具有不同內部工作頻率的磁傳感器裝置的製作方法

2023-07-24 16:19:01

專利名稱：具有不同內部工作頻率的磁傳感器裝置的製作方法
具有不同內部工作頻率的磁傳感器裝置本發明涉及磁傳感器裝置，這種磁傳感器裝置包括以不同頻率工 作的磁場發生器、磁傳感器元件和檢測器模塊。更進一步，本發明涉 及這種磁傳感器裝置的用途以及利用這種磁傳感器裝置檢測至少一 種磁性顆粒的方法。WO 2005/010543 Al和WO 2005/010542 A2公開了一種微傳感器 裝置，可以在例如微觀流體生物傳感器中使用這種微傳感器裝置來檢 測利用磁珠標記的生物分子。這種微傳感器裝置有一個傳感器陣列， 包括導線用來產生磁場，還包括巨磁阻(GMR)用來檢測磁珠產生 的雜散場。於是，GMR的信號能夠說明傳感器附近珠子的數量。在已知的磁傳感器裝置中，利用較高的第一頻率f,來產生磁場， 以便通過避免1/f噪聲來提高信噪比(SNR)， GMR傳感器以第二頻 率f2的交流工作，這樣做能夠將GMR輸出中的寄生串擾分量同所需 要的磁信號分開。此外，從(放大後的)GMR輸出提取所需要的磁信號的解調器需要第三頻率f3的輸入信號。這種磁傳感器裝置的一個問題是頻率為&、 f2和f3的信號中任意一個信號的相位噪聲都會降低 上述信噪比。基於這種情況，本發明的一個目的是提供手段來讓磁傳感器裝置 以高信噪比穩定地工作。這一 目的是利用權利要求1和8所述的磁傳感器裝置，權利要求 10所述的用途，以及權利要求11和13所述的方法達到的。在從屬 權利要求中公開了優選實施例。根據本發明的第一方面， 一種磁傳感器裝置包括如下組件 -以第一頻率&的輸入信號(例如電流)工作，用於在相鄰檢查 區產生磁場的至少一個磁場發生器。這種磁場發生器可以利用例如微傳感器基片上的導線實現。-以第二頻率f2的輸入信號(例如電流)工作，並且在它處於所 述磁場發生器的磁場效應範圍內的意義上與上述磁場發生器相聯繫的至少一個磁傳感器元件。磁傳感器元件具體可以是wo2005/010543 Al或WO 2005/010542 A2中描述的那種磁阻元件，尤其 是GMR、 TMR (隧道磁阻)或者AMR (各向異性磁阻)。-以第三頻率f3的輸入信號工作的至少一個檢測器模塊，例如解 調器，用於分開所述磁傳感器元件輸出中與所述磁場發生器產生的磁 場相關的所需要的信號分量。可以將所述檢測器模塊的輸出和輸入信 號例如相乘來產生和所需要的信號成正比的直流分量。-用於產生具有基準頻率fref的基準信號(例如電壓或電流)的 基準發生器。-提供單元，用於利用上述基準信號得到具有所述第一頻率&、 第二頻率f2和第三頻率f3的信號，這個提供單元連接到所述磁場發生 器、磁傳感器元件和檢測器模塊，用於給它們提供對應的輸入信號。上述磁傳感器裝置的一個優點是它的提供單元從一個共用基準 頻率f^得到所需要的具有不同頻率f,、 &和f3的所有三個輸入信號。 因此，三個輸入信號之間的頻率和相位漂移最小，因而能夠顯著地提 高磁傳感器裝置的信噪比和穩定性。最好是將上述提供單元設計成在利用它得到的信號之間具有預 定的相位關係。磁傳感器裝置可以具體包括反饋控制環來控制提供單 元，使得所述磁場發生器、磁傳感器元件和檢測器模塊的輸入信號中 的至少兩個信號之間保持預定相位關係。最好是將反饋控制環設計成 使得所有三個輸入信號之間保持預定相位關係。要注意，在這種情況 下，從定義上講，這些輸入信號是所對應的組件(也就是磁場發生器、 磁傳感器元件和檢測器模塊)中最主要的信號。因此通常利用中間硬 件組件(導線、電阻、放大器等)將這些輸入信號從提供單元的對應 輸出中分離，這些硬體組件會在所述輸出和輸入信號之間帶來相位噪 聲(相位漂移)，影響解調信號。於是，利用中間輸入信號作為能夠 隨控制環改變的基準，能夠補償這些附加相位噪聲。在上述實施例中，反饋控制環最好包括相位檢測器，用於比較兩 個輸入信號的相位。這樣就能夠檢測這些相位之差，並且通過適當地 控制提供單元來應對這些相位之差。在本發明的另一個實施例中，提供單元包括饋有所述基準信號的 至少一個數字分頻器。數字分頻器在本領域中是眾所周知的。它們的 共同特點是它們將輸入端具有頻率fw的信號變換成輸出端具有頻率 f。ut的信號，其中輸入頻率f;ef是輸出頻率f。ut的倍數。數字分頻器的 優點是輸入和輸出之間的頻率比和相位偏移非常穩定，並且能夠通過 外部控制線很容易地加以選擇。提供單元最好包括三個這種數字分頻 器，用來從具有頻率f;ef的基準信號產生所有三個頻率&、 f2禾Qf3。在 這種情況下，最好是至少有兩個分頻器在內部是相位同步的。在上述實施例中，提供單元可以選擇性地包括連接到數字分頻器 的驅動器單元，用於將所述分頻器的輸出變換成需要的波形。根據第 一種實現方式，所述驅動器電路可以包括帶通濾波器，從分頻器的輸 出中消除高頻分量和直流分量。根據第二種實現方式，所述驅動器電 路可以包括查找表、組合網或高速微處理器和數模轉換器，其中的高 速微處理器包括所需波形的數字樣本，數模轉換器用來將這些數字樣 本轉換成模擬波形。根據第二方面，本發明包括具有如下組件的一種磁傳感器裝置 (本發明第一方面裡相似的說明適合於其中相同的實體)-(a) 以第一頻率&的輸入信號工作的至少一個磁場發生器；(b) 以第二頻率f2的輸入信號工作的至少一個相聯繫的磁傳感器元件；(c) 以第三頻率f3的模型信號工作的至少一個檢測器模塊，用於選擇性地處理所述磁傳感器元件的輸出中與所述磁場發生器的工作相關的所需要的信號分量；(d) 跟蹤模塊，用於相對於所需信號分量的相位調整所述模型 信號的模型相位和/或模型幅度。如上所述，因為溫度、老化等原因引起的漂移效應通常都會在磁傳感器裝置進行工作所需要的(高頻)信號中產生不斷變化的相位偏 移，這些相位偏移會顯著地降低信噪比。利用能夠補償出現的所有相 位偏移的相位跟蹤模塊，所描述的這種磁傳感器裝置能夠克服這些缺 點。在上述實施例的更進一步發展中，跟蹤模塊通過優化從所需要的 信號分量和模型信號確定的成本函數，來調整所述模型信號的模型相 位和/或模型幅度。下面將參考附圖描述這種成本函數的具體實例。 這一優化最好用梯度下降法完成。在這種情況下，由於主要需要信號 本身和利用它們所得到的信號，因而通常可以用(模擬)硬體來進行 必要的計算。顧名思義，常常(但不是必須)將"模型信號"用作所需(未知) 信號分量的模型或映象。因此，可以專門構建成本函數，作為所需信 號分量和模型信號之差的度量，例如，按照時間間隔積累的對應值之 間的平方差。可以將本發明第一和第二方面的方法結合起來。在這種情況下， 利用共用基準信號能夠在源頭上就將頻率和相位差最小化，而跟蹤則 能夠在檢測器模塊中進一步補償中間信號路徑帶來的所有相位偏移。本發明還涉及利用上述磁傳感器裝置進行分子診斷、生物樣本分 析或化學樣本分析，特別是體液(血液、唾液等)和細胞中。分子診 斷可以利用例如直接或間接附著到目標分子上的磁珠來實現。本發明的第三方面涉及檢測至少一種磁性顆粒(例如附著到標籤 分子上的磁珠)的一種方法，該方法包括以下步驟-利用第一頻率&的輸入信號在磁傳感器元件附近產生交替磁場；-利用第二頻率f2的輸入信號讓所述磁傳感器元件工作，並感測磁性顆粒與所產生的磁場相關的磁特性；-利用第三頻率f3的輸入信號對所述磁傳感器元件的輸出進行 解調。這種方法的特徵在於上述輸入信號是利用具有基準頻率fref的共用基準信號得到的。在總的形式上，上述方法包括能夠利用前面描述的本發明第一方 面中的磁傳感器裝置來執行的步驟。因此，將引用前面的描述來更加 詳細地說明這一方法的優點和改進之處。根據這一方法的一個優選實施例，所述輸入信號之間的相位關係 由反饋控制環鎖定。因此，能夠防止因為相位噪聲和相位漂移而影響 測量結果，相應地提高信噪比、準確度和穩定性。本發明的第四方面涉及檢測至少一種磁性顆粒的一種方法，該方 法包括以下步驟-利用第一頻率f,的輸入信號在磁傳感器元件附近產生交替磁場；-利用第二頻率f2的輸入信號讓所述磁傳感器元件工作，並感測磁性顆粒與所產生的磁場相關的磁特性，-利用第三頻率的模型信號，處理所述磁傳感器元件的輸出中與所產生的交替磁場有關的需要的信號分量；-相對於所需要的信號分量的相位調整所述模型信號的模型相 位和/或模型幅度。在總的形式上，上述方法包括能夠利用前面描述的本發明第二方 面中的磁傳感器裝置來執行的步驟。因此，將引用前面的描述來更加 詳細地說明這一方法的優點和改進之處。在這一方法的一個優選實施例中，所述模型相位和/或模型幅度 的調整是通過優化從所需要的信號分量和模型信號確定的成本函數 來完成的。本發明的這些方面和其它方面可以通過後面的實施例來說明。這 些實施例將以實例方式利用附圖來加以說明，在這些附圖中

圖1說明具有本發明的磁傳感器裝置的生物傳感器的原理； 圖2是本發明中磁傳感器裝置電路的框圖； 圖3說明磁傳感器裝置的提供單元的第一、基本實施例；圖4說明包括相位反饋環的提供單元的第二實施例； 圖5說明圖4所示提供單元到圖3所示電路的結合； 圖6說明具有相位反饋環的提供單元的第三實施例； 圖7說明提供單元的第四實施例，該提供單元具有波形生成數字 設備；圖8說明檢測器模塊的總體設計，這個檢測器模塊包括跟蹤模 塊，用於跟蹤對傳感器輸出進行解調使用的模型信號的相位； 圖9說明圖8所示設計中跟蹤模塊的具體實現； 圖10說明圖8的一種變體，在其中還跟蹤模型相位的幅度； 圖11說明圖IO所示設計中跟蹤模塊的具體實現； 圖12說明圖8的另一種變體，在其中利用與模型信號幅度無關 的成本函數；圖13原理性地說明圖12中的成本函數；圖14說明圖12所示設計中跟蹤模塊的具體實現。附圖中相似的標號表示相同或相似的組件。在靈敏度、特異性、集成性、使用容易性和成本方面，磁阻生物 晶片或生物傳感器對於生物分子診斷具有有前途的特性。在wo 2003/054566 、 WO 2003/054523 、 WO 2005/010542 A2 、 WO 2005/010543 Al和WO 2005/038911 Al中描述了這種生物晶片的實 例，在本申請中將它們引入作為參考。圖1說明用於檢測超順磁性珠子2的單個磁傳感器裝置10的原 理。由(例如100個)這種傳感器裝置10的陣列組成的生物傳感器 可以被用來同時測量溶液(例如血液或唾液)中大量不同生物目標分 子1 (例如蛋白質、DNA、胺基酸)的濃度。在捆綁方案(所謂的"三 明治化驗")的一種可能實例中，這是通過提供具有第一抗體3的捆 綁表面14，上面捆綁有目標分子l，來實現的。然後可以將攜帶第二 抗體的超順磁性珠子2附著到被捆綁的目標分子1。在傳感器10的 導線11和13中流過的電流產生磁場B，磁場B則磁化超順磁性珠子 2。從超順磁性珠子2出來的雜散場B，產生傳感器裝置10的巨磁阻(GMR) 12中的平面內磁化分量，這會導致可測量的電阻改變。 圖2是可以結合圖1所示磁傳感器裝置10 —起使用的電路的原 理框圖。這一電路包括電流源22，電流源22連接到導線11、 13來 給它們提供發生器電流I,。同樣，GMR12連接到第二電流源23，電 流源23為GMR 12提供傳感器電流12。 GMR 12的信號，也就是它 的電阻產生的電壓降，通過可選的高通濾波器(電容器24)、放大器 25、解調器26、低通濾波器27和模數(AD)轉換器28，被送到傳 感器裝置的輸出端30，供(例如個人計算機)最後處理。可以將解 調器26和低通濾波器27看作檢測器模塊100的一個示例性實現，選 擇性地處理和/或分離(處理前)GMR輸出中需要的信號分量。以第一頻率f調製發生器電流I，以第二頻率f2調製傳感器電流 12，到解調器26的輸入具有頻率f3。將磁激勵場的頻率f,選擇成避開 1/f噪聲和GMR傳感器12的不穩定區，例如f，^1 MHz。通過利用 頻率f2#0 Hz調製GMR傳感器電流，利用同步解調能夠區分寄生(電 感性和電容性)串擾分量和所需要的磁信號，這一點將在下面詳細說明。假設這些信號是正弦波，發生器和傳感器電流變成-11 = Ii,o-sin(27i'fit)12 = 12，0.sin(2兀'f2t)導線11、 13中的高頻電流^在GMR 12中感應出磁場。因為GMR 傳感器對磁場極其敏感這一事實，只有傳感器12的測量信號的磁分 量(不是寄生串擾)被傳感器電流l2乘上。經過放大器25放大以後， 放大後的信號Ampl(t)成為Ampl(t) = 1iN-[Ii,o.sin(2兀.fit)].[l2,o.sin(27r.f2t)] + cr.Ii，o.sin(2兀.fit) +T'l2o.sin(2兀.f2t)' (1) =W |iN. Ii，ol2，o-[cos27C'(fi-f2) t— cos2丌'(fi+f"2)t] + d.Ii,o-sin(2兀.fit) +T'l2'o.sin(2兀'f2t)，其中N是GMR 12附近磁珠2的數量，u是比例因子，。是與導線 11、 13和GMR 12之間的電容性和電感性串擾相關的常數，t是與 GMR 12中傳感器電流12感應出來的傳感器電壓有關的常數(GMR電阻)。這個公式說明，在解調器26中，Ampl(t)和信號cos27i.(fi土f2) 相乘能夠提取出與所需要的數量N成正比的直流信號(也就是f3的 值是6 + f2或者f-f2)。這裡描述的方法的一個問題是給導線11、 13， GMR傳感器12 和解調器26的頻率為f。 &和f3的輸入信號中任何信號上的相位噪 聲都會降低生物傳感器的檢測SNR。此外，由於收到的磁信號SNR可能很低，f3到磁信號的頻率和相位鎖定會帶來額外的噪聲。從鎖相 環(PLL)電路產生頻率為&、 &和f3的上述輸入信號需要三個壓控 振蕩器(VCO)，這些壓控振蕩器非常複雜，很難在IC上集成。因此， 要求磁傳感器裝置IO具有很高的檢測SNR,很高的穩定性，以及容 易調整(激勵)的頻率fp同時很容易用離散元件(最少的組件)實 現以及在IC上實現。根據為了這一目標提出的第一解決方案，在提供單元21中從單個基準發生器20的頻率f;ef得到具有頻率f,、 f2和f3的激勵、傳感和檢測輸入信號，使得這些信號之間的相位噪聲最小。結果，基準發生 器20中的相位噪聲或頻率漂移不影響檢測SNR。如同下面將更加詳 細地描述的一樣，能夠很實際地將小帶寬PLL或DLL (延遲鎖定環) 電路增加到提供單元21而不會降低SNR，從而只是優化信號的相位 而不優化信號的頻率；這一措施是可行的，因為(1)頻率f\、 &和 f3已經準確限定，而且(2)它們的相位關係只是緩慢地變化，例如 隨著溫度和組件容差緩慢變化。此外，通過以數字方式產生所需要的 波形，能夠使相位偏移分量的量最小，這樣做能夠避免檢測器依賴於 溫度和組件容差，使得其離散實現和集成實現變得容易。在圖3中勾略出包括數字分頻器，能夠產生方波信號的提供單元21的第一實施例。來自頻率發生器20的基準頻率fref被三個同步的數字分頻器51、 52和53分頻，這些分頻器分別用M計數器、P計 數器和N計數器實現。產生最低頻率f2的P計數器52使兩個其它分 頻器51和53的相位同步。通過將N計數器53預置成25，可以獲得 90度相位偏移來產生餘弦信號。可以增加帶通濾波器來去除分頻器輸出信號中的直流和高次諧波(比較圖4中的組件61、 62、 63)。由於帶通濾波器和信號路徑中 的相位/延遲不相等，信號之間的相位關係會偏離最優情況。這一影 響可以通過相應地調整計數器預置機制，例如通過改變M和N計數 器中的載入值，來加以補償。在圖4中說明維持最佳相位關係的提供單元121的第二實施例。 和圖3的那些相同的組件具有相同的標號，在這裡不再描述。圖4畫 出了三個驅動器61、 62和63，它們分別和計數器51、 52和53連接， 用於將它們的方波輸出變換成其它波形。驅動器61、 62、 63通常包 括高階帶通濾波設備，用來產生非方波信號，例如正弦波信號。這些信號之間的最佳相位關係會因為溫度變化、漂移和電氣組件 的容差而改變。例如，基準頻率發生器20的漂移會導致三個驅動器 塊61 63中不均衡的相位偏移。通過利用鎖相環或延遲鎖定環系統和 例如控制計數器51 53的預置值，這種影響可以利用所述相位關係的 自適應反饋來加以補償。通過這種方式，應當在儘可能接近傳感器的 點上確定相位關係，例如與場生成導線11、 13的輸入端處的f,對應 的相位，與GMR傳感器12上的f2對應的相位，以及同步解調器26 的輸入端處的解調頻率f3。然後，由相位檢測器PD1和PD2分別比 較所述相位，並且通過經由環路濾波器LF1和LF2改變伴隨分頻器 的"預置"值來將它們分別調整到最佳值。在這裡要注意，假定如果 比較兩個不同頻率，相位檢測器能夠確定相對於最低頻率變遷點的相 位誤差。圖5說明將上述提供單元集成到圖2所示的磁傳感器裝置10， 已經將其中的計數器51~53和驅動器61~63安裝在一個塊中。在第一 實施例中，相位檢測器PD1將就在解調器26前面的頻率f3的輸入信 號跟放大器25和解調器26之間的信號70進行比較。在放大器25(以 及GMR 12和解調器26之間可能存在的其它處理設備)中的相位/ 延遲是定義良好的情況下，可以選擇第二實施例，在這個實施例中， 使用到頻率f2的虛線連接70'代替實線70。要注意，在上述實例中(除了使用虛線70'的情況以外)，相位檢 測器PD1和PD2為零度相位差產生兩個零。這可以通過使用圖6所示的提供單元221的第三實施例來避免。跟圖4相反，在這裡當相位 差等於90度時，兩個相位檢測器PD1、 PD2都輸出零。圖7說明具有數字分頻器51 53的提供單元321以及產生非方波 信號的第四實施例。為了避免模擬電路(例如高階濾波器、波形成形 非線性電路等)產生象正弦和三角形一樣的交替波形，可以增加數模 轉換器(DAC) 81、 82、 83，通過查找表LUT71、 72、 73，組合網 絡(門陣列)或者高速微處理器，它們從計數器比特產生所需要的波 形。通過反覆向上計數和向下計數，並且利用DAC將計數器比特轉 換到模擬域，可以交替地產生三角波而不需要査找表；得到的波接近 正弦波，或者可以通過合適階數的濾波能夠轉換成正弦波。可以選擇 增加低階帶通濾波器91、 92、 93來去除直流和超過基準頻率一半(奈 奎斯特頻率)的頻率分量。結果，能夠避免因為溫度和組件容差帶來 的相位偏移，從而能夠省略相位調整設備。通過改變基準頻率fref， 能夠產生交替激勵頻率而不需要對模擬濾波器進行調諧。儘管上述實施例的一個重要特徵是利用頻率為fref的共用基準信 號來產生頻率為&的激勵電流，頻率為f2的傳感器電流，以及頻率為 f3的解調器信號，下面將介紹的本發明的變形將集中在檢測器模塊中信號的處理。對於這些實施例，原則上講，頻率f,、 f2和f3的產生可以用任何合適的方式，儘管前面介紹的利用共用基準頻率產生是最好 的，因為它能保證在信號生成源頭產生的頻率和相位偏移最小。圖8是說明第一種檢測器模塊100的原理圖。檢測器模塊100從 GMR傳感器接收測量信號作為一個輸入，其中將在下面假設例如通 過適當的帶通濾波BPF，這個輸入將會只包括如下式(比較等式(1))所示的"所需要的信號分量"u(t):u(formula see original document page 14這個所需要的信號分量n(t)包括感興趣的值作為幅度A，並且具有頻率f3，在這裡假設它是差f3 = 將相位6引入這個公式， 以便將未知的通常是隨時間變化的相位偏移考慮在內。此外，檢測器模塊100接收"基本模型信號"作為頻率為f3的輸其中"基本"這個詞表明在這一級，這個信號具有幅度l，沒有任何 相位偏移。檢測器模塊100的任務是提供"模型幅度"A'作為它的輸出，這 個"模型幅度"A'是如同公式(2)所示的所需要的信號分量u(t)的幅 度A的一個估計。如同上面已經描述的一樣(對比圖2),通過利用基本模型信號 s"t)在解調器26中對所需要的信號分量u(t)進行解調，並且在低通濾 波器27中隨後進行濾波，檢測器模塊100可以實現其功能。但是實 際上，因為非零相位小#0，在所需要的信號分量u(t)和基本模型信 號so(t)之間存在相位差。可以按照以下方式計算這一相位差對輸出值 A'的影響，其中假設在延遲單元101中給基本模型信號so(t)提供可調 節的"模型相位"V (得到"模型信號"s(V，t))，並且其中LPF表 示低通濾波以及與因子2的相乘A' = LPF [A.cos(2兀f3t-(p) cos (27cf3t-\j/)]=LPF [l/2A(cos((p-v) + cos(47rf3t-cp-i)/)] (3 )A' = A.cos((p-Y)因此，解調器輸出的直流分量直接與幅度A(也就是感興趣的珠 子的量N)成正比，但是還與傳感器信號u(t)和模型信號s(W,t)之間 的相位差(cl)-V)有關。這個相位差隨時間改變，實際上會引起輸出信 號A'高達20。/。的變化，在lHz帶寬檢測系統中，它會超過附加熱噪 聲的RMS電壓。很明顯，相位變化導致不可糾正的測量誤差和整體 系統性能的下降。為了使相位偏移的負面影響最小，檢測器模塊100包括"跟蹤模 塊"200，在圖8所示的實施例中，它接收如下量作為輸入-所需要的信號分量u(t);-相位偏移了的模型信號S(V,t);以及-模型幅度A'。基於這些輸入，跟蹤模塊200相對於模型相位V和適當地定義的 成本函數P(V，A')，進行梯度下降。然後在單元102中將確定出來的 梯度步長A V用於調整當前模型相位v，延遲單元101進一步將它引 入基本模型信號so作為相位偏移。於是，跟蹤模塊200的目標是保持 相位差恆定，典型情況下是cl)-V-O，對於公式(3)中的模型幅度A，， 它導致確定的結果。圖9說明跟蹤模塊200的具體實現。這一實現的基礎是成本函數 P( V,A')，這個成本函數P( V，A，)由積分後的平方"誤差信號"e( ur，A，，t) (也就是一方面所需要的信號分量u(t)和另一方面與模型幅度A'相乘 的模型信號s(V，t)之差)定義P(V, A') = 1/T.JT (e(v, A'， t))2 dt =l/T-JT(u(t)-A'.s(vj/，t) )2dt在這裡，積累是在一個周期的間隔T或者T的倍數上進行的， T=l/f3。根據眾所周知的梯度下降算法，按照下式計算更新過的相位VJ/new = \|/。ld — a^P/5\|/ ( 5 )其中ciX)是適當地選擇的常數。利用公式(4)得到如下偏微商-f = l"J"dt e(y,A'，t) ."^e(y，A',t) =... = —|jdt ■ e(y，A',t). A'.sin(2;rf3t-y) (6)應當注意，推導這一公式的時候，利用了正弦或餘弦函數在一個 周期T上的積分等於零這樣一個事實。在圖9中描述將這種基於梯度的相位跟蹤算法作為一階相位鎖 定環的實現。圖中所示相位跟蹤模塊200的單元的輸出為-調製器206:乘積八''8(\1/，1) = "'(;08(271^-V);一加法器203:誤差信號e(xi/, A'，t) = u(t)-A'.s(v,t);隱移相器205: A'sin(2兀f3t"M/);畫調製器202:乘積A'sin(2兀f3t-i1/) ■ e(\j/， A'， t);■調製器201:乘積a . A'sin(2兀f3t-v)e(Y， A'， t);-積分器204:根據公式(6)的a力P/3xi;(除了常數因子以外)。應該注意，積分器204、可變延遲單元101和產生so(t)的振蕩器(沒有畫出)的級聯，可以用壓控振蕩器來代替。代替在前面的實施例中提出的跟蹤相位小然後對傳感器信號U(t)進行解調來獲得模型幅度A'，可以換成聯合起來跟蹤所需要的輸出 信號u(t)的相位4)和幅度A。這種方法的總體布局在圖10中說明。 和圖8中一樣的組件不再需要描述。 一個重要差別是現在的跟蹤模塊 200包括用於梯度下降的第二成本函數Q(A', V)這樣一個事實，它類 似於已經引入的成本函數P(V，A，)，但是現在是相對於變量A，。單元 103管理和提供的模型幅度A，將直接包含檢測器模塊100的輸出結 果。圖11說明跟蹤模塊200的具體實現，其中利用相同的成本函數 來跟蹤V和A'，也就是說P(V，A')二Q(A',V)。按照下式計算已更新 模型幅度A'new:a'訓=a'old -卩.譜av (7)其中eX)是一個適當選擇的常數。利用公式(4)得到如下偏微商 i =於J"dt.e(y,A',t) ^7(e(y，A',t))=...=—幹J"dt e(y,A',t) cos(2;rf3t-( 8 )圖11中跟蹤模塊裡計算模型相位更新A V的左手部分和圖9中 的一樣(除了因子A'以外)。在右手部分中，所示單元的輸出為-調製器207:乘積e(v, A', t). s(v, t) = e(\|/， A', t). cos(27if3t-\j/);畫調製器208:乘積p'e0(/， A',t)cos(27rf3t-v);-積分器209:根據公式(8)的卩^P/3A'(除了常數因子以外)。可以看出，在這個系統的閉環中己經增加了增益估計器，從而使 模型信號A'，s(v， t)準確地逼近傳感器輸出u(t)。作為前面的實施例中使用的基於誤差最小化的相位跟蹤的另一 種方式，還可以按照以下方式來同步模型信號s(u/，t:和傳感器信號 u(t):使得利用模型信號S(V， t:對傳感器信號U(t)進行解調計算出來的 檢測器模塊100輸出端處的模型幅度A'最大。根據公式(3)，可以將這一模型幅度表示為A' = R(n;) = A/TTdt.cos((p-\}/) (9)在這裡，公式(3)的低通濾波LPF已經用信號在周期T4/f (或者它的倍數)上的規一化積分來代替，它能獲得同樣的效果。如圖13所示，成本函數R(V)，也就是模型幅度A'，在基本間隔 (-兀<\|/ (A/2'(sin(47rf3t-q>\j;) - sin(v-(p)));-積分器204:根據公式(10)的a^R/avi/(除了常數因子以外)。上述磁傳感器裝置具有如下優點-通過使激勵、傳感和檢測信號之間的相位噪聲最小帶來的高檢觀lj SNR;-利用檢測器信號路徑中最小量的相位偏移分量的最小相位設計得到的高穩定性；-容易利用離散組件實現，不需要任何複雜的高階帶通濾波器； -容易在IC上集成。但是，本發明不限於這裡明確提到的實施例。其它分頻比、信號 形狀(方形、三角形、正弦等等)、頻率以及這裡給出的實施例的組 合，都是本發明的一部分。此外，可以將本發明特別用於檢測體液中 血液、唾液和細胞中的生物-化學分子。最後指出，在本申請中，"包括"不排除其它要素或步驟，"一個" 不排除多個，單個處理器或其它單元能夠實現幾個設備的功能。本發 明在於每個和所有新穎特徵及其組合。此外，權利要求中的引用符號 不應該被理解成對範圍的限制。
權利要求
1. 一種磁傳感器裝置(10)，包括(a)以具有第一頻率f1的輸入信號工作的至少一個磁場發生器(11、13)；(b)以具有第二頻率f2的輸入信號工作的至少一個相聯繫的磁傳感器元件(12)；(c)以具有第三頻率f3的輸入信號工作的至少一個檢測器模塊(26、100)，用於分離出所述磁傳感器元件(12)的輸出中與所述磁場發生器(11、13)的工作相關的需要的信號分量；(d)用於產生具有基準頻率fref的基準信號的基準發生器(20)；(e)提供單元(21、121、221、321)，用於根據所述基準信號得到具有所述第一、第二和第三頻率的信號，並且用於將它們分別提供給所述磁場發生器(11、13)、所述磁傳感器元件(12)和所述檢測器模塊(26)。
2. 如權利要求1所述的磁傳感器裝置(10)，其特徵在於 所述磁傳感器裝置包括反饋控制環，用於控制所述提供單元(121、 221)，從而在所述磁場發生器(11、 13)、所述磁傳感器元件 (12)和所述檢測器模塊(26)的各個輸入信號中的至少兩個輸入信 號之間保持預定相位關係。
3. 如權利要求2所述的磁傳感器裝置(10)，其特徵在於 所述反饋控制環包括相位檢測器(PD1、 PD2)，用於比較兩個輸入信號的相位。
4. 如權利要求1所述的磁傳感器裝置(10)，其特徵在於 所述提供單元(21、 121、 221、 321)包括饋有所述基準信號的至少一個數字分頻器(51、 52、 53)。
5. 如權利要求4所述的磁傳感器裝置(10)，其特徵在於 所述提供單元(21、 121、 221、 321)包括驅動器電路(61、 62、63; 71、 72、 73; 81、 82、 83)，用於將所述分頻器(51、 52、 53) 的輸出變換成預定波形。
6. 如權利要求5所述的磁傳感器裝置(10)，其特徵在於 所述驅動器電路(61、 62、 63)包括帶通濾波器。
7. 如權利要求5所述的磁傳感器裝置(10)，其特徵在於 所述驅動器電路包括查找表(71、 72、 73)、組合網或高速微處理器和數模轉換器(81、 82、 83)。
8. —種磁傳感器裝置(10)，包括(a) 以具有第一頻率f,的輸入信號工作的至少一個磁場發生器 (11、 13);(b) 以具有第二頻率f2的輸入信號工作的至少一個相聯繫的磁 傳感器元件(12);(C)以具有第三頻率f3的模型信號(S(V)i,t))工作的至少一個檢測器模塊(100)，用於選擇性地處理所述磁傳感器元件(12)的輸出中與所述磁場發生器(11、 B)的工作相關的需要的信號分量(U(t)); (d)跟蹤模塊(200)，用於相對於所述需要的信號分量的相位 (小)調整所述模型信號的模型相位(M/)和/或模型幅度(A')。
9. 如權利要求8所述的磁傳感器裝置(10)，其特徵在於 所述跟蹤模塊(200)用於通過優化從所述需要的信號分量(u(t))和所述模型信號(s(n/，t))確定的成本函數(P、 Q、 R)，來調整所述 模型相位(v|/)和/或模型幅度(A')。
10. 如權利要求1~9中任意一個所述的磁傳感器裝置(10)用於 分子診斷、生物樣本分析或化學樣本分析。
11. 檢測至少一種磁性顆粒(2)的一種方法，該方法包括以下 步驟利用具有第一頻率f,的輸入信號在磁傳感器元件(12)附近產生 交替磁場(B);利用具有第二頻率f2的輸入信號讓所述磁傳感器元件(12)工作，並感測所述磁性顆粒(2)與所產生的磁場(B)相關的磁特性，利用具有第三頻率f3的輸入信號對所述磁傳感器元件(12)的輸 出進行解調，其中所述輸入信號是根據具有基準頻率fref的共用基準信號得到的。
12. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於所述輸入信號之間 的相位關係由反饋控制環鎖定。
13. —種檢測至少一種磁性顆粒(2)的方法，該方法包括以下步驟利用具有第一頻率f,的輸入信號在磁傳感器元件(12)附近產生交替磁場(B);利用具有第二頻率f2的輸入信號讓所述磁傳感器元件(12)工作， 並感測所述磁性顆粒(2)與所產生的磁場(B)相關的磁特性，利用具有第三頻率f3的模型信號(s(xj/,t))，處理所述磁傳感器元 件(12)的輸出中與所述磁場(B)相關的需要的信號分量(u(t));相對於所述需要的信號分量的相位((j))調整所述模型信號的模 型相位(v)和/或模型幅度(A，)。
14. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於所述調整是通過優 化從所述需要的信號分量(u(t))和模型信號(s(M/，t))確定的成本函 數(P、 Q、 R)來完成的。
全文摘要
本發明涉及一種磁傳感器裝置(10)，該裝置包括導線(11、13)用來產生具有第一頻率f1的磁場，還包括GMR傳感器，以第二頻率f2的輸入電流工作，還包括以第三頻率f3工作的解調器(26)。為了避免信號受到相位噪聲破壞並提高信噪比，由提供單元(121)從共用基準頻率fref得到第一、第二和第三頻率。可以例如通過數字分頻器得到上述頻率。此外，還可以在反饋控制環中使用相位檢測器(PD1、PD2)，在三個頻率的相位之間確保預定關係。在本發明的另一個實施例中，由一種自適應算法，例如梯度下降法，跟蹤模型信號的相位和/或幅度，用於處理傳感器輸出中需要的信號分量。
文檔編號G01R33/12GK101283263SQ200680037702
公開日2008年10月8日 申請日期2006年9月29日 優先權日2005年10月12日
發明者B·M·德布爾, J·A·H·M·卡爾曼, J·維恩, T·P·H·G·揚森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司