图1示出了用于检测超顺磁珠2的单传感器单元10的原理。可以使用由这种传感器单元10的阵列(例如100个)构成的微电子(生物)传感器装置来同时测量样品室5中提供的溶液(例如血液或唾液)中很多不同目标分子1(例如蛋白质、DNA、氨基酸、滥用的药物)的浓度。在结合方案的一种可能范例(所谓的“夹心化验”)中，通过提供具有第一抗体3的衬底15上的结合表面6来实现这点，目标分子1可以结合到第一抗体上。然后，携带第二抗体4的超顺磁珠2可以附着到已结合的目标分子1上。依次流经传感器单元10的并联激励线11和13的总电流Iexc产生激励磁场B，然后该磁场磁化超顺磁珠2。来自超顺磁珠2的反应场B’在传感器单元10的GMR12中引入平面内磁化分量，导致可测量的电阻变化，该电阻变化是经由传感器电流I_sense感测的。所述电流I_exc、I_sense是由电源单元20供应的。

如果应当将到此为止所描述的传感器单元10连接到像电源单元20和/或信号评估单元30的外部模块，原则上其每个部件都需要两个端子，即，第一磁激励线11、第二磁激励线13和GMR传感器12均需要两个端子，地需要额外的端子。因此，如果应当逐个寻址生物芯片上的每个传感器单元时，总共需要七个引脚。于是，包含例如四个传感器单元的生物芯片需要用到芯片上通常可用的32个引脚中的28个结合引脚。在一个芯片上应用更多传感器单元相应地需要更多连接来将所有单元连接到读取装置。然而，另一方面出于如下原因应当将用于接口的连接数量最小化：

-应当向着有效传感器面积的方向优化生物芯片的面积，而不为通常尺寸为100×100μm的结合焊盘浪费面积。

-较小的芯片成本低，因为芯片成本与芯片面积成正比。

-简单接口较不昂贵，且通常更牢固(连接较少)。

因此希望经由有限数量的引脚将最大数量的传感器单元连接到外部读取器/驱动模块。因此正在寻找这样的布线方案，其针对给定数量的引脚使传感器单元数量最大化，或者反之，为了连接给定数量的传感器单元而使所用引脚数量最小化，其中传感器单元通常位于可置换筒状物(cartridge)上。

这里提出的方案包括将磁场产生线和磁场感测线电耦合在一起。由于GMR元件12的放大特性，将会出现非线性双端口。那么，所得测量信号中谐波和内调制分量的大小则表示GMR传感器中的平面内磁场。如下文所示，由于每个传感器单元被缩减为(非线性)两端口的，于是N个引脚将可能逐个对M＝(N/2)²个传感器单元寻址。因此上述32个引脚的芯片可以对256个单独的传感器单元寻址。

图1和图2的对应电路图示出了前述概念的特定实现。其包括：

-将串联的两个磁激励线11和13(在图1中由虚线表示，应当位于图面背面并连接到线路的后端)连接到两个特定连接端子x和y；

-在前述激励线路径中在端子x和y之间耦合电容器(C)14；

-也将GMR传感器12连接到连接端子x和y。

在芯片外部，将电源单元20和评估单元30并联连接到连接端子x和y。因此仅经由两个连接端子(即结合引脚)x和y就提供了对传感器单元10的集成部件11、12和13的通路。

电源单元20包括并联连接的两个电流源21和22，其分别提供第一频率f₁的第一电流i₁和第二频率f₂的第二电流i₂，其中假设f₁>f₂。两个电流源21、22产生的频率f₁和f₂应当大大高于1/f噪声的转角频率。

评估单元30包括带通滤波器31和其后的低噪声放大器(LNA)32(等)，带通滤波器31以频差(f₁-f₂)为中心，低噪声放大器32放大频率(f₁-f₂)处的低频磁信号。

因此传感器单元10包括场发生电流线11、13和GMR元件12之间的容性AC耦合。可以如图所示由芯片上集成电容器14以及由寄生电容来实现所述耦合。耦合电容器14的目的是防止低频(f₁-f₂)信号分量被串联连接线路11、13的低串联电阻R_exc(R_exc的典型值为20欧姆左右，而GMR元件的电阻R_GMR大约为500欧姆)衰减，并确保在GMR元件12和激励线11、13之间恰当分配总供应电流(i₁+i₂)。

可以如下论证所述原理的可行性：如果假设两个电流源21、22供应“激励电流”i₁＝I₁·sinω₁t和“感测电流”i₂＝I₂·sinω₂t(ω₁＝2π·f₁且ω₂＝2π·f₂；I₁，I₂＝const。)，在最简单情况下f₁和f₂都大大高于AC耦合的转角频率(即，ω₁CR_exc≥4，ω₂CR_exc≥4，C为电容器14的电容，R_exc为串联激励线11和13的总电阻)，那么根据下式在GMR元件12和激励线11、13上划分总电流(i₁+i₂)：

α＝I_sense/I_exc＝R_exc/R_GMR＝0.04

其中R_GMR为GMR元件12的电阻。这非常符合传感器的典型电流工作条件，即I_sense＝2mA，I_exc＝50mA。

此外，GMR电压U_GMR正比于I_sense和GMR电阻变化(欧姆定律)，电阻变化又正比于珠子的磁化强度，磁化强度正比于激励电流I_exc。因此：

U_GMR∝I_sense·I_exc

∝[α·(i₁+i₂)/(1+α)]·[(i₁+i₂)/(1+α)]

∝i₁ ²+2·i₁i₂+i₂ ²

∝I₁ ²·(1-cosω₁t)/2+I₁I₂·cos(ω₁-ω₂)t+I₂ ²·(1-cosω₂t)/2

结果，GMR电压中频率(f₁-f₂)处的期望低频成分(其实质上不会因AC耦合的较高转角频率而被衰减)等于：

U_GMR∝I₁I₂·cos(ω₁-ω₂)t。

所需的电容器值C取决于工作频率和所需的阻抗水平。为了在频率f₁＝450MHz处实现极点，所需的耦合电容器必需等于

$C=\frac{1}{\mathrm{\ω}\·2R_{\mathrm{exc}}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·4.5\·{10}^8\·2\·10}F=18\mathrm{pF},$

在CMOS18技术中其扩展2100μm²(假设为8.2fF/μm²的双层金属氧化物)。这与典型传感器设计的敏感面积(100×21μm)一样大。

图3在这方面示意性示出了如何可以在传感器单元10上方的敏感芯片表面上实现耦合电容器14。在图示的范例中，电容器14由两个平行的Au层14a、14c构成，两个平行的Au层14a、14c由中间的薄氧化物层14b分隔。顶部(固定化)金层接地，以免对生化化验产生不利影响。多个堆叠的金属/氧化物层可以进一步减小所需面积。

为了限制电线电阻对期望磁信号的影响，选择f₁和f₂使得

$\frac{1}{({\mathrm{\ω}}_1-{\text{\ω}}_2)C}\≥10\·R_{\mathrm{GMR}}.$

在所述实施例的另一变型中，仅将第一频率f₁选择为处于AC耦合的转角频率附近或以上。结果，AC耦合阻挡了感测电流i₂，从而使其主要经GMR元件12流动。在GMR元件12和激励线11、13上划分激励电流i₁，因此I_exc＝0.96i₁且I_sense＝0.04i₁+i₂。该方法是有利的，因为该方法限制了场产生线路中的主要功率耗散。

可以使用图1和图2的设计来逐个将每一传感器单元10连接到一个相关联的电源单元20和/或评估单元30。优选地，在设置于微芯片上的阵列中的较大数量的传感器单元10之间共享小数量的电源单元和/或评估单元。例如，可以通过将每个两端子传感器单元10连接成公知的无源矩阵结构来实现这一目的，其中用于M个传感器单元10的引脚数量N减少为 $N=2\sqrt{M}$ 。

图4示出了前述布局，其中每个传感器单元10包括一个连接端子x和一个连接端子y。将位于传感器单元10阵列同一列中的所有传感器单元的y端子连接到同一竖直线，将位于传感器单元10阵列同一行中的传感器单元的所有x端子连接到同一水平线。然后可以用多路转换开关23、24选择性地将水平线和竖直线分别连接到电源单元20的输出端x’和y’(其同时是评估单元30的输入端)。x端子和y端子都连接到输出端x’和y’的传感器单元10，即在选定行和选定列的交点处的传感器单元将被读出。应当指出，在本申请的意义上可以将(每个传感器单元的)两个输出端x’和y’以及连接端子x和y视为“连接端子”，因为供应到整个传感器单元10的电力都流经它们。

在前面的实施例中假设电容器14集成到与传感器单元10相同的衬底15中。然而，其也可以位于其他模块中。图5在这方面示出了一个实施例，其中电容耦合不在传感器管芯上，而是例如在模制互连装置(MID)40上。这种方法的优点是柔性板50和评估单元20之间少量的柔性板-连接，这样就能够实现鲁棒(使用多次)的柔性板连接器60。对于可置换传感器而言这是重要的。此外，在离散部件中容易实现大的耦合电容器(实现低工作频率)。因此，该方法降低了信号处理电子装置中复用电路的复杂性。

在MID40上没有足够空间的情况下，耦合电容器14也可以位于信号处理板上、(倒装芯片)连接信号处理IC上或位于柔性板50上(处于离散部件中或通过适当的柔性板设计来引入电容耦合)。

图6示出了图2电路的变型，其中外部电感器33位于评估单元30和(例如位于包括评估单元的读取器台中的)连接端子x、y之一之间。通过这种方式，实现了LC谐振电路，其有助于降低工作频率和/或所需的电容器面积。例如，可以在2100μm²的电容器面积(18PF)上实现谐振频率f₁＝45MHz的品质因数Q＝10。频率的典型值为f₁＝10MHz，f₂＝10.05MHz。

图7示出了本发明另一个实施例的电路图，其中例如通过两个平行引线或线圈16将GMR传感器12电感耦合到激励线11、13。所述电感耦合可以(寄生)存在于传感器管芯上、MID上、柔性板上或信号处理板上。工作频率(f₁-f₂，f₁，f₂)必需高到足以实现有效耦合。显然，同样的原理可以用于电容耦合，其中通过传感器和LNA之间任何地方的(寄生)电容耦合将GMR耦合到导线。

最后要指出，在本申请中，“包括”这一术语不排除其他元件或步骤，“一”不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每个新颖特征和特征的每种组合之中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为对其范围的限制。

Claims (16)

1、一种微电子磁传感器装置，包括：

a)至少一个具有磁场发生器(11，13)和关联的磁传感器元件(12)的传感器单元(10)；

b)至少一个用于为所述传感器单元(10)供应驱动电流的电源单元(20)；

c)耦合电路(14，16，23，24，40，50，60)，用于经由两个连接端子(x，y)将所述传感器单元(10)的所述磁场发生器(11，13)和所述磁传感器元件(12)连接到所述电源单元(20)。

2、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于其包括多个这样的传感器单元(10)。

3、根据权利要求2所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于其包括比传感器单元(10)数量少的电源单元(20)，其中所述耦合电路包括选择部件(23，24)，该选择部件(23，24)用于选择性地将传感器单元(10)连接到电源单元(20)。

4、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述连接端子(x，y)被实现为包括所述传感器单元(10)的微电子芯片的结合引脚。

5、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述耦合电路的至少一个部件(14)设置于与所述磁场发生器(11，13)和/或所述磁传感器元件(12)相同的衬底(15)上或中，模制互连装置(40)中，连接信号处理IC上，柔性板(50)中和/或柔性板连接器(60)中。

6、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述耦合电路包括部件(16)，该部件(16)用于以电感和/或电容方式将所述磁场发生器(11，13)和所述磁传感器元件(12)彼此耦合。

7、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述磁场发生器(11，13)和所述磁传感器元件(12)以并联路径连接到所述连接端子(x，y)。

8、根据权利要求7所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于至少一个所述路径包括无源电子部件，尤其是电容器(14)。

9、根据权利要求8所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述电容器(14)由所述磁场发生器(11，13)和/或所述磁传感器元件(12)顶部上被绝缘层(14b)隔开的至少两个金属层构成，所述至少两个金属层优选为Au层(14a，14c)。

10、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于其包括耦合到所述磁传感器元件(12)的用于处理其测量信号的评估单元(30)。

11、根据权利要求10所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述评估单元(30)经由所述连接端子(x，y)耦合到所述磁传感器元件(12)。

12、根据权利要求10所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述评估单元(30)经由滤波器部件耦合到所述连接端子(x，y)，该滤波器部件尤其是电感器(33)。

13、根据权利要求10所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述评估单元(30)包括部件(31)，该部件(31)用于处理选定频率的所述测量信号。

14、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述电源单元(20)包括第一电流源(21)和第二电流源(22)，其中，该第一电流源(21)用于产生所述驱动电流的具有第一频率f₁的第一分量(i₁)，该第二电流源(22)用于产生所述驱动电流的具有第二频率f₂的第二分量(i₂)。

15、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置，

其特征在于所述磁传感器元件包括霍尔传感器或磁致电阻元件，例如GMR(12)、AMR或TMR元件。

16、根据权利要求1所述的微电子磁传感器装置在分子诊断、生物样品分析和/或化学样品分析、尤其是小分子检测方面的使用。

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