KR20110021429A - System for signal detection of specimen using magnetic resistance sensor and detecting method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기저항센서를 이용하여 자성입자를 정량적으로 측정하는 고감도 검사시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high sensitivity inspection system and method for quantitatively measuring magnetic particles using a magnetoresistive sensor.
일반적으로 자기센서 카트리지(magnetic sensor)는 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서 카트리지로서, 자기장의 영향으로 여러 가지 물질의 성질 등이 변하는 것을 이용하여 자기장을 측정한다. 홀 효과나 자기저항효과 등을 이용하여 홀소자나 MR(Magnetic Resistance) 소자 등을 만들기도 하고, VTR(Video Tape Recorder), 테이프 리코더 등의 제조에도 이용한다. 이러한 자기장의 영향을 받은 물질은 기본적으로 자성입자와 결합된 검출대상체에 자기장을 인가하여 자성의 변화를 검출하는 것을 요지로 한다.In general, a magnetic sensor cartridge (magnetic sensor) is a sensor cartridge for measuring the size and direction of the magnetic field or the line of magnetic force, the magnetic field is measured by changing the properties of various materials due to the influence of the magnetic field. Hall elements or magnetoresistive (MR) elements are made using the Hall effect, magnetoresistance effect, etc., and they are also used to manufacture VTRs (Video Tape Recorders) and tape recorders. The substance affected by the magnetic field is basically to apply a magnetic field to the detection object coupled to the magnetic particles to detect the change in the magnetic field.
상술한 자성입자는 자철광으로부터 제조되는 것으로, 입자의 표면을 관심의 대상이 되는 생체물질로 코팅하여 결합된 대상물의 존재를 검출하기 위한 태그로서 매우 유망하기 때문에 특히, 생화학 분야에서 오랫동안 연구되고 사용되어 왔다. 그러나 매우 작은 부피의 자성입자로부터 나오는 자기 신호는 극히 작기 때문에 자기 검출기 제조는 어려운 도전과제로 남겨져 있고 다양한 방식으로 연구되고 있는 실정이다.The above-described magnetic particles are manufactured from magnetite, and have been studied and used for a long time in the field of biochemistry, because they are very promising as tags for detecting the presence of bound objects by coating the surface of the particles with a biomaterial of interest. come. However, since magnetic signals from very small volumes of magnetic particles are extremely small, the manufacture of magnetic detectors remains a difficult challenge and is being studied in various ways.
이와 관련한 장치 및 방법으로는, 초전도 콴텀 인터피어런스 디바이스(Superconducting Quantum Interference Devices: 이하, “SQUID”라고 칭함)에 기초한 방법이 있으나, SQUID의 일반적인 복잡성 및 극저온의 요소들로 인해 현장검사 기기로는 적합하지 않은 방법이다. 더 전통적인 방법으로 힘 자력 계의 몇몇 형태를 포함하는데, 정량적 측정이나 고감도 측정에는 한계가 있다. 이후, 자성 입자의 국지축적을 정량적으로 측정하기 위한 방법으로서, 홀 센서(hall sensor)을 이용하거나 거대 자기저항(Giant Magneto-Resistance: 이하, “GMR”라고 칭함) 센서를 이용하는 방법이 제안되기는 하였으나, 감도의 부정확성이나 측정장비의 구성면에서 이를 실용화하는 데에는 많은 한계가 있는 실정이다.Apparatus and method related to this are based on Superconducting Quantum Interference Devices (hereinafter referred to as “SQUID”), but due to the general complexity and cryogenic elements of SQUID, This method is not suitable. More traditional methods include some form of force magnetometer, but there are limitations to quantitative or high sensitivity measurements. Thereafter, as a method for quantitatively measuring local accumulation of magnetic particles, a method using a hall sensor or a giant magneto-resistance (hereinafter referred to as “GMR”) sensor has been proposed. However, there are many limitations to the practical use in terms of inaccuracy of sensitivity and construction of measurement equipment.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 자기저항센서에 인가되는 자기장의 방향을 자기저항센서의 Y축 방향과 Z축 방향에서 인가하여 센서의 감도 성능이 최대화할 수 있는 검출시스템 및 이를 이용한 검출방법을 제공하는 데 있다. 특히, 검출 감도를 최대화하기 위하여 Z축 방향의 자기장을 확보할 수 있는 자기장보상유닛을 형성하여 손실되는 자기장을 순환시킴으로써, 강한 자기장 값을 유지하여 고감도 효율을 구현할 수 있는 검출시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a signal detection system of a specimen using a magnetoresistive sensor, the direction of the magnetic field applied to the magnetoresistive sensor Y-axis direction of the magnetoresistive sensor The present invention provides a detection system capable of maximizing the sensitivity performance of a sensor by applying in the Z-axis direction and a detection method using the same. In particular, to maximize the detection sensitivity by forming a magnetic field compensation unit that can secure the magnetic field in the Z-axis direction to circulate the lost magnetic field, to provide a detection system that can maintain a strong magnetic field value and implement high sensitivity efficiency There is this.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서의 본 발명의 구성은 자성입자가 결합된 검체의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서와 상기 자기저항센서의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하는 외부자기장 인가장치를 포함하여 구성되되, 상기 외부자기장인가장치는 제2방향의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 더 포함하는 자기저항 센서를 이용한 검출시스템을 제공할 수 있도록 형성한다.The present invention as a means for solving the above problems is to apply a magnetoresistance (MR) sensor for sensing the magnetic component of the sample to which the magnetic particles are coupled and the external magnetic field of the first direction and the second direction of the magnetoresistance sensor It is configured to include an external magnetic field applying device, the external magnetic field applying device to provide a detection system using a magnetoresistive sensor further comprises a magnetic field compensation unit for circulating the external magnetic field in the second direction to compensate for the lost magnetic field Form.
특히, 상술한 자기장보상유닛은, Z축 방향으로 인가되는 자기장에서 유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈과 상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 여기에서의 자기장 순환모듈은 내부 공간의 일면에 대향 되는 자기장발생유닛을 구비하며,외부는 자기장순환이 이루어질 수 있는 폐쇄형 구조물로 형성할 수 있다.In particular, the above-described magnetic field compensation unit is characterized in that it comprises a magnetic field circulation module for circulating the external magnetic field flowing out of the magnetic field applied in the Z-axis direction and a magnetic field generating unit formed inside the magnetic field circulation module. The magnetic field circulation module is provided with a magnetic field generating unit facing one surface of the inner space, the outer portion may be formed of a closed structure that can be magnetic field circulation.
상술한 본 발명에 따른 상기 외부자기장인가장치는, 상기 자기저항센서에 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛과 상기 자기저항센서에 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 상기 자기장보상유닛을 구비하는 제2인가유닛을 포함하여 형성시킬 수 있다. 이 경우 상기 제1인가유닛 및 제2인가유닛은 개별적인 분리구조로 형성할 수도 있으나, 일체형으로 형성하여 비용 및 공간 효율을 증대시킬 수 있다.The external magnetic field applying device according to the present invention includes a first applying unit for applying a magnetic field to the magnetoresistive sensor in a horizontal direction (Y axis) and a magnetic field to the magnetoresistive sensor in a vertical direction (Z axis). It may be formed to include a second application unit having the magnetic field compensation unit. In this case, the first application unit and the second application unit may be formed in a separate structure, but can be formed integrally to increase the cost and space efficiency.
본 발명에서 외부자기장인가를 수행하는 상기 제1인가유닛 및 제2인가유닛의 자기장발생유닛은 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz)코일, 전자석 요크, 영구자석 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 형성할 수 있다. In the present invention, the magnetic field generating unit of the first application unit and the second application unit for performing an external magnetic field may be formed of any one or a plurality of solenoid coils, Helmholtz coils, electromagnet yokes, and permanent magnets. .
아울러 본 발명에서의 상기 자기저항센서는 거대자기저항센서(GMR)를 이용할 수 있다.In addition, the magnetoresistive sensor in the present invention may use a giant magnetoresistive sensor (GMR).
이러한 자기장을 발생시키는 상기 제1인가 유닛에 발생되는 자기장은 직류(DC) 전류에 의해 형성될 수 있으며, 상기 제1인가 유닛이 인가하는 자기장은 2~300 가우스 범위 내에서 인가됨이 바람직하며, 이때 GMR센서가 반응 가능한 범위(민감도)는 2~300가우스이다. 특히 이 경우에 상기 제2인가유닛에 의해 인가되는 자기장은 1200 ~ 1400 가우스(Gauss)로 형성함이 바람직하다.The magnetic field generated in the first application unit generating such a magnetic field may be formed by a direct current (DC) current, and the magnetic field applied by the first application unit is preferably applied within a range of 2 to 300 gauss. The range (sensitivity) that the GMR sensor can respond to is 2 to 300 gauss. In particular, in this case, the magnetic field applied by the second application unit is preferably formed of 1200 to 1400 gauss.
본 발명에 따른 검출시스템은 기본적인 측정 대상인 검체를 고정하는 검체고정유닛은 측정 카트리지 또는 멤브레인으로 형성할 수 있으며, 상기 검체는 항원을 포함한 바이오물질을 대상으로 할 수 있다.In the detection system according to the present invention, a sample fixing unit for fixing a sample, which is a basic measurement target, may be formed as a measurement cartridge or a membrane, and the sample may be targeted to a biomaterial including an antigen.
본 발명에 따른 검출시스템에서의 상기 자기적 성분의 감지는 측정카트리지 또는 멤브레인을 사용하여 비접촉식으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이를 위해서 본 검출시스템은 상기 자기저항 센서에서 감지한 자기신호를 스캐닝하는 스캔부를 더 포함하여 이루어질 수 있도록 한다. 이 경우 상기 스캔부는, 상기 검체를 지지하는 검체지지부와, 상기 검체가 고정되는 검체고정유닛을 로딩하는 측정로더(loader)를 더 포함하여 구성될 수 있다.The detection of the magnetic component in the detection system according to the present invention is characterized in that it is made in a non-contact by using a measuring cartridge or a membrane. For this purpose, the detection system is a scanning unit for scanning the magnetic signal detected by the magnetoresistive sensor It can be made to include more. In this case, the scan unit may further include a sample support unit for supporting the sample, and a measurement loader for loading the sample fixing unit to which the sample is fixed.
아울러 본 발명에 따른 검출시스템에서는 자기저항센서에서 감지한 자기신호를 전기적 성분으로 분리하고 분석하여 결과를 출력하는 측정값처리부를 더 포함하 여 구성될 수 있다.In addition, the detection system according to the present invention may be configured to further include a measurement value processing unit for separating the magnetic signal detected by the magnetoresistive sensor into an electrical component and analyzing and outputting the result.
본 발명의 검체에 결합되는 자성입자는 10~100emu/g의 자화값을 갖도록 하며, 특히 이러한 자성입자는 초상자성(superparamagnetism) 또는 상자성(paramagnetism)을 갖는 것을 이용할 수 있다.Magnetic particles bound to the sample of the present invention to have a magnetization value of 10 ~ 100emu / g, in particular, such magnetic particles may be used having a superparamagnetism or paramagnetism.
본 발명에 따른 검출시스템을 이용한 검출방법은 자성입자에 외부자기장을 가하여 자기저항센서로 검체의 정량적 측정을 수행할 수 있다. 구체적으로는 본 발명에 따른 검출방법은 상기 자성입자를 자화시키는 직류자기장(DC magmetic field)을 상기 자기저항 센서의 수직방향(Z축)으로 인가하고, 상기 검체에 유도자기장을 상기 자기저항 센서의 수평방향(Y축)으로 인가하여 측정을 수행하되, 상기 자기저항센서의 특성커브에서의 히스테리시스 구간이 최소화되는 지점의 값을 수평방향의 값으로 선정하며, 수직방향의 자기장값은 자기저항센서의 특성이 변화하지 않는 구간에서의 최대값을 선정하여 상기 수직 및 수평방향 성분의 자기장의 최적점을 측정점으로 확정하는 것을 특징으로 한다.In the detection method using the detection system according to the present invention, an external magnetic field may be applied to magnetic particles to perform quantitative measurement of a sample with a magnetoresistive sensor. Specifically, the detection method according to the present invention applies a direct current magnetic field (DC magmetic field) for magnetizing the magnetic particles in the vertical direction (Z axis) of the magnetoresistive sensor, and applies an induction magnetic field to the specimen. The measurement is performed by applying in the horizontal direction (Y axis), and the value of the point where the hysteresis section is minimized in the characteristic curve of the magnetoresistive sensor is selected as the horizontal value, and the vertical magnetic field value is the value of the magnetoresistive sensor. The maximum value in the section where the characteristic does not change is characterized in that the optimum point of the magnetic field of the vertical and horizontal components is determined as the measuring point.
본 발명에 따르면, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호검출 시스템을 제공하되, 자기저항센서에 인가되는 자기장의 방향을 자기저항센서의 Y축 방향과 Z축 방향에서 인가하여 센서의 감도 성능이 최대화할 수 있으며, 특히 Z축 방향의 자기장의 손실을 최소화할 수 있는 자기장보상유닛을 형성하여 강한 자기장을 확보할 수 있도록 하여 검출감도를 최대화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, while providing a signal detection system of the specimen using a magnetoresistive sensor, by applying the direction of the magnetic field applied to the magnetoresistive sensor in the Y-axis direction and Z-axis direction of the magnetoresistance sensor to maximize the sensitivity performance of the sensor In particular, by forming a magnetic field compensation unit that can minimize the loss of the magnetic field in the Z-axis direction to ensure a strong magnetic field has the effect of maximizing the detection sensitivity.
구체적으로는 자기저항 센서에 Z축 방향에서 직류자기장을 인가하여 초상자 성의 자성입자를 포화 자화시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 자기저항 센서의 감도 성능이 최대화될 수 있도록 한다. Specifically, the DC magnetic field is applied to the magnetoresistive sensor to saturate magnetization of the superparamagnetic magnetic particles, and the magnetic field is applied to the Y axis to maximize the sensitivity performance of the magnetoresistive sensor.
본 발명에 따른 검출시스템은 검체고정유닛에 검체를 마운팅하고 외부자기장인가장치를 통해 외부자기장을 자기저항 센서의 두 방향에서 인가한 후, 자기센서에서 자기적성분과 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다.The detection system according to the present invention mounts a specimen on a specimen holding unit and applies an external magnetic field in two directions of a magnetoresistive sensor through an external magnetic field application device, and then detects a magnetic signal for a specimen combined with a magnetic component in the magnetic sensor. Allows separation and analysis of electrical components.
특히, 솔레노이드, 헬름홀츠, 전자석, 자석 요크, 영구자석 중 어느 하나를 이용한 2개소의 자기장 인가유닛에서 외부자기장 값을 인가하되, 자성입자의 자화 값을 최대로 하며, 자기센서에는 영향을 최소화시킬 수 있도록 하여 감지의 효율을 극대화시키는 효과가 있다.In particular, two magnetic field applying units using any one of solenoid, helmholtz, electromagnet, magnet yoke, and permanent magnet may apply the external magnetic field value to maximize the magnetization value of the magnetic particles and minimize the effect on the magnetic sensor. It is effective to maximize the efficiency of detection.
또한, 본 발명은 바이오 센서 카트리지용으로 카트리지 형태의 거대 자기저항 센서 카트리지(Giant Magneto Resistance Cartridge)를 측정값 처리부와 결합하여 자기적 성분과 결합된 검체를 검출 및 센싱하여 전기적 성분으로 분리 및 분석할 수 있도록 할 수 있으며, 기존 반도체 단위공정으로 제작된 거대 자기저항 디바이스를 바이오 센서로 적용하고자 할 때, 센싱 엘리먼트(Sensing element)와 검체를 비 접촉시킴으로써 미소량의 검지체의 감도를 향상시킴으로써 정량적 분석을 원활하게 수행할 수 있다. In addition, the present invention is to combine the giant magneto-resistance cartridge (Giant Magneto Resistance Cartridge) of the cartridge type for the biosensor cartridge with the measurement processing unit to detect and sense the sample combined with the magnetic component to be separated and analyzed as an electrical component When applying a large magnetoresistive device manufactured by the existing semiconductor unit process as a biosensor, quantitative analysis by improving the sensitivity of the small amount of the detector by non-contacting the sensing element and the sample This can be done smoothly.
더불어 본 발명은 비접촉식의 거대 자기저항 센서(Giant Magneto Resistance)로 활용하여 검체에 대한 센싱을 통해 생체진단을 수행할 수 있다. 이에 POCT(Point of Care Testing)에 사용되는 멤브레인을 검체 진단 키트에 설치하 여 효과적인 멤브레인 측정을 위한 측정기구를 개발할 수 있다.In addition, the present invention can be used as a non-contact giant magneto-resistance sensor (Giant Magneto Resistance) to perform a bio-diagnosis through sensing the sample. The membrane used for Point of Care Testing (POCT) can be installed in a sample diagnostic kit to develop a measuring instrument for effective membrane measurement.
나아가 본 발명은 센싱 엘리먼트(element)의 크기에만 제한되었던 감지범위를 극복할 수 있고, 동적인 스캐닝 방식에 의해 주파수 간 노이즈(Noise)를 구분할 수 있어 정량적 측정해석을 할 수 있게 된다.Furthermore, the present invention can overcome the detection range limited only to the size of the sensing element, and can distinguish noise between frequencies by a dynamic scanning method, thereby enabling quantitative measurement analysis.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and operation according to the present invention.
본 발명에서는 종래의 방법에 의해 측면 유동 멤브레인(lateral flow membrane)에 축적된 자성입자를 거대 자기 저항 센서를 이용하여 정량적으로 측정할 수 있는 고감도의 현장검사 장치 및 측정 방법을 제공하되, 자기저항센서(이를 테면, GMR 센서)가 종래의 기술에서 사용한 자기 검출 장치에서 나타날 수 있는 센서 성능 구현의 문제점 및 이에 대한 해결 방안을 제시하고, 홀 센서 이외의 자기저항 방식(예, GMR, TMR)이 활용 가능한 고감도 자계 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 요지로 한다. 특히 자기저항센서를 이용하여 외부자기장을 인가함에 있어서, 손실되는 자기장을 보상할 수 있는 자기장보상유닛을 구비하여 강한 자기장을 구현할 수 있도록 함으로써, 감도를 최대화할 수 있는 검출시스템을 제공하는 것을 그 요지로 한다.The present invention provides a high-sensitivity field inspection apparatus and measurement method capable of quantitatively measuring magnetic particles accumulated in a lateral flow membrane by a conventional method using a giant magnetoresistive sensor, but a magnetoresistive sensor (E.g., GMR sensor) presents the problems and solutions to the sensor performance implementation that can occur in the magnetic detection device used in the prior art, and the magnetoresistance method (e.g., GMR, TMR) other than the Hall sensor is utilized. It is an object of the present invention to provide a highly sensitive magnetic field measuring apparatus and method. In particular, when applying an external magnetic field using a magnetoresistive sensor, a magnetic field compensation unit capable of compensating for the lost magnetic field can be provided to implement a strong magnetic field, thereby providing a detection system capable of maximizing sensitivity. Shall be.
도 1은 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱 원리를 설명한 개념도이다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 자기저항 센서 중 거대자기저항(GMR; Giant Magneto Resistance)를 이용한 센싱 원리를 일례로 설명하기로 한다.1 is a conceptual diagram illustrating a sensing principle of a magnetoresistive sensor used in the present invention. However, for convenience of description, the sensing principle using a giant magneto resistance (GMR) of the magnetoresistive sensor will be described as an example.
이는 스핀 밸브 타입(Spin-valve type) GMR(Giant Magneto Resistance) 디바이스를 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 자기저항센서는 두 개의 강자성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 끼어 있는 형태로 첫 번째 층의 강자성층 금속층의 자력은 고정되어 있고, 두 번째 층의 강자성체의 자력을 가변적으로 조정하여 첫 번째 층과 자력이 평행할 경우 오직 특정방향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통과하는 원리를 이용한다. 즉, 두 강자성층의 자화방향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저항의 차이, 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하게 된다. 층간 물질이 도체인 경우가 바로 GMR 디바이스에 해당된다.This shows a spin-valve type Giant Magneto Resistance (GMR) device. As shown, the magnetoresistive sensor has a nonmagnetic metal layer sandwiched between two ferromagnetic metal layers. The magnetic force of the ferromagnetic metal layer of the first layer is fixed, and the magnetic force of the ferromagnetic material of the second layer is variably adjusted. When the first layer and the magnetic force are parallel, the principle that only electrons spin-oriented in a specific direction passes through the conductor. That is, according to the alignment of the magnetization directions of the two ferromagnetic layers, a difference in electrical resistance, or a potential difference, induced inside the material is generated and recognized as a digital signal. The case where an interlayer material is a conductor corresponds to a GMR device.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성을 설명하기로 한다.Referring to Figure 2 will be described the configuration of the basic detection system according to the present invention.
본 발명의 기본구성은 검출하고자 하는 검체와 상기 검체를 고정하는 검체고정유닛(120), 상기 검체에 외부에서 자기장을 인가하는 외부자기장인가장치(110), 그리고 자기저항 센서(130)를 포함하여 이루어진다. 이 기본구조를 이용해 검체를 검체고정유닛(120)에 마운팅(mounting)하고, 외부자기장인가장치(110)에서 외부자기장을 인가하며, 자기저항센서(130)에서 자기적 성분(자성입자)와 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다. 자성입자는 10~100emu/g의 자화 값을 구비할 수 있다. 이 경우 상기 자성입자는 그 특성이 초상자성(superparamagnetism) 또는 상자성(paramagnetism)을 갖을 수 있다.The basic configuration of the present invention includes a sample to be detected and the
상기 외부자기장 인가장치는 기본적으로 상기 자기저항센서(130)의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하는 것이 바람직하다. 상술한 제1방향 및 제2방향은 특히 바람직하게는 상기 자기저항센서에 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛(111), 그리고 상기 자기저항센서에 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛(112)를 포함함이 바람직하다. 물론 상술한 수평 방향 수직 방향은 상기 자기저항 센서의 입면에 반드시 수직만을 의미하는 것이 아니라, 일정 정도의 입사방향의 유동성을 구비하는 것을 포함하는 개념이다.Preferably, the external magnetic field applying device applies external magnetic fields in the first direction and the second direction of the
특히, 상기 제2인가유닛(112)은 상기 자기저항센서의 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가함에 있어서, 제2방향의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 자기장보상유닛은 기본적으로 유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈(112a)과 상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛(112b)을 포함하여 이루어진다. 상기 자기장발생유닛(112b)에서는 Z축 방향으로 자기장을 인가하며, 인가되는 자기장에서 외부로 유출되는 자기장은 자기장순환모듈(112b)를 통해 외부로 유출되는 것이 방지되어 강한 자기장을 확보할 수 있도록 해 검출감도를 향상시킬 수 있게 된다.(이에 대해서는 도 4a를 통해 상세히 후술하기로 한다.) In particular, the second applying
본 발명에서 사용할 수 있는 자기저항 센서(130)는 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서, 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서, MJT (Magnetic Tunneling Junction)센서, 평면홀저항(Planar Hall Resistance)센서 중 선택되는 어느 하나를 이용함이 바람직하다. 특히 바람직하게는 거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있다.The
도 3a 내지 도 3c를 참조하여, 본 발명에서의 바람직한 일실시예로서 GMR 센서를 가지고 본 발명에 따른 요지를 구체적으로 설명한다.3A to 3C, the gist according to the present invention will be described in detail with a GMR sensor as an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a는 종래의 홀센서를 이용한 방식을 나타낸 것으로, 종래 기술에서는 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키기 위해 센서의 수직 방향(Bext)으로 영구자석을 이용하여 직류자기장(DC magnetic field)를 인가하고, 자기장에 수직인 방향(Ic)으로 인가되는 교류편향전류(AC bias current)를 이용하여 홀 센서를 여기 및 편향 시켜 동작하였다. VH는 자기장에 대해 수직의 전류를 인가할 때 발생하는 기전력이다. 이와 같은 종래의 기술에서는 센서의 수직방향으로만 자기장이 인가되기 때문에, 그 검출 성능이 떨어지는 문제가 있었다.FIG. 3A illustrates a conventional Hall sensor. In the related art, a DC magnetic field is applied using a permanent magnet in the vertical direction B ext of the sensor to saturate the superparamagnetic magnetic particles. The Hall sensor was operated by exciting and deflecting an AC bias current applied in a direction I c perpendicular to the magnetic field. V H is the electromotive force generated when applying a current perpendicular to the magnetic field. In this conventional technique, since the magnetic field is applied only in the vertical direction of the sensor, there is a problem that the detection performance is inferior.
도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따른 자기저항 센서 중 일 실시예로서 GMR 센서의 개념도를 도시한 것으로, 이는 자기저항 센서가 적용되는 검출디바이스에서 자기저항센서의 개념도이다. 도시된 개념도에서 화살표는 박막형 물질의 적층으로 구성되는 센서를 중심으로, 박막형 물질의 수평방향(X축 방향), 박막형물질의 수평방향(Y축 방향), 박막형 물질의 수직방향(Z축 방향)을 나타낸다. 이러한 GMR 센서는 센서와 직각 방향(Y축)의 자기장에 대해서만 매우 강한 영향을 받고, 센서와 평행한 방향(X축)에 대해서는 약간의 영향을 받는 반면에 센서와 수직인 방향(Z축)에 대해서는 전혀 영향을 받지 않는 특성을 지닌다. 또한, Y축 방향의 자기장에 대해 서는 고유의 선형 구간(linear range) 안에서 편향(biasing) 조절이 가능하다. 3B and 3C illustrate a conceptual diagram of a GMR sensor as one embodiment of a magnetoresistive sensor according to the present invention, which is a conceptual diagram of a magnetoresistive sensor in a detection device to which the magnetoresistive sensor is applied. In the conceptual diagram shown, the arrow is centered on a sensor composed of a stack of thin film materials, and the horizontal direction (X axis direction) of the thin film material, the horizontal direction (Y axis direction) of the thin film material, and the vertical direction (Z axis direction) of the thin film material. Indicates. Such a GMR sensor is very strong only in the magnetic field perpendicular to the sensor (Y axis) and slightly in the direction parallel to the sensor (X axis), while in the direction perpendicular to the sensor (Z axis). It is not affected at all. In addition, for the magnetic field in the Y-axis direction, it is possible to control the biasing within its own linear range.
따라서, GMR 센서의 최대 성능 구현을 위한 시스템 디자인은 Z축 방향으로 직류 자기장(DC magnetic field)을 인가하여 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 센서의 감도 성능이 최대가 되는 편향 조절을 하는 것이 필수적이다. 이때, Y축 방향의 자기장 인가는 직류전류(DC current)를 통해 발생되는 유도 자기장(induced magnetic field)을 사용하는 것이 신호 대 잡음 비 향상에 매우 효과적이다. 또한, 측면 유동 멤브레인에 국지 축적된 자성입자는 Y축 방향의 유도 자기장과 같은 방향으로 스캐닝(scanning)을 통해 이송되도록 하는 것이 가장 바람직하다.Therefore, the system design for the maximum performance of the GMR sensor is applied by applying a DC magnetic field in the Z-axis direction to saturate the superparamagnetic magnetic particles and applying the magnetic field in the Y-axis direction to improve the sensitivity performance of the sensor. It is essential to have maximum deflection control. In this case, the application of the magnetic field in the Y-axis direction is very effective in improving the signal-to-noise ratio by using an induced magnetic field generated through a DC current. In addition, it is most preferable that the magnetic particles locally accumulated in the lateral flow membrane are transported by scanning in the same direction as the induced magnetic field in the Y-axis direction.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 외부자기장 인가 장치를 포함하는 검출시스템의 일 요부와 이를 통해 구현되는 효율성에 대한 결과데이터를 도시한 것이다.4A to 4E illustrate the main parts of a detection system including an external magnetic field applying device according to the present invention and result data on the efficiencies implemented through the same.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 외부자기장 인가장치의 개념도를 도시한 것이다. 도 4a 및 도 4b는 장치의 상부에서 바라본 구조를 도시한 것이다.4A and 4B show a conceptual diagram of an external magnetic field applying device according to the present invention. 4a and 4b show the structure seen from the top of the device.
본 발명에 따른 외부자기장 인가장치는 도 2의 요부구성에 대한 설명에서 상술한 바와 같이, 자기저항센서에 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛(111), 상기 자기저항센서에 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛(112)와 내부에 검체(ex, 멤브레인 등), 그리고 스캐너(미도시)를 구비하고 있다. The external magnetic field applying device according to the present invention has a
특히, 상기 제2인가유닛(112)은 상기 자기저항센서의 수직방향(Z축)으로 자 기장을 인가함에 있어서, 상기 자기저항센서의 수직방향(Z축)의 외부자기장을 순환시켜 손실자기장을 보상하는 자기장보상유닛을 구비한다.Particularly, in applying the magnetic field in the vertical direction (Z axis) of the magnetoresistive sensor, the second applying
상기 자기장보상유닛은 기본적으로 유출되는 외부자기장을 순환시키는 자기장순환모듈(112a)과 상기 자기장 순환모듈 내부에 형성되는 자기장발생유닛(112b)을 포함하여 이루어진다. 상기 자기장발생유닛(112b)에서는 Z 축방향으로 자기장을 인가하며, 인가되는 자기장에서 외부로 유출되는 자기장은 자기장순환모듈(112a)를 통해 외부로 유출되는 것이 방지되어 강한 자기장을 확보할 수 있도록 해 검출감도를 향상시킬 수 있게 된다. 도 4b에 도시된 것은 본 장치의 윗 쪽에서 바라본 도면으로, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예로 자기장발생유닛(112b)은 상기 자기장 순환모듈(112a)의 내측의 상부면과 하부면에 이격되어 형성되는 2개의 영구자석을 구비하는 구조로 형성될 수 있다. 이에 대한 개념 및 구조는 도 4b에서 본 장치의 정면 또는 측면에서의 단면도를 개념적으로 설명한 구조를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 즉 도시된 도면에 나타나는 자기장발생유닛(112b)는 장치의 윗쪽에서 바라본 구조이며, 정면 또는 측면에서 바라보는 구조는 도 4b에서 개념적으로 도시한 바와 같이 자기장발생유닛(112b)는 서로 이격된 공간을 가지도록 대향되는 구조로 형성됨이 바람직하다.The magnetic field compensation unit basically includes a magnetic
제1인가유닛(111)과 제2인가유닛에서 자기장을 발생시키는 자기장발생유닛(112b)은 솔레노이드 코일, 헬름홀츠 코일, 전자석요크, 영구자석 등을 이용하여 외부자기장을 인가시킬 수 있다. 즉 솔레노이드 코일, 헬름홀츠 코일, 전자석요크, 영구자석 중에서 선택되는 어느 하나로 구성되거나, 또는 복수인 형태로 구성될 수 도 있다. 또한, 제1 및 제2인가 유닛이 서로 다른 종류로 형성될 수도 있다.The magnetic
상술한 바와 같이, 위 시스템에서는 Z축 방향으로 직류자기장(DC magnetic field)을 인가하여 측면 유동 멤브레인에 국지 축적된 초상자성의 자성입자를 포화 자화 시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 센서의 감도 성능이 최대가 되는 편향 조절을 하게 된다. 이때, Y축 방향의 자기장 인가는 직류전류(DC current)를 통해 발생되는 유도 자기장(induced magnetic field)을 인가할 수 있다. 즉, 검출하고자 하는 대상물질이 결합된 검체(112)는 Y축 방향(수평방향)으로 이송하게 되며, 수평방향으로 스캐닝 되는 경우 가장 좋은 감도로 측정이 가능하다. 본 발명에서는 상기 제1인가유닛에 인가되는 자기장의 범위는 2~300가우스(Gauss), 거대자기저항센서(GMR)가 반응 가능한 범위는 2~300가우스(Gauss)인 것이 바람직하다. 아울러 상기 제2인가유닛에 인가되는 자기장은 1200 ~ 1400 가우스(Gauss)의 범위에서 인가됨이 바람직하다.As described above, in the above system, the DC magnetic field is applied in the Z-axis direction to saturate the superparamagnetic magnetic particles accumulated in the side flow membrane, and the magnetic field is applied in the Y-axis direction to sense the sensitivity of the sensor. Deflection control is performed to maximize performance. In this case, the application of the magnetic field in the Y-axis direction may apply an induced magnetic field generated through a DC current. That is, the
이하에서는 도 4a의 본 발명에 따른 외부자기장인가장치를 구성하는 일 실시예로서 제1인가유닛(111)을 헬름홀츠 코일(H)을 이용하고, 제2인가유닛에서의 자기장인가는 영구자석을 이용하여 구현한 구조를 들어 본 발명에 따른 요지를 설명하기로 한다.(상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기장인가유닛은 솔레노이드 코일, 헬름홀츠 코일, 전자석, 자석 요크 등 전류 값의 변화를 통해 자기장영역(applied field)이 형성되는 모든 장치 또는 영구자석의 적용이 가능하다.)Hereinafter, as an embodiment of configuring the external magnetic field applying device according to the present invention of FIG. 4A, the
본 발명에서의 제1인가유닛(111)을 구성하는 헬름홀츠 코일(H)의 사이즈는 (50 X 100 X 80 mm)으로 소형 기기에 장착을 할 수 있도록 설계하였다. 헬름홀츠 코일에는 0.5파이 두께의 구리 선을 162번을 감았고, 1A 또는 0.5A의 전류 인가시 헬름홀츠 코일 중심(5 X 5 X 5mm공간)에서 30Gauss 자기장이 형성되며 자기장 균일도는 ±1%이내이다. 이 헬름홀츠 코일에 의해서 형성되는 자기장은 수평방향 (Y축)의 자기장으로 본 발명에서 사용되는 거대자기저항(GMR)센서의 초기값 설정 및 안정성에 영향을 미치게 된다. 이러한 헬름홀츠 코일의 사이즈 및 전류에 의해 형성되는 자기장의 세기는 모두 가변이 가능한 것으로 본 발명에서는 30 Gauss, 균일도 ±1% 이내, 균일도를 유지해야 하는 공간 사이즈 (5 X 5 X 5mm)를 주요 성능으로 제작을 하였다.The size of the Helmholtz coil (H) constituting the
아울러 자기장발생유닛(112b)와 자기장순환모듈(112a)을 형성함에 있어서, 자기장발생유닛(112b)는 2개의 영구자석을 대향 되게 배치하며, 자기장순환모듈(112a)는 순철(S10C) 재질로 만들어진 요크 구조로 형성하여, 상기 영구자석을 이 요크구조물의 내부에 형성하였다. 사용하는 영구자석의 사이즈는 (20 X 20 X 10mm)의 ND계열의 영구자석을 사용하였으며, 영구자석 사이의 간격은 4cm로 유지시켰다. 사용된 영구자석의 표면 자기장 세기는 4000~5000 Gauss이며 2개의 자석 사이의 중간 지점에서의 자기장 세기는 1200~1400 Gauss를 유지시키도록 하였다.In addition, in forming the magnetic
도 4b는 도 4a에 도시된 외부자기장인가장치의 구성도를 개념화하여 본 발명의 요지를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다. 즉 본 발명은 도 4a에서 제1인가유닛을 상술한 헬름홀츠 코일로 형성하여 수평방향의 자기장을 인가하고, 나아가 수직방향(Z축방향)을 형성하기 위하여 자기장발생유닛(112b)과 자기장순환모듈(112a) 구현한다. (a)에 도시된 개념화된 도면을 참조하면, 본 일 실시예에서는 상기 자기 장발생유닛(112b)를 영구자석으로 형성하고, 상기 자기장발생유닛(112b)은 내부의 공간이 개방되며, 외부는 밀폐된 구조의 요크로 형성되는 자기장 순환모듈(112a)의 내부에 배치시킨다. 이 경우 자기장발생유닛(112b)은 대향 되는 위치에 2개 배치되게 되며, 이로 인해 자기장발생유닛(112b) 간에는 자기장이 발생하게 된다.FIG. 4B is a view for explaining the gist of the present invention in detail by conceptualizing a configuration diagram of the external magnetic field applying device shown in FIG. 4A. That is, in the present invention, the first application unit is formed of the above-described Helmholtz coil to apply a magnetic field in the horizontal direction, and further, to form the vertical direction (Z-axis direction), the magnetic
(b)에 제시된 것처럼 대향되게 배치되는 2개의 영구자석 간에는 직선의 자기장(X)과 외부로 벗어나는 자기장(Y1~Y4)으로 개념화할 수 있다. 따라서 두 개의 영구자석 사이 공간에서는 직선의 자기장을 얻을 수 있으나, 영구자석 주변에는 다른 방향으로 자기장이 많이 벗어나게 되며, 외부환경에 따른 자기장 값의 변화의 폭이 크게 되므로 안정된 자기장 값을 확보할 수 없게 된다. 물론 (c)에 도시된 것처럼 자석을 1개만 사용하는 경우에는 자석주변으로 벗어나는 자기장이 많아 일정한 자기장 값을 얻기는 더욱 힘들게 된다.As shown in (b), it can be conceptualized as a straight magnetic field (X) between two permanent magnets arranged oppositely and a magnetic field (Y 1 to Y 4 ) escaping from the outside. Therefore, a linear magnetic field can be obtained in the space between the two permanent magnets, but the magnetic field deviates much in different directions around the permanent magnet, and the change of the magnetic field value due to the external environment becomes large, so that a stable magnetic field value cannot be obtained. do. Of course, in the case of using only one magnet, as shown in (c), it is more difficult to obtain a constant magnetic field value because there are many magnetic fields that deviate from the magnet periphery.
따라서, 도 4a 및 도 4b의 (a)에 제시된 자기장순환모듈(112a)를 배치하게 되는 경우에는 이러한 영구자석주변에서 뻗어나오는 손실되는 자기장을 자기장순환모듈(112a)을 통해 붙잡아 둘 수 있게 되며, 도 4b의 (b)에서 외부로 벗어나는 자기장(Y1~Y4)은 요크 형상의 자기장순환모듈(112a)을 따라 이동하게 되어, 항상 일정하고 안정적인 자기장 값을 구현할 수 있게 된다. 즉 주변으로 손실되는 자기장을 없애 같은 자기모멘트 값을 가진 자석이라도 요크(자기장순환모듈(112a))를 사용하여 더욱 강한 자기장 값을 얻을 수 있게 된다.Therefore, when the magnetic
도 4c는 이러한 본 발명에 따른 자기장순환모듈(112a)과 자기장발생유 닛(112b)을 이용한 자기장의 균일도를 나타낸 것으로, 요크 구조로 형성하는 자기장순환모듈(112a)을 사용하는 경우 가장 강한 자기모멘트 값(1750 Gauss)을 가지게 되며, 자기장의 균일도 역시 2.1%로 자기장순환모듈이 없을 경우의 4.6% 보다 2배이상 균일해 지는 것을 알 수 있다.(①은 본 발명에 따른 경우, ②는 자기장순환모듈없이 2개의 자석으로만 형성한 경우, ③영구자석 1개만으로 형성한 경우의 자기장 측정 데이터이다. )Figure 4c shows the uniformity of the magnetic field using the magnetic
도 4d를 참조하면, 이는 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 일 실시예로서 제1인가유닛을 도 4a 및 도 4b에서 상술한 것처럼 헬름홀츠 코일로 형성하고, 제2인가유닛을 본 발명에 따른 자기장순환모듈(112a)과 자기장발생유닛(112b)으로 구성한 경우 자기저항 센서의 수평방향(Y축)과 수직(Z축) 방향의 자기장의 변화에 대한 값을 측정한 것이다. 일정한 수평방향으로 자기장이 인가되고 있는 헬름홀츠코일에 수직방향의 자기장을 형성시키는 상기 자기장발생유닛(112b)과 자기장순환모듈(112a)을 장착하였을 경우, 수평방향(Y축) 자기장의 변화는 0.2 Gauss정도로 변화량은 1% 이내이다. 따라서 이는 헬름홀츠 코일 내에 자석 요크(Yoke)를 설치하여 사용을 하여도 본 발명에서 사용하는 성능에 미치는 영향이 없다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4D, which is an embodiment according to the present invention as described above, the first application unit is formed of a Helmholtz coil as described above in FIGS. 4A and 4B, and the second application unit is a magnetic field circulation according to the present invention. In the case of the
또한, 도 4e를 참조하여 보면, 이는 상술한 본 발명에 따른 자기장보상유닛을 구비한 외부자기장인가장치를 이용하여 자성밴드를 측정한 값을 나타낸 것으로, (a) 수평방향(Y축)의 자기장만을 형성한 경우에는 130mV, 수직 방향의 자기장만 형성 시켰을 경우에는 520mV가 측정되었지만 수평, 수직 방향의 자기장을 동시에 형 성시켰을 경우에는 4340mV의 측정값을 나타내었다. 이러한 결과는 수평, 수직 방향의 자기장을 동시에 인가시에는 수평방향만 인가하였을 경우보다 약 30배, 수직방향만 인가시켰을 경우보다는 약 8배 정도의 감도가 향상된 것을 알 수 있다. 위 결과에서 사용된 조건은 수평방향의 자기장은 30 Gauss, 수직방향의 자기장은 1250 Gauss (2개의 영구자석 사이의 정 중앙 점에서 측정)을 인가시키고 측정한 결과이다. 즉 이러한 자기장의 강도가 강해지는 원리는 다음과 같은 작용으로 설명할 수 있다. In addition, referring to Figure 4e, which shows the value measured by the magnetic band using the external magnetic field applying device having a magnetic field compensation unit according to the present invention, (a) the magnetic field in the horizontal direction (Y axis) In the case of forming the bay, 130mV and 520mV were measured when only the magnetic field was formed in the vertical direction, but 4340mV was measured when the magnetic fields in the horizontal and vertical directions were formed at the same time. These results indicate that the application of the magnetic field in the horizontal and vertical directions at the same time improves the sensitivity by about 30 times than when applying only the horizontal direction and about 8 times than when applying only the vertical direction. The conditions used in the above results were measured by applying 30 Gauss in the horizontal magnetic field and 1250 Gauss in the vertical direction (measured at the center point between two permanent magnets). That is, the principle of the strength of the magnetic field can be explained by the following action.
도 4f에 제시된 것처럼, 도시된 그림은 헬름홀츠 코일로 구성되는 제1인가유닛(111)과 영구자석이 결합된 자기장보상유닛(112)에서 형성되는 수평, 수직 방향의 자기장이 측정하고자 하는 자성밴드(자성입자)의 자기모멘트를 형성시키는 구조를 개념적으로 표현한 것이다. As shown in Figure 4f, the illustrated figure is a magnetic band to be measured by the magnetic field in the horizontal and vertical direction formed in the magnetic
본 발명에서 사용되는 자기저항센서는 자석에 의해 형성된 수직방향의 자기장의 영향으로 자회되는 자성밴드의 자기장 변화(stray field)를 읽을 수 있게 된다. 이때 수직방향의 자기장의 세기가 강할수록 자성밴드에서 형성되는 자기장 변화값이 강해지게 되며, 이로써 검출 감도가 향상되게 되는 것이다.The magnetoresistive sensor used in the present invention can read the magnetic field change (stray field) of the magnetic band that is rotated under the influence of the vertical magnetic field formed by the magnet. At this time, as the intensity of the magnetic field in the vertical direction is stronger, the magnetic field change value formed in the magnetic band becomes stronger, thereby improving the detection sensitivity.
도 5a는 도 4a에서 제작한 본 발명의 일실시예로서의 외부자기장인가장치의 제1인가유닛에 사용되는 헬름홀츠 코일에 흐르는 전류 값을 변화시키며 수평방향의 자기장의 세기를 측정한 결과이며, 도 5b는 전류 값 변화에 대한 자기장의 세기를 그래프화한 것이다. 어느 경우이던 상술한 바와 같이 전류에 따른 자기장의 세기는 비례적인 증가를 보이며, 이는 도 4e에서 확인한 것처럼 수직방향의 자기장의 세기 와 부합하여 자기장의 강도를 최대화할 수 있게 된다.5A is a result of measuring the intensity of a magnetic field in a horizontal direction while changing a current value flowing in a Helmholtz coil used in the first application unit of the external magnetic field application device of FIG. It is a graph of the strength of a magnetic field against a change in current value. In any case, as described above, the intensity of the magnetic field according to the current shows a proportional increase, which can maximize the strength of the magnetic field in accordance with the strength of the magnetic field in the vertical direction as shown in FIG. 4E.
도 6을 참조하여 상술한 수평방향의 자기장의 성분과 수직방향의 자기장의 성분이 부합하여 자기장의 강도를 최대화하는 지점을 확정하고 이를 이용하여 검체를 검출하는 방법을 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명에 따른 외부자기장인가장치에서의 자기장의 변화를 오실로스코프를 이용하여 실측한 결과를 나타낸 것이다. Referring to FIG. 6, a method of determining a point at which the components of the horizontal magnetic field and the components of the vertical magnetic field are maximized to maximize the strength of the magnetic field and detecting the sample using the same will be described. Figure 6 shows the results of measuring the change in the magnetic field in the external magnetic field application device using an oscilloscope according to the present invention.
본 발명에 따른 자기저항센서의 특성커브를 이용하여 수평, 수직성분의 자기장의 최적점을 찾기 위해 고려해야할 점은, 수평 수직성분의 자기장이 전체 자기장의 강도를 최대화하는 지점을 확정하는 것이다. 즉 수평성분의 자기장이 너무 강하면 수직방향에 대한 영향을 받기 힘들고, 수직 방향의 자기장이 너무 강하면 수평 방향의 자기장성분이 없어지게 된다. 때문에 수평성분을 조절하여 히스테리시스(hysterisis) 영향이 최소화되는 지점을 찾고, 수직 방향 성분은 센서에 영향을 미치지 않는 범위에서의 최대값을 선정해야 한다. 여기에서 히스테리시스(hysterisis)란 철심을 자화하는 경우에 자계의 세기를 증가해 갈대의 자속밀도의 변화를 나타내는 곡선과 자계의 세기를 감소해갈 때의 자속밀도의 변화를 나타내는 곡선과는 서로 일치하지 않고, 서로 다른 경로를 통하여 고리모양의 곡선이 되는데, 이러한 현상을 말한다. 즉 본 발명에서의 히스테리시스의 영향이 최소화한다는 것은 철심을 사용한 코일에 교류전류를 흘리면 철심의 히스테리시스 루프 면적에 비례하는 양의 에너지를 손실하게 되는데, 이러한 히스테리시스 손실을 최소화하는 지점을 선정한다는 의미이다.Considering the optimal point of the magnetic field of the horizontal and vertical components using the characteristic curve of the magnetoresistive sensor according to the present invention, it is to determine the point where the magnetic field of the horizontal vertical component maximizes the strength of the entire magnetic field. That is, if the magnetic field of the horizontal component is too strong, it is difficult to be affected by the vertical direction, and if the magnetic field of the vertical direction is too strong, the magnetic field component of the horizontal direction is lost. Therefore, the horizontal component should be adjusted to find the point where the hysterisis effect is minimized, and the vertical component should be selected to the maximum value within the range that does not affect the sensor. Here, hysterisis does not coincide with the curve indicating the change in magnetic flux density when increasing the strength of magnetic field when magnetizing the iron core and the change in magnetic flux density when decreasing the strength of magnetic field. In other words, it becomes a ring-shaped curve through different paths. That is, minimizing the influence of hysteresis in the present invention means that when an AC current flows through a coil using an iron core, an amount of energy that is proportional to the hysteresis loop area of the iron core is lost, and a point for minimizing such hysteresis loss is selected.
도면에서 P지점은 수평/수직 성분 자기장의 최적점을 나타내며, 수평자기장 은 30가우스, 수직자기장은 1200~1400가우스이다.In the figure, the point P represents the optimal point of the horizontal / vertical component magnetic field, the horizontal magnetic field is 30 gauss, and the vertical magnetic field is 1200-1400 gauss.
이하에서는 본 발명에 따른 외부자기장인가장치를 이용한 검출시스템을 구현하는 구성부분에 대한 설명을 하기로 한다.Hereinafter, a description will be given of the components for implementing a detection system using an external magnetic field applying apparatus according to the present invention.
본 발명에서 적용되는 검체는 항원과 같은 바이오물질을 포함하며, 비바이오물질을 포함할 수도 이다. 마운팅(mounting)은 검체가 고정된 검체고정유닛에 항원등을 인가하여 결합하여 감지하는 것을 의미한다.The sample to be applied in the present invention includes a biomaterial such as an antigen, and may include a non-biomaterial. Mounting (mounting) means that the sample is coupled to detect by applying an antigen to the fixed sample fixed unit.
상술한 본 발명에 따른 자기저항 센서는 다양한 종류가 적용이 가능하며, 이에 대한 기본적인 특징은 다음과 같다. 상술한 각 센서에 대해 간략히 설명하자면, 상기 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서는 비자성도체 및 반도체재료의 경우 외부에서 자기장이 가해지면 전도전자가 Lorentz 힘을 받아 궤적이 변하므로 저항이 변화하게 되는 것을 이용한 것으로, 일반적으로 상당히 작은 저항의 변화를 나타내는 특징이 있다.The magnetoresistive sensor according to the present invention described above can be applied in various kinds, the basic characteristics thereof are as follows. Briefly, for each sensor described above, in the case of a non-magnetic conductor and a semiconductor material, the resistance changes because the conduction electrons are subjected to Lorentz force when the magnetic field is applied from the outside. In general, there is a characteristic that the change of resistance is quite small.
또한, 상기 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서는, 이방성 자기저항을 이용한 것이다. 즉 강자성 도체 재료에서는 일반 자기 저항 이외에도, 스핀-궤도 결합에 의해 (Spin-Orbit coupling에 의한 d-band splitting) 자화가 잘 되는 방향(easy axes)과 그렇지 않은 방향(hard axes)이 존재하게 되는데, 이는 외부 자기장 방향과 전류 방향간의 각도에 의해 결정되고, 방향에 의해 결정되므로 AMR(Anisotropic MR, 이방성 자기저항)이라 하는데, 이러한 성질을 이용한 센서이다. 이 센서는 이러한 각각의 방향에 따라 2.5% 정도의 저항 차이를 보이는 특징이 있다.In addition, the anisotropic magnetoresistance (AMR) sensor uses an anisotropic magnetoresistance. In other words, in ferromagnetic conductor materials, in addition to the general magnetoresistance, there exist easy and hard axes due to spin-orbit coupling (d-band splitting by Spin-Orbit coupling). This is called AMR (Anisotropic MR) because it is determined by the angle between the external magnetic field direction and the current direction, and is determined by the direction. The sensor is characterized by a 2.5% difference in resistance in each of these directions.
또한, 거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있으며, 상기 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서는 이방성자기저항 재료보다 수배에서 수 십배 더 큰 자기저항을 갖는 특징이 있다. 특히 인접한 자성층의 상대적인 스핀 방향 차이에 따라 전도 전자의 부가적인 산란에 의해 저항의 변화가 생기며 정상자기저항(OMR)이나 이방성자기저항(AMR)과는 근본적으로 그 기구가 다른 특성이 있게 된다. In addition, a Giant Magnetoresistance (GMR) sensor may be utilized, and the Giant Magnetoresistance (GMR) sensor has a feature that has a magnetoresistance several times to several ten times larger than an anisotropic magnetoresistance material. In particular, the change in resistance is caused by additional scattering of conduction electrons according to the relative spin direction difference of adjacent magnetic layers, and the mechanism is fundamentally different from that of the normal magnetic resistance (OMR) or the anisotropic magnetic resistance (AMR).
아울러 상술한 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서는 1993 년 von Helmholtz에 의해 처음 발견된 것으로, 주요한 특징으로는 자기장을 걸어주면 저항이 10배씩 바뀌는 특징을 가지는 센서를 말한다.In addition, the Colossal Magnetoresistance (CMR) sensor described above was first discovered by von Helmholtz in 1993. The main characteristic is a sensor having a characteristic of changing resistance by 10 times when a magnetic field is applied.
또한, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서를 본 발명의 자기저항 센서로 활용이 가능하다. 터널링 자기저항이란, 상술한 GMR 이론을 이용하면 가운데 층을 비-자성물질이 아닌 전기가 통하지 않는 절연체(insulating material)로 대체할 수 있게 되는데, 이론적으로는 따라서 전류가 이 절연체룰 통과할 수 없지만, 만약 나노 단위 두께로 작아지면, 양자역학 효과(quantum mechanical effect) 중의 하나인 터널링(tunnelling) 효과에 의해 전자들이 점핑되어 통과할 수 있게 되는 기술과 시스템을 말하며, 이를 이용한 센서를 일컫는다.In addition, a tunneling magnetoresistance (TMR) sensor can be utilized as the magnetoresistance sensor of the present invention. Tunneling magnetoresistance, using the above-described GMR theory, allows the middle layer to be replaced with an electrically insulator that is not a non-magnetic material. In theory, therefore, current cannot pass through this insulator. When the thickness is reduced to nano units, it refers to a technology and a system in which electrons are allowed to pass through by a tunneling effect, which is one of quantum mechanical effects, and refers to a sensor using the same.
자기터널링결합(Magnetic Tunneling Junction;MJT)센서는 터널링자기저항(TMR)과 같은 개념의 현상을 이용한 것이고, 여기에 더 나아가 적용이 가능한 것으로 SDT(Spin Dependent Tunneling)도 GMR, TMR 과 같이 스핀업/다운(spin up/ down) 현상을 이용하여 외부의 작은 자기저항 변화값을 측정 하는 방식을 활용한 것을 말하며, 모두 본 발명의 자기저항 센서로 적용이 가능함은 물론이다.Magnetic Tunneling Junction (MJT) sensor utilizes the same concept as tunneling magnetoresistance (TMR), and can be applied to it further. Spin Dependent Tunneling (SDT) is also used for spin-up / It refers to the use of a method of measuring the external small magnetoresistance change value by using a spin (spin up / down) phenomenon, all of which can be applied to the magnetoresistance sensor of the present invention.
본 발명에 따른 자기저항센서는 배어 칩(bare chip)형태 또는 패키지(package) 형태로 형성될 수 있다.The magnetoresistive sensor according to the present invention may be formed in the form of a bare chip or a package.
본 발명에 따른 검체고정유닛은 측정 카트리지 또는 멤브레인으로 형성될 수 있으며, 측정카트리지 또는 멤브레인을 사용하여 비접촉방식으로 상기 검체의 자기신호를 검출하거나, 상기 자기저항센서 위에 검체를 탑제하여 센서와 검체가 직접접촉하는 방식으로 자기신호를 검출할 수도 있다.The sample fixing unit according to the present invention may be formed of a measuring cartridge or a membrane, and the magnetic signal of the sample is detected in a non-contact manner by using a measuring cartridge or a membrane, or a sample is mounted on the magnetoresistive sensor. Magnetic signals can also be detected by direct contact.
도 7은 본 발명에 따른 검출시스템의 효율성을 위한 부가 요소를 결합한 시스템 구성도로서, 이의 적용예를 도 4a의 외부자기장 인가장치을 참조하여 설명하기로 한다.7 is a system configuration diagram of a combination of additional elements for the efficiency of the detection system according to the present invention, an application thereof will be described with reference to the external magnetic field applying device of FIG.
자기저항센서와 검체고정유닛, 외부자기장인가장치로 구성되는 기본구성에 효율성을 증진시키기 위한 구성요소를 추가하여 형성시킨 것이다. 즉, 본 실시예에서는 상기 신호검출시스템은 자기저항센서에서 감지한 자기신호를 스캐닝하는 스캔부를 더 포함하되, 위 스캔부를 상기 검체를 지지하는 검체지지부와 상기 검체고정유닛을 고정하는 측정로더(loader)를 더 포함하여 이루어지도록 형성할 수 있다.It is formed by adding a component to increase efficiency in the basic configuration consisting of a magnetoresistive sensor, a sample holding unit, and an external magnetic field applying device. That is, in the present embodiment, the signal detection system further includes a scan unit for scanning the magnetic signal detected by the magnetoresistive sensor, a measurement loader for fixing the sample support unit for supporting the sample and the sample fixing unit ) May be formed to further include.
또한, 이러한 시스템에는 상기 신호검출시스템은 일정 주파수에 의해 상기 검체지지부 또는 상기 자기센서를 왕복시키도록 구동되는 구동부와 상기 자기 센서에서 감지한 자기신호를 전기적 성분으로 분리하고 분석하여 결과를 출력하는 측정값 처리부를 더 형성시킬 수도 있다.In addition, the signal detection system includes a measurement unit for driving the sample support unit or the magnetic sensor to reciprocate by a predetermined frequency and the magnetic signal sensed by the magnetic sensor as an electrical component, the measurement to output the results It is also possible to further form a value processing section.
도시된 도면을 참조하여 구동예를 설명하면, 상기 스캐너의 측정로더에 검체 고정유닛(카트리지 또는 멤브레인)을 부착시키고, 자기저항센서의 위 또는 아래에서 좌, 우로 스캔하여 측정을 한다. 상술한 검출물질과 자기저항(MR) 센서의 사이에는 도 4a 및 도 4b의 외부자기장 인가장치의 구성이 형성됨은 상술한 바와 같다.Referring to the driving example with reference to the illustrated drawings, a sample fixing unit (cartridge or membrane) is attached to the measurement loader of the scanner, and the measurement by scanning left and right from above or below the magnetoresistance sensor. As described above, the configuration of the external magnetic field applying device of FIGS. 4A and 4B is formed between the detection material and the magnetoresistive MR sensor.
상술한 스캔부는 스캐너를 통해 자기신호를 스캐닝하는 것으로, 본 발명에 따른 검출시스템을 이용하여 스캐너를 작동시키는 일 실시예는 다름과 같은 방식으로 구동시킬 수 있다.The above-described scan unit scans a magnetic signal through a scanner, and an embodiment of operating the scanner using the detection system according to the present invention may be driven in the following manner.
바이오센서용 거대자기저항(Giant Magneto Resistance;GMR)의 감도는 거리 세제곱에 반비례하므로, 측정로더(loader)가 설치된 후 최소 간격 확보를 위해 마이크로미터(μ-meter)를 상하 및 앞뒤로 설치하여 거리 간격 혹은 측정 물질의 위치변화에 따른 감도 변화를 최대화하도록 설정함이 바람직하다. The sensitivity of the Giant Magneto Resistance (GMR) for biosensors is inversely proportional to the distance cube, so the micrometer (μ-meter) is installed up and down and back and forth to secure the minimum distance after the installation of the measuring loader. Or it is preferable to set to maximize the change in sensitivity according to the position change of the measurement material.
또한, 검출을 위한 바이오 물질(항체 혹은 검체)이 고정된 측정 카트리지 혹은 멤브레인은 왕복 스캔에 의해 출력 신호를 일정하게 출력하였으며, 왕복 간 포트트 타임(Post time)은 0~10Sec로 설정하여, 센싱 응답 완화(Sensing response relaxation)에 따른 신호상쇄를 최대한으로 줄이도록 함이 바람직하다.In addition, the measurement cartridge or membrane in which the biomaterial (antibody or sample) for detection was fixed outputs an output signal by round trip scanning, and the post time between round trips is set to 0 to 10 sec, It is desirable to reduce the signal cancellation due to the response response relaxation to the maximum.
이러한 측정 방식은 정적(Static)조건 보다 동적 모멘트(Dynamic moment)에 높은 출력을 발생하는 바이오센서용 거대자기저항장비(GMR Device)에 유리하고 주파수 간 신호 노이즈(Noise)를 구별할 수 있는 카트리지 혹은 멤브레인에 분포된 바이오 물질(항체 혹은 검체) 분포 profile을 파악하는 데 유리하다. 스캐너의 측정로더에 장착되는 카트리지 혹은 멤브레인은 현재 시장에서 사용되고 있는 POCT(Point of Care Testing) 제품을 바로 사용할 수 있도록 설계되었으며, 향 후 사이즈 및 모양은 변경이 가능하다.This measurement method is advantageous for the GMR device for biosensors, which generates higher output at dynamic moments than static conditions, and cartridges capable of distinguishing signal noise between frequencies. This is useful for determining the distribution profile of biomaterials (antibodies or samples) distributed on the membrane. The cartridges or membranes mounted on the scanner's measuring loader are designed to use the Point of Care Testing (POCT) products currently available on the market.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. In the foregoing detailed description of the present invention, specific examples have been described. However, various modifications are possible within the scope of the present invention. The technical idea of the present invention should not be limited to the embodiments of the present invention but should be determined by the equivalents of the claims and the claims.
도 1은 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱원리를 설명한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a sensing principle of a magnetoresistive sensor used in the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 기본 검출시스템의 구성도이다.2 is a block diagram of a basic detection system according to the present invention.
도 3a는 종래의 홀센서의 자기장 인장방식을 나타낸 개념도이다.3A is a conceptual diagram illustrating a magnetic field tensioning method of a conventional hall sensor.
도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따른 자기저항 센서의 자기장 인가 방식을 설명하는 개념도이다.3B and 3C are conceptual views illustrating a magnetic field applying method of the magnetoresistive sensor according to the present invention.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 외부자기장인가장치를 포함하는 검출시스템의 요부개념도이다.4A and 4B are conceptual views of main parts of a detection system including an external magnetic field applying device according to the present invention.
도 4c 내지 도 4e는 본 발명에 따른 제 1 및 제2 인가유닛에 따른 자기장변화를 나타낸 그래프이다.4C to 4E are graphs showing magnetic field changes according to the first and second application units according to the present invention.
도 4f는 본 발명에 따른 수평 및 수직자기장의 형성과 자기장의 강화개념을 설명하기위한 작용 상태도이다.Figure 4f is an operational state diagram for explaining the formation of the horizontal and vertical magnetic field and the concept of strengthening the magnetic field according to the present invention.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1인가유닛의 일실시예로서의 헬름홀츠 코일에 흐르는 전류 값과 자기장의 변화를 나타낸 표와 그래프이며, 도 6은 본 발명에 따른 수평 및 수직성분의 자기장의 최적점을 찾는 방법에 대한 특성커브이다.5A and 5B are tables and graphs showing changes in current values and magnetic fields flowing in a Helmholtz coil as an embodiment of the first application unit of the present invention, and FIG. 6 is an optimal point of the magnetic fields of horizontal and vertical components according to the present invention. Characteristic curve on how to find.
도 7은 본 발명에 따른 검출시스템의 효율성을 위한 부가 요소를 결합한 시스템 구성도이다.7 is a system configuration diagram incorporating additional elements for the efficiency of the detection system according to the present invention.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101247193B1 (en) * | 2011-09-20 | 2013-03-25 | 한국표준과학연구원 | Apparatus for generating a magnetic field |
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| KR20160052696A (en) * | 2013-09-06 | 2016-05-12 | 콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게 | Method for operating a magnetostrictive sensor |
| CN116859302B (en) * | 2023-09-05 | 2023-11-03 | 中国计量科学研究院 | High-precision magnetic moment measuring system and method |
-
2009
- 2009-08-26 KR KR1020090079222A patent/KR20110021429A/en not_active Application Discontinuation
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