感测磁性粒子的磁传感器设备和方法

专利名称：感测磁性粒子的磁传感器设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于感测磁性粒子的磁传感器设备。 本发明还涉及感测》兹性粒子的方法。
背景技术：
生物传感器可以是用于检测分析物的设备，其将生物成分和生化或 物理检测器部件相结合。
磁生物传感器可以使用巨磁电阻效应(GMR)以便检测磁性或者利 用石兹珠标记的生物分子。
在下文中，将解释可以使用巨磁电阻效应的生物传感器。
WO2005/010542公开了使用集成或片上磁传感器元件;险测或确定 磁性粒子的存在。该设备可以用于在微阵列或生物芯片上结合(bind) 生物分子的》兹一全测。特别地，WO2005/010542公开了一种用于确定至少 一个磁性粒子的存在的磁传感器设备，并且包括衬底上的磁传感器元 件、用于产生AC磁场的磁场发生器、传感器电路，该传感器电路包括用 于感测所述至少一个磁性粒子的石兹特性的磁传感器元件，所述磁特性与 AC磁场有关，其中所述磁场发生器集成到衬底上并且被设置成以1 OOHz 或1 OOHz以上的频率工作。
US2004/0033627公开了检测感兴趣物质，其借助于使用磁珠和易于 制造的电路来检测化学制品和/或感兴趣物质。
WO2006/042839/^开了 一种用于通过4吏用》兹阻传感器测量磁场的 设备，其包括至少一个磁阻传感器、用于测量该磁阻传感器的电阻的模 块、用于在包含所述磁阻传感器的空间中产生附加磁场的发生器模块以 及控制单元，该控制单元首先用于选择性地控制所述发生器模块施加具 有第 一值的附加磁场脉沖，其次用于通过所述用于测量电阻的模块选择 性地控制所述磁阻传感器的电阻的测量，所述第 一值具有正或负的第一 极性以及足以使所述磁阻传感器饱和的幅值。
WO2006/059268/^开了 一种用于4交准衬底上的》兹传感器的 递函 数的方法，在所述传感器中，可磁化物体的存在可以通过磁场发生器发出的磁场磁化这些物体来检测，并且其中将所述传递函数限定为从用于 产生磁场的电输入信号通过磁化时所述物体辐射的磁杂散场传递到所
述传感器发出的电输出信号，该方法包括步骤将样本流体放置在衬底 上，该样本流体包括可磁化物体；将这些可磁化物体的部分吸引到所述 传感器；激活电输入信号，从而产生磁场；测量作为电输入信号的响应 的电输出信号；以及根据所述电输入和输出信号计算传递函数。
然而，在不希望的情况下，测量结果的足够精度可能仍然是个问题。

发明内容
本发明的目的是提供鲁棒的传感器读出拓朴结构。
为了实现上面限定的目的，提供了依照独立权利要求的用于感测磁 性粒子的磁传感器设备以及感测磁性粒子的方法。
依照本发明的一个示例性实施例，提供了用于感测磁性粒子的磁传 感器设备，该磁传感器设备包括第一磁场发生器单元，其可激励(通 过诸如电流信号之类的电信号)用于产生第一磁场；感测单元，其适于 感测指示第一磁场中磁性粒子的存在的信号；第二磁场发生器单元，其 适于产生(选择性地)影响感测单元的第二磁场(该第二磁场不同于第 一磁场)；以及处理电路，其适于处理所述信号以形成数字化信号并且 适于将该经过处理的(数字化)信号(通过反馈环)反馈到第二磁场发 生器单元(作为用于激励该第二磁场发生器单元的激励信号)。
依照本发明的另 一个示例性实施例，提供了感测磁性粒子的方法， 该方法包括激励用于产生第一磁场的第一磁场发生器单元；通过感测 单元感测指示第一磁场中磁性粒子的存在的信号；通过第二磁场发生器 单元产生影响感测单元的第二磁场；以及处理所述信号以形成数字化信 号并且将该经过处理的(数字化)信号反馈到第二磁场发生器单元。
在本申请的上下文中，术语"样本"特别地可以表示待分析的任何 固态、液态或气态物质或者其组合。例如，该物质可以是液体或悬浮物， 特别地还可以是生物物质。这种物质可以包括蛋白质、多肽、核酸、脂 质、碳水化合物或全细胞等等。
"衬底"可以由任何适当的材料制成，所述材料比如玻璃、塑料或 半导体。术语"衬底，，因而可以用来大体限定置于层或感兴趣部分之下 和/或之上的用于若干层的元件。此外，"衬底"可以是层形成于其上的任何其他基底(base),例如玻璃或金属层。
术语"磁性粒子，，可以表示具有磁性部分的任何分子，所述磁性部 分即顺；兹性部分、4失,兹部分或亚4失》兹部分。这种；兹性部分可以是特定分 子固有的，或者可以作为单独的标签或小珠(bead)附接到分子上，例 如附接到生物分子上。术语磁性粒子可以指实际的磁性粒子或者可磁化 粒子(其在外部施加的i兹场的影响下被》兹化)。
术语"感测单元"可以特别地表示传感器设备的一部分，在该部分 处发生或检测实际的传感器事件，例如由于样本中的粒子和附接到该传
理参数的修改。
依照本发明的 一个示例性实施例，可以提供具有附加的石兹场发生器 单元的磁生物传感器，所述附加的磁场发生器单元在保持待;险测的磁性 粒子(例如超顺磁性小珠)基本上不受影响(即它们不受影响，或者它 们受到影响，但是在小得多的程度上)的同时选择性地影响感测单元。 可以从处理电路(其可以包括S-A转换)的输出端提供反馈环给该附加 的磁场发生器单元，以便向后耦合所述经过处理的信号以依照当前检测 信号影响感测单元。因此，S-A A/D转换器的反馈环可以在》兹畴(magnetic domain)上延伸，从而对传感器增益变化不敏感。这种传感器设备对于 对传感器增益变化不敏感的低功率应用可能是鲁棒的、合适的，并且可 以在一步内提供数字输出信号。
依照本发明的 一个示例性实施例，可以提供反馈数字化输出信号的 磁生物传感器。这在单步内实现了从模拟输入到数字输出的信号处理通 路，同时具有克服或降低传感器增益变化的反馈环。与通过具有反馈但 是仍然具有模拟输出并且因而需要单独的A/D转换器以便在微处理器中 进一步处理数据之前进行数字化来克服或降低增益变化的双步方法形 成对照的是，本发明的实施例可能更加功率有效。
依照本发明的示例性实施例的拓朴结构可以合并反馈环和A/D转 换，这可以降低功耗，但是也可以有助于所述环内的小珠感应的信号的 简单解调(例如通过实现两个斩波器)，这由于得到的更高的过采样率 而大大地增强了i:-A ADC环的性能。此外，从^磁激励场到》兹感测单元的 串扰可以被所述环内的简单门控电路抑制。术语"门控"可以特别地暗 含串扰最强的时间间隔期间输入信号的重复临时断开，从而基本上忽略掉得到的错误信号值。
接下来，将解释所述磁传感器设备的另外的示例性实施例。然而， 这些实施例同样适用于感测磁性粒子的方法。
所述磁传感器设备可以包括适于激励第 一磁场发生器单元的电流
调制器。这种电流调制器可以将交变激励信号(AC)施加到第一磁场发 生器单元，例如第一金属化导线。该AC激励信号可以借助于斩波器简单 地产生，所述斩波器适于将DC (参考)信号转换成交变信号。
所述磁传感器设备可以包括Z-A模数转换器，其中所述处理电路是 该S-A模数转换器的 一部分。实现S-A ADC以便转换磁感测单元处的模拟 信号，可以通过使DAC驱动特定的参考导线而不是在电畴(electrical domain )中将其直接耦合到环路滤波器的输入端来使反馈环在^兹畴上延 伸。这可以抑制或者基本上消除传感器增益变化的影响。
所述处理电路可以包括适于将从感测单元接收的模拟信号转换成 数字信号的模数转换器单元。该处理电路还可以包括适于将数字信号转 换成要反馈给第二磁场发生器单元的模拟反馈信号的数模转换器。此 外，该处理电路可以包括连接在感测单元与所述模数转换器单元之间的 环路滤波器，特别是积分环路滤波器。通过这种体系结构，磁生物传感 器的输出信号向后耦合到反馈导线，这允许消除不希望的GMR灵敏度变 化。此外，可以通过实现门控来抑制或消除串扰。
所述第二磁场发生器单元可以被设置用于维持磁性粒子基本上不
受影响。通过同时显著地修改感测单元的特性，可以减少由灵敏度变化 而引起的赝象(artefact )。
所述处理电路可以包括连接在感测单元与环路滤波器之间的第一 斩波器。第二斩波器可以连接在模数转换器与数模转换器之间。通过这
种斩波器体系结构，可以获得多个混合器的同步操作，从而改善所述i:-a 环的操作。
物分子可以是蛋白质、DNA、基因、核酸、多肽、荷尔蒙、抗体等等。 因此，所述磁传感器设备可以适用作磁生物传感器设备，即适用作
工作在磁检观'J原理上的生物传感器设备。
可以将所迷磁传感器设备的至少一部分实现为单片集成电路UC)。
因此，所述磁传感器设备的部件可以单片集成到衬底上，例如集成到半导体衬底上，特别是集成到硅衬底上。然而，其他的半导体衬底也是可
行的，比如锗或者任何in族-v族半导体(比如砷化镓等等)。
所述磁传感器设备可以适于基于包括GMR、 AMR和TMR、霍尔 (Hall )等的组的效应感测磁性粒子。WO2005/010542或WO2005/010543 公开了若干利用巨磁电阻效应(GMR)的生物传感器的实例。因此，所 述传感器可以是基于检测传感器表面上或附近的粒子的磁特性的任何 适当的传感器，例如线圈、导线、磁阻传感器、磁致伸缩(magneto-strictive ) 传感器、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感器、SQUID、磁共 振传感器等等。
所述设备和方法可以与若干生化测定(assay)类型一起〗吏用，所述 测定类型例如结合/去结合测定、夹心式测定、竟争测定、置换测定、酶 测定等等。
除了分子测定之外，还可以;险测更大的部分，例如细力包、病毒，或 者细胞或病毒的小部分、组织提取物等等。
依照本发明实施例的设备、方法和系统适合用于传感器复用(即不 同传感器和传感器表面的并行使用)、标签复用(即不同类型的标签的 并行使用)以及室复用(即不同反应室的并行使用)。
本文描述的设备、方法和系统可以用作快速、鲁棒和易于使用的小 样本体积现场护理(point-of-care )生物传感器。所述反应室可以是要与 紧凑读取器一起使用的一次性物品。此外，依照本发明实施例的设备、 方法和系统可以用于自动化高通量测试。在这种情况下，所述反应室是 例如安装到自动化仪器中的孔板(well plate)或小容器(cuvette )。
实例是清楚明白的，并且将参照这些实施例的实例进行解释。


下面将参照实施例的实例更详细地描述本发明，但是本发明并不限
于这些实例。
图l示出了依照示例性实施例的^f兹传感器设备。
图2示出了基于GMR的包括捕获分子的磁生物传感器的原理。
图3为示出了生物传感器的电阻变化与外部磁场之间的相互关系的示图。图4示出了说明磁生物传感器的操作的电路图。 图5示出了显示磁生物传感器的适当工作点的示图。 图6示出了说明磁生物传感器的操作的电路图。 图7示出了显示磁生物传感器的适当工作点的示图。 图8示出了 2-A ADC体系结构。
图9、图10、图12-图14示出了依照本发明的示例性实施例的磁传感
器设备。
图11示出了显示检测信号的串扰和小珠信号影响的示图。
具体实施例方式
附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元件具 有相同的附图标记。
在第一实施例中，依照本发明的设备是生物传感器并且将参照图1 加以描述。该生物传感器检测诸如流体、液体、气体、粘弹性介质、凝 胶或组织样本之类的样本中的磁性粒子。这些磁性粒子可以具有小的尺 寸。纳米粒子指的是至少一维的范围在O.lnm与1000nm之间的粒子。 这些》兹性粒子由于所施加的磁场而可以获得;兹矩。
所述i殳备可以包括衬底IO和电路，例如集成电^各。
该设备的测量表面由图1中的虚线表示。所述电路可以包括作为传 感器元件的磁阻传感器11以及导体12形式的第一磁场发生器。在下文 中，术语传感器单元ll、传感器和传感器设备用作同义词。传感器单元 11可以是基于传感器表面上或附近要测量的粒子的磁特'性的检观'J的任 何适当的传感器单元ll。因此，^兹传感器单元11可设计为线圈、磁阻 传感器、磁致伸缩传感器、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感 器、SQUID (半导体超导量子干涉器件)、磁共振传感器或者可设计为 另一由》兹场致动的传感器。》兹阻传感器单元11可以例如为GMR、 AMR 或者TMR型传感器。磁阻传感器单元11可以例如具有伸长的(例如长 而窄的)带形几何结构，但是并不限于该几何结构。传感器11和导体 12可以:帔定位成与导体1001形式的第二^兹场发生器纟皮此邻近。
在图1中，反馈导线1001被绘制在GMR元件11之下。反馈导线 1001特别地可以置于GMR 1001之上或者GMR 1001之下以产生强的平 面内磁分量。此外，可以应用顶部反々赍导线和底部反々赍导线的组合。在图1中，引入了坐标系统以表示如果所述传感器设备置于xy平 面内，那么传感器11主要检测磁场的x分量，即x方向是传感器ll的 敏感方向。图1中的箭头13表示表示依照本发明的磁阻传感器11的敏 感x方向。由于传感器11在与所述传感器设备的平面垂直的方向(在 该图中即竖直方向或z方向)几乎不敏感，因而由流经导体12的电流 引起的磁场14在缺乏磁性粒子15的情况下不被(或几乎不被)传感器 11 -险测到。
当磁性材料(这可以例如是磁性离子、分子、纳米粒子15、固体材 料或者具有磁性成分的流体)位于导体12的邻域内时，它形成其存在 由图1中的场线16表示的磁矩。该磁矩于是产生双极杂散场，其在传 感器11的位置处具有平面内^f兹场分量]7。因此，纳米粒子15将^兹场 14偏转到由箭头13表示的传感器11的敏感x方向。位于传感器11的 敏感x方向的》兹场的x分量Hx由传感器11感测，并且取决于》兹性纳米 粒子15的数量和导体电流Ic。
欲知类似传感器的 一般结构的另外的细节，请参见WO2005/010542 和WO2005/010543。
图1中的附图标记20表示协调感测单元11和^兹场发生器12的工
作模式并且向后耦合经过处理的数字输出信号作为第二磁场发生器 1001的输入信号的控制单元。
接下来，将解释有关磁性粒子的检测的某些总体方面，其可以用于 恰当地理解本发明的实施例。
磁阻生物芯片具有灵敏度、特异性、集成、易于使用和成本方面的 用于生物分子诊断的有趣特性。图2中绘出了具有集成的激励的这种生 物传感器的截面图。
该生物传感器基于固定到传感器表面上的捕获分子300与互补生物 分子301之间的杂化作用，所述生物分子301具有与其附接的磁珠15 标签。
导线12中流动的电流产生磁场，其使得一个或多个超顺磁小珠15 磁化。来自超顺磁小珠15的杂散场在GMR传感器单元11中引入平面
内磁化分量其导致电阻变化A/ GMA(/^,)。
然后，测量该电阻变化以便确定传感器表面附近存在的小珠15的数量。图3示出了示图400，其图解说明了作为GMR电阻(沿示图400
的纵坐标402绘出)与GMR叠层(stack )的敏感平面内的磁场//ejc,(沿
示图400的横坐标401绘出)的函数关系的实例的曲线403。
GMR灵敏度= ^邑不是恒定的，而是可能依赖于//ex,。
眠w
由于小珠15感应的磁场仏w非常低，因而在GMR 11中将仅仅发 生小的电阻变化。此外，GMR11产生相当数量的低频1/f噪声，其具有 磁性来源。为了允许信噪比单独由传感器元件11的热噪声本底(noise floor)决定，导线12中的激励电流通常在高于GMR 11的1/f噪声拐角 步页率(corner frequency ) fc的步页语中进行上调制(up-modulate )。
这示于图4以及图5所示的示图600中。
图4示出了磁传感器设备的电路并且还图解说明了上电位500和下 电位1009。该图还示出了激励电流源501、感测电流源502以及放大器 503。
示图600包括频率沿着其绘出的横坐标601并且包括感测信号沿着 其绘出的纵坐标602，参见曲线603。
由于电流导线12、引线(连接线(connection)，电线(flex))和 GMR传感器11之间的电容性和电感性耦合，在放大器503的输出端出 现小珠激励频率力下的强串扰信号。该信号与来自小珠15的磁信号一 致。
所述串扰信号的相位和幅度很大程度上取决于电路布局以及分布 的电阻和电容的值与电感耦合。通常，串扰相位出现在60和120度之间。
存在两种常规的处理该串扰信号的方法
第一种常规方法依赖于同步性，其中串扰信号由具有适当幅度和相 位的第二信号抵消，或者可替换地，希望的信号的检测在串扰信号的精 确过零处进行。
第二种常规方法是在第二频率&下调制经过GMR的电流，并且通 过将fi下的磁信号与f2下的感测电流相乘来利用GMR等效于混合器这 一事实。通过这种方式，电串扰和希望的磁信号在频域中分离，参见图 6以及图7所示的示图800。
示图800包括频率沿着其绘出的横坐标801并且包括感测信号沿着其绘出的纵坐标802，参见曲线803。图中还绘出了感测电流的频率804、 串扰的频率805以及磁频率806。
在滤波之后，需要对希望的磁信号进行放大和解调(例如幅度检 测)，通常执行模数转换过程，以便有助于在数字域进行测量的信号的 后处理。
然而，由于诸如以下外部因素的原因，GMR的灵每丈度仍然可能变
化
■夕卜部施力口的i兹场， -温度变化， -曝光量的变化， -处理展宽，以及 -老化。
这限制了所述传感器可实现的精度以及从而在GMR 11表面存在的 小珠15数量的估计。此外，当GMR灵敏度变化时，用于磁和电容串扰 的内部补偿技术可能失效。
GMR 11处的电串扰信号典型地为来自小珠15的希望的信号的 10000倍，这使得同步抵消或检测非常困难。即使抵消或检测信号与串 扰信号之间的最小的相移也会导致对串扰的不正确的抑制。串扰信号的 确切相位取决于所述传感器的物理布局以及所形成的电感器、电容器和 电阻器的值。这意味着它取决于像温度、曝光量那样的外部参数以及其 他(电或磁传导)物体的存在，这使得预测串扰信号的确切相位非常困 难。在实践中，这意味着必须依赖于相对复杂的自动校准环路。
在双频(frf2)系统的情况下，GMR电流在G下以尽可能大的幅度 进行调制以便增加灵敏度。低噪声前置放大器连接到GMR 11以便在 frf2和/或&+f2下检测希望的信号。没有适当的前置滤波时，灵敏的放 大器容易由f2下的强信号驱动至饱和，从而阻止了对希望的信号的正确 测量。这种前置滤波器难于集成，因为它需要大的面积以用于耦合电容 以及高带宽前置放大器丄后者归因于f2下的感测电流干扰可能是f广f2 和/或f!+f2下的希望的磁信号的1000000倍。为了利用简单的(例如一
阶)滤波器获得对于f2成分的充分的抑制，要求大的&和f2频率的分离。
这种技术的应用可以是可移动的(电池操作的)，这限制了总的可 用能量收支。通常，需要降低或最小化所述设备的功耗以便最大化电池的寿命。因此，希望在尽可能少的过程中达到模拟输入值(小珠的浓度) 的数字表示。其中将放大、检测和数字化合并成单个低功率拓朴结构的 解决方案相对于单独的功能的级联是优选的。 接下来，将解释本发明的示例性实施例。
基于以上考虑，本发明的实施例提供了不复杂且紧凑的体系结构，
其对GMR灵敏度变化和串扰不敏感，应用了无需前置滤波并且同时提 供输入信号的数字输出表示的单频率(&)测量技术。 本发明的实施例基于如图8所示的i:-A模数转换器。 基本的操作如下将;f莫拟输入信号900与DAC 901输出信号进行比 较，所述DAC901的输入取自整个转换器的数字输出903。将所有的差 值(误差)馈送到(通常为积分的)环路滤波器904,该环路滤波器在 感兴趣频带内为模拟输入信号900提供高的增益并且在其他频率下提供 低的增益。因此，在感兴趣频带内有效地抑制了量化器(ADC) 902的 量化噪声和任何非线性，同时将与这些误差关联的能量移到频带外的频 率。这种行为通常称为"噪声整形"。由于所述环路内的高增益，因而 i:-A转换器的频带内线性和噪声性能主要由反馈DAC 901的线性和噪声 决定，而在很大程度上容许量化器902的低性能。这是令人满意的，因 为具有良好性能的DAC 901与具有类似性能的ADC 902相比构造起来 要容易得多。
在下文中，将参照图9解释依照本发明的示例性实施例的磁传感器 "i殳备1000。
用于感测磁性粒子15的磁传感器设备1000包括可激励用于产生激 励磁珠的第一磁场的第一磁场发生器单元12。此外，提供了感测单元 11，其适于感测指示第一磁场中磁性粒子15的存在的信号。提供了第 二石兹场发生器单元1001并且其适于产生用于补偿磁珠感应的》兹场的第 二磁场(影响感测单元11 )。该补偿场不应当(或者仅仅最小地)影响
反馈给第二磁场发生器单元1001。提供了电流调制器1003并且其适于 激励第一磁场发生器单元12。
处理电路1002包括Z-A冲莫数转换器，其将在下文中进行更加详细的解释。
所述2-A转换器包括适于将模拟信号转换成数字信号的模数转换器1004。此外，提供了数模转换器1005并且其适于将数字信号转换成要 反馈给第二磁场发生器1001的模拟反馈信号。积分环路滤波器1006连 接在感测单元11与模数转换器1004之间。第二磁场发生器1001被设 置用于维持磁性粒子15基本上不受影响。
导线12也可以表示为激励导线，而导线1001也可以表示为反馈导线。
在设备1000的输出端1007处，提供了数字输出信号。时钟信号/c,。d 操纵ADC 1004。此外，4是供了电流源1008以操纵感测单元11。将信号 力馈送给电流调制器1003。
此外，将激励导线12和反馈导线1001的连接线连接到地电位1008。 在图10的实施例1100中，第一斩波器1101附加地连接在感测单 元11与环路滤波器1006之间，并且第二斩波器1102连接在模数转换 器1004与数模转换器1005之间。放大器1103连接在电流源1008与斩 波器1101之间。
应当将该反馈导线1001 (或参考导线)放置成使得其磁场正好在 GMR 11的敏感平面内具有强的分量，而另一方面尽可能小地激励小珠 15。 GMR 11的电输出信号将表示来自反馈导线12的磁场与小珠15感 应的磁场之和并且被馈送到环路滤波器H 1006的输入端。由于转换器 中的负反馈，GMR 11上的平均和信号将向零调节。换言之，反馈磁场 平均地4氏消了来自小珠15的》兹场。
这种体系结构的主要优点在于，零平均》兹场意味着GMR 11的实际 灵敏度(转换增益)基本上是不相关的。这解决了温度漂移、处理公差 等造成的问题。在i:-A转换器的情形中，可以强调措词"平均"，因为 DAC 1005的输出是经过量化的而不是连续的，从而总是阻止完全的抵 消。然而，如前所述，S-A ADC的噪声整形特性确保了在感兴趣频带中 具有良好的信噪比，这使得模拟调零反馈环路之后跟随AD转换器的双 步级联是多余的。
在生物传感器系统中，用于激励场的调制频率力比感兴趣频带高得 多，所述感兴趣频带置于力周围，并且通常只有数Hz宽。尽管有可能 让所述i:-A ADC将整个频带从DC转换到力并且在数字域中执行滤波和 解调，但这不是最经济的解决方案。所述S-A转换器将需要相对较高的 时钟频率以便具有充分的过采样(量化器时钟频率与输入带宽之比)，并且运行在高的时钟频率下的数字滤波器消耗相当多的功率。
在图10中，斩波器1101置于(积分)环路滤波器1006之前。斩 波器1101不加改变地或者倒相地将其输入信号传送到其输出端，这取 决于其数字输入值。如果斩波器1101由力下的时钟信号驱动，那么这 导致混频并且将力周围的感兴趣频带移到DC周围。
当提供斩波器1101时，反馈通路中另一斩波器1102是必要的，以 便将DC周围的输出信号调制回到力周围并且闭合该环路。反馈通路中 的斩波器1102优选地置于数字域中(在DAC 1005之前)，其中它可以 简单地由逻辑门形成。
前向通路中的模拟斩波器1101可以置于前置放大器A 1103之后， 以便降低其输入参考(input-inferred )失真和噪声贡献。当两个混合器 同步运行时，i:-A环路本身的行为不受影响，但是力周围的模拟输入信 号在转换器的数字输出频镨中出现在DC的周围，并且DC输入信号在 数字输出频谙中出现在/y的周围。
这种体系结构的优点在于，在一个过程中实现了解调和数字化。换 言之，所述数字输出信号是小珠15感应的力下的磁场幅度的直接度量。 现在，感兴趣带宽之外的任何噪声和寄生(spurious)信号可以在数字 域中通过简单的低通滤波器移除。此外，当与常规的S-A转换器相比较 时，该体系结构具有高得多的有效过采样率，因为其输出端的感兴趣频 带现在仅为从DC到数Hz。这允许低得多的时钟频率实现相同的性能， 其导致功率的大量降低。
因此，依照本发明的示例性实施例，可以利用两个斩波器修改常规 的S-A结构以获得好得多的功率比性能。这可以允许在相同的步骤中实 现小珠信号的解调。
当把激励场调制成方波时，利用串扰和感应的小珠信号的带宽差值 是非常简单的。尽管串扰在力下具有非常强的信号分量，但是GMRll 的低阻抗以及引起串扰的相对较小的电容和电感形成具有高的拐角频 率的高通滤波器。当在时域中观察GMR 11处的信号时，串扰显现为(小 的)小珠感应信号中的每个转变处的非常大而短的针状物，参见图11， 该图示出了串扰1200和小珠信号1201。
可以围绕每个串扰尖峰的出现短时间段地使得所述信号临时断开， 以便有效地忽略该尖峰期间前置放大器的错误(饱和)输出。该周期性的临时断开可以通过前置放大器1103与环路滤波器1006之间的斩波器 1101的简单修改来实现，或者通过与该斩波器1101串联的分开的开关 来实现。由于上面描述的2:-A转换器中的环路滤波器1006具有积分的性 质，因而它在其输入临时断开时将保持其最近的值。因此，只要该断开
相比于时钟周期是短的，那么所述i:-A转换器的操作就不被干扰。如果
前置放大器1103被设计成在所述临时断开时段(此后称为消隐时段) 内从过载情形中恢复，那么在GMR 11与前置放大器1103之间无需进 行频域滤波。这对于其中无源滤波器需要大的芯片面积的集成电路(IC ) 中的实现是非常有利的。此外，消隐大大地放松了对于系统中的激励场、 斩波器1101和斩波器1102之间的同步的要求，因为所有这些都可能在 相同的消隐时段内的某个时刻改变状态。所有这些单独的状态变化的效 果在消隐时段结束的确切的相同时间都可以为环路滤波器1006所察觉。 在下文中，将参照图12解释依照本发明的示例性实施例的》兹传感 器设备1300。图12的实施例涉及具有多位量化器和DAC的一阶环路滤 波器。
磁传感器设备1300包括斩波器1301以及实现图9的单元1003的 DC电流源1302。提供了第一放大器1303和第二放大器1304。与门(AND gate) 1305、 1306的输出才喿纵开关1307、 1308。
此外，提供了数字数据倒相器单元1309。同样地，示出了时钟信号 1310、用于操作斩波器1301的操作信号1311以及形成与门1305的输 入的消隐信号1312。此外，示出了电阻器1313和电容器1314。
在图12中，借助于差动(differential)斩波器1301和DC电流源 1302 h产生用于激励导线12的调制电流。斩波器1301是常见的构件 (building block)，其包括取决于数据输入端D的数字输入水平而将 XI和X2直接连接到Yl和Y2或者交叉耦合(XI耦合到Y2并且X2 耦合到Yl )的四个开关。通过利用频率为力的时钟信号驱动D输入端， 激励磁场为在力下调制的方波，其幅度由电流源I!和导线的物理布局决 定。
GMR 11处的信号由在正负相提供放大的信号的差动放大器1303 Al放大。放大器1303 Al的第二输入端连接到适当的DC电压，但是也 可以连接到GMR 11的差动设置。开关SI 1307在力的高相位期间闭合 并且开关S2 1308在^^目位期间闭合，以^更在前向通^各中在力下实现斩波。用于开关1307 Sl和1308 S2的驱动信号是通过逻辑门来馈送的， 该逻辑门将它们和消隐信号进行与操作，参见单元1305、 1306。这在串 扰尖峰期间实现了环路滤波器的临时断开。环路滤波器本身是围绕放大 器1304 A2构建的常见积分器。其输出信号由在/c,。^下运行的ADC 1004 量化。在这个实例中，/c/。^为2力，但是如果希望的话，它可以是任何其 他倍数。
由于反馈通路中的DAC 1005也是在/c/。^下被提供时钟信号的，因 而在/cz。a下将在GMR 11处出现串扰尖峰。附加的串扰尖峰在力下出现 (由激励导线12引起)，因而优选的是以整数作为/c,。^与力之比。通
过这种方式，消隐信号可以直接从/c,d导出，并且同时阻挡所有的串扰
尖峰。反馈通路中的斩波器是简单的数字功能块(digital block),其不 发生改变地或者倒相地通过数字值，这取决于力的状态。此外，取决于 所需的精度和动态范围，可以自由地选择量化器1004和DAC 1005的位数。
在下文中，将参照图13解释依照本发明的示例性实施例的磁传感 器设备1400。该实施例实现了具有一位量化器和DAC的一阶环路滤波器。
在图13的实施例中，所迷处理电路包括积分器1401、斩波器1402、 比4支器1403、触发器1404以及异或门(XORgate) 1405。除此之外， 还连接了电容器1406。提供了用于驱动斩波器1409、 1410的第一和第 二激励电流源1407、 1408。
在生物传感器平台的实现中，激励频率力为大约500kHz-lMHz。因 此，所述S-A转换器在至少lMHz-2MHz下被提供时钟信号。由于感兴趣 频带非常窄，因而这给出了非常高的过采样率。这意味着感兴趣频带内 的量化噪声被充分地抑制以便允许将ADC 1004和DAC 1005中的位数 降低至l,同时保持良好的噪声性能。现在，可以将反馈DAC 1005实 现为简单的斩波器1410,数字数据倒相器为逻辑异或门1405并且量化 器只是单个比较器1403和触发器1404。
差动前置放大器1303由具有差分电流输出的差动0TA1(运算跨导 放大器)1401代替。通过这种方式，可以由接地的简单电容器1406形 成积分器功能。此外，用来降低斩波器的输入参考噪声和失真的前置放 大器功能与所述Z-A转换器中的积分器级的放大器相结合，从而节省了功率。
在下文中，将参照图14解释依照本发明的示例性实施例的磁生物 传感器设备1500。该实施例包括具有一位量化器和DAC的更高阶环路 滤波器。
在图13之上，提供了附加的积分器单元1501。除此之外，提供了 放大器1502、 1503。
通过级联地添加积分器，可以增大环路滤波器的阶以便在感兴趣频 带内提供更高的增益并且从而进一 步改善动态范围，就像对于任何常规 的S-A转换器一样。为了确保反馈环路的稳定性，所述滤波器必须在该 环路的单位增益频率周围表现出一阶行为。若干降低更高频率下所述滤
波器的阶的解决方案是已知的。 一种方法是形成从每个积分器的输出端 到转换器的输入端的反馈通路，另 一种方法是建立从每个积分器的输出 端到量化器的输入端的前馈通路。这两种技术都可以用在该转换器中。 图14示出了二阶环路滤波器的实例，其前馈系数为A！以实现在半采样 频率周围的一阶行为。
最后，所有描述的实施例都显示了时间连续的环路滤波器，但是也 可以实现一个或所有积分器级的开关式电容器实现。
应当指出的是，措词"包括"并没有排除其他的元件或特征，并且 "一，，或"一个"并没有排除复数。此外，可以对结合不同实施例描述 的元件进行组合。
还应当指出的是，权利要求书中的附图标记不应当被视为限制了权 利要求书的范围。
权利要求
1.一种用于感测磁性粒子(15)的磁传感器设备(1000)，该磁传感器设备(1000)包括第一磁场发生器单元(12)，其可激励用于产生第一磁场；感测单元(11)，其适于感测指示第一磁场中磁性粒子(15)的存在的信号；第二磁场发生器单元(1001)，其适于产生影响感测单元(11)的第二磁场；处理电路(1002)，其适于处理所述信号以形成数字化信号并且适于将该经过处理的信号反馈到第二磁场发生器单元(1001)。
2. 权利要求l的磁传感器设备(1000),包括适于激励第一磁场发生器单元(12)的电流调制器(1003 )。
3. 权利要求1的》兹传感器设备(1000),包括S-A模数转换器，其中处理电路(1002 )是该S-A模数转换器的 一部分。
4. 权利要求l的磁传感器设备(1000),其中处理电路(1002 )包括模数转换器(1004 ),该模数转换器适 于将是模拟信号的信号转换成数字信号。
5. 权利要求4的；兹传感器设备(1000),其中处理电路(1002 )包括数模转换器(1005 ),该数模转换器适 于将数字信号转换成要反馈给第二磁场发生器单元(1001)的模拟反馈 信号。
6. 权利要求4的磁传感器设备(1000),其中处理电路(1002 )包括连接在感测单元(11)与模数转换器 (1004 )之间的环路滤波器(1006),特别是积分环路滤波器。
7. 权利要求l的磁传感器设备(1000),其中第二磁场发生器单元(1001)被设置用于维持磁性粒子(15) 基本上不受影响。
8. 权利要求6的；兹传感器设备(1000),其中处理电路(1002 )包括连接在感测单元(11)与环路滤波器 (1006 )之间的第一斩波器(1101 )。
9. 权利要求5的磁传感器设备(1000),其中处理电路(1002)包括连接在模数转换器(1004)与数模转换 器(1005 )之间的第二斩波器(1102)。
10. 权利要求l的磁传感器设备(1000),其中感测单元(11)适于基于巨磁电阻效应来感测磁性粒子(15)。
11. 权利要求l的磁传感器设备(1000), 其中感测单元(11 )适于定量地感测磁性粒子(15 )。
12. 权利要求l的磁传感器设备(1000)， 适于感观'J附接到生物分子的磁珠。
13. 权利要求l的磁传感器设备(1000)， 适用作磁生物传感器设备。
14. 权利要求l的磁传感器设备(1000),其中该磁传感器设备(1000)的至少一部分被实现为单片集成电路。
15. 权利要求l的磁传感器设备(1000)，其中处理电路(1002)适于数字化模拟信号并且适于反馈该数字化信号。
16. —种感测》兹性粒子(15)的方法，该方法包"fe: 激励用于产生第一磁场的第一磁场发生器单元(12); 通过感测单元(11 )感测指示第一磁场中磁性粒子(15)的存在的信号；通过第二磁场发生器单元(1001 )产生影响感测单元(11 )的第二 磁场；处理所述信号以形成数字化信号并且将该经过处理的信号反馈到 第二磁场发生器单元(1001 )。
全文摘要
用于感测磁性粒子(15)的磁传感器设备(1000)，该磁传感器设备(1000)包括第一磁场发生器单元(12)，其可激励用于产生第一磁场；感测单元(11)，其适于感测指示第一磁场中磁性粒子(15)的存在的信号；第二磁场发生器单元(1001)，其适于产生影响感测单元(11)的第二磁场；以及处理电路(1002)，其适于处理所述信号以形成数字化信号并且适于将该经过处理的信号反馈到第二磁场发生器单元(1001)。
文档编号G01N33/543GK101611316SQ200880003958
公开日2009年12月23日 申请日期2008年1月28日 优先权日2007年2月1日
发明者H·杜里克, J·A·T·M·范登霍姆伯格, J·J·A·托尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司