專利名稱：電位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在各種應(yīng)用中測量電位的電位傳感器，包括例如醫(yī)學(xué) 應(yīng)用和顯微鏡應(yīng)用的領(lǐng)域，比如顯微成像和光譜分析，以及核磁共振
(NMR)應(yīng)用，比如NMR成〗象和光語學(xué)。
背景技術(shù)：
為了制造靈敏的電動測量裝置，習(xí)慣上提供高的輸入阻抗且由此降低 操作該裝置所需要的輸入信號的功率。然而，具有很高輸入阻抗的電路往 往不穩(wěn)定，因此實用的裝置通常在達(dá)到必要的靈敏度、提供期望的輸入阻 抗以及保證可接受的穩(wěn)定度之間折衷。
在WO 03/048789號國際專利申請中，公開了一種電動傳感器 (electrodynamic sensor),其中結(jié)合了許多不同的電路技術(shù)以與先前已知的 電動傳感器相比在靈敏度上實現(xiàn)幾個數(shù)量級的提高，同時仍保持足夠的穩(wěn) 定性以允許相對不熟練的操作者在日常條件下進(jìn)行測量。據(jù)此較早的申 請，提供了一種電動傳感器，其包括高輸入阻抗靜電計，該靜電計適合于 測量源自受測對象的小的電位，且使用與對象沒有直接電接觸的至少一個 輸入探針。該發(fā)明的靜電計的電路布置包括放大器，所述放大器包括輔助 電路的組合，該輔助電路的組合提供來自放大器的輸出并累積地布置成增 加靜電計對小電位的靈敏度，同時不干擾與其相關(guān)的電場，所述輔助電路 用來提供以下各項中的至少兩項保護(hù)(guarding)、自舉(bootstrapping)、 中和(neutralisation),供電軌漂移校正、對所述傳感器的供電調(diào)制和偏移 校正。
雖然這些特征有助于提供具有高輸入阻抗的傳感器以及相對穩(wěn)定的
4操作，然而，在可能有對源或受測樣品的弱電容耦合或由源或受測樣品產(chǎn) 生的小振幅的信號的情況下，噪聲問題可能仍繼續(xù)存在并可能抑制或阻止 準(zhǔn)確的信號測量。這對某些醫(yī)學(xué)和顯微應(yīng)用尤其如此，其中只有弱電容耦
合，然而高度準(zhǔn)確的信號測量是必要的，例如在感測的遙控離體(off-body) 模式中，其中探針或各探針與人體沒有物理接觸并且通常弱電容耦合 <lpF。
更具體地，在受測樣品與傳感器電極之間有弱耦合的應(yīng)用中，耦合到 樣品的電容可能與傳感器的輸入電容相當(dāng)或比傳感器的輸入電容小得多。 在此情況下，由傳感器接收的測量信號通過由耦合電容和輸入電容形成的 電容分壓器衰減，且可能難以捕獲。
此外，使用來自放大器的輸出信號作為反饋信號的缺點為，這樣的信 號是寬帶信號，該寬帶信號可能具有低信噪比。因此，噪聲隨后與反饋信 號 一起被反饋到放大器輸入，引起信噪比進(jìn)一 步的降低。
因此，十分需要一種電位傳感器，在這種傳感器中，在對受測樣品有 弱電容耦合的情況下，提高了準(zhǔn)確的信號測量的可能性。
這種需要在信號測量的準(zhǔn)確性很關(guān)鍵的情況中尤其明顯。
另外十分需要一種電位傳感器，在這種傳感器中，信噪比實質(zhì)上被提高。
發(fā)明概述
本發(fā)明試圖克服上述問題并提供一種新穎的電位傳感器，這種電位傳 感器能夠進(jìn)行高度準(zhǔn)確的信號測量。
至少在下述的優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明還試圖提供一種電位傳感器， 在該電位傳感器中信噪比被顯著地提高。
本發(fā)明進(jìn)一步試圖提供不同的技術(shù)及技術(shù)的組合，用于提高電位傳感 器中的信噪比。
更具體地，至少在下迷優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明試圖提供不同的技術(shù)，
5用于使用相干的窄帶反饋信號來提高電位傳感器中的信噪比。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電位傳感器，所述電位傳感器包括
至少 一個檢測電極，其設(shè)置為用于與受測樣品電容耦合以及用于產(chǎn)生
測量信號；
傳感放大器，其適合于接收所述測量信號作為輸入以及提供被放大的 檢測信號作為輸出；
輸入阻抗提高裝置，其用于向所述傳感放大器提供高輸入阻抗，以增 加電極對減小的電位的靈敏度；以及
反饋裝置，其用于對所述傳感放大器的輸入應(yīng)用相干的反饋信號，以 提高傳感器的信噪比。
因此，本發(fā)明涉及通過應(yīng)用相干的反饋信號而提高信噪比。
與電動傳感器的通常實現(xiàn)相反，反饋信號不是直接得自傳感器的輸出 的寬帶信號，而是反饋可以采用的相千信號，且這顯著提高了信噪比。
根據(jù)一種可能性，反饋信號包括單一頻率的最簡單的情況，且反饋裝 置設(shè)置為使得傳感器的輸入阻抗僅在精確的反饋信號頻率和相位處提高。 換句話說，傳感器被差分地設(shè)置以放大測量信號，從而增加信噪比。在這 種情況下，傳感器被調(diào)整到反饋信號頻率，并且丟棄所有其他的頻率，這 是在其他頻率處沒有有效的反饋信號而傳感器靈敏度較低的緣故。
有利地，相千的反饋信號可用來按需要提供自舉、保護(hù)以及中和。
本發(fā)明尤其可應(yīng)用在從樣品檢測到周期信號的情況，該周期信號用于 產(chǎn)生提供給放大器以放大和輸出的測量信號。
在本發(fā)明的一個這樣的實施方式中，電位傳感器包括用于提供驅(qū)動信 號的外部源，所述驅(qū)動信號用于激勵正被測量的樣品，且相干的反饋信號 得自該外部源。在分析應(yīng)用中，比如材料的介電性質(zhì)的顯微成像，使用這 樣的激勵的外部源是普遍情況。在該情況下，來自外部激勵源的激勵信號 可以適當(dāng)?shù)厮p以提供用作反饋信號的參考信號。
在本發(fā)明的另 一個這樣的實施方式中，正被測量的樣品可以是自激的，在該情況下外部參考信號不可獲得。這樣的自激樣品的實例可以是經(jīng)歷自激振蕩的電路。在此情況下，可提供鎖相環(huán)布置，用于得到來自傳感放大器的輸出的相干的反饋信號。在此情況下，由于鎖相環(huán)工作的受限的帶寬，總信噪比的相當(dāng)大的提高仍是可能的。
本發(fā)明還可應(yīng)用于下列情況其中傳感器設(shè)計為驅(qū)動或激勵正被測試的樣品，用于產(chǎn)生提供給放大器來放大和輸出的測量信號，以及其中期望消除對樣品的充電并保持樣品上的最小信號。這種情況的一個實例是在顯微應(yīng)用中，其中大電場可能損壞或破壞正被測量的小的半導(dǎo)電器件或樣品的表面。
這種傳感器可被描述為零電壓模式傳感器，且有利地，這種情況下的傳感器包括外部源、從傳感放大器的輸出到輸入的反饋環(huán)以及電壓求和器，所述外部源用于為激勵正被測量的樣品提供驅(qū)動信號，所述電壓求和器設(shè)置在所述反饋環(huán)中，以便被反饋的檢測信號和來自外部激勵源的激勵信號都饋送到電壓求和器以提供給樣品。
附圖簡述
現(xiàn)將通過例子參考附圖來進(jìn)一步地描述本發(fā)明，其中
圖l是根據(jù)先前技術(shù)的電動傳感器的電路圖2和圖2a是根據(jù)本發(fā)明的電動傳感器的第一實施方式的方框圖，該電動傳感器使用了中和及中和的變化形式；
圖3是圖2電路的細(xì)節(jié)的做出修改的電路圖，該電路除中和外，還使用了保護(hù)和自舉；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的電動傳感器的第二實施方式的方框圖，該電動傳感器使用了中和及鎖相環(huán)；以及
圖5是根據(jù)本發(fā)明的電動傳感器的第三實施方式的電路圖，該電動傳感器包括了零電壓模式傳感器。
7優(yōu)選實施方式的說明現(xiàn)有技術(shù)
參考圖l,首先將描述在WO 03/048789號國際專利申請中所公開的電動傳感器。
如

圖1所示，根據(jù)WO 03/048789號國際專利申請的電動傳感器10包括連接到傳感器放大器14的非反相輸入的檢測電極12。在使用中，檢測電極12向傳感放大器14提供測量信號作為輸入，傳感放大器14提供放大的檢測信號作為輸出。
檢測電極12包括安裝在導(dǎo)電桿18上的電極盤16，電極盤16包括在基片22上的表面氧化層20。傳感放大器14具有由兩個電阻器26、 28提供的固定的輸入電阻24,電阻器26、 28連接在電極12與放大器14的非反相輸入之間，以向放大器14提供穩(wěn)定的輸入偏置電流。實際上，輸入電阻24 —般具有約100GQ或更大的高電阻。傳感放大器14還具有保護(hù)裝置30，保護(hù)裝置30在物理上包圍包括電極12和電阻器26的輸入電路并提供由放大器14的輸出驅(qū)動的屏蔽。因此憑借此正反饋技術(shù)，通過在保護(hù)裝置或屏蔽30上保持與在輸入檢測電極12上相同的電位而減少了寄生電容。
除保護(hù)裝置30外，進(jìn)一步提供了用于自舉的電路部件以及用于中和的電路部件，用于自舉的電路部件包括設(shè)置成將放大器14的輸出電壓施加到電阻24的中點的電容器32,電阻24的中點出現(xiàn)在兩個電阻器26、28之間，用于中和的電路部件包括另一反饋裝置，該反饋裝置包括連接到放大器14的非反相端子的電容器34。提供了附加的電阻器36、 38及電位計40以將中和設(shè)定到期望的水平，如WO 03/048789號國際專利申請中所述的。
驅(qū)動的中和一參考源
現(xiàn)參考圖2，將描述本發(fā)明的第一實施方式。如WO 03/048789號國際專利申請中所述的，雖然可使用中和來顯著增加圖1的電動傳感器的輸入
8阻抗，但因在傳感器輸出中存在的噪聲反饋到傳感器的輸入，通過此技術(shù) 并不會提高信噪比。
在中和很重要的許多情況中，例如在顯微鏡應(yīng)用中，樣品由外部應(yīng)用 的信號激勵。在這些情況下，可從振蕩器獲得參考信號，為樣品提供驅(qū)動 信號，且此參考信號可用來為傳感器提供中和信號，如圖2所示。
圖2的電動傳感器包括與圖1的傳感器相同的一些元件。相應(yīng)地，同 樣的部件由相同的參考數(shù)字表示，且不作進(jìn)一步的描述。如所示出的，傳 感器的檢測電極12由輸入Vm表示，且通過表示對樣品的耦合電容的電容
器44來耦合到正被測量的樣品42。樣品由參考振蕩器46驅(qū)動或激勵，因 此AC測量信號在傳感器輸入Vm產(chǎn)生，該輸入連接到運算放大器14的非 反相輸入。結(jié)果，放大器14在其輸出V。w提供放大的AC檢測信號。輸 出V。加通過電阻器48、 50連接到地，以及通過均方根(RMS)轉(zhuǎn)換器電 路52和低通濾波器54連接到衰減器56，參考信號Vn從該衰減器取得， 用于反饋。這些電路用于參考信號Vn的電平控制，該參考信號通過電容器 34反饋到放大器14的非反相輸入以提供中和?？蛇@樣控制此正反饋環(huán)的 增益，使得在穩(wěn)定操作的限度內(nèi)實現(xiàn)最大中和。
因而圖2的實施方式包括自動增益控制(AGC)反々貴環(huán)來控制中和信 號Vn的振幅，以便防止振蕩，反饋信號的振幅受控制輸出V。必處的傳感 器輸出信號的振幅控制。這里的反饋環(huán)包括RMS轉(zhuǎn)換器電路52、低通濾 波器54和衰減器56。傳感器的控制輸出V。ut2取自在低通濾波器54和衰 減器56之間的AGC反饋線，并因為參考與測量信號頻率是相同的，所以 AGC控制電壓V。ut2將是提供關(guān)于樣品42的信息的準(zhǔn)DC控制信號，所述 準(zhǔn)DC控制信號得自提供到放大器14的AC測量信號的振幅。
此布置具有明顯地提高傳感器的輸入阻抗的作用，但只在所應(yīng)用的信 號的頻率處且僅僅對于恒定相位的分量，因此提供了提高的信噪比。
對參考圖2描述的技術(shù)的擴展允許參考振蕩器46的頻率在圖2a中所 示的掃描控制裝置58的控制下被掃描。實際上，用于對振蕩器的頻率進(jìn) 行掃描的掃描控制裝置58可以是連接到振蕩器46 (如所示出的)的、用 于通過適當(dāng)?shù)慕涌趤頂?shù)字地控制頻率的數(shù)字控制電路，或者是通過合適的FM輸入或電路(未顯示)使用獨立獲得的模擬準(zhǔn)DC電平來對源進(jìn)行頻
率調(diào)制的裝置(未顯示)，以通過所掃描的輸入設(shè)定工作頻率。如已經(jīng)陳
迷的，因為參考與信號頻率是相同的，所述在控制輸出V。ut2的AGC控制 電壓將是準(zhǔn)DC信號。這將隨所測量的信號的振幅且作為頻率的函數(shù)而變 化，并因此可用來在對參考振蕩器的頻率進(jìn)行掃描時，提供頻譜圖。操作 中，此裝置類似于頻譜分析器。
全驅(qū)動傳感器一參考源
外部參考源46被用來提供中和信號Vn的圖2的實施方式還可擴展以 提供分別適合于保護(hù)和自舉的c信號Vg、 Vb，同時在信噪比上有相當(dāng)?shù)念~ 外的提高。此變化形式在圖3中顯示，其中來自振蕩器46和衰減器56的 參考信號作為保護(hù)信號Vg反饋到包圍電極12的屏蔽或保護(hù)裝置30。另夕卜， 參考信號通過電容器32和兩個電阻器26、 28反饋到放大器14的非反相 輸入作為自舉信號Vb。如圖3所示，每個反饋技術(shù)所需的單獨的相對的信 號電平從由外部參考源或振蕩器46來驅(qū)動的一組獨立的分壓器60獲得。 反饋信號的總電平通過如對于圖2所描述的AGC環(huán)的使用，基于輸出信 號V。ut2的振幅而全局地設(shè)定。
驅(qū)動中和-無參考
對圖2和圖3的實施方式的另一變化形式使用鎖相環(huán)振蕩器來得到驅(qū) 動信號和中和信號，如圖4所示。在此情況下，樣品是自激的，因此驅(qū)動 振蕩器46不存在且不可獲得來自驅(qū)動振蕩器46的局部參考信號。然而， 仍可通過將被鎖相到放大器14輸出的檢測信號的振蕩器引入傳感器來獲 得提高的信噪比。
圖4的實施方式包括鎖相環(huán)振蕩器61，所述鎖相環(huán)振蕩器61連接到 放大器14的輸出V。utl，并包括設(shè)置為接收信號V。utl和來自振蕩器64的輸 出信號的倍頻器62。放大器66將來自倍頻器62的輸出反饋到振蕩器64， 以便對振蕩器64輸出的信號進(jìn)行頻率調(diào)制。結(jié)果，被放大的檢測信號與
10來自振蕩器64的輸出混合而形成鎖相環(huán)。
操作中，振蕩器64掃描頻率直到找到測量信號的跳動(beat),在這 點處，掃描將被中斷(freeze )。因為在樣品和振蕩器64之間沒有恒定的相 位關(guān)系，跳動將呈現(xiàn)低頻波形的形式，該低頻波形將在實現(xiàn)鎖相時變?yōu)?DC。此DC信號作為傳感器的總輸出V。必而輸出，并還用作為AGC信號， 該AGC信號的振幅控制用于中和的反饋信號的振幅。為了此目的，DC信 號通過衰減器56和電容器34被反饋到放大器14的非反相輸入以提供中 和信號。在使用中，鎖相環(huán)振蕩器61將在操作中掃描，直到獲得測量信 號為止，并將隨后反饋鎖相信號以只在此頻率處提高傳感器的輸入阻抗。 這用于在信號頻率處增加輸入阻抗，而寬帶噪聲不會被反饋到放大器的輸 入。
在圖4實施方式的第一變化形式中，保護(hù)和自舉信號也可以使用與圖 3中顯示的電路部件類似的電路部件來從鎖相環(huán)振蕩器61的輸出得到，同 時，在信噪比上有相當(dāng)?shù)奶岣摺?br> 在圖4實施方式的又一變化形式中，振蕩器64可另外提供用于激勵 樣品的驅(qū)動輸出，如同圖2實施方式的情況。
零電壓模式傳感器
現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖5,將描述本發(fā)明的又一實施方式，其用在例如需要消除對 樣品的充電的情況下。這種情況的一個實例是需要將由樣品和傳感器的相 對運動引起的問題最小化的情況。另一個重要的實例是在大電場可能損壞 樣品表面的顯微應(yīng)用中。此外，此實施方式使用與先前實施方式相同的一 些電路部件，且同樣的部件由相同的參考數(shù)字標(biāo)示，而不作進(jìn)一步的描述。
根據(jù)此實施方式，樣品42通過電壓求和器72由振蕩器70激勵，電 壓求和器72還接收來自于放大器14的輸出V。uu反饋的檢測信號。通過用 電壓求和器72來閉合反饋環(huán)，有可能保證在樣品42上只有一個小的誤差 信號出現(xiàn)。在輸出V。加的檢測信號通過另一放大器74被反饋到電壓求和 器72，所述放大器74被用來為最佳操作狀態(tài)設(shè)定環(huán)路增益及時間常數(shù)。
li因此，通過去除可能由樣品上大信號的存在而引起的贗象(artefact)而提 高了信噪比。
在此實施方式中，如在圖2中所示的，振蕩器70再次被用來為反饋 提供參考信號。為簡單起見，只有中和需要的部件顯示在圖5中，但當(dāng)然 也可使用保護(hù)和自舉，如參考圖3所描述的。在所有這些情況中，保護(hù)、 自舉以及中和信號都源自相干源70,且這會提高信噪比，如先前所述的。
圖5實施方式的使用限于用外部信號來激勵樣品42的情況。
1權(quán)利要求
1. 一種電位傳感器，其包括至少一個檢測電極，其設(shè)置為用于與受測樣品電容耦合以及用于產(chǎn)生測量信號；傳感放大器，其適合于接收所述測量信號作為輸入以及提供被放大的檢測信號作為輸出；輸入阻抗提高裝置，其用于向所述傳感放大器提供高輸入阻抗，以增加所述電極對減小的電位的靈敏度；以及反饋裝置，其用于對所述傳感放大器的輸入應(yīng)用相干的反饋信號，以提高所述傳感器的信噪比。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述輸入提高裝置設(shè)置成使 用所述相干的反饋信號以提供自舉、保護(hù)以及中和中的至少一個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中所述測量信號是周期性的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的傳感器，其中所述相干的反饋信號 包括單一的頻率，以及其中所述反饋裝置與所述輸入阻抗提高裝置協(xié)作， 使得所述傳感器的輸入阻抗在所述反饋信號的頻率及相位處被提高。
5. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述傳感放大器被差 分地設(shè)置以放大所述測量信號，以便增加所選定的信號頻帶下的信噪比。
6. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的傳感器，其還包括外部源，所述外 部源用于提供激勵正被測量的樣品的驅(qū)動信號，以及其中所述相干的反饋 信號得自所述外部源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其還包括衰減器，所述衰減器用 于衰減來自激勵的所述外部源的所述驅(qū)動信號，以提供參考信號來用作所 述相干的反饋信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何權(quán)利要求所述的傳感器，其還包括鎖 相環(huán)振蕩器，所述鎖相環(huán)振蕩器用于從所述傳感放大器的輸出得到所述相 干的反饋信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何權(quán)利要求所述的傳感器，其還包括振 蕩電路，所述振蕩電路設(shè)置為產(chǎn)生掃描頻率的振蕩輸出，用于從所述傳感 放大器的輸出得到頻率變化的信號以提供所述相干的反饋信號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何權(quán)利要求所述的傳感器，其還包括外 部源、從所述傳感放大器的輸出到輸入的反饋環(huán)、以及電壓求和器，所述 外部源用于提供驅(qū)動信號以激勵正被測量的所述樣品，所述電壓求和器設(shè) 置在所述反饋環(huán)中，以便被反饋的檢測信號和來自外部激勵源的激勵信號 都饋送到所述求和器以提供給所述樣品。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電位傳感器，其包括至少一個檢測電極(12)和傳感放大器(14)，所述的檢測電極設(shè)置為用于與受測樣品電容耦合以及用于產(chǎn)生測量信號，而所述傳感放大器適合于接收測量信號作為輸入并提供放大的檢測信號作為輸出。輸入阻抗提高裝置(34)向傳感放大器提供高輸入阻抗，以增加電極對減小的電位的靈敏度，以及反饋裝置(46、52、54、56；56、61)向傳感放大器的輸入應(yīng)用相干的反饋信號，以提高傳感器的信噪比。
文檔編號G01R19/00GK101490564SQ200780026584
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月18日
發(fā)明者克里斯多佛·哈蘭德, 羅伯特·普朗斯 申請人:蘇塞克斯大學(xué)