磁隧道結(jié)傳感器及使用方法
【專利說明】磁隧道結(jié)傳感器及使用方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]按照美國法典第35篇第119條(e)款，本申請要求2013年3月15日提交的美國臨時(shí)申請序列號61/792，257的申請日的優(yōu)先權(quán)；所述申請的公開內(nèi)容通過引用并入本文。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦政府資助研宄的聲明
[0004]本發(fā)明是在政府支持下在美國國立衛(wèi)生研宄院授予的合同號HHSN216200900011C下進(jìn)行。政府對本發(fā)明具有某些權(quán)利。
[0005]引言
[0006]生物標(biāo)志物(也稱為疾病簽名)是類似RNA、DNA和蛋白質(zhì)的特異性分析物，所述特異性分析物可用作作用機(jī)制、疾病狀態(tài)或臨床終點(diǎn)的代替物。詳言之，多重或多標(biāo)志物方法可用于分子診斷和個(gè)人化醫(yī)療，其目標(biāo)是鑒定針對正確患者的在正確時(shí)間和以正確劑量的正確治療，或靈敏地且明確地提早檢測出復(fù)雜疾病，如癌癥和心血管疾病。已研制出DNA和蛋白質(zhì)微陣列來容納大量生物標(biāo)志物。
[0007]大部分商業(yè)DNA微陣列系統(tǒng)利用焚光標(biāo)記(標(biāo)簽)來量化生物分子分析物(目標(biāo))。它們可具有有限靈敏度，因?yàn)樗鼈冃枰?4或更多的分子來實(shí)現(xiàn)有用的信噪比并且由于所涉及的光學(xué)系統(tǒng)且還由于串?dāng)_和漂白而少量定量的。光學(xué)檢測系統(tǒng)通常與放大技術(shù)如聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)結(jié)合使用，所述聚合酶鏈反應(yīng)使原始生物分子倍增許多數(shù)量級。之后尋求具有較高靈敏度、較低成本和更好的可移植性的替代微陣列技術(shù)。此類技術(shù)可開放分子診斷和基因組學(xué)領(lǐng)域的許多新應(yīng)用。
[0008]概述
[0009]本公開提供磁傳感器，所述磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面的邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。本公開還提供使用本發(fā)明磁傳感器的裝置、系統(tǒng)和方法。
[0010]本公開的方面包括磁傳感器。磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面的邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。
[0011]在一些實(shí)施方案中，第一電極接觸MTJ磁阻元件的基本上整個(gè)表面。
[0012]在一些實(shí)施方案中，第二電極接觸MTJ磁阻元件的基本上整個(gè)相對表面。
[0013]在一些實(shí)施方案中，第二電極的邊緣與MTJ磁阻元件的所述相對表面的邊緣對齊。
[0014]在一些實(shí)施方案中，磁傳感器包括設(shè)置在第一電極上的鈍化層。
[0015]在一些實(shí)施方案中，磁傳感器包括被結(jié)合到磁傳感器的表面的分析物-特異性探針。
[0016]本公開的方面包括磁傳感器裝置。磁傳感器裝置包括具有兩個(gè)或更多個(gè)磁傳感器的磁傳感器陣列。每個(gè)磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面的邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。
[0017]在一些實(shí)施方案中，磁傳感器通過第一電極和第二電極串聯(lián)電連接。
[0018]在一些實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)磁傳感器包括被結(jié)合到磁傳感器的表面的分析物-特異性探針。
[0019]在一些實(shí)施方案中，磁傳感器陣列包括各自被配置來特異性地檢測相同分析物的兩個(gè)或更多個(gè)不同的磁傳感器。
[0020]在一些實(shí)施方案中，磁傳感器陣列包括各自被配置來特異性地檢測不同分析物的兩個(gè)或更多個(gè)不同的磁傳感器。
[0021]本公開的方面包括磁傳感器系統(tǒng)。磁傳感器系統(tǒng)包括磁傳感器裝置，所述磁傳感器裝置包括具有兩個(gè)或更多個(gè)磁傳感器的磁傳感器陣列。每個(gè)磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面的邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。磁傳感器系統(tǒng)還包括磁場源。
[0022]在一些實(shí)施方案中，磁傳感器系統(tǒng)包括被配置來獲得來自所述磁傳感器裝置的分析物-特異性信號的處理器。
[0023]本公開的方面包括一種用于估計(jì)分析物是否存在于樣品中的方法。所述方法包括:使磁傳感器與樣品接觸以產(chǎn)生信號；獲得來自磁傳感器的信號；以及基于所述信號估計(jì)分析物是否存在于每個(gè)樣品中。磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面的邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。
[0024]在一些實(shí)施方案中，磁傳感器包括被結(jié)合到磁傳感器的表面的分析物-特異性探針。
[0025]在一些實(shí)施方案中，所述方法包括在接觸之前磁性地標(biāo)記所述樣品。
[0026]在一些實(shí)施方案中，所述估計(jì)包括當(dāng)磁性標(biāo)記的樣品接觸磁傳感器時(shí)，獲得來自磁傳感器的信號。在一些實(shí)施方案中，信號是分析物-特異性信號。
[0027]在一些實(shí)施方案中，所述接觸包括在使磁傳感器與樣品接觸之后將磁性標(biāo)簽施加到磁傳感器。
[0028]本公開的方面包括套件，所述套件包括磁傳感器裝置和磁性標(biāo)簽。磁傳感器裝置包括磁傳感器陣列，其包括兩個(gè)或更多個(gè)磁傳感器。每個(gè)磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的所述表面的邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面的邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。
[0029]在一些實(shí)施方案中，磁性標(biāo)簽是磁性納米粒子。
[0030]附圖簡述
[0031]圖1示出GMR自旋閥傳感器(12% (左))和磁隧道結(jié)(236% (右))的磁響應(yīng)(傳遞曲線)圖。此處所示的磁阻代表每種類型的裝置。這示出的是，基于MTJ的傳感器明顯可比基于自旋閥的傳感器更靈敏。
[0032]圖2(a)和圖2(b)示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的磁隧道結(jié)傳感器設(shè)計(jì)(圖2(a))和現(xiàn)有的GMR自旋閥傳感器設(shè)計(jì)(圖2(b))的示意圖。感測電流垂直地通過磁隧道結(jié)。
[0033]圖3示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的磁傳感器裝置的示意性(不按實(shí)際比例)橫截面，所述磁傳感器裝置包括一起形成單一生物傳感器的MTJ傳感器陣列。
[0034]圖4示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的MTJ生物傳感器的晶片(左)和芯片(例如，磁傳感器裝置(右))示意圖。
[0035]圖5示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的具有80個(gè)活性生物傳感器的MTJ生物芯片布局的不意圖。
[0036]圖6示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的MTJ生物傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
[0037]圖7示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的具有串聯(lián)布置的MTJ傳感器元件的MTJ傳感器元件陣列的掃描電子顯微圖像。
[0038]圖8示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的包括具有80個(gè)MTJ生物傳感器的陣列的1mmX 12mm生物芯片的圖像。
[0039]圖9示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的具有80個(gè)MTJ生物傳感器的陣列的放大圖像。
[0040]圖10示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的個(gè)別MTJ生物傳感器的放大圖像。
[0041]圖11示出根據(jù)本公開的實(shí)施方案的與參考傳感器相比涂有生物素的傳感器在檢測PBS緩沖液中的抗生蛋白鏈菌素-生物素結(jié)合時(shí)電阻變化(ppm)和時(shí)間(min)的曲線圖。
[0042]詳述
[0043]本公開提供磁傳感器，所述磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的表面邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。本公開還提供使用本發(fā)明磁傳感器的裝置、系統(tǒng)和方法。
[0044]在更詳細(xì)地描述本發(fā)明之前，應(yīng)理解本發(fā)明不限于所描述的特定實(shí)施方案，因?yàn)榇祟悓?shí)施方案當(dāng)然可變化。還應(yīng)理解，本文所用的術(shù)語僅為出于描述特定實(shí)施方案的目的，并且不意圖為限制性的，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍將僅受所附權(quán)利要求書限制。
[0045]在提供值的范圍的情況下，應(yīng)理解本發(fā)明內(nèi)涵蓋這一范圍的上限與下限之間的各介入值，準(zhǔn)確到下限的單位的十分之一(除非上下文另外清楚指示)，以及這一所述范圍內(nèi)的任何其它所述值或介入值。這些較小范圍的上限和下限可獨(dú)立地被包括在這些較小范圍內(nèi)并且也涵蓋于本發(fā)明內(nèi)，從屬于所述范圍內(nèi)的任何特定排除的極限值。在所述范圍包括所述極限值中的一個(gè)或兩個(gè)的情況下，本發(fā)明中還包括排除那些所包括的極限值中的任一個(gè)或兩個(gè)的范圍。
[0046]某些范圍在本文中通過前面帶有術(shù)語“約”的數(shù)值呈現(xiàn)。術(shù)語“約”在本文中用于為它之后的確切數(shù)字以及接近或近似所述術(shù)語之后的數(shù)字的數(shù)字提供字面支持。在確定數(shù)值是接近還是近似具體列舉的數(shù)值時(shí)，接近或近似的未列舉的數(shù)值可以是在其出現(xiàn)的上下文中提供與具體列舉的數(shù)值大致等同的數(shù)值。
[0047]除非另外定義，否則本文使用的所有技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。雖然與本文中所述的那些方法和材料相似或相等的任何方法和材料也可用于實(shí)踐或測試本發(fā)明，但是現(xiàn)在描述代表性例示方法和材料。
[0048]本說明書中所引用的所有公布和專利均以引用的方式并入本文中，就如同各個(gè)別公布或?qū)＠囟ǖ厍覀€(gè)別地被指示為以引用的方式并入，并且以引用的方式并入本文中以公開并且描述引用所述公布時(shí)所涉及的方法和/或材料。對任何公布的引用都是針對其在申請日之前的公開內(nèi)容并且不應(yīng)被解釋為承認(rèn)本發(fā)明由于先前發(fā)明而無權(quán)先于所述公布。此外，所提供的公布日期可能不同于可需要獨(dú)立確認(rèn)的實(shí)際公開日期。
[0049]應(yīng)注意，除非上下文另有明確規(guī)定，否則在本文和附加權(quán)利要求書中使用的單數(shù)形式“一(a/an)”和“所述”包括多個(gè)指示物。此外應(yīng)注意，可起草權(quán)利要求書以排除任何可選要素。因此，對于與敘述權(quán)利要求要素有關(guān)所使用的像“單獨(dú)”、“只”等這樣的排他性術(shù)語或所使用的“否定性”限制，這聲明意在充當(dāng)先行基礎(chǔ)。
[0050]應(yīng)理解，出于清晰目的而在分開的實(shí)施方案的上下文中所描述的本發(fā)明的某些特征也可以在單個(gè)實(shí)施方案中組合提供。相反，出于簡潔目的而在單個(gè)實(shí)施方案的上下文中所描述的本發(fā)明的各種特征也可以分開地或以任何適合的子組合來提供。實(shí)施方案的所有組合明確地由本發(fā)明包含并且就猶如每個(gè)組合被單獨(dú)地并明確地公開一樣而在本文中公開，其公開程度為:這類組合包含可操作的過程和/或裝置/系統(tǒng)/套件。此外，在描述這類變量的實(shí)施方案中所列舉的所有子組合也明確地由本發(fā)明包含，并且就猶如每個(gè)這樣的化學(xué)基團(tuán)子組合被單獨(dú)地并明確地公開在本文中一樣而在本文中公開。
[0051]本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本公開時(shí)將明白的是，本文所描述且說明的各個(gè)個(gè)別實(shí)施方案具有離散組分和特征，這些組分和特征可容易地與任何其它若干實(shí)施方案的特征分離或組合而不偏離本發(fā)明的范圍或精神。任何所陳述方法均可以所陳述事件的順序或以邏輯上可能的任何其它順序進(jìn)行。
[0052]在以下部分中，首先更詳細(xì)地描述本發(fā)明磁傳感器，然后是描述使用本發(fā)明磁傳感器的磁傳感器裝置、系統(tǒng)和方法。
[0053]磁傳感器
[0054]本公開的方面包括磁傳感器。在一些實(shí)例中，磁傳感器被配置來使可能發(fā)生在被連接到傳感器的電極之間的電氣短路最小化。例如，磁傳感器可包括磁阻元件和被連接到所述磁阻元件的兩個(gè)電極，其中磁傳感器被配置來使兩個(gè)電極之間的電氣短路的發(fā)生幾率最小化。使兩個(gè)電極之間的電氣短路最小化可有助于傳感器的準(zhǔn)確度的增加。
[0055]在某些實(shí)施方案中，磁傳感器包括:磁隧道結(jié)(MTJ)磁阻元件(本文也稱為MTJ元件)；第一電極，其接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的表面邊緣；以及第二電極，其接觸MTJ磁阻元件的相對表面的至少一部分并且延伸超出MTJ磁阻元件的相對表面邊緣，其中第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。在下文部分更詳細(xì)地描述MTJ磁阻元件的額外方面。
[0056]在某些實(shí)施方案中，第一電極接觸MTJ磁阻元件的表面的至少一部分。至少一部分意指電極接觸電極的足夠表面區(qū)域以進(jìn)行足以操作傳感器來檢測感興趣的分析物的電接觸。在一些情況下，電極可接觸MTJ電極的表面的10%或更多，如20%或更多、或30%或更多、或40%或更多、或50%或更多、或60%或更多、或70%或更多、或80%或更多、或90 %或更多，或在一些實(shí)施方案中，電極可接觸MTJ元件的一個(gè)表面的基本上整個(gè)表面區(qū)域，例如MTJ元件的頂面或MTJ元件的底面。
[0057]類似地，第二電極可接觸MTJ元件的相對表面的至少一部分。因此，第一電極和第二電極接觸MTJ元件的相對表面。例如，第一電極可接觸MTJ元件的頂面的至少一部分，并且第二電極可接觸MTJ元件的底面的至少一部分。電極的相反布置也是可能的，其中第一電極接觸MTJ元件的底面的至少一部分，并且第二電極接觸MTJ元件的頂面的至少一部分。
[0058]在某些實(shí)施方案中，第一電極接觸電極的表面的一部分，例如小于MTJ元件的所接觸表面的表面區(qū)域的100%。例如，第一電極可接觸MTJ元件的頂面的一部分。在某些實(shí)例中，第二電極接觸MTJ傳感器的基本上整個(gè)相對表面，例如MTJ元件的基本上整個(gè)底面。
[0059]在某些實(shí)施方案中，第一電極延伸超出MTJ元件的表面邊緣。延伸超出邊緣意指電極具有如上所述的接觸MTJ元件的表面的一部分(例如，端部)，并且包括懸于MTJ元件的邊緣之上的一部分。例如，電極可以是平面電極，其中所述平面電極的端部接觸MTJ元件的表面，并且平面電極的剩余部分伸出通過MTJ元件的邊緣。第一電極可延伸超出MTJ元件的表面(如MTJ元件的頂面)邊緣。
[0060]類似地，第二電極可延伸超出MTJ元件的相對表面邊緣。如上所述，第二電極可具有接觸MTJ元件的相對表面(例如，MTJ元件的與由第一電極接觸的表面相對的表面)的一部分(例如，端部)，并且第二電極的剩余部分可懸于MTJ元件的邊緣之上。例如，第二電極可以是平面電極，其中所述第二平面電極的端部接觸MTJ元件的相對表面，并且第二平面電極的剩余部分伸出通過MTJ元件的邊緣。第二電極可延伸超出MTJ元件的表面(如MTJ元件的底面)邊緣。
[0061]如上所述，第一電極包括懸于MTJ元件的邊緣之上的延伸部分，并且因此第一電極具有面向外表面和面向內(nèi)表面，其中所述面向外表面背向MTJ元件并且所述面向內(nèi)表面面向MTJ元件。類似地，第二電極包括懸于MTJ元件的邊緣之上的延伸部分，并且因此第二電極具有面向外表面和面向內(nèi)表面，其中所述面向外表面背向MTJ元件并且所述面向內(nèi)表面面向MTJ元件。
[0062]在某些實(shí)施方案中，第一電極和第二電極被布置使得第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面是不重疊的。相向表面意指第一電極的面向內(nèi)表面和第二電極的面向內(nèi)表面，例如第一電極和第二電極中分別面向MTJ元件的表面。不重疊意指第一電極的延伸部分的相向表面并未定位在第二電極的延伸部分的相對相向表面上方(或下方)。換句話說，不重疊電極包括垂直于且穿過第一電極的延伸部分的線不穿過第二電極的延伸部分的實(shí)施方案。
[0063]因此，在第一電極和第二電極的延伸部分的相向表面基本上不重疊的實(shí)施方案中，第一電極和第二電極可在不同方向上從MTJ元件的其相應(yīng)邊緣延伸。例如，如從上文來看，第一電極可從MTJ元件的頂面朝向左邊延伸，并且第二電極可從MTJ元件的底面朝向右邊延伸。電極的其它布置也是可能的，只要第一電極和第二電極的延伸部分如上所述是基本上不重疊的。
[0064]在某些實(shí)施方案中，電極可以與MTJ元件的邊緣對齊。例如，不重疊電極可延伸超出MTJ元件的邊緣，如上所述。在一些情況下，電極的與延伸部分相對的邊緣可以與MTJ元件的邊緣基本上對齊。在一些情況下，電極的邊緣不與MTJ元件的邊緣對齊。例如，如上所述，電極可接觸小于MTJ元件的整個(gè)表面，并且因此可能不一直延伸到MTJ元件的表面邊緣。換句話說，在一些情況下，電極可具有接觸MTJ元件的表面的端部，但留下MTJ元件的表面的一部分未接觸，使得電極的端部邊緣與MTJ元件的一個(gè)或多個(gè)邊緣(例如，電極未從其延伸的一個(gè)或多個(gè)邊緣)之間存在間隙。如上所述，在電極的邊緣與MTJ元件的邊緣對齊或電極的邊緣與MTJ元件的邊緣之間存在間隙的實(shí)施方案中，這可有助于提供第一電極和第二電極基本上不重疊的磁傳感器。
[0065]磁傳感器裝置
[0066]本公開的方面包括磁傳感器裝置。磁傳感器