專利名稱：測(cè)量阻抗的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為頻率的函數(shù)的部件阻抗變化的測(cè)量。例如在讀取其阻抗由 所感測(cè)的量(如質(zhì)量)改變的傳感器時(shí)，就需要這類測(cè)量。
背景技術(shù)：
測(cè)量作為頻率的函數(shù)的阻抗通常用于獲取關(guān)于各個(gè)電部件的操作的數(shù)據(jù)。
此類部件的一個(gè)例子是基于體聲波(BAW)技術(shù)的薄膜體聲波諧振器(FBAR) 設(shè)備。例如在CMOS電路上，F(xiàn)BAR易于被實(shí)現(xiàn)為單片結(jié)構(gòu)。使用FBAR技術(shù) 可以實(shí)現(xiàn)高的諧振頻率和品質(zhì)因子。因?yàn)楫?dāng)有物體定位于傳感器的質(zhì)量加載區(qū) 域時(shí)諧振器的阻抗就會(huì)發(fā)生變化,所以FBAR設(shè)備可以用作例如敏感質(zhì)量傳感 器。如果在FBAR的質(zhì)量加載區(qū)域上沉積(生物)活性層，就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量物 質(zhì)的選擇性以及實(shí)現(xiàn)選擇性(生物)傳感器。
傳統(tǒng)上，使用實(shí)驗(yàn)室級(jí)的設(shè)備測(cè)量FBAR傳自以及此類器件的阻抗，所 述實(shí)驗(yàn)室級(jí)的設(shè)備諸如阻抗分析儀或電路分析儀，這些設(shè)備使用非常確定的頻 率、M來測(cè)量部件的阻抗。
測(cè)量諧振，部件或可連接為諧振器一部分的部件的阻抗的一種解決方案 是使用所謂的振蕩器耦合。在質(zhì)量傳 的情況中，此類耦合的目的在于作為 部件質(zhì)量變化的函數(shù)確定振蕩器的串聯(lián)或并聯(lián)諧振頻率。然而，實(shí)際中通常難 以或不可能實(shí)現(xiàn)可運(yùn)行且精確的振蕩器耦合，特別是作為集成結(jié)構(gòu)，即芯片上 結(jié)構(gòu)。這主要是由于以下原因-
-諧振器通常具有固有的低耦合系數(shù)或品質(zhì)因子(Q因子)。特定的問題與 測(cè)量液體形式的樣品有關(guān)，因?yàn)橹C振器上存在液體會(huì)顯著地降低諧振器的品質(zhì) 因子。
- 一些部件(如FBAR傳繊)通常具有幾個(gè)并聯(lián)諧振頻率。
諧振器可能具有比駄的制造公差，導(dǎo)致它們的串勝并聯(lián)諧振頻率變化。 -大的寄生和并聯(lián)電容導(dǎo)致作為頻率函數(shù)的阻抗變化相對(duì)較小。而且，實(shí) 際上相位從不偏移180度。
5以上缺點(diǎn)尤其適用于設(shè)計(jì)為用作質(zhì)量傳感器的FBAR傳感器，但是也適用 于其它類型的部件。結(jié)果，實(shí)際上只有在有高Q品質(zhì)因子諧振器并且不存在或 消除了并聯(lián)諧振的非常有限的情況下，用于阻抗觀糧的振蕩器耦合才能被利用。 而且，必須采用具剤氐動(dòng)態(tài)范圍的非常特別的設(shè)計(jì)。
WO2007/030462公開了一種用于電感性負(fù)載的詢問(inteirogation)電路， 包括壓控振蕩器，柵陷式振蕩器和鎖相環(huán)。當(dāng)由柵陷式振蕩器用信號(hào)通知時(shí)， 鎖相環(huán)停止跟隨詢問信號(hào)并保持產(chǎn)生鎖定信號(hào)。鎖定信號(hào)被傳遞至噘率計(jì)數(shù)器。 因此，通過這樣的電路，只能在點(diǎn)頻率M行領(lǐng)懂。而且，這種方案所需的電 路相對(duì)復(fù)雜，并不像單個(gè)單片結(jié)構(gòu)一樣適用于其中集成有詢問電路的傳感器設(shè) 備。該電路也比較昂貴且因此不適合與一次性傳感器設(shè)備結(jié)合使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于要實(shí)現(xiàn)一種新穎的阻抗觀懂方法，該方法是精確的，且 可以使用更簡(jiǎn)單且因此更小的電子器件來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的目的還在于實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng) 的測(cè)量系統(tǒng)和新穎的傳感器設(shè)備。
根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求所述的方法來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。在根據(jù)本發(fā)明的方法 中，Mil以下操作確定可變阻抗部件的阻抗-
-在調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧可調(diào)振蕩器，該可調(diào)振蕩器具有作為其負(fù)載耦合的該 可變阻抗部件，
-測(cè)量作為所述調(diào)諧的函數(shù)的該可調(diào)振蕩器的頻率響應(yīng)。
可變阻抗部件的阻抗可以fflil分析所測(cè)量的頻率響應(yīng)而確定。
調(diào)諧和測(cè)量的步驟通常在可變阻抗部件的不同負(fù)載狀態(tài)下執(zhí)行至少兩次 (例如，質(zhì)量傳感器不加載和加載了質(zhì)量)，并且分析步驟包括確定在至少一個(gè) 調(diào)諧點(diǎn)中的相應(yīng)諧振頻率的差。這允許精確地確定負(fù)載的影響。
測(cè)量系統(tǒng)包括
-可調(diào)振蕩器，
-作為該可調(diào)振蕩器的負(fù)載耦合的可變阻抗部件， -用于調(diào)諧該可調(diào)振蕩器的裝置，以及
-用于確定作為所述調(diào)諧的函數(shù)的該可調(diào)振蕩器的頻率響應(yīng)的裝置。 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可變阻抗部件是呈現(xiàn)出至少兩個(gè)并聯(lián)諧振峰的諧振器。 采用常規(guī)方法測(cè)量此類部件的阻抗比較困難。然而，通過耦合諧振器作為振蕩器的負(fù)載，只要在覆蓋這些峰的范圍內(nèi)調(diào)諧振蕩器，就可以精確地確定阻抗。 下文將進(jìn)一步描i^Jt方法。
在特別有利的實(shí)施例中，使用直接連接到振蕩器的頻率計(jì)數(shù)器或?qū)σ栽O(shè)備來 確定振蕩器的頻率響應(yīng)。也就是說，在系統(tǒng)中沒有其它的振蕩器或鎖相電路， 這樣節(jié)省了空間和成本，但是提供了振蕩器負(fù)載變化的精確檢測(cè)。
本發(fā)明的特別優(yōu)點(diǎn)在于它不僅適用于觀糧某些鄉(xiāng)附皆振器，實(shí)際上還適用 于在給定條件下呈現(xiàn)出阻抗變化的任何類型的部件。
柩皆振器的情況中，選擇調(diào)諧范圍以覆蓋諧振器的諧振頻率(或多個(gè)頻率)， 并且優(yōu)選地還覆蓋該頻率(多個(gè)頻率)之上和之下的相當(dāng)大的范圍。根據(jù)一個(gè) 實(shí)施例，在諧振頻率(多個(gè)頻率)附近的區(qū)域采用比離諧振頻率較遠(yuǎn)的區(qū)域更 小的步長(zhǎng)掃過。離諧振頻率(多個(gè)頻率)較遠(yuǎn)的區(qū)域可以用來確定溫度補(bǔ)償因 子或其它次級(jí)參數(shù)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，諸如質(zhì)量傳/i^之類的傳sm皮用作可變阻抗部件。根據(jù)
另一個(gè)實(shí)施例，傳自為(生物)活性((bio) active)，的傳自，即能夠 選擇性地在其表面附著希望的(生物)肝或(生物)粒子或以其他方式經(jīng)歷由于 (生物)M或(生物)粒子的存在而導(dǎo)致的質(zhì)量變化。因?yàn)楸咀杩狗治鰞x電路設(shè) 計(jì)可以被制造得非常小，甚至與傳自一起位于芯片上，本發(fā)明在多個(gè)(生物) 感測(cè)應(yīng)用中提供了顯著的益處。
根據(jù)可選實(shí)施例，傳S^是a^傳感器，壓力傳SI，流 量傳 ，或 加鵬專繊。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可變阻抗部件是諧振器，如BAW諧振器，特別是FBAR。 微芯片F(xiàn)BAR傳感器設(shè)備可以在單片結(jié)構(gòu)中包含可調(diào)環(huán)形振蕩器，作為可調(diào)環(huán) 形振蕩器的負(fù)載耦合的FBAR傳感器，以及耦合到可調(diào)環(huán)形振蕩器、用于測(cè)量 可調(diào)環(huán)形振蕩器的振蕩頻率的端子。耦合到該端子的單片頻率計(jì)數(shù)器也可以被 制作到該微芯片中。下文將更詳細(xì)討論本設(shè)計(jì)在FBAR以及其它諧振器的富有 挑故性盼瞎況中的優(yōu)勢(shì)。
可變阻抗部fMt選是與振蕩器直接歐姆撤4，即基本上不與振蕩器電感和電 雜觸。
結(jié)合小型單片可變阻抗部件(如半導(dǎo)體傳感器)i頓本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)是相比傳 統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室級(jí)的測(cè)量技術(shù)，總測(cè)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，這使得制造甚至一次性的傳感器芯片及類似物成為可能。 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，使用肖,發(fā)送數(shù)字控制信號(hào)的數(shù)字控制單元來控制可調(diào)振
蕩器，使用D/A轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換淑莫擬控制電壓。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可調(diào)振蕩器，以及任選的用于可調(diào)振蕩器的數(shù)字控制單元 和/或D/A轉(zhuǎn)換器和/或可變阻抗部件和/或用于確定振蕩頻率的計(jì)數(shù)器，被制造 為單個(gè)半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)。這樣，可以制造出用于傳感器的單芯片詢問 電路或甚至包括用于傳感器的傳感器元件和詢問電路兩者的全功能的單芯片傳 繊殳備。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可調(diào)振蕩器是壓控環(huán)形振蕩器，例如包含一組串聯(lián)耦合的 半導(dǎo)體倒相器(inverter),如CMOS倒相器。這種設(shè)計(jì)高效并且容易制造，以 及容易采用本身已知技術(shù)與芯片的其它部分集成。
如果諧振親皮用作可變阻抗部件，其阻抗變化可以通過以下操作確定
-M31控制可調(diào)振蕩器確定工作電壓，在該工作電壓下可調(diào)振蕩器的頻率響 應(yīng)M"鎖定'郞皆振器的諧振頻率，
-確定該可變阻抗部件在該可變阻抗部件的兩個(gè)不同狀態(tài)之間(如質(zhì)量傳感 器的空載態(tài)禾叻B載質(zhì)量態(tài))在所述工作電壓處^^述工作電壓附近的響應(yīng)變化。
以上測(cè)量方案提供了一種在諧振器的幾個(gè)可能的并聯(lián)諧振頻率的任何頻率 或所有頻率處測(cè)量部件阻抗變化以及一些其它參數(shù)的穩(wěn)健方法。如下文更詳細(xì)
論述和說明的，使用上述測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)諧振頻率的可靠區(qū)分以及因此 實(shí)現(xiàn)了可靠測(cè)量。必要步驟的實(shí)施在系統(tǒng)中可以是自動(dòng)化的，或部分或全部由 手工完成。
此處的術(shù)語"鎖定'用于描述振蕩器在諧振器的并聯(lián)諧振頻率處顯著變化的 敏感性的趨勢(shì)。通常，在并聯(lián)諧振頻率附近，即在"鎖定區(qū)域"中，振蕩器的頻 率仍隨著控制電壓緩慢變化，但是dfdV的敏感性明顯比在非鎖定區(qū)域時(shí)低。盡 管也從在非鎖定區(qū)域測(cè)得的響應(yīng)曲線獲得重要的信息，如下文更詳細(xì)描述的， 但是在分析測(cè)量結(jié)果時(shí)確定導(dǎo)數(shù)dfdV發(fā)生瑕歐式變化的點(diǎn)通常起到非常重要 的作用。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可調(diào)振蕩器的頻率響應(yīng)用于確定可變阻抗部件的作為頻率 的函數(shù)的阻抗，也就是說在一個(gè)B個(gè)頻帶的阻抗。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，4柳振蕩器陣列， 為制造在單個(gè)芯片上的振蕩器陣列，每個(gè)振蕩器都加載或肯,加載有不同的可變阻抗部件。任選地，可能存在加載 有參考阻抗以能夠執(zhí)行參考測(cè)量的一個(gè)或多個(gè)可調(diào)振蕩器，例如以便補(bǔ)償對(duì)測(cè) 量的環(huán)境效應(yīng)(如溫度變化)。
據(jù)據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在FBAR傳感器,兄下的溫度補(bǔ)償是通過以下操im行
的測(cè)量振蕩器在至少兩個(gè)不同工作點(diǎn)和至少兩個(gè)不同溫度下的頻率響應(yīng)，并
且使用所獲得的所述至少兩對(duì)點(diǎn)，確定溫度補(bǔ)償因子(如線性化的溫度敏感性 響應(yīng)的斜率的比值)。然后，該比值可用于內(nèi)插働灘在不同工作點(diǎn)所獲得的測(cè) 量結(jié)果的溫度補(bǔ)償。 本發(fā)明提供相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。
-阻抗測(cè)量的精度非常高。尤其對(duì)于感測(cè)應(yīng)用，非常精確地確定阻抗變化是 可能的。
-可以容易地禾,現(xiàn)有的CMOS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和集成該結(jié)構(gòu)。 -該設(shè)計(jì)允許制造用于測(cè)量和/或比較多個(gè)阻抗的陣列型結(jié)構(gòu)。 -由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有可能采用非常高的頻率來確定阻抗。 -可以使用參考測(cè)量有效地使誤差源(如溫度變化)的影響最小化。 值得注意的是，公知幾種使用振蕩電路控制傳感器的電路和方法。例如在 US2006/001508中公開了這樣的解決方案。然而，在這樣的解決方案中，振蕩器 的調(diào)諧并不是按照與本發(fā)明相同的方式被用來確定部件的阻抗。
術(shù)語"所觀U部件"，"可變阻抗部件"或TXJT'用于描述當(dāng)遭受預(yù)定條件時(shí)呈 現(xiàn)出可測(cè)量的阻抗變化的任何部件。適當(dāng)部件的例子是布置為對(duì)放在它們附近 或放在它們的材料容納部分中或材料容納部分上的物質(zhì)的材料特性敏感的電容 器，電感器和諧振器。材料特性例如可以是，如質(zhì)量或粘度的物理參數(shù)，如電 導(dǎo)率或介電常數(shù)的電磁參數(shù)。值得注意的是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備可以獨(dú)立于 所測(cè)部件而制造，由此在一些瞎況中可以為被測(cè)部件提供一個(gè)或多個(gè)接觸端子。 另一方面，例如在一些實(shí)施例中被觀嘟件和阻抗分析電路可以被制造在同一半 導(dǎo)體芯片上。
盡管是部件的電阻抗的變化導(dǎo)致本電路的響應(yīng)發(fā)生變化，但是在傳自的 情況中電阻抗的變化是部件的內(nèi)部性質(zhì)(例如部件的功能部分的質(zhì)量或溫度或 者部件的兩個(gè)功能部分之間的距離)和/或部件與其環(huán)境的相互作用(例如粘度 變化，設(shè)備的功能部分附近的壓力或私磁材料特性)的z變化的結(jié)果。像"確定阻
9抗(的變化)"之類的短語中的術(shù)語"阻抗"可以廣泛地理解為是指部件的任何可
測(cè)量性質(zhì)或^S作用(interaction),其變化表現(xiàn)為部件的電阻抗的變化。換句話 說，本發(fā)明的基本思想可以應(yīng)用于觀懂任何部件的負(fù)載狀態(tài)(loadingstate),該 部件的機(jī)械，機(jī)電，電氣，電磁或化學(xué)負(fù)載顯示為與部件耦合的可調(diào)振蕩器的 振蕩頻率。另外，該術(shù)詞還覆蓋了不計(jì)算絕對(duì)阻抗值而是利用部件的電阻抗變 化來確定部件的某個(gè)其他性質(zhì)或交互作用的這種測(cè)量。即使沒有明確聲明，術(shù) 語"測(cè)量順定阻抗'應(yīng)被理解為也覆蓋阻抗變化的檢測(cè)。


圖1顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的阻抗分析儀的簡(jiǎn)化電路圖。
圖2描繪了根據(jù)圖1的阻抗分析儀的作為控制電壓的函數(shù)的模擬輸出響應(yīng)
(頻率)(電ffi/頻率尺度只用于舉例)。
圖3顯示了采用電路分析儀測(cè)量的FBAR的作為激發(fā)頻率的函數(shù)的響應(yīng)。 圖4示出了釆用根據(jù)圖1的電路測(cè)量的FBAR的作為控制電壓的函數(shù)的輸
出響應(yīng)，(a)FBAR在初始條件下位于空氣中，(b)FBAR浸入水中，以及(c)
FBAR在空氣中干燥后。
圖5顯示了圖4的曲線圖的放大部分(只顯示數(shù)據(jù)組(a)和(c))。 圖6顯示了圖4的曲線圖的放大部分(只顯示數(shù)據(jù)組(a)和(b))。 圖7描繪了釆用(a)電路分析儀和(b)本阻抗分析儀觀糧的兩個(gè)不同F(xiàn)BAR的
并聯(lián)諧振峰的溫度相關(guān)性。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，肖,產(chǎn)生合適的數(shù)字控制碼CODE的控制單元10耦合到數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換器12，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器12用于產(chǎn)生用于振蕩器14的模擬控制電壓 VCTR。振蕩器14包括三個(gè)以振蕩配置串聯(lián)耦合的CMOS倒相器14a^l4b,14c。 作為振蕩器的負(fù)載，連接有可變阻抗部件16 (^DUT,受測(cè)設(shè)備)。振蕩器14的 振蕩信號(hào)被引回至控制單元12以用于輸出頻率FOUT，所述輸出頻率例如使用 數(shù)字計(jì)數(shù)器來測(cè)量，并且任選地被存儲(chǔ)，可視化和/或進(jìn)一步分析。
控制單元10為振蕩鵬供適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，觀糧振蕩器的輸出頻率，以及， 任j&t也進(jìn)一步處理結(jié)果?？刂茊卧?0可以被制造在與振蕩器部分相同的晶片(如 硅晶片)上，由此功能分析電路的單片實(shí)現(xiàn)是可能的?？刂茊卧?0可以包括僅 用于特定功能的邏輯i方端口或該單元可以被設(shè)計(jì)為是可編程的以便實(shí)現(xiàn)更為通
10用的設(shè)備?？删幊炭刂茊卧?0確保振蕩器的控制以及結(jié)果的分析總是對(duì)應(yīng)于測(cè) 量的阻抗和測(cè)量的量。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可調(diào)振蕩器和可變阻抗部件，以及任選的用于可調(diào)振蕩 器的數(shù)字控制單元被制造為半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)。
在該方法中，具有可變阻抗部件16作為其負(fù)載的可調(diào)振蕩器14是受控的。 振蕩器14是這樣的，使得部件16的阻抗變化(即作為頻率函數(shù)的負(fù)載變化) 影響振蕩器14的振蕩頻率。調(diào)諧電壓(即控制電壓)可以4頓緩沖的D/A轉(zhuǎn)換 器產(chǎn)生。作為其調(diào)諧(即控制電壓)的函數(shù)來測(cè)量振蕩器14的頻率。結(jié)果，可 以確定部件16的作為頻率的函數(shù)的參數(shù)。可以使用外部時(shí)鐘控制的(externally clocked)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。Sil計(jì)算可以確定阻抗(的變化)?？梢允?用外部計(jì)算裝置(例如分離的計(jì)算電路或計(jì)算機(jī))皿行計(jì)算，或者使用與分 析儀電路集成于芯片上的計(jì)算單元^iS行計(jì)算。
如圖2所示，當(dāng)空載時(shí)，根據(jù)圖1的振蕩器電路的控制電壓與輸出頻率的 關(guān)系基本是線性的。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，同樣在有負(fù)載的條件下，只要部件16的阻抗與 頻率關(guān)系是線性或至少是單調(diào)的，至少在相對(duì)較窄的頻率帶寬處該電路的響應(yīng) 保持線性。另一方面，如果測(cè)量非線性部件16，與倒相振蕩器的線性響應(yīng)相比， 輸出頻率aat變化。通常，可以說作為控制電壓的函數(shù)的頻率的變化率與所測(cè) 的部件16的阻抗變化率的絕對(duì)值成比例。值得注意的是在圖中給出的電ffi/頻率 值只是用于說明性的目的，并且在現(xiàn)實(shí)中可以通,當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)以及部件和電路 的耦合來相對(duì)自由地選擇。
測(cè)量的輸出通?？嵱谪?fù)載阻抗的類型和測(cè)量設(shè)置的初始值。例如，F(xiàn)BAR 給出的電壓-頻率曲線圖就不同于電容器給出的電壓-頻率曲線圖。然而，對(duì)于己 知類型的負(fù)載阻抗，電壓-頻率曲線圖的建徵模擬，以及因M有所測(cè)量的電壓 -頻率曲線圖的解釋是可能的。接下來的描述就集中于諧振^M(特別是FBAR 類型)的負(fù)載阻抗的特性。
圖3顯示了使用普通電路分析儀觀糧的FBAR諧振器的典型頻率響應(yīng)。發(fā) 現(xiàn)該部件在748.688MHz和749.688MHz具有兩個(gè)并聯(lián)諧振峰。設(shè)計(jì)用于像這樣 的FBAR的傳統(tǒng)振蕩器耦合非常具有挑故性，因?yàn)檫@種振蕩器將根據(jù)電路的初 始參數(shù)而鎖定到不同的輸出頻率或在工作期間切換頻率("跳"到另一個(gè)諧振 峰)。然而并聯(lián)諧振峰是如此的相互接近以致于例如i頓LC-濾波器對(duì)它們的濾波由于制造公差而實(shí)際上不可能。而且，并聯(lián)諧振頻率在不同的工藝流水
(processrun)之間可能會(huì)有幾十MHz的不同，這就要求濾波器可調(diào)。
本阻抗分析電路設(shè)計(jì)也適用于具有類似圖3所示的特性的FBAR。接下來， 作為示例參考圖4-7來描述結(jié)果的測(cè)量和解釋。所用的振蕩器電路基本是根據(jù)圖 2的并且采用0.35^m AMS CMOS技術(shù)將其制造為IC電路并且與生物活性 FBAR —起弓l線接合到電路板。從該電路板，作為控制電壓的函數(shù)測(cè)量輸出頻 率。
圖4顯示了該電路的寬范圍頻率響應(yīng)(FOUT對(duì)VCTR)?？梢钥吹巾憫?yīng)在 所有測(cè)量情況中明顯不同；(a)FRAR在初始斜牛下處于空氣中，(b) FBAR浸 入水中，(c) FBAR在空氣中重新干燥。
從圖4中可以推斷出，在控制電壓的某個(gè)值處頻率通^J歐增加至喊部件 的并聯(lián)諧振點(diǎn)，并且當(dāng)輸出頻率超過諧振器的并聯(lián)諧振點(diǎn)時(shí)，輸出電壓被鎖定。 該電壓范圍(即輸出頻率被鎖定的范圍)在下文中被稱^"工作點(diǎn)"。當(dāng)該電路 鎖定到附近并聯(lián)諧振峰中時(shí)，振蕩器的輸出頻率由諧振器的性質(zhì)來定義，而不 是由振蕩器的特征頻率來定義。
當(dāng)鎖定頻率被用作工作點(diǎn)時(shí)，可以確定例如如下參數(shù) -并聯(lián)諧振頻率(參見以下對(duì)圖5的描述) -作為給定性質(zhì)的函數(shù)的阻抗變化(例如質(zhì)量變化) -諧振器的環(huán)境參數(shù)(例如，溫度或粘度的變化，參見以下對(duì)圖6的描
述)
圖5顯示了在工作點(diǎn)放大的曲線(a)和(c)的圖?？梢钥吹?，在浸入7jC 中后，由于FBAR表面被污染，導(dǎo)致質(zhì)量增加。這顯示為輸出頻率下降了 △f=250kHz。另外，可以看出，隨著控制電壓的進(jìn)一步增加，所述曲線的斜率 再度ffl3I增加。這是由于第二并聯(lián)諧振,成的。
圖6顯示了圖4的對(duì)應(yīng)放大圖，該圖現(xiàn)在包括曲線(a)和(b)。再次，可 以看出，F(xiàn)BAR表面污染導(dǎo)致輸出頻率下降了A^240kHz。另外，曲線在工作 點(diǎn)的斜率顯著不同。這是由于FBAR周圍的粘度變化以及因此不同種類附皆振 造成的。
圖7示出了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)被設(shè)計(jì)用于表征本電路設(shè)計(jì)的溫度相關(guān)性。 在封裝(encapsulation)之前和之后，在幾個(gè)皿下測(cè)量FBAR部件。使用常規(guī)的電路分析儀(a)和本阻抗分析儀電路(b)測(cè)量作為溫度的函數(shù)的并聯(lián)諧振 頻率的變化。必須注意的是被測(cè)的FBAR部fM皮此相鄰地安放在同一半導(dǎo)體晶 片上，由此部件的制造參數(shù)最大程度地相似。根據(jù)結(jié)果可以看到使用兩種測(cè)試 技術(shù)所得到的部件的溫度相關(guān)性幾乎相同，絕對(duì)值和斜率都在部件的加工公差 內(nèi)。
當(dāng)確定阻抗或環(huán)境參數(shù)時(shí)，可以為控制電壓給出幾個(gè)值，并且可以在這些 電壓艦行的多個(gè)觀懂掘領(lǐng)懂結(jié)果進(jìn)行平均以便提高觀糧的精確度。
存在至少兩種主要方法來為*傳感器設(shè)備單獨(dú)實(shí)現(xiàn)^^補(bǔ)償。根據(jù)第一 種方法，提供參考傳感器，該參考傳li^對(duì)實(shí)際傳感器的所感興趣的量(也就 是說，例如質(zhì)量)不敏感。參考傳感器例如可以用不同的方式涂敷，使得不會(huì) 像實(shí)際傳感器中那樣物質(zhì)附著至撥面或從表面腐蝕掉物質(zhì)。然而，參考傳感器 靠近實(shí)際傳感器放置，典型地位于同一單片芯片上，這些傳感器的溫度將是相 同的。這樣，i^iW結(jié)果的影響可以被補(bǔ)償。
然而，即使是制造在單個(gè)芯片上，尤其是FBAR諧振器的溫度相關(guān)性也可 能顯著變化。因此，另一種方法可以結(jié)合這種諧振器使用。己經(jīng)明確地發(fā)現(xiàn)， 在不同的工作點(diǎn)處，具有FBAR傳感器的電路的響應(yīng)的溫度相關(guān)性不同。參考 圖4，該電路在低電壓電平(即<密'鎖定'之前)處的包含、鵬響應(yīng)的響應(yīng)主要 由CMOS環(huán)形振蕩器的響應(yīng)支配(dominate).然而，當(dāng)電路"鎖定'在并聯(lián)諧振 時(shí)，響應(yīng)則主要由FBAR的響應(yīng)支配(如可以從圖7中看出的)。從而，解決方 案是，測(cè)量振蕩皿至少兩個(gè)不同工作點(diǎn)(環(huán)形振蕩器支配的點(diǎn)和FBAR支配 的點(diǎn))，以及在至少兩個(gè)不同的溫度的頻率響應(yīng)，并且使用所獲得的該至少兩對(duì) 點(diǎn)，確定線性化的MJ^敏感性響應(yīng)的斜率的比值。然后，該比值可以用于內(nèi)插 或外推在不同工作點(diǎn)所獲得的觀懂結(jié)果的纟鵬補(bǔ)償。即使纟樹 鵬值是未知的， 這也是可能的。該另一種方法不需要在芯片上制造分離的參考傳感器，而可以 ilil^電路編程合適的控制算法來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在單，成芯片上提供了多個(gè)加載有感興趣的不同部件 的振蕩器電路。該多個(gè)振蕩器iW4M51單個(gè)控制電路禾口 D/A轉(zhuǎn)換器來控制。 艦這種方式，可以根據(jù)觀懂的頻率響應(yīng)非常精確地確定這些部件的阻抗差異。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供多個(gè)被測(cè)部件，所有部件都具有連接到它們的單獨(dú) 的振蕩器電路，這些振蕩器電路被制造在單個(gè)晶片上。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，使用集鵬相同晶片上的一個(gè)控制單元來控制和讀船萬有的振蕩器。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供至少一個(gè)振蕩器電路，該振蕩器電路加載有已知參 考阻抗(如電容器)，以及至少一個(gè)(通常為至少兩個(gè))耦合到其它被測(cè)部件的振 蕩器電路。{繼地，所有的振蕩器都制作在單個(gè)半導(dǎo)體晶片上以最小化振蕩器 響應(yīng)之間的變化。因而，所測(cè)量的響應(yīng)中的所有差異(例如偏移頻率，作為控 制的函數(shù)的頻率變化的敏感性以及非線性)可以被期望是由于振蕩器的負(fù)載阻 抗不同而造成的。
除了使用基于FBAR的傳 進(jìn)行質(zhì)量感測(cè)之外，本發(fā)明可以用于壓力， 液體或氣#^荒量?jī)P口速度感測(cè)。例如，流量感測(cè)可以M耦合多個(gè)FBAR傳感 器(2個(gè)或更多)使得液體或氣體可被轉(zhuǎn)向至U傳麟附近的上面或內(nèi)部中而實(shí)現(xiàn)。
因?yàn)檫@種傳感器的 驢敏感性非常好，流量的大小也可以被檢測(cè)到。之前，這 種實(shí)施方式例如己經(jīng)在www.memsic.com/products/MXD2020.htm中被公開。相比
于已知的FBAR觀懂方案，本測(cè)量電S繊高了纟鵬敏感性，并且允許檢測(cè)更小 的流量。
例子1 (使用質(zhì)量傳麟作為可變阻抗部件的測(cè)量)
本例子闡明了使用FBAR質(zhì)量傳^來測(cè)量質(zhì)量。為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)質(zhì)量 之外的其它因素(如溫度，粘度，噪聲)的影響都被消除，標(biāo)準(zhǔn)化或被補(bǔ)償。 根據(jù)本發(fā)明的阻抗分析儀耦合到FBAR質(zhì)量傳皿，處理該傳感器表面以適合 于所希望的目的，例如對(duì)特定物質(zhì)敏感。通過附著到傳感器的表面該物質(zhì)可以 增加質(zhì)量，或者ffl31使分子或粒子從傳SI表面脫離可以減少質(zhì)量。
首先，在傳感器的初始狀態(tài)執(zhí)行參考測(cè)量，該傳感器可以位于例如真空或 空氣中或經(jīng)，當(dāng)?shù)木彌_/參考流體。在測(cè)量中，掃過(sweepover)所希望的控 制電壓范圍，該范圍通常覆蓋電路的整個(gè)可能的工作范圍，即至少覆蓋傳感器 的并聯(lián)諧振峰。對(duì)于每個(gè)電壓，記錄電路的頻率。如果需要，可以使用更長(zhǎng)的 測(cè)量時(shí)間或控制電壓中的更小的步長(zhǎng)來重新測(cè)量最近掃過的全部范圍的特定子 范圍，以提高測(cè)量的敏感度或頻率分辨度。存儲(chǔ)測(cè)量的參考數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步分 析。
下一步，使傳 經(jīng)受其質(zhì)量發(fā)生變化的條件。該步驟可以包括例如通過 移液(paring)將感興趣的物質(zhì)添加到傳 上，或?qū)鞲衅鹘敫信d趣的物 質(zhì)中。
14之后，以與參考測(cè)量類似的方式執(zhí)行實(shí)際測(cè)量。
如果使用(生物)活性傳感器表面，可以在實(shí)際測(cè)量之前清洗傳感器，以 從傳 表面除去松散材料?？蛇x地或附加地，為了標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境粘度，實(shí)際測(cè)
量可以在緩沖/參考液體中進(jìn)行，并且任選地清洗傳iiH表面。
在實(shí)際測(cè)量之后，分析在測(cè)量中所獲得的數(shù)據(jù)。也就是說，在一個(gè)或多個(gè)點(diǎn) 處確定參考測(cè)量和實(shí)際測(cè)量之間的頻率變化。如果使用多個(gè)點(diǎn)，則在這些點(diǎn)上 對(duì)結(jié)，行平均。如果需要，關(guān)于某些參數(shù)(例如溫度)對(duì)結(jié)果的校正可以在 該點(diǎn)進(jìn)行。最終，將確定的頻率變化轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化。
權(quán)利要求
1、一種用于確定可變阻抗部件的阻抗的方法，其包括-在預(yù)定調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧可調(diào)振蕩器，所述可調(diào)振蕩器具有作為其負(fù)載耦合的所述可變阻抗部件，-測(cè)量作為所述調(diào)諧的函數(shù)的該可調(diào)振蕩器的頻率響應(yīng)，以及-分析測(cè)量的頻率響應(yīng)，以確定該可變阻抗部件的阻抗。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于傳 被用作可變阻抗部 件，所述傳繊例如質(zhì)量傳感器，尤其是(生物)活性質(zhì)量傳/織。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于諧振器被用作可變阻抗部件，所述諧振器例如BAW諧振器，尤其細(xì)AR。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于諧振器被用作可變阻抗部件，所述諧振器呈現(xiàn)出至少兩個(gè)并聯(lián)諧振峰。
5、 根據(jù)以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于使用直接耦合 到可調(diào)振蕩器的頻率計(jì)數(shù)器來測(cè)量頻率響應(yīng)。
6、 根據(jù)以上禾又利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于確定阻抗的步 驟包括確定頻率響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)顯著變化的點(diǎn)。
7、 根據(jù)以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于可調(diào)振蕩器為壓控環(huán)形振蕩器，優(yōu)選地包含一組串聯(lián)耦合的半導(dǎo)體倒相器，例如CMOS倒相 器°
8、 根據(jù)以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于調(diào)諧和觀懂的 步驟在可變阻抗部件的不同狀態(tài)下至少執(zhí)行兩次，以及分析步驟包括確定至少 一個(gè)調(diào)諧點(diǎn)中相應(yīng)諧振頻率的差。
9、 根據(jù)以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 ■諧振器被用作可變阻抗部件，-ma調(diào)諧可調(diào)振蕩器，確定工作電壓，可調(diào)振蕩器的頻率響應(yīng)在該工作電壓處鎖定到諧振器的諧振頻率附近，-在該可變阻抗部件的兩個(gè)不同狀態(tài)之間確定該可變阻抗部件在所述工作 電壓處或所述工作電壓附近的響應(yīng)變化。
10、 根據(jù)以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該方法還包括-在至少兩個(gè)不同的工作點(diǎn)和至少兩個(gè)不同的溫度下測(cè)量振蕩器的頻率響應(yīng)，-使用所獲得的該至少兩對(duì)點(diǎn)來確定i^補(bǔ)償因子，以及-在阻抗的所述確定中4柳、鵬補(bǔ)償因子5l6a行、鵬補(bǔ)償。
11、 一種確定可變阻抗部件的阻抗的系統(tǒng)，其包括 可調(diào)振蕩器，-作為所述可調(diào)振蕩器的負(fù)載耦合的所述可變阻抗部件，例如傳感器，-用于在預(yù)定調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧所述可調(diào)振蕩器的裝置，以及-頻率計(jì)數(shù)器，其耦合到所述可調(diào)振蕩器，用來確定所述可調(diào)振蕩器的作為所述調(diào)諧的函數(shù)的頻率響應(yīng)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)，其特征在于用于調(diào)諧可調(diào)振蕩器的裝置包括-能夠產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)的控制單元，以及-用于產(chǎn)生用于可調(diào)振蕩器的模擬控制電壓的D/A轉(zhuǎn)換器。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll或12所述的系統(tǒng)，其特征在于可調(diào)振蕩器和任選 地，用于調(diào)諧可調(diào)振蕩器的裝置和/或用于確定可調(diào)振蕩器的頻率響應(yīng)的裝置被 制造為半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11—13任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括優(yōu)選地制造在單個(gè)芯片上的每個(gè)均加載有不同的可變阻抗部件的多個(gè)可調(diào)振蕩 器，以及任選的，加載有參考阻抗的可調(diào)振蕩器。
15、 一種微芯片傳感器設(shè)備，其在單片結(jié)構(gòu)中包括 -可調(diào)環(huán)形振蕩器，和-作為該可調(diào)環(huán)形振蕩器的負(fù)載耦合的FBAR傳,，以及-耦合到該可調(diào)環(huán)形振蕩器的端子，用于測(cè)量該可調(diào)環(huán)形振蕩器的振蕩頻率。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的微芯片傳麟設(shè)備，特征在于其在該單片結(jié)構(gòu)中還包括-耦合到該端子的頻率計(jì)數(shù)器，用于觀懂可調(diào)環(huán)形振蕩器的振蕩頻率，以及 -任選地，用于調(diào)諧可調(diào)環(huán)形振蕩器的裝置。
17、 使用可調(diào)振蕩器來確定部件的阻抗或阻抗變化，該可調(diào)振蕩器具有作為其負(fù)載耦合的所述部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及測(cè)量阻抗的方法和設(shè)備。本發(fā)明涉及一種用于確定可變阻抗部件的阻抗的方法和系統(tǒng)以及微芯片。該方法包括在預(yù)定調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧可調(diào)振蕩器，可調(diào)振蕩器具有作為其負(fù)載耦合的該可變阻抗部件。測(cè)量作為所述調(diào)諧的函數(shù)的可調(diào)振蕩器的頻率響應(yīng)。最后，分析測(cè)量的頻率響應(yīng)，以確定可變阻抗部件的阻抗。本發(fā)明使得制造更小和更簡(jiǎn)單的單片傳感器微芯片成為可能。
文檔編號(hào)G01N5/02GK101685116SQ20091016692
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者A·蘭塔拉 申請(qǐng)人:芬蘭技術(shù)研究中心