專利名稱：用于改善諧振器信噪比的頻率牽引的制作方法
相關申請的交叉參考無背景技術體聲波(BAW)化學傳感器是用于測量在流體(氣體和液體)中成分或分析物的濃度。這些聲波器件通常由壓電晶體構成，該壓電晶體至少一側敷有一種對要測量其濃度的分析物具有親合性的材料。該器件放置在含有要測量的分析物的流體流中，并且分析物被吸收或吸附到敷層表面上。吸收的分析物或由聲波器件吸收的分析物的量增加了器件的質量，并改變了器件表面的粘彈性，因而使器件的聲波特性衰減。因此，改變了聲波器件將要諧振的頻率。
當聲波器件集成到電子振蕩器電路中時，器件諧振頻率的變化改變了振蕩器的工作頻率。分析物的濃度可以通過測量振蕩電路隨時間的工作頻率變化來確定。
這些化學傳感器是設計在特定環(huán)境條件范圍中工作，例如溫度(例如-10℃到50℃)和濕度(例如0％到90％相對濕度)，并且能檢測到目標分析物較小的濃度和濃度的很小變化。然而，分析物濃度的細小變化能使晶體諧振頻率產生微小的改變。這樣，例如，待測量的分析物的較小濃度可能會使額定諧振頻率為10MHz的晶體頻率改變約200Hz。因此，檢測電路必須能高精度地檢測出晶體的諧振頻率。
然而，器件的粘彈性會受到器件所受熱動態(tài)條件的影響。具體地說，溫度和濕度會使晶體的特性“老化”，引起晶體粘彈性永久改變。粘彈性的變化會影響器件的動態(tài)特性，從而影響形成器件的晶體中的諧振速度。晶體諧振特性的改變經常產生不和諧的模式響應，該響應是在振蕩器電路的工作頻率上產生噪聲。因而，消除檢測電路中噪聲的影響是很重要的。
發(fā)明內容
本發(fā)明利用時域信號處理來使體聲波傳感器的基頻失真的非諧噪聲減少。
本發(fā)明的一種形式是一種用于使體聲波傳感器的基頻失真的非諧噪聲減少的處理。壓變電容器與傳感器串聯(lián)放置，來產生壓控振蕩器。壓控振蕩器與諧振振蕩器并聯(lián)放置來形成具有諧振頻率的電路。反偏置直流(dc)電壓施加在壓變電容器上來改變其電容，因而使諧振頻率偏離非諧噪聲頻率。
本發(fā)明的另一種形式是一種用于在測量流體中分析物濃度中使用的傳感器電路。該電路包括體聲波傳感器。壓變電容器與傳感器相連。輸入向電容器提供偏移牽引dc電壓。諧振振蕩電路檢測傳感器的基頻，并且產生諧振信號頻率。施加在壓變電容器上的偏置dc電壓使電路諧振頻率偏離非諧噪聲頻率。
在一種形式中，傳感器和電容器串聯(lián)相連來形成依次與諧振振蕩器并行相連的壓控振蕩器。
圖1是在本發(fā)明較佳實施例中使用的體聲波化學傳感器的頂視圖。
圖2是如圖1所示的傳感器沿線2-2的截面圖。
圖3是示出能使如圖1和2所示傳感器的基頻失真的不和諧模式的頻率圖。
圖4是說明本發(fā)明較佳實施例實現(xiàn)的電路圖。
具體實施例方式
圖1是在本發(fā)明較佳實施例中使用的體聲波(BAW)傳感器18的頂視圖，圖2是截面圖。金制電極10和24在基片12的相反表面20和22上厚度為50的鉻籽晶層上沉積的厚度約300埃()。在電極10和表面裸露部分20上沉積有0.1到8微米的聚合物膜14。在底部電極24和表面裸露部分22上可選擇沉積有相同聚合物材料的第二層26。在任一情況下，聚合物材料對要測量的分析物具有親合性。傳感器18放置在含有要測量的分析物的流體中，并且分析物被吸收或吸附到敷層表面上?；?2與電極10和24以及膜14和26的相加厚度確定了器件的諧振頻率。因為一片或兩片聚合物膜都吸收或吸附分析物，所以就改變了器件的諧振頻率。電極10和24包括用于將傳感器18連接到圖4中各電路元件的端點。
圖3是示出傳感器18基頻的不和諧失真的潛在影響的頻率圖。信號振幅在軸30上標繪，時間標繪在軸32上。T指示振蕩周期；因此基頻為1/T。圖3示出由離開傳感器18基頻的不和諧模式所引起的信號失真。這些不和諧模式依據(jù)各種因素將傳感器的基頻轉移多至1千赫(KHz)到10(KHz)。例如，傳感器18中的人為因素能產生厚度剪切模式。應力和衰減特性也隨時間而變化，并且變得更加明顯，引起如圖3所示的失真。另外，傳感器18的粘彈性和動態(tài)損耗特性(即運動參量)通過改變熱動態(tài)條件能加劇不和諧模式失真。溫度和濕度使傳感器18的晶體“老化”，引起其粘彈性的永久改變。
在任一情況下，傳感器18諧振特性的變化產生不和諧模式，并且在傳感器的工作頻率上產生噪聲。波形34示出由傳感器18產生的未失真的基頻。波形36示出由使基頻降低或減少的不和諧模式所引起的已失真基頻。波形38示出由使基頻升高或增加的不和諧模式所引起的已失真基頻。
圖4是使與傳感器關聯(lián)的檢測振蕩器的諧振頻率牽引的本發(fā)明較佳實施例的電路圖。電路利用時域信號處理，并且由與諧振振蕩器電路并聯(lián)的壓控振蕩器電路構成。壓控振蕩器電路包括傳感器18、變容二極管40、基準偏移電容器C2、加法電阻器R1和R2、相移電容器C1和C3和輸入44。傳感器18具有一個與相移電容器C3連接的端點，相移電容器C3依次接地。傳感器18的第二端點通過加法電阻器R2與輸入44相連，并且與變容二極管40的陰極相連。變容二極管40最好是Zetex超—超陡變變容二極管，ZC932類型。變容二極管40起壓變電容器的作用。變容二極管40上的反偏置電壓的增加減少了其電容量。
變容二極管40的陽極通過第二加法電阻器R1接地，并且與基準偏移電容器C2相連。基準偏移電容器C2也通過第二相移電容器C1接地。
諧振振蕩器電路與壓控振蕩器電路并行連接。在本較佳實施例中，諧振振蕩器電路包括與電源+V相連的倒相器42、電阻器R3和R4和調諧電容器C4。電阻器R3與倒相器42的輸入相連，并且也通過電容器C4接地。電阻器R4也通過電容器C4接地，并且也與倒相器42的輸出相連。倒相器42的輸入與電容器C1和C2的連接點相連，并且倒相器42的輸出與傳感器18和電容器C3的連接點相連，并與輸出46相連。倒相器42是高增益線性放大器。電壓+V向諧振振蕩器電路提供電源。
輸入電壓44向變容二極管40的陰極提供了反偏置dc電壓。偏壓值由加法電阻器R1和R2和電容器C2設定，電容器C1和C3是能使電路啟動的相移電容器。與傳感器18串聯(lián)的變容二極管40的可變電抗負載迫使傳感器18的諧振頻率發(fā)生變化。變化量依賴于電阻器R1和R2以及在44處的偏置DC電壓輸入值。輸出46提供了具有已調整諧振頻率的信號，減去了不和諧音。輸出46與高分辯率計數(shù)器相連，例如在申請?zhí)?8/968,081，1997.11.12由John P.Dilger和NileK.Dielschneider申請的“高頻測量電路”(High Frequency Measuring Circuit)(并轉讓給與本申請相同的受讓人)中所描述的計數(shù)器，本發(fā)明明顯地減少導致頻移或跳躍的噪聲失真，并且明顯增強了18的分辨率。
在正常條件下，具有10MHz正常頻率的傳感器18通常以約10赫茲(Hz)的最大誤差振蕩。然而，如先前所提及的，不和諧模式振蕩能引起頻率跳躍，因而使基頻離開10兆赫茲(MHz)值多至1到10KHz(表示.01％到.1％的失真)。而傳感器18必須具有高分辨率來測量分析物濃度中微小的變化。例如，測量的分析物的濃度可能將傳感器18的初始10MHz頻率改變約200Hz(表示.002％的變化)。因此，作為分析物濃度變化指示的測量頻率變化是在由不和諧模式引起的失真變化中。因此，必須有效消除失真。通過適當設定如圖4所示電路元件的值，頻率牽引機制將把電路諧振頻率拉回到傳感器10MHz基本值。這樣，在失真可能將傳感器的基頻改變10KHz(例如為9.990MHz)，牽引電路將通過選擇合適的電阻器R1和R2以及偏置dc電壓值把電路的初始諧振頻率拉回到10.0MHz處。因此，離初始頻率的偏移就是對分析物濃度的真實測量，沒有受到噪聲的影響。
44所提供的反偏置dc電壓施加的電壓電平為1、2.5和4伏。44施加的電壓量由傳感器18產生的噪聲失真觀測量確定，并且因此也由所需的頻率牽引量確定。選中的反偏置電壓施加在40上來向變容二極管提供選中的電容量。例如，1、2.5和4伏的偏置dc電壓電平影響變容二極管40使其能分別提供17、9和5皮法(pF)的電容量，在Zetex ZC932二極管中。通常，R1和R2具有約100K歐姆的值。
雖然本發(fā)明已經結合較佳實施例進行了描述，但本領域的熟練技術人員可以意識到在不遠離本發(fā)明精神和范疇的情況下，可以在形式和細節(jié)上進行改變。
權利要求
1.一種用于減少使體聲波傳感器信號失真的非諧噪聲影響的方法，所述信號具有基頻，并且所述噪聲具有一個或多個噪聲頻率，其特征在于，該方法包括下述步驟將壓變電容器與所述傳感器串聯(lián)設置來構成壓控振蕩器；將所述壓控振蕩器與諧振振蕩器并聯(lián)設置來構成具有諧振頻率的電路；在所述壓變電容器上施加反偏置dc電壓來改變其電容量；并且牽引諧振頻率使其離開所述非諧噪聲頻率。
2.一種用于在測量流體中分析物濃度的傳感器電路，其特征在于。包括體聲波傳感器；與所述傳感器相連的壓變電容器；用于向壓變電容器提供偏移牽引dc電壓的輸入端；和檢測所述傳感器基頻并產生諧振信號頻率的諧振振蕩器電路，借此施加給所述壓變電容器的偏置dc電壓牽引電路的諧振頻率使其離開非諧噪聲。
3.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述傳感器包括具有第一和第二相反表面的晶體基片，確定了預定厚度；在所述第一表面上的第一電極；在所述第二表面上的第二電極；至少在所述第一電極一部分上具有對預定分析物具有親合性的第一材料層；和具有各自厚度的所述第一和第二電極以及第一層，因此，所述晶體基片以預定諧振頻率諧振，所述晶體基片依據(jù)晶體第一層對分析物的裸露來改變其基頻。
4.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述壓變電容器是具有陰極和陽極的變容二極管，并且所述輸入與所述陰極相連。
5.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述輸入與所述傳感器和壓變電容器相連。
6.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述壓變電容器與所述傳感器串行連接來形成壓控振蕩器。
7.如權利要求6所述的電路，其特征在于，所述諧振振蕩器電路與所述壓控振蕩器并聯(lián)。
8.如權利要求7所述的電路，其特征在于，所述壓控振蕩器進一步包括與所述傳感器第一側相連的相移電容器；和在輸入和壓變電容器與所述傳感器第二側間的連接點之間相連的加法電阻器。
9.如權利要求8所述的電路，其特征在于，所述壓控振蕩器進一步包括與所述壓變電容器串聯(lián)的基準偏移電容器。
10.如權利要求9所述的電路，其特征在于，所述壓控振蕩器進一步包括與所述基準偏移電容器相連的第二相移電容器。
11.如權利要求10所述的電路，其特征在于，所述壓控振蕩器進一步包括在所述基準偏移電容器和壓變電容器之間的連接點相連的第二加法電阻器。
12.如權利要求7所述的電路，其特征在于，所述諧振振蕩器電路包括與所述壓控振蕩器并聯(lián)的邏輯倒相器，所述倒相器與電源相連；與所述倒相器并聯(lián)的第一和第二電阻器；和在基準和第一與第二電阻器間的連接點之間相連的變向電容器。
13.如權利要求12所述的電路，其特征在于，所述邏輯倒相器是作為高增益線性放大器。并且具有一個輸入和一個輸出。
全文摘要
一種用于在測量流體分析物濃度中使用的傳感器電路由BAW傳感器、與傳感器相連的壓變電容器、向壓變電容器施加偏移牽引dc電壓的輸入端和諧振振蕩器電路構成。諧振振蕩器電路檢測傳感器的基頻,并產生諧振信號頻率。向壓變電容器施加的偏移牽引dc電壓牽引了電路的諧振頻率,使其離開非諧噪聲。
文檔編號G01N29/36GK1361864SQ00810361
公開日2002年7月31日 申請日期2000年7月10日 優(yōu)先權日1999年7月13日
發(fā)明者J·P·蒂爾格, 劉國軍 申請人:費希爾控制產品國際公司