(57)【要約】  本発明は、サンプル室1における磁場Bを生成する励起ワイヤ11,13と、サンプル室における磁気粒子2により生成される磁場を感知する、例えばGMR要素といった磁気センサ要素12とを有する磁気センサデバイスに関する。そのデバイスは、線形コンダクタ14と平面コンダクタ15とからなる基準場生成器を更に有する。線形コンダクタと平面コンダクタとの間には、磁気センサ要素12が配置される。上記コンダクタ14,15により生成される基準磁場Brefは、サンプル室1を貫通することはなく、磁気センサ要素12にのみ到達する。従って、基準磁場Brefによるセンサ信号の成分は、分離され、センサゲインを計算するのに使用されることができる。例えば、この値は、測定の間のデバイスの自律較正に使用されることができる。
2009525481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの磁気センサ要素であって、該磁気センサ要素がさらされる磁場を示すセンサ信号を提供する、少なくとも１つの磁気センサ要素と、
前記磁気センサ要素に届く磁場を生成するサンプルが与えられることができるサンプル室と、
前記サンプル室において無視できる強度を持つ、前記磁気センサ要素における基準磁場を生成する基準磁場生成器とを有する、磁気センサデバイス。
【請求項２】
前記基準磁場生成器が、少なくとも１つの第１の線形コンダクタと、前記第１のコンダクタの近くで、該第１のコンダクタに実質的に平行に延在する第２のフラットなコンダクタとを有する、請求項１に記載の磁気センサデバイス。
【請求項３】
前記第１及び第２のコンダクタが、一端でショートされ、他端で基準電力源に接続される、請求項２に記載の磁気センサデバイス。
【請求項４】
前記磁気センサ要素が、前記第１のコンダクタと前記第２のコンダクタとの間に配置される、請求項２に記載の磁気センサデバイス。
【請求項５】
前記第２のコンダクタの幅が、前記第１のコンダクタの幅の100倍、好ましくは200倍より大きい、請求項２に記載の磁気センサデバイス。
【請求項６】
前記第２のコンダクタが、金属層、好ましくは金の層を有する、請求項２に記載の磁気センサデバイス。
【請求項７】
前記磁気センサ要素の前記センサ信号において、前記基準磁場によりもたらされる基準成分を他の成分から分離する信号分離ユニットを有する、請求項１に記載の磁気センサデバイス。
【請求項８】
前記信号分離ユニットが、空間成分に基づき前記信号成分を分離するよう構成される、請求項７に記載の磁気センサデバイス。
【請求項９】
前記サンプル室に励起磁場を生成する少なくとも１つの磁場生成器を有する、請求項１に記載の磁気センサデバイス。
【請求項１０】
第１の周波数の励起電流を前記磁場生成器に提供する励起電力源を有する、請求項９に記載の磁気センサデバイス。
【請求項１１】
第２の周波数の基準電流で前記基準場生成器を駆動する基準電力源を有する、請求項１に記載の磁気センサデバイス。
【請求項１２】
磁気センサ要素及び／又は前記磁気センサ要素に結合される処理要素のセンサゲインを示すゲイン値を計算するゲイン推定ユニットを有する、請求項１に記載の磁気センサデバイス。
【請求項１３】
前記計算されたゲイン値に基づき、前記磁気センサ要素の測定を調整する適合ユニットを有する、請求項１２に記載の磁気センサデバイス。
【請求項１４】
前記適合ユニットが、可変ゲイン増幅器、前記磁気センサ要素に可変センサ電流を提供する調整可能センサ電力源、並びに／又は、アナログセンサ信号及び／若しくは前記計算されたゲイン値を追加的な処理のためデジタル値に変換するアナログデジタルコンバータを有する、請求項１３に記載の磁気センサデバイス。
【請求項１５】
少なくとも１つの磁気センサ要素を伴うサンプル室に生じる磁場を測定する方法において、前記サンプル室において無視できる強度を持つ基準磁場が、前記磁気センサ要素において生成される、方法。
【請求項１６】
前記基準磁場によりもたらされる基準成分が、前記磁気センサ要素の前記センサ信号における他の成分から、好ましくは空間的に、分離される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の周波数の励起磁場が、前記サンプル室に生成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記基準磁場が、第２の周波数で生成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記磁気センサ要素及び／又は前記磁気センサ要素に結合される処理要素のセンサゲインを示すゲイン値が、前記磁気センサ要素の前記センサ信号から計算される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記磁気センサ要素の測定が、前記計算されたゲイン値に基づき調整される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記センサ信号の振幅を変化させることにより、前記磁気センサ要素に供給される前記電力を変化させることにより、及び／又はデジタルデータ処理により、前記測定が調整される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記サンプル室における前記基準磁場の強度が、前記磁気センサ要素における強度の0.01未満であり、好ましくは0.001未満であり、最も好ましくは0.0001未満である、請求項１に記載の磁気センサデバイス又は請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記磁気センサ要素が、GMR、TMR、又はAMR要素といった磁気抵抗要素を有する、請求項１に記載の磁気センサデバイス又は請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
分子診断、生体試料解析、又は化学試料解析のための、請求項１に記載の磁気センサデバイスの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの磁気センサ要素とサンプルを提供するサンプル室とを有する磁気センサデバイスに関する。更に、本発明は、斯かる磁気センサデバイスの使用及び斯かる磁気センサデバイスを用いて磁場を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
WO 2005/010543 A1号及びWO 2005/010542 A2号によれば、例えば、磁気ビーズでラベル付けされた(例えば生体)分子の検出のためのマイクロ流体バイオセンサで使用されることができる磁気センサデバイスが知られている。そのマイクロセンサデバイスは、磁場を生成するためのワイヤと磁化されたビーズにより生成される浮遊磁場の検出のための巨大磁気抵抗デバイス(GMR)とを有するセンサユニットのアレイを具備する。GMRの抵抗は、センサユニット付近のビーズ数を示すものとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述した種類の磁気バイオセンサに関する問題は、磁気抵抗要素の感度、従って全体の測定における効果的なゲインが、センサにおける磁気不安定性、外部磁場、エイジング、温度等の制御できないパラメタに非常に敏感である点である。
【０００４】
斯かる状況に鑑み、本発明の目的は、センサゲインにおける変動に対して磁気センサデバイスの測定をより堅牢なものにする手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、請求項１による磁気センサデバイス、請求項１５による方法、及び請求項２４による使用により達成される。好ましい実施形態が、従属項に開示される。
【０００６】
本発明による磁気センサデバイスは、以下の要素を有する。
【０００７】
a)  例えば電圧といったセンサ信号を提供する少なくとも１つの磁気センサ要素。そのセンサ信号は、磁気センサ要素が(少なくとも部分的に)さらされる磁場(又は少なくとも１つの磁場の成分)を示すものである。
【０００８】
b)  磁気センサ要素に到達する磁場を生成することができるサンプルが与えられることができるサンプル室。最も一般的な意味において、サンプル室は、多かれ少なかれ磁気センサ要素の近傍にある領域である。そこには、幾分磁気的に相互作用するエンティティ(つまりサンプル)が提供されることができる。その名が示すように、サンプル「室」は通常、サンプル物質からのターゲット分子を動けなくする(又は混成させる)よう構成される空洞又はくぼみである。更に、サンプル室は通常、マイクロ流体システムの一部である。
【０００９】
c)  磁気センサ要素における磁気的な「基準場」を生成する基準場生成器。その基準場は、サンプル室において無視できる強度を持つ。後者の条件は通常、サンプル室における基準磁場の(平均又は最大)強度が、上記磁気センサ要素における(平均又は最大)強度の0.01未満、好ましくは0.001未満であり、最も好ましくは0.0001未満である場合に満たされる。理想的には、サンプル室における基準磁場の強度は、ゼロであるか、又は検出限界を少なくとも下回る。
【００１０】
上述の基準場生成器のデザインは、サンプル室におけるサンプルとの任意の磁気干渉が排除されるか、又は少なくとも未検出レベルにまで抑えられるという利点を持つ。こうして、磁気センサ要素の観測される反応が、既知の強度の印加基準磁場に明示的に関連付けられることができることを保証することができる。これは、センサ特性の正確な管理と、特にその測定の較正とを可能にする。
【００１１】
サンプル室には影響を与えないが磁気センサ要素には影響を与える基準場生成器を実現する種々の方法が存在する。好ましい実施形態によれば、上記基準磁場生成器が、実質的に線形な少なくとも１つの第１のコンダクタを有する。ここで、「線形」という用語は、コンダクタの長さが、(その長さに垂直な方向で測定される)その最大直径よりかなり長いという意味である。例えば、10倍、好ましくは100倍長い。こうして、第１のコンダクタは、大雑把なスケールだと１次元のものとしてとらえられることができる。通常、第１のコンダクタは、方形又は円形断面のまっすぐなワイヤであるが、他の非ストレート形状も可能である。基準場生成器は、上記第１のコンダクタの近くで、該第１のコンダクタに実質的に平行に延在する第２のフラットなコンダクタを更に有する。「フラット」という用語は、(直交方向で測定される)第２のコンダクタの長さ及び幅が、(長さ及び幅に対して垂直な方向で測定される)高さよりかなり長いことを意味する。例えば、10倍、好ましくは100倍長い。こうして、第２のコンダクタは、大雑把なスケールだと２次元のものとしてとらえられることができる。通常、第２のコンダクタは、平面金属シートにより実現される。第１及び第２のコンダクタの平行性は、その支配寸法を参照する(refer to)。即ち、第１のコンダクタの長さと、第２のコンダクタの長さ及び幅とを参照する。最後に「近い、近傍」という用語は、第１及び第２のコンダクタの寸法に対して解釈されなければならない。従って、第１及び第２のコンダクタ間の距離は通常、第１のコンダクタの直径又は第２のコンダクタの高さそれぞれのオーダであるか、及び／又は第１のコンダクタの長さ、若しくは第２のコンダクタの長さ／幅それぞれより小さなオーダとなる。好ましいケースでは、第１及び第２のコンダクタ間の距離は、第１のコンダクタの長さの0.1倍、好ましくは0.01倍である。
【００１２】
上述の実施形態の更なる発展によれば、上記第１及び第２のコンダクタは、一端でショートされ、他端で基準電力源に接続される(その場合、第１及び第２のコンダクタの端部は、その長さに対して規定されるであろう)。基準電力源は例えば、定電流源又は定電圧源とすることができる。上述された構成において、電流は、第１のコンダクタを通りある方向に導電され、第２のコンダクタを通り先ほどと反対方向に戻ることができる。図面を参照してより詳細に説明されるが、斯かる電流により生成される(基準)磁場が、平面コンダクタの片側に実質的に閉じ込められることになる。
【００１３】
上述の実施形態において、好ましくは、上記磁気センサ要素は、上記第１のコンダクタと上記第２のコンダクタとの間に配置される。なぜなら、コンダクタを通る電流により生成される(基準)磁場は、この領域に集中することになるからである。反対にサンプル室は好ましくは、(第１のコンダクタ又は磁気センサ要素それぞれから見られるように)第２のフラットなコンダクタの後ろに配置されることになる。その場合、基準磁場は実質的にゼロである。
【００１４】
第２のコンダクタが第１のコンダクタをできるだけカバーする場合、第２のフラットなコンダクタの後の空間は、コンダクタ内の電流により生成される基準磁場から最大限シールドされる。従って理想的には、第２のコンダクタは、２方向に無限に広がることになる。この理想的な状態の良好な近似は、上記第２のコンダクタが、上記第１のコンダクタの幅の100倍、好ましくは200倍より大きい幅を持つ場合に実現される。第１及び第２のコンダクタの長さは、あまり重要ではなく、第１の線形コンダクタの長さより幾分長い第２のフラットなコンダクタの長さと大きさのオーダをおよそ同じくすることができる。
【００１５】
第２のフラットなコンダクタの電気導電性は非常に高くあるべきである。これは、上記第２のコンダクタが、適切な厚の金属層、好ましくは金の層として実現される場合に特に達成されることができる。
【００１６】
本発明の別の変形例によれば、磁気センサ要素は、上記磁気センサ要素の上記センサ信号において、他の磁場又はアーチファクトによりもたらされることができる他の成分から上記基準磁場によりもたらされる基準成分を分離する信号分離ユニットを有する。こうして、既知の強度を持つ基準磁場に対する磁気センサ要素の反応が隔離され、調査されることができる。
【００１７】
上記信号分離ユニットは好ましくは、空間成分に基づき上記信号成分を分離するよう構成される。例えば、基準成分及び他の成分が、センサ信号のスペクトルにおいて異なる周波数で現れる場合、単純な帯域通過フィルタリングが、それらを互いに分離するのに使用されることができる。
【００１８】
本発明の追加的な実施形態において、磁気センサデバイスは、上記サンプル室に励起磁場を生成する少なくとも１つの磁場生成器を有する。磁気生成器は通常、センサデバイスの基板内又は基板上にコンダクタワイヤを有する。励起磁場は例えば、サンプル室における磁気的に相互作用する粒子を動かすため、及び／又はターゲット分子をラベル付けするのに使用される磁気ビーズを磁化するために使用されることができる。後者の場合、ラベリングビーズにより生成される磁場は、磁気センサ要素により測定されるべき注目信号となるであろう。励起磁場は、磁気センサ要素を較正するために使用されることはできない。なぜなら、励起磁場は、サンプル室に到達し、従って、常にサンプル室から未知のサイズの磁気反応を呼び起こすことができるからである。しかしながら、基準場生成器が使用されるとき、斯かるかく乱は排除される。
【００１９】
上述の実施形態において、好ましくは、第１の周波数の励起電流を上記磁場生成器に提供する励起電力源が使用される。すると、サンプル室におけるサンプルの反応が、この第１の周波数に従うことになり、このことが、測定されたセンサ信号のスペクトルにおいてそれらを特定することを可能にする。
【００２０】
本発明の追加的な実施形態において、磁気センサデバイスは、第２の周波数の基準電流で上記基準場生成器を駆動する基準電力源を有する。その後、基準磁場によりもたらされる磁気センサ要素の反応が、この第２の周波数に従うことになり、このことが、測定されたセンサ信号のスペクトルにおいてそれらを特定することを可能にする。
【００２１】
上述された第１及び第２の周波数が互いに異なる場合、基準磁場により、及びサンプル室におけるサンプルによりもたらされるセンサ信号における成分のスペクトル分離がそれぞれ可能である。
【００２２】
本発明の別の変形例によれば、その磁気センサデバイスは、磁気センサ要素のセンサゲイン及び／又はセンサ信号を処理するため上記磁気センサ要素に結合される処理要素のゲインの特性であるゲイン値を計算するゲイン推定ユニットを有する。ゲイン値は例えば、センサゲインそのもの、又は所定の基準値からの偏差とすることができる。センサ又は処理要素のゲインは、その入力、例えばセンサの場合に測定されることになる量(例えば磁場強度)に関する出力信号(例えば電圧)の微分と同じように規定される。センサゲインは、センサ挙動の重要な特性である。測定の正確な定量評価には、それを知ることが必要である。ポスト処理回路のゲインにも同じことがあてはまる。上述の信号分離ユニットと合わせて、センサ及び／又は他の処理要素のゲインは、センサ信号の決定された基準成分から特に得られることができる。なぜなら、これは、既知の基準磁場に明示的に戻るからである。
【００２３】
上述の実施形態の追加的な発展において、その磁気センサデバイスは、上記ゲイン推定ユニットにより計算されるゲイン値に基づき、上記磁気センサ要素の測定を調整する適合ユニットを有する。こうして、センサ測定のオンライン構成のため、推定されたセンサゲインが使用される。このことは、短い時間スケールにおけるゲイン変動に対してそれらを一層堅牢なものとする。
【００２４】
上述した種類の適合ユニットを実現する異なる可能性が存在する。第１の特定の実現によれば、上記適合ユニットが、磁気センサ要素のセンサ信号を増幅する可変ゲイン増幅器を有する。するとその増幅器は、センサゲインと増幅器ゲインとの組み合わせが一定のままという態様で、計算されたゲイン値に基づき調整されることができる。
【００２５】
第２の実現において、上記適合ユニットは、上記磁気センサ要素に可変センサ電流を提供する調整可能センサ電力源を有する。この手法は例えば、磁気センサ要素が、センサ電流により駆動され、印加されるセンサ電流に直接比例するセンサ信号として電圧降下を生み出す磁気抵抗要素である場合に機能する。
【００２６】
追加的な実現において、その磁気センサデバイスは、アナログセンサ信号及び上記計算されたゲイン値を追加的な処理のためデジタル値に変換するアナログデジタルコンバータを有する。その処理は例えば、パーソナルコンピュータにより実行されることができ、このことが、適用されるアルゴリズムに関する高い自由度を可能にする。
【００２７】
本発明は、更に、サンプル室に生じる磁場を測定する方法に関する。その測定は、少なくとも１つの磁気センサ要素を用いて実行される。その方法は、上記磁気センサ要素(又は少なくともその一部)における基準磁場を生成するステップを有し、その基準磁場は、サンプル室において無視できる強度を持つ。
【００２８】
その方法は一般的な形式で、上述した種類の磁気センサデバイスで実行されることができるステップを有する。従って、その方法の詳細、利点及び改善点についての更なる情報は、前述した説明を参照されたい。
【００２９】
本方法の特に重要な実施形態は、上記基準磁場によりもたらされる基準成分が、上記磁気センサ要素の上記センサ信号における他の成分から分離されることを有する。その分離は、好ましくはスペクトル的に実行される。即ち、センサ信号の周波数スペクトラムに基づかれる。
【００３０】
本方法の別の実施形態においては、第１の周波数の励起磁場がサンプル室に生成される。こうして、例えば、サンプル室における磁気粒子の反応は、センサ信号における簡単な検出のための上記第１の周波数でマークされる。
【００３１】
上記基準磁場は、好ましくは、第２の周波数で生成される。こうして、基準磁場によりもたらされる反応は、センサ信号における簡単な検出のための上記第２の周波数でマークされる。
【００３２】
本方法の別の重要な実施形態では、上記磁気センサ要素及び／又は上記磁気センサ要素に結合される処理要素のセンサゲインを示すゲイン値が、上記磁気センサ要素の上記センサ信号から計算される。この手法の追加的な発展によれば、上記磁気センサ要素の測定が、上記計算されたゲイン値に基づき調整される。これは、上記測定を、センサ又は他の電子要素のゲインにおける変動とは独立したものとすることを可能にし、従って、測定手続の精度をかなり増加させる。
【００３３】
測定についての前述の調整は特に、上記センサ信号の振幅を変化させることにより、上記磁気センサ要素への電力供給を変化させることにより、及び／又はデジタルデータ処理により実現されることができる。
【００３４】
既に述べたように、磁気センサ要素はオプションで、磁気抵抗要素により実現される。これは例えば、巨大磁気抵抗(GMR)要素、TMR(トンネル磁気抵抗)要素、又はAMR(異方性磁気抵抗)要素とすることができる。
【００３５】
本発明は、更に、分子診断、生体試料解析、又は化学試料解析のための、上述した磁気センサデバイスの使用に関する。分子診断は例えば、直接又は間接にターゲット分子に付けられる磁気ビーズを用いて実現されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明のこれら及び他の側面が、以下に述べられる実施形態より明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。これらの実施形態は、対応する図面を用いて例示を介して説明されることになる。
【００３７】
図面において類似する参照符号は、同一又は類似の要素を参照するものである。
【００３８】
図１は、サンプル室１における超常磁性体ビーズ２といった磁気的に相互作用する粒子の検出のためのバイオセンサとして、特定の用途における本発明の超小型電子磁気センサデバイスを示す。磁気抵抗バイオチップ又はバイオセンサは、感度、特異性、一体性、使用の簡単さ、及び費用の面から、生体分子診断において有望な特性を持つ。斯かるバイオチップの例は、WO 2003/054566号、WO 2003/054523号、WO 2005/010542 A2号、WO 2005/010543 A1号、及びWO 2005/038911号に開示され、参照により本願に含まれるものとする。にも関わらず、センサデバイスは、センサ表面上、又はその近くで測定されることになる粒子の磁気特性の検出に基づかれる任意の適切なセンサとすることができる。従って、磁気センサデバイスは、コイル、磁気抵抗センサ、磁歪(magneto-restrictive)センサ、ホールセンサ、平面センサ、フラックスゲートセンサ、SQUID(半導体超伝導量子干渉デバイス)、磁気共鳴センサ、又は磁場により作動される他のセンサとしてデザインされることができる。
【００３９】
図１に示される磁気センサデバイスは、２つの方形コンダクタワイヤ１１及び１３により本書では実現される少なくとも１つの磁場生成器を有する。ワイヤ１１、１３は、サンプル室１における磁気ビーズ２を磁化する励起磁場Bを生成するための周波数f1の交流励起電流I1 = I10 sin(2πf1t)を用いて、電流源２１(図６〜８参照)により駆動される。ビーズ２は、例えば、注目(生体)分子に対するラベルとして使用されることができる(詳細は引用される文献を参照されたい)。ビーズ２により生成される浮遊磁場(図示省略)は、コンダクタワイヤ１１、１３の間の中間に配置される巨大磁気抵抗(GMR)センサ要素１２の電気抵抗に影響を与える。GMRの代わりに、AMR又はTMRといった他の磁気抵抗デバイスが使用されることもできる。GMRセンサ１２の通常の幅wは、w = 3μmであり、励起ワイヤ１１、１３に対する通常の距離は、d = 3μmである。
【００４０】
前述の磁場を測定するため、周波数f2の交流又は直流I2 = I20 sin(2πf2t)が、追加的な電流源２２(図６〜８参照)によりGMRセンサ要素１２を通り導電される。するとGMR要素１２における電圧降下UGMRは、GMRセンサ要素１２の抵抗、及びGMRセンサ要素が影響を受ける磁場を示す適切なセンサ信号となる。
【００４１】
上述の要素を備える磁気センサデバイスにおいて、磁気センサ要素(例えばAMR又はGMR)は、１つ以上の磁気領域を囲むサイズを持つことが多く、従って、バルクハウゼンノイズを生じさせやすい。バルクハウゼン効果は、強磁性体領域の大きさ及び方向における突然の変化が系列状になったもの、又は整列した原子磁石の微小なクラスタである。その突然の不連続なジャンプは、センサの感度(又はゲイン)を動作の別のポイントへとシフトすることができる。従って、磁気センサの感度は、短期及び長期の不安定期を数多く示す。特に、短期の不安定期は、センサの感度がアッセイの間突然変化する場合、アッセイ前又はアッセイ中に確立された(静的な)較正ポイントが無駄になる可能性があることを意味する。従って、本発明の目的は、生物アッセイの間磁気バイオセンサの連続的な自律較正のための便利な手段及び方法を提供することにある。
【００４２】
本書で提案されるソリューションによれば、うまく規定され、安定した基準磁場が与えられる。それは、磁気センサ要素１２によってのみ感知され、磁気粒子２によっては感知されない。斯かる基準磁場は、磁気センサ要素の動的な自律較正を可能にし、従って、ドリフトの任意の原因(バルクハウゼンノイズ、温度、機械的圧力等)の連続的な補償を可能にする。
【００４３】
図１は、前述の概念の好ましい実現を、既に説明した要素と共に示す。この実施形態の中心的要素は、「基準場生成器」である。その基準場生成器は、GMRセンサ１２に並行に、GMRセンサの下を線形に延在する第1の基準コンダクタワイヤ１４と、サンプル室１の側と励起ワイヤ１１、１３、GMRセンサ１２及び第１のコンダクタワイヤ１４がある側との間の金層１５として延在する第２のフラットな基準コンダクタ１５とを有する。従って第１及び第２の基準コンダクタは、その中間にGMRセンサ１２を持つサンドイッチ構造を形成する。
【００４４】
図２は、図１のII-IIラインを通る断面を示し、第１の基準コンダクタ１４と第２の基準コンダクタ１５とが、その遠端でビア１６(又は低インピーダンスな他の接点)を介してショートされている。そのフロントエンドでは、第２の基準コンダクタ１５が接地に接続され、第１の基準コンダクタ１４が電流源２０(又は代替的に直列状の抵抗を備える定電圧源)に接続される。こうして、基準電流Irefが、第１の線形コンダクタ１４を通り導電されることができ、第２のフラットなコンダクタ１５に戻されることができる。
【００４５】
図３は、線形の第１のコンダクタ及び並行する平面の第２のコンダクタの上述の構成の磁気効果を概略的なスケッチで示す。図３において、１つ(又は複数の)方形コンダクタ１４は、接地平面１５の近くで懸架される。電流Irefは、コンダクタ１４を通過し、接地平面１５を通って戻る。電磁気学の理論において、磁場は保存場(conservative)であることが知られている。従って、電流Irefにより生成される磁束Φは、電流の前進経路と戻り経路との間にある領域S(ABCD)に完全に閉じ込められる。
【００４６】
これを更に説明するために、図４は、図３の構成に関する磁場等位ラインを示す。磁場Brefのすべての磁力線が、接地平面１５の片側にのみ閉じ込められる点に気付くことが重要である。
【００４７】
図１及び２に戻り、上記した考慮事項から、第１及び第２の基準コンダクタ１４及び１５により生成される基準磁場Brefは、サンプル室１における任意のサンプル２から空間的に分離されるということが分かる。従って、基準磁場Brefは、GMRセンサ１２にのみ結合される。これとは対照的に、励起ワイヤ１１、１３の励起磁場Bは、第２のコンダクタ１５の上のサンプル室１にまで貫通し、その中にある磁気粒子２を磁化することができる。
【００４８】
図１は、３つまでの層A1、A2、A3を備えるセンサデバイスの可能な実現を更に示す。第１の実施形態において、線形の基準コンダクタ１４は、CMOS信号調整チップの上部金属層(層A2+A3)の１つで実現される。その上部では、GMRスタック１２及び他の接続部を備える薄膜バックエンド(層A1)が配置される。薄膜処理の上部の金が、接地平面又は第２のコンダクタ１５として使用され、好ましくはできるだけ大きくされる。例えば、典型的には700 x 700μmのアクティブセンサ領域全体を覆うことが可能である。上部の金は、良好な接地平面を得るために、シールリングによりCMOS IC接地に接続されることができる。
【００４９】
別の実施形態において、基準コンダクタ１４は、半導体基板A3(例えばSi)上に配置されることができ、例えば、Si3N4の層A2に埋め込まれるAuにより実現されることができる。層A2の上では、GMR及び薄膜バックエンドが層A1において実現される。
【００５０】
基準コンダクタ１４及び１５の寸法は、GMRストリップ１２内部の最高の磁場プロファイルに関して最適化されることができる。しかしながら、サンプル室１における基準磁場は、理想的な接地平面の場合にのみ正確にゼロである点に留意されなければならない。この理想的な状態は、まず、平面の上部の金のコンダクタ１５の幅bを、線形の基準コンダクタ１４の幅wより十分大きく選択することにより十分に近似される。第２に、上部の金層１５をより導電性の良いものにし、かつ薄くすることにより、サンプル室１への磁場貫通が減少されることができる。第３に、もっとも重要なことに、基準場Brefには、非常に低い磁場のみが必要とされる。その低磁場は、磁束収束された態様で、正に低磁場が必要とされるGMRスタックを通過することになる。サンプル室側における相手の磁場は、少なくとも60dB(係数1000又はそれ以上)で容易に減衰される。この減衰は、ナノ粒子２の磁化には全く影響を与えないであろう。
【００５１】
図５は、上述した種類の磁気センサデバイスを用いる測定に関するブロック図を示す。励起電力源２１により駆動され、励起ワイヤ１１、１３は、処理Pに対する、即ちナノ粒子動力学(沈殿、作動、バインディング等)に対する入力として励起磁場Bを生成する。その出力Xでは、処理Pが、磁気センサ要素１２における外部磁場を生成する。それは、磁化された粒子により生成される浮遊磁場である。
【００５２】
基準動力源２０、２３により駆動され、第１及び第２の基準コンダクタ１４、１５を備える基準場生成器は、基準磁場Brefを生成する。
【００５３】
処理Pの出力と基準磁場Brefとは、磁気センサ要素１２に対する効果的な入力を生み出すべく重畳される。その結果、その現在のセンサゲインに基づき出力としてセンサ信号(電圧)UGMRが生成される。
【００５４】
従来技術より知られる磁気センサデバイスにおいて、各磁場生成器は、処理Pに対する何らかの漏れを持つ。この漏れは、図５において破線で示される。この漏れは、生成された磁場もサンプル室に貫通するという事実が原因によるものである。その場合、生成された磁場は、サンプルの(未知の)反応を引き起こす。漏れがある場合、センサ信号における変化が、センサドリフトによりもたらされるか、又は例えばセンサ上部での磁気ナノ粒子の累積によりもたらされるかを区別することができない。これに対し、本発明の磁気センサデバイスにおいては、漏れが存在しない(又は、少なくとも無視できるレベルにまで低減される)。これは、基準磁場Brefがサンプル室から空間的に分離されていることによるものである。従って、基準磁場Brefに対する磁気センサ要素１２の反応は、未知のかく乱からは解放され、このことが、センサ特性を決定するのに採用されることができる。
【００５５】
上述した検討に基づき、信号分離ユニット４０が、基準磁場Brefのみに依存する「基準成分」をセンサ信号UGMRにおける他の「残余成分」から分離する。すると比較器４１が、センサ信号の基準成分と、基準電力源２０、２３の出力との間の比較から、磁気センサ要素１２の実際のセンサゲインを決定することができる。代替的に又は追加的に、比較器４１が、センサ信号の処理に含まれる他の電子成分のゲインも決定することができる。従って、センサ信号の残余成分に対する調整可能なプロセッサ４２が、可変センサゲイン及び／又は他のゲイン変動に関して自律較正される出力Ycalを生成するため、決定されたゲイン値におけるドリフトを反映するエラー信号Eに基づき、比較器４１により調整されることができる。
【００５６】
実際の測定の間、励起電力源２１は、励起ワイヤ１１、１３に励起電流を提供する。第１の実施形態において、センサ１２の付近には何ら磁気ナノ粒子は存在しない。従って、結果として生じる全体のシステム出力Ycal(s)は、ゼロレベルとしてシステムメモリに格納される。続いて、生体アッセイが実行され、そうして得られるシステム出力Ycal(s)と格納済みのゼロレベルとの差を見れば、生体情報が分かる。測定の間、例えば磁気領域変動、温度又は機械的圧力が原因による任意のドリフトが補償される。自律較正法の連続的かつ同時的な性質の結果として、アッセイ動力学を監視し、情報を抽出するために、最新の値だけでなくすべての中間信号値が利用されることができる。
【００５７】
図６は、図５のシステムの第１の具体的な実現を示す。励起ワイヤ１１、１３は、励起電力源２１により励起周波数f1の交流I1で駆動される。GMRセンサ１２は、電流源２２によりDC電流I2で駆動される。基準場コンダクタ１４，１５は、基準電力源２３により基準電流Irefで駆動される。基準電流Irefの周波数frefは、周波数セレクタ２０によりセットされる。
【００５８】
GMRセンサ１２における電圧UGMRは、センサ信号を表す。それは、コンデンサ２４及び増幅器２５を介してサンプリングされる。増幅されたセンサ信号は、その後、処理回路の更に下位ブランチにおいて、励起周波数f1で現れる所望の信号を抽出するため励起周波数f1で変調される。すると、最終的なセンサ出力Ycalを生み出すため、その変調された信号が、可変ゲイン増幅器３０を通り送られる。
【００５９】
処理回路の上位ブランチにおいて、増幅されたセンサ信号は、基準磁場Brefが原因による信号から基準成分を抽出するため、基準周波数frefで駆動される第２の復調器２６に送られる。抽出された基準成分は、センサ信号の抽出された基準成分と(基準場生成器を駆動する)周波数セレクタ２０の出力との間の関係から現在のセンサゲイン及び／又は例えば増幅器２５といった他の処理要素のゲインを決定するゲイン推定ユニット２８に低域フィルタ２７を通り送られる。その後、計算されたゲイン値と所定のベースレベルとの偏差Eが、可変ゲイン増幅器３０のゲインをそれに従って調整するのに使用される。
【００６０】
上述された方法は、センサ挙動における変動を処理するだけでなく、信号処理電子機器によりもたらされる誤差をも処理できる点に留意されたい。従って、増幅器２５及び他の電子回路のゲインは、正確には知られておらず、処理変動、成分許容範囲等に依存する。このことは、定量測定には問題となる。更に、関連する(電子)ゲインも、温度ドリフトの影響を受ける。まず関連するゲイン値を決定し、次にそれに従って測定を補償することにより、本書で提示される較正方法は、こうした追加的な誤差を効果的に除去する。
【００６１】
図６の実施形態において、GMRセンサ１２は、DC電流源２２によりバイアスされ、励起ワイヤ１１、１３は、例えばf1 = 1 MHzの周波数で変調される。基準コンダクタ１４、１５は、例えばfref = 10 MHzの基準周波数により変調される。外部磁気信号及び基準信号は、まず空間で分離され(磁気粒子は、frefによっては影響されない)、次に、周波数領域で分離される。
【００６２】
センサデバイスは、GMRセンサ１２付近に磁気粒子が存在しない瞬間からアッセイの終了まで連続的に較正されるので、GMRセンサバイアス電流I2の変調をする必要がない(容量性及び誘導性結合は較正により除去される)。これは、非常に有利である。なぜなら、ACの低ノイズ電流源よりDCの低ノイズ電流源を構築する方がかなり簡単だからである。しかしながら、好ましくは、GMRセンサ電流は例えばf2 = 1 kHzの非ゼロ周波数により変調されることができ、その信号は、f1±f2で、復調器２９において抽出されることができる。
【００６３】
図７は、図５のシステムの別の実現を示す。図７では、ゲイン推定ユニット２８により決定されるセンサゲインの偏差Eが、調整可能なセンサ電力源２２'に対する入力として使用される。従って、センサ電流I2の大きさは、センサドリフトを補償するために調整される。
【００６４】
図８の実施形態において、ゲイン推定ユニット２８により決定されるセンサゲインの偏差Eと、復調器２９を出る復調されたセンサ信号とが、アナログデジタルコンバータ３１によりデジタル領域へと変換される。こうして、追加的な処理及び特にデータの較正が、多目的なマイクロコンピュータにより実現されることができる。
【００６５】
基準信号及びアッセイから生じる磁気信号の同時的な空間及び周波数分離のための手段を提供することにより、本発明によるセンサデバイスは、自律構成されることができ、従って、任意のドリフト原因(バルクハウゼンノイズ、温度、機械的圧力等)を補償することができる。これは、磁気センサデバイスの精度を明らかに改善する。
【００６６】
最後に、本願において、単語「comprising(有する)」は、他の要素又はステップの存在を排除するものではないこと、「a」又は「an」は、複数性を排除するものではないこと、及び単一のプロセッサ又は他のユニットが、複数の手段の機能を実現することができることに留意されたい。本発明は、それぞれすべての新規な特徴的機能及びそれぞれすべての特徴的機能の組み合わせ内に存在する。更に、請求項におけるいかなる参照符号も発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による基準場生成器を備える磁気センサデバイスを通る概略的な断面を示す図である。
【図２】図１の磁気センサデバイスを通る、垂直方向での概略的な断面を示す図である。
【図３】線形である第１のコンダクタと平面である第２のコンダクタとの間の基準磁場の生成を透視図で示す図である。
【図４】図３の構成での計算された磁場等位ラインを示す図である。
【図５】本発明による自律較正を伴う磁気センサシステムのブロック図を示す図である。
【図６】可変ゲイン増幅器を備える図５のシステムの特定の実現を示す図である。
【図７】センサ電流の調整を伴う図５のシステムの特定の実現を示す図である。
【図８】デジタル処理のためのアナログ信号の変換を伴う図５のシステムの特定の実現を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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