JP2010521649A - Magnetic sensor device having a pair of detection units - Google Patents

Magnetic sensor device having a pair of detection units Download PDF

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Abstract

本発明は、第1の及び第2の検出ユニットP、Sを持つ磁気センサ装置100に関し、前記検出ユニットの各々が、磁気センサ素子及び磁界生成器を有する。好適な実施例において、前記磁気センサ素子は、同じ感度方向D12、D22を持つGMR素子であり、前記磁界生成器は、逆平行の磁界励起電流を評価及び制御ユニット40により供給される平行なワイヤである。前記磁界励起電流は、調査領域2において供給された磁化粒子1において反対方向の応答磁界B11'、B21'を誘導する反対の回転方向を持つ励起磁界Bn、B2iを生成する。応答磁界B11'、B21'は、したがって、前記GMR素子に対して反対の効果を持ち、これらの素子の出力信号間の差Δの増加を生じる。好適な実施例において、4つの検出ユニットが、ホイートストンブリッジに構成される。The present invention relates to a magnetic sensor device 100 having first and second detection units P, S, each of the detection units having a magnetic sensor element and a magnetic field generator. In a preferred embodiment, the magnetic sensor element is a GMR element having the same sensitivity direction D 12 , D 22 , and the magnetic field generator is supplied with an anti-parallel magnetic field excitation current supplied by the evaluation and control unit 40. Wire. The magnetic field excitation current generates excitation magnetic fields Bn and B2i having opposite rotational directions that induce response magnetic fields B 11 ′ and B 21 ′ in opposite directions in the magnetized particle 1 supplied in the investigation region 2. The response magnetic fields B 11 ′, B 21 ′ thus have the opposite effect on the GMR elements, resulting in an increase in the difference Δ between the output signals of these elements. In the preferred embodiment, four detection units are configured in a Wheatstone bridge.

Description

本発明は、磁界生成器及び磁気センサ素子を持つ検出ユニットの対を有する磁化粒子の検出用の磁気センサ装置に関する。更に、このような磁気センサ装置の使用に関する。   The present invention relates to a magnetic sensor device for detecting magnetized particles having a pair of detection units having a magnetic field generator and a magnetic sensor element. Furthermore, it relates to the use of such a magnetic sensor device.

WO2005/010543A1及びWO2005/010542A2から、例えば磁気ビーズでラベル付けされた目標分子、例えば生体分子の検出用のマイクロ流体バイオセンサにおいて使用されることができる磁気センサ装置が既知である。このマイクロセンサ装置は、磁化固定化ビーズにより生成される応答磁界(magnetic reaction fields)の検出に対する励起磁界及び巨大磁気抵抗(GMR)の生成に対するワイヤを有する検出ユニットのアレイを備える。前記GMRの信号(抵抗変化)は、この場合、前記センサに近いビーズの数を示す。   From WO 2005/010543 A1 and WO 2005/010542 A2, magnetic sensor devices are known which can be used, for example, in microfluidic biosensors for detection of target molecules labeled with magnetic beads, for example biomolecules. The microsensor device comprises an array of detection units with wires for the generation of excitation magnetic fields and giant magnetoresistance (GMR) for the detection of magnetic reaction fields generated by magnetization-fixed beads. The GMR signal (resistance change) in this case indicates the number of beads close to the sensor.

目標分子の極端に低濃度が測定されるべきである場合、及び/又は測定時間が最小化されるべきである場合、前述の種類の磁気センサ装置が信号対雑音比を最大化することは不可欠である。これは、しかしながら、多くの異なる干渉源、例えば電源ノイズ、温度ドリフト、コモンモード干渉及びクロストーク等を考慮すると難しいタスクである。   If extremely low concentrations of the target molecule are to be measured and / or if the measurement time is to be minimized, it is essential that a magnetic sensor device of the kind described above maximizes the signal-to-noise ratio. It is. However, this is a difficult task when considering many different interference sources such as power supply noise, temperature drift, common mode interference and crosstalk.

この状況に基づき、本発明の目的は、調査領域において磁化粒子のより正確な検出に対する手段を提供することであり、関連した磁気センサ装置が複雑な製造ステップを持たずに製造されることができることが望ましい。   Based on this situation, the object of the present invention is to provide a means for more accurate detection of magnetized particles in the investigation region, so that the associated magnetic sensor device can be manufactured without complicated manufacturing steps. Is desirable.

この目的は、請求項1に記載の磁気センサ装置及び請求項13に記載の使用により達成される。   This object is achieved by the magnetic sensor device according to claim 1 and the use according to claim 13.

本発明による磁気センサ装置は、主に(しかし排他的にではなく)、調査領域における磁化粒子の検出、例えばサンプルチャンバ内に供給されたサンプル流体における目標分子にラベルとして付着された磁気ビーズの検出に役立つ。前記磁気センサ装置は、以下の構成要素を有する。
a)"第1の検出ユニット"及び"第2の検出ユニット"。ここで用語"第1の"及び"第2の"は、これらのユニットを区別するためだけに選択され、これらの間に違い又は階層が存在しなければならないことを意味すべきでない。前記第1の及び第2の検出ユニットの各々は、以下の構成要素を有する。
a1)感度方向を持つ"磁気センサ素子"。これに関して、第一に、以下の用語及び定義が、幾何学的対象間の空間的関係を記述するためにこの文章を通して使用されることに注意する。
−(幾何学的)"線"は、1若しくは2方向に無限に又は有限にまっすぐ延在し、特定の向きを持たない。
−"方向"は、向き、すなわち始点から終点(これらの点は無限遠に位置してもよい)に走る向きを持つ線である。方向は、数学的には、ベクトルとして記述されることができる。通常は、方向は、有限の広がりを持ち、矢印として視覚化される。
−2本の線又は方向は、どこでも互いに同じ距離を持つ場合に"平行"と称される。
−2つの方向は、同じ/反対の向きを持つ場合、又はより厳密に、関連したベクトルa、bが正/負のスカラ積a・bを持つ場合に、"等しい向き"/"反対向き"と称される。反対向きの平行な方向は、ときどき"逆平行"とも称される。
前記磁気センサ素子の"感度方向"は、この場合、前記センサ素子が、この空間的方向に平行である磁界ベクトルの成分に対して(のみ又は)最も良感度であることを意味する。更に、これらの成分が前記感度方向に対して等しい向き又は反対向きである場合に差を生じる。通常は、前記磁気センサ素子は、1つの単一感度方向のみを持ち、この方向に垂直な磁界の成分に対して実質的に無反応である。
a2)前記調査領域(の少なくとも一部)における"励起磁界"を生成する"磁界生成器"。ここで前記励起磁界は、磁化粒子が前記調査領域内に存在する場合にこのような粒子の"応答磁界"を励起することができる。更に、前記磁化粒子の前記応答磁界は、定義により前記応答磁界のベクトルとこの関連した磁気センサ素子の場所における前記関連した磁気センサ素子の感度方向との間の角度である"交角"を持つべきである。ほとんどの場合、前記応答磁界は、前記関連した磁気センサ素子の感度方向に平行(及び等しい向き)又は逆平行であり、これは、前記交角がそれぞれ0°又は180°であることを意味する。一般に、前記交角は、しかしながら、0ないし180°のいかなる値を仮定してもよい。
厳密にいえば、前記応答磁界の向きは、印加される励起磁界だけでなく、前記磁化粒子の実際の分布にも依存する。前記交角の一意的な定義に対して、"応答磁界"は、したがって、本発明に関連して、常に、所定の代表的向き、例えば実際に可能な全ての応答磁界の平均的な向きを指す。
更に、前記検出ユニットの上で規定された構成要素xyz(磁気センサ素子、感度方向、磁界生成器、励起磁界、応答磁界、交角)は、下記において、ときどき、それぞれ前記第1の又は第2の検出ユニットに対する帰属に依存して"第1の構成要素xyz"又は"第2の構成要素xyz"と称される。"第1の磁気センサ素子"は、したがって、例えば、"前記第1の検出ユニットの磁気センサ素子"に対する短い表記法である。
b)(上で定義された)関連した交角が互いに異なるように前記第1の及び第2の検出ユニットの前記磁界生成器を制御する制御ユニット。
c)前記第1の及び第2の検出ユニットの前記磁気センサ素子の出力信号の差を感知する評価ユニット。前記評価ユニット及び前記制御ユニットは、前記検出ユニットとして同じマイクロ電子チップ上の回路として実装されてもよく、又はこのチップから(少なくとも部分的に)外部に実現されてもよい。
The magnetic sensor device according to the invention mainly (but not exclusively) detects magnetized particles in the investigation region, for example the detection of magnetic beads attached as labels to target molecules in the sample fluid supplied into the sample chamber. To help. The magnetic sensor device has the following components.
a) "First detection unit" and "Second detection unit". Here the terms “first” and “second” are selected only to distinguish these units and should not mean that there must be a difference or hierarchy between them. Each of the first and second detection units has the following components.
a1) "Magnetic sensor element" with sensitivity direction. In this regard, it is first noted that the following terms and definitions are used throughout this sentence to describe the spatial relationship between geometric objects.
-(Geometric) "Lines" extend infinitely or infinitely in one or two directions and have no specific orientation.
-"Direction" is a line with a direction, that is, a direction running from the start point to the end point (these points may be located at infinity). The direction can be described mathematically as a vector. Usually, the direction has a finite extent and is visualized as an arrow.
-Two lines or directions are said to be "parallel" if they have the same distance from each other everywhere.
-Two directions are "equal" / "opposite" if they have the same / opposite orientation, or more precisely if the associated vectors a, b have positive / negative scalar products a · b It is called. The opposite parallel direction is sometimes referred to as "anti-parallel".
The “sensitivity direction” of the magnetic sensor element means in this case that the sensor element is (only or) most sensitive to the component of the magnetic field vector that is parallel to this spatial direction. Furthermore, a difference occurs when these components are in the same or opposite direction with respect to the sensitivity direction. Usually, the magnetic sensor element has only one single sensitivity direction and is substantially insensitive to the component of the magnetic field perpendicular to this direction.
a2) A “magnetic field generator” for generating an “excitation magnetic field” in (at least part of) the investigation area. Here, the excitation magnetic field can excite the “response magnetic field” of such particles when magnetized particles are present in the investigation region. Furthermore, the response magnetic field of the magnetized particle should have, by definition, an “intersection” that is the angle between the vector of the response magnetic field and the direction of sensitivity of the associated magnetic sensor element at the location of the associated magnetic sensor element. It is. In most cases, the response field is parallel (and equal) or anti-parallel to the sensitivity direction of the associated magnetic sensor element, which means that the crossing angle is 0 ° or 180 °, respectively. In general, the intersection angle, however, may assume any value between 0 and 180 °.
Strictly speaking, the direction of the response magnetic field depends not only on the excitation magnetic field applied but also on the actual distribution of the magnetized particles. For the unique definition of said intersection angle, “response field” therefore always refers to a given representative orientation, for example the average orientation of all possible response fields, in the context of the present invention. .
Furthermore, the component xyz defined on the detection unit (magnetic sensor element, sensitivity direction, magnetic field generator, excitation magnetic field, response magnetic field, intersection angle) is sometimes referred to below as the first or second respectively. Depending on the attribution to the detection unit, it is referred to as “first component xyz” or “second component xyz”. “First magnetic sensor element” is thus a short notation for, for example, “magnetic sensor element of the first detection unit”.
b) A control unit that controls the magnetic field generators of the first and second detection units so that the relevant intersection angles (defined above) are different from each other.
c) an evaluation unit for sensing the difference between the output signals of the magnetic sensor elements of the first and second detection units. The evaluation unit and the control unit may be implemented as a circuit on the same microelectronic chip as the detection unit, or may be realized externally (at least partially) from this chip.

前記磁気センサ装置は、前記評価ユニットが、2つの測定信号間の差を感知するので、高い信号対雑音比を達成し、これは、両方の磁気センサ素子に同様に作用するかく乱(例えば電源ノイズ、温度ドリフト、コモンモード干渉、クロストーク)が相互に相殺することを意味する。所望の測定信号、すなわち前記磁化粒子において励起された前記応答磁界の強度の相殺は、しかしながら、防止される。これは、フィーチャa2)によると、前記励起された応答磁界が、前記第1の及び第2の磁気センサ素子において異なる交角を持ち、したがって異なる測定を生じるという事実による。   The magnetic sensor device achieves a high signal-to-noise ratio because the evaluation unit senses the difference between two measurement signals, which is a disturbance that acts on both magnetic sensor elements in the same way (eg power supply noise). , Temperature drift, common mode interference, crosstalk) cancel each other. Cancellation of the desired measurement signal, i.e. the intensity of the response field excited in the magnetized particles, is however prevented. This is due to the fact that, according to feature a2), the excited response field has a different angle of intersection in the first and second magnetic sensor elements, thus producing different measurements.

本発明の好適な実施例によると、前記第1の及び第2の検出ユニットは、実質的に同じ設計を持つ(すなわち、同じ寸法及び相対的配置で同じ材料/構成要素を有する)。このような同一の構成は、かく乱が、両方の検出ユニットに同様に作用し、したがって前記出力信号の差において(ほとんど)正確に相殺することを保証する。   According to a preferred embodiment of the present invention, the first and second detection units have substantially the same design (ie have the same materials / components in the same dimensions and relative arrangement). Such an identical configuration ensures that the disturbance acts on both detection units in the same way and therefore (almost) accurately cancels in the difference of the output signals.

一般に、前記第1の及び第2の励起磁界は、前記調査領域においていくらか重複するかもしれない。好適な実施例において、前記第1の及び第2の磁界生成器は、しかしながら、励起磁界が前記調査領域の異なる部分において支配的である(すなわち前記部分の磁界強度のすくなくとも70%に寄与する)ように構成される。最も好ましくは、前記励起磁界は、実質的に重複を持たず、これは、前記第1の検出ユニットと前記第2の検出ユニットとの間の関連したクロストークを最小化する。   In general, the first and second excitation fields may overlap somewhat in the study area. In a preferred embodiment, the first and second magnetic field generators, however, the excitation field is dominant in different parts of the investigation region (ie contributes at least 70% of the field strength of the part). Configured as follows. Most preferably, the excitation fields are substantially non-overlapping, which minimizes the associated crosstalk between the first detection unit and the second detection unit.

一般的な場合に、前記第1の磁気センサ素子及び/又は前記第2の磁気センサ素子の場所において(前記磁化粒子により生成された)前記第1の応答磁界と前記第2の応答磁界との間に重複があってもよい。しかしながら、前記第1の及び第2の磁気センサ素子は、それぞれ前記第1の又は第2の応答磁界によってのみ支配的に到達されることが好ましい。理想的には、前記第1の応答磁界は、前記関連した第1の磁気センサ素子のみに到達し、前記第2の応答磁界は、前記関連した第2の磁気センサ素子のみに到達する。この場合、前記第1の検出ユニットと前記第2の検出ユニットとの間の磁気クロストークは、大幅に減少されることができる。前記クロストークの最小化は、もちろん、前述の実施例と組み合わせて、すなわち前記第1の及び第2の励起磁界も重複しない場合に到達される。   In the general case, the first and second response magnetic fields (generated by the magnetized particles) at the location of the first magnetic sensor element and / or the second magnetic sensor element There may be overlap between them. However, the first and second magnetic sensor elements are preferably reached predominantly only by the first or second response field, respectively. Ideally, the first response magnetic field reaches only the associated first magnetic sensor element, and the second response magnetic field reaches only the associated second magnetic sensor element. In this case, magnetic crosstalk between the first detection unit and the second detection unit can be greatly reduced. The minimization of the crosstalk is of course reached in combination with the previous embodiment, i.e. where the first and second excitation fields do not overlap.

前記(第1の及び/又は第2の)磁界生成器は、例えば少なくとも1つの導体ワイヤにより実現されることができる。典型的な実施例において、これは、2つの平行に延在するワイヤの対により実現される。   Said (first and / or second) magnetic field generator can be realized, for example, by at least one conductor wire. In the exemplary embodiment, this is accomplished by two parallel extending wire pairs.

前記(第1の及び/又は第2の)磁気センサ素子は、特にホールセンサを有することができ、このセンサの感度方向は、前記センサを通る電流の方向により決定される。2つの同一の平行なホールセンサは、例えば、逆平行の電流がこれらを通って導通される場合に反対の極性の信号を生成する。前記(第1の及び/又は第2の)磁気センサ素子は、GMR(巨大磁気抵抗)、TMR(トンネル磁気抵抗)又はAMR(異方性磁気抵抗)素子のような磁気抵抗素子を有することもでき、GMR素子の感度方向は、例えばピン止め層により決定される。更に、前記磁界生成器及び前記磁気センサ素子は、例えばCMOS技術をCMOS回路の上に前記磁気抵抗構成要素を実現する追加ステップと一緒に使用して、集積回路として実現されることができる。前記集積回路は、オプションとして、前記磁気センサ装置の前記制御ユニット及び/又は前記評価ユニットをも有することができる。   The (first and / or second) magnetic sensor element can in particular comprise a Hall sensor, the direction of sensitivity of which is determined by the direction of the current through the sensor. Two identical parallel Hall sensors generate signals of opposite polarity when, for example, antiparallel current is conducted through them. The (first and / or second) magnetic sensor element may comprise a magnetoresistive element such as a GMR (giant magnetoresistive), TMR (tunnel magnetoresistive) or AMR (anisotropic magnetoresistive) element. The sensitivity direction of the GMR element can be determined by, for example, a pinned layer. Furthermore, the magnetic field generator and the magnetic sensor element can be realized as an integrated circuit, for example using CMOS technology together with the additional step of realizing the magnetoresistive component on a CMOS circuit. The integrated circuit can optionally also comprise the control unit and / or the evaluation unit of the magnetic sensor device.

前記第1の及び第2の感度方向は、一般に、空間において任意に位置することができ、これらは平行及び等しい向きであることが好ましい。原理的に、逆平行の感度方向を持つ磁気センサ素子として近隣GMRを生成することが既知である(WO2004/109725A1を参照)が、これは、マイクロチップ上の前記磁気センサ素子が全て同じ感度方向を持つことができれば大幅に容易になる。関心の(すなわち前記応答磁界の)信号の異なる効果は、提案された磁気センサ装置において、異なる励起磁界の印加による等しい向きの感度方向にもかかわらず達成されることができる。   The first and second sensitivity directions can generally be arbitrarily positioned in space, and are preferably parallel and equally oriented. In principle, it is known to generate neighboring GMRs as magnetic sensor elements with anti-parallel sensitivity directions (see WO 2004/109725 A1), which means that all the magnetic sensor elements on the microchip have the same sensitivity direction. If you can have it, it will be much easier. Different effects of the signal of interest (i.e. of the response field) can be achieved in the proposed magnetic sensor device in spite of equal direction of sensitivity due to the application of different excitation fields.

本発明の好適な実施例において、前記制御ユニットは、前記第1の及び第2の磁界生成器に等しい強度の反対方向の電流をそれぞれ供給する。前記磁界生成器がマイクロチップ上の平行な導体ワイヤであると仮定すると、前記反対方向の電流は、反対の回転方向を持つ励起磁界を生成し、これは、結果的に前記磁化粒子における反対向きの応答磁界を誘導する。これらの応答磁界と前記第1の及び第2の感度方向との間の交角は、それぞれ、したがって、180°異なり、前記第1の磁気センサ素子の出力信号と前記第2の磁気センサ素子の出力信号との間の最大の差を生じる。   In a preferred embodiment of the invention, the control unit supplies equal and opposite currents to the first and second magnetic field generators, respectively. Assuming that the magnetic field generator is a parallel conductor wire on the microchip, the current in the opposite direction generates an excitation magnetic field with an opposite direction of rotation, which results in an opposite direction in the magnetized particle. Induction of the response magnetic field. The intersection angles between these response magnetic fields and the first and second sensitivity directions are therefore 180 ° different, respectively, and the output signal of the first magnetic sensor element and the output of the second magnetic sensor element The largest difference between the signals is produced.

前記磁気センサ装置は、第1の及び第2の検出ユニットの1より多い対を有することができる(典型的には有する)。第1の及び第2の検出ユニットの複数の対を持つこのような磁気センサ装置の好適な実施例において、複数の(オプションとして全ての)検出ユニットの磁気センサ素子は、共通ライン、例えば接地に接続される。このように、配線の数は、大幅に減少されることができる。   The magnetic sensor device can have (typically have) more than one pair of first and second detection units. In a preferred embodiment of such a magnetic sensor device having a plurality of pairs of first and second detection units, the magnetic sensor elements of the plurality (optionally all) of the detection units are connected to a common line, for example ground. Connected. In this way, the number of wires can be greatly reduced.

本発明の他の重要な実施例において、前記磁気センサ装置は、第1の及び第2の検出ユニットの第2の対を有し、4つ全ての検出ユニットの磁気センサ素子が、ホイートストンブリッジとして接続される。前記磁気センサ素子が(磁気)抵抗により実現される場合、前記ホイートストンブリッジは、温度ドリフトのようなかく乱が最適に抑制されると同時に抵抗変化の非常に良感度の検出を可能にする。   In another important embodiment of the invention, the magnetic sensor device comprises a second pair of first and second detection units, the magnetic sensor elements of all four detection units being as Wheatstone bridges. Connected. If the magnetic sensor element is realized by a (magnetic) resistance, the Wheatstone bridge allows a very sensitive detection of the resistance change while at the same time suppressing disturbances such as temperature drift.

前述の実施例の他の発展形において、前記ホイートストンブリッジの全ての磁気センサ素子の感度方向は、互いに平行であり、等しい向きである。既に上で述べたように、これは、追加の製造ステップ無しの最も単純な製造を可能にする。   In another development of the previous embodiment, the sensitivity directions of all magnetic sensor elements of the Wheatstone bridge are parallel to each other and equal. As already mentioned above, this allows the simplest production without additional production steps.

前記ホイートストンブリッジの実施例の他の発展形において、直列に接続された2つの磁気センサ素子の(上で規定されたように、応答磁界と感度方向との間の)交角は、約180°異なる。これらの磁気センサ素子に作用する応答磁界は、したがって、反対の効果を持ち、例えば一方の抵抗を増加し、他方の磁気センサ素子の抵抗を減少する。前記磁気センサ素子間の電圧は、したがって、両方の素子により同じ方向にシフトされる。好ましくは、提案された設計は、前記ホイートストンブリッジの両方の枝において−反対の符号で−実現される。第1の枝の2つの磁気センサ素子間のノードにおける降下電圧は、この場合、他方の枝の磁気センサ素子間のノードにおける上昇電圧が付随して生じ、逆も同様であり、これら2つのノード間の最大電圧差を生じる。   In another development of the Wheatstone bridge embodiment, the angle of intersection (as defined above between the response field and the sensitivity direction) of two magnetic sensor elements connected in series differs by about 180 °. . The response magnetic field acting on these magnetic sensor elements thus has the opposite effect, eg increasing one resistance and decreasing the resistance of the other magnetic sensor element. The voltage between the magnetic sensor elements is therefore shifted in the same direction by both elements. Preferably, the proposed design is realized-with opposite signs-on both branches of the Wheatstone bridge. The drop voltage at the node between the two magnetic sensor elements of the first branch in this case is accompanied by a rise voltage at the node between the magnetic sensor elements of the other branch, and vice versa, and vice versa. Produces the maximum voltage difference between.

本発明は、更に、分子診断、生物学的サンプル分析、及び/又は化学サンプル分析、特に小さな分子の検出に対する上記のマイクロ電子磁気センサ装置の使用に関する。分子診断は、例えば、目標分子に直接又は間接的に付着された磁気ビーズの助けで達成されることができる。   The invention further relates to the use of the microelectronic magnetic sensor device described above for molecular diagnostics, biological sample analysis, and / or chemical sample analysis, in particular for the detection of small molecules. Molecular diagnostics can be achieved, for example, with the aid of magnetic beads attached directly or indirectly to the target molecule.

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。これらの実施例は、添付の図面の助けで例として記載される。   These and other aspects of the invention are apparent from and will be elucidated with reference to the embodiments described hereinafter. These embodiments are described by way of example with the help of the accompanying drawings.

本発明による磁気センサ装置の第1の及び第2の検出ユニットを概略的に示す。1 schematically shows a first and a second detection unit of a magnetic sensor device according to the invention. 応答磁界と磁気センサ素子の感度方向との間の交角を示す。The crossing angle between the response magnetic field and the sensitivity direction of the magnetic sensor element is shown. フルホイートストンブリッジとして接続された第1の及び第2の検出ユニットの2つの対を概略的に示す。Figure 2 schematically shows two pairs of first and second detection units connected as a full Wheatstone bridge. ハーフホイートストンブリッジとして接続された第1の及び第2の検出ユニットの1つの対を概略的に示す。1 schematically shows one pair of first and second detection units connected as a half-Wheatstone bridge. 2つのハーフホイートストンブリッジが共通ラインに結合される図4の実施例の変型例を示す。5 shows a variation of the embodiment of FIG. 4 in which two half-Wheatstone bridges are coupled to a common line.

同様の参照番号は、図において同一又は同様の構成要素を示す。   Like reference numbers indicate identical or similar components in the figures.

図1は、調査領域(サンプルチャンバ2)内の磁気的に相互作用する粒子、例えば超常磁性ビーズ1の検出に対するバイオセンサとしての特定のアプリケーションにおける本発明によるマイクロ電子磁気センサ装置100を示す。磁気抵抗バイオチップ又はバイオセンサは、感度、特異性、集積性、使いやすさ及びコストに関して、バイオ分子診断に対する有望な性質を持つ。このようなバイオチップの例は、参照により本出願に組み込まれるWO2003/054566、WO2003/054523、WO2005/010542A2、WO2005/010543A1及びWO2005/038911A1に記載されている。   FIG. 1 shows a microelectronic magnetic sensor device 100 according to the invention in a specific application as a biosensor for the detection of magnetically interacting particles, for example superparamagnetic beads 1, in an investigation area (sample chamber 2). Magnetoresistive biochips or biosensors have promising properties for biomolecular diagnostics with respect to sensitivity, specificity, integration, ease of use and cost. Examples of such biochips are described in WO2003 / 054546, WO2003 / 054533, WO2005 / 010542A2, WO2005 / 010543A1, and WO2005 / 038911A1, which are incorporated herein by reference.

バイオセンサは、典型的には、図1に示される種類の(例えば100個の)磁気センサ装置100のアレイからなり、したがって、溶液(例えば血液又は唾液)中の多数の異なる目標分子(例えばタンパク質、DNA、アミノ酸、乱用薬物)の濃度を同時に測定することができる。結合スキームの1つの可能な例、いわゆる"サンドイッチアッセイ"において、これは、結合表面3に前記目標分子が結合することができる第1の抗体を備えることにより達成される。第2の抗体を持つ超常磁性ビーズ1は、この場合、結合された目標分子に付着することができる。単純にするため、ビーズ1のみが図に示されている。   A biosensor typically consists of an array of magnetic sensor devices 100 of the type shown in FIG. 1 (eg 100), and thus a large number of different target molecules (eg proteins) in solution (eg blood or saliva). , DNA, amino acids, drugs of abuse) can be measured simultaneously. In one possible example of a binding scheme, the so-called “sandwich assay”, this is achieved by providing a first antibody to which the target molecule can bind to the binding surface 3. The superparamagnetic beads 1 with the second antibody can in this case be attached to the bound target molecule. For simplicity, only beads 1 are shown in the figure.

図1は、更に、実質的に同一の設計であり、表面3の下の基板に実現された"第1の検出ユニット"P及び"第2の検出ユニット"Sを示す。検出ユニットP及びSは、それぞれ(磁界生成器として機能する)第1の及び第2の励起ワイヤ11及び21並びに(磁気センサ素子として機能する)第1の及び第2のGMR素子12及び22を各々有する。励起ワイヤ11及び21を流れる電流は、第1の励起磁界B11及び第2の励起磁界B21をそれぞれ生成し、これらは超常磁性ビーズ1を磁化させる。超常磁性ビーズ1からの第1の及び第2の応答磁界B11'、B21'は、最終的に、それぞれGMR12及び22の面内磁化成分を取り入れ、これは、測定可能な抵抗変化に帰着する。 FIG. 1 further shows a “first detection unit” P and a “second detection unit” S of substantially the same design and realized on the substrate under the surface 3. The detection units P and S respectively include first and second excitation wires 11 and 21 (which function as magnetic field generators) and first and second GMR elements 12 and 22 (which function as magnetic sensor elements). Have each. The currents flowing through the excitation wires 11 and 21 generate a first excitation magnetic field B 11 and a second excitation magnetic field B 21 , respectively, which magnetize the superparamagnetic beads 1. The first and second response magnetic fields B 11 ′, B 21 ′ from the superparamagnetic beads 1 eventually incorporate in-plane magnetization components of GMRs 12 and 22, respectively, which results in a measurable resistance change. To do.

第1のGMR素子21及び第2のGMR素子22は、信号差Δ(典型的には等しい感知電流が印加される場合に前記GMR素子の両端間の電圧降下の差)を感知する結合された評価及び制御ユニット40に接続される。   The first GMR element 21 and the second GMR element 22 are coupled to sense a signal difference Δ (typically the difference in voltage drop across the GMR element when equal sensing currents are applied). Connected to the evaluation and control unit 40.

評価/制御ユニット40は、励起電流を供給する平行な励起ワイヤ11及び21に更に接続される。これらの励起電流は、生成される励起磁界B11及びB12が反対の回転方向を持つように、同じ強度を持ち、反対方向にされる。結果として、誘導される応答磁界B11'及びB21'も、反対の回転方向を持つ。これは、示された例において、第1の応答磁界B11'と第1の感度方向D21との間の交角α1が180°であり、第2の応答磁界B21'と第2の感度方向D22との間の交角α2は0°であることを意味する。第1のGMR素子21の抵抗が減少されるのに対し、第2のGMR素子22の抵抗は、対応して増加され、これらの反対の効果は、出力差Δに合計される。 The evaluation / control unit 40 is further connected to parallel excitation wires 11 and 21 that supply the excitation current. These excitation currents have the same intensity and are directed in the opposite direction so that the generated excitation magnetic fields B 11 and B 12 have opposite rotation directions. As a result, the induced response magnetic fields B 11 ′ and B 21 ′ also have opposite directions of rotation. This is because, in the example shown, the intersection angle α 1 between the first response magnetic field B 11 ′ and the first sensitivity direction D 21 is 180 °, and the second response magnetic field B 21 ′ and the second response magnetic field B 21 ′ The intersection angle α 2 with the sensitivity direction D 22 means 0 °. While the resistance of the first GMR element 21 is decreased, the resistance of the second GMR element 22 is correspondingly increased and the opposite effect is summed to the output difference Δ.

図2は、第1の及び第2の感度方向D12及びD22並びに関連した第1の及び第2の応答磁界B11'及びB21'に対する一般的な場合に関する主要なスケッチを含む。前記感度方向が、図1の例において平行であり、等しい向きであるが、前記感度方向は、一般に、いかなる空間的向きをも持ちうる。感度方向と関連した応答磁界との間の交角、例えば第1の感度方向D12と第1の応答磁界B11'との間の交角α1は、この場合、関連したベクトル間の角度として定義される。 FIG. 2 contains the main sketches for the general case for the first and second sensitivity directions D 12 and D 22 and the associated first and second response magnetic fields B 11 ′ and B 21 ′. The sensitivity directions are parallel and equally oriented in the example of FIG. 1, but the sensitivity directions can generally have any spatial orientation. The intersection angle between the sensitivity direction and the associated response magnetic field, for example the intersection angle α 1 between the first sensitivity direction D 12 and the first response magnetic field B 11 ′, is in this case defined as the angle between the associated vectors. Is done.

それぞれ第1の及び第2のGMR素子における前記第1の及び第2の応答磁界の効果の差を観測することができるように、ここで、第1の交角α1及び第2の交角(図2のα2)が異なることが望ましい。この条件は、図において点線により示される第2の応答磁界B21'の2つの方向を除き、多くの構成に対して満たされ、これらの方向は、前記第1の検出ユニットと同じ交角α2=α1を生じるので"禁じられる"。 Here, the first intersection angle α 1 and the second intersection angle (see FIG. 1) can be observed so that the difference between the effects of the first and second response magnetic fields in the first and second GMR elements can be observed. 2 α 2 ) are preferably different. This condition is satisfied for many configurations except for the two directions of the second response field B 21 ′ indicated by the dotted lines in the figure, which directions are the same angle of intersection α 2 as the first detection unit. = since they produce α 1 "is prohibited".

前記第1の及び第2のGMR素子により生成される信号の最大の広がりは、第1の交角と第2の交角との間の差|α1−α2|が、図1の構成の場合のように180°の最大値を仮定する場合に達成される。このような最適化は、(i)平行な感度方向及び逆平行の応答磁界(図1)並びに(ii)逆平行の感度方向及び平行な応答磁界の両方により達成されることができる。後者のオプションは、しかしながら、製造するのが難しいので好ましくない。更に、逆平行の感度方向は、測定信号が図1の構成において相殺するのに対し、前記第1の及び第2の検出ユニットP、Sの領域において近似的に一様である外部磁界が、出力差に合計される測定信号を誘導するという欠点を持つ。 The maximum spread of the signals generated by the first and second GMR elements is the difference | α 1 −α 2 | between the first and second intersection angles in the case of the configuration of FIG. This is achieved when a maximum value of 180 ° is assumed. Such optimization can be achieved with both (i) a parallel sensitivity direction and an antiparallel response field (FIG. 1) and (ii) both an antiparallel sensitivity direction and a parallel response field. The latter option is not preferred, however, because it is difficult to manufacture. Furthermore, the anti-parallel sensitivity direction cancels out the measurement signal in the configuration of FIG. 1, whereas the external magnetic field, which is approximately uniform in the region of the first and second detection units P, S, It has the disadvantage of inducing a measurement signal that is summed with the output difference.

図3は、2つの第1の検出ユニットP、P'及び2つの第2の検出ユニットS、S'がフルホイートストンブリッジとして構成される、本発明による好適な磁気センサ装置200のレイアウトを示す。より正確には、関連したGMR素子12、22、32及び42が、フルホイートストンブリッジとして接続される。評価/制御ユニット40は、GMR素子12、22,32、42を通るバイアス電流を供給するために端子AとBとの間に電圧差を生成することができる。端子CとDとの間の差動センサ出力信号Δは、この場合、後で獲得され、評価/制御ユニット40内の差動増幅器により更に処理される。センサ出力信号Δは、差分電圧又は電流であることができる。   FIG. 3 shows a layout of a preferred magnetic sensor device 200 according to the invention in which two first detection units P, P ′ and two second detection units S, S ′ are configured as a full Wheatstone bridge. More precisely, the associated GMR elements 12, 22, 32 and 42 are connected as a full Wheatstone bridge. Evaluation / control unit 40 can generate a voltage difference between terminals A and B to provide a bias current through GMR elements 12, 22, 32, 42. The differential sensor output signal Δ between terminals C and D is then obtained later and further processed by a differential amplifier in the evaluation / control unit 40. The sensor output signal Δ can be a differential voltage or a current.

励起ワイヤ11、21、31及び41は、対応するGMR素子に隣接して示される。評価/制御ユニット40は、励起ワイヤ11、21、31及び41を通る励起電流を提供することもでき、対応する接続は、単純にするために完全に描かれていない。更に、1つの励起ワイヤのみが示されるが、一般に各検出ユニットにおいて1より多く存在してもよい。   Excitation wires 11, 21, 31, and 41 are shown adjacent to the corresponding GMR elements. The evaluation / control unit 40 can also provide excitation currents through the excitation wires 11, 21, 31 and 41, and the corresponding connections are not fully drawn for simplicity. Furthermore, although only one excitation wire is shown, there may generally be more than one in each detection unit.

電流は、(前記磁気粒子から生じる)局所的な応答磁界が、関連したGMRのピン止め層に平行に(これはGMR12及び42の場合)又は逆平行に(GMR22、32)のいずれかで位置合わせされるように励起ワイヤ11、21、31及び41を通される。   The current is located either when the local response field (from the magnetic particles) is parallel (in the case of GMRs 12 and 42) to the associated GMR pinning layer or anti-parallel (GMR 22, 32). Excitation wires 11, 21, 31, and 41 are passed through to be matched.

示された磁気センサ装置の利点は、
−前記装置がコモンモード磁気干渉に無反応であること、
−前記装置のDC動作点が、GMR素子12、22、32、42の温度変化に無反応であること、
−温度変化、ノイズ、端子AとBとの間の電圧差の広がり等が、C及びD端子を横切るコモンモード信号として現れ、評価/制御ユニット40の中の前記差動増幅器のコモンモード拒否により抑制されること、
−励起ワイヤから前記ブリッジへのコモンモード容量性及び誘導性クロストークも前記差動増幅器により抑制されること、
を有する。
The advantages of the magnetic sensor device shown are
The device is insensitive to common mode magnetic interference;
The DC operating point of the device is insensitive to temperature changes of the GMR elements 12, 22, 32, 42;
-Temperature change, noise, spread of voltage difference between terminals A and B, etc. appear as common mode signal across C and D terminals, due to common mode rejection of said differential amplifier in evaluation / control unit 40 Being suppressed,
-Common mode capacitive and inductive crosstalk from the excitation wire to the bridge is also suppressed by the differential amplifier;
Have

図4は、前の実施例の変更例として、ハーフホイートストンブリッジが第1の及び第2の検出ユニットP及びSの1つの対により実現される磁気センサ装置300を示す。評価/制御ユニット40は、再び、励起ワイヤ11及び21に励起電流を供給する。更に、これは、一方で端子A及びBを介して、他方で端子Cを介してGMR素子12、22を通るバイアス電流を供給する。差分出力信号Δは、端子A及びBにおいて得られる。これは、差分電圧又は電流であることができる。   FIG. 4 shows, as a modification of the previous embodiment, a magnetic sensor device 300 in which the half Wheatstone bridge is realized by one pair of first and second detection units P and S. The evaluation / control unit 40 again supplies the excitation current to the excitation wires 11 and 21. In addition, it supplies a bias current through the GMR elements 12, 22 via terminals A and B on the one hand and terminal C on the other hand. A differential output signal Δ is obtained at terminals A and B. This can be a differential voltage or current.

この実施例の追加の利点は、フルホイートストンブリッジより少数のセンサ素子及び配線が必要とされることである。   An additional advantage of this embodiment is that fewer sensor elements and wiring are required than a full Wheatstone bridge.

図5は、前の実施例の変型例として、より少数の配線を持つハーフホイートストンブリッジを有する磁気センサ装置400を示す。図4と比較して、(場合により多数の中の)2つのハーフホイートストンブリッジが備えられ、これらはすべて共通ノードC、例えば基板(接地)を使用する。このように、複数のセンサユニットが、同じ端子Cを共有し、これは、評価/制御ユニット40に対するより少数の配線に導く。   FIG. 5 shows a magnetic sensor device 400 having a half Wheatstone bridge with fewer wires as a variation of the previous embodiment. Compared to FIG. 4, two half-Wheatstone bridges (possibly among many) are provided, all of which use a common node C, eg a substrate (ground). In this way, multiple sensor units share the same terminal C, which leads to fewer wires for the evaluation / control unit 40.

記載された実施例が、全てのGMR素子の感度方向が同じであることができるという利点を持つことは、既に記述された。センサ装置のマイクロ加工後に、全てのGMR素子のピン止め層は、同じ向きを持つ。したがって、追加の後処理ステップは、2つのGMR素子のピン止め層の一部がフリップされるべきである場合(例えば図3のホイートストンブリッジのGMR素子22及び32の層)に必要とされる。このようなフリップを達成する技術は、(スタンプから複製される)前記ピン止め層の方向を局所的に再プログラムするために、センサ表面の上に近い硬質磁性"スタンプ"の印加及び加熱を伴う。他の技術は、外部磁界の同時印加とともに、局所加熱に対する前記GMR素子を通る電流パルスの制御された印加に基づく(WO2004/109725A1を参照)。両方の技術は、例えば標準的なCMOSプロセスの絶縁破壊電圧を大きく上回る可能性がある高電流及び関連した高電圧の印加又は正確な機械的位置合わせのいずれかを伴う製造プロセスにおける追加ステップを必要とする。更に、前記ピン止め層の向きの再プログラムは、追加の磁区の生成を生じることができ、センサ不安定性(バルクハウゼンノイズ、ベースラインポッピングノイズ)に対する原因であることができる。   It has already been described that the described embodiment has the advantage that the sensitivity direction of all GMR elements can be the same. After microfabrication of the sensor device, the pinned layers of all GMR elements have the same orientation. Thus, an additional post-processing step is required if a portion of the pinned layer of the two GMR elements is to be flipped (eg, the layer of GMR elements 22 and 32 of the Wheatstone bridge of FIG. 3). The technique to achieve such a flip involves the application and heating of a hard magnetic “stamp” close to the sensor surface to locally reprogram the direction of the pinned layer (replicated from the stamp). . Another technique is based on the controlled application of current pulses through the GMR element for local heating with simultaneous application of an external magnetic field (see WO 2004/109725 A1). Both technologies require additional steps in the manufacturing process that involve either high current and associated high voltage application or precise mechanical alignment, which can greatly exceed the breakdown voltage of standard CMOS processes, for example. And Furthermore, reprogramming of the pinned layer orientation can result in the creation of additional magnetic domains and can be a cause for sensor instability (Barkhausen noise, baseline popping noise).

(近隣の)GMR素子のフリップされた感度方向を持つ前述の実施例は、本発明の範囲に属するが、追加の加工ステップ無しで、かつ前記センサを高温及び大きな磁界にさらすことなく差動センサを製造する手段を提供することが好ましい。上に記載された本発明の実施例は、このような手段を提供する特定の利点を持つ。前記実施例は、前記ピン止め層の向きを反転するのではなく、センサセグメントにおける励起磁界の方向を反転するという提案に基づく。これは、例えば励起電流の反転により達成されることができ、関連したGMR素子が前記磁気粒子に対して反対の応答を示す効果を持つ。したがって、完全差分センサ動作が確立されることができる。   The above embodiments with flipped sensitivity directions of (neighboring) GMR elements are within the scope of the present invention, but without additional processing steps and without exposing the sensor to high temperatures and large magnetic fields. It is preferable to provide a means for manufacturing. The embodiments of the invention described above have particular advantages in providing such means. The embodiment is based on the proposal to reverse the direction of the excitation field in the sensor segment rather than reversing the orientation of the pinned layer. This can be achieved, for example, by reversing the excitation current and has the effect that the associated GMR element shows an opposite response to the magnetic particles. Thus, full differential sensor operation can be established.

最終的に、本出願において、用語"有する"が他の要素又はステップを除外せず、"1つの"が複数を除外せず、単一のプロセッサ又は他のユニットが複数の手段の機能を満たすことができることが指摘される。本発明は、ありとあらゆる新規な特徴的フィーチャ及び特徴的フィーチャのありとあらゆる組み合わせに存在する。更に、請求項内の参照符号は、前記請求項の範囲を限定するように解釈されるべきでない。   Finally, in this application, the term “having” does not exclude other elements or steps, “one” does not exclude a plurality, and a single processor or other unit fulfills the functions of multiple means It is pointed out that it can. The present invention exists in every and every novel characteristic feature and every and every combination of characteristic features. Furthermore, reference signs in the claims shall not be construed as limiting the scope of the claims.

Claims (13)

調査領域における磁化粒子の検出に対する磁気センサ装置において、
a)第1の検出ユニット及び第2の検出ユニットであって、
a1)感度方向を持つ磁気センサ素子、
a2)前記磁化粒子の応答磁界を励起することができる励起磁界を前記調査領域において生成する磁界生成器であって、前記応答磁界が、前記関連した磁気センサ素子において前記磁気センサ素子の感度方向に対して交角を持つ、当該磁界生成器、
を有する当該第1の検出ユニット及び第2の検出ユニットと、
b)前記関連した交角が互いに異なるように前記第1の検出ユニット及び前記第2の検出ユニットの前記磁界生成器を制御する制御ユニットと、
c)前記第1の検出ユニット及び前記第2の検出ユニットの前記磁気センサ素子の出力信号の差を感知する評価ユニットと、
を有する磁気センサ装置。
In the magnetic sensor device for detection of magnetized particles in the investigation area,
a) a first detection unit and a second detection unit,
a1) Magnetic sensor element having a sensitivity direction,
a2) a magnetic field generator for generating an excitation magnetic field in the investigation region capable of exciting a response magnetic field of the magnetized particles, wherein the response magnetic field is in a sensitivity direction of the magnetic sensor element in the related magnetic sensor element; The magnetic field generator having an angle of intersection with
The first detection unit and the second detection unit having:
b) a control unit for controlling the magnetic field generators of the first detection unit and the second detection unit so that the related intersection angles are different from each other;
c) an evaluation unit for sensing a difference between output signals of the magnetic sensor elements of the first detection unit and the second detection unit;
A magnetic sensor device.
前記第1の検出ユニット及び前記第2の検出ユニットが同じ設計を持つことを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 1, wherein the first detection unit and the second detection unit have the same design. 前記磁界生成器は、前記励起磁界が前記調査領域の異なる部分において支配的であるように配置されることを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 1, wherein the magnetic field generator is arranged such that the excitation magnetic field is dominant in different parts of the investigation region. 前記磁気センサ素子が、前記関連した検出ユニットの前記応答磁界により支配的に到達されるように配置されることを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 1, wherein the magnetic sensor element is arranged to be predominantly reached by the response magnetic field of the associated detection unit. 前記磁界生成器の少なくとも1つが少なくとも1つの導体ワイヤを有することを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 1, wherein at least one of the magnetic field generators has at least one conductor wire. 前記磁気センサ素子の少なくとも1つが、ホールセンサ又はGMRのような磁気抵抗素子、AMR又はTMR素子を有することを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 1, wherein at least one of the magnetic sensor elements includes a magnetoresistive element such as a Hall sensor or GMR, an AMR element, or a TMR element. 前記検出ユニットの前記感度方向が、平行であり、等しい向きであることを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 1, wherein the sensitivity directions of the detection units are parallel and have equal directions. 前記制御回路が、前記磁界生成器に等しい強度の反対方向の電流を供給する、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device of claim 1, wherein the control circuit supplies an opposite direction current of equal strength to the magnetic field generator. 前記磁気センサ装置が、第1の検出ユニット及び第2の検出ユニットの複数の対を有し、前記検出ユニットの磁気センサ素子が共通ラインに接続されることを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   2. The magnetic sensor device according to claim 1, wherein the magnetic sensor device has a plurality of pairs of a first detection unit and a second detection unit, and the magnetic sensor elements of the detection unit are connected to a common line. Magnetic sensor device. 前記磁気センサ装置が、第1の検出ユニット及び第2の検出ユニットの第2の対を有し、4つの前記検出ユニットの前記磁気センサ素子が、ホイートストンブリッジとして接続されることを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device has a second pair of a first detection unit and a second detection unit, and the magnetic sensor elements of four detection units are connected as a Wheatstone bridge, The magnetic sensor device according to claim 1. 全ての前記磁気センサ素子の感度方向が、互いに平行であり、等しい向きであることを特徴とする、請求項10に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 10, wherein sensitivity directions of all the magnetic sensor elements are parallel to each other and are equal to each other. 直列に接続された前記磁気センサ素子の交角が約180°異なることを特徴とする、請求項10に記載の磁気センサ装置。   The magnetic sensor device according to claim 10, wherein an intersection angle of the magnetic sensor elements connected in series is different by about 180 °. 分子診断、生物学的サンプル分析及び/又は化学サンプル分析、特に小さな分子の検出に対する請求項1に記載の磁気センサ装置の使用。   Use of the magnetic sensor device according to claim 1 for molecular diagnostics, biological sample analysis and / or chemical sample analysis, in particular for the detection of small molecules.
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