(57)【要約】  Ｎは少なくとも２であるＮ個の並列磁気センサーストリップを有する少なくとも１つの磁気センサー素子が提供される。またＮ個の磁気センサーストリップにわたり一定電圧が印加される。センサー装置は、高い均一な感度を備えた広いセンサー表面が要求されるアプリケーションに有利に適用され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサー装置であって：
−少なくとも１つの磁気センサー素子、及び
−磁界を生成する少なくとも１つの磁界生成手段、を有し、
前記少なくとも１つの磁気センサー素子は、複数のＮ個の並列磁気センサーストリップを有し、及び前記センサー装置は、前記少なくとも１つの磁気センサー素子に一定電圧を印加する電圧源を更に有する、センサー装置。
【請求項２】
前記磁気センサー素子は基盤上に位置付けられ、及び前記センサー装置は前記磁気センサー素子と同一基盤上に位置付けられた信号処理手段を更に有する、請求項１記載のセンサー装置。
【請求項３】
前記磁界生成手段は、導体及び前記導体を通じて流れる交流電流を生成する交流電流源を有する、請求項１記載のセンサー装置。
【請求項４】
前記磁気センサー素子、前記信号処理手段及び前記磁界生成手段は、集積回路を形成する、請求項２記載のセンサー装置。
【請求項５】
前記磁気センサーストリップは、磁気抵抗センサーストリップである、請求項１記載のセンサー装置。
【請求項６】
前記磁気抵抗センサーストリップは、ＡＭＲ、ＧＭＲ又はＴＭＲセンサーストリップである、請求項５記載のセンサー装置。
【請求項７】
前記信号処理手段は、少なくとも１つの増幅器を有する、請求項２記載のセンサー装置。
【請求項８】
前記信号処理手段は、線形化回路を更に有する、請求項７記載のセンサー装置。
【請求項９】
前記センサー装置は、それぞれＮ個の並列磁気センサーストリップを有する２つの磁気センサー素子を有する、請求項１記載のセンサー装置。
【請求項１０】
前記センサー装置は、少なくとも１つの磁気センサー素子の全電流信号を測定する手段を更に有する、請求項１記載のセンサー装置。
【請求項１１】
方法であって、磁性粒子の存在検出又は測定のためであり、前記方法は：
−磁気センサー素子は複数のＮ個の並列磁気センサーストリップを有し、前記磁気センサー素子の周辺に磁界を生成する段階、
−前記磁気センサー素子に一定電圧を印加する段階、及び
−前記磁気センサー素子の全信号電流を測定する段階、を有する方法。
【請求項１２】
請求項１記載のセンサー装置の、分子診断、生体成分分析、又は化学成分分析への使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば磁性ナノ粒子のような、しかしこれに限定されない磁性粒子の検出又は測定のための装置及び方法に関する。特に本発明は、並列磁気センサーストリップを有する磁気センサー及び当該センサーの動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＭＲ（異方性磁気抵抗）、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）及びＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子に基づく磁気抵抗センサーは、今日、重要になってきている。磁気ハードディスクヘッド及びＭＲＡＭのような、知られている高速用途に加え、分子診断学、ＩＣ内の電流検知、自動車等の分野で新たな比較的低帯域用途が現れている。
【０００３】
磁気抵抗センサーのある例は、バイオチップである。バイオチップは、バイオセンサーチップ、バイオロジカルマイクロチップ、遺伝子チップ、又はＤＮＡチップとも称され、最も単純な形式の基盤で存在する。当該基盤上には当該チップの境界明瞭な領域に多数の異なるプローブ分子が取り付けられ、分析されるべき分子又は分子の断片は、それらが完全に一致した場合、当該基盤と結合し得る。例えば、ＤＮＡ分子の断片は、１つの一意的な相補ＤＮＡ（ｃ−ＤＮＡ）分子の断片と結合する。結合反応の発生は、例えば分析されるべき分子と結合される蛍光マーカーを用いることにより検出され得る。これは、少量の多数の異なる分子又は分子の断片を並列に、短時間に分析する能力を提供する。１つのバイオチップは、１０−１０００以上の異なる分子断片のアッセイを保持し得る。バイオチップの使用から利用可能になり得る情報の実用性は、ヒトゲノムプロジェクトのようなプロジェクト及び遺伝子とタンパク質の機能に関する追跡研究の結果として、来る１０年の間に急速に増大することが予想される。
【０００４】
特許文献１では、マイクロアレイ又はバイオチップ上の生体分子の検出のための磁性ナノ粒子バイオセンサーが開示される。当該センサーはＧＭＲセンサー素子を用いる。磁気抵抗センサー１は、特許文献１のある実施例で記載されているように、図１に図示される。センサー１は、バイオチップ基盤４の表面５の下の距離ｄにおいて基盤４に統合された、第１のＧＭＲセンサー素子２及び第２のＧＭＲセンサー素子３を有する。バイオチップ基盤４の表面５は、ナノ粒子６を表面５と結合させるため、変更されなければならない。
【０００５】
図１では座標系が導入されており、当該座標系によると、第１及び第２のＧＭＲセンサー素子２、３は、ｙ方向に特定長に亘り延在する。磁気抵抗センサー素子２、３がｘｙ平面にある場合、ＧＭＲセンサー素子２、３は、磁界のｘ成分を主に検出する。つまり当該ＧＭＲセンサー素子は、ｘ方向に感知可能方向を有する。バイオチップを読み出すために、バイオチップと結合された超常磁性ナノ粒子６は、外部の、バイオチップの平面と垂直な均一磁界により帯磁される。垂直磁界は、第１及び第２のＧＭＲセンサー素子２、３へ向かい及び当該センサー素子に近い、ナノ粒子６により形成される磁気双極子の端において、より高い磁界に方向を合わせる。帯磁ナノ粒子６は、下にあるＧＭＲ膜の平面内に、反対の磁気誘導ベクトルの領域を生成する。そして結果として生じた磁界は、第１及び第２のＧＭＲセンサー素子２、３により検出される。ＧＭＲセンサー素子２、３の出力は、比較器へ供給される。
【０００６】
一般的に言えば、信号出力と雑音出力との間の比であるＧＭＲセンサーの信号対雑音比（ＳＮＲ）は、ストリップの面積に比例する。従って：
ＳＮＲ∝ｌ×ｗ
ここで、ｌはＧＭＲセンサーの長さ、ｗは幅である。
【０００７】
ＧＭＲセンサー素子２、３の長さを増大すると、ＳＮＲが増大するが、その結果として必要な供給電圧も増大する。これは、ＧＭＲセンサー及び信号処理回路が集積回路に結合される用途に殆ど適合しない。
【０００８】
多くの用途では、センサー長ｌを増大することは有益である。特許文献１に提案された磁気抵抗センサー１の形状は、感度がセンサーストリップの端において最大であるものである。結果として、ストリップ幅の増大はＳＮＲを向上せず、そしてＳＮＲを改善するただ１つの方法は、センサー長の増大による。更に、センサー面積を広くすると、結合されるナノ粒子数が増大し、及び従って結合処理の雑音が低減する。
【０００９】
問題は、センサー素子２、３の長さを増大し及び従って磁気抵抗センサー１の長さｌを増大すると、磁気抵抗センサー１の抵抗値も増大するという事実から生じる：ＲＧＭＲ＝Ｒｓｑ×（１／ｗ）ここで、ＲＧＭＲは個々の磁気抵抗センサー１の抵抗値、及びＲｓｑはＧＭＲセンサー素子２、３に用いられる磁気抵抗材料のシート抵抗値である。
【００１０】
電流源手段７（図２を参照）により印加される一定検知電流Ｉｓが与えられると、必要な供給電圧Ｖｓｕｐｐｌは、磁気抵抗センサー１の抵抗値の増加と共に増加する。これは、ＩＣ工程が最大利用可能供給電圧を制限するので、集積回路で特に問題である。更に、ＧＭＲセンサーにかかる最大電圧もまた制限される。
【特許文献１】国際公開第０３／０５４５２３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、磁気抵抗センサー、並びに削減された供給電圧を必要とし及び／又はセンサー表面の磁性粒子の結合分布への感度の低下を示す磁性粒子の検出又は測定の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的は、本発明による方法及び装置により達成される。
【００１３】
本発明の特定の及び好ましい態様は、添付の独立及び従属請求項に記載される。従属請求項からの特徴は、独立請求項の特徴と及び他の独立請求項の特徴と、単に請求項に明示的に記載されただけでなく適切に組み合わせられて良い。
【００１４】
本発明は、少なくとも１つの磁気センサー素子、及び磁界を生成する少なくとも１つの磁界生成手段、を有するセンサー装置を提供する。本発明によると、少なくとも１つの磁気センサー素子は、複数のＮ個の並列センサーストリップを有し、Ｎは少なくとも２である。また、センサー装置は、少なくとも１つの磁気センサー素子に一定電圧を印加する電圧源を更に有する。本発明の実施例によると、磁気センサーストリップは、例えばＧＭＲ、ＴＭＲ、又はＡＭＲセンサーストリップのような磁気抵抗センサーストリップであって良い。
【００１５】
本発明によるセンサー装置では、センサー装置周辺の磁性粒子からの全測定信号は、磁性粒子がセンサー素子の異なるセンサーストリップに渡り均一に又は不均一に分布しているかに拘わらず、磁性粒子の量に比例し変化する。結果として、全測定信号は、従って別個の磁気センサーストリップの磁性粒子の結合分布により影響を受けない。
【００１６】
本発明によるセンサー素子は、オンチップ又はオフチップの磁界生成手段の何れと共に実施されても良い。更に、本発明による装置は、高い均一な感度を備えた広いセンサー表面が要求される場合に有利に適用され得る。
【００１７】
磁気センサー素子は、基盤上に位置付けられて良い。また、センサー装置は、磁気センサー素子と同一基盤上に位置付けられた信号処理手段を更に有して良い。本発明の実施例では、磁気センサー素子、信号処理手段及び磁界生成手段は、集積回路を形成して良い。信号処理手段は、少なくとも１つの増幅器を有して良い。別の実施例では、信号処理手段は、線形化回路を更に有して良い。線形化回路は、センサー素子の非線形Ｒ−Ｈ特性を補正する機能を有する。
【００１８】
ある実施例では、磁界生成手段は、導体及び当該導体を通じて流れる交流電流を生成する交流電流源を有して良い。
【００１９】
本発明の特定の実施例では、センサー装置は２つの磁気センサー素子を有して良く、各磁気センサー素子はＮ個の並列磁気センサーストリップを有し、Ｎは少なくとも２である。
【００２０】
本発明によると、センサー装置は、少なくとも１つの磁気センサー素子を通じて流れる電流を測定する手段を更に有して良い。
【００２１】
本発明は、磁性粒子の存在検出又は測定の方法を更に提供する。前記方法は、−磁気センサー素子は複数のＮ個の並列磁気センサーストリップを有し、前記磁気センサー素子の周辺に磁界を生成する段階、−前記磁気センサー素子に一定電圧を印加する段階、及び−前記磁気センサー素子の全信号電流ｉｓを測定する段階、を有する。
【００２２】
本発明による実施例では、磁界を生成する段階は、導体と前記導体を通じる電流を生成する電流源とを有する磁界生成器により実行されて良い。
【００２３】
本発明による検出方法を適用することにより、低周波数磁気ノイズ及び低周波数電子ノイズのドリフト及びオフセットが抑制される。
【００２４】
本発明は、本発明によるセンサー装置の分子診断、生体成分分析、又は化学成分分析への使用を更に有する。
【００２５】
本発明のこれら及び他の特性、特徴及び利点は、例として本発明の原理を図示する図を参照し与えられる以下の詳細な説明から明らかであろう。本記載は、例としてのみ与えられ、本発明の範囲を限定しない。
【００２６】
引用された参照図は、添付の図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
異なる図中で、同一の参照符号は同一又は類似の要素を参照する。
【００２８】
本発明は、特定の実施例に関し及び特定の図を参照して記載されるが、本発明はこれらの実施例及び図に限定されず、請求項によってのみ限定される。請求項の如何なる参照符号も、本発明の範囲を制限すると見なされるべきではない。記載された図は、単なる説明のためであり、非限定的である。図中、いくつかの要素の大きさは強調され、説明を目的として実際の縮尺通りに描かれない。「有する」の語は本願の説明及び請求項で用いられるが、他の要素又は段階を排除しない。不定冠詞又は定冠詞、例えば「１つの」が単数の名詞を参照する場合に用いられるが、特に別途記載されない場合、これは当該名詞の複数を有する。
【００２９】
更に留意すべき点は、説明及び請求項で用いられる「有する」の語が、その後に列挙される手段に限定されると解釈されるべきでなく、他の要素又は段階を排除しないことである。従って、「装置は手段Ａ及びＢを有する」の表現の範囲は、構成要素Ａ及びＢのみを有する装置に限定されるべきではない。当該表現は、本発明に関しては、装置の関連する構成要素はＡ及びＢだけであることを意味する。
【００３０】
既に背景技術で述べたように、従来技術のセンサーは、ＳＮＲの向上を達成するためセンサー素子２の長さを増大することにより、センサー抵抗ＲＧＭＲもまた増大し、結果として、電流源７により提供される一定検知電流Ｉｓと共に、必要な供給電源が増大する（図２を参照）。
【００３１】
この問題のある解決法は、しかしながら好ましくないが、全磁気抵抗センサー素子２を複数のＮ個の磁気抵抗センサーストリップ１０に分割することであり得る。各センサーストリップ１０は抵抗値Ｒ／Ｎを示し、各センサーストリップ１０へ一定検知電流Ｉｓが電流源１１により提供される。しかしながら、電流駆動の並列ＧＭＲ又はＴＭＲセンサーストリップ１０は、全センサー信号がセンサーストリップ１０にわたる磁性粒子１２の分布に依存するという欠点を有する。従って、異なるセンサーストリップ１０にわたる磁性粒子１２の不均一な分布の場合、ストリップ１０は、その場合、全てが抵抗値の同一の変化ΔＲを有さない。従って、全抵抗値及び従って全センサー信号ｅｓは、異なるセンサーストリップ１０にわたる磁性粒子１２の分布に依存する。磁性粒子１２は小さい寸法を有し、例えばナノ粒子であって良い。ナノ粒子は、少なくとも１次元の範囲０．１ｎｍ乃至１０００ｎｍ、望ましくは３ｎｍ乃至５００ｎｍ、より望ましくは１０ｎｍ乃至３００ｎｍを有する粒子を意味する。磁性粒子１２は、印加された磁界（例えば磁界は常磁性であり得る）による磁気モーメントを取得し得るか、又は永久磁気モーメントを有し得る。磁性粒子１２は、混合物、例えば非磁性物質内部の又はそれに付着した１つ以上の小さい磁性粒子を有し得る。粒子１２がＡＣ磁界の周波数に対しゼロ以外の応答を生成する限り、つまり粒子１２が磁気感受性又は透磁性を生成する場合、粒子１２は用いられ得る。
【００３２】
図３には、磁性粒子１２がセンサー装置のセンサーストリップ１０にわたり等しく分布されている状況が図示される。磁性粒子１２が存在しない場合、各センサーストリップ１０は抵抗値Ｒ／Ｎを示す。等しい量の磁性粒子が各センサーストリップ１０の表面に存在する場合、これらセンサーストリップ１０のそれぞれの抵抗値は、値ΔＲ／Ｎとともに変化する。これは図３の参照番号１５により図解的に図示される。センサーストリップ１０のそれぞれの抵抗値は従って、ＲＧＭＲ＝（Ｒ＋ΔＲ）×（１／Ｎ）に変化する。各センサーストリップ１０の抵抗値は等しいので、同一の電流Ｉｓがセンサーストリップ１０のそれぞれを通じて流れる。結果として、等しく分布した粒子１２の存在により、センサー装置にわたり測定された実効センサー信号は、次式の通りである：
ｅｓ＝Ｉｓ×（ΔＲ／Ｎ）
最悪の状況であるある特定の状況で、全磁性粒子１２がある単一のセンサーストリップ１０に集結した場合（図４に図示されるように）、実効センサー信号ｅｓは、磁性粒子の存在により変化した電圧であり、次式の通りである：
【００３３】
【数１】
2008522146.tif 000003
Ｎ＝１０及びΔＲ／Ｒ＝０．０４とする場合、実効センサー信号は、均一に分布した磁性粒子１２と比較して７３％減少される。
【００３４】
従って、本発明の態様によると、この問題の解決法は、磁気センサー素子１３を、Ｎは少なくとも２である複数のＮ個の並列の別個の磁気センサーストリップ１０として配置することである。センサー素子１３を形成する並列センサーストリップ１０の数は、制限されない。しかしながら、センサー素子１３の抵抗値が低すぎる場合、例えば１０オームより低い場合、センサーの熱ノイズの下のノイズレベルを有する前置増幅器を実施することは不可能になり得る。
【００３５】
これら磁気センサーストリップ１０に渡り、及び従って磁気センサー１３に渡り、電圧源１４により提供される一定電圧が印加される（図５を参照）。磁気センサーストリップ１０は、例えばＡＭＲ、ＧＭＲ又はＴＭＲセンサーストリップのような磁気抵抗センサーストリップであって良い。
【００３６】
従って、各センサーストリップ１０に渡る電圧降下は、一定であり、及びセンサー素子１３を通る全電流は測定される。全信号電流ｉｓは、従って各センサーの電流の和と等しい。従って、全信号電流ｉｓは、磁性粒子１２がセンサー素子１３の異なるセンサーストリップ１０に渡り均一に又は不均一に分布しているかに拘わらず、磁性粒子１２の量に比例して変化する。結果として、全測定信号（この例では電流）は従って、別個の磁気センサーストリップ１０の磁性粒子１２の結合分布により影響を受けない。全センサー信号は、信号電流ｉｓ＝Ｎ×Ｉｓにより表される。
【００３７】
センサー長を増大すること及び磁気センサー素子１３を別個の磁気センサーストリップ１０に分割することの利点は、供給電圧を増大することなくＳＮＲ（信号対雑音比）を向上させることである。これは、低電圧ＩＣ工程に適合する長いセンサーストリップ１０を効果的に作成する。別の利点は、全センサー信号がセンサーストリップ１０の磁性粒子１２の結合分布と独立であることである。
【００３８】
図６は、本発明に従い用いられて良い可能な信号処理手段２０を図示する。また信号処理手段２０は、この実施例では、磁気センサー素子１３が例えばバイオセンサー（以下の記載を参照）のようなセンサー装置内で用いられる場合、センサー信号を増幅する演算増幅器（ＯｐＡｍｐ）２１のような増幅器を有して良い従って、この実施例では、磁気センサー素子１３は、Ｎ個の並列磁気センサーストリップ１０を、ＯｐＡｍｐ回路２２を有する信号処理手段２０と共に有する。磁気センサー素子１３及び信号処理手段２０は、同一基盤上に位置付けられる（図には示されない）。本発明の実施例では、「基盤」の語は、如何なる下層の材料又は用いられて良い材料を有して良く、又は当該基盤の上に装置、回路若しくはエピタキシャル層が形成されて良い。他の代案の実施例では、この「基盤」は、例えばドープされたシリコン、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基盤のような半導体基盤を有して良い。「基盤」は、例えば、半導体基盤部分に加えＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４層のような絶縁層を有して良い。従って、基盤の語はまた、シリコンオングラス、シリコンオンサファイアの基盤を有して良い。「基盤」の語は、従って層又は対象の部分の基礎にある層の成分を一般的に定めるために用いられる。また、「基盤」は、層が形成される如何なる他の基礎、例えばガラス、プラスチック又は金属層であっても良い。
【００３９】
しかしながら、理解されなければならない点は、図６が本発明に従い用いられて良い可能な信号処理手段２０の単なる例であり、及び本発明を限定しないことである。信号処理手段２０は、例えば１つ以上のＯｐＡｍｐ２１を有して良く、又は他の機能を更に有して良い（以下の記載を参照）。
【００４０】
本発明の別の実施例では、第１及び第２の増幅器、例えばそれぞれＯｐＡｍｐ回路２１ａ及び２１ｂの半ブリッジ構成が設けられる。これは図７に図示される。このような半ブリッジ構成を用いることにより、温度の影響及び磁界を乱す共通モードの影響は、除去され得る。例えば、磁界は、例えば導体を介し、第１のＯｐＡｍｐ回路２１ａのセンサーストリップ１０ａに印加されて良い。第１のＯｐＡｍｐ回路２１ａの信号は、加算器２３へ送出される。如何なる磁界も、第２のＯｐＡｍｐ回路２１ｂのセンサーストリップ１０ｂに印加されない。第２のＯｐＡｍｐ回路２１ｂから加算器２３へ送出された信号は、センサーストリップから到来する雑音のみを有する。第２のＯｐＡｍｐ回路２１ｂの信号は、第１のＯｐＡｍｐ回路２１ａの信号から減算される。そして結果として生じた信号は、次に更に処理され得る。このように、磁界を乱す共通モードの補正が実行され得る。両方の並列センサー素子１３ａ及び１３ｂは同一基盤上で互いに近いので、それらは同一温度であり、及びそれらは同一温度依存性Ｒ（Ｔ）を有する。従って、温度変化は、両方の並列センサー素子１３ａ及び１３ｂからの信号に同一量で影響し、及び当該影響は減算の後相殺される。言い換えると、当該影響は共通モードの影響である。
【００４１】
センサー特性の線形化の理由で、図８に図示されるように、しばしばホイートストンブリッジ構成が用いられる。ホイートストンブリッジ構成はセンサー素子１３毎に４個の磁気センサーストリップ１０を必要とするので、構成の不利点は、面積効率が悪いことである。更に、必要な供給電圧は、前の実施例と比較して倍である。
【００４２】
同一の機能は、しかしながら、図９に図示される本発明の更なる実施例によるセンサー構成を用いることにより実施され得る。センサー構成は、それぞれＮ個の並列磁気センサーストリップ１０ａ、ｂを有する２つの磁気センサー素子１３ａ、ｂ及び信号処理手段２０を有して良い。信号処理手段２０は、センサー信号を増幅する２つの増幅器２１ａ、ｂを有して良い。信号処理手段２０は、第２のセンサー素子１３ｂから到来する信号を第１のセンサー素子１３ａから到来する信号から減算する加算器２３を更に有して良い。信号処理手段２０は、ＡＤコンバーター２４を更に有して良い。
【００４３】
信号処理手段２０はまた、センサー素子１３ａ、ｂの非線形Ｒ−Ｈ特性を補正する機能を有する線形化ユニット２５を有して良い。この実施例では、磁気センサー素子１３ａ、ｂからの信号は、増幅されそしてデジタル領域に変換される。デジタル回路は、磁気センサー素子１３ａ、ｂの非線形Ｒ−Ｈ曲線を補正する。これは、ＲＯＭテーブル又は固定若しくは適応係数を有する算術関数を用い実施され得る。各磁気センサー素子１３ａ、ｂの非線形性は、磁界を各磁気センサー素子１３ａ、ｂに印加しそしてＲ−Ｈ特性又はその逆関数（補正）の指標をチップ又は基盤に格納することにより較正され得る。
【００４４】
本実施例では、線形化機能はデジタル領域で実施される。しかしながら、他の実施例では、線形化機能はまた、例えばダイオードのような非線形素子を用いることにより、アナログ領域で実施され得る。
【００４５】
理解されるべき点は、図９に図示されたセンサー構成が、単に例を意味し、本発明を限定しないことである。センサー構成は、２つ以上又は以下のセンサー１３ａ、ｂ、１つ以上又はゼロのＡＤコンバーター２４、及び１つ以上の線形化機能２５を有して良い。標準的なバイオセンサーは例えば、以下に記載されるが、複数、例えば１００の磁気センサー素子１３ａ、ｂを有して良い。各磁気センサーは、個々に又はグループで信号処理手段２４へ多重化される。
【００４６】
センサーの近傍で磁性粒子１２の存在及び／又は濃度を検出するために、磁界が印加されなければならない。これは、磁界生成手段により行われて良い。磁界生成手段は、ある実施例では、磁気センサー素子１３及び信号処理手段２０と同一基盤に位置付けられて良く、オンチップ磁界生成手段と称される。この例では、磁気センサー素子１３、信号処理手段２０及び磁界生成手段は、集積回路を形成し得る。別の実施例では、磁界生成手段は、別の基盤上に位置付けられて良く、及び従ってオフチップ磁界生成手段と称される。
【００４７】
従って、本発明によるセンサー素子１３は、オンチップ又はオフチップの磁界生成手段の何れと共に実施されても良い。更に、本発明による装置は、高い均一な感度を備えた広いセンサー表面が要求される場合に有利に適用され得る。
【００４８】
本発明によるセンサー素子１３が適用され得るセンサー装置３０のある例は、図１０に図示されたバイオセンサー装置３０である。バイオセンサー装置３０は、カートリッジ筐体３１、容器３２及び／又は物質、例えば分析されるべき検体を有するチャンネル３３、及びバイオチップ３４を有して良い。バイオチップ３４は、マイクロアレイと称される、固体基盤上に配置された小型化された試験サイトの集合であり、高いスループット及び速度を達成するために多くの試験を同時に実行可能である。バイオチップ３４は、それぞれ生物活性分子、例えば短いＤＮＡ鎖又はプローブを有する１０乃至１０００の小さい容器に分割され得る。遺伝子に関する用途（例えば遺伝子解読）に加え、バイオチップ３４は、毒物、タンパク質、及び生物学研究で、臨床検査及び疾患検出を向上するための科学研究で、診断及び最終予防に用いられ得る。
【００４９】
バイオチップ３４は、バイオチップ３４の表面に、少なくとも１つの、望ましくは複数のプローブ領域を有する基盤を有する。各プローブ領域は、プローブ領域の表面の少なくとも部分に渡りプローブ素子３５を有する。プローブ素子３５は、例えば結合分子又は抗体を有し、例えば対象の分子属又は抗原のような対象サンプル分子３７と選択的に結合可能なような結合サイト３６を設けられる。マトリックスと結合し得る如何なる生物活性分子も、この用途で使用される可能性がある。例として、一時変異を有する又は有さない核酸（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ）、一時変異を有する又は有さないタンパク質又はペプチド（例えば、抗体、ＤＮＡ、又はＲＮＡ結合タンパク質）、オリゴ又は多糖類又は糖類、阻害物質のような小分子、リガンド、マトリクスに公差結合した又はスペーサー分子を介しであって良い。
【００５０】
図１１Ａでは、磁性粒子１４でラベル付けされたセンサー分子３８は、対象サンプル分子３７と選択的に結合可能である。この例では、磁性粒子１５は、対象サンプル３７と間接的に結合される。図１１Ｂでは、対象サンプル分子３７は、磁性粒子１４により直接ラベル付けされる。また図１１Ｃでは、対象サンプル分子３７は、対象サンプル分子３７の上にラベル３９によりラベル付けされる。またこの例では、磁性粒子１４は、対象サンプル分子３７と間接的に結合される。
【００５１】
バイオチップ３４の機能は以下の通りである。各プローブ素子３５は、特定の種類の結合サイト３６を設けられる。対象サンプル分子３７は、プローブ素子３５に現れるか又は通過する。そして結合サイト３６及び対象サンプル分子３７が一致した場合、それらは互いに結合する。図１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃに図示されたように、磁性粒子１４は、対象サンプル分子３７と直接に又は間接に結合される。磁性粒子１４は、バイオチップ３４により集められた情報の読み出しを許可する。これを達成するため、各結合サイトは別個にアドレス指定又は読み出し可能である。
【００５２】
バイオセンサー装置３０は、流動体、液体、ガス、粘弾性媒体、ジェルのようなサンプル、又は組織サンプル内の磁性粒子１２を検出するために適用されて良い。
【００５３】
バイオセンサー装置３０は、基盤及び回路、例えば集積回路を有して良い。回路は、本発明に従い記載されたような少なくとも１つの磁気センサー１３、及び例えば導体の形式の少なくとも１つの磁界生成器を有して良い。
【００５４】
しかしながら、留意しなければならない点は、上述のバイオセンサー装置３０が単なる例であること、及び本発明により提供される包括的解決法が低電圧ＩＣ工程とＧＭＲ素子を結合すること、及び従って本発明がこれらバイオセンサーへの適用に限定されないことである。本発明によるセンサー装置３０はまた、例えば画素毎に均一の感度を有する磁気カメラ装置で、又は磁気エンティティが並列センサー素子１３ａ、ｂにより検知されて良いＭＲＡＭで用いられて良い。
【００５５】
図１２は、本発明の実施例によるＮ個の並列センサーストリップ１０を有するセンサー素子１３に適用される磁性粒子１２の検出方法を図示する。正弦波（ｓｉｎ  ａｔ）のような適切な振幅を有し及び例えばしかし限定的でなく電源４１により供給される５０ｋＨｚの周波数を有する変調信号Ｍｏｄ（ｔ）は、導体４２へ送出され、導体電流Ｉｃを変調する。高周波数は、本発明によると、当該周波数、例えば１００Ｈｚ以上、望ましくは１ｋＨｚ以上、及びより望ましくは５０ｋＨｚ以上、例えば１ＧＨｚまでにおいて磁性粒子１２の実質的な動きを生成しない周波数を意味する。導体電流は、如何なる適切な波形、例えばＩｃ＝Ｉｃｓｉｎ  ａｔにより変調される。またこの変調電流は、磁気センサーストリップ１０の位置において主に垂直の又はｚ方向の磁界を誘起する。
【００５６】
検知電流Ｉｓは、磁気センサーストリップ１０を通過する。磁性粒子１２の存在がない場合、入力信号は、導体４２からのＡＣ磁界である。磁気センサーストリップ１０の近傍のナノ粒子１２の存在に依存して、磁気センサーストリップ１０の位置における磁界、及び従って磁気センサーストリップ１０の抵抗値は、変化される。磁気センサーストリップ１０の感知可能なｘ方向の磁界Ｈｘは、磁性粒子１２の数Ｎｎｐ及び導体電流Ｉｃに一次比例する：
Ｈｘ∝ＮｎｐＩｃｓｉｎ  ａｔ
磁気センサーストリップ１０の抵抗値が異なると、センサーストリップ１０にわたる電圧降下が異なり、及び従って、磁気センサー素子１３により供給される測定信号が異なる。
【００５７】
磁気センサー１３により供給される測定信号は、次に、増幅、従って増幅信号Ａｍｐｌ（ｔ）を生成する増幅器２１を有する読み出し回路へ供給される。この増幅信号Ａｍｐｌ（ｔ）は、復調器、例えば変調信号Ｍｏｄ（ｔ）（この例ではｓｉｎ  ａｔに等しい）を有する復調乗算器４３を通過することにより同期復調され、結果として中間信号Ｍｕｌｔ（ｔ）を生じる。中間信号Ｍｕｌｔ（ｔ）は、次式の通りである：
Ｍｕｌｔ（ｔ）＝ＮｎｐＩｃｓｉｎ２ａｔ＝ＮｎｐＩｃ×１／２（１−ｃｏｓ  ２ａｔ）
最後の段階で、中間信号Ｍｕｌｔ（ｔ）は、低域通過フィルター４４を通じて送出される。結果として生じる信号Ｄｅｔ（ｔ）は従って、磁気センサーストリップ１０の表面に存在する磁性粒子１２の数Ｎｎｐに比例する。
【００５８】
本発明のこの実施例で記載された検出方法を適用することにより、低周波数磁気ノイズ及び低周波数電子ノイズのドリフト及びオフセットが抑制される。
【００５９】
上述の磁性粒子１２の検出方法は、単なる１つの例であり、本発明を制限しない。他の実施例では、信号処理手段は、他の及び／又は追加の機能を有して良い。
【００６０】
理解されるべき点は、好ましい実施例、特定の構造及び構成、同様に材料が本発明のために本願明細書で議論されたが、形式及び詳細の種々の変化又は変更が本発明の範囲及び精神から逸脱することなく行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来技術による、ＧＭＲセンサー素子を有する磁気抵抗センサーの部分の断面図である。
【図２】従来技術による、電流駆動の長いＧＭＲストリップを示す。
【図３】解決されるべき問題の好ましくない解決法による電流駆動の並列センサーストリップを示す。
【図４】図３のような電流駆動の並列センサーストリップの特定の場合を示し、全ての磁性粒子は１つの単一ストリップに集結される。
【図５】本発明の実施例による、電圧源により電力供給される並列センサーストリップを示す。
【図６】本発明の実施例による、バイオセンサー装置の略図を示す。
【図７】本発明の実施例による、第１及び第２のＯｐＡｍｐ回路のブリッジ構成を図示する。
【図８】従来技術の、センサー装置内の全ホイートストンブリッジ構成を図示する。
【図９】集積回路内での実施に適した、本発明の実施例によるセンサー構成を図示する。
【図１０】本発明の実施例による、バイオセンサー装置の略図を示す。
【図１１Ａ】対象サンプルを選択的に結合可能な結合部位を設けられたプローブ素子の詳細を示し、磁性ナノ粒子は対象サンプルと異なる方法で直接に又は間接に結合される。
【図１１Ｂ】対象サンプルを選択的に結合可能な結合部位を設けられたプローブ素子の詳細を示し、磁性ナノ粒子は対象サンプルと異なる方法で直接に又は間接に結合される。
【図１１Ｃ】対象サンプルを選択的に結合可能な結合部位を設けられたプローブ素子の詳細を示し、磁性ナノ粒子は対象サンプルと異なる方法で直接に又は間接に結合される。
【図１２】本発明の実施例による検出方法の概略図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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