具有检测单元对的磁性传感器装置的制作方法

专利名称：具有检测单元对的磁性传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测磁化颗粒的磁性传感器装置，其包括具 有磁场发生器和磁性传感器元件的检测单元对。此外，本发明涉及这 种磁性传感器装置的应用。
背景技术：
从WO 2005/010543 Al和WO 2005/010542 A2已知一种磁性传感 器装置，其例如可以在微流体生物传感器中用于检测标记有磁珠的目 标分子，例如生物分子。该微传感器装置配置有检测单元阵列，检测 单元阵列包括用于产生磁激励场的引线以及用于检测由磁化固定珠产 生的磁反应场的巨磁阻(GMR)。 GMR的信号(电阻变化)则表示传 感器附近的珠的数目。
当要测量极低浓度的目标分子时和/或当要最小化测量时间时，对 于前述类型的磁性传感器装置而言，关键是要最大化信噪比。然而， 鉴于许多不同的干扰源，例如电源噪声、温度漂移、共模干扰、串扰 等，这项任务是困难的。

发明内容
基于这种情形，本发明的目的是提供一种用于更精确检测研究区 域中的磁化颗粒的方法，其中期望可以制作相关的磁性传感器装置而
无需复杂的制作步骤。
该目的通过如权利要求1所述的磁性传感器装置以及如权利要求 13所述的应用来实现。优选实施例在从属权利要求中y〉开。
根据本发明的磁性传感器装置将主要(但不是仅仅)用于检测研 究区域中的磁化颗粒，例如用于检测作为标签附着到设于样品室内样 品流体中的目标分子的磁珠。该磁性传感器装置包括如下部件。
a)"主检测单元"和"次检测单元"，其中措辞"主"和"次，，只是被选 择用于区分这些单元，且不应暗示它们之间必须有任何差异或等次。主和次检测单元中每一个包括下述部件
al)具有敏感方向的"磁性传感器元件"。
在上下文中，首先注意，下述措辞和定义将适用于通篇文字说明 从而描述几何对象之间的空间关系
-(几何)"线"笔直地沿一个或两个方向无限地或者有限地延伸， 且没有特定取向。
-"方向，，是具有取向的线，即，其从起点延伸到终点(其中这些 点可以是无穷远的)。方向在数学上可以描述成矢量。通常，方向具有 有限的延伸且形象化为箭头。
-如果两个线或方向相互之间处处距离相同，则称为"平行"。
-如果两个方向具有相同/相反的取向，或者更严格地，如果相关 矢量a、 L具有正/负的标量积且力，则称这两个方向为"取向相同，V"取 向相反"。取向相反的平行方向有时也称为"反平行"。
磁性传感器元件的"敏感方向"则指该传感器元件对于与所述空间 方向平行的磁场矢量的分量最敏感(或者仅对其敏感)。再者，如果这 些分量相对于该敏感方向是取向相同或取向相反的，则出现差。通常，
磁性传感器元件仅具有一个单敏感方向且对与该方向垂直的磁场分量 基本不敏感。
a2)"磁场发生器"，用于在(至少一部分)研究区域中产生"磁激 励场"，其中，如果磁化颗粒位于该研究区域中，则所述磁激励场可以 激^力这些颗粒的"磁反应场"。此外，磁化颗粒的所述磁反应场应具有 "交叉角"，其定义为反应场的矢量和位于相关磁性传感器元件的位置 处的相关磁性传感器元件的敏感方向之间的角度。在大多数情况下， 磁反应场平行(以及相同取向)或者反平行于相关磁性传感器元件的 敏感方向，意味着该交叉角分别为0°或180°。然而， 一般而言，该交 叉角可以是0至180°之间的任意值。
严格而言，磁反应场的取向不仅仅依赖于所应用的磁激励场，而 且还依赖于磁化颗粒的实际分布。为了交叉角的唯一定义，"磁反应场" 因此在本发明的上下文中总是指预定的代表性取向，例如指所有实际 可能的磁反应场的平均取向。
再者，上文定义的检测单元的部件xyz (磁性传感器元件、敏感方 向、磁场发生器、磁激励场、磁反应场、交叉角)在下文中有时分别称为"主部件xyz"或者"次部件xyz"，取决于其是主或次检测单元的成 员。"主磁性传感器元件"因此例如是"主检测单元的磁性传感器元件" 的缩写。
b) 控制单元，按照(如上文定义的)相关交叉角互不相同的方式 控制主和次检测单元的磁场发生器。
c) 评估单元，用于感测主和次检测单元的磁性传感器元件的输出 信号的差。该评估单元和控制单元可以实施为与检测单元在同一微电 子芯片上的电路，或者可以(至少部分)在该芯片外部实现。
所述磁性传感器装置实现高的信噪比，因为评估单元感测两个测 量信号之间的差，这意味着类似地影响两个磁性传感器元件的干扰(例 如，电源噪声、温度漂移、共模干扰、串扰)将相互抵消。但是避免 了期望测量信号即在磁化颗粒内激励的磁反应场的幅值的抵消。这是 因为这样的事实，根据特征a2)，被激励的反应场在主和次磁性传感器 元件中具有不同的交叉角，且因此产生不同的测量结果。
根据本发明的优选实施例，主和次检测单元具有大致上相同的设 计(即，它们包含相同尺寸及相对布置的相同材料/部件)。这种相同构 造保证了干扰将类似地影响两个检测单元且因此将在输出信号的差中
(几乎)完全抵消。
一般而言，主和次磁激励场在研究区域中可以或多或少地交叠。 不过，在优选实施例中，主和次磁场发生器布置成使得主和次磁场发 生器的磁激励场在该研究区域的不同部分占主导(即，在所述部分贡 献至少70%的磁场强度)。更优选地，主和次磁场发生器的磁激励场基 本上无交叠，这最小化了主和次检测单元之间的相关串扰。
一般情形中，在主和/或次磁性传感器元件的位置，(由磁化颗粒产 生的)主和次磁反应场之间也可以交叠。不过，优选的是，主和次磁 性传感器元件布置成分别主要由主或次磁反应场到达。理想地，主磁 反应场将仅到达相关的主磁性传感器元件，次磁反应场将仅到达相关 的次磁性传感器元件。这种情况下，主和次检测单元之间的磁性串扰 可以显著减小。与前述实施例组合，即，如果主和次磁激励场也不交 叠，这当然实现了串扰的最小化。
该(主和/或次)磁场发生器例如可以由至少一条导线来实现。在 典型实施例中，其将通过一对两条平行延伸引线来实现。该(主和/或次)磁性传感器元件具体可包括霍尔传感器，其中该 传感器的敏感方向由流过磁性传感器元件的电流方向决定。两个相同 的平行的霍尔传感器，例如在反平行电流传导经过它们时，将产生相
反极性的信号。该(主和/或次)磁性传感器元件也可包括类似GMR (巨磁阻)、TMR (隧道磁阻)或AMR (各向异性磁阻)元件的磁阻 元件，其中GMR元件的敏感方向例如由其钉扎层(pinned layer)决 定。再者，例如使用CMOS技术以及用于在CMOS电路顶部上实现磁 阻元件的额外步骤，该磁场发生器和磁性传感器元件可以实现成为集 成电路。所述集成电路可选地还可包括该磁性传感器装置的控制单元 和/或评估单元。
虽然主和次敏感方向一般可以在空间中任意定位，不过优选地， 它们是平行的且取向相同。尽管将相邻GMR制成为具有反平行敏感方 向的磁性传感器元件在原理上已知(参考WO 2004/109725 Al)，不过 如果微芯片上的磁性传感器元件都具有相同敏感方向，则更为容易。 尽管是取向相同的敏感方向，但通过应用不同磁激励场，可以在所提 出的磁性传感器装置中获得感兴趣信号的(即，磁反应场的)不同效 果。
在本发明的优选实施例中，该控制单元调适为分别供应大小相同 方向相反的电流到主和次磁场发生器。假设磁场发生器是微芯片上的 平行导线，则该方向相反的电流将产生旋转方向相反的磁激励场，结 果在磁化颗粒中感应取向相反的磁反应场。因此这些反应场分别与主 和次敏感方向之间的交叉角相差180°，形成主和次磁性传感器元件的 输出信号之间的最大差。
该磁性传感器装置可(且通常将)包括不止一对主和次检测单元。
在具有多对主和次检测单元的这种磁性传感器装置的优选实施例中， 若干(可选地，所有)检测单元的磁性传感器元件连接到公用线，例 如连接到地。这样，互连的数目可以显著减少。
在本发明另一重要实施例中，磁性传感器装置包括第二对主和次 检测单元，其中所有四个检测单元的磁性传感器元件连接成惠斯通电
桥。对于磁性传感器元件由(磁)电阻实现的情形，惠斯通电桥允许 任何电阻变化的非常灵敏的检测，同时类似温度漂移的干扰被最佳地 抑制。在前述实施例的另外变型例中，惠斯通电桥的所有磁性传感器元 件的敏感方向相互平行且取向相同。如前文已经描述，这实现了最简 单的制作而无需附加制作步骤。
在惠斯通电桥实施例的再一变型例中，串联连接的两个磁性传感
器元件的交叉角(如上文定义，磁反应场和敏感方向之间)相差约180°, 作用于这些磁性传感器元件上的磁反应场因此具有相反效果，例如增 大一个磁性传感器元件的电阻并减小另 一个磁性传感器元件的电阻. 磁性传感器元件之间的电压因此将被这两个磁性传感器元件沿相同方 向偏移。优选地，在惠斯通电桥的两个分支中实现具有相反符号的提 议设计。在第一分支的两个磁性传感器元件之间的节点处的电压下降， 伴随的是在另一分支的磁性传感器元件之间的节点处的电压上升，且 反之亦然，得到这两个节点之间的最大电压差。
本发明还涉及如上所述的微电子磁性传感器装置在分子诊断、生 物样品分析和/或化学样品分析，特别是小分子检测中的应用。分子诊 断例如可以借助于直接或间接附着到目标分子的磁珠来达成。


本发明的这些和其它方面将参考下述(多个)实施例而显见并得 以阐述。这些实施例将借助附图而示例性地予以描述，附图中
图1示意性示出本发明磁性传感器装置的主检测单元和次检测单
元；
图2说明磁反应场和磁性传感器元件敏感方向之间的交叉角； 图3示意性示出连接为全惠斯通电桥的两对主检测单元和次检测 单元；
图4示意性示出连接为半惠斯通电桥的一对主检测单元和次检测
单元；以及
图5示出图4实施例的变型例，其中两个半惠斯通电桥耦合到公 用线。
附图中相同的参考标号表示相同或相似的部件。
具体实施例方式
图l说明本发明的微电子磁性传感器装置100，其具体应用为用于检测研究区域(样品室2)中的磁性交互颗粒(例如超顺磁珠l)的生 物传感器。磁阻生物芯片或生物传感器在敏感度、特异度、 一体化、 使用方便和成本方面具有用于生物分子诊断的有前途的属性。这种生 物芯片的示例描述于WO 2003/054566 、 WO 2003/054523 、 WO 2005/010542 A2、 WO 2005/010543 Al和WO 2005/038911 Al,其通过 引用结合于本申请。
生物传感器通常由图1所示类型的(例如，IOO个)磁性传感器装 置100的阵列组成，且因此可以同时测量溶液(例如，血液或唾液) 中的多种不同目标分子(例如蛋白质、DNA、氨基酸、滥用药物)的 浓度。在所谓"夹心法(sandwich assay)"的结合方案的一种可能示例 中，这通过提供结合表面3来实现，该结合表面3具有目标分子可结 合的第一抗体。承载第二抗体的超顺磁珠1则可附着到该结合目标分 子。为了简化，仅珠l示于图中。
图1还示出设计大致上相同且在表面3下的衬底内实现的"主检 测单元"P和"次检测单元"S。检测单元P和S其中每一个分别包括 主激励引线11和次激励引线21 (用作磁场发生器)以及主GMR元件 12和次GMR元件22(用作磁性传感器元件)。在激及力引线11和21内 流动的电流将分別产生主磁激励场Bu和次磁激励场B21，这些场反过 来磁化超顺磁珠1。来自超顺磁珠1的主和次磁反应场B'u、 B'^最终 将分别在GMR12和22中引入面内磁化分量，这导致可测量的电阻变 化。
主GMR元件12和次GMR元件22连接到感测信号差A (通常是 主GMR元件12和次GMR元件22 ,皮施加了相同感测电流时GMR元 件上的压降的差)的组合的评估与控制单元40。
评估/控制单元40还连接到平行激励引线11和21以用于向其供应 激励电流。这些激励电流具有相同幅值且方向相反(即，反平行)，使 得所产生的磁激励场Bu和B^具有相反的旋转方向。结果，感应的磁 反应场B'u和B'M也具有相反的旋转方向。在所示示例中，这暗示着 主磁反应场B'u和主敏感方向Du之间的交叉角w为180°,而次反应 场B'n和次敏感方向022之间的交叉角012为0°。随着主GMR元件11 的电阻减小，次GMR元件22的电阻相应地增大，其中这些相反的效 果在输出差A中累加。
9图2包4舌有关主和次敏感方向012和022以及相关的主和次磁反应 场B'u和8'21的一般情形的主草图。尽管在图l的示例中这些敏感方 向平行且取向相同，不过它们一般可以具有任何空间取向。敏感方向 和相关的磁反应场之间的交叉角，例如主敏感方向Du和主磁反应场 B'u之间的交叉角on，于是定义为相关矢量之间的角度。为了能够分别观察主和次GMR元件中的主和次磁反应场的效果的差，现在要求主交叉角OH和次交叉角(图2中的(X2)不同。许多配置可以满足这个条件，例外的是如图中点线所示的次磁反应场B'21的 两个方向；这些方向是"禁止的"，因为它们将产生与主检测单元相同 的交叉角a2，。如果主和次交叉角之间差lon-a2l为最大值180。，正如图1的布置的 情形，则获得由主和次GMR元件产生的信号的最大展宽。这种优化可 以通过下述二者来实现，(i)平行敏感方向和反平行磁反应场(图1) 以及(ii)反平行敏感方向和平行磁反应场。然而后一种选项由于难以 产生而不适宜。再者，反平行敏感方向具有这样的缺点在主和次检 测单元P、 S的区域内近似均匀的外部磁场感应测量信号，这些测量信 号在输出差中累加，而在图l的布置中相消。图3示出根据本发明的优选磁性传感器装置200的布局，其中两 个主检测单元P、 P，和两个次检测单元S、 S'布置成全惠斯通电桥。更 准确地"i兌，相关的GMR元件12、 22、 32和42连接为全惠斯通电桥。 评估/控制单元40可产生端子A和B之间的电压差，从而提供流过GMR 元件12、 22、 32、 42的偏置电流。端子C和D之间的差分传感器输出 信号A则随后被评估/控制单元40中的差分放大器拾取并进一步处理。 传感器输出信号A可以是差分电压或电流。激励引线11、 21、 31和41示为贴近相应GMR元件。评估/控制 单元40也可以提供流过激励引线11、 21、 31和41的激励电流，其中 为了简化而未完全示出相应的连接。此外，仅示出一条激励引线，而 通常每个检测单元中不止一条激励引线。电流经过激励引线ll、 21、 31和41,使得局部磁反应场(源于磁 性颗粒)排列成平行于相关GMR的钉扎层(这种情形对应于GMR 12 和42)或者与之反平行(GMR22、 32)。所示磁性传感器装置的优点包括-该装置对共模磁性干扰不敏感。-该装置的直流工作点对GMR元件12、 22、 32、 42的温度 变化不敏感。-端子A和B之间的电压差的温度变化、噪声、展宽等显现 为端子C和D两端的共模信号，并被评估/控制单元40内部的差 分放大器的共模抑制所抑制。-从激励引线到电桥的共模电容性和电感性串扰也被该差分 放大器抑制。图4示出作为前一实施例的调整例的磁性传感器装置300，其中仅 由一对主和次检测单元P和S实现半惠斯通电桥。评估/控制单元40 同样提供激励电流到激励引线11和21。此外，评估/控制单元40经由 位于一侧的端子A和B以及位于另 一侧的端子C提供流过GMR元件 12、 22的偏置电流。在端子A和B获得差分输出信号A。该差分输出 信号可以是差分电压或电流。本实施例的附加优点是与全惠斯通电桥相比，需要更少的传感器 元件和互连。图5示出作为前一实施例的变型例的磁性传感器装置400，其包括 具有更少互连的半惠斯通电桥。与图4比较，提供了两个(可能许多 个中的)半惠斯通电桥，这些半惠斯通电桥均使用公共节点C，例如 衬底(接地)。这样，多个传感器单元共享同一端子C，这使得评估/ 控制单元40的互连更少。已经提到，所述的实施例具有所有GMR元件的敏感方向可以相同 的优点。在传感器装置的微制作之后，所有GMR元件的钉扎层将具有 相同的取向。因此，如果两个GMR元件的某些钉扎层反转(例如，图 3的惠斯通电桥中GMR元件22和32的层)，则需要附加的后处理步 骤。实现这种反转的技术涉及在紧贴传感器表面上方应用硬磁"图章" 并对其加热，从而对钉扎层的方向(钉扎层的方向自该图章复制)进 行局部再编程。另 一种4支术基于流过用于局部加热GMR元件的电流脉 冲的受控应用以及外部磁场的同时应用(参照WO 2004/109725 Al )。 两种技术在制作工艺中都需要附加步骤，这些附加步骤或者涉及精确 机械对准或者涉及应用高电流和相关的高电压，该高电压远高于例如 标准CMOS工艺的击穿电压。此外，对钉扎层取向的再编程会导致产ii生额外磁畴并成为传感器不稳定的起因(巴克豪生噪声、基线膨爆噪 声)。尽管(相邻)GMR元件的敏感方向反转的前述实施例属于本发明 的范围，不过优选提供制作差分传感器而无需额外的工艺步骤且不将 传感器暴露于高温和大磁场的方法。上文所述的本发明的实施例具有 提供这种方法的具体优点。这些实施例基于反转传感器片段中磁激励 场方向的提议，而不是反转钉扎层取向。例如这可以通过激励电流的 反转实现，激励电流反转的效果是相关GMR元件表现出与磁性颗粒相 反的响应。因此可以建立全差分传感器操作。最后指出，在本申请中，措辞"包括"不排除存在其他元件或步骤， "一"或"一个"不排除存在多个，并且单个处理器或其他单元可以实现 若干装置的功能。本发明在于各个和每个新颖的特性特征以及特性特 征的各个和每个组合。此外，权利要求中的任何参考符号不应解读为 限制其范围。
权利要求
1. 一种用于检测研究区域(2)中的磁化颗粒(1)的磁性传感器装置(100，200，300，400)，包括a)主检测单元(P，P′)和次检测单元(S，S′)，每个所述主检测单元和次检测单元均包括a1)具有敏感方向(D12，D22)的磁性传感器元件(12，22，32，42)；a2)磁场发生器(11，21，31，41)，用于在所述研究区域(2)中产生可以激励磁化颗粒(1)的磁反应场(B′11，B′21)的磁激励场(B11，B21)，其中所述反应场在相关磁性传感器元件(12，22，32，42)中具有与所述磁性传感器元件的敏感方向(D12，D22)的交叉角(α1，α2)；b)控制单元(40)，用于按照相关交叉角(α1，α2)互不相同的方式控制主和次检测单元(P，P′，S，S′)的磁场发生器(11，21，31，41)；c)评估单元(40)，用于感测主和次检测单元(P，P′，S，S′)的磁性传感器元件(12，22，32，42)的输出信号的差(△)。
2. 如权利要求1所述的磁性传感器装置(100， 200， 300, 400)， 其特征在于，所述主检测单元(P， P')和所述次检测单元(S，S')具有相同的设计。
3. 如权利要求l所述的磁性传感器装置(100， 200， 300, 400)， 其特征在于，所述磁场发生器(11， 21， 31， 41)布置成使得所述磁场发生器的磁激励场(Bu, B21)在所述研究区域(2)的不同部 分占主导。
4. 如权利要求l所述的磁性传感器装置(100， 200， 300， 400)， 其特征在于，所述磁性传感器元件(12， 22， 32， 42)布置成使得所述磁性传感器元件主要由相关检测单元(P， P'， S， S')的磁反应 场(B'u， B'21)到达。
5. 如权利要求1所述的磁性传感器装置(100， 200， 300， 400)， 其特征在于，所述磁场发生器中至少一个磁场发生器包括至少一条导线(11， 21， 31， 41)。
6. 如权利要求l所述的磁性传感器装置(100， 200， 300， 400)， 其特征在于，所述磁性传感器元件中至少一个磁性传感器元件包括霍尔传感器或者类似GMR (12， 22， 32， 42)、 AMR或TMR元件的磁阻元件。
7. 如权利要求1所述的磁性传感器装置(100， 200， 300， 400)， 其特征在于，所述检测单元(P， P，， S， S')的敏感方向(D12，D22)平行且取向相同。
8. 如权利要求1所述的磁性传感器装置(100， 200, 300, 400)， 其特征在于，所述控制单元(40)调适为供应大小相同方向相反的电流到所述磁场发生器(11， 21， 31, 41)。
9. 如权利要求1所述的磁性传感器装置(400)， 其特征在于，所述磁性传感器装置包括多对主和次检测单元，其中所述检测单元的磁性传感器元件连接到公用线(C)。
10. 如权利要求l所述的磁性传感器装置(200)， 其特征在于，所述磁性传感器装置包括第二对主和次检测单元(P'，S')，其中四个检测单元(P， P', S， S')的磁性传感器元件(12， 22， 32, 42)连接成惠斯通电桥。
11. 如权利要求10所述的磁性传感器装置(200), 其特征在于，所有磁性传感器元件(12， 22， 32， 42)的敏感方向相互平行且取向相同。
12. 如权利要求10所述的磁性传感器装置(200)， 其特征在于，串联连接的磁性传感器元件(12, 32; 22， 42)中的交叉角相差约180°。
13. 如权利要求1所述的磁性传感器装置在分子诊断、生物样品 分析和/或化学样品分析，特别是小分子检测中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种具有主和次检测单元(P，S)的磁性传感器装置(100)，每个主和次检测单元均包括磁性传感器元件和磁场发生器。在优选实施例中，所述磁性传感器元件为具有相同敏感方向(D₁₂，D₂₂)的GMR元件(12，22)，且所述磁场发生器为平行引线(11，21)，所述引线由评估和控制单元(40)供应反平行的磁激励电流。磁激励电流产生具有相反旋转方向的磁激励场(B₁₁，B₂₁)，所述磁激励场反过来在设于研究区域(2)中的磁化颗粒(1)中感应方向相反的磁反应场(B′₁₁，B′₂₁)。所述磁反应场(B′₁₁，B′₂₁)因此对所述GMR元件产生相反效果，引起这些元件的输出信号之间的差(Δ)增大。在优选实施例中，四个检测单元布置成惠斯通电桥。
文档编号G01N33/543GK101523214SQ200780037821
公开日2009年9月2日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年10月9日
发明者H·杜里克, J·A·H·M·卡尔曼, P·G·布兰肯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司