專利名稱：微芯片上的磁傳感器裝置的制作方法
微芯片上的磁傳感器裝置
本發(fā)明涉及一種具有至少一個位于微芯片上的傳感器單元的微電子磁 傳感器裝置。此外，其涉及這種傳感器裝置的使用。
從W0 2005/010543 Al和W0 2005/010542 A2 (通過引用將其并入本申 請)獲知一種微電子磁傳感器裝置，例如可以將其用在用于檢測標記了磁 珠的分子(例如生物分子)的微流體生物傳感器中。該微傳感器件設有傳 感器單元陣列和巨磁致電阻(GMR)，其中，傳感器單元包括用于產生磁場
的兩根激勵線，巨磁致電阻器件用于檢測磁化珠產生的雜散磁場。然后， GMR的信號表示傳感器單元附近的磁珠數量。
當在微芯片上實現上述種類的磁傳感器裝置時，需要至少六個結合引 腳來將每個傳感器單元逐一連接到外部電路(四個引腳用于兩根激勵導線， 兩個引腳用于GMR)。因此，微芯片上可用引腳的數量限制了可能的傳感器 單元的數量。
基于這種情況，本發(fā)明的目的是提供一種磁傳感器裝置，其特別適于 利用包括多個傳感器單元的微芯片來實現。
該目的是通過根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置和根據權利 要求16聽述的用法實現的。在從屬權利要求中公開了優(yōu)選實施例。
根據本發(fā)明的微電子磁傳感器裝置包括如下部件
a)至少一個傳感器單元，其包括至少一個用于在相鄰的研究區(qū)域(例 如其中可以提供樣本流體的樣品室)中產生磁激勵場的磁場發(fā)生器。該傳 感器單元還包括與前述磁場發(fā)生器關聯的至少一個磁傳感器元件，所述關 聯的意義是其處于磁場發(fā)生器的磁場導致的效應的影響范圍之內。例如， 可以由一個或多個串聯連接或并聯連接的導體線實現該磁場發(fā)生器。該磁 傳感器元件具體而言可以包括霍爾傳感器或磁致電阻元件，例如GMR (巨磁 致電阻)、TMR (隧道磁致電阻)或AMR (各向異性磁致電阻)元件。
5b)用于為前述傳感器單元提供驅動電流的電源單元，其中所述電流是 所述磁場發(fā)生器和磁傳感器元件執(zhí)行它們的功能所需要的。該驅動電流優(yōu) 選在其傅里葉譜中包括第一頻率和不同的第二頻率，允許檢測和補償測量 信號中的特定寄生耦合效應。
C)用于經由(不超過)兩個連接端子將傳感器單元的磁場發(fā)生器和磁 傳感器元件連接到電源單元的耦合電路。在該上下文中，"連接端子" 一詞 應當一般表示電路中全部驅動電流流經的任何部件，例如外部導線結合到 接觸焊盤的區(qū)域。
所提出的微電子磁傳感器裝置優(yōu)點在于，僅經由兩個端子連接多部件 傳感器單元和電源單元，這使得該設計尤其適于在可用連接的數量存在瓶 頸的硬件實現。
該微電子磁傳感器裝置將典型地包括多個所述的磁傳感器單元，因為 在這種情況下，尤其需要每傳感器單元僅有兩個連接端子的減小的數量來 將端子總數限制到合理值。傳感器單元優(yōu)選設置成陣列，例如規(guī)則的平面 矩陣圖案。
在前述情況下，每個傳感器單元可能有一個相關聯的電源單元。但優(yōu) 選地，電源單元的數量小于傳感器單元的數量，且耦合電路包括用于將傳 感器單元選擇性連接到電源單元的選擇部件(例如開關和矩陣結構)。于是， 耦合電路提供了用于在較大數量的傳感器單元之間共享較少數量電源單元 (甚至僅一個電源單元)的復用功能。如果選擇部件實現于連接端子的傳 感器側上，最好由較少數量的電源單元確定所述端子的總數。
微電子磁傳感器裝置的一個或多個傳感器單元優(yōu)選實現于一個微電子 芯片上，即實現于一個(半導體)襯底中。在這種情況下，優(yōu)選將連接端 子實現為所述芯片的結合引腳，因為這種引腳的數量通常因為空間的原因 而受到限制。
如果磁場發(fā)生器和/或磁傳感器元件被實現為襯底上的集成電路，耦合 電路的部件可以設置于同一襯底上或中、模制互連裝置中、接通信號處理
IC上、柔性板(flex)中和/或柔性板連接器中。當然也可以將耦合電路的 各部件分配在所述部分上。
在本發(fā)明的進一步發(fā)展中，所述耦合電路包括以電感和/或電容方式將所述磁場發(fā)生器和所述磁傳感器元件彼此耦合的部件。這種耦合典型地包 括驅動電流在磁場發(fā)生器和磁傳感器元件之間的取決于頻率的分布，對于 稍后的信號評估而言這是所希望的。
優(yōu)選地，將磁場發(fā)生器和傳感器元件以并聯連接的導線束或路徑連接 到連接端子。然后，流經連接端子的驅動電流將根據兩個并聯路徑的阻抗 而被分配到這兩個并聯路徑上。
在前述情況下，兩個路徑中的至少一個可以包括影響驅動電流在兩路 徑間分配的額外無源電子部件，例如電容器、電感器和/或電阻。例如，包 括磁場發(fā)生器的路徑還可以包括串聯或并聯連接到磁場發(fā)生器的電容器。
前述電容器可以由被中間絕緣層分隔且設置于磁場發(fā)生器和/或磁傳 感器元件頂部上的至少兩個金屬(例如金)層的疊置體實現。于是可以將 傳感器單元上方可用的面積用于設置電容器。
典型地將評估單元耦合到磁傳感器元件，用于處理由所述元件產生的 測量信號并從它們中提取期望的信息(例如傳感器單元附近的磁化顆粒的 數量)。例如可以通過與傳感器單元處于同一襯底中的集成電路實現所述評 估單元。
在優(yōu)選實施例中，評估單元經由兩個連接端子耦合到磁傳感器元件。 在這種情況下，通常將評估單元實現為磁傳感器裝置的外部模塊，即，其 不集成在與傳感器單元相同的微芯片上。通過用同樣兩個連接端子來連接 電源單元和評估單元二者，可以進一步使結合引腳的數量最小化。
在前述情況下，評估單元可以任選地經濾波器部件(例如電感器)耦 合到連接端子，以選擇特定的頻帶來傳送給評估單元。
評估單元優(yōu)選包括用于處理選定頻率的測量信號的部件，因為通?？?以在頻域中將相關信息與寄生信號分量分開。
在本發(fā)明的任選實施例中，電源單元包括用于產生驅動電流中具有第 一頻率的第一分量的第一電流源以及用于產生驅動電流中具有第二頻率的 第二分量的第二電流源，其中所述電流源尤其可以為恒流源。所得的驅動 電流將包括至少兩個頻率，這有助于分離來自寄生部件的測量信號中的期 望信息。
本發(fā)明還涉及將上述微電子磁傳感器裝置用于分子診斷、生物樣品分
7析和/或化學樣品分析，尤其是小分子的檢測。例如，可以在直接或間接地 附著到目標分子的磁珠的幫助下完成分子診斷。.
參考下文所述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得明了并得到 闡述。將在附圖的輔助下以舉例的方式描述這些實施例，附圖中-


圖1示意性示出了根據本發(fā)明第一實施例的微電子磁傳感器裝置的一
個傳感器單元；
圖2示出了圖1的傳感器裝置的電路圖3示意性示出了傳感器芯片上的電容器的實現；
圖4示出了傳感器裝置的第二實施例的電路圖，其中經由矩陣結構將 傳感器單元耦合到外部部件；
圖5示出了模制互連裝置(MID)中無源部件的布置；
圖6示出了傳感器裝置的第三實施例的電路圖，其中在傳感器和評估 單元之間耦合電感器；
圖7示出了傳感器裝置的第四實施例的電路圖，其中磁場發(fā)生器和磁 傳感器元件是電感耦合的。
圖中類似的參考數字表示相同或類似的部件。
圖1示出了用于檢測超順磁珠2的單傳感器單元10的原理?？梢允褂?由這種傳感器單元10的陣列(例如100個)構成的微電子(生物)傳感器 裝置來同時測量樣品室5中提供的溶液(例如血液或唾液)中很多不同目 標分子1 (例如蛋白質、DNA、氨基酸、濫用的藥物)的濃度。在結合方案 的一種可能范例(所謂的"夾心化驗")中，通過提供具有第一抗體3的襯 底15上的結合表面6來實現這點，目標分子l可以結合到第一抗體上。然 后，攜帶第二抗體4的超順磁珠2可以附著到己結合的目標分子1上。依 次流經傳感器單元10的并聯激勵線11和13的總電流匸。產生激勵磁場B， 然后該磁場磁化超順磁珠2。來自超順磁珠2的反應場B'在傳感器單元10 的GMR 12中引入平面內磁化分量，導致可測量的電阻變化，該電阻變化是 經由傳感器電流1_6感測的。所述電流L。、 1，e是由電源單元20供應的。
如果應當將到此為止所描述的傳感器單元10連接到像電源單元20和/ 或信號評估單元30的外部模塊，原則上其每個部件都需要兩個端子，艮P, 第一磁激勵線ll、第二磁激勵線13和GMR傳感器12均需要兩個端子，地需要額外的端子。因此，如果應當逐個尋址生物芯片上的每個傳感器單元 時，總共需要七個引腳。于是，包含例如四個傳感器單元的生物芯片需要
用到芯片上通?？捎玫?2個引腳中的28個結合引腳。在一個芯片上應用 更多傳感器單元相應地需要更多連接來將所有單元連接到讀取裝置。然而， 另一方面出于如下原因應當將用于接口的連接數量最小化-
-應當向著有效傳感器面積的方向優(yōu)化生物芯片的面積，而不為通常尺 寸為100X100nm的結合焊盤浪費面積。
-較小的芯片成本低，因為芯片成本與芯片面積成正比。
-簡單接口較不昂貴，且通常更牢固(連接較少)。
因此希望經由有限數量的引腳將最大數量的傳感器單元連接到外部讀 取器/驅動模塊。因此正在尋找這樣的布線方案，其針對給定數量的引腳使 傳感器單元數量最大化，或者反之，為了連接給定數量的傳感器單元而使 所用引腳數量最小化，其中傳感器單元通常位于可置換筒狀物(cartridge) 上。
這里提出的方案包括將磁場產生線和磁場感測線電耦合在一起。由于 GMR元件12的放大特性，將會出現非線性雙端口。那么，所得測量信號中 諧波和內調制分量的大小則表示GMR傳感器中的平面內磁場。如下文所示， 由于每個傳感器單元被縮減為(非線性)兩端口的，于是N個引腳將可能逐 個對M二 (N/2) 2個傳感器單元尋址。因此上述32個引腳的芯片可以對256 個單獨的傳感器單元尋址。
圖1和圖2的對應電路圖示出了前述概念的特定實現。其包括
-將串聯的兩個磁激勵線11和13 (在圖1中由虛線表示，應當位于圖 面背面并連接到線路的后端)連接到兩個特定連接端子x和y;
-在前述激勵線路徑中在端子x和y之間耦合電容器(C) 14;
-也將GMR傳感器12連接到連接端子x和y。
在芯片外部，將電源單元20和評估單元30并聯連接到連接端子x和y。 因此僅經由兩個連接端子(即結合引腳)x和y就提供了對傳感器單元10 的集成部件ll、 12和13的通路。
電源單元20包括并聯連接的兩個電流源21和22，其分別提供第一頻 率^的第一電流L和第二頻率f2的第二電流i2，其中假設f》f2。兩個電流源21、 22產生的頻率t和f2應當大大高于1/f噪聲的轉角頻率。
評估單元30包括帶通濾波器31和其后的低噪聲放大器(LNA)32(等)， 帶通濾波器31以頻差(f,-f2)為中心，低噪聲放大器32放大頻率(f,-f2) 處的低頻磁信號。
因此傳感器單元10包括場發(fā)生電流線11、 13和GMR元件12之間的容 性AC耦合。可以如圖所示由芯片上集成電容器14以及由寄生電容來實現 所述耦合。耦合電容器14的目的是防止低頻(f「f2)信號分量被串聯連接 線路ll、 13的低串聯電阻R^(R^的典型值為20歐姆左右，而GMR元件的 電阻R(^大約為500歐姆)衰減，并確保在GMR元件12和激勵線11、 13之 間恰當分配總供應電流"+i2)。
可以如下論證所述原理的可行性如果假設兩個電流源21、 22供應"激 勵電流"i產Irsinoht和"感測電流"i2=I2'sin 2t (cof2兀.f!且co尸2兀.f2; I,， I2=COnSt。)，在最簡單情況下t和f2都大大高于AC耦合的轉角頻率(即， c^CRw24， o>2CRM(a 4， C為電容器14的電容，R^為串聯激勵線11和13的 總電阻)，那么根據下式在GMR元件12和激勵線ll、13上劃分總電流(i,+i2):
oc = I sense/Iexc 二 Rexc/RGMR 二 0, 04
其中R。mb為GMR元件12的電阻。這非常符合傳感器的典型電流工作條 件，艮卩Isense=2mA， Iexc=50mA。
此外，GMR電壓IU正比于I，e和GMR電阻變化(歐姆定律)，電阻變 化又正比于珠子的磁化強度，磁化強度正比于激勵電流L。。因此
UgMR《I sense* Iexc
k [a.(ii+i2)/a+a)] [ (i,+i2)/(l+a)] oc ij + 2-Li2 + i22
oc L2. (1 - coscoit)/2 + Iil2-cos(coi -①2)t + 122. (1 - COSO)2t)/2 結果，GMR電壓中頻率(f廠f2)處的期望低頻成分(其實質上不會因 AC耦合的較高轉角頻率而被衰減)等于
UgmrQC Ij2.COS(Oh _ Gh)t。
所需的電容器值c取決于工作頻率和所需的阻抗水平。為了在頻率 f產450MHz處實現極點，所需的耦合電容器必需等于
10C = ~^^ =-^-F = 18pF
<y'2Rexc2;r.4.5.108-2-10
在CM0S18技術中其擴展2100 u m2 (假設為8. 2fF/ y m2的雙層金屬氧化 物)。這與典型傳感器設計的敏感面積(100X21 um) —樣大。
圖3在這方面示意性示出了如何可以在傳感器單元10上方的敏感芯片 表面上實現耦合電容器14。在圖示的范例中，電容器14由兩個平行的Au 層14a、 14c構成，兩個平行的Au層14a、 14c由中間的薄氧化物層14b分 隔。頂部(固定化)金層接地，以免對生化化驗產生不利影響。多個堆疊 的金屬/氧化物層可以進一步減小所需面積。
為了限制電線電阻對期望磁信號的影響，選擇t和f"吏得
在所述實施例的另一變型中，僅將第一頻率f:選擇為處于AC耦合的轉 角頻率附近或以上。結果，AC耦合阻擋了感測電流i2，從而使其主要經GMR 元件12流動。在GMR元件12和激勵線11、 13上劃分激勵電流i,，因此 L^0.96L且L自^0.04i一i2。該方法是有利的，因為該方法限制了場產生 線路中的主要功率耗散。
可以使用圖1和圖2的設計來逐個將每一傳感器單元10連接到一個相 關聯的電源單元20和/或評估單元30。優(yōu)選地，在設置于微芯片上的陣列 中的較大數量的傳感器單元10之間共享小數量的電源單元和/或評估單元。 例如，可以通過將每個兩端子傳感器單元IO連接成公知的無源矩陣結構來 實現這一 目的，其中用于M個傳感器單元10的引腳數量N減少為W = 2# 。
圖4示出了前述布局，其中每個傳感器單元10包括一個連接端子x和 一個連接端子y。將位于傳感器單元10陣列同一列中的所有傳感器單元的 y端子連接到同一豎直線，將位于傳感器單元10陣列同一行中的傳感器單 元的所有x端子連接到同一水平線。然后可以用多路轉換開關23、 24選擇 性地將水平線和豎直線分別連接到電源單元20的輸出端x'和y'(其同時 是評估單元30的輸入端)。x端子和y端子都連接到輸出端x'和y'的傳感 器單元10，即在選定行和選定列的交點處的傳感器單元將被讀出。應當指 出，在本申請的意義上可以將(每個傳感器單元的)兩個輸出端x'和y'以
ii及連接端子x和y視為"連接端子"，因為供應到整個傳感器單元10的電 力都流經它們。
在前面的實施例中假設電容器14集成到與傳感器單元10相同的襯底 15中。然而，其也可以位于其他模塊中。圖5在這方面示出了一個實施例， 其中電容耦合不在傳感器管芯上，而是例如在模制互連裝置(MID) 40上。 這種方法的優(yōu)點是柔性板50和評估單元20之間少量的柔性板-連接，這樣 就能夠實現魯棒(使用多次)的柔性板連接器60。對于可置換傳感器而言 這是重要的。此外，在離散部件中容易實現大的耦合電容器(實現低工作 頻率)。因此，該方法降低了信號處理電子裝置中復用電路的復雜性。
在MID 40上沒有足夠空間的情況下，耦合電容器14也可以位于信號 處理板上、(倒裝芯片)連接信號處理IC上或位于柔性板50上(處于離散 部件中或通過適當的柔性板設計來弓I入電容耦合)。
圖6示出了圖2電路的變型，其中外部電感器33位于評估單元30和 (例如位于包括評估單元的讀取器臺中的)連接端子x、 y之一之間。通過 這種方式，實現了 LC諧振電路，其有助于降低工作頻率和/或所需的電容 器面積。例如，可以在2100Mm2的電容器面積(18PF)上實現諧振頻率f產45MHz 的品質因數Q二IO。頻率的典型值為f產10MHz， f2=10.05MHz。
圖7示出了本發(fā)明另一個實施例的電路圖，其中例如通過兩個平行引 線或線圈16將GMR傳感器12電感耦合到激勵線11、 13。所述電感耦合可 以(寄生)存在于傳感器管芯上、MID上、柔性板上或信號處理板上。工作 頻率(f!-f2， fi，f2)必需高到足以實現有效耦合。顯然，同樣的原理可以 用于電容耦合，其中通過傳感器和LNA之間任何地方的(寄生)電容耦合 將GMR耦合到導線。
最后要指出，在本申請中，"包括"這一術語不排除其他元件或步驟， "一"不排除多個，且單個處理器或其他單元可以實現若干裝置的功能。 本發(fā)明體現在每個新穎特征和特征的每種組合之中。此外，權利要求中的 附圖標記不應被視為對其范圍的限制。
權利要求
1、一種微電子磁傳感器裝置，包括a)至少一個具有磁場發(fā)生器(11，13)和關聯的磁傳感器元件(12)的傳感器單元(10)；b)至少一個用于為所述傳感器單元(10)供應驅動電流的電源單元(20)；c)耦合電路(14，16，23，24，40，50，60)，用于經由兩個連接端子(x，y)將所述傳感器單元(10)的所述磁場發(fā)生器(11，13)和所述磁傳感器元件(12)連接到所述電源單元(20)。
2、 根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于其包括多個這樣的傳感器單元(10)。
3、 根據權利要求2所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于其包括比傳感器單元(10)數量少的電源單元(20)，其中所述耦合電路包括選擇部件(23， 24)，該選擇部件(23， 24)用于選擇性 地將傳感器單元(10)連接到電源單元(20)。
4、 根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述連接端子(x， y)被實現為包括所述傳感器單元(10)的微電子芯片的結合引腳。
5、 根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述耦合電路的至少一個部件(14)設置于與所述磁場發(fā)生器(11， 13)和/或所述磁傳感器元件(12)相同的襯底(15)上或中， 模制互連裝置(40)中，連接信號處理IC上，柔性板(50)中和/或柔性 板連接器(60)中。
6、 根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置，其特征在于所述耦合電路包括部件(16)，該部件(16)用于以電感和 /或電容方式將所述磁場發(fā)生器(11， 13)和所述磁傳感器元件(12)彼此稱合o
7、 根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述磁場發(fā)生器(11， 13)和所述磁傳感器元件(12)以并聯路徑連接到所述連接端子(x， y)。
8、 根據權利要求7所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于至少一個所述路徑包括無源電子部件，尤其是電容器(14)。
9、 根據權利要求8所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述電容器(14)由所述磁場發(fā)生器(11， 13)和/或所述磁傳感器元件(12)頂部上被絕緣層(14b)隔開的至少兩個金屬層構成， 所述至少兩個金屬層優(yōu)選為Au層(14a， 14c)。
10、 根據權利要求l所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于其包括耦合到所述磁傳感器元件(12)的用于處理其測量信號的評估單元(30)。
11、 根據權利要求10所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述評估單元(30)經由所述連接端子(x， y)耦合到所述磁傳感器元件(12)。
12、 根據權利要求10所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述評估單元(30)經由濾波器部件耦合到所述連接端子(x， y)，該濾波器部件尤其是電感器(33)。
13、 根據權利要求10所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述評估單元(30)包括部件(31)，該部件(31)用于處理選定頻率的所述測量信號。
14、 根據權利要求l所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述電源單元(20)包括第一電流源(21)和第二電流源(22)，其中，該第一電流源(21)用于產生所述驅動電流的具有第一頻率 f,的第一分量(i》，該第二電流源(22)用于產生所述驅動電流的具有第 二頻率f2的第二分量(i2)。
15、 根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置， 其特征在于所述磁傳感器元件包括霍爾傳感器或磁致電阻元件，例如GMR (12)、 AMR或TMR元件。
16、 根據權利要求1所述的微電子磁傳感器裝置在分子診斷、生物樣 品分析和/或化學樣品分析、尤其是小分子檢測方面的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微電子磁傳感器裝置，其包括至少一個具有磁場發(fā)生器(11，13)和磁傳感器元件(12)的傳感器單元(10)，該磁傳感器元件(12)僅經由兩個公共連接端子(x，y)耦合到電源單元(20)。通過這種方式，可以將關聯的微電子芯片上的結合引腳數量降到最小。傳感器單元(10)可以優(yōu)選包括作為場發(fā)生器的磁激勵線(11，13)和作為傳感器元件的GMR電阻(12)，GMR電阻(任選經由電容器(14))并聯連接到連接端子(x，y)。電源單元(20)優(yōu)選供應具有兩個頻率分量的驅動電流，從而可以在測量信號的頻域中分離感興趣的信息。
文檔編號G01N35/00GK101501486SQ200780029381
公開日2009年8月5日 申請日期2007年7月10日 優(yōu)先權日2006年8月9日
發(fā)明者J·A·H·M·卡爾曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司