Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства



Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства
Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства
Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства

 


Владельцы патента RU 2478219:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр "МИЭТ" (RU)

Изобретение относится к средствам контроля медицинской техники и может быть использовано в устройствах обнаружения магнитных микрогранул, прикрепившихся к биоматериалам в результате процессов биотинилирования и гибридизации. Сущность изобретения заключается в том, что профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства представляет собой массив магниточувствительных ячеек размерностью N на М, при этом он выполнен в виде кристалла кремния и содержит тонкопленочные магниторезисторы со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенные металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала. Технический результат - повышение количества и увеличение объема проб анализируемых биоматериалов, снижение габаритных размеров микрочипов, повышение уровня выходного сигнала ячейки. 3 ил.

 

Изобретение относится к средствам контроля медицинской техники и может быть использовано в устройствах обнаружения магнитных микрогранул, прикрепившихся к биоматериалам в результате процессов биотинилирования и гибридизации.

Известно биосенсорное устройство, включающее в себя массив магниторезистивных наносенсоров, сконструированных для обнаружения биомалекул, содержащих две или более связей сверхпарамагнитных наночастиц [1].

Также известен магниторезистивный датчик для измерения плотности размещения магнитных наночастиц на микромассиве, в котором магнитная наночастица прямо или косвенно связана с проверяемым образцом [2].

Недостатком данных матриц является большое количество выводов и отсутствие схемы опроса элементов массива.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является матрица биосенсорного устройства на основе массива чувствительных ячеек [3]. В этом устройстве анализируются многокомпонентные материалы, для определения отдельных компонентов основываясь на их магнитной восприимчивости или диэлектрической постоянной. В устройстве используют ячейки на магнитных туннельных переходах или на гигантском магниторезистивном эффекте. Основным достоинством этой матрицы размерностью N на М ячеек является организация схемы выборки магниточувствительных элементов.

Основным недостатком данной матрицы является отсутствие схемы усиления выходного сигнала магниточувствительного элемента.

Задача изобретения - повышение количества и увеличение объема проб анализируемых биоматериалов, снижение габаритных размеров микрочипов, повышение уровня выходного сигнала ячейки.

Эта задача достигается путем изготовления профилированного магниторезистивного микрочипа биосенсорного устройства по интегральной технологии микросистем в виде кристалла кремния, содержащего ячейки из тонкопленочных магниторезисторов, расположенных массивом размерностью N на М ячеек в областях нанесения проб биоматериалов со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенных металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала.

Благодаря тому что чувствительные ячейки располагаются на одном кристалле, появляется возможность более высокой интеграции, позволяющей увеличить их количество и, следовательно, гарантировать большее количество проб. Под чувствительными ячейками с обратной стороны кристалла вытравливаются области кремния, в которые помещается анализируемый биоматериал, что позволяет увеличить объем проб без изменения площади кристалла. Каждая чувствительная ячейка представляет собой магниторезистивный преобразователь, два n-МОП транзистора, обеспечивающих усиление выходного сигнала и диод для контроля направления тока при выборе ячейки. Близость расположения ячеек друг к другу обеспечивает малый разброс электрофизических параметров активных и пассивных элементов. Организация выборки элементов массива металлической разводкой на кристалле уменьшает количество выводов до N+M+3 штук, что обеспечивает компактность и надежность схемы. Путем внешней коммутации с выводами массива магниточувствительных элементов, подавая на N и М входов определенный двоичный код, выбирается одна из ячеек и опрашивается состояние двух ее информационных выходов, которые также принадлежат всем остальным ячейкам массива, но в момент опроса они являются выключенными за счет гальванической развязки через затворы транзисторов и не оказывают влияния на информационный сигнал выбранной ячейки. При этом ток потребления в массиве в любой момент времени не превышает ток одной выбранной магниточувствительной ячейки.

В составе магниточувствительных ячеек используются четыре тонкопленочных магниторезистора, соединенные в мост Уитстона. Мосты объединены по питанию, образуя строки массива из N входов. Общие выходы с мостов соединены в столбцы массива и составляют М входов. Выходы моста Уитстона идут на затворы n-МОП транзисторов. Стоки транзисторов объединены в два информационных выхода, с которых снимается дифференциальный выходной сигнал с нагрузочных резисторов. Истоки транзисторов соединены с общими выходами мостов.

Процесс изготовления профилированного микрочипа можно разделить на четыре основных этапа. На первом этапе формируется мембрана толщиной примерно 40 мкм с обратной стороны подложки с помощью анизотропного травления кремния в 33% КОН с последующим изотропным обтравом кремния. На втором этапе по стандартной КМОП технологии формируется полупроводниковая схема выборки, состоящая из n-МОП транзисторов с поликремниевыми затворами. Изоляция компонентов в схеме выборки осуществляется толстым окислом «Локос» с предварительным легированием Р+ охраны и образованием областей «мезы» для формирования в них активных элементов схемы. Разводка элементов схемы осуществляется с помощью металла Al-Si. В качестве изолирующего слоя используется оксид и нитрид кремния. На третьем этапе происходит формирование магниторезистивной пленки Ti/FeNiCo20/Ti. Толщина слоя Ti составляет 5…6 нм, толщина FeNiCo20 30…35 нм. Далее из этой структуры формируются магниторезисторы. Разводка магниторезисторов и коммутация со схемой выборки осуществляется вторым слоем металла - Al. Для пассивации элементов используется осажденный слой фосфорно-силикатного стекла. На заключительном этапе производится анизотропный дотрав мембран до толщины 5…10 мкм в растворе этилендиамина.

На фиг.1 изображен топологический эскиз профилированного магниторезистивного микрочипа биосенсорного устройства с массивом чувствительных элементом из N строк и М столбцов, где

1 - магниторезистивный мост;

2 - вход мембраны;

3 - контактные площадки.

На фиг.2 показан разрез кристалла в области мембраны с основными структурными слоями, где

4 - кремниевая подложка;

5 - SiO2;

6 - Si3N4;

7 - магниторезисторы;

8 - металлическая разводка;

9 - пассивирующий диэлектрик.

На фиг.3 изображена электрическая схема соединения магниточувствительных ячеек на основе магниторезистивных мостов Уитстона и n-МОП полевых транзисторов в матрицу размерностью N на М, где

10 - входы, соответствующие номерам строк (1…N);

11 - входы, соответствующие номерам столбцов (1…М);

12 - магниторезистивные мосты Rmij;

13 - n-МОП транзисторы;

14 - диоды;

15 - нагрузочные резисторы;

16 - выходы схемы;

17 - питание.

Профилированный магниторезистивный микрочип работает следующим образом: путем внешних коммутаций с N+M входами биосенсорного устройства регистрации магнитных меток, подавая на них определенный двоичный код (применяемый в цифровых микросхемах), включается только одна из всего массива чувствительная ячейка, и происходит считывание информации с выходов схемы. Данная информация может быть переведена с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код и в дальнейшем записана в ячейку запоминающего устройства, соответствующую опрошенной чувствительной ячейке. Подавая на входы все возможные комбинации двоичных кодов для опроса массива ячеек, происходит последовательное определение наличия или отсутствия магнитных меток в областях матрицы биосенсорного устройства.

Пример конкретного выполнения

Для выбора элемента массива Rmij необходимо на i-ю строку подать логическую "1", при этом на всех остальных входах соответствующих строк должны быть логические "0", а на j-й столбец "0" при "1" на всех остальных столбцах. Таким образом, для того чтобы в массиве 3×3 выбрать элемент А12, необходимо на входы подать цифровой код вида "100 101", где первые три разряда определяют состояние строк, а последние - состояние столбцов.

Преимущество данного профилированного магниторезистивного микрочипа состоит в том, что опрос элементов массива осуществляется с помощью выборки, при которой сигнал подается непосредственно на затвор n-МОП транзистора. Таким образом, транзисторы работают в режиме усиления выходного сигнала.

Источники информации

1. Патент на изобретение США 2010188075.

2. Патент на изобретение США 2006128035.

3. Патент на изобретение США 2010103720 - прототип.

Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства, представляющий собой массив магниточувствительных ячеек размерностью N на М, отличающийся тем, что он выполнен в виде кристалла кремния и содержит тонкопленочные магниторезисторы со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенные металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал.

Изобретение относится к магнитному датчику, использующему магниторезистивный элемент. .

Изобретение относится к магнитному датчику, использующему магниторезистивный элемент. .

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в датчиках измерения углового положения распределительного вала в двигателе автомобиля. .

Изобретение относится к области техники магнитных измерений с использованием полупровод1шковых магниточувствительных приборов. .

Изобретение относится к области магнитнык измерений и предназначено для измерения интегральных по длине магнита неоднородностей дипольных магнитных полей методом гармонического анализа, что необходимо длл создания ускорителей заряженных ча™ стиц высоких энергий.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и представляет собой устройство автономной регистрации амплитуды напряженности однократного импульсного магнитного поля. Устройство содержит индукционный первичный преобразователь, резистор, отрезок тонкого провода, магниторезистивный мост и электрические соединители. Преобразователь включает концентратор магнитного поля и катушку, намотанную на концентратор. Мост, выполненный по тонкопленочной интегральной технологии, включает магниторезисторы, выполненные из ферромагнитного сплава, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса. Катушка через резистор соединена с отрезком тонкого провода, уложенного на поверхность двух из четырех магниторезисторов, образующих противоположные плечи магниторезистивного моста. Через соединители устройство подключается к блоку считывания информации. Техническим результатом является повышение чувствительности магниторезистивного устройства к измеряемому магнитному полю, исключение влияния электрических наводок на результат измерений. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик тока и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока. Датчик содержит замкнутую мостовую измерительную схему, проводники перемагничивания и управления. Мостовая схема состоит из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки и расположенных парами в два ряда. Проводник перемагничивания выполнен в виде плоской прямоугольной петли, а проводник управления - в виде плоской прямоугольной катушки, рабочие полоски которых перпендикулярны друг другу. Проводники расположены над парами магниторезисторов так, что векторы магнитной индукции поля, возникающего в месте расположения магниторезисторов при прохождении тока по проводникам перемагничивания и управления, направлены в противоположные стороны, причем рабочие полоски проводника управления параллельны оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения тока, вызванной влиянием внешнего магнитного поля. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ и устройство для регистрации магнитных полей и может использоваться для определения положения объектов. При реализации способа используется удлиненный элемент из магнитомягкого материала. В зависимости от положения объекта относительно элемента устанавливается магнитное поле, определяющее магнитную проницаемость (µ) материала элемента, при этом рабочий диапазон находится на спадающем фронте кривой магнитной проницаемости. Элемент соединен с электроникой, измеряющей импеданс магнитомягкого материала, линейно зависящий от положения объекта относительно элемента. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный преобразователь магнитного поля и может быть использовано в приборах контроля и измерения вектора магнитного поля. Преобразователь содержит тонкопленочные магниторезистивные элементы с гигантским магниторезистивным эффектом и с однонаправленным изменением сопротивления под действием магнитного поля, соединенные по мостовой схеме. В каждом плече мостовой схемы параллельно соединено либо по меньшей мере два магниторезистивных элемента, либо по меньшей мере два ряда последовательно соединенных магниторезистивных элементов. Техническим результатом является повышение отношения сигнал/шум в широком частотном диапазоне. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик и может быть использовано в устройствах контроля напряженности магнитного поля и бесконтактного контроля электрического тока. Датчик содержит мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного сплава в виде параллельных друг другу полосок, закороченных последовательно перемычками из низкорезистивного немагнитного металла и ориентированных под углом +45° и -45° к оси легкого намагничивания исходной ферромагнитной пленки так, что полоски двух симметричных по отношению друг к другу пар магниторезисторов мостовой схемы взаимно перпендикулярны. Проводник перемагничивания сформирован из пяти полосок пленки немагнитного металла, соединенных в виде меандра, четыре рабочие полоски которого проходят над магниторезисторами, а пятая полоска проходит между двумя парами рабочих полосок. Техническим результатом является повышение надежности и упрощение технологии изготовления датчика. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик переменного магнитного поля. Датчик содержит по меньшей мере один магниточувствительный датчик, управляющий проводник которого подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура. Замкнутый контур, образованный управляющим проводником и подключенным к нему внешним проводником, заземлен на половине длины внешнего проводника. В магниточувствительном датчике магниточувствительный элемент и управляющий проводник разделены изолирующим слоем. Магниточувствительный датчик размещен внутри оболочки из магнитомягкого материала с изоляцией от нее диэлектрическим слоем. Внутри замкнутого контура может быть размещен ферромагнитный концентратор с намотанной на него многовитковой катушкой, своими концами соединенной с перестраиваемым конденсатором. Технический результат заключается в обеспечении стабильности измерения магнитного поля при перемещении самого датчика в низкочастотных и постоянных магнитных полях Земли, окружающих намагниченных предметов и электромагнитных приборов, повышении помехозащищенности датчика, в том числе от электрических импульсных помех. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный преобразователь и может быть использовано в конструкции датчиков магнитного поля. Преобразователь содержит кремниевый кристалл с выполненными в нем по меньшей мере двумя заглублениями, в которых размещены планарные металлические концентраторы. Планарные металлические концентраторы выполнены длиной L и толщиной b, причем величина зазора между концентраторами h составляет примерно не более чем 2 толщины концентратора b и не менее чем 0,06 длины концентратора L. На поверхности кристалла в области между заглублениями размещен магниточувствительный элемент. Над магниточувствительным элементом размещена планарная катушка первого типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от магниточувствительного элемента первым слоем диэлектрика, над которой размещена планарная катушка второго типа, выполненная с возможностью формирования магнитного поля, перпендикулярного оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, отделенная от планарной катушки первого типа вторым слоем диэлектрика. Техническим результатом является увеличение относительной чувствительности к слабому магнитному полю (до 1 мТл) и повышение соотношения сигнал/шум. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх