CN1829908A - 用于磁阻纳米颗粒传感器的集成1/f噪声去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁性纳米颗粒传感器装置中的噪声去除的集成电路和方法。本发明的方法包括通过导体传送导体电流以在磁阻传感器的位置产生第一水平磁场分量的步骤。在另一步骤中，通过借助于噪声最优化电路使磁阻传感器的输出处的噪声最小化，来确定磁阻传感器的最佳工作点。通过施加外部磁场使得传感器附近的纳米颗粒垂直磁化，在传感器位置产生第二水平磁场分量。然后，调节导体电流以使第一水平磁场分量补偿第二水平磁场分量。该补偿需要的导体电流的大小是对传感器处出现的纳米颗粒数量的测量。

Description

用于磁阻纳米颗粒传感器的集成1/f噪声去除方法

本发明涉及用于磁性纳米颗粒检测的传感器装置，尤其涉及用于磁阻纳米颗粒传感器中的噪声去除的集成电路和方法。

现今，基于AMR(各向异性磁阻)、GMR(巨磁阻)和TMR(隧道磁阻)元件的磁阻传感器已经赢得了重要性。除了诸如磁性硬盘头和MRAM的公知高速应用之外，在分子诊断(MDx)、IC的电流感应、汽车等领域也出现了新的较低带宽应用。

AMR出现在铁磁或亚铁磁的材料中。AMR是当在亚铁材料的薄带中施加与电流流向不平行的磁场时电阻的变化。当垂直于电流施加磁场时，电阻最大。AMR元件其特征是高灵敏度、宽工作温度范围、低且稳定的偏移(offset)和达到MHz单位的宽频率范围。使用适当的技术处理使得能够在特定方向上得到电阻变化与磁场强度的线性相关性。

在GMR技术中，已经开发了一种结构，其中第一和第二非常薄的磁性膜非常近的结合在一起。通常通过保持第一磁性膜接近于交换层使第一磁性膜固定，这意味着固定磁性取向，所述交换层是一种固定第一磁性膜的磁性取向的抗铁磁材料层。第二磁性膜或者传感器膜，具有自由可变的磁性取向。在源自磁性材料(诸如超顺磁性颗粒)的磁化强度改变的情况下，磁场中的改变引起传感器膜磁性取向旋转，从而使得整个传感器结构的电阻增大或减小。当传感器和固定膜的磁性取向在相同方向上时出现低电阻。当传感器和固定膜的磁性取向相互相对时出现高电阻。

在被隔离的(隧道)阻挡层隔开的两个铁磁层构成的系统中可以观察到TMR。该阻挡层必须非常薄，即为1纳米级。那么仅仅电子可以隧穿该阻挡层，这又是一个完全的量子力学传输过程。可以改变一个层的磁性对准而不影响其它层。在源自磁性材料(诸如超顺磁性颗粒)的磁化强度改变的情况下，磁场中的变化引起传感器膜磁性取向旋转，从而使得整个传感器结构的电阻增大或减小。

在专利申请WO 03/054523、名称为“用于测量微阵列上的磁性纳米颗粒的面密度的传感器和方法(Sensor and method for measuringthe areal density of magnetic nano-particles on a micro-array)”中，公开了一种磁性纳米颗粒生物传感器，用于微阵列或生物芯片上的生物分子的检测，该传感器使用了GMR传感器元件。图1示出了如所引用文件的一个实施例中所述的磁阻传感器1。传感器1包括第一GMR传感器元件2和第二GMR传感器元件3，所述第一和第二GMR传感器元件在衬底4的表面5下以距离d集成在生物芯片衬底4中。必须调整生物芯片衬底4的表面5以使纳米颗粒6可以结合在其上。

在图1中引入了一个坐标系统，根据该坐标系统，GMR元件2、3具有长度w，所述长度w是在y方向延伸的特定长度。如果磁阻传感器元件2、3位于xy平面，则GMR传感器元件2、3检测磁场的x分量，即GMR传感器元件2、3在x方向上具有敏感方向。为了读出生物芯片，通过垂直于生物芯片平面的外部均匀磁场磁化与该生物芯片结合的超顺磁性纳米颗粒6。垂直磁场在磁偶极子端部定向了较高的磁场，所述磁偶极子由朝着并接近于第一和第二GMR传感器元件2、3的纳米颗粒6形成。被磁化的纳米颗粒6在GMR膜下面的平面内产生相对的磁感应矢量区域，最后得到的磁场被第一和第二GMR传感器元件2、3检测。GMR传感器元件2、3的输出被馈送至比较器。

在所述文件中，在磁性纳米颗粒6的饱和区域执行测量。为了使纳米颗粒或者纳米珠(对于50nm的磁珠，通常为0.025Am²/g或者更多)完全饱和，通常至少需要80kA/m(＝0.1特斯拉)的外部磁场。为了去除共模干扰或者1/f噪声，优选的是该外部磁场是交替的。为避免平面内场元件引起的传感器饱和(通常发生在+/-5mT，4kA/m)，因此需要精细的机械对准。由于实际上最大磁场强度通常限制在40kAm和10Hz交替频率，因此在线圈中耗散8瓦特(8V时1A)。

现有技术的方法和装置的缺点在于，在低频状态下(通常0-20kHz)GMR和TMR元件可以实现的信噪比(SNR)受到这些元件本身存在的(磁性)1/f噪声的限制、放大器的电噪声特性(诸如噪声、偏移、漂移)的限制以及不需要的磁场的限制。1/f噪声的功率密度与频率成反比，在电子部件中通常在100Hz以下占主要地位。在磁阻传感器中，已知的是，在拐角频率fc≈50kHz以上，热白噪声占主要地位。白噪声电平限制了理论上可得到的检测限度。如果SNR小于1，那么就很难得到一个有意义的测量。存在几种提高SNR的方法。用于去除低频噪声的一个公知方法是应用斩波(chopping)方法，以fc以上的速率使得用于磁化纳米颗粒的外部磁场反向。然而这种方法需要高的功率消耗、外部线圈和磁扼以及额外的连接，因此当需要小型生物传感器时这种方法不适合。

本发明的一个目标是提供一种用于磁阻传感器中的噪声去除的装置和方法，所述磁阻传感器可以应用于纳米颗粒传感器装置。

通过根据本发明的方法和装置，可以实现上述目标。

本发明提供了一个用于磁性纳米颗粒传感器装置中的噪声去除的集成电路。所述集成电路包括至少一个第一磁场发生器和至少一个磁阻传感器。根据本发明的一个实施例，所述至少一个第一磁场发生器可以包括导体。所述至少一个第一磁场发生器适合于在所述至少一个磁阻传感器的敏感方向产生第一磁场分量。此外集成电路还包括用于确定所述至少一个磁阻传感器的工作点的装置。需要确定最佳工作点，对于该最佳工作点信噪比最大，即必须找到传感器检测特性上的最大SNR。对于本发明，信噪比(SNR)可以至少为1。SNR的绝对值取决于所施加的外部磁场的幅值和传感器噪声功率。此外，还存在第二磁场发生器，用于产生磁化纳米颗粒的磁场，从而在所述至少一个磁阻传感器的敏感方向上产生第二磁场分量。第二磁场发生器可以是集成电路外部的磁场发生器。在另一实施例中，第二磁场发生器可以是集成电路的一部分。在本发明的一个实施例中，第二磁场发生器可以是永磁体。在另一实施例中，第二磁场发生器可包含一个或多个导体。此外，集成电路包括至少一个噪声最优化电路，适合于通过补偿第二磁场分量在传感器中建立净磁场强度。

可以以垂直于装置的方向或者以与传感器装置垂直方向成一个角度定位第二磁场发生器。然而，由于外部磁场比传感器的动态范围大的多，因而后一种方式容易使传感器饱和。在传感器的动态范围内，本发明可以阻止传感器饱和。

在本发明的一个实施例中，所述至少一个磁阻传感器可以包括上侧和下侧，所述上侧和下侧彼此相对。在该实施例中，所述至少一个磁场发生器可以定位在所述至少一个磁阻传感器的下侧。

在另一实施例中，集成电路可以包括两个彼此相邻的磁阻传感器和定位于每个磁阻传感器下侧的磁场发生器。

在本发明中，磁阻传感器可以是GMR、TMR或者AMR传感器，并且可以具有一个又长又窄的条带几何形状。此外，在另一实施例中，第一磁场发生器可以集成至磁阻传感器中。

在一个实施例中，噪声最优化电路可以包括积分器装置。在本发明的另一实施例中，噪声最优化电路还可包括谐波调制源。

此外，本发明提供了一种包括根据本发明的集成电路的生物芯片。

本发明还提供了用于磁性纳米颗粒传感器装置中的噪声去除的方法。所述方法包括：

在磁阻传感器的敏感方向上产生第一磁场分量，

通过使所述磁阻传感器输出处的噪声最小化来确定磁阻传感器的工作点，

应用第二磁场以磁化纳米颗粒，从而在磁阻传感器的敏感方向上产生第二磁场分量。

工作点的信噪比可以尽可能高，可以至少为1。

可以通过永磁体或者通过一个或多个附加的导体产生第二磁场。可以以基本垂直于传感器装置的方向或者以与传感器装置垂直方向成一个角度定位所述第二磁场发生器。

在本发明的一个实施例中，可以通过使导体电流流过导体产生第一磁场分量。通过调节流经导体的电流可以执行对第一磁场分量的调节。

在另一实施例中，本发明的方法还可以包括：

通过使所述第二磁阻传感器的输出处的噪声最小化，确定第二磁阻传感器的工作点，和

校准所述第一磁阻传感器和所述第二磁阻传感器的输出之间的差值为零。

确定第二磁阻传感器的工作点可以通过确定最佳工作点实现，对于该最佳工作点来讲信噪比可以尽可能高，并且可以至少为1。

此外，可以在集成电路的制造期间使用本发明的方法。

本发明还提供了使用根据本发明的集成电路，用于分子诊断、生物采样分析或化学采样分析。

本发明方法的优点在于通过建立传感器的工作点可以减少磁阻传感器中产生的通常噪声。另外的优点在于，该方法补偿了引起平面内磁场的垂直对准误差，所述平面内磁场可以使磁阻传感器位于噪声敏感区域或者处于饱和。本发明的另一优点在于，本发明的方法可以产生小波形系数且低成本的传感器装置。

参考以实例的方式说明本发明原理的附图，从下面的详细描述中，这些特性、特征和优点和其它特性、特征以及优点将显而易见。这些描述仅仅给出了实例，并未限制本发明的范围。下面参考图形是指附图。

图1是根据现有技术的包括GMR传感器的部分生物传感器的横截面图。

图2示出了根据本发明的第一实施例的装置。

图3示出了图2装置的横截面图。

图4是示出了根据第一实施例的本发明方法的集成电路的示意图。

图5示出了AMR和GMR传感器的偶R(H)特性。

图6是根据本发明第二实施例的装置的横截面图。

图7是根据本发明第二实施例的本发明方法的示意图。

图8是根据第二实施例的特殊实例的本发明的方法的示意图。

图9示出了GMR条带传感器的奇R(H)特性。

图10是根据第三实施例的本发明的方法的示意图。

图11是根据第四实施例的本发明的方法的示意图。

在不同的图中，相同的附图标记指代相同或相似元件。

下面将结合具体实施例、参考特定附图描述本发明，但是本发明并不仅限于此，而是由权利要求书限定。所述的附图仅仅是示意性的并且是非限制性的。为了说明的目的，在附图中一些元件的尺寸被放大，并非按照比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用的术语“包括”的地方，并不排除其它元件或者步骤。在提到一个单数名词时使用了冠词的地方，例如“一”、或“一个”、“这”，除非经过特殊说明，否则包括多个这种名词。

此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二和第三等用于区别相似元件，并不一定用于描述顺序或者时间顺序。应当理解的是，在适当的条件下，这样使用的术语是可互换的，此处描述的本发明的实施例除了以此处描述或说明的顺序操作，也可以以其它顺序操作。

本发明提供了一种借助于传感器装置在纳米颗粒检测过程中的噪声去除方法和集成电路10。集成电路10可以包括至少一个磁场发生器11，至少一个磁阻传感器12，和至少一个噪声优化电路13。磁场发生器11可以例如为电流线。磁阻传感器12可以例如为GMR、TMR或者AMR型传感器，并且例如可以具有拉长的几何形状，例如又长又细的几何形状，但是本发明并不仅限于此形状。可以接近于磁阻传感器12定位磁场发生器11，以使磁场发生器11以这样一种方式产生磁场：在SNR最大的区域中建立磁阻传感器12内部的磁场强度。在生物测量之前，通过最优化传感器12输出处的SNR来确定装置的最佳工作点。

由于作为磁场强度函数的噪声过程毫无规律，这意味着没有可利用的梯度，因此一个重复过程可以寻找检测曲线边缘内部的最佳区域。将通过下面描述的不同实施例对上述方法做进一步的说明。

图2至图4示出了本发明的第一实施例。集成电路10可以包括磁阻传感器12，所述磁阻传感器12例如可以是具有偶(即对称)R(H)特性的GMR元件。通过沿着几何形状的y轴或易磁化轴磁化GMR传感器12的固定层(pinned layer)，可以实现这种偶R(H)特性。固定层14中的磁化强度方向由箭头15指示。根据易磁化轴，磁阻传感器12的自由层16中的优选磁化强度由箭头17指示。GMR传感器12可以进一步包括上侧18和下侧19，所述上侧18和下侧19彼此相对。

此外，该装置还可以包括作为磁场发生器的导体11，所述导体11定位在磁阻传感器12的下侧19。在GMR传感器12的上侧18定位了一个表面，纳米颗粒20可以固定在该表面作为生物测定的结果。该表面被称为固定表面21。这意味着对于测量颗粒的体积浓度(bulkconcentration)，不需要表面改性(surface modicification)。仅仅当必须测量固定在表面上的结合纳米颗粒20的浓度时，才需要表面改性。当必须检测固定纳米颗粒20时，芯片包括如上所述的顶层21或者固定表面21，该顶层21或者固定表面21主要为金，但是可以是用于生物材料沉积的任意其它适合材料。

在生化测量之前，即在磁性纳米颗粒20出现在磁阻传感器12的邻近之前，通过使传感器12的输出处的噪声最小化并校准该输出使其为零，来确定传感器12的最佳工作点。需要一个重复过程以寻找传感器12的最佳工作区域。对于最佳工作点，信噪比需要尽可能高，且优选为1或更高。SNR的绝对值取决于所施加的外部磁场25的幅值和传感器噪声功率。

在图4中，示出了根据本发明第一实施例的集成电路的示意图。通过驱动电流经过导体11，导体11产生磁场，该磁场在传感器12中建立磁场强度，从而在传感器12的位置处产生第一水平磁场分量22。正如从图4可以看出，导体电流I_cond为谐波调制源23所产生的调制信号(m(t)＝sin at)与积分器24的输出I_int之和。因此：

I_cond＝I_int+sin at                              (等式1)

为了实现高度缩小，可以优选积分器24为一级或更好级的积分环路滤波器。

然后将磁性纳米颗粒20引入磁阻传感器12附近，对固定在固定表面21上的磁性纳米颗粒20施加外部磁场25(图3)(例如可以由永磁体产生)，从而在施加外部磁场25的方向上磁化固定的纳米颗粒20，在图3所示的实例中为垂直方向。更为通常的是，可以垂直于磁阻传感器12的敏感方向施加外部磁场25。然而，事实上，通常外部磁场25并非优选的是垂直方向。因此本发明还能够用于补偿非垂直磁场作用。因此，相对于垂直传感器装置的方向以一个角度定位外部磁场发生器包括在本发明的范围之内。然而，由于外部磁场25比传感器12的动态范围大的多，因此，这样能够很容易使传感器12饱和。本发明还能够阻止GMR传感器的饱和。作为施加的外部磁场25的结果，在GMR传感器12中产生第二水平磁场分量26。在开始生化测量之后，在积分器24的输出可以测量由于纳米颗粒20而产生的磁场强度的变化。现在I_int和m(t)都在GMR传感器12的位置产生水平磁场分量，即分别为第一水平磁场分量22和第二水平磁场分量26。在GMR传感器12处的净磁场27与来自纳米颗粒20的磁场和导体电流的贡献成比例或者相等，因此：

H_GMR∝I_cond+H_ext·N_nano＝(I_int+sin at)+H_ext·N_nano＝A+sin at    (等式2)

此处，H_GMR＝GMR传感器的净磁场，

H_ext＝外部磁场25，

N_nano＝系统中存在的磁性纳米颗粒的数量，

此处，传感器12的敏感层内部的平均磁场A等于：

A＝I_int+H_ext·N_nano      (等式3)

由于偶R(H)特性：

R(H)∝H²＝(A+sin at)²    (等式4)

图4中具有注释e_n，1/f的构件只不过是这样事实的示意表示：来自磁阻传感器12的信号包括1/f噪声。在集成电路中该构件不再起作用，因此在本发明的描述中将不再提及。

然后通过磁阻传感器12测量的信号被传送至放大器2放大，因而产生放大信号Amp1(t)。使用调制信号m(t)通过解调乘法器29同步解调放大信号Ampl(t)，产生了一个中间信号dem(t)，所述中间信号dem(t)等于；

      dem(t)＝(A+sin at)²·sin at＝A²sin at+2Asin² at+sin³ at

      dem(t)＝(A²+sin² at)sin at+A-Acos2 at

                                                           (等式5)

假设对于最佳工作点，A等于零。在经积分器24积分以后，调节导体电流I_cond以补偿源自固定纳米颗粒20的磁场，即第二水平磁场分量26，因此：

A＝I_int+H_ext·N_nano＝0    等式(6)

因此，补偿第二水平磁场分量26所需的电流I_int的大小取决于固定在固定表面21上的纳米颗粒20的数量。

通过向积分器24的输入添加偏移值，在不为零的工作点处建立了GMR传感器12中的磁场强度。通过例如借助于电流控制装置改变经由“工作点”输入的磁场发生器中的电流，来改变传感器12中的磁场。通过测量噪声功率(例如在积分器输出)和谐波源23m(t)＝sin(at)的响应的幅值，所述谐波源23响应的幅值取决于R(H)特性的局部斜率，在GMR放大器28的输出可以测量信噪比并使其最佳。可以提供噪声功率测量装置和幅值确定装置用于输出代表噪声功率和/或响应幅值的值。此外，还可提供控制装置，用于选择使得在足够宽区域内SNR最大的工作点作为检测器的工作点。这种装置可以包括噪声最小化算法。噪声最小化算法可以集成在芯片中，或者也可以位于芯片外部，诸如在读出器位置。

用于所提出实施例的可实现的磁场强度可以推导如下。假设磁阻传感器12具有又长又窄的条带几何形状，导体11和GMR传感器12的敏感层之间的距离w为0.5um，导体电流I_cond＝20mA，垂直磁场强度等于：

$H_2=\frac{I_{\mathrm{cond}}}{2\mathrm{\πw}}=\frac{0.02}{2\mathrm{\π}\·0.5\·{10}^{-6}}\≈6\mathrm{kA}/m$ (等式7)

可以在+/-6kA/m范围内建立传感器12的工作点。这意味着导体11能够使用-20mA至20mA的电流产生-6至+6kA/m的磁场。

由磁性纳米颗粒20所引起的磁场偏移比这个范围小的多，通常对于50nm的纳米颗粒20在1个纳米颗粒/μm²的表面密度下该磁场偏移可以通常是0.4A/m。

图5示出了根据上面提出的装置几何形状的3μm宽AMR条带传感器12(图形30)和GMR条带传感器13(图形31)的传输函数。AMR传感器示出了更陡的传输函数30，该传输函数30比GMR传感器的传输函数31给出了更好的误差信号。因此，AMR传感器可更加适合应用于本发明第一实施例的用于噪声去除的集成电路和方法。

在本实施例中，仅讨论了使噪声去除最小化。对于最佳SNR，还必须考虑检测曲线的灵敏度。经由附加的波动(wobbling)技术或者从当前波动幅值可以推导出检测曲线的灵敏度，这对于本领域技术人员来讲是公知的。放大器28输出处的波动响应幅值是对于GMR元件12的局部灵敏度的测量。可以通过整流、FFT或者同步解调得到代表幅值的值。

在另一个实施例中，磁场发生器11可以集成在磁阻传感器12中，因而形成了集成传感器12/磁场发生器11装置。该集成传感器/磁场发生器11装置既可以产生磁场又可以检测磁场。然而，由于在高欧姆传感器12/磁场发生器11装置中的功率耗散，因此现在允许的传感器电流小于第一实施例允许的导体电流I_cond。通过改变传感器电流，可以改变GMR传感器12内部的磁场以使SNR最佳。

第一实施例的不利之处在于，事实上共模磁场，即平均磁场A没有得到抑制。还检测到了源自例如磁体、变压器等的外部磁场25。通过实施一个桥式(差分)结构(参见另一实施例)，可以减弱共模或者整个磁场分量。

在一个改进的实施例中描述了解决这个问题的方法，图6和图7示意地示出了该改进实施例。该改进实施例的集成电路10可以包括两个用在平衡结构中的磁阻传感器12₁、12₂，这种情况在上面所述段落中还称为差分测量。

集成电路10还包括2个磁场发生器，诸如导体11₁、11₂。每个导体11₁、11₂可以定位在磁阻传感器12₁、12₂的下侧19(图6)。每个传感器12₁、12₂包括噪声最优化电路13₁、13₂以使积分器24₁、24₂输出处的噪声最小化(图7)。噪声最小化算法可以集成在芯片上或者可以位于芯片外部，诸如是在阅读器位置。

在生化测量之前，通过使每个传感器12₁、12₂输出处的噪声最小化或者使SNR最佳，确定每个传感器12₁、12₂的最佳工作点，如第一实施例所述。在最优化之后，可以校准两个积分器值之间的差值为零。

然后，可以将纳米颗粒20引入磁阻传感器12₁、12₂附近，并可开始生物测量。由于平衡结构，抑制了共模磁场。

在图6和图7中，示出了固定表面21仅仅覆盖每个传感器12的一半。这是因为，如果偶R(H)特性被非零磁场“控制”，传感器12的性能与奇R(H)特性相似，那么传感器12的一半必须对于纳米颗粒20不敏感(进一步参考下面)。然而，在零磁场中，纳米颗粒20可以位于芯片的整个区域上。在这种情况下，在距离传感器12较大距离处灵敏度会降低。

在该实施例中，当两传感器的斜率在相同方向上时，保持两个传感器的“平衡性能”。该斜率取决于它们特性上的工作点位置。

当两个斜率不在相同方向上时，为实现平衡结构必须添加两个积分器值而不是减去两个积分器值。通过向磁场发生器电流添加谐波调制，并且对它们进行同步解调(例如实施例1中的灵敏度测量)，或者根据低通滤波的Dem1或者Dem2可以确定斜率方向。

在第二实施例的具体实例中，磁阻传感器12₁、12₂的噪声特性可以相等。在这种情况下，仅需要一个控制环或者噪声最优化电路13以在磁阻传感器12₁、12₂中建立磁场。图8示出了这种情况。

分别通过第一和第二磁阻传感器12₁、12₂测量的信号分别进入第一和第二放大器28₁、28₂进行放大，因而产生放大信号Ampl₁(t)和Ampl₂(t)。然后从放大信号Ampl₁(t)中减去放大信号Ampl₂(t)，结果产生信号Ampl(t)。然后使用调制信号m(t)通过解调乘法器29来同步解调信号Ampl(t)，结果产生中间信号dem(t)。通过使传感器12₁、12₂的输出处的噪声最小化来确定磁阻传感器12₁、12₂的最佳工作点。

在图10所示的另一实施例中，本发明的方法和装置可以用于建立具有奇R(H)特性(图9)的磁阻传感器12₁、12₂的工作点。集成电路10可以包括两个磁阻传感器12₁、12₂和两个磁场发生器，诸如导体11₁、11₂。导体11₁、11₂可以定位在每个传感器12₁、12₂的下侧19。此外，集成电路10还可以包括两个噪声最优化电路13₁、13₂。在该实施例中，由于传感器12₁、12₂的奇特性，噪声最优化电路13₁、13₂不需要谐波调制源23。因此，I_cond1＝I_int1和I_cond2＝I_int2。图10示出了根据本发明第三实施例的方法的示意图。由于净磁场27(为第一磁场分量22和第二磁场分量26之和)，在第一和第二传感器12₁、12₂处测量的信号被发送至第一和第二放大器28₁、28₂进行放大，因而分别产生信号Ampl₁(t)和Ampl₂(t)。然后该信号可以重复发送至积分器24₁、24₂以使传感器12₁、12₂的噪声最佳。

在生物测量之前，在邻近没有磁性纳米颗粒20的情况下，如上所述使每个传感器12₁、12₂最佳。最优化之后，可以将两个积分器值(检测器输出信号)之差校准为零。当纳米颗粒20出现在磁阻传感器12₁、12₂附近时，可以通过调节导体电流以补偿源自磁化纳米颗粒20的第二水平磁场分量26，来确定纳米颗粒20的浓度。补偿需要的电流的大小是对传感器12₁、12₂的上侧18上出现的纳米颗粒20的数量的测量。

在该实施例中，传感器装置需要一些措施以将纳米颗粒20限制在每个传感器12的一半(如图10所述)，这是由于否则就消除了对于纳米颗粒20的响应。通过在传感器12的一半上应用非金层(固定表面21)就可以实现这一点。

在第四实施例中，用于本发明的噪声去除的集成电路10和方法可以应用在芯片上磁性颗粒传感器装置中，如图11所述。

在该实施例中，集成电路可以包括磁阻传感器12和磁场发生器，诸如定位在磁阻传感器12的下侧19处的导体11。此外，集成电路可以包括至少一个附加的磁场发生器，诸如定位在磁阻传感器12附近的导体32，该至少一个附加导体32用作外部磁场发生器(图11)。

通过对准附加导体32和传感器元件12以使磁场分量出现在传感器元件12的敏感方向上，还能够将磁场发生器11的功能添加至附加导体32的功能中。

此外，图11中的集成电路可以包括检测装置33。可以以如本发明的第三实施例中所述的相同方式应用噪声最优化。

还可以在集成电路10的制造期间应用上述实施例所述的本发明的方法。通过应用该方法，在制造过程中，确定最佳工作点并将该最佳工作点存储在芯片中。

此外，根据本发明的集成电路可以用于分子诊断、生物采样分析或者化学采样分析。

本发明的优点在于，事实上当施加外部磁场25时，传感器噪声功率确实没有改变。此外，出现在芯片上的磁场产生元件11产生了取决于所施加的外部磁场25的幅值的磁场。

应当理解的是，尽管此处讨论了用于根据本发明装置的优选实施例、具体结构和配置以及材料，但是在并不偏离本发明的精神和范围的情况下，还存在形式和细节上的各种改变或变型。

Claims (21)

1.一种用于磁性纳米颗粒传感器装置中的噪声去除的集成电路(10)，所述集成电路包括：

至少一个第一磁场发生器(11)和至少一个磁阻传感器(12)，所述至少一个第一磁场发生器(11)适合于在至少一个磁阻传感器(12)的敏感方向上产生第一磁场分量(22)，

用于确定所述至少一个磁阻传感器(12)的工作点的装置，

存在用于产生磁场以磁化纳米颗粒(20)的第二磁场发生器，从而在至少一个磁阻传感器(12)的敏感方向上产生第二磁场分量(26)，所述集成电路还包括至少一个噪声最优化电路(13)，适用于通过补偿所述第二磁场分量(26)在传感器(12)中建立净磁场强度。

2.根据权利要求1所述的集成电路(10)，其中所述第二磁场发生器为集成电路(10)外部的磁场发生器。

3.根据权利要求1或2所述的集成电路(10)，其中对于所述工作点，信噪比至少为1。

4.根据权利要求1-3任一项所述的集成电路(10)，其中所述至少一个第一磁场发生器包括导体(11)。

5.根据前述权利要求任一项所述的集成电路(10)，其中所述至少一个磁阻传感器(12)包括上侧(18)和下侧(19)，所述上侧(18)和下侧(19)彼此相对，并且其中所述至少一个磁场发生器(11)定位于所述至少一个磁阻传感器(12)的下侧(19)。

6.根据权利要求5所述的集成电路(10)，所述集成电路(10)包括两个彼此相邻的磁阻传感器(121、122)和定位在每个磁阻传感器(121、122)的下侧(19)的磁场发生器(111、112)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的集成电路(10)，其中所述磁阻传感器(12)具有又长又窄的条带几何形状。

8.根据权利要求1-7任一项所述的集成电路(10)，其中所述第一磁场发生器(11)集成至所述磁阻传感器(12)。

9.根据前述权利要求任一项所述的集成电路(10)，其中所述噪声最优化电路(13)包括积分器装置(24)。

10.根据前述权利要求任一项所述的集成电路(10)，其中所述噪声最优化电路(13)还包括谐波调制源(23)。

11.根据权利要求1至10任一项所述的集成电路(10)，其中第二磁场发生器包括一个或多个导体(32)。

12.一种包括根据前述权利要求任一项所述的集成电路的生物芯片。

13.一种用于在磁性纳米颗粒传感器装置中的噪声去除的方法，所述方法包括：

在磁阻传感器(12)的敏感方向上产生第一磁场分量(22)，

通过使所述磁阻传感器(12)输出处的噪声最小化来确定磁阻传感器(12)的工作点，

应用第二磁场(25)以磁化纳米颗粒(20)，从而在磁阻传感器(12)的敏感方向上产生第二磁场分量(26)，

调整第一磁场分量(22)以补偿所述第二磁场分量(26)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中确定磁阻传感器(12)的工作点包括确定信噪比至少为1的工作点。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中产生第一磁场分量包括使导体电流流过导体(11)。

16.根据权利要求15所述的方法，其中通过调节流经导体(11)的导体电流执行对第一磁场分量的调节。

17.根据权利要求13至16任一项所述的方法，所述方法还包括：

通过使所述第二磁阻传感器(122)的输出处的噪声最小化，确定第二磁阻传感器(122)的工作点，

校准所述第一磁阻传感器(121)和所述第二磁阻传感器(122)的输出之间的差值为零。

18.根据权利要求17所述的方法，其中确定第二磁阻传感器(122)的工作点包括确定信噪比至少为1的工作点。

19.根据权利要求13-18任一项所述的方法，其中通过一个或多个附加导体(32)产生所述第二磁场(25)。

20.根据权利要求13-19任一项所述的方法，其中在集成电路(10)制造期间应用所述方法。

21.使用前述权利要求任一项所述的集成电路，用于分子诊断、生物采样分析或化学采样分析。

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