JP2007501379A - 磁気抵抗ナノ粒子センサの集積された１／ｆノイズ除去方法 - Google Patents

Abstract

本発明では、磁性ナノ粒子センサ装置内のノイズを除去する集積回路および方法が提供される。本発明の方法は、導電体に導体電流を流して、磁気抵抗センサの位置に第1の水平磁場成分を発生させるステップを有する。別のステップでは、ノイズ最適化回路を用いて磁気抵抗センサの出力でのノイズを最小化することにより、磁気抵抗センサの最適作動点が定められる。外部磁場を印加することにより、センサ近傍のナノ粒子は、垂直に磁化され、センサの位置に第2の水平磁場成分が生じる。次に、導体電流が調節され、第1の水平磁場成分によって、第2の水平磁場成分が相殺される。この相殺のために必要な導体電流量は、センサに存在するナノ粒子量の指標となる。

Description

本発明は、磁性ナノ粒子を検出するセンサ装置に関し、特に磁気抵抗ナノ粒子センサ内のノイズを除去する集積回路および方法に関する。

現在、AMR（異方性磁気抵抗）、GMR（巨大磁気抵抗）およびTMR（トンネル磁気抵抗）素子をベースとした磁気抵抗センサは、重要性を増している。磁気ハードディスクヘッドおよびMRAM等の従来の高速での用途に加えて、新たに分子診断（MDx）、IC電流センサ、自動車用等の比較的低バンド幅での用途が生じている。

AMRは、強磁性およびフェリ磁性材料において生じ、強磁性材料の細いストリップに流れる電流の流れと非平行な磁場が印加された際に、抵抗が変化する。電流の流れと垂直な磁場が印加された場合に、抵抗が最大となる。AMR素子には、高感度、広い作動温度範囲、小さく安定なオフセットおよびMHz領域までの広い周波数範囲という特徴がある。適切な技術処理を用いることにより、ある特定の方向における磁場強度に対して、一次の抵抗変化依存性を得ることが可能となる。

GMR技術では、第1および第2の極めて薄い磁性膜を相互に極めて近接させた構造が開発されている。第1の磁性膜は、通常、交換層に接近させた状態で保持することにより、ピン止めされる。これは、磁性膜の磁気方向が固定されることを意味し、反強磁性材料の層が、第1の磁性膜の磁気方向を固定する。第2の磁性膜、あるいはセンサ膜は、自由に変化することのできる磁気方向を有する。この場合、超常磁性粒子のような磁性材料の磁化の変化に起因して磁場が変化すると、センサ膜の磁気方向に回転が生じ、これによりセンサ構造全体の抵抗が増大または減少する。抵抗の低下は、センサとピン止め膜が磁気的に同じ方向に配向したときに生じる。抵抗の増大は、センサとピン止め層の磁気方向が相互に反対向きのときに生じる。

TMRは、絶縁（トンネル）バリアで分離された2つの強磁性層で構成される系において観測される。このバリアはきわめて薄く、1nmのオーダーである。電子がこのバリアをトンネルすることができるときのみ、再度、完全に量子力学的な輸送プロセスが得られる。一つの層の磁気配列は、他の層に影響を及ぼさずに変化させることができる。この場合も、超常磁性粒子のような磁性材料の磁化の変化に起因する磁場の変化によって、センサ膜の磁気方向に回転が生じ、これによりセンサ構造全体の抵抗が増大または減少する。

「微細配列の磁性ナノ粒子の面積密度を測定するセンサおよび方法」という国際出願WO03／054523号には、微細配列またはバイオチップ上の生物分子を検出する磁性ナノ粒子バイオセンサが示されており、このセンサには、GMRセンサ素子が使用されている。前述の文献の一つの実施例に示されている、磁気抵抗センサ1を図1に示す。センサ1は、第1のGMRセンサ素子2と、第2のGMRセンサ素子3とを有し、これらは、基板4の表面5の下側の距離dの位置で、バイオチップ基板4に一体化されている。バイオチップ基板4の表面5は、その表面にナノ粒子6を結合するため改質される。

図1では、座標系が示されており、この座標系によれば、GMR素子2、3は、長さwであり、ある長さでy方向に延びている。磁気抵抗センサ素子2、3がxy平面にある場合、GMRセンサ素子2、3は、磁場のx成分を検出し、すなわちこれらのセンサ素子は、x方向に感度方向を有することになる。バイオチップを読み出すため、バイオチップに結合された超常磁性ナノ粒子6は、バイオチップの面と垂直な、外部の均一な磁場によって磁化される。垂直磁場は、第1および第2のGMRセンサ素子2、3に向かって、あるいはこれらに近接するように、ナノ粒子6によって形成される磁気極性の端部に大きな磁場を発生する。磁化されたナノ粒子6は、下側のGMR膜の平面に、反対の磁気誘導ベクトル領域を生成し、生じた磁場が、第1および第2のGMRセンサ素子2、3によって検出される。GMRセンサ素子2、3の出力は、コンピュータに送られる。

前述の文献では、磁性ナノ粒子6の飽和領域において測定が行われる。ナノ粒子またはナノビードを完全に飽和させるため（50nmビードの場合、一般に0.025Am²／g以上）、通常は、少なくとも80kA／m(＝0.1テスラ）の外部磁場が必要となる。コモンモードの妨害および1／fノイズを除去するため、この磁場は、変化させることが好ましい。面内磁場成分によるセンサの飽和を回避するため、慎重に機械的位置合わせを行う必要がある。これは通常、＋／−5mT、4kA／mで生じる。実用上の問題により、最大磁場強度は、通常40kA／m、10Hzの交流周波数に制限され、コイルでは8W（1A、8V）が消費される。

従来の方法および装置の問題は、低周波数領域（通常0乃至20kHz）においてGMRおよびTMR素子で得られる信号対ノイズ比（SNR）が、これらの素子自体の1／fノイズの存在によって、またノイズ、オフセット、ドリフトのような増幅器の電子ノイズ特性によって、さらには不必要な磁場によって、制限を受けることである。1／ｆノイズパワー密度は、周波数の逆数に比例し、しばしば電子部品において100Hz以下で支配的となる。磁気抵抗センサでは、あるコーナー周波数f_c≒50kHzを超えると、熱ホワイトノイズが支配的になることが知られている。ホワイトノイズレベルは、理論的に得られる検出限界を抑制する。SNRが1よりも小さい場合、有為な測定を行うことは難しくなる。SNRを改善するためのいくつかの方法がある。低周波数ノイズを除去する従来の方法では、チョッピング法が用いられ、この方法では、ナノ粒子を磁化させる外部磁場が、f_cよりも大きな速度で反転される。しかしながら、この方法では、高電力消費の外部コイルおよびヨーク、ならびに別の接続が必要となるため、小型形状のバイオセンサが必要な場合、適したものとはいえない。
国際公開第WO03／054523号パンフレット

本発明の課題は、ナノ粒子センサ装置等に使用される磁気抵抗センサ内のノイズを除去する方法および装置を提供することである。

本発明の課題は、本発明の方法および装置によって達成される。

本発明では、磁性ナノ粒子センサ装置内のノイズを除去する集積回路が提供される。この集積回路は、少なくとも一つの第1の磁場発生器と、少なくとも一つの磁気抵抗センサとを有する。本発明のある実施例では、少なくとも一つの第1の磁場発生器は、導電体を有しても良い。少なくとも一つの第1の磁場発生器は、少なくとも一つの磁気抵抗センサの感度方向での、第1の磁場成分を発生させるように適合されている。また集積回路は、少なくとも一つの磁気抵抗センサの作動点を検出する手段を有する。最適作動点は、信号対ノイズ比が最大となるように定める必要があり、すなわちセンサの検出特性での最大SNRを見出す必要がある。本発明では、信号対ノイズ比（SNR）は、少なくとも1であっても良い。SNRの絶対値は、印加される外部磁場の大きさおよびセンサノイズパワーに依存する。またナノ粒子を磁化する磁場を発生する第2の磁場発生器が存在し、これにより、少なくとも一つの磁気抵抗センサの感度方向に第2の磁場成分が生成される。第2の磁場発生器は、集積回路の外部にある磁場発生器であっても良い。別の実施例では、第2の磁場発生器は、集積回路の一部であっても良い。本発明のある実施例では、第2の磁場発生器は、永久磁石であっても良い。別の実施例では、第2の磁場発生器は、1または2以上の導電体を有しても良い。また、集積回路は、少なくとも一つのノイズ最適化回路を有し、この回路は、第2の磁場成分を相殺することによって、センサ内の正味の磁場強度を安定化するように適合される。

第2の磁場発生器は、装置に対して垂直な方向に、またはセンサ装置と垂直な方向からある角度を有するように設置される。しかしながら後者の場合、外部磁場がセンサのダイナミックレンジよりも大きいため、センサは容易に飽和される。このダイナミックレンジ内では、本発明により、センサの飽和が回避される。

本発明のある実施例では、少なくとも一つの磁気抵抗センサは、上面および下面を有し、上面および下面は、相互に対向する。この実施例では、少なくとも一つの磁場発生器は、少なくとも一つの磁気抵抗センサの下面に設置されても良い。

別の実施例では、集積回路は、相互に隣接する2つの磁気抵抗センサと、各磁気抵抗センサの下面に設置された磁場発生器とを有する。

本発明では、磁気抵抗センサは、GMR、TMRまたはAMRセンサであっても良く、細長いストリップ形状であっても良い。また、別の実施例では、第1の磁場発生器は、磁気抵抗センサと一体化されても良い。

ある実施例では、ノイズ最適化回路は、積分装置を有しても良い。本発明の別の実施例では、ノイズ最適化回路は、さらに高調波変調源を有しても良い。

また本発明では、本発明による集積回路を有するバイオチップが提供される。

また本発明では、磁性ナノ粒子センサ装置内のノイズを除去する方法が提供される。当該方法は：
磁気抵抗センサの感度方向に第1の磁場成分を発生させるステップと、
磁気抵抗センサの出力でのノイズを最小化することにより、磁気抵抗センサの作動点を定めるステップと、
ナノ粒子を磁化する第2の磁場を印加するステップであって、これにより、磁気抵抗センサの感度方向に第2の磁場成分が生じるステップと、
を有する。

作動点の信号対ノイズ比は、できるだけ高いことが好ましく、少なくとも1である。

第2の磁場は、永久磁石によってあるいは1または2以上の追加導電体によって発生させても良い。第2の磁場発生器は、センサ装置と実質的に垂直な方向に設置しても良く、あるいはセンサ装置と垂直な方向に対してある角度を有しても良い。

本発明のある実施例では、第1の磁場成分は、導電体を通る電流の流れによって発生させても良い。第1の磁場成分を調節するステップは、導電体に流れる電流を調節することによって行っても良い。

別の実施例では、本発明の方法は、さらに：
第2の磁気抵抗センサの出力でのノイズを最小化することによって、第2の磁気抵抗センサの作動点を定めるステップと、
第1の磁気抵抗センサと第2の磁気抵抗センサの出力間の差をゼロに補正するステップと、
を有する。

第2の磁気抵抗センサの作動点を定めるステップは、信号対ノイズ比ができるだけ高くなるようにして、例えば少なくとも1以上になるようにして、最適作動点を定めることにより、行っても良い。

また、本発明の方法は、集積回路の製作時に適用しても良い。

また本発明は、分子診断、生物試料解析または化学試料解析のための、本発明による集積回路の使用を提供する。

本発明の方法の利点は、センサ作動点を安定化させることにより、磁気抵抗センサで生じる全体的なノイズを抑制することである。別の利点は、当該方法では、ノイズ感度領域でまたは飽和状態で磁気抵抗センサを作動させる面内磁場を発生する、垂直配列誤差が相殺されることである。本発明の別の利点は、本発明の方法では、小型で低コストのセンサ素子が得られることである。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様ならびに利点は、添付図面を参照した、以下の詳細な説明によって明らかとなろう。添付図面は、本発明の原理の一例として示されている。この記載は、一例のためにのみ示されたものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

以下、添付図面を参照して説明する。異なる図において、同じ参照符号は、同様のまたは類似の素子を示している。

本発明は、特定の実施例および図面を参照して示されているが、本発明は、これらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。図面は、概略的に示されており、本発明を限定するものではない。図において、いくつかの素子の寸法は、誇張されており、スケールに従って示されてはいない。本発明の明細書および特許請求の範囲に使用される、「有する」という言葉は、他の素子やステップを排除するものではない。一つの名詞を表す際に使用される不定冠詞または定冠詞、例えば「a」、「an」、「the」は、他の特定の説明がない限り、その名詞が複数あることを含む。

また、明細書および特許請求の範囲の第1、第2、第3等の表現は、同様の素子を区別する際に使用され、一連のまたは時間の順番を示すために使用されているものではない。使用される用語は、適当な状況で置き換えても良く、以下に示す本発明の実施例は、示された手順以外の別の手順でも実施できることを理解する必要がある。

本発明では、センサ素子でのナノ粒子の検出時に、ノイズを除去する集積回路10および方法が提供される。集積回路10は、少なくとも一つの磁場発生器11と、少なくとも一つの磁気抵抗センサ12と、少なくとも一つのノイズ最適化回路13とを有しても良い。磁場発生器11は、例えば電線である。磁気抵抗センサ12は、例えばGMR、TMRまたはAMR式のセンサであり、例えば細長い形状であっても良く、例えば細長いストリップ形状であっても良い。ただし本発明は、この形状に限られるものではない。磁場発生器11は、磁気抵抗センサ12に近接して設置され、磁場発生器11によって、磁気抵抗センサ12内部のSNRが最大となる領域での磁場強度が安定化されるような磁場が生じる。生物測定の前に、センサ12の出力でのSNRを最適化することにより、装置の最適作動点が定められる。

磁場強度の関数としてのノイズ方向は、変動しやすいため、すなわち利用できる変化量が存在しないため、検出曲線の境界内での最適領域が、反復処理によって探索される。以下、前述の方法を異なる実施例を用いてさらに説明する。

本発明の第1の実施例は、図2乃至図4に示されている。集積回路10は、磁気抵抗センサ12を有し、このセンサは、例えばGMR素子であり、一様なすなわち対称なR（H）特性を示す。そのような一様なR（H）特性は、図2に示すように、GMRセンサ12のピン止め層14を、その形状の容易軸またはy軸に沿って磁化させることによって、得ることができる。ピン止め層14の磁化方向は、矢印15で示されている。容易軸に沿った、磁気抵抗センサ12の自由層16での好適な磁化は、矢印17で示されている。またGMRセンサ12は、上面18および下面19を有し、上面18および下面19は、相互に対向している。また装置は、磁場発生器として導電体11を有しても良く、この導電体は、磁気抵抗センサ12の下面19に設置される。GMRセンサ12の上面18には、生物分析の結果、ナノ粒子20が固定される表面が設置される。この表面は、固定化表面21と呼ばれる。これは、粒子のバルク濃度を測定する場合、表面改質が不要であることを意味する。表面に固定され結合されたナノ粒子20の濃度を測定する場合にのみ、表面改質が必要となる。固定されたナノ粒子20を検出する際、チップは、上部層21または前述の固定化表面21を有する。これらは、ほとんどの場合金であるが、生物材料を設置することに適した、他のいかなる材料であっても良い。

生物化学測定の前に、すなわち磁性ナノ粒子20が、磁気抵抗センサ12の近傍に設置される前に、センサ12の出力でのノイズを最小化することにより、センサ12の最適作動点が定められ、この出力がゼロに補正される。センサ12の最適作動領域を探索するには、反復処理が必要である。最適作動点では、信号対ノイズ比をできるだけ高くする必要があり、1またはそれ以上にすることが好ましい。SNRの絶対値は、印加外部磁場25の大きさおよびセンサノイズパワーに依存する。

図4には、本発明の第1の実施例による集積回路の概略図を示す。導電体11に電流を流すことによって、導電体11が磁場を発生し、センサ12内の磁場強度が安定化され、これにより、センサ12の位置に第1の水平磁場成分22が生じる。図4に示すように、導電体の導体電流I_condは、高調波変調源23によって生じる変調信号m（t）＝sin atと、積分器24の出力I_intとの総和であり、

となる。

大きな減少量を得るため、積分器24は、一次またはより高次の積分ループフィルタであることが好ましい。

その後、磁性ナノ粒子20は、磁気抵抗センサ12の近傍に設置され、例えば永久磁石で生じる外部磁場25（図3）が、固定化表面21に固定された磁性ナノ粒子20に印加され、これにより、固定されたナノ粒子20が、外部磁場25によって印加される方向、すなわち図3に示す例では、垂直な方向に磁化される。より一般的には、外部磁場25は、磁気抵抗センサ12の感度方向と垂直な方向に印加される。しかしながら実際には、外部磁場25は、完全に垂直ではない場合が多い。従って本発明は、非垂直な磁場の効果の補正にも使用することができる。すなわち本発明の範囲には、外部磁場発生器を、センサ装置に垂直な方向に対してある角度を有するように設置することが含まれる。ただしこの場合、外部磁場25がセンサ12のダイナミックレンジよりも十分に大きいため、センサ12は容易に飽和してしまう。本発明では、GMRセンサの飽和を回避することも可能である。外部磁場25が印加される結果、GMRセンサ12内には第2の水平磁場成分26が生じる。生物化学測定が開始された後、積分器24の出力で、ナノ粒子20による磁場の強度変化を測定することが可能となる。I_intとm（t）の両方は、GMRセンサ12の位置に水平磁場成分を発生し、それぞれ第1および第2の水平磁場成分22および26が生じる。GMRセンサ12での正味の磁場27は、導体電流の寄与およびナノ粒子20の磁場と比例し、または等しくなる。

ここで、H_GMR＝GMRセンサでの正味の磁場で、H_ext＝外部磁場25、N_nano＝系内に含まれる磁性ナノ粒子の数であり、センサ12の感度層内の平均磁場Aは、

となる。一様なR（H）特性により、

となる。

図4においてe_n,1/fで示される構成ブロックは、磁気抵抗センサ12からの信号が、1／fノイズを有することを概略的に示したものに過ぎない。この構成ブロックは、集積回路において他の機能を有さず、このため本発明の明細書ではこれ以上言及しない。

磁気抵抗センサ12によって測定された信号は、次に増幅のため増幅器28に伝送され、これにより増幅された信号Ampl（t）が生じる。増幅された信号Ampl（t）は、復調乗算器29を通過することにより、変調信号m（t）と同調して復調され、中間信号dem（t）が得られる。この中間中間信号dem（t）は、

となる。

最適作動点では、Aはゼロであると仮定している。積分器24による積分の後、導体電流I_condは、固定されたナノ粒子20から生じる磁場、すなわち第2の水平磁場成分26が相殺されるように調節され、

となる。

従って、第2の水平磁場成分26を相殺するために必要な電流I_intの大きさは、固定化表面21に固定されたナノ粒子20の数に依存する。

積分器24の入力にオフセット値を加えることにより、ゼロ以外の作動点でのGMRセンサ12の磁場強度が安定化される。「作動点」入力を介して、例えば電流制御手段によって、磁場発生器内の電流を変化させることで、センサ12内の磁場が変化する。（例えば積分器出力での）ノイズパワーを測定することにより、およびR（H）特性の局部勾配に依存する、高調波変調源の応答の大きさm（t）＝sin（at）を測定することにより、GMR増幅器28の出力で、信号対ノイズ比が測定され、最適化される。ノイズパワーおよび／または応答の大きさの代表値を出力させるため、ノイズパワー測定手段および振幅決定手段が提供されても良い。別の制御手段を提供して、検出器の作動点として、十分に広い領域で最大SNRとなる作動点を選定しても良い。そのような手段は、ノイズ最小化アルゴリズムを有しても良い。ノイズ最小化アルゴリズムは、チップ上に集積させても、例えば読取機構内など、チップの外部に設置しても良い。

提案した実施例の場合、得られる磁場強度は、以下のように導出できる。磁気抵抗センサ12が細長いストリップ形状であり、GMRセンサ12内の導電体11と感度層の間の距離wは、0.5umであり、さらに導体電流I_cond＝20ｍAであると仮定すると、垂直磁場強度は、

となる。

センサ12の作動点は、＋／−6kA／mの範囲で安定化される。これは、−20mAから20mAの電流を使用して、導電体11が−6から＋6kA／mの磁場を生成することができることを意味する。

磁性ナノ粒子20によって生じる磁場のずれは、50nmのナノ粒子20の場合、1ナノ粒子／μm²の表面密度では、通常0.4A／mであり、これは、前述の範囲よりも十分に小さい。

図5には、3μm幅のAMRストリップセンサ12の伝達関数（グラフ30）および前述の提案による装置形状のGMRストリップセンサ12の伝達関数（グラフ31）を示す。AMRセンサは、鋭く尖った伝達関数30を示し、この場合、GMRセンサ31の伝達関数に比べて良好な誤差信号が得られる。従って本発明の第1の実施例のノイズを除去する集積回路および方法には、AMRセンサを提供することがより妥当である。

この実施例では、ノイズを最小に除去する方法のみについて説明する。最適SNRの場合、検出曲線の感度についても考慮する必要がある。これは、追加のウォブリング技術によって得られ、あるいは現在の当業者には公知のウォブル振幅によって得られる。増幅器28の出力でのwobbleの応答の大きさは、GMR素子12の局部的な感度の指標となる。この代表的な値は、整流法、FFTまたは同期復調によって得ることができる。

別の実施例では、磁場発生器11は、磁気抵抗センサ12と一体化され、センサ12／磁場発生器11一体化装置が形成される。このセンサ／磁場発生器11一体化装置は、両方で磁場を発生し、検出する。しかしながら、高抵抗センサ12／磁場発生器11装置内での電力消費のため、得られるセンサ電流は、第1の実施例で得られる導体電流I_condよりも小さくなる。センサ電流を変化させることにより、GMRセンサ12内の磁場を変化させ、SNRを最適化することができる。

第1の実施例の問題は、コモンモード磁場、すなわち平均的な磁場Aが抑制されないことである。例えば磁石、トランス等からの外部磁場25も、検出される。ブリッジ（差動）構造（他の実施例参照）とすることにより、コモンモードのまたは全ての磁場成分が減衰される。

この問題を解決する方法を、改良実施例として、図6および図7に示す。この改良実施例の集積回路10は、2つの磁気抵抗センサ12₁、12₂を有し、これらのセンサは、平衡な配置で使用され、すなわち前述のようないわゆる差動測定で使用される。

集積回路10は、さらに導電体11₁、11₂のような磁場発生器を有しても良い。各導電体11₁、11₂は、磁気抵抗センサ12₁、12₂の下面19に設置される（図6）。

各センサ12₁、12₂は、ノイズ最適化回路13₁、13₂を有し、積分器24₁、24₂（図7）の出力でのノイズが最小化される。ノイズ最小化アルゴリズムが、チップと一体化されても良く、あるいは、例えば読み取り機構内のようなチップの外側に設置されても良い。

生物化学測定の前に、第1の実施例のように、各センサ12₁、12₂の出力でのノイズを最小化し、あるいはSNRを最適化することで、各センサ12₁、12₂の最適作動点が定められる。最適化の後、2つの積分器の値の差（検出器出力信号）をゼロに補正しても良い。

次に、ナノ粒子20が、磁気抵抗センサ12₁、12₂の近傍に設置され、生物測定が開始される。平衡配置のため、コモンモードの磁場は抑制される。

図6および7には、各センサ12の半分のみを覆う固定化表面21が示されている。一様なR（H）特性が、ゼロ以外の磁場に「制御」される場合、センサ12の挙動は、不均一なR（H）特性に近くなるため、センサ12の半分は、ナノ粒子20に対して感応しないことが必要となる（以降の記載参照）。しかしながら、ナノ粒子20は、ゼロ磁場では、チップの全領域を覆うように設置することができる。この場合、センサ12からの距離が大きくなる程、感度が減少する。

この実施例では、センサの勾配が同じ方向である場合、2つのセンサの「平衡挙動」が維持される。この勾配は、これらの特性の作動点の位置に依存する。

2つの勾配が、同じ方向ではない場合は、平衡配置を得るため、2つの積分器の値を差し引く代わりに、これらを加える必要がある。勾配の方向は、磁場発生器電流に高調波変調を加え、これらを同期復調させることにより定められ、（実施例1における感度測定のように）あるいはローパスフィルタのDem1およびDem2から定められる。

第2の実施例の特定の例では、磁気抵抗センサ12₁、12₂の両方のノイズ特性は、等しい。この場合、両方の磁気抵抗センサ12₁、12₂内の磁場を安定化するために、一つの制御ループまたはノイズ最適化回路13のみが必要となる。これは図8に示されている。

第1および第2の磁気抵抗センサ12₁、12₂のそれぞれによって測定される信号は、増幅のため、それぞれ第1および第2の増幅器28₁、28₂に伝送され、これにより増幅信号Ampl₁（t）およびAmpl₂（t）が形成される。次に、増幅信号Ampl₂（t）が増幅信号Ampl₁（t）から差し引かれ、信号Ampl（t）が得られる。次に信号Ampl（t）は、復調乗算器29を通って、変調信号m（t）で同期復調され、中間信号dem（t）が得られる。両磁気抵抗センサ12₁、12₂の最適作動点は、センサ12₁、12₂の出力でのノイズを最小化することによって定められる。

別の実施例では、図10に示すように、本発明の方法および装置を用いて、不均一なR（H）特性を示す磁気抵抗センサ12₁、12₂の作動点が安定化される（図9）。集積回路10は、2つの磁気抵抗センサ12₁、12₂と、導電体11₁、11₂のような2つの磁場発生器とを有する。導電体11₁、11₂は、各センサ12₁、12₂の下面19に設置される。また、集積回路10は、2つのノイズ最適化回路13₁、13₂を有しても良い。この実施例では、センサ12₁、12₂の不均一な特性により、ノイズ最適化回路13₁、13₂には高調波変調源23が不要となる。すなわち、I_cond1＝I_int1およびI_cond2＝I_int2となる。本発明のこの第3の実施例による方法の概略図は、図10に示されている。第1および第2の磁場成分22および26の総和となる正味の磁場27により、第1および第2のセンサ12₁、12₂で測定された信号は、増幅のため、第1および第2の増幅器28₁、28₂を通り、これにより、それぞれ信号Ampl₁（t）、Ampl₂（t）が生じる。次にこの信号は、積分器24₁、24₂に繰り返し伝送され、センサ12₁、12₂のノイズが最適化される。

生物測定の前に、前述のように磁性ナノ粒子20が隣接されていない状態で、各センサ12₁、12₂が最適化される。最適化の後、2つの積分器の値の差異（検出器の出力信号）が、ゼロに補正される。磁気抵抗センサ12₁、12₂の近傍に、ナノ粒子20が存在する場合、導体電流を調節することによって、ナノ粒子20の濃度が定められ、磁化されたナノ粒子20から生じる第2の水平磁場成分26が相殺される。この相殺に必要な電流量は、センサ12₁、12₂の上面18に存在するナノ粒子20の量の指標となる。

この実施例では、センサ装置には、（図10に示すような）各センサ12の半分の位置にナノ粒子20を限定するいくつかの手段が必要となる。これらの手段がない場合、ナノ粒子20の応答が無効になるからである。これは、センサ12の半分の上部に金以外の（固定化表面21）層を設置することによって達成される。

第4の実施例では、図11に示すように、本発明のノイズを除去する集積回路10および方法が、オンチップ磁性粒子センサ装置に適用される。

この実施例では、集積回路は、磁気抵抗センサ12と、磁場発生器とを有し、この磁場発生器は、例えば導電体11であり、磁気抵抗センサ12の下面19に設置される。また、集積回路は、導電体32のような、磁気抵抗センサ12に隣接して設置される、少なくとも一つの追加磁場発生器を有しても良い。この少なくとも一つの追加導電体32は、外部磁場発生器として援用される（図11）。

センサ素子12の感度方向に磁場成分が現れるように、追加の導電体32とセンサ素子12の位置を合わせることにより、磁場発生器11の機能を追加導電体32の機能に付加しても良い。

また、図11の集積回路は、検出手段33を有しても良い。ノイズ最適化は、前述の本発明の第3の実施例と同じ方法で行っても良い。

前述の各実施例に示した本発明の方法は、集積回路10の製作時に適用しても良い。当該方法を適用することにより、製作処理の間に最適作動点が定まり、これがチップに保管される。

また本発明による集積回路は、分子診断、生物試料分析または化学試料分析に使用しても良い。

本発明の利点は、外部磁場25が印加された際に、センサノイズパワーが変化しないことである。またチップ上にある磁場発生素子11は、印加される外部磁場25の大きさに依存する磁場を発生する。

本発明の装置に関する好適実施例、特定の構成および配置ならびに材料について説明したが、本発明の範囲および思想から逸脱しないで、形態および細部についての各種変更または修正が可能であることを理解する必要がある。

従来のGMRセンサを有する、バイオセンサの一部の断面図である。 本発明の第1の実施例による装置である。 図2の装置の断面図である。 第1の実施例による本発明の方法を示す集積回路の概略図である。 AMRおよびGMRセンサの一様なR（H）特性を示す図である。 本発明の第2の実施例による装置の断面図である。 本発明の第2の実施例による、本発明の方法の概略図である。 第2の実施例の特定の例による本発明の方法の概略図である。 GMRストリップセンサの不均一なR（H）特性を示す図である。 第3の実施例による本発明の方法の概略図である。 第4の実施例による本発明の方法の概略図である。

Claims (21)

1. 磁性ナノ粒子センサ装置内のノイズを除去する集積回路であって、
   当該集積回路は、少なくとも一つの第1の磁場発生器および少なくとも一つの磁気抵抗センサを有し、前記少なくとも一つの第1の磁場発生器は、前記少なくとも一つの磁気抵抗センサの感度方向に、第1の磁場成分を発生させるように適合され、
   当該集積回路は、前記少なくとも一つの磁気抵抗センサの作動点を定める手段を有し、
   前記ナノ粒子を磁化する磁場を発生する第2の磁場発生器が存在し、これにより、前記少なくとも一つの磁気抵抗センサの前記感度方向に第2の磁場成分が生じ、
   さらに当該集積回路は、少なくとも一つのノイズ最適化回路を有し、該回路は、前記第2の磁場成分を相殺することにより、前記センサ内の正味の磁場を安定化するように適合される、集積回路。
2. 前記第2の磁場発生器は、当該集積回路の外部の磁場発生器であることを特徴とする請求項1に記載の集積回路。
3. 前記作動点では、信号対ノイズ比が少なくとも1であることを特徴とする請求項1または2に記載の集積回路。
4. 前記少なくとも一つの第1の磁場発生器は、導電体を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の集積回路。
5. 前記少なくとも一つの磁気抵抗センサは、上面および下面を有し、該上面および下面は、相互に対向しており、前記少なくとも一つの第1の磁場発生器は、前記少なくとも一つの磁気抵抗センサの前記下面に設置されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の集積回路。
6. 当該集積回路は、相互に隣接する2つの磁気抵抗センサと、各磁気抵抗センサの前記下面に設置された磁場発生器とを有することを特徴とする請求項5に記載の集積回路。
7. 前記磁気抵抗センサは、細長いストリップ形状であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の集積回路。
8. 前記第1の磁場発生器は、前記磁気抵抗センサと一体化されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の集積回路。
9. 前記ノイズ最適化回路は、積分装置を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の集積回路。
10. 前記ノイズ最適化回路は、さらに高調波変調源を有することを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の集積回路。
11. 前記第2の磁場発生器は、1または2以上の導電体を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の集積回路。
12. 前記請求項のいずれか一つに記載の集積回路を有するバイオチップ。
13. 磁性ナノ粒子センサ装置内のノイズを除去する方法であって、
    磁気抵抗センサの感度方向に第1の磁場成分を発生させるステップと、
    前記磁気抵抗センサの出力でのノイズを最小化することによって、前記磁気抵抗センサの作動点を定めるステップと、
    ナノ粒子を磁化する第2の磁場を印加するステップであって、これにより、前記磁気抵抗センサの前記感度方向に第2の磁場成分が生じるステップと、
    前記第2の磁場成分が相殺されるように、前記第1の磁場成分を調節するステップと、
    を有する方法。
14. 前記磁気抵抗センサの作動点を定めるステップは、信号対ノイズ比が少なくとも1となる作動点を定めるステップを有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
15. 第1の磁場成分を発生させるステップは、導電体を通る導体電流を流すステップを有することを特徴とする請求項13または14に記載の方法。
16. 前記第1の磁場成分を調節するステップは、前記導電体を通る前記導体電流を調節することによって行われることを特徴とする請求項15に記載の方法。
17. さらに、
    第2の磁気抵抗センサの出力でのノイズを最小化することにより、前記第2の磁気抵抗センサの作動点を定めるステップと、
    前記第1の磁気抵抗センサと前記第2の磁気抵抗センサの出力間の差をゼロに補正するステップと、
    を有することを特徴とする請求項13乃至16のいずれか一つに記載の方法。
18. 前記第2の磁気抵抗センサの作動点を定めるステップは、信号対ノイズ比が少なくとも1になる作動点を定めるステップを有することを特徴とする請求項17に記載の方法。
19. 前記第2の磁場は、1または2以上の追加導電体によって生じることを特徴とする請求項13乃至18のいずれか一つに記載の方法。
20. 当該方法は、集積回路の製作時に適用されることを特徴とする請求項13乃至19のいずれか一つに記載の方法。
21. 分子診断、生物試料分析または化学試料分析のための、前記請求項のいずれか一つに記載の集積回路の使用。

Images