CN102356329B - 磁阻传感器中的温度和漂移补偿 - Google Patents

Abstract

磁阻传感器的双重调制需要调制对传感器施加的激励(例如，电压或电流)以及对传感器施加的反馈磁场两者。分别在不同的频率f_c和f_f处调制该激励和磁场。作为双重调制的结果，传感器输出频谱包括频率f_c处的载波频调(CT)和频率f_c±f_f处的侧频调(ST)。(例如，通过测量在不存在样本的情况下出现漂移时的CT振幅和ST振幅来)确定CT振幅与ST振幅之间的基线关系。在传感器操作期间，使用相应的原始CT测量来校正原始ST测量以将经校正的ST测量提供为传感器输出。

Description

磁阻传感器中的温度和漂移补偿

发明领域

本发明涉及磁阻传感器。

背景

磁阻传感器响应于该传感器所暴露于的磁场的变化而提供电阻的变化。然而，其他物理参数尤其是温度的变化也可能使磁阻传感器的电阻发生变化。通常，此类漂移效应已通过在电桥配置中采用磁阻传感器来减轻。在这种办法中，副磁阻传感器被用作参考并且经历与主磁阻传感器相同的环境，除了该副传感器不暴露于正被测量的样本中。主传感器与副传感器之间的差分信号是经漂移补偿的输出信号。

然而，磁阻传感器的诸如生物检定之类的新近应用往往需要使用大阵列的磁阻传感器。在这种情况中，采用电桥电路的传统漂移补偿的使用是高度不合乎需要的，因为这种漂移补偿需要将单独的参考检测器(和相关联的电桥电路系统)用于传感器阵列中的每个元件。因此，尤其对于大传感器阵列而言，感兴趣的是不依赖电桥电路的用于校正温度和漂移效应的方法。

已被考虑的一种办法是控制磁阻传感器的温度(例如，如在US 7,097,110中那样)。通过控制温度来消除温度漂移还导致对传感器输出的温度漂移效应的消除。另一种办法是提供传感器的温度校准，从而根据测得的温度使用温度校准来校正传感器输出(例如，如在US 7,239,123中那样)。

然而，常规的漂移/温度补偿办法往往遭受各种缺点。一些办法过度复杂或难以在实践中实现。例如，温度控制可能对于大传感器阵列中的所有元件而言难以实现。校准方法还可能遭受过度的复杂性，和/或不能实时提供经校正的输出。因此，为磁阻传感器提供改进的漂移/温度校正将是本领域中的进步。

概述

磁阻传感器的双重调制需要调制对传感器施加的激励(例如，电压或电流)以及对传感器施加的反馈磁场两者。分别在不同的频率f_c和f_f处调制该激励和磁场。作为双重调制的结果，传感器输出频谱包括频率f_c处的载波频调(CT)和频率f_c±f_f处的侧频调(ST)。(例如，通过测量在不存在样本的情况下出现漂移时的CT振幅和ST振幅来)确定CT振幅与ST振幅之间的基线关系。在传感器操作期间，使用相应的原始CT测量来校正原始ST测量以将经校正的ST测量提供为传感器输出。

附图简述

图1示出了本发明的示例性实施例。

图2示出了与图1的示例有关的输出频谱。

图3示出了传感器温度被有意改变时的载波频调和侧频调振幅变化的标绘。

图4示出了经验确定的ST-CT关系的示例。

图5示出了校正侧频调输出的示例性结果。

图6是非线性ST-CT关系的假设示例。

图7示出了将磁阻传感器应用于生物检定。

详细描述

图1示出了本发明的示例性实施例。在此示例中，磁阻传感器102置于由磁场源106提供的反馈磁场108中。磁阻传感器是具有取决于磁场的电阻的任何传感器。尽管取决于电流方向和磁场方向的许多变型是可能的，但是所有此类变型均被包括在该一般性类别的磁阻传感器中。在一些情形中，可对传感器102应用磁偏。此类磁偏可以与反馈磁场108的方向相同，或者沿任何其他方向(例如，与反馈磁场正交。)在频率f_f处调制反馈磁场108。电源104向磁阻传感器102提供激励(例如，电压或电流)。在频率f_c处调制该激励。调制频率f_f和f_c是不同的。

作为此双重调制方案的结果，传感器输出频谱被示意性地示出在图2上，并包括频率f_c处的载波频调(CT)和频率f_c±f_f处的侧频调(ST)。通常，f_c大于f_f，但这不是必需的。传感器102的输出可以是电压或电流。更具体地，如果激励是电压，那么输出是电流，并且如果激励是电流，那么输出是电压。

如果磁性粒子110(例如，顺磁性或超顺磁性的纳米粒子)置于传感器102附近，那么粒子110对传感器102处的磁场的影响可能导致传感器输出的可观察到的变化。因此，这种装置可作为磁传感器来工作。然而，注意载波频调振幅不取决于传感器102附近的磁性粒子的存在/不存在是重要的。因此，有用的传感器输出仅是侧频调振幅。此效应的物理基础在于，载波频调振幅取决于传感器102的正常电阻，而侧频调振幅取决于传感器102的磁阻。

即使载波频调振幅不受磁性粒子110的影响，也可如下采用该载波频调振幅来提供经漂移校正的侧频调测量。为了便于说明，将描述温度漂移的情形，但是以下原理也同样适用于传感器漂移的任何其他来源。首先，将传感器基线定义为在其中没有磁性粒子110与传感器102足够接近以至于对传感器输出具有可观察到的影响的状况是有帮助的。因此，传感器基线是在其中不存在正被测量的磁场(例如，没有样本)的背景状况。在基线状况下，传感器漂移(例如，变化的传感器温度)将导致CT振幅和ST振幅两者的变化。

图3示出了此类变化的示例，其中在基线状况下对磁阻传感器施加有意的温度变化，并且示出了CT振幅和ST振幅的变化。顶标绘示出了CT振幅的变化，并且底标绘示出了ST振幅的变化。在此示例中，显然，CT振幅和ST振幅的变化是紧密相关的。图4使此关系更显而易见。

在图4中，相对于CT振幅的变化标绘了ST振幅的变化。这些点是测得的数据点，并且虚线是线性拟合。尽管在此示例中，CT振幅变化(ΔC)与基线ST振幅变化(ΔS_B)之间的关系是简单的线性关系，但是在以下使用更一般的形式是有帮助的。因此，我们将CT振幅与ST振幅之间的基线关系定义为函数ΔS_B(ΔC)，其中关于基线工作点(CT₀，ST₀)来定义CT和ST振幅变化。在实践本发明时，对采用哪个工作点的选择不是关键的。可在经验上使用简单直接的测量来为任何传感器材料和/或配置确定这种关系。

当样本存在时，可用数据是载波频调测量ΔC和原始侧频调测量S_原始(或ΔS_原始)。如以上指出的，ΔC不取决于磁性样本，并且可因此被认为有效地提供对传感器漂移的实时测量。

在一些情形中，例如，通过定义Δs＝ΔS/ST₀和Δc＝ΔC/CT₀来使用归一化的CT和ST变量是方便的。这里，函数Δs_B(Δc)可容易地从ΔS_B(ΔC)确定，并且这些关系中的任一关系或任何其他数学上等效的形式均适于用作CT振幅与ST振幅之间的基线关系。我们采用在其中小写符号被用于无量纲的归一化量而大写符号被用于具有物理量纲的非归一化量的协定。例如，Δs_B(Δc)是将侧频调振幅的归一化变化与载波频调振幅的归一化变化相关的无量纲函数。函数ΔS_B(ΔC)是根据具有量纲(例如，伏特)的非归一化量来表达的相同关系。

在其中CT振幅和ST振幅两者均具有线性温度漂移的情形中，我们得到基线关系Δc＝αΔT和Δs_B＝βΔT，其中ΔT是相对于基线工作点的温度变化。如果激励是电流并且输出是电压，那么α是正常电阻的温度系数，并且β是磁阻的温度系数。如果激励是电压并且输出是电流，那么α和β与下层材料温度的关系略微更复杂一些。在实践本发明时，诸如α和β之类的根据CT振幅和ST振幅定义的经验参数与下层材料参数的依赖性不是关键的。

如下定义校正因子：

$\mathrm{CF}=\frac{1}{1+\mathrm{\Δ}{s}_B\left(\mathrm{\Δc}\right)}---\left(1\right)$

其中S_校正＝CF×S_原始。如果Δc＝αΔT并且Δs_B＝βDT，那么CF＝1/(1+κΔc)，其中κ＝β/α。下式证明在此线性示例的基线状况下S_校正的温度独立性：

$=\frac{{\mathrm{ST}}_0(1+\mathrm{\β\ΔT})}{1+\mathrm{\κ\Δc}}$

$=\frac{{\mathrm{ST}}_0(1+\mathrm{\β\ΔT})}{1+(\mathrm{\β}/\mathrm{\α})\left(\mathrm{\α\ΔT}\right)}---\left(2\right)$

$={\mathrm{ST}}_0$

可对采样存在时进行的原始侧频调测量应用相同的校正因子CF以将经校正的侧频调测量提供为传感器输出。

这种校正原始ST测量的方法可按任何数目的数学等效形式(或近似等效形式)来表达。例如，校正可通过假定原始侧频调测量S_原始包括等于ΔS_B(ΔC)的传感器漂移贡献而被表达为附加项。在这种方法中，经校正的侧频调输出由下式给出

S_校正＝S_原始-ΔS_B(ΔC)。(3)

这种方法等效于使用一阶校正因子CF。

将CT测量和ST(CT)基线用于提供经校正的ST测量一般而言适用于在其中传感器输出会漂移的任何情况。如以上指出的，这适用于由温度导致的传感器漂移。这还适用于传感器输出漂移的其他来源，包括但不限于：磁阻传感器的输入(例如，电压或电流工作点)；以及传感器的环境参数(例如，温度，压力等)。

在实践本发明时，基线ST(CT)关系可按任何方便的形式来表达。例如，基线ST(CT)关系可根据曲线拟合参数(例如，线性拟合的斜率和截距)来表达。在更复杂的情形中，查找表可被用来提供此函数的逐点定义。插值可被用来提供中间点处的函数值。

图5示出了校正侧频调输出的示例性结果。顶标绘示出校正因子CF，并且底标绘比较在基线状况下经校正和未经校正的SF输出。在移除ST温度依赖性中，温度校正的效果是显而易见的。

本发明方法的重要方面在于，能够实时(即，在获取实际的测量数据时)校正ST输出。ST(CT)基线需要在获得数据之前就被确定，但是一旦该ST(CT)被确定，就可实时应用这些校正。作为替换方案，在获取CT和原始ST测量之后用后处理来执行校正也是可能的。

图6是非线性ST-CT关系的假设示例。尽管传感器不太可能具有此类ST(CT)关系，但是此关系的复杂形状不会是实践本发明的障碍。若需要/在需要时，查找表和插值足以实现对此类传感器的ST输出的校正。

磁阻传感器的一个重要应用是生物检定。图7示出了将磁阻传感器用于生物检定的示例应用。在此示例中，捕获抗体702存在于磁阻传感器102的表面上。捕获抗体702选择性地与分析物704结合。在此步骤之后，提供具有磁性标签(110a、110b和110c)的检测抗体(706a、706b和706c)以完成检定。在分析物被结合的位置处，检测抗体还与磁性标签结合(例如，分析物704上的抗体706a和标签110a)。对结合的磁性标签的磁性检测由此提供生物检定。

为简单化，先前的描述已考虑了单个传感器情形。这种漂移校正方法还适用于具有任何数目的磁阻传感器的阵列。在此类阵列中，场调制频率f_f通常对于所有阵列元件而言是相同的，而激励频率f_c对于每个传感器阵列元件而言可以相同或不同。可独立地为阵列中的每个元件获得基线ST(CT)关系，并且可个体地对每个阵列元件应用校正。与诸如依赖单个温度测量来提供阵列中的所有元件的温度之类的替换方案相比，这种灵活性是本发明方法显著的优点。由于均匀的阵列温度在实践中是不太可能的，因而重要的是提供可个体地应用于每个阵列元件(如在本发明方法中那样)并由此能应对跨阵列的非均匀状况的温度/漂移校正。

Claims (13)

1.一种磁阻传感器装置，包括：

a)磁阻传感器；

b)提供具有调制频率f_f的反馈磁场的磁场源，其中所述磁阻传感器置于所述反馈磁场中；

c)电源，配置成向所述磁阻传感器提供具有调制频率f_c的激励，其中f_f和f_c是不同的，并且其中所述传感器的输出频谱包括频率f_c处的载波频调(CT)和频率f_c±f_f处的侧频调(ST)，其中载波频调用CT表示且侧频调用ST表示，且所述载波频调具有CT振幅且所述侧频调具有ST振幅；以及

其中所述装置被配置成确定所述输出频谱中的基线关系，其中传感器基线是在其中不存在正被测量的磁场的背景状况，且其中所述基线关系是CT振幅变化与基线ST振幅变化之间的关系，且

被配置成使用所述基线关系和相应的CT测量来校正原始ST测量以将经校正的ST测量提供为输出，

其中所述装置配置为当样本存在时测量相应的CT振幅和ST振幅以提供CT测量和原始ST测量；

其中所述确定CT振幅与ST振幅之间的基线关系包括：采集ST相对于CT数据、然后确定曲线拟合，所述曲线拟合将基线ST振幅与基线CT振幅相关；且其中所述曲线拟合是线性拟合。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述经校正的ST测量是在获取所述CT和原始ST测量期间实时提供的。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述经校正的ST测量是在获取了所述CT和原始ST测量之后通过后处理提供的。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源是电压源或电流源。

5.一种用于校正磁阻传感器的输出的方法，所述方法包括：

a)提供磁阻传感器；

b)将所述磁阻传感器置于具有调制频率f_f的反馈磁场中；

c)向所述磁阻传感器提供具有调制频率f_c的激励，其中f_f和f_c是不同的，并且其中所述传感器的输出频谱包括频率f_c处的载波频调(CT)和频率f_c±f_f处的侧频调(ST)，其中载波频调用CT表示且侧频调用ST表示，且所述载波频调具有CT振幅且所述侧频调具有ST振幅；

d)确定所述输出频谱中的基线关系，其中传感器基线是在其中不存在正被测量的磁场的背景状况，且其中所述基线关系是CT振幅变化与基线ST振幅变化之间的关系；

e)当样本存在时测量相应的CT振幅和ST振幅以提供CT测量和原始ST测量；

f)使用所述基线关系和所述CT测量来校正所述原始ST测量以提供经校正的ST测量；以及

g)将所述经校正的ST测量提供为输出；

其中所述确定CT振幅与ST振幅之间的基线关系包括：采集ST相对于CT数据、然后确定曲线拟合，所述曲线拟合将基线ST振幅与基线CT振幅相关；且其中所述曲线拟合是线性拟合。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括顺序地重复所述步骤(e)、(f)和(g)以为多个ST测量提供实时校正。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括重复所述步骤(e)以提供原始(CT，ST)数据点集合，其中所述数据点中的每个数据点的所述经校正的ST测量是通过对所述原始(CT，ST)数据点集合进行后处理的方式提供的。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定CT振幅与ST振幅之间的基线关系包括在所述磁阻传感器的温度发生变化时采集ST相对于CT数据。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定CT振幅与ST振幅之间的基线关系包括在所述磁阻传感器的输入发生变化时采集ST相对于CT数据。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定CT振幅与ST振幅之间的基线关系包括在所述磁阻传感器的环境参数发生变化时采集ST相对于CT数据。

11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述样本包括顺磁性或超顺磁性的纳米粒子。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述纳米粒子是生物分子上的标签。

13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激励是对所述磁阻传感器应用的电压或电流。