DE102019121379A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Detektieren von magnetischen Partikeln - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Detektieren von magnetischen Partikeln (13) in einem Medium (12), wobei die Vorrichtung (1) zumindest einen Durchflusskanal für das Medium (12) umfasst, die Vorrichtung weiter ein magnetisches Sensorschichtsystem (2) mit mehreren übereinander angeordneten Schichten umfasst, wobei das magnetische Sensorschichtsystem (2) unterhalb des Durchflusskanals angeordnet ist und von oben nach unten in der folgenden Reihenfolge zumindest die folgenden Schichten umfasst: eine Sensorschicht (10), zum Erfassen einer Messgröße, eine Zwischenschicht (9), ein Referenzschichtsystem (5), wobei das Referenzschichtsystem (5) zumindest eine Referenzschicht (8) und eine Schicht aus einem natürlichen Antiferromagneten (7) umfasst, soll erreicht werden, ein magnetisches Nettomoment im Zeitverlauf in magnetischen Kügelchen oder magnetischen Partikeln (13) zu erzeugen, ohne die Leistung der Sensoren zur Messung der Magnetfelder zu beeinträchtigen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, ein Magnetfeld (16) in der Mitte der Sensorschicht (10) zu erzeugen und auf einen bestimmten Wert einzustellen, wobei das Magnetfeld (16) durch einen durch das magnetische Sensorschichtsystem (2) fließenden elektrischen Strom erzeugt wird. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung Ansprüche in einem Lab-on-a-Chip-System, insbesondere in einem mikrofluidischen System. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von magnetischen Partikeln (13) in einem Medium (12).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Detektieren von magnetischen Partikeln in einem Medium. Auch betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung in einem Lab-on-a-Chip-System, insbesondere in einem mikrofluidischen System.
• Magnetische Partikel werden häufig verwendet, um Biomoleküle wie DNA oder Proteine zu transportieren und/oder zu trennen. Erreicht wird dies durch ein chemisches System (Linker), das spezifisch die Biomoleküle auf der Oberfläche der magnetischen Partikel bindet. Die magnetischen Partikel mit den Linkern und Biomolekülen sind in der Regel in Flüssigkeiten dispergiert. Insbesondere bei mikrofluidischen Systemen ist es daher von Vorteil, das Vorhandensein und die Bewegung solcher magnetischen Partikel zu erfassen, da dies mit dem Vorhandensein und den dynamischen Prozesse der Biomoleküle korreliert werden kann. Letzteres kann typischerweise die Proteinfaltung oder eine DNA/RNA molekulare Anordnung sein.
• Die magnetischen Partikel können dabei insbesondere auch magnetische Kügelchen sein. Die magnetischen Kügelchen bestehen aus kleinen magnetischen Partikeln, die in eine nichtmagnetische Matrix eingebettet sind, während die magnetischen Partikel sowohl in den magnetischen Kügelchen als auch in den einzelnen magnetischen Partikeln aus einem Material bestehen, das im Wesentlichen ferromagnetisch ist. Eine Klasse der magnetischen Partikel oder magnetischen Kügelchen verhält sich ferromagnetisch bei Raumtemperatur, eine andere Klasse verhält sich superparamagnetisch bei Raumtemperatur. Um eine korrekte Funktion zu gewährleisten sind die magnetischen Partikel oder die magnetischen Kügelchen in der Regel mit einer dünnen Hülle aus einem Material bedeckt, das geeignet ist, bestimmte Chemikalien (Linker) an die Oberfläche zu binden. Die Größen der Kügelchen und Partikel liegen typischerweise im Bereich von einigen µm bis hinunter zu 10 nm.
• Typische Sensoren, die zum Zweck der Detektion der Partikel oder Küglechen verwendet werden, bestehen aus mikrostrukturierten Dünnschichtstapeln, die die Änderung des elektrischen Widerstandes des Stapels in Abhängigkeit von einem externen Magnetfeld durch Effekte wie den Anisotropen Magnetwiderstand (AMR), den Riesenmagnetwiderstand (GMR) oder den Tunnelmagnetwiderstand (TMR) erfassen. Andere Effekte, die genutzt werden können, sind beispielsweise der Anomale Hall-Effekt (AHE) oder der Planare Hall-Effekt (PHE), die eine elektrische Spannung erzeugen, die von einem externen Magnetfeld abhängt. Im Allgemeinen sind diese Sensoren für die Erfassung einer sehr kleinen Magnetfeldstärke im Bereich von 10^-6 Oe bis 1 Oe optimiert, und in allen Fällen fließt ein elektrischer Strom durch den Sensor entweder in der Ebene des Chips (AMR, GMR, AHE, PHE) oder senkrecht zur Ebene des Chips (GMR, TMR).
• Eine Voraussetzung für die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Erkennen magnetischer Partikeln mittels der zuvor genannten Sensoren ist, dass die magnetischen Partikel ein magnetisches Nettomoment aufweisen, dass über eine bestimmte Zeitspanne gemittelt wird (typischerweise zwischen Millisekunden bis zu Sekunden). Dieses magnetische Moment erzeugt ein magnetisches Streufeld, das den Magnetsensor, insbesondere die Sensorschicht des Schichtsystems des Magnetsensors, durchdringt und das Signal, d.h. eine Änderung des elektrischen Widerstands oder einer Spannung, erzeugt. Da die magnetischen Momente der ferromagnetischen Kügelchen oder magnetischen Partikel zufällig ausgerichtet sind und somit ein Nettomagnetfeld von Null erzeugen und die zeitgemittelten magnetischen Momente der superparamagnetischen Partikel bei der Temperatur der Messung Null sind, kann dies nur erreicht werden, indem die magnetischen Partikel einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden.
• Bei mikrofluidischen Geräten wird dieses Magnetfeld oft durch die Integration von stromführenden Drähten auf dem Chip, die das Magnetfeld durch ihren elektrischen Strom erzeugen, hergestellt. Da die Sensoren jedoch für die Erfassung einer kleinen Magnetfeldstärke optimiert sind, stört dieses Feld den Sensor und kann den Sensor sogar magnetisch sättigen, so dass kein Signal vom Magnetstreufeld der magnetischen Kügelchen oder magnetischen Partikeln erfasst werden kann. Ein weiterer Nachteil bestehender Lösungen aus dem Stand der Technik ist das Vorhandensein eines Basissignals der Sensoren. Dies ist für AMR-, GMR- und TMR-Sensoren der elektrische Widerstand in dem Zustand, in dem kein externes Magnetfeld vorhanden ist.
• Bei den AHE- und PHE-Sensoren führt die magnetische Konfiguration des Dünnschichtstapels und/oder eine Fehlausrichtung der elektrischen Kontakte zu einer Spannung, die auch ohne externes Feld vorhanden ist.
• Im Hinblick auf den vorgenannten Stand der Technik ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, um ein magnetisches Nettomoment im Zeitverlauf in magnetischen Kügelchen oder magnetischen Partikeln zu erzeugen, ohne die Leistung der Sensoren zur Messung der Magnetfelder zu beeinträchtigen. Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Magnetfeldern zu ermöglichen, wie beispielsweise ein Magnetfeld, das durch stromführende Drähte erzeugt wird, ohne dass die Sensorschicht des Sensors durch diese Magnetfelder beeinflusst wird.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Erfindungsgemäß ist somit eine Vorrichtung zur Detektion von magnetischen Partikeln in einem Medium angegeben, wobei die Vorrichtung zumindest einen Durchflusskanal für das Medium umfasst, die Vorrichtung weiter ein magnetisches Sensorschichtsystem mit mehreren übereinander angeordneten Schichten umfasst, wobei das magnetische Sensorschichtsystem unterhalb des Durchflusskanals angeordnet ist und von oben nach unten in der folgenden Reihenfolge zumindest die folgenden Schichten umfasst: eine Sensorschicht, zum Erfassen einer Messgröße, eine Zwischenschicht, ein Referenzschichtsystem, wobei das Referenzschichtsystem zumindest eine Referenzschicht und eine Schicht aus einem natürlichen Antiferromagneten umfasst, die zwischen der Referenzschicht und der Sensorschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart eingerichtet ist, ein Magnetfeld in der Mitte der Sensorschicht zu erzeugen und auf einen bestimmten Wert einzustellen, wobei das Magnetfeld durch einen durch das magnetische Sensorschichtsystem fließenden elektrischen Messstrom erzeugt wird.
• Dabei trennt die Zwischenschicht die Sensorschicht magnetisch von dem Referenzschichtsystem oder der Referenzschicht. Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, den Dünnschichtstapel des magnetischen Sensors so aufzubauen, dass der durch den Sensor fließende Messstrom in der Mitte der Sensorschicht ein Magnetfeld erzeugt, welches sich auf einen bestimmten Wert einstellen lässt. Da die einzelnen Schichten des Dünnschichtstapels in der Regel unterschiedliche spezifische elektrische Widerstände aufweisen sind die in den einzelnen Schichten fließenden Stromdichten unterschiedlich. Der Stromfluss durch den Schichtstapel ist also nicht homogen, so dass in einer Ausführungsform der Erfindung durch Maßschneidern der spezifischen elektrischen Widerstände der einzelnen Schichten und durch Anpassen der Dicken der einzelnen Schichten ein Magnetfeld in der Mitte der Sensorschicht erzeugt wird, welches sich auf einen bestimmten Wert einstellen lässt. Wird das Sensorschichtsystem so ausgelegt, dass der durch den Sensor fließende Messstrom in der Mitte der Sensorschicht ein Magnetfeld erzeugt, welches sich auf einen bestimmten Wert einstellen lässt, dann kann zusätzlich ein äußeres Magnetfeld zum Magnetisieren der Partikel verwendet werden, das durch das eingestellte Magnetfeld des Messstroms in der Sensorschicht kompensiert wird.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das magnetische Sensorschichtsystem auf einer Chipoberfläche angeordnet, wobei die Chipoberfläche zumindest ein Substrat umfasst und das magnetische Sensorschichtsystem eine Keimschicht umfasst, um eine Haftung des magnetischen Sensorschichtsystems auf dem Substrat zu gewährleisten. Dies verbessert die Stabilität der gesamten Einrichtung unter thermischer Belastung.
• In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das magnetische Sensorschichtsystem weiter eine isolierende, insbesondere gegen das Medium des Durchflusskanals chemisch inerte Schicht, wobei die isolierende Schicht zwischen dem Durchflusskanal und der Sensorschicht angeordnet ist. Dadurch wird das Sensorsystem gegenüber dem Durchflusskanal elektrisch isoliert und gegen chemische Reaktionen mit dem Medium im Durchflusskanal geschützt.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt die isolierende Schicht eine Dicke von weniger als 30 Nanometern und derart eingerichtet ist, mittels eines Atomlagenabscheidungsverfahrens aufgebracht zu werden. Dadurch wird der Abstand zwischen dem Sensor und dem Medium im Durchflusskanal auf unter 30 Nanometer minimiert, was zu einer Erhöhung der Signalstärke führt.
• In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das magnetische Sensorschichtsystem elektrisch mit einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt verbunden, so dass der elektrische Messstrom durch das magnetische Sensorschichtsystem zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt fließt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Kontakte außerhalb des mikrofluidischen Systems liegen und frei zugänglich sind.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine elektrische Schaltung zum Erzeugen eines elektrischen Messstroms durch das magnetische Sensorschichtsystem, wobei die elektrische Schaltung derart eingerichtet ist, einen einstellbaren Strompegel zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt bereitzustellen. Dadurch wird ermöglicht, die Stärke des durch den elektrischen Messstrom erzeugten Magnetfeldes gezielt einzustellen.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das magnetische Sensorschichtsystem elektrisch mit einem dritten Kontakt und einem vierten Kontakt verbunden, die insbesondere außerhalb des mikrofluidischen Systems liegen und frei zugänglich sind und die Vorrichtung umfasst weiter eine Messeinrichtung, die derart eingerichtet ist, eine an der Sensorschicht auftretende elektrische Spannung oder einen elektrischen Widerstand zwischen dem dritten Kontakt und dem vierten Kontakt zu messen.
• In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Messstrom durch das magnetische Sensorschichtsystem ein Wechselstrom, wobei der Wechselstrom mit einer Frequenz f schwingt, wobei die Frequenz f im Bereich zwischen 1 Hz und 1000 kHz liegt. Dadurch wird der Einsatz phasen- und frequenzsensitiver Verstärker ermöglicht und die Sensitivität des Sensors erhöht.
• In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Messstrom ein Wechselstrom mit einer Frequenz f und die Messeinrichtung ein Lock-in-Verstärker, wobei der Lock-in-Verstärker derart eingerichtet ist, eine von der Sensorschicht erzeugte elektrische Spannung oder einen elektrischen Widerstand frequenz- und phasensensitiv zu messen. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Einrichtung erhöht.
• Erfindungsgemäß ist außerdem die Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Lab-on-a-Chip-System angegeben, insbesondere in einem mikrofluidischen System. Um die zum Beispiel in einem biochemischen oder medizinischen Labor durchzuführenden Analyse,- und Diagnoseprozesse weitestgehend automatisieren zu können, kommen sogenannte Lab-On-A-Chip-Systeme zum Einsatz. Insbesondere kommen dabei mikrofluidische System zum Einsatz.
• Weiter ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Detektion von magnetischen Partikeln in einem Medium angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• - Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
• - Bestromen des magnetischen Sensorschichtsystems mittels eines Wechselstroms, wobei der Strom mit einer Frequenz f schwingt, wodurch vom Messstrom ein erstes mit der Frequenz f schwingendes Magnetfeld ${\overrightarrow{\text{H}}}_1$
  
  in der Mitte der Sensorschicht erzeugt wird,
• - Bereitstellen eines zweiten Magnetfelds ${\overrightarrow{\text{H}}}_2,$
  
  wobei das zweite Magnetfeld außerhalb des magnetischen Sensorschichtsystems erzeugt wird, wobei das zweite Magnetfeld entgegengesetzt zum ersten Magnetfeld gerichtet ist und wobei die Stärke des zweiten Magnetfelds gleich der Stärke des ersten Magnetfelds ist, d.h. ${\overrightarrow{\text{H}}}_1=-{\overrightarrow{\text{H}}}_2.$
  
• - Bereitstellen zumindest eines magnetischen Partikels in einem Medium in einem Durchflusskanal,
• - Magnetisieren des magnetischen Partikels im Medium mittels des aus der Summe des ersten Magnetfelds und des zweiten Magnetfelds resultierenden Magnetfelds ${\overrightarrow{M}}_{Medium}={\overrightarrow{\text{M}}}_1+{\overrightarrow{\text{M}}}_2,$
  
• - Detektieren eines Sensorsignals in der Sensorschicht, wobei das Sensorsignal durch das Streufeld des magnetischen Partikels hervorgerufen wird.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Schritt der Detektion eines Sensorsignals in der Sensorschicht, wobei das Sensorsignal durch das Streufeld des magnetischen Partikels hervorgerufen wird, das Sensorsignals mittels eines Lock-in Verstärkers bei der doppelten Frequenz 2f erfasst. Bei einer Realisierung des Sensorsystems nach den vorangegangenen Ausgestaltungen wird das Signal bei der doppelten Frequenz 2f nahezu vollständig durch das Einwirken des Streufeldes der magnetisierten Partikel auf die Sensorschicht hervorgerufen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung der Detektion ist eine Erhöhung der Messempfindlichkeit, da Störsignale, die z.B. durch kapazitive Kopplungen zwischen Sensorsystem und elektrisch leitenden Verbindungen hervorgerufen werden, nicht zum Signal bei der doppelten Frequenz beitragen.
• Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
• Es zeigen:
• 1 den Aufbau eines magnetischen Sensorschichtsystems zum Detektieren eines Magnetfeldes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 eine Vorrichtung zum Detektieren von magnetischen Partikeln in einem Medium gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 3 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Detektieren von magnetischen Partikeln in einem Medium gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 4 ein magnetisches Sensorschichtsystem einer Vorrichtung zum Detektieren von magnetischen Partikeln in einem Medium gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren von magnetischen Partikeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• In 1 ist der Aufbau eines magnetischen Sensorschichtsystems 2, das zur Detektion eines äußeren Magnetfeldes 14 verwendet wird, dargestellt. Das magnetische Sensorschichtsystem 2 besteht aus einer Keimschicht 6, die eine Haftung des magnetischen Sensorschichtsystems 2 an einer Chipoberfläche 3 bereitstellt und geeignete Bedingungen für das Wachstum der nachfolgenden Schichten gewährleistet. Oberhalb der Keimschicht ist eine Schicht 7 aus einem natürlichen Antiferromagneten angeordnet, der eine magnetische Austauschvorspannung (exchange bias) auf eine Referenzschicht oder ein Referenzschichtsystem 8 ausübt. Die Referenzschicht oder das Referenzschichtsystem 8 kann als einzelne Magnetschicht, antiferromagnetisch gekoppelte Dreischicht oder als anderes magnetisch steifes Schichtsysteme ausgeführt werden. Die Trennschicht 9 koppelt die Referenzschicht oder das Referenzschichtsystem 8 magnetisch mit einer Sensorschicht 10 oder einem Sensorschichtsystem so, dass die Magnetisierung der Sensorschicht oder des Sensorschichtsystems sich in einem gewünschten Bereich eines zu messenden äußeren Magnetfeldes durch dieses Magnetfeld verändern lässt. Die Trennschicht 9 sollte auch einen großen Magnetwiderstand für GMR- oder TMR-Sensoren ermöglichen. Die Sensorschicht 10 weist dann eine Magnetisierung auf, die einem äußeren Magnetfeld leicht folgen kann. Das Sensorschichtsystem 2 ist dabei so ausgelegt, dass der Messstrom durch das Sensorschichtsystem in der Mitte der Sensorschicht 10 ein definiertes Magnetfeld 16 erzeugt, das ein zusätzliches äußeres Magnetfeld in der Mitte der Sensorschicht 10 kompensieren kann, so dass gegenüber dem Stand der Technik ein solches zusätzliches äußeres Magnetfeld verwendet werden kann, um die magnetischen Partikel oder die magnetischen Kügelchen 13 zu magnetisieren ohne die Sensorfunktion zu stören. Das magnetische Sensorschichtsystem 2 ist abschließend mit einer Kontakt- und Schutzschicht oder einem Schichtsystem 11 beschichtet, das einen elektrischen Kontakt bereitstellt, wenn der Strom senkrecht zum Schichtstapel fließt. Darüber hinaus sollte die Schutzschicht einen zuverlässigen Schutz der Sensorschichten 6, 7, 8, 9, 10, vor dem über der Schutzschicht 11 strömenden Mediums 12 gewährleisten. Da das magnetische Sensorschichtsystem 2 aus metallischen Dünnschichten 6, 7, 8, 9, 10 besteht, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Oberfläche des magnetischen Sensorschichtsystems 2 zusätzlich gegen das Medium 12, insbesondere gegen eine Flüssigkeit, die die magnetischen Kügelchen oder die magnetischen Partikel 13 enthält und transportiert, elektrisch isoliert ist. Dies wird insbesondere durch elektrisch isolierende Dünnfilmschichten 11 erreicht, die als oberste Schicht des Schichtsystems 11 auf dem magnetischen Sensorschichtsystem 2 aufgewachsen sind. Der Nachteil des Standes der Technik ist, dass relativ dicke isolierende Schichten (typischerweise 100nm - 200nm) verwendet werden, um einen zuverlässigen Schutz zu erreichen. Diese Dicke ist dann der kleinste Abstand, der zwischen den magnetischen Kügelchen oder den magnetischen Partikeln 13 und der Oberfläche des magnetischen Sensorschichtsystem 2 bestehen kann und begrenzt somit die Stärke des Streufeldes 14 von den magnetischen Kügelchen oder den magnetischen Partikeln 13, die die Sensorschicht 10 erreichen können, da die Stärke dieses Streufeldes 14 in Abhängigkeit vom Abstand r vom Zentrum des magnetischen Kügelchens oder des magnetischen Partikels stark abnimmt (typischerweise mit r^-3) . Insbesondere kann es daher vorgesehen sein, dass eine isolierende Schicht als oberste Schicht des Schichtsystems 11 verwendet wird, wobei die isolierende Schicht eine Dicke von weniger als 30nm besitzt. Dies wird dadurch erreicht, dass die isolierende Schicht durch den Einsatz eines Atomlagenabscheidungsverfahrens auf dem magnetischen Sensorschichtsystems 2 als oberste Schicht des Schichtsystems 11 aufgebracht wird. Insbesondere ist dieses Verfahren für die Herstellung und den Betrieb eines mikrofluidischen Systems auf der Isolierschicht geeignet. Typische Materialien für die Herstellung der isolierenden Schicht sind Al₂O₃, Ta₂O₅ oder Ti02. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass für die isolierende Schicht eine geringe Dicke verwendet werden kann (typischerweise 20nm) und somit die Stärke des Streufeldes 14 von den magnetischen Kügelchen oder den magnetischen Partikeln 13, die die Sensorschicht 10 erreichen können, im Vergleich zum Stand der Technik viel größer ist.
• 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Detektion von magnetischen Partikeln 13 in einem Medium 12 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 2 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst ein magnetisches Sensorschichtsystem, 2 wobei das magnetische Sensorschichtsystem zumindest eine Referenzschicht 8 oder ein Referenzschichtsystem und eine Sensorschicht 10 umfasst. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das magnetische Sensorschichtsystem 2 auf einer Chipoberfläche 3 angeordnet. Durch das magnetische Sensorschichtsystem 2 fließt ein Strom und erzeugt ein Magnetfeld 16, welches durch eine geeignete Einstellung der spezifischen elektrischen Widerstände und der Dicken der Schichten des Sensorschichtsystems (6, 7, 8, 9, 10) und der Schutzschicht 11 in der Mitte der Sensorsicht 10 auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass das Magnetfeld 16 derart erzeugt wird, dass es zum Magnetisieren von superparamagnetischen Kügelchen oder Partikeln 13 oder zum Ausrichten der Magnetisierung von ferromagnetischen Kügelchen oder der Partikeln 13 verwendet werden kann. Dabei fließt der Strom so, dass im Volumen über dem magnetischen Sensorschichtsystem 2, in dem sich der Strömungskanal mit dem Medium 12 und den darin dispergierten magnetischen Partikeln befindet, ein Magnetfeld erzeugt wird.
• Die 3 zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung 1 zum Detektieren von magnetischen Partikeln 13 in einem Medium 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 3 ist das magnetische Sensorschichtsystem 2 in einer Draufsicht gezeigt, wobei das magnetische Sensorschichtsystem 2 kreuzförmig ausgeführt ist. An den Kreuzenden ist das magnetische Sensorschichtsystem 2 mit Kontakten 17, 18, 19, 20 versehen. In 3 ist gezeigt, dass sich der erste Kontakt 17 und der zweite Kontakt 18 gegenüberliegen und mit einer Strom- oder Spannungsquelle 21 verbunden sind. Der dritte Kontakte 19 und der vierte Kontakt 20 liegen in dieser Ausführungsform ebenfalls gegenüber und sind mit einer Messeinrichtung 22 zur Messung einer Messgröße der Sensorschicht 10 verbunden. Über den ersten 17 und zweiten Kontakt 18 wird ein Wechselstrom mit einer Frequenz f angelegt, wobei der Wechselstrom im magnetischen Sensorschichtsystem 2 sowohl ein Sensorsignal erzeugt, als auch die magnetischen Kügelchen oder die magnetischen Partikel durch das von diesem elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld 16 magnetisiert. Als Beispiel ist die Anordnung mit einem PHE-basierten Sensor mit 4 Kontakten 17, 18, 19, 20 in 3 mit einer Strom- oder Spannungsquelle 21 gezeigt, die mit einer Frequenz f schwingt. Des Weiteren ist eine Messeinrichtung 22 für das Erfassen des Sensorsignals gezeigt. Andere mögliche Ausführungsformen können die Verwendung des Riesenmagnetwiderstands, der anisotropen Magnetwiderstands oder anderer Widerstands- oder Halleffekte vorsehen und können auch eine unterschiedliche Anzahl von Kontakten aufweisen.
• Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht dann darin, dass das magnetische Nettomoment und das magnetische Streufeld 14 der magnetischen Kügelchen oder der magnetischen Partikel 13 mit der Frequenz f des Wechselstroms schwingen. Da der Strom auch mit der Frequenz f schwingt, wird bei diesem Verfahren ein Ausgangssignal der Sensoren erzeugt, das zwei Hauptkomponenten aufweist, von denen eine mit der Frequenz f und die andere mit der doppelten Frequenz 2f (2f-Komponente) schwingt. Die 2f-Komponente liegt jedoch nur dann vor, wenn ein magnetisches Streufeld 14, das in die Sensorschicht 10 eindringt, mit der Frequenz f schwingt. Das bedeutet, dass nur dann, wenn magnetische Kügelchen oder magnetische Partikel im Volumen über des magnetischen Sensorschichtsystems 2 vorhanden sind, die 2f-Komponente ungleich Null ist, sofern keine anderen magnetischen Teile in der Vorrichtung verwendet werden und das Magnetfeld in der Mitte der Sensorschicht ohne die Anwesenheit von magnetischen Partikeln oder magnetischen Kügelchen auf null kompensiert ist. Andernfalls ist die 2f-Komponente also null und somit kein Basissignal in Abwesenheit von magnetischen Kügelchen oder magnetischen Partikeln 13 vorhanden. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Signal des magnetischen Sensorschichtsystems 2 wie in 3 dargestellt mittels eines Lock-in Verfahrens erfasst werden. Zum Beispiel kann ein durch ein magnetisches Sensorschichtsystem 2 erzeugter planarer Hall-Effekt mit einem Lock-in-Verfahren mit einer Lock-in-Referenz detektiert werden, der mit der Frequenz von 2f schwingt, so dass nur die 2f-Komponente als Ausgangssignal des magnetischen Sensorschichtsystems 2 verwendet wird. So besteht in dem in 3 dargestellten Beispiel die Messeinrichtung als eine mögliche Realisierung aus einem Lock-in-Verstärker 22, der die 2f-Komponente des Sensorsignals erfasst.
• 4 zeigt ein magnetisches Sensorschichtsystem 2 einer Vorrichtung 1 zum Detektieren von magnetischen Partikeln 13 in einem Medium 12 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in 4 gezeigte Vorrichtung umfasst ein magnetisches Sensorschichtsystem 2, wobei der Lagenaufbau des magnetischen Sensorschichtsystems 2 von unten beginnend mit einem ersten Referenzschichtsystem oder einer Referenzschicht 8, eine Sensorschicht 10, wobei zwischen der Referenzschicht 8 und der Sensorschicht 10 eine Trennschicht 9 angeordnet ist. Außerhalb des Sensorschichtsystems befindet sich eine Vorrichtung 23, z.B. ein auf dem Chip aufgebrachter stromführender Draht oder eine externe Spule, zur Erzeugung eines äußeren Magnetfeldes 24 $\left({\overrightarrow{H}}_{ext}\right).$

  

  Das magnetische Sensorschichtsystem 2, ist derart ausgelegt, dass das Magnetfeld 16 $\left(\overrightarrow{H}\right)$

  

  in der Mitte der Sensorschicht 10, das durch den Sensorstrom erzeugt wird, einen definierten Wert $\overrightarrow{H}={\overrightarrow{H}}_0\ast I\text{/}{I}_0$

  

  annimmt, wobei ${\overrightarrow{H}}_0$

  

  das Feld bei einem Sensorstrom I₀ und I der durch das magnetische Sensorschichtsystem 2 fließende Messstrom sind. In 4 ist dargestellt, dass sich das Magnetfeld 24, das durch die Vorrichtung 23 erzeugt wird und das Magnetfeld $\overrightarrow{H}$

  

  in der Mitte der Sensorschicht 10 addieren. In einer vorteilshaften Ausführungsform wird das Sensorschichtsystem 6, 7, 8, 9, 10, 11 aus 1 so aufgebaut, dass die Magnetfelder $\overrightarrow{H}$

  

  und das äußere Magnetfeld 24 $\left({\overrightarrow{H}}_{ext}\right)$

  

  in der Mitte der Sensorschicht 10 entgegengesetzt gleich sind, so dass das resultierende Magnetfeld ${\overrightarrow{H}}_{res}={\overrightarrow{H}}_{ext}+\overrightarrow{H}$

  

  gleich 0 wird. Der Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass das durch den elektrischen Strom durch das magnetische Sensorschichtsystem erzeugte Magnetfeld 16 entweder Null $\left(\overrightarrow{H}=0Oe\right)$

  

  sein kann und dadurch das Ausgangssignal des magnetischen Sensorschichtsystems nicht beeinflusst wird, wenn das magnetische Streufeld 14 der magnetischen Kügelchen oder der magnetischen Partikel 13 in die Sensorschicht 10 eindringen. Des Weiteren kann durch Auswahl eines geeigneten Sensorstroms I das Magnetfeld $\overrightarrow{H}$

  

  auf einen Wert eingestellt werden, so dass das Magnetfeld $\overrightarrow{H}$

  

  in der Mitte der Sensorschicht 10, das durch den Sensorstrom erzeugt wird, andere Magnetfelder ${\overrightarrow{H}}_{ext},$

  

  die z.B. durch stromführende Drähte oder Spulen erzeugt werden, aufhebt. Der Vorteil dieser zweiten Auslegung des Sensorschichtsystems besteht darin, dass dann im Medium über dem Sensorschichtsystem die Summe aus den Magnetfeldern ${\overrightarrow{H}}_{ext}$

  

  und $\overrightarrow{H}$

  

  zum Magnetisieren der magnetischen Partikel oder der magnetischen Kügelchen verwendet werden kann, was zu einem stärkeren Streufeld 14 der Partikel oder Kügelchen 13 führt und das Sensorsignal erhöht.
• Die 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren von magnetischen Partikeln 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 500 mit der Bereitstellung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung 1 zum Detektieren von magnetischen Partikeln 13 in einem Medium 12, wobei die Vorrichtung 1 zumindest ein erstes magnetisches Sensorschichtsystem 2 umfasst. In Schritt 510 wird das magnetische Sensorsystem 2 mittels eines Wechselstroms bestromt. Der Wechselstrom schwingt dabei mit einer Frequenz f, wobei f im Bereich zwischen 1 Hz und 1000 kHz liegt. Auf Grund des an dem magnetischen Sensorschichtsystem 2 anliegenden Wechselstroms, wird in der Mitte der Sensorschicht 10 ein durch den Aufbau des Sensorschichtsystems 2 und des Deckschichtsystems 11 definiertes Magnetfeld 16 erzeugt, dass ebenfalls mit der Frequenz f schwingt. In Schritt 520 wird ein zweites Magnetfeld 24 bereitgestellt, wobei das zweite Magnetfeld außerhalb des ersten magnetischen Sensorschichtsystems 2 erzeugt wird. Das zweite Magnetfeld ist dabei entgegengesetzt zu dem ersten Magnetfeld 16 gerichtet und besitzt in der Mitte der Sensorschicht 10 die gleiche Stärke. In Schritt 530 wird zumindest ein magnetisches Partikel oder eine magnetisches Kügelchen 13 in einem Medium 12 bereitgestellt. Das Medium 12 kann beispielsweise eine Flüssigkeit sein, in der die magnetischen Partikel 13 dispergiert sind. In Schritt 540 werden die magnetischen Partikel 13 mittels der Summe der beiden Magnetfelder 16 und 24 magnetisiert. In Schritt 550 wird die 2f-Komponente des Sensorsignals, welches in der Sensorschicht 10 des magnetischen Sensorschichtsystems 2 entsteht, detektiert. Die 2f-Komponente des Sensorsignals entsteht dabei durch das Streufeld 14 der magnetischen Partikel 13 in der Sensorschicht 10.
• Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden von der Europäischen Union (H2020-EU.2.1.1.) unter der Fördervereinbarung Nr. 732678 (MADIA) finanziert.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zum Detektieren von magnetischen Partikeln

2

magnetisches Sensorschichtsystem

3

Chipoberfläche

4

Substrat

5

Referenzschichtsystem

6

Keimschicht

7

natürlicher Antiferromagnet

8

Referenz schicht

9

Trennschicht

10

Sensorschicht

11

Schutzschicht

12

Medium

13

magnetisches Partikel

14

magnetisches Streufeld des magnetischen Partikels

16

Magnetfeld

17

erster Kontakt

18

zweiter Kontakt

19

dritter Kontakt

20

vierter Kontakt

21

Spannungs-/Stromquelle

22

Messeinrichtung

23

weiteres Referenzschichtsystem

24

Magnetfeld

25

erste Trennschicht

26

zweite Trennschicht

500

Bereitstellen einer Vorrichtung zum Detektieren von magnetischen Partikeln in einem Medium

510

Bestromen des magnetischen Sensorschichtsystems mittels eines Wechselstroms

520

Bereitstellen eines zweiten Magnetfelds

530

Bereitstellen zumindest eines magnetischen Partikels in einem Medium

540

Magnetisieren des magnetischen Partikels mittels des ersten Magnetfelds

550

Detektieren eines Sensorsignals in der Sensorschicht

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Detektieren von magnetischen Partikeln (13) in einem Medium (12), wobei die Vorrichtung (1) zumindest einen Durchflusskanal für das Medium (12) umfasst, die Vorrichtung weiter ein magnetisches Sensorschichtsystem (2) mit mehreren übereinander angeordneten Schichten umfasst, wobei das magnetische Sensorschichtsystem (2) unterhalb des Durchflusskanals angeordnet ist und von oben nach unten in der folgenden Reihenfolge zumindest die folgenden Schichten umfasst: eine Sensorschicht (10), zum Erfassen einer Messgröße, eine Zwischenschicht (9), ein Referenzschichtsystem (5), wobei das Referenzschichtsystem (5) zumindest eine Referenzschicht (8) und eine Schicht aus einem natürlichen Antiferromagneten (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, ein Magnetfeld (16) in der Mitte der Sensorschicht (10) zu erzeugen und auf einen bestimmten Wert einzustellen, wobei das Magnetfeld (16) durch einen durch das magnetische Sensorschichtsystem (2) fließenden elektrischen Messstrom erzeugt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorschichtsystem (2) auf einer Chipoberfläche (3) angeordnet ist, wobei die Chipoberfläche (3) zumindest ein Substrat (4) umfasst und das magnetische Sensorschichtsystem (2) eine Keimschicht (6) umfasst, um eine Haftung des magnetischen Sensorschichtsystems (2) auf dem Substrat (4) zu gewährleisten.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorschichtsystem (2) weiter eine isolierende Schicht (11) umfasst, wobei die isolierende Schicht (11) zwischen dem Durchflusskanal und der Sensorschicht (10) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht (11) eine Dicke von weniger als 30 Nanometern besitzt und derart eingerichtet ist, mittels eines Atomlagenabscheidungsverfahrens aufgebracht zu werden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorschichtsystem (2) elektrisch mit einem ersten Kontakt (17) und einem zweiten Kontakt (18) verbunden ist, so dass der elektrische Messstrom durch das magnetische Sensorschichtsystem (2) zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt fließt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine elektrische Schaltung (21) zum Erzeugen eines elektrischen Stroms durch das magnetische Sensorschichtsystem (2) umfasst, wobei die elektrische Schaltung (21) derart eingerichtet ist, einen einstellbaren Strompegel zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt bereitzustellen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Sensorschichtsystem (2) einen dritten Kontakt (19) und einen vierten Kontakt (20) umfasst, die Vorrichtung (1) weiter eine Messeinrichtung (22) umfasst, wobei die Messeinrichtung (22) derart eingerichtet ist, eine an der Sensorschicht (10) auftretende elektrische Spannung oder einen elektrischen Widerstand zwischen dem dritten Kontakt (19) und dem vierten Kontakt (20) zu messen.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom durch das magnetische Sensorschichtsystem (2) ein Wechselstrom ist, wobei der Wechselstrom mit einer Frequenz f schwingt, wobei die Frequenz f im Bereich zwischen 1 Hz und 1000 kHz liegt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (22) ein Lock-in-Verstärker ist, wobei der Lock-in-Verstärker derart eingerichtet ist, eine von der Sensorschicht (10) erzeugte elektrische Spannung oder einen elektrischen Widerstand frequenz- und phasensensitiv zu messen.
10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Lab-ona-Chip-System, insbesondere in einem mikrofluidischen System.
11. Verfahren zum Detektieren von magnetischen Partikeln (13) in einem Medium (12), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen einer Vorrichtung (1) zum Detektieren von magnetischen Partikeln (13) in einem Medium (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, - Bestromen des magnetischen Sensorschichtsystems mittels eines Wechselstroms, wobei der Strom mit einer Frequenz f schwingt, wodurch vom Messstrom ein erstes mit der Frequenz f schwingendes Magnetfeld (16) in der Mitte der Sensorschicht erzeugt wird, - Bereitstellen eines zweiten Magnetfelds (24), wobei das zweite Magnetfeld außerhalb des magnetischen Sensorschichtsystems (2) erzeugt wird, wobei das zweite Magnetfeld (24) entgegengesetzt zum ersten Magnetfeld (16) gerichtet ist und wobei die Stärke des zweiten Magnetfelds (24) gleich der Stärke des ersten Magnetfelds (16) ist, - Bereitstellen zumindest eines magnetischen Partikels (13) in einem Medium (12) in einem Durchflusskanal, - Magnetisieren des magnetischen Partikels (13) im Medium (12) mittels des aus der Summe des ersten Magnetfelds (16) und des zweiten Magnetfelds (24) resultierenden Magnetfelds, - Detektieren eines Sensorsignals in der Sensorschicht (10), wobei das Sensorsignal durch das Streufeld (14) des magnetischen Partikels (13) hervorgerufen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Detektion eines Sensorsignals in der Sensorschicht (10), wobei das Sensorsignal durch das Streufeld (14) des magnetischen Partikels (13) hervorgerufen wird, den Schritt der Detektion des Sensorsignals mittels eines Lock-in Verstärkers (22) umfasst, wobei das Sensorsignal bei der doppelten Frequenz 2f erfasst wird.

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