專利名稱：磁阻傳感器中的溫度和漂移補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻傳感器。背景磁阻傳感器響應(yīng)于該傳感器所暴露于的磁場(chǎng)的變化而提供電阻的變化。然而，其他物理參數(shù)尤其是溫度的變化也可能使磁阻傳感器的電阻發(fā)生變化。通常，此類漂移效應(yīng)已通過(guò)在電橋配置中采用磁阻傳感器來(lái)減輕。在這種辦法中，副磁阻傳感器被用作參考并且經(jīng)歷與主磁阻傳感器相同的環(huán)境，除了該副傳感器不暴露于正被測(cè)量的樣本中。主傳感器與副傳感器之間的差分信號(hào)是經(jīng)漂移補(bǔ)償?shù)妮敵鲂盘?hào)。然而，磁阻傳感器的諸如生物檢定之類的新近應(yīng)用往往需要使用大陣列的磁阻傳感器。在這種情況中，采用電橋電路的傳統(tǒng)漂移補(bǔ)償?shù)氖褂檬歉叨炔缓虾跣枰模驗(yàn)檫@種漂移補(bǔ)償需要將單獨(dú)的參考檢測(cè)器(和相關(guān)聯(lián)的電橋電路系統(tǒng))用于傳感器陣列中的每個(gè)元件。因此，尤其對(duì)于大傳感器陣列而言，感興趣的是不依賴電橋電路的用于校正溫度和漂移效應(yīng)的方法。已被考慮的一種辦法是控制磁阻傳感器的溫度(例如，如在US 7，097，110中那樣)。通過(guò)控制溫度來(lái)消除溫度漂移還導(dǎo)致對(duì)傳感器輸出的溫度漂移效應(yīng)的消除。另一種辦法是提供傳感器的溫度校準(zhǔn)，從而根據(jù)測(cè)得的溫度使用溫度校準(zhǔn)來(lái)校正傳感器輸出(例如，如在US 7，239，123中那樣)。然而，常規(guī)的漂移/溫度補(bǔ)償辦法往往遭受各種缺點(diǎn)。一些辦法過(guò)度復(fù)雜或難以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)。例如，溫度控制可能對(duì)于大傳感器陣列中的所有元件而言難以實(shí)現(xiàn)。校準(zhǔn)方法還可能遭受過(guò)度的復(fù)雜性，和/或不能實(shí)時(shí)提供經(jīng)校正的輸出。因此，為磁阻傳感器提供改進(jìn)的漂移/溫度校正將是本領(lǐng)域中的進(jìn)步。概述磁阻傳感器的雙重調(diào)制需要調(diào)制對(duì)傳感器施加的激勵(lì)(例如，電壓或電流)以及對(duì)傳感器施加的反饋磁場(chǎng)兩者。分別在不同的頻率f。和4處調(diào)制該激勵(lì)和磁場(chǎng)。作為雙重調(diào)制的結(jié)果，傳感器輸出頻譜包括頻率f。處的載波頻調(diào)(CT)和頻率f。±ff處的側(cè)頻調(diào) (ST)。(例如，通過(guò)測(cè)量在不存在樣本的情況下出現(xiàn)漂移時(shí)的CT振幅和ST振幅來(lái))確定 CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系。在傳感器操作期間，使用相應(yīng)的原始CT測(cè)量來(lái)校正原始ST測(cè)量以將經(jīng)校正的ST測(cè)量提供為傳感器輸出。附圖簡(jiǎn)述

圖1示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖2示出了與圖1的示例有關(guān)的輸出頻譜。圖3示出了傳感器溫度被有意改變時(shí)的載波頻調(diào)和側(cè)頻調(diào)振幅變化的標(biāo)繪。圖4示出了經(jīng)驗(yàn)確定的ST-CT關(guān)系的示例。圖5示出了校正側(cè)頻調(diào)輸出的示例性結(jié)果。圖6是非線性ST-CT關(guān)系的假設(shè)示例。圖7示出了將磁阻傳感器應(yīng)用于生物檢定。
詳細(xì)描述圖1示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在此示例中，磁阻傳感器102置于由磁場(chǎng)源 106提供的反饋磁場(chǎng)108中。磁阻傳感器是具有取決于磁場(chǎng)的電阻的任何傳感器。盡管取決于電流方向和磁場(chǎng)方向的許多變型是可能的，但是所有此類變型均被包括在該一般性類別的磁阻傳感器中。在一些情形中，可對(duì)傳感器102應(yīng)用磁偏。此類磁偏可以與反饋磁場(chǎng) 108的方向相同，或者沿任何其他方向(例如，與反饋磁場(chǎng)正交。)在頻率ff處調(diào)制反饋磁場(chǎng)108。電源104向磁阻傳感器102提供激勵(lì)(例如，電壓或電流)。在頻率f。處調(diào)制該激勵(lì)。調(diào)制頻率ff*f。是不同的。作為此雙重調(diào)制方案的結(jié)果，傳感器輸出頻譜被示意性地示出在圖2上，并包括頻率f。處的載波頻調(diào)(CT)和頻率f。±ff處的側(cè)頻調(diào)(ST)。通常，f。大于ff，但這不是必需的。傳感器102的輸出可以是電壓或電流。更具體地，如果激勵(lì)是電壓，那么輸出是電流， 并且如果激勵(lì)是電流，那么輸出是電壓。如果磁性粒子110(例如，順磁性或超順磁性的納米粒子)置于傳感器102附近， 那么粒子110對(duì)傳感器102處的磁場(chǎng)的影響可能導(dǎo)致傳感器輸出的可觀察到的變化。因此， 這種裝置可作為磁傳感器來(lái)工作。然而，注意載波頻調(diào)振幅不取決于傳感器102附近的磁性粒子的存在/不存在是重要的。因此，有用的傳感器輸出僅是側(cè)頻調(diào)振幅。此效應(yīng)的物理基礎(chǔ)在于，載波頻調(diào)振幅取決于傳感器102的正常電阻，而側(cè)頻調(diào)振幅取決于傳感器102 的磁阻。即使載波頻調(diào)振幅不受磁性粒子110的影響，也可如下采用該載波頻調(diào)振幅來(lái)提供經(jīng)漂移校正的側(cè)頻調(diào)測(cè)量。為了便于說(shuō)明，將描述溫度漂移的情形，但是以下原理也同樣適用于傳感器漂移的任何其他來(lái)源。首先，將傳感器基線定義為在其中沒(méi)有磁性粒子110 與傳感器102足夠接近以至于對(duì)傳感器輸出具有可觀察到的影響的狀況是有幫助的。因此，傳感器基線是在其中不存在正被測(cè)量的磁場(chǎng)(例如，沒(méi)有樣本)的背景狀況。在基線狀況下，傳感器漂移(例如，變化的傳感器溫度)將導(dǎo)致CT振幅和ST振幅兩者的變化。圖3示出了此類變化的示例，其中在基線狀況下對(duì)磁阻傳感器施加有意的溫度變化，并且示出了 CT振幅和ST振幅的變化。頂標(biāo)繪示出了 CT振幅的變化，并且底標(biāo)繪示出了 ST振幅的變化。在此示例中，顯然，CT振幅和ST振幅的變化是緊密相關(guān)的。圖4使此關(guān)系更顯而易見。在圖4中，相對(duì)于CT振幅的變化標(biāo)繪了 ST振幅的變化。這些點(diǎn)是測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)， 并且虛線是線性擬合。盡管在此示例中，CT振幅變化(AC)與基線ST振幅變化(Δ&)之間的關(guān)系是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但是在以下使用更一般的形式是有幫助的。因此，我們將CT 振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系定義為函數(shù)Δ&(Δ0，其中關(guān)于基線工作點(diǎn)(CTcpSTci)來(lái)定義CT和ST振幅變化。在實(shí)踐本發(fā)明時(shí)，對(duì)采用哪個(gè)工作點(diǎn)的選擇不是關(guān)鍵的?？稍诮?jīng)驗(yàn)上使用簡(jiǎn)單直接的測(cè)量來(lái)為任何傳感器材料和/或配置確定這種關(guān)系。當(dāng)樣本存在時(shí)，可用數(shù)據(jù)是載波頻調(diào)測(cè)量Δ C和原始側(cè)頻調(diào)測(cè)量Sii^ (或ASig 始)。如以上指出的，Δ C不取決于磁性樣本，并且可因此被認(rèn)為有效地提供對(duì)傳感器漂移的實(shí)時(shí)測(cè)量。在一些情形中，例如，通過(guò)定義As = AS/SI；* Ac = Δ C/CL來(lái)使用歸一化的 CT和ST變量是方便的。這里，函數(shù)Ai^(Ac)可容易地從Δ&(Δ0確定，并且這些關(guān)系中的任一關(guān)系或任何其他數(shù)學(xué)上等效的形式均適于用作CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系。我們采用在其中小寫符號(hào)被用于無(wú)量綱的歸一化量而大寫符號(hào)被用于具有物理量綱的非歸一化量的協(xié)定。例如，是將側(cè)頻調(diào)振幅的歸一化變化與載波頻調(diào)振幅的歸一化變化相關(guān)的無(wú)量綱函數(shù)。函數(shù)△&(△()是根據(jù)具有量綱(例如，伏特)的非歸一化量來(lái)表達(dá)的相同關(guān)系。在其中CT振幅和ST振幅兩者均具有線性溫度漂移的情形中，我們得到基線關(guān)系 Ac=Q ΔΤ和Δ ^= β ΔΤ，其中ΔΤ是相對(duì)于基線工作點(diǎn)的溫度變化。如果激勵(lì)是電流并且輸出是電壓，那么α是正常電阻的溫度系數(shù)，并且β是磁阻的溫度系數(shù)。如果激勵(lì)是電壓并且輸出是電流，那么α和β與下層材料溫度的關(guān)系略微更復(fù)雜一些。在實(shí)踐本發(fā)明時(shí)，諸如α和β之類的根據(jù)CT振幅和ST振幅定義的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與下層材料參數(shù)的依賴性不是關(guān)鍵的。如下定義校正因子⑴其中S校正=CFXS原始。如果Ac = α ΔΤ并且= β Τ，那么CF = 1/ (1+κ Ac)，其中κ = β/α。下式證明在此線性示例的基線狀況下Sei的溫度獨(dú)立性校正=S原始CF=雙。(1 +厚)- ^O +(2)= ST0可對(duì)采樣存在時(shí)進(jìn)行的原始側(cè)頻調(diào)測(cè)量應(yīng)用相同的校正因子CF以將經(jīng)校正的側(cè)頻調(diào)測(cè)量提供為傳感器輸出。這種校正原始ST測(cè)量的方法可按任何數(shù)目的數(shù)學(xué)等效形式(或近似等效形式) 來(lái)表達(dá)。例如，校正可通過(guò)假定原始側(cè)頻調(diào)測(cè)量括等于Δ&(Δ0的傳感器漂移貢獻(xiàn)而被表達(dá)為附加項(xiàng)。在這種方法中，經(jīng)校正的側(cè)頻調(diào)輸出由下式給出S 校正=S 原始-ASb (AC)。(3)這種方法等效于使用一階校正因子CF。將CT測(cè)量和ST(CT)基線用于提供經(jīng)校正的ST測(cè)量一般而言適用于在其中傳感器輸出會(huì)漂移的任何情況。如以上指出的，這適用于由溫度導(dǎo)致的傳感器漂移。這還適用于傳感器輸出漂移的其他來(lái)源，包括但不限于磁阻傳感器的輸入(例如，電壓或電流工作點(diǎn))；以及傳感器的環(huán)境參數(shù)(例如，溫度，壓力等)。在實(shí)踐本發(fā)明時(shí)，基線ST(CT)關(guān)系可按任何方便的形式來(lái)表達(dá)。例如，基線 ST(CT)關(guān)系可根據(jù)曲線擬合參數(shù)(例如，線性擬合的斜率和截距)來(lái)表達(dá)。在更復(fù)雜的情形中，查找表可被用來(lái)提供此函數(shù)的逐點(diǎn)定義。插值可被用來(lái)提供中間點(diǎn)處的函數(shù)值。圖5示出了校正側(cè)頻調(diào)輸出的示例性結(jié)果。頂標(biāo)繪示出校正因子CF，并且底標(biāo)繪比較在基線狀況下經(jīng)校正和未經(jīng)校正的SF輸出。在移除ST溫度依賴性中，溫度校正的效果是顯而易見的。本發(fā)明方法的重要方面在于，能夠?qū)崟r(shí)(即，在獲取實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí))校正ST 輸出。ST(CT)基線需要在獲得數(shù)據(jù)之前就被確定，但是一旦該ST(CT)被確定，就可實(shí)時(shí)應(yīng)用這些校正。作為替換方案，在獲取CT和原始ST測(cè)量之后用后處理來(lái)執(zhí)行校正也是可能的。圖6是非線性ST-CT關(guān)系的假設(shè)示例。盡管傳感器不太可能具有此類ST(CT)關(guān)系，但是此關(guān)系的復(fù)雜形狀不會(huì)是實(shí)踐本發(fā)明的障礙。若需要/在需要時(shí)，查找表和插值足以實(shí)現(xiàn)對(duì)此類傳感器的ST輸出的校正。磁阻傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用是生物檢定。圖7示出了將磁阻傳感器用于生物檢定的示例應(yīng)用。在此示例中，捕獲抗體702存在于磁阻傳感器102的表面上。捕獲抗體702 選擇性地與分析物704結(jié)合。在此步驟之后，提供具有磁性標(biāo)簽(IlOaUlOb和110c)的檢測(cè)抗體(706a、706b和706c)以完成檢定。在分析物被結(jié)合的位置處，檢測(cè)抗體還與磁性標(biāo)簽結(jié)合(例如，分析物704上的抗體706a和標(biāo)簽110a)。對(duì)結(jié)合的磁性標(biāo)簽的磁性檢測(cè)由此提供生物檢定。為簡(jiǎn)單化，先前的描述已考慮了單個(gè)傳感器情形。這種漂移校正方法還適用于具有任何數(shù)目的磁阻傳感器的陣列。在此類陣列中，場(chǎng)調(diào)制頻率ff通常對(duì)于所有陣列元件而言是相同的，而激勵(lì)頻率f。對(duì)于每個(gè)傳感器陣列元件而言可以相同或不同?？瑟?dú)立地為陣列中的每個(gè)元件獲得基線ST(CT)關(guān)系，并且可個(gè)體地對(duì)每個(gè)陣列元件應(yīng)用校正。與諸如依賴單個(gè)溫度測(cè)量來(lái)提供陣列中的所有元件的溫度之類的替換方案相比，這種靈活性是本發(fā)明方法顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于均勻的陣列溫度在實(shí)踐中是不太可能的，因而重要的是提供可個(gè)體地應(yīng)用于每個(gè)陣列元件(如在本發(fā)明方法中那樣)并由此能應(yīng)對(duì)跨陣列的非均勻狀況的溫度/漂移校正。
權(quán)利要求
1.一種磁阻傳感器裝置，包括a)磁阻傳感器；b)提供具有調(diào)制頻率ff的反饋磁場(chǎng)的磁場(chǎng)源，其中所述磁阻傳感器置于所述反饋磁場(chǎng)中；c)電源，配置成向所述磁阻傳感器提供具有調(diào)制頻率f。的激勵(lì)，其中ff和f。是不同的，并且其中所述傳感器的輸出頻譜包括頻率f。處的載波頻調(diào)(CT)和頻率f。±ff處的側(cè)頻調(diào)(ST)；以及d)處理器，配置成確定所述輸出頻譜中的CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系；其中所述裝置被配置成使用所述基線關(guān)系和相應(yīng)的CT測(cè)量來(lái)校正原始ST測(cè)量以將經(jīng)校正的ST測(cè)量提供為輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述經(jīng)校正的ST測(cè)量是在獲取所述CT和原始ST測(cè)量期間實(shí)時(shí)提供的。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述經(jīng)校正的ST測(cè)量是在獲取了所述CT和原始ST測(cè)量之后通過(guò)后處理提供的。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電源是電壓源或電流源。
5.一種用于校正磁阻傳感器的輸出的方法，所述方法包括a)提供磁阻傳感器；b)將所述磁阻傳感器置于具有調(diào)制頻率&的反饋磁場(chǎng)中；c)向所述磁阻傳感器提供具有調(diào)制頻率f。的激勵(lì)，其中ff*f。是不同的，并且其中所述傳感器的輸出頻譜包括頻率f。處的載波頻調(diào)(CT)和頻率f?！纅f處的側(cè)頻調(diào)(ST)；d)確定所述輸出頻譜中的CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系；e)在樣本存在時(shí)測(cè)量相應(yīng)的CT振幅和ST振幅以提供CT和原始ST測(cè)量；f)使用所述基線關(guān)系和所述CT測(cè)量來(lái)校正所述原始ST測(cè)量以提供經(jīng)校正的ST測(cè)量；以及g)將所述經(jīng)校正的ST測(cè)量提供為輸出。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括順序地重復(fù)所述步驟(e)、(f)和 (g)以為多個(gè)ST測(cè)量提供實(shí)時(shí)校正。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括重復(fù)所述步驟(e)以提供原始 (CT，ST)數(shù)據(jù)點(diǎn)集合，其中所述數(shù)據(jù)點(diǎn)中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的所述經(jīng)校正的ST測(cè)量是通過(guò)對(duì)所述原始(CT，ST)數(shù)據(jù)點(diǎn)集合進(jìn)行后處理的方式提供的。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述確定CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系包括在所述磁阻傳感器的溫度發(fā)生變化時(shí)采集ST相對(duì)于CT數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述確定CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系包括在所述磁阻傳感器的輸入發(fā)生變化時(shí)采集ST相對(duì)于CT數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述確定CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系包括在所述磁阻傳感器的環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)采集ST相對(duì)于CT數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述確定CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系包括采集ST相對(duì)于CT數(shù)據(jù)之后確定將基線ST振幅與基線CT振幅相關(guān)的曲線擬合。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述曲線擬合是線性擬合。
13.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述樣本包括順磁性或超順磁性的納米粒子。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述納米粒子是生物分子上的標(biāo)簽。
15.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述激勵(lì)是對(duì)所述磁阻傳感器應(yīng)用的電壓或電源。
全文摘要
磁阻傳感器的雙重調(diào)制需要調(diào)制對(duì)傳感器施加的激勵(lì)(例如，電壓或電流)以及對(duì)傳感器施加的反饋磁場(chǎng)兩者。分別在不同的頻率fc和ff處調(diào)制該激勵(lì)和磁場(chǎng)。作為雙重調(diào)制的結(jié)果，傳感器輸出頻譜包括頻率fc處的載波頻調(diào)(CT)和頻率fc±ff處的側(cè)頻調(diào)(ST)。(例如，通過(guò)測(cè)量在不存在樣本的情況下出現(xiàn)漂移時(shí)的CT振幅和ST振幅來(lái))確定CT振幅與ST振幅之間的基線關(guān)系。在傳感器操作期間，使用相應(yīng)的原始CT測(cè)量來(lái)校正原始ST測(cè)量以將經(jīng)校正的ST測(cè)量提供為傳感器輸出。
文檔編號(hào)G01R33/09GK102356329SQ201080011846
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者D·A·豪爾, R·加斯特, S·J·奧斯特費(fèi)爾德, S·X·王 申請(qǐng)人:利蘭·斯坦福青年大學(xué)托管委員會(huì)