(57)【要約】  本発明は、高感度方向を有する複数の磁気センサ素子を有する磁気センサ装置に関する。磁気センサ素子(43)のうちの少なくとも1つには磁束ガイド(44)が供される。前記磁束ガイド(44)は、磁場を磁気センサ装置に印加される高感度方向でセンサ素子に集中させる。よって印加磁場は、磁束ガイドによって磁気センサ素子の高感度方向へ曲げられる。このようにして、その印加磁場の磁場強度及び/又は方向は、磁性粒子がなくても測定できる。これはたとえば、磁気センサ装置の校正に用いることができる。
2008525789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粒子を定性的又は定量的に検出する磁気センサ装置であって、
当該磁気センサ装置は複数の磁気センサ素子を有し、
前記複数の磁気センサ素子の各々は高感度方向を有し、
少なくとも1つの磁気センサ素子には磁束ガイドが付随し、
該磁束ガイドは、当該磁気センサ装置に印加される磁場を、付随するセンサ素子へ前記高感度方向に集中させる、
磁気センサ。
【請求項２】
前記磁束ガイドは、前記少なくとも1つの磁気センサ素子からの信号が前記センサ素子での前記印加される磁場の磁場強度を表すように、位置設定される、請求項1に記載の磁気センサ装置。
【請求項３】
前記磁気センサ素子は第1面内に存在し、かつ前記磁束ガイドは第2面に存在し、
前記第1面と前記第2面とは互いにほぼ平行となるような位置に設定されて、
前記磁束ガイドは、前記磁気センサ素子との重なりdを示し、
前記重なりdは、前記第1及び前記第2面とほぼ垂直な方向に沿った前記磁束ガイドへの前記磁気センサ素子の射影によって定義される、
請求項2に記載の磁気センサ装置。
【請求項４】
前記磁気センサ素子と前記磁束ガイドとの間の前記重なりdが0%から100%の間である、請求項3に記載の磁気センサ装置。
【請求項５】
前記磁気センサ素子と前記磁束ガイドとの間の前記重なりdが25%から75%の間である、請求項4に記載の磁気センサ装置。
【請求項６】
前記磁気センサ素子は互いに対向する第1側面及び第2側面を有し、
前記磁束ガイドは、前記第1側面又は前記第2側面のうちのいずれか1を少なくとも超えて延びる、
請求項5に記載の磁気センサ装置。
【請求項７】
2の磁気センサ素子を有する磁気センサ装置であって、
各磁気センサ素子には磁束ガイドが付随し、
各磁気センサ素子は高感度方向を有し、
前記磁気センサ素子は、それらの高感度方向が互いに直交するように位置設定されている、
請求項1に記載の磁気センサ装置。
【請求項８】
前記磁束ガイドが軟磁性材料で構成されている、請求項1に記載の磁気センサ装置。
【請求項９】
前記磁束ガイドが細長である、請求項1に記載の磁気センサ装置。
【請求項１０】
前記磁気センサがバイオセンサである、請求項1に記載の磁気センサ装置。
【請求項１１】
複数の磁気センサ素子を有する磁気センサ装置に印加される磁場を評価する磁気センサセルであって：
高感度方向を有する磁気センサ素子；及び
前記印加される磁場の方向を前記磁気センサ素子の前記高感度方向へ変換する磁束ガイド；
を有する磁気センサセル。
【請求項１２】
前記磁気センサ素子は第1面内に存在し、かつ前記磁束ガイドは第2面に存在し、
前記第1面と前記第2面とは互いにほぼ平行となるような位置に設定されて、
前記磁束ガイドは、前記磁気センサ素子との重なりdを示し、
前記重なりdは、前記第1及び前記第2面とほぼ垂直な方向に沿った前記磁束ガイドへの前記磁気センサ素子の射影によって定義される、
請求項11に記載の磁気センサセル。
【請求項１３】
前記磁気センサ素子が磁気抵抗センサ素子である、請求項11に記載の磁気センサセル。
【請求項１４】
前記磁気抵抗素子が、GMR、TMR又はAMRセンサ素子のうちの1つである、請求項13に記載の磁気センサセル。
【請求項１５】
前記磁束ガイドが軟磁性材料で構成されている、請求項11に記載の磁気センサセル。
【請求項１６】
磁気センサ装置に印加される磁場を評価する方法であって：
高感度方向を有する磁気センサ素子を有する磁気センサセルを少なくとも1つ有するセンサ装置へ磁場を印加する磁場印加手順；
前記印加される磁場を前記磁気センサ素子の前記高感度方向へ曲げる偏向手順；及び
前記磁気センサ素子によって、前記曲げられた磁場の特性を検知する検知手順；
を有する方法。
【請求項１７】
前記磁場印加手順がチップ外の磁場発生装置によって実行される、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
前記磁場印加手順が電磁石によって実行される、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記検知手順が少なくとも1方向で前記曲げられた磁場の磁場強度を測定する手順を有する、請求項16に記載の方法。
【請求項２０】
前記測定された磁場強度から前記印加される磁場の磁場強度を導く手順をさらに有する、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
前記検知手順が第1方向及び第2方向で前記曲げられた磁場の磁場強度を測定する手順を有し、
前記第1方向と前記第2方向とが互いにほぼ垂直である、
請求項19に記載の方法。
【請求項２２】
前記第1方向と前記第2方向での前記測定された前記磁場強度から前記印加される磁場の磁場強度を導く手順をさらに有する、請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
磁気センサ装置の校正用に請求項11に記載の磁気センサセルを利用すること。
【請求項２４】
磁気センサ装置の校正用に請求項16に記載の方法を利用すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気粒子の定性的及び/又は定量的な検出又は決定用磁気センサ装置、磁気センサ装置に印加される磁場を評価する磁気センサセル及びその利用、並びに磁気センサ装置に印加される磁場を評価する方法、に関する。
【背景技術】
【０００２】
異方性磁気抵抗(AMR)、巨大磁気抵抗(GMR)及びトンネル磁気抵抗(TMR)に基づく磁気抵抗センサの重要性が近年増大している。たとえば磁気ハードディスクヘッド及び磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)のような既知である高速の用途に加えて、比較的新しい低データ転送速度の用途が、分子診断学(MDx)、ICの電流検知、自動車産業などに登場している。
【０００３】
そのような磁気抵抗センサの低データ転送速度の用途の1つがバイオチップである。バイオセンサチップ、生物学的マイクロチップ、遺伝子チップ又はDNAチップとも呼ばれるバイオチップは最も単純な形式の基板に存在する。その基板上には、多数の異なるプローブ分子がそのチップ上の画定された領域上に付着する。分析される分子又は分子片が完全に一致する場合には、それらはその基板上に結合できる。たとえば、DNA分子片が、1つの固有な相補的DNA(c-DNA)分子片と結合する。結合反応の発生は、たとえば分析される分子と結合する蛍光マーカーによって検出されて良い。これにより、少量でかつ多数の種類を有する分子又は分子片を平行でかつ短時間で分析することが可能となる。1つのバイオチップで、10-1000以上の異なる分子片の分析が可能である。たとえばヒトゲノムプロジェクト、並びに遺伝子及びタンパク質の機能に関する追随研究の結果、バイオチップの利用から得ることのできる情報の有用性は、次の10年の間で急速に増大することが期待される。
【０００４】
特許文献1では、磁気抵抗バイオセンサについて開示されている。このバイオセンサは、ベッドサイドでのポイントオブケアの分子診断学(MDx)の応用を目的とする。感度、小さな形状因子、低コスト、集積化、及び低電力消費が重要な問題である。
【０００５】
図1は、特許文献1で説明されている、1素子につき多くの粒子を有する検出器の一部を図示している。磁気抵抗素子は、ほぼ20μm×20μmを測定し、かつシリコンウエハ11上に堆積された磁気抵抗膜のフォトリソグラフィ（又は他の形式のマイクロリソグラフィ）によって作製される。たとえば12のような参照用磁気抵抗素子は結合分子を有していない。信号用磁気抵抗素子は、図1の小円で表された、共有結合により付着した分子13のコーティングを有する。結合分子13を有する信号用磁気抵抗素子14は、認識する過程で付着する磁性粒子17を有する。図1を簡略化するため、粒子17上の結合位置もターゲット分子も図示されていない。微細加工された金の細片15のネットワークはバイアス電圧を有する。たとえば出力用細片16のような各別個の微細加工された金の細片は、出力電圧を有する。図1の検出器は、各磁気抵抗素子12及び14についての出力用細片16を有する。磁気抵抗素子12及び14、並びに金の細片15及び16を覆うシリコン酸窒化物、高分子、ダイアモンド状カーボン、又は他の絶縁性材料は図示されていない。結合する分子コーティング13は、絶縁性材料全体にわたって成膜されている。約250の磁気抵抗素子を含む検出器全体は、約1mm×1mmを測定し、かつ10のターゲット種を検出する能力を有する。
【０００６】
その検出器は以下のように動作する。磁場発生装置（図示されていない）は、玉すなわち磁性粒子17を磁化する磁場を発生させる。磁場発生装置は、電磁石、空心ワイヤコイル、直線ワイヤ、導電性微細加工されたトレース線、又は永久磁石であって良い。磁化玉17の各々は、隣接する磁気抵抗素子12及び14内に存在することで、それらの素子の抵抗を変化させる磁場を発生させる。各磁化玉は磁気抵抗素子12及び14の抵抗に束縛される。ホイートストンブリッジが、信号用素子14の抵抗と参照用素子12の抵抗とを比較するのに用いられる。参照用素子12は信号用素子14の近傍に位置し、抗体すなわち結合分子13が存在しないことを除けば信号用素子14と同一である。ホイートストンブリッジの出力はデジタル形式に変換される。マイクロプロセッサが変換された結果である情報を集め、検出器上の磁化玉17の全数を決定する。この情報、及び装置作製者によって供される校正データから、マイクロプロセッサはターゲット種の濃度を計算することができる。
【０００７】
特許文献1で説明されているようなバイオセンサでは、発生した磁場は垂直なz方向の磁場で、この磁場は常磁性粒子17を磁化することによって水平な磁場成分を発生させる。バイオセンサ上のGMR細片は、これらの常磁性粒子17によって誘起される面内水平磁場成分を測定することによって、これらの粒子17の存在を検出する。
【０００８】
たとえば校正目的では、好適にはGMR細片又はセンサ素子に近くにおいて、センサ表面についての外部磁場の磁場強度及び方向は既知でなければならない。しかしバイオセンサ上のGMR細片はz方向では敏感ではない。従って検出されなければならない磁性粒子17が存在しない場合では、印加磁場の方向がバイオセンサの高感度方向と一致しないため、バイオセンサに印加される磁場を測定できない。
【特許文献１】米国特許第5981297号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、センサ装置の高感度方向とは異なる方向に印加される磁場を検知できる磁気センサ装置及び対応する方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、本発明に従った方法及び装置によって実現される。
【００１１】
本発明の特定実施例及び好適実施例は、「特許請求の範囲」の独立及び従属請求項で説明されている。従属請求項に係る特徴は、明示的に記載されていないが、独立請求項に係る特徴、及び他の従属請求項に係る特徴と適当に組み合わせられて良い。
【００１２】
本発明の第1態様では、磁性粒子を定性的又は定量的に検出する、たとえばバイオセンサのような磁気センサ装置が供される。磁気センサ装置は複数の磁気センサ素子を有し、各磁気センサ素子は高感度方向を有する。少なくとも1つの磁気センサ素子には磁束ガイドが付随し、その磁束ガイドは、磁気センサ装置に印加される磁場を、高感度方向で、付随するセンサ素子に集中させる。磁気センサ装置へ印加される磁場はたとえば、外部磁場、つまりチップ外の磁場発生手段によって発生する磁場、であって良い。
【００１３】
磁束ガイドは磁場センサ装置の磁気センサ素子からは電気的に絶縁されている。その目的は、磁場センサ素子に印加される磁場を、高感度方向で、参照用センサ素子へ集中させるためである。磁束ガイドはたとえば細長くて良い。
【００１４】
本発明のある実施例に従うと、磁束ガイドは、磁気センサ素子からの信号が、印加磁場の磁場強度を示すような位置に設定されて良い。
【００１５】
一の実施例では、磁気センサ素子は第1面内に存在し、かつ磁束ガイドは第2面に存在して良い。第1面と第2面とは、互いにほぼ平行となるような位置に設定されている。磁束ガイドは、磁気センサ素子と距離dだけ重なっていて良い。重なりdは、第1及び第2面とほぼ垂直な方向に沿った磁束ガイドへの磁気センサ素子の射影によって定義される。重なりdは、0%から100%の間であって良く、好適には25%から75%の間である。
【００１６】
本発明に従った一の実施例では、磁気センサ素子と磁束ガイドとの間の重なりdは、磁気センサ素子の幅wと等しくて良い。
【００１７】
本発明の別な実施例では、磁気センサ素子は、互いに対向する第1側面及び第2側面を有して良い。磁束ガイドは、第1側面又は第2側面のうちのいずれかを少なくとも超えて延びて良い。
【００１８】
特定の実施例では、磁気センサ装置は、少なくとも2の磁気センサ素子を有する。各磁気センサ素子には磁束ガイドが付随し、各磁気センサ素子は高感度方向を有する。少なくとも2の磁気センサ素子は、それらの高感度方向が互いに直交するように位置設定されて良い。このようにして2の垂直方向での磁場強度を得ることができるので、印加磁場に関してさらなる情報を得ることができる。
【００１９】
本発明の実施例に従うと、磁束ガイドは、軟磁性材料で形成されて良い。軟磁性材料とはたとえば、鉄-シリコン合金、ニッケル-鉄合金、一般式MOFe2O3で表される軟フェライト又はアモルファスつまり非晶質合金である。アモルファスつまり非晶質合金はたとえば、ボロン、カーボン、リン又はシリコンのうちの1種類以上を有する、鉄、ニッケル、及び/又はコバルトのいずれかを有して良い。
【００２０】
本発明の第2態様では、複数の磁気センサ素子を有する磁気センサ装置に印加される磁場を評価する磁気センサセルが供される。そのセンサセルは、高感度方向を有する磁気センサ素子、及び、印加磁場の方向を磁気センサ素子の高感度方向へ変換する磁束ガイドを有する。
【００２１】
本発明に従った磁気センサセルの利点は、印加磁場の強度が校正段階中に評価されるとき、固定表面での局所磁場強度が既知であるため、ある程度の量の磁場不均一性を許容できることである。
【００２２】
他の利点は、局所磁場強度が測定可能であるため、印加磁場の均一性に対して厳しい制約がないことである。磁気センサ装置は、集積された磁場強度測定装置なので形状因子が小さい。局所磁場強度を測定するため、全体的な正確さは改善可能である。
【００２３】
本発明の実施例では、磁気センサ素子は第1面内に存在し、かつ磁束ガイドは第2面に存在して良い。第1面と第2面とは、互いにほぼ平行となるような位置に設定されている。磁束ガイドは、磁気センサ素子と距離dだけ重なっていて良い。重なりdは、第1及び第2面とほぼ垂直な方向に沿った磁束ガイドへの磁気センサ素子の射影によって定義される。
【００２４】
磁気センサ素子はたとえば、GMR、TMR又はAMRセンサ素子のような磁気抵抗素子であって良い。磁束ガイドは、軟磁性材料で形成されて良い。軟磁性材料とはたとえば、鉄-シリコン合金、ニッケル-鉄合金、一般式MOFe2O3で表される軟フェライト又はアモルファスつまり非晶質合金である。アモルファスつまり非晶質合金はたとえば、ボロン、カーボン、リン又はシリコンのうちの1種類以上を有する、鉄、ニッケル、及び/又はコバルトのいずれかを有して良い。
【００２５】
本発明に従ったセンサセルはたとえば、磁気センサ装置の校正に用いられて良い。
【００２６】
本発明の別な態様では、磁気センサ装置に印加される磁場を評価する方法が供される。当該方法は：
高感度方向を有する磁気センサ素子を有する磁気センサセルを少なくとも1つ有するセンサ装置へ磁場を印加する手順；
印加磁場を曲げる手順、つまり印加磁場の方向を変化させる、すなわち印加磁場の一部を磁気センサ素子の高感度方向へ集中させる手順；及び
磁気センサ素子によって、曲げられた磁場の特性を検知する手順；
を有する。
【００２７】
本発明に従った実施例では、磁場を印加する手順は、たとえば電磁石のようなチップ外の磁場発生装置によって実行されて良い。本発明に従った他の実施例では、チップ外の磁場発生装置とチップ内の磁場発生装置とを併用して、磁気センサ装置へ磁場が印加されて良い。
【００２８】
本発明の実施例では、曲げられた磁場の特性を検知する手順は、少なくとも1方向での曲げられた磁場強度を測定する手順を有して良い。他の実施例では、当該方法は、測定された磁場強度から印加磁場強度を導く手順をさらに有して良い。一の実施例では、曲げられた磁場の特性を検知する手順は、第1方向及び第2方向での磁場強度を測定する手順を有して良い。第1方向及び第2方向は互いにほぼ垂直である。
【００２９】
本発明に従った他の実施例では、当該方法は、第1方向及び第2方向での測定された磁場強度から印加磁場強度を導く手順をさらに有して良い。
【００３０】
本発明に従った方法はたとえば、磁気センサ装置の校正に用いられて良い。
【００３１】
本発明の、これら及び他の特徴、特性及び利点は、添付の図と共に以降の詳細な説明から明らかとなる。これらの図は、本発明の原理を例示している。本明細書の説明は、例示目的のみであり、本発明を限定するものではない。以降の参照番号は図中の参照番号を指す。
【００３２】
各異なる図において、同一参照符号は、同一又は同様の素子を指すものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明を、特定の図を参照しながら特別の実施例について説明する。しかし本発明はそれによっては限定されず、請求項によってのみ限定される。請求項中の参照符号は、本発明の技術的範囲を限定するものと解されてはならない。これから説明する図は単なる概略図であって、非限定的である。図中では、例示目的のため、いくつかの構成要素の大きさが強調され、かつ正しいスケールで描かれていないかもしれない。
【００３４】
明細書及び特許請求の範囲中で用いられている、第1、第2、第3等の語は、同種の構成要素同士を区別するために用いられていて、必ずしも生起順序すなわち時系列順序を説明しているわけではない。上記の語は適切な状況下で交換可能であり、かつ本明細書で説明されている本発明の実施例は本明細書で説明又は例示されている順序とは異なる順序で動作することが可能であることに留意して欲しい。
【００３５】
さらに明細書及び特許請求の範囲中で用いられている、上部、下部、〜の上、〜の下等の語は、説明目的で用いられており、必ずしも相対位置を説明するために用いられているわけではない。上記の語は適切な状況下で交換可能であり、かつ本明細書で説明されている本発明の実施例は本明細書で説明又は例示されている配置とは異なる配置で動作することが可能であることに留意して欲しい。
【００３６】
本発明は、磁気センサ装置に関する。磁気センサ装置はたとえば、磁性粒子の定性的又は定量的検出及び/又は決定に用いられて良い。その磁性粒子の大きさは小さくても良く、たとえばナノ粒子であっても良い。ナノ粒子とは、0.1nmから1000nmで、好適には3nmから500nmで、より好適には10nmから300nmの範囲である少なくとも1の次元を有する粒子を意味する。磁性粒子は、印加磁場に起因する磁気モーメントを得ることができるか（たとえばその磁性粒子は常磁性であって良い。）、又は永久磁気モーメントを有して良い。磁性粒子は、たとえば非磁性粒子内部に存在する又は非磁性粒子に付着する1以上の小さな磁性粒子で構成される複合体又はクラスタであって良い。
【００３７】
本発明に従った磁気センサ装置は複数の磁気センサ素子を有し、各磁気センサ素子は高感度方向を有する。磁気センサ素子のうちの少なくとも1は参照用素子である。特別な測定をしなければ、センサ装置中の磁気センサ素子がその磁気センサ装置の面に垂直な方向に敏感ではないため、そのセンサ素子の面に垂直な方向に磁場成分を有する発生磁場は、磁性粒子のない磁気センサ素子によっては正確に測定されない。そのセンサ素子の面に垂直に印加される磁場は全く検出されない。しかしたとえばバイオセンサのような磁気センサ装置を校正するような特別の目的では、好適には磁気センサ素子近くの、センサ表面に対する印加磁場の磁場強度及び方向は既知でなければならない。磁気センサ素子近くとはつまり、磁場の均一性に依存して、磁気センサ素子から10μmから1000μmの範囲で、好適には10μmから100μmの範囲で、最も好適には10μmから50μmの範囲である。
【００３８】
従って本発明に従うと、少なくとも1の参照用素子は、磁気センサ装置に印加される磁場を、参照用センサ素子へ、その高感度方向に集中させる磁束ガイドを有する。これは、外部から印加された磁場の方向が、磁気センサ素子の高感度方向に曲げられることを意味する。よって本発明に従ったセンサ装置は、磁束ガイドが供されることで印加磁場の強度及び方向の決定が可能になるため、磁性粒子がなくても正確に校正できる。
【００３９】
本発明に従った磁束ガイドが供される参照用磁場センサ素子を有する参照用セルが利用可能な磁気センサ装置の一例が、図2に図示されているバイオセンサ装置30である。バイオセンサ装置30は、カートリッジ筐体31、材料つまり分析される検体を含むチャンバ32及び/又はチャネル33、及びバイオチップ34を有して良い。バイオチップ34は、固体基板上に配備されている、マイクロアレイと呼ばれる、小型化した検査場所の集合である。固体基板によって、より高処理能力及び高速を実現するために多くの検査を同時に実行することが可能となる。バイオチップ34は、10から1000の小さなチャンバに分割されて良い。各チャンバは、たとえば短いDNAらせん構造又はプローブのような生物活性分子を含む。遺伝子応用（たとえば遺伝子解読）に加えて、バイオチップ34は、毒物学、タンパク質、及び生化学研究の分野、並びに病原の検出、診断及び究極的には予防を改善させる医療診断及び科学研究の分野で用いられて良い。
【００４０】
バイオチップ34はその表面に、少なくとも1つで好適には複数のプローブ領域を有する。各プローブ領域は、その表面の少なくとも一部の上にプローブ素子35を有する（図3参照）。プローブ素子35には、ターゲット試料分子37と選択的に結合可能な結合位置36が供される。結合位置36はたとえば結合分子又は抗体を含み、ターゲット試料分子37とはたとえばターゲット分子種又は抗原のようなものである。マトリックスと結合できる生物学的に活性な分子であれば如何なる分子も、この用途に利用できる可能性を有する。例としては、修飾されている核酸若しくは修飾されていない核酸（たとえばDNA、RNA）、修飾されている核酸若しくは修飾されていないタンパク質若しくはペプチド（たとえば抗体、DNA又はRNA結合タンパク質）、オリゴ糖若しくは多糖類若しくは糖、抑制剤、リガンド、それ自体で若しくはスペーサ分子を介してマトリックスに架橋しているような小さな分子であって良い。磁性粒子38は、ターゲット試料分子37と直接的（図示されていない）又は間接的（図3に図示されている）に結合して良い。
【００４１】
バイオセンサ装置30は、たとえば流体、液体、気体、粘弾性媒体、有孔性媒体、ゲル又は細胞組織試料のような試料中で磁性粒子38を検出するように備えられて良い。
【００４２】
バイオチップ34は、基板及び、たとえば集積回路のような回路を有して良い。回路は、少なくとも1の磁気センサ素子及び少なくとも1の磁場発生装置を有する。磁場発生装置はたとえば、外部すなわちチップ外磁場発生装置であって良いし、又はチップ外磁場発生装置とチップ上に実装された磁場発生装置とを組み合わせたものであっても良い。チップ上に実装された磁場発生装置によって発生する磁場は好ましくない。その理由は、そのような磁場は大抵の場合非常に局所的でかつ不均一なので、測定された磁場をセンサ装置上に存在する値に変換するのがかなり複雑になるためである。この変換は、センサ装置のチップレイアウト、及び、たとえば電流ワイヤのような磁場発生手段中の電流によって決定される。さらにそのようなチップ上で発生した磁場は面内成分を発生させる。それにより大抵の場合において、前記磁場の測定を可能にするのに、磁束ガイドを追加する必要がなくなる。
【００４３】
磁気センサ素子はたとえば、GMR、TMR又はAMRセンサ素子のような磁気抵抗素子であって良い。
【００４４】
本発明の別な実施例に従うと、水平なチップ上に実装されているコイルによる誘導測定が実行されて良い。交流である外部の垂直方向磁場から発生する誘導電圧が前記磁場を測定する方法である。典型的には、そのような外部磁場は、前記磁場が容易に検出できるように、かなり大きい(>10kA/m)。
【００４５】
本発明は、磁気センサ装置のうちの少なくとも1の参照用磁気センサ素子に磁束ガイドを供する。その磁束ガイドは、磁気センサ装置の磁気センサ素子から電気的に絶縁されている。またその磁束ガイドは、磁気センサ素子に印加される磁場を、高感度方向で、参照用センサ素子へ集中させる。磁束ガイドは磁気センサ素子の近くに設けられている。磁束ガイドは軟磁性材料で作られていることが好ましい。軟磁性材料は、容易に磁化及び消磁する材料である。軟磁性材料は一般的に1000A/m未満の保磁力を有する。本発明での利用が可能な軟磁性材料はたとえば、鉄-シリコン合金、ニッケル-鉄合金、アモルファスつまり非晶質合金、一般式MOFe2O3で表される軟フェライト（ここでMはたとえばニッケル、マンガン又は亜鉛のような遷移金属である。）及び他の全ての適切な軟磁性材料である。又はアモルファスつまり非晶質合金である。アモルファスつまり非晶質合金はたとえば、ボロン、カーボン、リン又はシリコンのうちの1種類以上を有する、鉄、ニッケル、及び/又はコバルトのいずれかを有して良い。磁束ガイドは、印加磁場を磁気センサ素子に集中させるように、印加磁場方向を回転させることができるように位置設定される。そのようにして印加磁場は、磁気センサ素子の高感度であるx方向に曲げられる。その結果、磁気センサ素子によって測定可能な面内磁束成分となる。従って磁気センサ素子からの信号は、印加磁場の強度を表すことができる。そのようにして印加磁場の磁場強度及び/又は方向を測定することができる。
【００４６】
本発明の実施例に従うと、印加磁場の少なくとも一部を磁気センサ素子の面内方向に偏向させることのできる如何なる材料も、磁束ガイドを形成するのに用いられて良い。またたとえば、磁場要素近くの短いコイル巻が、磁場の面内成分を発生させるのに用いられて良い。図4及び図5では、本発明の第1実施例が図示されている。図4は磁束ガイド44を有する参照用センサ素子の断面を図示し、図5はその斜視図を示している。
【００４７】
図4の磁気センサ素子は、基板41及び、たとえば集積回路のような回路を有して良い。本発明の実施例では、“基板”の語は、利用可能な如何なる下地材料、すなわち上に装置、回路又はエピタキシャル層を形成できる材料、を含んで良い。他の代替実施例では、この“基板”は、たとえばドーピングされたシリコン、ガリウムヒ素(GaAs)、ガリウムヒ素リン(GaAsP)、インジウムリン(InP)、又はシリコンゲルマニウム(SiGe)基板のような半導体基板を有して良い。“基板”はたとえば、半導体基板部分に加えられた、たとえばSiO2又はSi3N4層のような絶縁層を含んで良い。よって“基板”という語は、ガラス、プラスチック、セラミックス、シリコン・オン・ガラス、シリコン・オン・サファイアをも含む。よって“基板”という語は、一般に関心層又は関心部分の下に存在する層の構成要素を定義するのに用いられる。また“基板”は、たとえばガラス又は金属層が上に形成される如何なる底部であって良い。図4では、センサ装置の一部に係る測定表面は破線42で表されている。説明を簡単にするため、図4では、複数の磁気センサ素子を有する回路は図示されていない。参照用磁気センサ素子のみが図示されている。
【００４８】
参照用センサ素子43は磁束ガイド44を有する。磁束ガイド44は参照用磁気センサ素子43と電気的に絶縁している。磁気センサ素子43はたとえば、GMR、TMR又はAMRセンサ素子のような磁気抵抗素子であって良い。この実施例では、磁束ガイド44はたとえば、細長のつまり長くて細いストライプ形状を有して良いが、本発明はそれに限定されない。たとえば代替実施例では、磁束ガイド44はほぼ正方形の形状を有するつまり磁束ガイドの幅wfは磁束ガイドの長さにほぼ等しくて良いし、又は、磁束ガイドは非直線形状を有して良いし、又は、磁束ガイドは磁気抵抗素子の長さの一部にのみ存在しても良い。
【００４９】
図5では、磁気センサ素子43に対する磁束ガイド44の位置設定が3次元で表されている。磁気センサ素子43は第1面内で位置設定され、かつ磁束ガイド44は第2面内で位置設定されて良い。第1面は第2面に平行だが、第2面からオフセットされている。この実施例では、基板41は第3面内で位置設定され、かつ第3面内もまた第1面及び第2面と平行であって良い。磁気センサ素子43は、たとえば、1μmから10μmである数μmの幅ws及び0.3μmから1μmである厚さtsを有して良い。磁束ガイド44は、1μmから1000μmである数μmの幅wf及び0.1μmから10μmである厚さtfを有して良い。図示された実施例では、磁束ガイド44は、磁気センサ素子43の下で少なくとも部分的に設けられている。つまり磁束ガイド44は、磁気センサ素子43と基板41との間であって、磁気センサ素子43との重なりがdとなるように設けられている。重なりdは、第1及び第2面とほぼ垂直な方向に沿った磁束ガイド44への磁気センサ素子43の射影によって定義される。重なりdは、磁気センサ素子43の全幅wsの0%から100%の間で、好適には25%から75%の間にわたって延びて良い。特別な場合（以降を参照）では、重なりdは、磁気センサ素子43の全幅wsにわたって延びて良い。
【００５０】
図5から分かるように、磁気センサ素子43は、互いに対向し、かつ磁気センサ素子43の面に垂直である第1側面45a及び第2側面45bを有する。磁束ガイド44は、第2側面45bを超えて第2面内で延びる部分を有して良い。他の実施例では、磁束ガイド44はまた、第1側面45aを超えて又は第1側面45aと第2側面45bの両方を超えて延びても良い。
【００５１】
重要なことは、たとえば左側面である第1側面45aと、たとえば右側面である第2側面45bとの間での面内磁気抵抗が不均衡となるには、面内磁場成分を発生させること、つまり垂直磁場から水平磁場成分を発生させることが必要である、ということである。磁束ガイドの幅wfを増大させることによって、不均衡の増加及び測定される磁場強度の増大が生じる。
【００５２】
本発明の態様に従うと、磁束ガイド44は、印加磁場方向を変化させることを可能にするために磁気センサ素子43と近接している。近接という語は、磁場への効果に関する。図4及び図5の矢印46で示されている磁場、これは外部磁場であって良い、又は内部磁場を印加するとき、この印加磁場46の方向は、磁束ガイド44によって、図4及び図5の矢印47磁気センサ素子43の高感度方向であるx方向へ曲げられる。この結果、図4及び図5の矢印48で示される、磁気センサ素子43の位置での面内磁束成分となる。よってこの面内磁束成分は、磁気センサ素子43によって測定することができる。そのようにして、磁気センサ素子はたとえば、前記少なくとも1の参照用センサ素子の手段によって印加磁場46の磁場強度及び/又は方向を決定することによって、磁性粒子がなくても正確に校正することができる。
【実施例１】
【００５３】
本発明の第2実施例では、磁気センサ装置には、少なくとも2の参照用磁気センサセル40a及び40bが供されて良い。各セルはたとえば、磁気抵抗素子（たとえばAMR、TMR又はGMRセンサ素子）のような磁気センサ素子43及び磁束ガイド44を有する。2つの参照用磁気センサセル40a及び40bは、互いに直交するように位置設定されて良い。つまり例で与えられているように、第1磁気センサセル40aはその磁気センサ素子43がx方向に沿って高感度方向を有するように位置設定され、かつ他の磁気センサセル40bはその磁気センサ素子がy方向に沿って高感度方向を有するように位置設定されて良い（図6参照）。本発明のこの第2実施例に従った参照用磁気センサセル配置を用いることによって、矢印46で示されるz方向に印加された磁場についてのさらなる情報を得ることができる。そのようにして、x方向及びy方向での磁場強度が得られる。得られた前記磁場強度から、印加磁場46の偏り振幅及び全振幅を導くことができる。各参照用磁気センサセル40a及び40bの配置は、図4及び図5に図示されている第1実施例で説明されているようなもので良い。
【００５４】
本発明の別な実施例では、本発明は校正に加えて、たとえばバイオセンシングを目的とするセンサ基板41上の他の磁気センサ素子を飽和させないため、印加磁場46をセンサ表面42に垂直に位置合わせするのにも用いられて良い。図7は、本発明の特別な実施例を図示している。少なくとも1の磁気センサは、磁気センサ素子43及び磁束ガイド44を有する。磁束ガイド44は、磁気センサ素子43の下に設けられている。つまり磁束ガイド44は、磁気センサ素子43と基板41との間であって、磁気センサ素子43の第1側面45a及び第2側面45bを超えて延びて良い。そのようにして、磁気センサ素子43と磁束ガイド44との間の重なりdは、磁気センサ素子43の全幅wsに等しくなる。この実施例では、磁気センサ素子43と磁束ガイド44との間での最大重なりdが実現される。
【００５５】
図7で与えられた例では、たとえば左側面である第1側面45aと、たとえば右側面である第2側面45bとの間には完全な均衡が存在する。これでは、面内磁束成分48が発生しないため好ましくない。しかし図7に図示された磁気センサ配置は本発明の単なる1例である。さらにこの実施例は、磁気測定を可能にするため、第1側面45aと第2側面45bとの間で不均衡が得られるような他のセンサ装置の配置を有する。
【００５６】
高い空間精度が必要なときには、上述の実施例で説明したように、磁束ガイド44が供される磁気センサ素子43を有する複数の磁気センサセル40が、たとえばバイオセンサチップのような磁気センサ装置上に実装されて良い。磁気センサセル40は、磁気センサ装置の基板41に沿った各異なる位置に供されて良い。
【００５７】
磁束ガイド44を有する磁気センサセル40の飽和は、磁場評価測定中に印加磁場を小さくすることによって回避されて良い。与えられた例のように、印加磁場が外部磁場46である場合、これは、たとえば電磁石を用いることによって容易に実装できる。
【００５８】
本発明の利点は、印加磁場の強度が校正段階中に評価されるとき、固定表面での局所磁場強度が既知であるため、ある程度の量の磁場不均一性を許容できることである。
【００５９】
他の利点は、局所磁場強度が測定可能であるため、印加磁場の均一性に対して厳しい制約がないことである。磁気センサ装置は、集積された磁場強度測定装置なので形状因子が小さい。局所磁場強度を測定するため、全体的な正確さは改善可能である。
【００６０】
たとえ本明細書では、本発明に従った装置について好適実施例、特定の構成及び配置並びに材料が論じられたとしても、本発明の技術的範囲及び技術的思想から逸脱することなく、形態及び詳細についての様々な変化型及び修正型が可能であることに留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来技術のバイオセンサを図示している。
【図２】本発明の実施例に従った磁気センサを供することが可能なバイオセンサ装置を概略的に図示している。
【図３】ターゲット粒子との選択的結合が可能な結合位置が供されるプローブ素子、及びそのターゲット粒子と間接的に結合する磁性ナノ粒子の詳細を図示している。
【図４】バイオセンサ基板上に実装された、本発明の実施例に従った評価用素子の断面図である。
【図５】図4の評価用素子の3D像である。
【図６】本発明の実施例に従った2つの評価用素子の配置を図示している。
【図７】バイオセンサ基板上に実装された、本発明の別な実施例に従った評価用素子の断面図である。
【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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【国際調査報告】
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