RU2478219C1 - Shaped magnetoresistive microchip of biosensor device - Google Patents

Shaped magnetoresistive microchip of biosensor device Download PDF

Info

Publication number
RU2478219C1
RU2478219C1 RU2011141077/28A RU2011141077A RU2478219C1 RU 2478219 C1 RU2478219 C1 RU 2478219C1 RU 2011141077/28 A RU2011141077/28 A RU 2011141077/28A RU 2011141077 A RU2011141077 A RU 2011141077A RU 2478219 C1 RU2478219 C1 RU 2478219C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystal
microchip
magnetoresistive
biosensor device
cells
Prior art date
Application number
RU2011141077/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Викторович Амеличев
Роман Олегович Гаврилов
Сергей Иванович Касаткин
Алексей Алексеевич Резнев
Иван Александрович Решетников
Александр Николаевич Сауров
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр "МИЭТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр "МИЭТ" filed Critical федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр "МИЭТ"
Priority to RU2011141077/28A priority Critical patent/RU2478219C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2478219C1 publication Critical patent/RU2478219C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: shaped magnetoresistive microchip of biosensor device represents massif of magnetosensitive cells with dimensions of N times M; at that, it is made in the form of silicon crystal and includes thin-film magnetoresistors with strictly fixed orientation relative to surface and boundaries of the crystal and combined with metal layout on the crystal so that not more than N+M+3 of the output leaves it to record availability of magnetic marks in biomaterial samples.
EFFECT: increasing the quantity and enlarging the volume of samples of analysed biomaterials; reducing overall dimensions of microchips; increasing the level of cell output signal.
3 dwg

Description

Изобретение относится к средствам контроля медицинской техники и может быть использовано в устройствах обнаружения магнитных микрогранул, прикрепившихся к биоматериалам в результате процессов биотинилирования и гибридизации.The invention relates to control devices for medical equipment and can be used in magnetic microbead detection devices attached to biomaterials as a result of biotinylation and hybridization processes.

Известно биосенсорное устройство, включающее в себя массив магниторезистивных наносенсоров, сконструированных для обнаружения биомалекул, содержащих две или более связей сверхпарамагнитных наночастиц [1].A biosensor device is known that includes an array of magnetoresistive nanosensors designed to detect biomolecules containing two or more bonds of superparamagnetic nanoparticles [1].

Также известен магниторезистивный датчик для измерения плотности размещения магнитных наночастиц на микромассиве, в котором магнитная наночастица прямо или косвенно связана с проверяемым образцом [2].Also known is a magnetoresistive sensor for measuring the density of magnetic nanoparticles on a microarray, in which a magnetic nanoparticle is directly or indirectly associated with the test sample [2].

Недостатком данных матриц является большое количество выводов и отсутствие схемы опроса элементов массива.The disadvantage of these matrices is the large number of conclusions and the lack of a scheme for polling array elements.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является матрица биосенсорного устройства на основе массива чувствительных ячеек [3]. В этом устройстве анализируются многокомпонентные материалы, для определения отдельных компонентов основываясь на их магнитной восприимчивости или диэлектрической постоянной. В устройстве используют ячейки на магнитных туннельных переходах или на гигантском магниторезистивном эффекте. Основным достоинством этой матрицы размерностью N на М ячеек является организация схемы выборки магниточувствительных элементов.The closest in technical essence to the proposed invention is a matrix of a biosensor device based on an array of sensitive cells [3]. This device analyzes multicomponent materials to determine the individual components based on their magnetic susceptibility or dielectric constant. The device uses cells on magnetic tunnel junctions or on a giant magnetoresistive effect. The main advantage of this matrix of dimension N on M cells is the organization of the sampling scheme of magnetically sensitive elements.

Основным недостатком данной матрицы является отсутствие схемы усиления выходного сигнала магниточувствительного элемента.The main disadvantage of this matrix is the lack of amplification of the output signal of the magnetically sensitive element.

Задача изобретения - повышение количества и увеличение объема проб анализируемых биоматериалов, снижение габаритных размеров микрочипов, повышение уровня выходного сигнала ячейки.The objective of the invention is to increase the number and increase the volume of samples of the analyzed biomaterials, reduce the overall dimensions of microchips, increase the level of the output signal of the cell.

Эта задача достигается путем изготовления профилированного магниторезистивного микрочипа биосенсорного устройства по интегральной технологии микросистем в виде кристалла кремния, содержащего ячейки из тонкопленочных магниторезисторов, расположенных массивом размерностью N на М ячеек в областях нанесения проб биоматериалов со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенных металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала.This task is achieved by manufacturing a profiled magnetoresistive microchip of a biosensor device using integrated microsystem technology in the form of a silicon crystal containing cells from thin-film magnetoresistors located in an array of dimension N on M cells in the areas of application of biomaterial samples with a strictly fixed orientation relative to the surface and boundaries of the crystal and combined by metal wiring on the crystal so that no more than N + M + 3 pins exit from it to detect the presence of a magnet labels in samples of biomaterial.

Благодаря тому что чувствительные ячейки располагаются на одном кристалле, появляется возможность более высокой интеграции, позволяющей увеличить их количество и, следовательно, гарантировать большее количество проб. Под чувствительными ячейками с обратной стороны кристалла вытравливаются области кремния, в которые помещается анализируемый биоматериал, что позволяет увеличить объем проб без изменения площади кристалла. Каждая чувствительная ячейка представляет собой магниторезистивный преобразователь, два n-МОП транзистора, обеспечивающих усиление выходного сигнала и диод для контроля направления тока при выборе ячейки. Близость расположения ячеек друг к другу обеспечивает малый разброс электрофизических параметров активных и пассивных элементов. Организация выборки элементов массива металлической разводкой на кристалле уменьшает количество выводов до N+M+3 штук, что обеспечивает компактность и надежность схемы. Путем внешней коммутации с выводами массива магниточувствительных элементов, подавая на N и М входов определенный двоичный код, выбирается одна из ячеек и опрашивается состояние двух ее информационных выходов, которые также принадлежат всем остальным ячейкам массива, но в момент опроса они являются выключенными за счет гальванической развязки через затворы транзисторов и не оказывают влияния на информационный сигнал выбранной ячейки. При этом ток потребления в массиве в любой момент времени не превышает ток одной выбранной магниточувствительной ячейки.Due to the fact that the sensitive cells are located on the same chip, there is the possibility of higher integration, which allows to increase their number and, therefore, guarantee a larger number of samples. Under the sensitive cells, on the back of the crystal, silicon regions are etched into which the analyzed biomaterial is placed, which allows increasing the sample volume without changing the crystal area. Each sensitive cell is a magnetoresistive transducer, two n-MOS transistors that provide amplification of the output signal and a diode to control the current direction when selecting a cell. The proximity of the cells to each other provides a small dispersion of the electrophysical parameters of active and passive elements. Organization of a sample of array elements by metal wiring on a chip reduces the number of outputs to N + M + 3 pieces, which ensures compactness and reliability of the circuit. By external switching with the outputs of an array of magnetically sensitive elements, by supplying a certain binary code to the N and M inputs, one of the cells is selected and the state of its two information outputs, which also belong to all other cells of the array, is interrogated, but at the time of interrogation they are turned off due to galvanic isolation through the gates of transistors and do not affect the information signal of the selected cell. Moreover, the current consumption in the array at any time does not exceed the current of one selected magnetosensitive cell.

В составе магниточувствительных ячеек используются четыре тонкопленочных магниторезистора, соединенные в мост Уитстона. Мосты объединены по питанию, образуя строки массива из N входов. Общие выходы с мостов соединены в столбцы массива и составляют М входов. Выходы моста Уитстона идут на затворы n-МОП транзисторов. Стоки транзисторов объединены в два информационных выхода, с которых снимается дифференциальный выходной сигнал с нагрузочных резисторов. Истоки транзисторов соединены с общими выходами мостов.Four thin-film magnetoresistors connected to a Wheatstone bridge are used as part of magnetosensitive cells. Bridges are combined according to nutrition, forming an array of N inputs. The common outputs from the bridges are connected to the columns of the array and comprise M inputs. The outputs of the Wheatstone bridge go to the gates of n-MOS transistors. The transistor drains are combined into two information outputs, from which the differential output signal from the load resistors is removed. The sources of the transistors are connected to the common outputs of the bridges.

Процесс изготовления профилированного микрочипа можно разделить на четыре основных этапа. На первом этапе формируется мембрана толщиной примерно 40 мкм с обратной стороны подложки с помощью анизотропного травления кремния в 33% КОН с последующим изотропным обтравом кремния. На втором этапе по стандартной КМОП технологии формируется полупроводниковая схема выборки, состоящая из n-МОП транзисторов с поликремниевыми затворами. Изоляция компонентов в схеме выборки осуществляется толстым окислом «Локос» с предварительным легированием Р+ охраны и образованием областей «мезы» для формирования в них активных элементов схемы. Разводка элементов схемы осуществляется с помощью металла Al-Si. В качестве изолирующего слоя используется оксид и нитрид кремния. На третьем этапе происходит формирование магниторезистивной пленки Ti/FeNiCo20/Ti. Толщина слоя Ti составляет 5…6 нм, толщина FeNiCo20 30…35 нм. Далее из этой структуры формируются магниторезисторы. Разводка магниторезисторов и коммутация со схемой выборки осуществляется вторым слоем металла - Al. Для пассивации элементов используется осажденный слой фосфорно-силикатного стекла. На заключительном этапе производится анизотропный дотрав мембран до толщины 5…10 мкм в растворе этилендиамина.The manufacturing process of a profiled microchip can be divided into four main stages. At the first stage, a membrane with a thickness of about 40 μm is formed on the back side of the substrate using anisotropic etching of silicon in 33% KOH followed by an isotropic clipping of silicon. At the second stage, according to the standard CMOS technology, a semiconductor sampling circuit is formed, consisting of n-MOS transistors with polysilicon gates. Isolation of components in the sampling scheme is carried out by Lokos thick oxide with preliminary doping of P + protection and the formation of Mesa regions to form active elements of the scheme in them. The layout of the circuit elements is carried out using Al-Si metal. Silicon oxide and nitride are used as an insulating layer. At the third stage, the formation of a magnetoresistive Ti / FeNiCo 20 / Ti film. The thickness of the Ti layer is 5 ... 6 nm, the thickness of FeNiCo 20 30 ... 35 nm. Further, magnetoresistors are formed from this structure. The wiring of the magnetoresistors and switching with the sampling circuit is carried out by the second layer of metal - Al. For passivation of the elements, a precipitated layer of phosphate-silicate glass is used. At the final stage, anisotropic addition of membranes to a thickness of 5 ... 10 μm in ethylene diamine solution is performed.

На фиг.1 изображен топологический эскиз профилированного магниторезистивного микрочипа биосенсорного устройства с массивом чувствительных элементом из N строк и М столбцов, гдеFigure 1 shows a topological sketch of a profiled magnetoresistive microchip of a biosensor device with an array of sensitive elements of N rows and M columns, where

1 - магниторезистивный мост;1 - magnetoresistive bridge;

2 - вход мембраны;2 - membrane input;

3 - контактные площадки.3 - contact pads.

На фиг.2 показан разрез кристалла в области мембраны с основными структурными слоями, гдеFigure 2 shows a section of a crystal in the region of the membrane with the main structural layers, where

4 - кремниевая подложка;4 - silicon substrate;

5 - SiO2;5 - SiO 2 ;

6 - Si3N4;6 - Si 3 N 4 ;

7 - магниторезисторы;7 - magnetoresistors;

8 - металлическая разводка;8 - metal wiring;

9 - пассивирующий диэлектрик.9 - passivating dielectric.

На фиг.3 изображена электрическая схема соединения магниточувствительных ячеек на основе магниторезистивных мостов Уитстона и n-МОП полевых транзисторов в матрицу размерностью N на М, гдеFigure 3 shows the electrical connection diagram of magnetically sensitive cells based on the Wheatstone magnetoresistive bridges and n-MOS field-effect transistors in a matrix of dimension N by M, where

10 - входы, соответствующие номерам строк (1…N);10 - inputs corresponding to line numbers (1 ... N);

11 - входы, соответствующие номерам столбцов (1…М);11 - inputs corresponding to the column numbers (1 ... M);

12 - магниторезистивные мосты Rmij;12 - magnetoresistive bridges Rm ij ;

13 - n-МОП транзисторы;13 - n-MOS transistors;

14 - диоды;14 - diodes;

15 - нагрузочные резисторы;15 - load resistors;

16 - выходы схемы;16 - circuit outputs;

17 - питание.17 - nutrition.

Профилированный магниторезистивный микрочип работает следующим образом: путем внешних коммутаций с N+M входами биосенсорного устройства регистрации магнитных меток, подавая на них определенный двоичный код (применяемый в цифровых микросхемах), включается только одна из всего массива чувствительная ячейка, и происходит считывание информации с выходов схемы. Данная информация может быть переведена с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код и в дальнейшем записана в ячейку запоминающего устройства, соответствующую опрошенной чувствительной ячейке. Подавая на входы все возможные комбинации двоичных кодов для опроса массива ячеек, происходит последовательное определение наличия или отсутствия магнитных меток в областях матрицы биосенсорного устройства.A profiled magnetoresistive microchip works as follows: by external switching with N + M inputs of a biosensor device for recording magnetic marks, applying a certain binary code to them (used in digital microcircuits), only one sensitive cell is turned on, and information is read from the outputs of the circuit . This information can be converted using an analog-to-digital converter into a digital code and subsequently recorded in a memory cell corresponding to the polled sensitive cell. Submitting to the inputs all possible combinations of binary codes for polling an array of cells, the presence or absence of magnetic marks in the matrix areas of the biosensor device is sequentially determined.

Пример конкретного выполненияConcrete example

Для выбора элемента массива Rmij необходимо на i-ю строку подать логическую "1", при этом на всех остальных входах соответствующих строк должны быть логические "0", а на j-й столбец "0" при "1" на всех остальных столбцах. Таким образом, для того чтобы в массиве 3×3 выбрать элемент А12, необходимо на входы подать цифровой код вида "100 101", где первые три разряда определяют состояние строк, а последние - состояние столбцов.To select an element of the array Rm ij, it is necessary to feed logical “1” to the ith row, while all other inputs of the corresponding rows must have logical “0”, and to the jth column “0” with “1” on all other columns . Thus, in order to select the A 12 element in a 3 × 3 array, it is necessary to apply a digital code of the form “100 101” to the inputs, where the first three digits determine the state of the rows, and the last ones determine the state of the columns.

Преимущество данного профилированного магниторезистивного микрочипа состоит в том, что опрос элементов массива осуществляется с помощью выборки, при которой сигнал подается непосредственно на затвор n-МОП транзистора. Таким образом, транзисторы работают в режиме усиления выходного сигнала.The advantage of this profiled magnetoresistive microchip is that the interrogation of the array elements is carried out using a sample, in which the signal is fed directly to the gate of the n-MOS transistor. Thus, the transistors operate in the amplification mode of the output signal.

Источники информацииInformation sources

1. Патент на изобретение США 2010188075.1. US patent for 2010188075.

2. Патент на изобретение США 2006128035.2. US Patent 2006128035.

3. Патент на изобретение США 2010103720 - прототип.3. US patent 2010103720 is a prototype.

Claims (1)

Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства, представляющий собой массив магниточувствительных ячеек размерностью N на М, отличающийся тем, что он выполнен в виде кристалла кремния и содержит тонкопленочные магниторезисторы со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенные металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала. A profiled magnetoresistive microchip of a biosensor device, which is an array of magnetically sensitive cells of dimension N by M, characterized in that it is made in the form of a silicon crystal and contains thin-film magnetoresistors with a strictly fixed orientation relative to the surface and boundaries of the crystal and combined with metal wiring on the crystal so that it no more than N + M + 3 outputs are output for recording the presence of magnetic marks in samples of the biomaterial.
RU2011141077/28A 2011-10-11 2011-10-11 Shaped magnetoresistive microchip of biosensor device RU2478219C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011141077/28A RU2478219C1 (en) 2011-10-11 2011-10-11 Shaped magnetoresistive microchip of biosensor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011141077/28A RU2478219C1 (en) 2011-10-11 2011-10-11 Shaped magnetoresistive microchip of biosensor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2478219C1 true RU2478219C1 (en) 2013-03-27

Family

ID=49151473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011141077/28A RU2478219C1 (en) 2011-10-11 2011-10-11 Shaped magnetoresistive microchip of biosensor device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2478219C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2053587C1 (en) * 1993-04-23 1996-01-27 Юрий Анатольевич Никольский Magnetoresistive element
US6352621B1 (en) * 1996-09-12 2002-03-05 Alps Electric Co., Ltd. Method of manufacturing film laminate having exchange anisotropic magnetic field
RU2303791C2 (en) * 2002-11-29 2007-07-27 Ямаха Корпорейшн Magnetic sensor and method for compensation depending from the temperature characteristic of a magnetic sensor
WO2009024922A2 (en) * 2007-08-22 2009-02-26 Koninklijke Philips Electronics N. V. Method of directing magnetic or magnetisable objects to prepare bio-sensor device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2053587C1 (en) * 1993-04-23 1996-01-27 Юрий Анатольевич Никольский Magnetoresistive element
US6352621B1 (en) * 1996-09-12 2002-03-05 Alps Electric Co., Ltd. Method of manufacturing film laminate having exchange anisotropic magnetic field
RU2303791C2 (en) * 2002-11-29 2007-07-27 Ямаха Корпорейшн Magnetic sensor and method for compensation depending from the temperature characteristic of a magnetic sensor
WO2009024922A2 (en) * 2007-08-22 2009-02-26 Koninklijke Philips Electronics N. V. Method of directing magnetic or magnetisable objects to prepare bio-sensor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cardoso et al. Challenges and trends in magnetic sensor integration with microfluidics for biomedical applications
US11008611B2 (en) Double gate ion sensitive field effect transistor
US10494670B2 (en) Graphene FET devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids
US10060880B2 (en) Magnetoresistive (MR) sensors employing dual MR devices for differential MR sensing
JP4399211B2 (en) Biosensor
Barbaro et al. A charge-modulated FET for detection of biomolecular processes: conception, modeling, and simulation
US7943394B2 (en) Method and device for high sensitivity detection of the presence of DNA and other probes
Becker et al. A new dimension for magnetosensitive e-skins: active matrix integrated micro-origami sensor arrays
US10837953B2 (en) Sensor
US20160178569A1 (en) Chemically-Sensitive Field Effect Transistor
US8384136B2 (en) Demultiplexed nanowire sensor array for detection of chemical and biological species
Skucha et al. Design considerations for CMOS-integrated Hall-effect magnetic bead detectors for biosensor applications
JP6154011B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20160018477A1 (en) Magnetic field sensor
KR101181697B1 (en) Cross type magnetic array sensors for biomolecules magnetic bead detection
RU2478219C1 (en) Shaped magnetoresistive microchip of biosensor device
CN105593675B (en) Biomolecule measuring device
CN111521662A (en) Sensing chip and manufacturing method thereof
Al-Ahdal et al. ISFET-based chemical switch
KR101193986B1 (en) Field effect transistor sensor array
Sbierski et al. Shear piezoresistance in MOSFET devices under general operating conditions
CN117736857A (en) Digital PCR chip, nucleic acid quantitative detection device, system and method
KR100506065B1 (en) Magnetic hole detecting sensor and sensing cell array using the same
de Almeida et al. On the modeling of new tunnel junction magnetoresistive biosensors
Liang et al. Short Commentary-Giant Magnetoresistance-Based Biosensors for Next Generation High throughput

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161012

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20170808

PD4A Correction of name of patent owner