JP2012520566A - 磁気抵抗センサにおける温度及びドリフト補償 - Google Patents

Abstract

磁気抵抗センサの二重変調は、前記センサに加えられた励起（例えば電圧または電流）と、前記センサに加えられたティックリング（tickling）磁界との両方の変調を含む。前記励起及び磁界は、各々、互いに異なる周波数ｆ_ｃ及びｆ_ｆに変調される。この二重変調の結果、センサ出力スペクトラルは、周波数ｆ_ｃのキャリアトーン（ＣＴ）と、周波数ｆ_ｃ±ｆ_ｆのサイドトーン（ＳＴ）とを含む。ＣＴ振幅とＳＴ振幅とのベースライン関係を求める（例えば、サンプルの非存在下におけるドリフト発生時のＣＴ振幅及びＳＴ振幅を測定することによって求める）。センサの作動中は、生のＳＴ測定値を、それに対応する生のＣＴ測定値を用いて修正し、修正されたＳＴ測定値をセンサ出力として提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気抵抗センサに関する。

磁気抵抗センサは、該センサが曝される磁界の変化に応じて電気抵抗が変化する。なお、他の物理的パラメータ、とりわけ温度の変化によっても、磁気抵抗センサの電気抵抗が変化し得る。従来、そのようなドリフト効果は、電気ブリッジ回路において磁気抵抗センサを用いることによって軽減させていた。この方法は、測定するサンプルに曝されていない補助的な磁気抵抗センサを参照用に使用して、主要な磁気抵抗センサと同一の環境を測定する。主要センサと補助的センサとの差分信号が、ドリフト補償出力信号である。

しかしながら、生物学的検定法などの磁気抵抗センサの最近の用途では、磁気抵抗センサの大きなアレイの使用を必要とする場合が多い。このような状況では、電気ブリッジ回路を使用した従来のドリフト補償方法を用いることは非常に望ましくない。従来のドリフト補償方法は、サンサアレイの全ての素子用の別個の参照用検出器（及びそれに関連するブリッジ回路）の使用を必要とするためである。したがって、問題となるブリッジ回路（特に大きいセンサアレイ用のブリッジ回路）に頼らないで温度及びドリフトの影響を補正する方法が求められている。

従来考えられてきた１つ方法は、磁気抵抗センサの温度を制御することである（例えば特許文献１）。温度の制御による温度ドリフトの除去はまた、温度ドリフトのセンサ出力への影響の除去をもたらす。別の方法は、センサの温度較正を提供し、その温度較正を用いて、測定した温度に従ってセンサ出力を補正することである（例えば特許文献２）。

しかしながら、従来のドリフト／温度補償方法は、様々な不利益を被る傾向があった。いくつかの方法は、とても複雑であり、実際に実現するのは困難であった。例えば、温度制御を、大きなセンサアレイの全ての要素に対して実現することは困難である。また、較正を用いる方法もとても複雑であり、補正された出力をリアルタイムで提供することは不可能である。したがって、磁気抵抗センサ用の向上したドリフト／温度補正を提供することは、当技術分野における進歩となるであろう。

米国特許第７，０９７，１１０号明細書 米国特許第７，２３９，１２３号明細書

磁気抵抗センサの二重変調は、前記センサに加えられた励起（例えば電圧または電流）と、前記センサに加えられたティックリング（tickling）磁界との両方の変調を含む。前記励起及び磁界は、各々、互いに異なる周波数ｆ_ｃ及びｆ_ｆに変調される。この二重変調の結果、センサ出力スペクトラルは、周波数ｆ_ｃのキャリアトーン（ＣＴ）と、周波数ｆ_ｃ±ｆ_ｆのサイドトーン（ＳＴ）とを含む。ＣＴ振幅とＳＴ振幅とのベースライン関係を測定する（例えば、サンプルの非存在下におけるドリフト発生時のＣＴ振幅及びＳＴ振幅を測定することによって）。センサの作動中は、生のＳＴ測定値を、それに対応する生のＣＴ測定値を用いて修正し、修正されたＳＴ測定値をセンサ出力として提供する。

本発明の例示的な実施形態を示す。 図１の例の出力スペクトルを示す。 センサ温度を意図的に変化させたときの、キャリアトーン振幅及びサイドトーン振幅の変化を示すグラフである。 実験的に求めたＳＴ−ＣＴ関係の例を示す。 サイドトーン出力の補正の例示的な結果を示す。 非線形のＳＴ−ＣＴ関係の仮説例を示す。 磁気抵抗センサの生物学的検定法への適用を示す。

図１は、本発明の例示的な実施形態を示す。この例では、磁気抵抗センサ１０２が、磁界源１０６により生成されたティックリング（tickling）磁界１０８内に配置されている。磁気抵抗センサは、磁界に依存する電気抵抗を有する任意のセンサである。電流の方向及び磁界の方向に応じて様々な変形が可能であるが、そのような変形の全ては、磁気抵抗センサの一般的なカテゴリに含まれる。一部の例では、磁気バイアスがセンサ１０２に加えられる。磁気バイアスの方向は、ティックリング磁界１０８と同一の方向であってもよいし、ティックリング磁界１０８と異なる方向（例えば、ティックリング磁界に対して垂直な方向）であってもよい。ティックリング磁界１０８は、周波数ｆ_ｆに変調される。電源１０４は、磁気抵抗センサ１０２に対して励起（電圧または電流）を提供する。前記励起は、周波数ｆ_ｃに変調される。変調周波数ｆ_ｆ及びｆ_ｃは互いに異なる。

この二重変調スキームの結果としてのセンサ出力スペクトルが図２に示されている。センサ出力スペクトルは、周波数ｆ_ｃのキャリアトーン（carrier tone：ＣＴ）と、周波数ｆ_ｃ±ｆ_ｆのサイドトーン（side tone：ＳＴ）とを含む。一般的に、ｆ_ｃはｆ_ｆよりも大きいが、このことは必須ではない。センサ１０２の出力は、電圧または電流であり得る。より具体的には、前記励起が電圧の場合は前記出力は電流であり、前記励起が電流である場合は前記出力は電圧である。

磁性粒子１１０（例えば、常磁性または超常磁性のナノ粒子）が、センサ１０２の近傍に堆積した場合、センサ１０２での磁性粒子１１０の磁界への影響により、センサ出力の観察可能な変化がもたらされ得る。したがって、この構成は、磁気センサとして機能することができる。なお、キャリアトーン振幅は、センサ１０２の近傍における磁界粒子の存在の有無に依存しないことに注意することが重要である。したがって、使用できるセンサ出力は、サイドトーン振幅だけである。このことの物理的根拠は、キャリアトーン振幅はセンサ１０２の通常の抵抗に依存するが、サイドトーン振幅はセンサ１０２の磁気抵抗に依存することである。

キャリアトーン振幅は、磁気粒子１１０の影響を受けないが、次のようなドリフト補正されたサイドトーン測定値を提供するために用いることができる。説明を容易にするために温度ドリフトの場合を説明するが、以下に説明する原理は任意の他のセンサドリフト源にも適用することができる。まず、磁性粒子１１０がセンサ１０２の近傍に存在していないという条件のときのセンサベースライン（sensor baseline）が、センサ出力に対して観察可能な影響を与える、と定義することが有益である。したがって、センサベースラインは、測定された磁界が存在しない（例えばサンプルが存在しない）ことが背景条件である。ベースライン条件下では、センサドリフト（例えばセンサ温度の変動）は、ＣＴ振幅及びＳＴ振幅の両方に変化をもたらし得る。

図３は、ゲースライン条件下で磁気抵抗センサの温度を意図的に変化させたときの、ＣＴ振幅及びＳＴ振幅の変化の例が示されている。上側のグラフはＣＴ振幅の変化を示しており、下側のグラフはＳＴ振幅の変化を示している。この例では、ＣＴ振幅の変化とＳＴ振幅の変化とが互いに密接な関係にあることが明らかである。図４は、この関係をより明らかにしたものである。

図４は、ＳＴ振幅の変化を、ＣＴ振幅の変化に対してプロットしたものである。プロットした点は測定したデータ点であり、この断続線は線形適合である。この例では、ＣＴ振幅の変化（ΔＣ）とベースラインＳＴ振幅の変化（ΔＳ_Ｂ）との関係は単純な線形の関係であるが、次のより一般的な形式化を用いることが有用である。したがって、ＣＴ振幅とＳＴ振幅とのベースライン関係を、ＣＴ振幅及びＳＴ振幅の変化をベースライン動作点（ＣＴ_０，ＳＴ_０）に対して規定するΔＳ_Ｂ（ΔＣ）の関数と定義する。どの動作点（operating point）を用いるかの選択は、本発明の実施にとって重要でない。この関係は、簡単な測定器を用いて、任意のセンサ材料及び／または構成について実験的に求めることができる。

サンプルが存在する場合、利用可能なデータは、キャリアトーン測定値ΔＣと、生のサイドトーン測定値Ｓ_ｒａｗ（またはΔＳ_ｒａｗ）とである。前述したように、ΔＣは磁性サンプルに依存しないため、センサドリフトのリアルタイム測定値を効果的に提供すると見なすことができる。

一部の例では、例えばΔｓ＝ΔＳ／ＳＴ_０、Δｃ＝ΔＣ／ＣＴ_０と定義することによって正規化した、ＣＴ変数及びＳＴ変数を用いると便利である。ここで、関数Δｓ_Ｂ（Δ_Ｃ）は、ΔＳ_Ｂ（ΔＣ）の関係から容易に求めることができる。これらの関係または任意の他の数学的に同等の形態は、ＣＴ振幅とＳＴ振幅とのベースライン関係として用いるのに適している。小文字の表記が無次元の正規化された量を表すのに使用され、大文字の表記が物理的次元を有する非正規化量を表すのに使用されるという慣習を採用した。例えば、Δｓ_Ｂ（Δ_Ｃ）は無次元関数であり、キャリアトーン振幅における正規化された変化に対する、サイドトーン振幅における正規化された変化に関連する。関数ΔＳ_Ｂ（ΔＣ）は、次元（例えば電圧）を有する非正規化量に関して表したのと同じ関係である。

ＣＴ振幅及びＳＴ振幅の両方が線形の温度ドリフトを有する場合、Δｃ＝αΔＴ、Δｓ_Ｂ＝βΔＴというベースライン関係を有する。ΔＴは、ベースライン動作点に対する温度変化である。前記励起が電流であり、前記出力が電圧である場合、αは通常の抵抗の温度係数であり、βは磁気抵抗の温度係数である。前記励起が電圧であり、前記出力が電流である場合、基礎材料の温度係数に対するα及びβの関係は少々複雑なものになる。ＣＴ振幅及びＳＴ振幅に関して定義された、α及びβの実験的なパラメータの基礎材料パラメータに対する依存性は、本発明の実施にとって重要でない。

補正因子（ＣＦ）を次のように定義した。

ただし、Ｓ_ｃｏｒｒ＝ＣＦ×Ｓ_ｒａｗであり、
Δｃ＝αΔＴ、Δｓ_Ｂ＝βΔＴの場合、ＣＦ＝１／（１＋ｋΔｃ）である。
ただし、ｋ＝β／α。
次の等式は、この線形例についての、ベースライン条件下でのＳ_ｃｏｒｒの温度不依存性を示す。

同一の補正因子ＣＦを、サンプルが存在する場合に取得された生のサイドトーン測定値（Ｓ_ｒａｗ）に適用し、補正されたサイドトーン測定値（Ｓ_ｃｏｒｒ）をセンサ出力として提供することができる。

生のＳＴ測定値を補正するこの方法は、様々な数学的に同等の形態（または、ほぼ同等の形態）で表現することができる。例えば、前記補正は、生のサイドトーン測定値Ｓ_ｒａｗがΔＳ_Ｂ（ΔＣ）と同等のセンサドリフト寄与を含むと推定することにより、追加的事項として表すことができる。この方法では、補正されたサイドトーン出力は、次の式によって与えられる。

この方法は、最初の補正因子ＣＦの使用と等しい。

ＣＴ測定値及びＳＴ（ＣＴ）ベースラインを使用し、補正されたＳＴ測定値を生成する方法は、一般的に、センサ出力がドリフト（変動）し得る任意の状況に適用することができる。上述したように、この方法は、温度によって誘導されたセンサドリフトに適用可能である。また、この方法は、他のセンサ出力ドリフト源にも適用可能であり、これらに限定しないが、例えば、磁気抵抗センサへの入力（例えば、電圧または電流の動作点）や、センサの環境パラメータ（例えば、温度や圧力など）などに対して適用可能である。

ベースラインＳＴ（ＣＴ）の関係は、本発明を実施において、任意の従来の形態で表すことができる。例えば、曲線適合パラメータ（例えば、線形適合の傾き及び切片）に関して表すことができる。より複雑な場合では、参照テーブルを使用して、この機能の点別（point wise）の定義を提供することができる。中間点での関数値を提供するために、補間法を用いることができる。

図５は、サイドトーン出力の補正の例示的な結果を示す。上側のグラフは補正因子ＣＦを示し、下側のグラフは、ベースライン条件下での修正されたＳＴ出力及び未修正ＳＴ出力を比較して示す。ＳＴ温度依存性の除去における温度補正の有効性が明白である。

この方法の重要な側面は、実際の測定データを取得しながら、ＳＴ出力をリアルタイムで補正できることである。データの取得前にＳＴ（ＣＴ）ベースラインを求める必要があるが、ベースラインを求めた後は、ＳＴ出力の補正をリアルタイムで行うことができる。別の方法として、ＣＴ測定値及び生のＳＴ測定値の取得後に、後処理をすることによって、ＳＴ出力の補正を行うことも可能である。

図６は、非線形のＳＴ（ＣＴ）関係の仮説例である。センサがこのようなＳＴ（ＣＴ）関係を有することはありそうにないが、このＳＴ（ＣＴ）関係の複雑な形状は本発明の実施の妨げにはならない。必要に応じて、参照表及び補間法を用いて、センサのＳＴ出力の補正を十分に可能にすることができるであろう。

磁気抵抗センサの１つの重要な用途は、生物学的検定法である。図７は、磁気抵抗センサを生物学的検定法に適用した例を示す。この例では、磁気抵抗センサ１０２の表面上に捕捉抗体７０２が存在する。捕捉抗体７０２は、検体７０４を選択的に結合する。このステップの後、分析を完了すべく、磁気ラベルを有する検出抗体（７０６ａ、７０６ｂ及び７０６ｃ）が生成される。検体の結合位置では、検出抗体及び磁性ラベルも結合される（例えば、検体７０４に抗体７０６ａ及びラベル１１０ａが結合される）。結合された磁性レベルの磁気的検出によって、生物学的検定法が提供される。

説明を簡単にするために、上述の説明は、単一のセンサを用いる場合について説明している。しかし、このドリフト補正方法は、複数の磁気抵抗センサを有するアレイに対しても適用可能である。このようなアレイでは、電界変調波長ｆ_ｆは一般的に全てのアレイ素子において同一であるが、励起波長ｆ_ｃは各センサアレイ素子において互いに同一または異なり得る。よって、ＳＴ（ＣＴ）ベースライン関係をアレイ素子について独立的に取得し、補正を各アレイ素子に対して独立的に適用することができる。このようなフレキシビリティは、アレイの全ての素子の温度に単一の温度測定値を用いる他の方法と比較した場合の、この方法の重要な利点である。均一なアレイ温度は実際にはありそうもないので、（この方法のような）各アレイ素子に対して独立的に適用可能な温度／ドリフト補正を提供することは重要であり、アレイの全体に渡る不均一な状態に対処することができる。

Claims (15)

1. 磁気抵抗センサ装置であって、
   （ａ）磁気抵抗センサと、
   （ｂ）変調周波数ｆ_ｆを有するティックリング（tickling）磁界を提供し、該磁界内に前記磁気抵抗センサが配置されるようにする磁界源と、
   （ｃ）変調周波数ｆ_ｃのキャリアトーン（ＣＴ）及び周波数ｆ_ｃ±ｆ_ｆのサイドトーン（ＳＴ）を有する出力スペクトルを生成すべく、前記磁気抵抗センサに対して、前記変調周波数ｆ_ｆとは互いに異なる変調周波数ｆ_ｃを有する励起を提供するように構成された電源と、
   （ｄ）前記出力スペクトルにおける前記ＣＴ振幅及び前記ＳＴ振幅のベースライン関係を求めるように構成されたプロセッサとを含み、
   当該装置が、生のＳＴ測定値をそれに対応するＣＴ測定値及び前記ベースライン関係を用いて補正し、補正されたＳＴ測定値を出力として提供するように構成されたことを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記ＣＴ測定値及び前記生のＳＴ測定値の取得中に、前記補正されたＳＴ測定値をリアルタイムで提供するようにしたことを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、
   前記ＣＴ測定値及び前記生のＳＴ測定値の取得後、後処理することによって前記補正されたＳＴ測定値を提供するようにしたことを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、
   前記電源が電圧源または電流源であることを特徴とする装置。
5. 磁気抵抗センサの出力を補正する方法であって、
   （ａ）磁気抵抗センサを用意するステップと、
   （ｂ）前記磁気抵抗センサを、変調周波数ｆ_ｆを有するティックリング（tickling）磁界内に配置するステップと、
   （ｃ）周波数ｆ_ｃのキャリアトーン（ＣＴ）及び周波数ｆ_ｃ＋ｆ_ｆのサイドトーン（ＳＴ）を有する出力スペクトルを生成すべく、前記磁気抵抗センサに対して、前記変調周波数ｆ_ｆとは互いに異なる変調周波数ｆ_ｃを有する励起を提供するステップと、
   （ｄ）前記出力スペクトルにおけるＣＴ振幅及びＳＴ振幅のベースライン関係を求めるステップと、
   （ｅ）ＣＴ測定値及び生のＳＴ測定値を提供すべく、サンプルが存在する場合における、互いに対応するＣＴ振幅及びＳＴ振幅を測定するステップと、
   （ｆ）前記生のＳＴ測定値を前記ベースライン関係及び前記ＣＴ測定値を用いて補正し、補正されたＳＴ測定値を提供するステップと、
   （ｇ）前記補正されたＳＴ測定値を出力として提供するステップとを含む方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、
   複数のＳＴ測定値についてのリアルタイムの補正を提供すべく、前記ステップ（ｅ）、（ｆ）及び（ｇ）を連続的に繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする方法。
7. 請求項５に記載の方法であって、
   生の（ＣＴ，ＳＴ）データ点のセットを提供すべく、前記ステップ（ｅ）を繰り返すステップをさらに含み、
   前記生の（ＣＴ，ＳＴ）データ点を後処理することによって、前記データ点の各々についての補正されたＳＴ測定を提供するようにしたことを特徴とする方法。
8. 請求項５に記載の方法であって、
   ＣＴ振幅及びＳＴ振幅のベースライン関係を求める前記ステップが、前記磁気抵抗センサの温度を変更したときのＳＴ対ＣＴのデータを収集することを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項５に記載の方法であって、
   ＣＴ振幅及びＳＴ振幅のベースライン関係を求める前記ステップが、前記磁気抵抗センサへの入力を変更したときのＳＴ対ＣＴのデータを収集することを含むことを特徴とする方法。
10. 請求項５に記載の方法であって、
    ＣＴ振幅及びＳＴ振幅のベースライン関係を求める前記ステップが、前記磁気抵抗センサの環境パラメータを変更したときのＳＴ対ＣＴのデータを収集することを含むことを特徴とする方法。
11. 請求項５に記載の方法であって、
    ＣＴ振幅及びＳＴ振幅のベースライン関係を求める前記ステップが、ＳＴ対ＣＴのデータを収集し、ベースラインＳＴ振幅のベースラインＣＴ振幅に対する曲線適合の関係を求めることを含むことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記曲線適合が線形適合であることを特徴とする方法。
13. 請求項５に記載の方法であって、
    前記サンプルが、常磁性体または超常磁性体のナノ粒子を含むことを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、
    前記ナノ粒子が、生体分子に付けられたラベルであることを特徴とする方法。
15. 請求項５に記載の方法であって、
    前記励起が、磁気抵抗センサに対して加えられる電圧または電流であることを特徴とする方法。

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