專利名稱：具有交變激勵場的傳感器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括至少一個磁場發(fā)生器、至少一個相關(guān)聯(lián)的磁傳感 器元件以及相關(guān)聯(lián)的電源單元的磁傳感器設(shè)備。而且，本發(fā)明涉及這種磁 傳感器設(shè)備的使用以及一種用于檢測具有不同磁屬性的磁化粒子的方法。
背景技術(shù)：
WO 2005/010543 Al和WO 2005/010542 A2中公開了一種微傳感器設(shè)備， 舉例來講，其可以在用于檢測分子，例如用磁珠標(biāo)記的生物分子，的微流 體生物傳感器中得到使用。該微傳感器設(shè)備設(shè)置有傳感器陣列，其包括用 于產(chǎn)生交變正弦磁場的導(dǎo)線以及用于檢測由磁化的、固定不動的珠產(chǎn)生的 雜散場的巨磁阻(GMR)。然后，GMR的信號指示傳感器附近珠的數(shù)量。使用前述類型的磁傳感器設(shè)備進行測量的問題是，磁珠的磁屬性可能 會被分散，從而磁化珠的數(shù)量與磁響應(yīng)之間并不具有確定的關(guān)系。結(jié)果， 傳感器的精度會降低。發(fā)明內(nèi)容基于此種情況，本發(fā)明的目的在于提供一種用于精確檢測具有不同磁 屬性的磁性粒子的裝置。所述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備、根據(jù)權(quán)利要求22 所述的方法以及根據(jù)權(quán)利要求27的應(yīng)用來實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求中公開了優(yōu) 選的實施例。根據(jù)本發(fā)明的磁傳感器設(shè)備用于檢測磁化粒子并且包括以下組件 至少一個用于在臨近研究區(qū)域中產(chǎn)生磁激勵場的磁場發(fā)生器。例如，所述磁場發(fā)生器可以通過位于微傳感器襯底上的一條或多條導(dǎo)線實現(xiàn)。至少一個磁傳感器元件，用于記錄由所述磁化粒子反應(yīng)于(in reactionto)所述磁激勵場而產(chǎn)生的磁反應(yīng)場。所述磁傳感器元件可以具體是在WO2005/010543 Al或WO 2005/010542 A2中描述的磁阻類型元件，尤其是GMR、 TMR (隧穿磁阻)或AMR (各向異性磁阻)。也可以應(yīng)用其它類型的磁傳感器 元件。用于向所述磁場發(fā)生器提供激勵電流的"激勵電源單元"，所述電流在其頻譜上包括至少兩個譜分量。所述磁傳感器設(shè)備允許產(chǎn)生具有至少兩個譜分量的磁激勵場，并且因而能夠在其譜特性的兩個或者多個點處同時測量樣品。因此，所測量的傳 感器信號與使用簡單的直流或者正弦激勵場的測量相比包括更多的信息。根據(jù)本發(fā)明的進一步展開，所述磁傳感器設(shè)備包括評估單元(例如， 模擬或數(shù)字片上電路，或外部數(shù)字處理單元)，用于從所記錄的磁反應(yīng)場中 提取不同屬性的粒子的個體貢獻。實際上，例如由于不可避免的制造公差， 例如用作目標(biāo)分子標(biāo)記的磁性粒子在其磁屬性方面并非相同。然后，所述 評估單元允許將所觀測的磁反應(yīng)場分配給不同種類的粒子，并且因此允許 對當(dāng)前粒子的總數(shù)量做出更加精確的確定。當(dāng)任意地使用截然不同的磁性 粒子時，例如，用于不同地標(biāo)記截然不同類型的目標(biāo)分子，可以進一步開 發(fā)在總的磁響應(yīng)中粒子個體貢獻的分離。所述激勵電源單元可以通過不同的方式實現(xiàn)。根據(jù)一個實施例，其包 括至少兩個振蕩器，特別是用于直接產(chǎn)生兩個譜分量的正弦振蕩器。這里， 術(shù)語"振蕩器"在非常普遍的意義上是指在其輸出處產(chǎn)生交變的、優(yōu)選地 為周期性的信號(例如，電壓)的組件。在另外一個實現(xiàn)中，激勵電源單元適合于產(chǎn)生具有激勵頻率f,的方波 激勵電流，其中所述頻率描述了所述方波的周期。方波的優(yōu)點在于其包括 激勵基頻若干倍的譜分量并且因此類似地覆蓋了整個譜范圍。而且，使用 方波激勵場具有有趣的信號處理結(jié)果，這使集成電路(IC)的集成更加容 易。所述激勵電源單元尤其包括"激勵"環(huán)形調(diào)制器，"激勵"電流源(可 選的，但并非必須是恒流源)，以及"激勵"振蕩器，其中"激勵" 一詞應(yīng) 該表示屬于所述激勵電源單元的相應(yīng)組件。激勵電源單元向所述磁場發(fā)生 器提供具有激勵頻率f,的交變激勵電流，其中所述電流從所述激勵環(huán)形調(diào) 制器(之后將其簡寫為RM)的所述輸出流出，并且所述RM由所述激勵振蕩器控制且所述RM的輸入端與所述激勵電流源相耦合。所述環(huán)形調(diào)制器RM (或"斷路器")為信號轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換)和電信領(lǐng)域中公知的 一種電路，并且在標(biāo)準的電子學(xué)教科書中(例如，Tietze, Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik，， ， Springer Verlag， 第11版，第1.4. 5 章)有所描述。環(huán)形調(diào)制器具有接收處于某個輸入頻率的信號的輸入端， 接收處于某個控制頻率的控制信號的控制輸入端，以及提供輸出電流或輸 出電壓的輸出端，其中輸出信號是輸入信號和控制信號的混合，特別是其 乘積。借助使用環(huán)形調(diào)制器以產(chǎn)生激勵電流，所述磁傳感器設(shè)備能夠產(chǎn)生 不同屬性的磁激勵場，特別是以非正弦方式以某個激勵頻率進行周期性變 化的激勵場。根據(jù)前述實施例的一個進一步擴展，所述激勵電流源提供直流，并且 所述激勵振蕩器提供具有激勵頻率f'的方波作為控制信號。結(jié)果，所述激 勵RM的輸出處的激勵電流也將是具有所述激勵頻率的方波。所述激勵電源單元的所述設(shè)計也可以通過在所述傳感器側(cè)做出必要的 修正來實現(xiàn)。因而，所述磁傳感器設(shè)備可選地包括"傳感器電源單元"， 其用于向所述磁傳感器元件提供具有感測頻率f2的方波感測電流。而且，傳感器電源單元可以包括"感測"環(huán)形調(diào)制器，"感測"電流源 (可選的，但并非必須是恒流源)以及"感測"振蕩器，其中"感測"一 詞指的是屬于所述傳感器電源單元的相應(yīng)組件。所述傳感器電源單元向所 述磁傳感器元件提供具有感測頻率f2的交變感測電流，其中所述電流從所 述感測RM的所述輸出流出，并且其中所述RM由所述感測振蕩器控制，并 且其中所述RM的輸入與所述感測電流源相耦合。所述感測電流源可選地提供直流，并且所述感測振蕩器可以提供作為 控制信號的具有感測頻率的方波。結(jié)果，在所述感測RM的所述輸出處的所 述感測電流也將是方波。上述不同實施例中的激勵頻率t和感測頻率f2優(yōu)選地滿足如下關(guān)系 P/2*《./i±r./2，其中P、 q和r為任意的奇數(shù)。這種選擇具有的優(yōu)勢是， 避免了所述磁信號中來自所述感測頻率的諧波分量。所述激勵頻率t可選地大于所述感測頻率f2，其中f"f2的比值特別地 在10到1000之間的范圍內(nèi)。
在另外一個實施例中，選擇所述激勵頻率t和所述感測頻率f2為彼此接近，其中f"f2的比值特別地在0. 8到1. 2之間的范圍內(nèi)。所述激勵振蕩器和所述感測振蕩器優(yōu)選地由公共基準振蕩器驅(qū)動，以 使激勵頻率和感測頻率之間的相位漂移最小。根據(jù)本發(fā)明的一個進一步展開，所述磁傳感器設(shè)備包括至少一個解調(diào) 器，其(直接或者間接)耦合到所述磁傳感器元件并且由所述激勵頻率t、 所述感測頻率f2、或者所述激勵頻率f,和所述感測頻率f2的異或操作結(jié)果 來驅(qū)動。所述異或操作的使用與IC設(shè)計相結(jié)合特別有利。在前述實施例的一個特定實現(xiàn)中，所述磁傳感器設(shè)備包括由第一控制 信號控制的第一 "解調(diào)"RM (環(huán)形調(diào)制器)，所述信號由所述激勵振蕩器提 供，并且所述第一 "解調(diào)"RM (環(huán)形調(diào)制器)在其輸入處與所述磁傳感器 元件的所述輸出相耦合。所述第一解調(diào)RM允許對所述傳感器信號進行直接 解調(diào)而無須放大，以避免動態(tài)范圍問題。在前述實施例中，第一控制信號優(yōu)選地由所述激勵振蕩器的所述輸出 確定(即，所述第一控制信號與所述激勵RM的控制信號相同)?？蛇x地， 所述第一控制信號可以由所述激勵振蕩器和另外一個振蕩器，尤其是所述 感測振蕩器，的輸出之間的異或(X0R)操作確定。將參照附圖描述使用所 述兩種可選方法的不同處理電路的更多細節(jié)。第一解調(diào)器RM的普通效果是 在涉及磁激勵場的傳感器信號中分離分量。具有所述第一解調(diào)賜的所述磁傳感器設(shè)備優(yōu)選地包括在所述RM的所 述輸入側(cè)和/或所述輸出側(cè)處的高通濾波器或低通濾波器。借助這些濾波 器，可以從傳感器信號中移除不期望的信號分量。"在所述輸入側(cè)"應(yīng)用所 述高通濾波器的意思是在所述磁傳感器元件與所述第一解調(diào)RM之間的任意 位置插入濾波器，g卩，在此之間可能還有其它組件。類似地，在所述輸出 側(cè)的所述低通濾波器可以直接或間接地耦合到所述第一解調(diào)RM的所述輸出4山頓。具有所述第一解調(diào)RM的所述磁傳感器設(shè)備可以進一步包括在所述RM 的所述輸入側(cè)和/或所述輸出側(cè)處的放大器。所述放大器優(yōu)選地為低噪聲放 大器，以盡可能少地損害信號質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明的一個進一步擴展，所述磁傳感器設(shè)備包括由第二控制信 號控制的第二解調(diào)RM，所述控制信號由所述感測振蕩器提供，并且所述第 二解調(diào)RM在其輸入處(直接或者間接地)耦合到所述第一解調(diào)RM的所述 輸出。第二解調(diào)RM的應(yīng)用允許從所述預(yù)處理的傳感器信號中提取作為DC 分量的期望的測量信號。在前述實施例中，為了抑制不期望的信號分量，可以可選地在所述第 二解調(diào)RM的輸入側(cè)設(shè)置高通濾波器和/或在所述第二解調(diào)RM的輸出側(cè)設(shè)置 低通濾波器。根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，所述磁傳感器設(shè)備包括位于所述磁傳 感器元件和所述第一解調(diào)RM之間的第三RM，其中所述第三RM由所述感測 振蕩器控制。所述第三RM允許在對所述傳感器信號進行進一步處理之前移 除該信號中處于所述感測頻率處的所述大基帶分量。本發(fā)明進一步涉及一種用于檢測磁化粒子的方法，該方法包括以下步驟產(chǎn)生具有至少兩個譜分量的磁激勵場。所述激勵場特別地具有激勵頻 率為fi的方波特性(其中L描述了方波的周期，其導(dǎo)致頻譜中一系列的譜 分量)。記錄所述粒子反應(yīng)于所述磁激勵場而產(chǎn)生的隨時間變化的磁反應(yīng)場。在一個進一步擴展中，所述方法包括從所記錄的反應(yīng)場中提取不同屬 性的粒子的個體貢獻。通過應(yīng)用具有多于一個傅里葉頻率分量的磁激勵場，上述方法允許將 觀測到的磁反應(yīng)場分配給不同種類的粒子并且因此允許對當(dāng)前粒子的總數(shù) 量做出更加精確的確定。當(dāng)任意使用截然不同的磁性粒子時，例如，用于 不同地標(biāo)記截然不同類型的目標(biāo)分子，可以進一步開發(fā)在總的磁響應(yīng)中粒 子個體貢獻的分離。粒子個體貢獻的提取可以通過不同的方式實現(xiàn)。根據(jù)第一個可選情況， 基于所述粒子的公知譜行為，從所述反應(yīng)場的所述譜中提取所述個體貢獻。 按照另外一種方法，將描述特定粒子響應(yīng)的隨時間變化的模型函數(shù)擬合到 所記錄的反應(yīng)場，其中可以應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)中公知的不同擬合方法。特別地， 所述模型函數(shù)為采用衰減時間作為(一個)擬合參數(shù)的指數(shù)函數(shù)。本發(fā)明進一步涉及上述磁傳感器設(shè)備在分子診斷學(xué)、生物樣品分析或
化學(xué)樣品分析中的使用。例如，分子診斷學(xué)可以通過使用直接或間接附著 到目標(biāo)分子的磁性顆粒得以完成。


通過參考此后描述的實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將變得清楚并 得到說明。將借助所附的附圖來描述這些實施例，其中-圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的磁傳感器設(shè)備；圖2示出了激勵電流的方波及其頻譜；圖3示出了不同尺寸的三個磁性粒子的頻率響應(yīng)；圖4示出了在存在不同尺寸的磁珠時從GMR傳感器獲得的總的讀出信號 圖5示出了用于根據(jù)本發(fā)明的磁傳感器設(shè)備的處理電路的第一設(shè)計以 及不同階段中處理信號的頻譜；圖6示出了圖5的設(shè)計的修改，其中在處理組件之前插入高通濾波器;圖7示出了圖6的設(shè)計的修改，其中解調(diào)頻率由異或函數(shù)產(chǎn)生；圖8示出了圖6的設(shè)計的修改，其中使用第三RM以對原始傳感器信號 進行過濾；圖9示出了圖7的設(shè)計的修改，其中激勵頻率和感測頻率彼此接近。 附圖中相同的參考標(biāo)記代表相同或者相似的組件。
具體實施方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的微電子磁傳感器設(shè)備10，其作為生物傳感器 在檢測磁相互作用的粒子，例如樣品腔中的超順磁珠2， 2，，中有特別應(yīng) 用。在靈敏性、特異性、集成性、易用性和成本方面，磁阻生物芯片或生 物傳感器對于生物分子診斷學(xué)具很好前景。此種生物芯片的例子在W0 2003/054566、 W0 2003/054523、 W0 2005/010542 A2、 WO 2005/010543 Al 以及W0 2005/038911 Al中有所描述，這些通過引用被結(jié)合到本發(fā)明中。生物傳感器典型地由圖1中所示類型的傳感器設(shè)備10的陣列(例如 100)組成，并且因而可以同時測量溶液(例如血液或唾液)中大量不同的 目標(biāo)分子l， 1，(例如，蛋白質(zhì)、DNA、氨基酸、濫用的藥物)的濃度。在
一個可能的結(jié)合方案的例子中，所謂的"三明治化驗"，其通過提供具有其上結(jié)合有目標(biāo)分子i， r的第一抗體3， 3，的結(jié)合表面實現(xiàn)。隨后，攜帶第二抗體4，4'的超順磁珠2，2'可以附著到該結(jié)合的目標(biāo)分子l， 1'。 在傳感器10的激勵導(dǎo)線11和13中流動的電流產(chǎn)生磁場B，其隨后磁化該 超順磁珠2， 2，。來自超順磁珠2， 2'的雜散場B'在傳感器設(shè)備10的 GMR 12中引入面內(nèi)磁化分量，這會導(dǎo)致可測量的電阻變化。所述磁傳感器設(shè)備10可以是基于對該傳感器設(shè)備的表面上或其附近要 被測量的粒子的磁屬性的檢測的任意合適的傳感器設(shè)備10。因此，磁傳感 器設(shè)備10可以被設(shè)計為線圈、磁阻傳感器、磁限制(restrictive)傳感 器、霍爾傳感器、平面霍爾傳感器、磁通門傳感器、SQUID (半導(dǎo)體超導(dǎo)量 子干涉器件)、磁共振傳感器、GMR (巨磁阻)，或者其它由磁場致動的傳感 器。在所給出的例子中，磁傳感器設(shè)備10包括GMR (巨磁阻)。如圖l所示，具有不同屬性(例如，不同尺寸)的珠2， 2'可以經(jīng)由 分子4， 4'結(jié)合到不同的目標(biāo)分子l， 1'，所述目標(biāo)分子l， r在傳感器 設(shè)備的表面14上被鏈接到相同或不同的受體3， 3'。圖1進一步指出磁傳感器設(shè)備10的一個可能的分層結(jié)構(gòu)，其中，第一 底層A1包括信號處理裝置(未示出)。將由中間鈍化層A2分隔開的前述傳 感器組件11、 12、 13置于上層A3中。為了在降低不期望的帶寬限制寄生 組件的效果的同時實現(xiàn)高集成度，應(yīng)用將傳感器元件放置在信號處理裝置 之上的布局方式。如已經(jīng)提到的，所述生物傳感器芯片可以包括連接到信 號處理單元的多個傳感器設(shè)備以在同一芯片上實現(xiàn)多生物學(xué)測量。為了減 少芯片面積數(shù)量，這些傳感器設(shè)備可以經(jīng)由多路復(fù)用技術(shù)共用公共信號處 理部分。而且，為了降低能耗，信號處理單元可以按照時間序列模式工作。與所描述類型的磁傳感器設(shè)備相關(guān)聯(lián)的一個問題是，磁珠的磁屬性可 能會被分散，從而固定不動的珠的數(shù)量與磁響應(yīng)之間不具有確定的關(guān)系。 結(jié)果，傳感器的精度會降低。而且，通過使用具有不同生物學(xué)界面和不同 磁屬性的磁珠，在單個GMR傳感器上檢測多個不同的目標(biāo)分子是有利的。 因此，需要一種智能檢測機制以區(qū)別同一傳感器上不同顆粒的響應(yīng)。最后， 由于方波信號容易產(chǎn)生并且不需要復(fù)雜的濾波，在IC設(shè)計中，使用該方波 信號進行激勵、感測和解調(diào)是非常理想的。
解決前述問題的一般想法是應(yīng)用非正弦磁激勵場并且由所觀測的信號 計算單獨珠的響應(yīng)。這是基于如下認識珠的動態(tài)磁屬性，例如重磁化時間和Neel松弛時間，由于(i)處理公差和(ii)為多路復(fù)用技術(shù)而有意 應(yīng)用的差別而有所不同。在上面一般概念的第一特定實施例中，激勵導(dǎo)線ll， 13產(chǎn)生方波激勵 場B。由于珠2， 2，的不同動態(tài)屬性，會獲得復(fù)雜的讀出信號，該讀出信 號可以在頻率域內(nèi)進行分析。圖2表示具有周期性激勵頻率f,的相應(yīng)方波激勵電流L及其相關(guān)的傅 里葉頻譜I卩，該傅里葉頻譜在激勵頻率f,的奇數(shù)倍處包括諧波。圖3示意性示出了對于具有不同動態(tài)磁屬性的三組磁珠2， 2， ， 2"的 三條不同的頻率響應(yīng)曲線。如果這些珠2， 2' ， 2"的混合物暴露于根據(jù)圖 2的方波激勵場，則會產(chǎn)生復(fù)雜的頻譜，其為單獨的粒子響應(yīng)之和。由GMR 傳感器12獲得的總讀出信號示于圖4中。不同珠的個體貢獻由單獨的箭頭 指出。而且，將圖3的頻率響應(yīng)曲線插入到圖4中，如虛線所示，將每條 頻率響應(yīng)曲線置于另一條之上。在所示的特定例子中，每組珠2， 2' ， 2"的貢獻可以通過如下方式獲 得首先測量來自珠2"的響應(yīng)，珠2"產(chǎn)生最高頻率的信號成分。從讀出 信號只受珠2"影響的5t開始，可以計算珠2"的貢獻并且從剩余的讀出 信號中減去該珠2"的貢獻。然后，可以計算珠2'的響應(yīng)，等等。最后，獲得所有單獨珠的響應(yīng)。可以改變基頻t以實現(xiàn)每個珠類型的優(yōu)化激勵 (SNR)，例如，通過選擇更高的t以產(chǎn)生用于激勵更小珠的更多HF信號。用于分隔不同珠的貢獻的一個可選方法可以基于時域分析。在這種情況下，可以通過具有不同衰減時間的指數(shù)函數(shù)而將總響應(yīng)擬合為時間的函數(shù)，以在時域內(nèi)計算單獨的珠響應(yīng)?？梢栽谖墨I中找到例如最小二乘法的標(biāo)準算法，以將線性系數(shù)Ci和衰減時間di擬合到這一類型的所謂的超指數(shù)函數(shù)的線性組合中F (1)=》 0 =》辯(, (1)(參照，例如H. B. Nielsen, Separable NonLinear Least Squares. R印ort I賺EP-2000-01， D印artment of Mathematical Modelling,跪 (2000), http:〃雨2. i咖.dtu. dk/ hbn/publ/)。
例如，考慮給出的總信號y(t)的數(shù)據(jù)點(t" yi)，……(t ， y )，其 中所述信號應(yīng)該通過根據(jù)等式(1)的多個非線性函數(shù)fi(t)二exp(-t/d》的 線性組合F(t)重建。然后，所述算法的目的在于以某種方式找出參數(shù)Ci和 d,，從而根據(jù)某些標(biāo)準使在所述數(shù)據(jù)點上信號y(t)與近似值F(t)之間的誤 差E最小。例如，如果考慮均方誤差標(biāo)準，則誤差E將按照下式計算<formula>formula see original document page 15</formula>(2)可以應(yīng)用幾個己知的數(shù)學(xué)算法來解決該優(yōu)化問題。 一個例子是 Marquadt疊代或Levenberg-Marquardt方法。然而，使用一組具有不同衰 減時間的指數(shù)函數(shù)來擬合超指數(shù)函數(shù)的任意其它數(shù)學(xué)方法也是可能的。在圖5至圖9中示出了對于類似圖1的磁傳感器設(shè)備的處理電路不同 的優(yōu)選前端構(gòu)造。所有這些構(gòu)造使用環(huán)形調(diào)制器(斷路器)進行信號產(chǎn)生 和解調(diào)。所述環(huán)形解調(diào)器(縮寫為RM)在信號轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換) 以及電信領(lǐng)域是公知的。其意圖在于直接對GMR傳感器12的傳感器信號進 行解調(diào)而無須放大，以避免動態(tài)范圍問題，其中該概念的成功依賴于環(huán)形 解調(diào)器在噪聲、偏移和雜散分量方面的質(zhì)量。在圖5示出的第一特定構(gòu)造中，由"激勵RM" 22的輸出產(chǎn)生通過激勵 導(dǎo)線11， 13的激勵電流L，所述RM在其輸入側(cè)處耦合到DC電流源21并 且在其控制輸入處耦合具有頻率&的振蕩器41，其中RM22、電流源21以 及振蕩器41組成相應(yīng)的激勵電源單元。類似地，通過使用"感測RM" 24 在頻率f2處對DC電流源23進行斷路而產(chǎn)生通過GMR傳感器12的感測電流 12，所述頻率f2由感測振蕩器42產(chǎn)生，其中RM24、電流源23和振蕩器42 組成相應(yīng)的傳感器電源單元。原始GMR電壓u^的頻譜圖示于電路下面的圖 A中。其由頻率為/n./2、 1/;以及;1.乂±附./2的線構(gòu)成，其中m、 k為奇數(shù)。 此頻譜的分量附./2由方波傳感器電流12產(chǎn)生，其為靜態(tài)GMR電阻與傳感器 電流的乘積結(jié)果。分量h,(頻率為^的激勵電流及其奇數(shù)諧波)由于寄生 串?dāng)_(電容和電感)而存在于該點。所述磁信號作為所述信號的邊帶出現(xiàn)， 即，在*./;±附./2處。帶點的短箭頭指出解調(diào)頻率分量。還在"評估單元" 中進一步處理該GMR電壓u ，該"評估單元"包括示出在GMR傳感器12 右邊的組件，隨后將描述此組件更多的細節(jié)。
GMR電壓i^由振蕩器41 (或者具有頻率f,的另一振蕩器)控制的第一 解調(diào)RM 26進行第一次解調(diào)。該RM 26的輸出在圖B的頻譜中示出。由于 該第一解調(diào)步驟，h,周圍的線被移動到DC。 DC比作f,，并且1/2處的諧 波比作磁信號。然后，通過低通濾波器27和低噪聲放大器28發(fā)送RM 26的輸出，并 且最后由振蕩器42 (或者具有頻率f2的另一振蕩器)控制的第二解調(diào)RM 29 解調(diào)。第二RM29的最終輸出示于圖C中。通過在f2處應(yīng)用第二解調(diào)步驟， 圖B中t力處的諧波已經(jīng)被移動到DC。同時，圖B中的DC項己經(jīng)被移動到在f,和f2處的連續(xù)解調(diào)步驟之后，期望的磁信號因而在DC (圖C)處 出現(xiàn)，并且因此可以通過低通過濾該DC項而獲得該期望的磁信號?？蛇x地， 在第一解調(diào)賜26之前可以加入低噪聲放大器25 (虛線示出)。在一個可選的實施例中，在第二解調(diào)步驟之前設(shè)置高通濾波器30 (參 照圖5中的上部插入)，其從圖B中移除DC分量以避免在第二解調(diào)之后的 低通濾波。此情況下產(chǎn)生的輸出信號示于圖C'中。在圖6示出的第二類型的構(gòu)造中，高通濾波器(例如，電容器31與LNA 的輸入電阻形成第一級高通濾波器)被加入到對于傳感器信號11 的剩余處 理電路之前。因而，限制了前端的動態(tài)范圍，這使在解調(diào)之前進行放大成 為可能。在這種情況下，可以省略圖5中的低通濾波器27。然而，其它組 件與圖5中的相同，因此不再進行描述。在不同點A、 B、 C處處理的GMR 信號11 的頻譜示于電路之下的圖中?？梢允褂酶郊拥牡屯V波器(圖B中 的虛線)以在第二解調(diào)步驟之前移除HF分量。作為一種變型，可以再次在第二調(diào)制RM 29之前插入f2處的高通濾波 器30，該濾波器30在第一解調(diào)之后移除DC分量。如果將該高通濾波器與 前述附加的低通濾波器結(jié)合在一起，這會形成通過f2和諧波的帶通濾波器。圖7中示出的第三類型的構(gòu)造包括通過在第一解調(diào)RM 26處對振蕩器 43中的f^卩f2進行異或操作而產(chǎn)生所需的解調(diào)頻率的一個到DC的直接轉(zhuǎn) 換。其它組件，如果存在的話，與圖5和圖6中的相同，因此不再進行描 述。在點A和C處處理的GMR信號uc^的頻譜示于電路之下的圖中。在圖8中示出的第四類型的構(gòu)造中，處于感測頻率f2處的大基帶分量 在放大之前通過使用(第三)RM 32處于頻率&的GMR電壓u圓進行斷路而 被移除。這具有強大的優(yōu)勢，即，將基帶混合到DC，這可以通過DC阻塞裝 置(例如，電容器31)被完全移除或者作為偏壓使用。其它組件，如果存 在的話，與圖5、圖6和圖7中的相同，因此將不再進行描述。在點A到D 處處理的GMR信號i^的頻譜示于電路之下的圖中。盡管與期望的磁信號正交，也希望避免磁信號處來自感測電流頻率f2 的諧波成分。因此，應(yīng)該保持如下關(guān)系其中p， q和r為奇數(shù)。優(yōu)選地，fl和f2由同一基準時鐘提供，以使得f^fw/n并且f2=fref/m。這將上述約束降低為<formula>formula see original document page 17</formula>其中p， q和r為奇數(shù)，這可以通過選擇2m/n為整數(shù)值而容易滿足。 在m=10. 050、n二100并且fref=10MHz的情況下，產(chǎn)生f產(chǎn)100kHz以及f產(chǎn)995Hz 的頻率。在圖9示出的第5類型的構(gòu)造中，激勵頻率f,和感測頻率f2彼此接近。 放大并同步檢測低頻差頻4/" = |/2-,|，其中緊跟在GMR傳感器12之后的第 一低通濾波器34用于限制隨后的LNA放大器25的動態(tài)范圍。而且，在放 大器25之后的第二低通濾波器35移除放大器的HF噪聲。其它組件，如果 存在的話，與圖5到圖8中的相同，因此將不再進行描述。在點A到C處 處理的GMR信號ueMR的頻譜示于電路之下的圖中。在所描述的構(gòu)造中，優(yōu)選地數(shù)字化產(chǎn)生控制信號f,、 &和(fi異或f2)。 而且，對于電流L和/或12其中之一使用非方波信號也是本發(fā)明的一部分。 在那種情況下，必須相應(yīng)地適配解調(diào)譜以實現(xiàn)優(yōu)化的SNR。而且，將回轉(zhuǎn)率 限制加入到波形中會改變信號的HF成分，這可以簡化實施。所述磁傳感器設(shè)備的優(yōu)點是-通過在所述珠的頻率和時間響應(yīng)之間進行識別，在單個GMR傳感器 上珠的多路復(fù)用成為可能；-方便系統(tǒng)集成不需要復(fù)雜的濾波，只需產(chǎn)生兩個頻率，等等；-完全透明和同步的系統(tǒng)；可以在不改變?yōu)V波器截止頻率的情況下改
變操作頻率，等等；-通過對所有包含信號的頻率分量進行解調(diào)而優(yōu)化SNR。最后指出，在本申請中，術(shù)語"包括"不排除其它元件或步驟，"一個" 也不排除多個，并且單個的處理器或其它單元可以實現(xiàn)幾個裝置的功能。 本發(fā)明在于每個和所有的新穎性特征以及每個和所有這些特征的組合。而 且，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為對其范圍的限制。
權(quán)利要求
1、一種用于檢測磁化粒子(2，2’，2”)的磁傳感器設(shè)備(10)，包括至少一個磁場發(fā)生器(11，13)，用于產(chǎn)生磁激勵場(B)；至少一個相關(guān)聯(lián)的磁傳感器元件(12)，用于記錄由所述粒子(2，2’，2”)反應(yīng)于所述激勵場(B)而產(chǎn)生的磁反應(yīng)場(B’)；激勵電源單元，用于向所述磁場發(fā)生器(11，13)提供包括至少兩個譜分量的激勵電流(I1)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括評估單元，用于從所記錄的磁反應(yīng)場(B，)提取具有不同屬性的粒子(2， 2' ， 2")的個體貢獻。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述激勵電源單元包括至少兩個振蕩器，優(yōu)選為正弦振蕩器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述激勵電源單元產(chǎn)生具有激勵頻率f,的方波激勵電流。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述激勵電源單元包括激勵RM (環(huán)形調(diào)制器)(22)、激勵電流源(21)和用于在所述RM的所述輸出處提供具有激勵頻率(f,)的激勵電流(I,) 的激勵振蕩器(41)，所述RM由所述振蕩器(41)控制并且所述RM在其輸 入處與所述電流源(21)相耦合。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述激勵電流源(21)提供直流并且所述激勵振蕩器(41)提供具有激勵頻率L的方波。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括傳感器電源單元，用于向所述磁傳感器元件(12)提供具有感測頻率f2的方波感測電流(12)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括傳感器電源單元，該傳感器電源單元具有感測RM (環(huán)形調(diào)制器)(24)、感測電流源(23)以及用于從所述RM的所 述輸出向所述磁傳感器元件(12)提供具有感測頻率f2的感測電流(12)的 感測振蕩器(42)，所述RM由所述振蕩器(42)控制并且所述RM在其輸入 處與所述電流源(23)相耦合。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述感測電流源(23)提供直流并且所述感測振蕩器(42)提供具有所述感測頻率f2的方波。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4和7或5和8所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征 在于，所述激勵頻率f,和所述感測頻率f2滿足關(guān)系p./2^g.y;±r/2，其中p、q和r為任意奇數(shù)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求4和7或5和8所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征 在于，所述激勵頻率f i與所述感測頻率f2之間的比值滿足至少如下關(guān)系之一: : /2 e
、 , /2 > 1或者: /2 e [IO;IOOO]。
12、 根據(jù)權(quán)利要求5和8所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述激勵振蕩器(41)和所述感測傳感器(42)由公共基準振蕩器驅(qū)動。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器元件包括類似GMR (12)、 TMR或AMR元件的磁阻元件。
14、 根據(jù)權(quán)利要求4和7或5和8所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征 在于，所述磁傳感器設(shè)備(10)包括至少一個解調(diào)器(26， 29)，所述解調(diào)器 (26， 29)與所述磁傳感器元件(12)相耦合，并且所述解調(diào)器(26， 29) 由所述激勵頻率&、所述感測頻率f2或者所述激勵頻率t與所述感測頻率 f2的異或操作結(jié)果驅(qū)動。
15、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括第一解調(diào)RM (26)，所述第一解調(diào)RM (26)由從所述激勵振蕩器(41)提供的第一控制信號控制，并且所述第一解調(diào) RM (26)在其輸入處與所述磁傳感器元件(12)的所述輸出相耦合。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述第一控制信號由所述激勵振蕩器(41)的所述輸出確定，或者由所述激勵振蕩器(41)與另外一個振蕩器的所述輸出之間的異或操作結(jié)果 確定，該另一振蕩器特別是如權(quán)利要求8所述的感測振蕩器(42)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括在所述第一解調(diào)RM (26)的輸入側(cè)和/或輸出側(cè)處的高通濾波器(31)或低通濾波器(27)。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括在所述第一解調(diào)RM (26)輸入側(cè)處的放大器(25)和/或在所述第一解調(diào)RM (26)輸出側(cè)處的放大器(28)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求8和15所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括第二解調(diào)RM (29)，所述第二解調(diào)RM (29)由從所述感測振蕩器(42)提供的第二控制信號控制，并且所述第二解調(diào) RM (29)在其輸入側(cè)與所述第一解調(diào)RM (26)的所述輸出相耦合。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括在所述第二解調(diào)RM (29)的輸入側(cè)處的高通濾波器(30)和/或在所述第二解調(diào)RM (29)的輸出側(cè)處的低通濾波器。
21、 根據(jù)權(quán)利要求8和15所述的磁傳感器設(shè)備(10)，其特征在于， 所述磁傳感器設(shè)備(10)包括位于所述磁傳感器元件(12)和所述第一解調(diào)RM (26)之間的第三RM (32)，所述第三RM (32)由所述感測振蕩 器(42)控制。
22、 一種用于檢測磁化粒子(2， 2， ， 2")的方法，包括 產(chǎn)生具有至少兩個譜分量的磁激勵場(B);記錄由所述粒子(2， 2' ， 2")反應(yīng)于所述激勵場(B)而產(chǎn)生的磁 反應(yīng)場(B，)。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于， 從所記錄的反應(yīng)場(B')提取所述具有不同屬性的粒子(2， 2' ， 2")的個體貢獻。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，基于所述粒子(2， 2' ， 2")的已知譜行為而從所述反應(yīng)場(B') 的所述頻譜提取所述個體貢獻。
25、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于， 通過擬合用于描述特定粒子(2, 2' ， 2")對所記錄的反應(yīng)場(B')的響應(yīng)的模型函數(shù)而提取所述個體貢獻。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于， 所述模型函數(shù)為采用衰減時間作為擬合參數(shù)的指數(shù)函數(shù)。
27、一種根據(jù)權(quán)利要求1到21中的任意一項所述的磁傳感器設(shè)備(IO) 的應(yīng)用，所述磁傳感器設(shè)備用于分子診斷學(xué)、生物樣品分析或化學(xué)樣品分 析。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁傳感器設(shè)備，所述磁傳感器設(shè)備包括用于產(chǎn)生磁激勵場的激勵導(dǎo)線(11，13)以及用于感測由標(biāo)記粒子反應(yīng)于所述激勵場而產(chǎn)生的磁場的磁傳感器元件，特別是GMR傳感器(12)。磁激勵場產(chǎn)生為非正弦形式，特別是方波形式，以便其譜范圍包括多個頻率分量。然后，可以根據(jù)具有不同磁響應(yīng)特性的磁性粒子對所述激勵場的不同頻率分量的反應(yīng)來區(qū)分這些粒子。優(yōu)選地，在環(huán)形調(diào)制器(22，24)的幫助下產(chǎn)生所述磁激勵場以及驅(qū)動所述GMR傳感器(12)的感測電流。而且，環(huán)形調(diào)制器(27，29)可以用于解調(diào)所述傳感器信號。
文檔編號G01R33/09GK101400984SQ200780008917
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者A·H·J·伊明克, A·J·M·范圖伊吉勒, E·坎塔托雷, H·J·貝格維爾德, H·杜里克, J·A·H·M·卡爾曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司