测量阻抗的方法和设备技术

本发明专利技术涉及测量阻抗的方法和设备。本发明专利技术涉及一种用于确定可变阻抗部件的阻抗的方法和系统以及微芯片。该方法包括在预定调谐范围内调谐可调振荡器，可调振荡器具有作为其负载耦合的该可变阻抗部件。测量作为所述调谐的函数的可调振荡器的频率响应。最后，分析测量的频率响应，以确定可变阻抗部件的阻抗。本发明专利技术使得制造更小和更简单的单片传感器微芯片成为可能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及作为频率的函数的部件阻抗变化的测量。例如在读取其阻抗由 所感测的量(如质量)改变的传感器时，就需要这类测量。
技术介绍
测量作为频率的函数的阻抗通常用于获取关于各个电部件的操作的数据。此类部件的一个例子是基于体声波(BAW)技术的薄膜体声波谐振器(FBAR) 设备。例如在CMOS电路上，FBAR易于被实现为单片结构。使用FBAR技术 可以实现高的谐振频率和品质因子。因为当有物体定位于传感器的质量加载区 域时谐振器的阻抗就会发生变化,所以FBAR设备可以用作例如敏感质量传感 器。如果在FBAR的质量加载区域上沉积(生物)活性层，就可以实现测量物 质的选择性以及实现选择性(生物)传感器。传统上，使用实验室级的设备测量FBAR传自以及此类器件的阻抗，所 述实验室级的设备诸如阻抗分析仪或电路分析仪，这些设备使用非常确定的频 率、M来测量部件的阻抗。测量谐振，部件或可连接为谐振器一部分的部件的阻抗的一种解决方案 是使用所谓的振荡器耦合。在质量传 的情况中，此类耦合的目的在于作为 部件质量变化的函数确定振荡器的串联或并联谐振频率。然而，实际中通常难 以或不可能实现可运行且精确的振荡器耦合，特别是作为集成结构，即芯片上 结构。这主要是由于以下原因--谐振器通常具有固有的低耦合系数或品质因子(Q因子)。特定的问题与 测量液体形式的样品有关，因为谐振器上存在液体会显著地降低谐振器的品质 因子。- 一些部件(如FBAR传繊)通常具有几个并联谐振频率。谐振器可能具有比駄的制造公差，导致它们的串勝并联谐振频率变化。 -大的寄生和并联电容导致作为频率函数的阻抗变化相对较小。而且，实 际上相位从不偏移180度。5以上缺点尤其适用于设计为用作质量传感器的FBAR传感器，但是也适用 于其它类型的部件。结果，实际上只有在有高Q品质因子谐振器并且不存在或 消除了并联谐振的非常有限的情况下，用于阻抗观糧的振荡器耦合才能被利用。 而且，必须采用具剤氐动态范围的非常特别的设计。WO2007/030462公开了一种用于电感性负载的询问(inteirogation)电路， 包括压控振荡器，栅陷式振荡器和锁相环。当由栅陷式振荡器用信号通知时， 锁相环停止跟随询问信号并保持产生锁定信号。锁定信号被传递至噘率计数器。 因此，通过这样的电路，只能在点频率M行领懂。而且，这种方案所需的电 路相对复杂，并不像单个单片结构一样适用于其中集成有询问电路的传感器设 备。该电路也比较昂贵且因此不适合与一次性传感器设备结合使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于要实现一种新颖的阻抗观懂方法，该方法是精确的，且 可以使用更简单且因此更小的电子器件来实现。本专利技术的目的还在于实现对应 的测量系统和新颖的传感器设备。根据独立权利要求所述的方法来实现本专利技术的目的。在根据本专利技术的方法 中，Mil以下操作确定可变阻抗部件的阻抗--在调谐范围内调谐可调振荡器，该可调振荡器具有作为其负载耦合的该 可变阻抗部件，-测量作为所述调谐的函数的该可调振荡器的频率响应。可变阻抗部件的阻抗可以fflil分析所测量的频率响应而确定。调谐和测量的步骤通常在可变阻抗部件的不同负载状态下执行至少两次 (例如，质量传感器不加载和加载了质量)，并且分析步骤包括确定在至少一个 调谐点中的相应谐振频率的差。这允许精确地确定负载的影响。测量系统包括-可调振荡器，-作为该可调振荡器的负载耦合的可变阻抗部件， -用于调谐该可调振荡器的装置，以及-用于确定作为所述调谐的函数的该可调振荡器的频率响应的装置。 根据一个实施例，可变阻抗部件是呈现出至少两个并联谐振峰的谐振器。 采用常规方法测量此类部件的阻抗比较困难。然而，通过耦合谐振器作为振荡器的负载，只要在覆盖这些峰的范围内调谐振荡器，就可以精确地确定阻抗。 下文将进一步描i^Jt方法。在特别有利的实施例中，使用直接连接到振荡器的频率计数器或對以设备来 确定振荡器的频率响应。也就是说，在系统中没有其它的振荡器或锁相电路， 这样节省了空间和成本，但是提供了振荡器负载变化的精确检测。本专利技术的特别优点在于它不仅适用于观糧某些鄉附皆振器，实际上还适用 于在给定条件下呈现出阻抗变化的任何类型的部件。柩皆振器的情况中，选择调谐范围以覆盖谐振器的谐振频率(或多个频率)， 并且优选地还覆盖该频率(多个频率)之上和之下的相当大的范围。根据一个 实施例，在谐振频率(多个频率)附近的区域采用比离谐振频率较远的区域更 小的步长扫过。离谐振频率(多个频率)较远的区域可以用来确定温度补偿因 子或其它次级参数。根据一个实施例，诸如质量传/i^之类的传sm皮用作可变阻抗部件。根据另一个实施例，传自为(生物)活性((bio) active)，的传自，即能够 选择性地在其表面附着希望的(生物)肝或(生物)粒子或以其他方式经历由于 (生物)M或(生物)粒子的存在而导致的质量变化。因为本阻抗分析仪电路设 计可以被制造得非常小，甚至与传自一起位于芯片上，本专利技术在多个(生物) 感测应用中提供了显著的益处。根据可选实施例，传S^是a^传感器，压力传SI，流 量传 ，或 加鹏专繊。根据一个实施例，可变阻抗部件是谐振器，如BAW谐振器，特别是FBAR。 微芯片FBAR传感器设备可以在单片结构中包含可调环形振荡器，作为可调环 形振荡器的负载耦合的FBAR传感器，以及耦合到可调环形振荡器、用于测量 可调环形振荡器的振荡频率的端子。耦合到该端子的单片频率计数器也可以被 制作到该微芯片中。下文将更详细讨论本设计在FBAR以及其它谐振器的富有 挑故性盼瞎况中的优势。可变阻抗部fMt选是与振荡器直接欧姆撤4，即基本上不与振荡器电感和电 雜触。结合小型单片可变阻抗部件(如半导体传感器)i顿本专利技术的优势是相比传 统的实验室级的测量技术，总测量功耗可以保持非常低。而且，材料和制造成本也可以保持非常低，这使得制造甚至一次性的传感器芯片及类似物成为可能。 根据一个实施例，使用肖,发送数字控制信号的数字控制单元来控制可调振荡器，使用D/A转换器将该数字控制信号转换淑莫拟控制电压。根据一个实施例，可调振荡器，以及任选的用于可调振荡器的数字控制单元 和/或D/A转换器和/或可变阻抗部件和/或用于确定振荡频率的计数器，被制造 为单个半导体芯片上的单片结构。这样，可以制造出用于传感器的单芯片询问 电路或甚至包括用于传感器的传感器元件和询问电路两者的全功能的单芯片传 繊殳备。根据一个实施例，可调振荡器是压控环形振荡器，例如包含一组串联耦合的 半导体倒相器(inverter),如CMOS倒相器。这种设计高效并且容易制造，以 及容易采用本身已知技术与芯片的其它部分集成。如果谐振親皮用作可变阻抗部件，其阻抗变化可以通过以下操作确定-M31控制可调振荡器确定工作电压，在该工作电压下可调振荡器的频率响 应M锁定'郞皆振器的谐振频率，-确定该可变阻抗部件在该可变阻抗部件的两个不同状态之间(如质量传感 器的空载态禾叻B载质量态)在所述工作电压处^^述工作电压附近的响应变化。以上测量方案提供了一种在谐振器的几个可能的并联谐振频率的任何频率 或所有频率处测量部件阻抗变化以及一些其它参数的稳健方法。如下文更详细论述和说明的，使用上述测量方案，实现了并联谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定可变阻抗部件的阻抗的方法，其包括：　－在预定调谐范围内调谐可调振荡器，所述可调振荡器具有作为其负载耦合的所述可变阻抗部件，　－测量作为所述调谐的函数的该可调振荡器的频率响应，以及　－分析测量的频率响应，以确定该 可变阻抗部件的阻抗。

【技术特征摘要】
FI 2008-7-1 200856821、一种用于确定可变阻抗部件的阻抗的方法，其包括-在预定调谐范围内调谐可调振荡器，所述可调振荡器具有作为其负载耦合的所述可变阻抗部件，-测量作为所述调谐的函数的该可调振荡器的频率响应，以及-分析测量的频率响应，以确定该可变阻抗部件的阻抗。2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于传 被用作可变阻抗部 件，所述传繊例如质量传感器，尤其是(生物)活性质量传/織。3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于谐振器被用作可变阻抗部件，所述谐振器例如BAW谐振器，尤其細AR。4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于谐振器被用作可变阻抗部件，所述谐振器呈现出至少两个并联谐振峰。5、 根据以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于使用直接耦合 到可调振荡器的频率计数器来测量频率响应。6、 根据以上禾又利要求的任一项所述的方法，其特征在于确定阻抗的步 骤包括确定频率响应的导数显著变化的点。7、 根据以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于可调振荡器为压控环形振荡器，优选地包含一组串联耦合的半导体倒相器，例如CMOS倒相 器°8、 根据以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于调谐和观懂的 步骤在可变阻抗部件的不同状态下至少执行两次，以及分析步骤包括确定至少 一个调谐点中相应谐振频率的差。9、 根据以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于 ■谐振器被用作可变阻抗部件，-ma调谐可调振荡器，确定工作电压，可调振荡器的频率响应在该工作电压处锁定到谐振器的谐振频率附近，-在该可变阻抗部件的两个不同状态之间确定该可变阻抗部件在所述工作 电压处或所述工作电压附近的响应变化。10、 根据以上权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：A兰塔拉，
申请(专利权)人：芬兰技术研究中心，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]