相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年10月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第62/069,793號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文中。

背景技術(shù)：

本申請(qǐng)涉及諧振器的受控振蕩，具體地，涉及對(duì)懸浮微通道諧振器(smr)以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)(pll)控制。

在需要對(duì)懸浮在流體中的物質(zhì)的快速表征的醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中，smr的用途正在擴(kuò)大。用于smr的振蕩控制和諧振偏移檢測(cè)的改進(jìn)技術(shù)會(huì)有益于提高針對(duì)某些smr應(yīng)用的自動(dòng)化程度和高通量(throughout)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在某些實(shí)施方式中，用于操作一個(gè)或多個(gè)smr的控制系統(tǒng)和方法包括以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的pll，該以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的pll作為smr系統(tǒng)的激勵(lì)元件與運(yùn)動(dòng)感測(cè)元件之間的反饋回路進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)smr振蕩和諧振偏移檢測(cè)的精確且特定的控制。

在某些實(shí)施方式中，可以提供一種用于控制一個(gè)或多個(gè)機(jī)械諧振器并且根據(jù)諧振器的特性來(lái)確定信息的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：至少一個(gè)機(jī)械諧振器；激勵(lì)元件，其用于驅(qū)動(dòng)諧振器；傳感器，其用于監(jiān)測(cè)諧振器的運(yùn)動(dòng)；至少一個(gè)鎖相環(huán)(pll)，至少一個(gè)pll在激勵(lì)元件與監(jiān)測(cè)元件之間進(jìn)行反饋，其中，每個(gè)pll均被配置成在諧振器的不同諧振模式下進(jìn)行操作或在接近諧振器的不同諧振模式的情況下進(jìn)行操作；以及處理器，其用于根據(jù)指示諧振器頻移的pll內(nèi)部信號(hào)來(lái)確定信息。

在某些實(shí)施方式中，可以提供一種用于控制一個(gè)或多個(gè)機(jī)械諧振器并且根據(jù)諧振器的特性來(lái)確定信息的方法，該方法包括：用激勵(lì)元件驅(qū)動(dòng)諧振器；感測(cè)諧振器的運(yùn)動(dòng)；操作至少一個(gè)鎖相環(huán)(pll)，至少一個(gè)pll在激勵(lì)元件與監(jiān)測(cè)元件之間進(jìn)行反饋，其中，每個(gè)pll均被配置成在諧振器的不同諧振模式下進(jìn)行操作或在接近諧振器的不同諧振模式的情況下進(jìn)行操作；以及根據(jù)指示諧振器頻移的pll的內(nèi)部信號(hào)來(lái)確定信息。

在某些實(shí)施方式中，pll可以用數(shù)字邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在某些實(shí)施方式中，pll可以在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)上實(shí)現(xiàn)。

在某些實(shí)施方式中，每個(gè)諧振器-pll反饋回路的傳遞函數(shù)可針對(duì)包括形狀和帶寬的期望特來(lái)配置的。

在某些實(shí)施方式中，該系統(tǒng)可以被配置成根據(jù)由于諧振器上承載的物質(zhì)的存在而引起的諧振偏移來(lái)確定一維質(zhì)量分布。

在某些實(shí)施方式中，諧振器陣列可以被一起操作。

在某些實(shí)施方式中，陣列的大小可以是下列之一：1個(gè)或多個(gè)諧振器；10個(gè)或多個(gè)諧振器；或者50個(gè)或多個(gè)諧振器。

在某些實(shí)施方式中，諧振器的諧振頻率可以按至少2khz間隔開(kāi)。

在某些實(shí)施方式中，諧振器的頻率可以在30khz與10mhz之間。

在某些實(shí)施方式中，諧振器的尺寸中的長(zhǎng)度范圍從10微米到1000微米，橫截面范圍從1微米到100微米。

在某些實(shí)施方式中，機(jī)械諧振器可以是懸浮諧振器。

在某些實(shí)施方式中，懸浮諧振器可以是下列中的至少一個(gè)：具有固定端和自由端的懸臂諧振器；或具有至少兩個(gè)附接區(qū)域的膜諧振器。

在某些實(shí)施方式中，懸浮諧振器可以帶有流體通道。

在某些實(shí)施方式中，該系統(tǒng)可以包括用于使懸浮粒子在流體通道中流動(dòng)的流體控制元件，并且根據(jù)諧振偏移所確定的信息包括粒子的質(zhì)量和位置。

附圖說(shuō)明

參考以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述來(lái)描述本文提供的實(shí)施方式的方面和優(yōu)點(diǎn)。在所有附圖中，可以重復(fù)使用附圖標(biāo)記來(lái)表示引用的元件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。附圖被提供用于說(shuō)明本文描述的示例實(shí)施方式，并非旨在限制本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。

圖1示出了說(shuō)明性實(shí)施方式的簡(jiǎn)化示意圖。

圖2示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的pll和諧振器的線性相位模型。

圖3是根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的pll的數(shù)字實(shí)現(xiàn)的框圖。

圖4示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的smr的前四種諧振的幅度和相位。

圖5示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的前四種模式的期望閉環(huán)響應(yīng)和測(cè)量閉環(huán)響應(yīng)。

圖6示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的smr布局以及測(cè)量的頻率波形的一部分。

圖7是根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的懸浮流體通道諧振器陣列的間隔開(kāi)的諧振頻率的示圖。

圖8a和圖8b示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的用于操作多個(gè)懸臂的示例光學(xué)設(shè)置和壓阻式設(shè)置。

圖9示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的fpga實(shí)現(xiàn)的示例性系統(tǒng)的示意圖。

圖10a和圖10b示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的、來(lái)自通過(guò)smr的單個(gè)150nm金納米粒子的在四種模式下的頻率和位置信號(hào)。

圖11a和圖11b示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的、通過(guò)smr的兩個(gè)納米粒子的在四種模式下的頻率和位置信號(hào)。

圖12示出了根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施方式的從12懸臂smr陣列測(cè)量的頻率信號(hào)。

圖13是說(shuō)明性方法的流程圖。

圖14a、圖14b和圖14c描述了各種懸浮諧振器特征。

具體實(shí)施方式

一般來(lái)說(shuō)，本公開(kāi)內(nèi)容的方面涉及使用用于結(jié)構(gòu)、通道且在某些情況下用于致動(dòng)器的精密標(biāo)度微加工技術(shù)制造的諧振器。微加工可以包括對(duì)諸如玻璃、金屬、塑料的這種材料上以及在諸如硅和硅衍生物的晶體材料的圖案化、蝕刻、沉積、注入以及相關(guān)工藝。驅(qū)動(dòng)器、pll以及其它元件可以包括由包括電阻器、電容器、晶體管、邏輯元件等電氣部件構(gòu)成的電子電路，所述驅(qū)動(dòng)器、pll以及其它元件也可以制造到專用電路上和/或由分立部件以任何組合方式組成。

本文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式可以提供良好控制的致動(dòng)諧振器陣列和檢測(cè)諧振器陣列，使得能夠基于懸浮諧振器技術(shù)設(shè)計(jì)高通量的并聯(lián)或串聯(lián)測(cè)量系統(tǒng)。

本文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式可以為懸浮諧振器提供控制信號(hào)的精確成形。

帶有流體通道的機(jī)械諧振器(在某些情況下被稱為懸浮微米或納米通道諧振器(smr、snr，本文可互換使用))可適合于測(cè)量經(jīng)過(guò)諧振器的物體的性質(zhì)(例如質(zhì)量)。在所合并的附于本文中的參考文獻(xiàn)中描述了各種流體通道諧振器。這些設(shè)備通?？梢园黧w設(shè)備(fluidicdevice)，在所述流體設(shè)備中，物體沿著正在振蕩的諧振器向前。當(dāng)物體沿著諧振器移動(dòng)時(shí)，諧振頻率改變，使得能夠測(cè)量物體的性質(zhì)(諸如質(zhì)量)。這樣的諧振器可以用來(lái)分析細(xì)胞或其它粒子的性質(zhì)。

微機(jī)械諧振器和納米機(jī)械諧振器由于其高品質(zhì)因數(shù)和極小尺寸而對(duì)外部擾動(dòng)(例如，弱力、電場(chǎng)或磁場(chǎng)以及質(zhì)量變化)極為敏感。監(jiān)測(cè)這樣的諧振器在一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)模式下的振蕩頻率是一種用于檢測(cè)和量化這些微小擾動(dòng)的技術(shù)。在單個(gè)設(shè)備上使用多個(gè)機(jī)械諧振器或在多個(gè)振動(dòng)模式下使用單個(gè)諧振器為感興趣的測(cè)量提供了改進(jìn)的通量和/或附加功能。在與本申請(qǐng)一起被共同擁有的且通過(guò)引用被并入本文中第9,134,295號(hào)美國(guó)專利中描述了用于測(cè)量細(xì)胞的生長(zhǎng)率的諧振器陣列。具有可控帶寬的可擴(kuò)展的高精度技術(shù)可適合于同時(shí)振蕩并監(jiān)測(cè)大量的諧振。

在某些情況下諧振器系統(tǒng)可以利用自激回路來(lái)進(jìn)行操作。在諧振器的運(yùn)動(dòng)被放大、延遲且被反饋?zhàn)鳛榧?lì)信號(hào)的情況下，自激回路保持諧振器總是以其諧振頻率振蕩，并且提供高帶寬測(cè)量。然而，當(dāng)被應(yīng)用于具有單個(gè)總和輸出的多重諧振(例如多種模式的諧振器)時(shí)，可能難以針對(duì)單個(gè)模式來(lái)優(yōu)化相移和振動(dòng)幅度，這對(duì)于最小化噪聲以及精確地測(cè)量諧振頻率而言是理想的。因此，在多重諧振下實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩可能需要檢測(cè)每個(gè)諧振的運(yùn)動(dòng)、獨(dú)立處理每個(gè)諧振信號(hào)以及對(duì)諧振同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)。這有利于觀察單個(gè)諧振器的多種諧振模式、或者觀察具有共同激勵(lì)的多個(gè)諧振器的諧振模式、或者這兩者的結(jié)合。

控制多種模式可以通過(guò)為每次諧振分配專用的鎖相環(huán)(pll)1(圖1)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了最高的精度，pll的增益參數(shù)被設(shè)置為使得(處于閉環(huán)的)諧振器(1)-pll(2)系統(tǒng)對(duì)諧振頻率的變化具有期望響應(yīng)，例如，在表1中給出針對(duì)巴特沃斯型響應(yīng)的參數(shù)。這種方法能用來(lái)實(shí)現(xiàn)具有期望階數(shù)和帶寬的任意傳遞函數(shù)(切比雪夫，橢圓形，貝塞爾等)或具有期望形狀和帶寬的任意傳遞函數(shù)。通常，期望的是將pll的傳遞函數(shù)設(shè)置成直到期望頻率為止均相對(duì)平坦，而在連續(xù)的關(guān)注頻率(即，其它諧振頻率或其它模式頻率)之間快速滾降。然而，其它傳遞函數(shù)也是受關(guān)注的。

表1：具有帶寬β的第n階巴特沃斯型響應(yīng)的最佳pll參數(shù)。

為了設(shè)計(jì)閉環(huán)傳遞函數(shù)，推導(dǎo)并使用諧波振蕩器在其諧振頻率附近的相域傳遞函數(shù)來(lái)計(jì)算一般的諧振器-pll系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(圖2)。然后，計(jì)算pll參數(shù)(表1)，這些pll參數(shù)將諧振器-pll系統(tǒng)簡(jiǎn)化為具有期望帶寬β和階數(shù)n的巴特沃斯型濾波器。期望階數(shù)和帶寬所需的pll參數(shù)取決于對(duì)應(yīng)的諧振的時(shí)間常數(shù)τ(頻率和品質(zhì)因數(shù)的函數(shù))和期望的測(cè)量帶寬。

該技術(shù)的期望方面是可擴(kuò)展性。模擬pll系統(tǒng)通常不易擴(kuò)展，但是示例性pll可以在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)上以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)(圖3)。因此，可以用與實(shí)現(xiàn)一個(gè)pll的精力近似的精力來(lái)實(shí)現(xiàn)n個(gè)pll，其中n取決于邏輯元件的數(shù)量以及fpga的其它資源。在兩個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)方式中，使用了alteracycloneivfpga和alterastratixivfpga，從而分別得出n＝12和n＝62。更大的fpga可以允許同時(shí)測(cè)量數(shù)百個(gè)諧振器。

可以實(shí)現(xiàn)包括相位誤差檢測(cè)器的示例性pll元件，所述相位誤差檢測(cè)器被實(shí)現(xiàn)為乘法器，該乘法器后面是具有可變的速率變化因子的二階級(jí)聯(lián)積分器-梳狀(cic)低通濾波器。cic濾波器在以數(shù)字邏輯來(lái)表示方面是非常有效的，因此，有助于確保多個(gè)pll能適用于單個(gè)fpga。相對(duì)于輸入信號(hào)大小對(duì)cic輸出進(jìn)行歸一化(以類似于鎖相放大器的方式在板上計(jì)算)，使得cic輸出僅表示相位誤差而不表示輸入信號(hào)的幅度。然后，可以使該相位誤差信號(hào)通過(guò)一組可配置的二階節(jié)(sos)雙二階濾波器，并且然后可以將該相位誤差信號(hào)用于數(shù)控振蕩器(nco)的頻率的比例和積分控制。然后，nco輸出在被傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電子器件之前偏移任意相位?？梢赃x擇該相移以最大化諧振器的振蕩幅度或最小化存在于回路中的噪聲。也可以任意地對(duì)輸出進(jìn)行重新調(diào)整以在所選的幅度下驅(qū)動(dòng)諧振器。

pll參數(shù)(cic濾波器速率、sos濾波器參數(shù)、比例增益，積分增益、相移、驅(qū)動(dòng)幅度)不一定要硬編碼到fpga代碼中，而是也可以由fpga上的cpu(在本文被實(shí)現(xiàn)為來(lái)自altera的niosii處理器)讀取和寫(xiě)入。在該實(shí)施方式中，cpu打開(kāi)用于基于以太網(wǎng)的與pc或其它可以存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)的計(jì)算設(shè)備的通信的套接字(socket)。pc還可以請(qǐng)求fpga上的cpu在運(yùn)行中改變這些控制參數(shù)。

fpga與pc之間的通信可以通過(guò)以太網(wǎng)、經(jīng)由tcp(設(shè)置參數(shù)值)和udp(pc從fpga接收頻率數(shù)據(jù))進(jìn)行。在該示例中，可以在沒(méi)有任何數(shù)據(jù)損失的情況下每秒鐘發(fā)送超過(guò)100,000個(gè)32位頻率值，并且通過(guò)諸如delta編碼的方案對(duì)頻率數(shù)據(jù)的進(jìn)一步壓縮可以增加該帶寬。

因?yàn)閜c可以控制pll參數(shù)，所以可以容易地對(duì)整個(gè)設(shè)置過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化，以便測(cè)量諧振器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、檢測(cè)諧振并且計(jì)算q，然后自動(dòng)設(shè)置pll參數(shù)以獲得用于每個(gè)諧振器的任一個(gè)任意傳遞函數(shù)(例如，期望所有的諧振器特性相同，其中頻率響應(yīng)直到固定帶寬都是平坦的)。

在該示例中，使用14位轉(zhuǎn)換器在100mhz下完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換和數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。示例性系統(tǒng)理論上適用于高達(dá)50mhz的諧振，但是實(shí)際上可能適用于25mhz以下的諧振。僅有的要求是，諧振器信號(hào)可以被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(通過(guò)包括光學(xué)杠桿、壓敏電阻器或電容式傳感器的各種手段中的任何手段)，以及來(lái)自fpga的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以被轉(zhuǎn)換為對(duì)于諧振器的驅(qū)動(dòng)力(通過(guò)包括壓電致動(dòng)、靜電致動(dòng)、熱致動(dòng)、磁致動(dòng)的各種手段中的任何手段)。

用兩種方式測(cè)試了示例性控制系統(tǒng)：第一種方式同時(shí)在多種模式下使用懸浮納米通道諧振器(snr)；第二種方式使用在單個(gè)芯片上的12個(gè)懸浮微米通道諧振器(smr)的陣列。snr是具有集成的流體通道的高品質(zhì)因數(shù)的懸臂，snr以前被用來(lái)測(cè)量納米粒子的重量。不同于通過(guò)吸附來(lái)進(jìn)行操作的質(zhì)量傳感器，snr測(cè)量溶液中的流動(dòng)粒子的重量。每個(gè)粒子產(chǎn)生頻率調(diào)制信號(hào)，所述頻率調(diào)制信號(hào)是snr中的粒子浮質(zhì)量(buoyantmass)和流動(dòng)路徑的函數(shù)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)snr中納米粒子的位置和質(zhì)量不僅需要同時(shí)使多種模式振蕩，而且還需要以寬的帶寬和高精度來(lái)這樣做。

在同時(shí)利用四個(gè)pll進(jìn)行反饋的snr的情況下測(cè)試示例性數(shù)字控制系統(tǒng)。測(cè)量最低的四個(gè)模式頻率以及用于計(jì)算pll系數(shù)(表1)的對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)(圖4)，以得到期望的一階傳遞函數(shù)(圖5)。然后，使100nm和150nm金納米粒子流過(guò)snr，同時(shí)記錄模式振蕩頻率(圖6)。從通過(guò)snr的納米粒子觀察到的信號(hào)與理論上預(yù)測(cè)的信號(hào)非常地匹配，這表明示例性pll陣列提供了高帶寬、低噪聲以及對(duì)每個(gè)模式的諧振頻率的低失真測(cè)量。因?yàn)樗尸F(xiàn)的系統(tǒng)是高度可擴(kuò)展的，所以該同一方法可以應(yīng)用于具有在不同頻率下的多重諧振的任何系統(tǒng)。

示例性控制系統(tǒng)的第二測(cè)試是以不同諧振頻率操作諧振器陣列(圖7)。諧振器被配置成用單個(gè)致動(dòng)器(在此處，是放置在芯片下面的單個(gè)壓電陶瓷)來(lái)使全部諧振器振蕩，并且單個(gè)探測(cè)器(在該實(shí)施方式中，是光電探測(cè)器4)接收所有諧振器的位置的重疊(圖8a)。諧振器的流體通道可以以任何期望的模式(串聯(lián)、并聯(lián)等)配置，但是此處為串聯(lián)連接。在此處所討論的測(cè)試中，12個(gè)懸臂流控地并聯(lián)連接，但是被同時(shí)測(cè)量且并聯(lián)振蕩。因此，圖9示出了全部12個(gè)懸臂的頻率響應(yīng)，在所述全部12個(gè)懸臂中，一系列細(xì)胞和粒子一個(gè)接一個(gè)地相繼流過(guò)每個(gè)懸臂。如圖8b所示，在某些實(shí)施方式中，可以將壓阻式運(yùn)動(dòng)讀出系統(tǒng)用作讀出機(jī)構(gòu)。

在圖8a和圖8b中，來(lái)自所有諧振器的位置信號(hào)被組合成單個(gè)物理(電壓)信號(hào)。在圖8a所示的示例性實(shí)施方式中，使用單個(gè)光源(4)來(lái)同時(shí)照射陣列中的所有諧振器(此處，為并排排列[2])。反射光轉(zhuǎn)向單個(gè)光電探測(cè)器，所述單個(gè)光電探測(cè)器有效地測(cè)量所有諧振器位置信號(hào)的疊加。類似地，在圖8b所示的示例性實(shí)施方式中，多個(gè)諧振器壓敏電阻器初始地串聯(lián)組合(如所示)或并聯(lián)組合，或者以其總電阻大約是所有單獨(dú)諧振器的壓敏電阻器電阻的線性組合的任何布置組合。該組合電阻被用作惠斯通電橋(5)的一個(gè)臂(edge)，并且隨后被放大，從而產(chǎn)生類似于3b中的光信號(hào)的信號(hào)，即，所有諧振器的位置信號(hào)的疊加。fpga上的pll陣列隨后單獨(dú)地對(duì)每個(gè)諧振器的頻率信號(hào)進(jìn)行解調(diào)(因?yàn)檫@些頻率信號(hào)都具有不同頻率)，并且每個(gè)pll在其對(duì)應(yīng)的諧振的諧振頻率下生成正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)。pll輸出在fpga上被全部相加，并且隨后用來(lái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)致動(dòng)器，在該實(shí)施方式中，信號(hào)致動(dòng)器是壓電陶瓷，但是也可以包括靜電激勵(lì)或光學(xué)激勵(lì)方法。

在本文中以及被并入的參考文獻(xiàn)中所述的諧振器可以被設(shè)計(jì)用于測(cè)量可能難以用傳統(tǒng)儀器來(lái)測(cè)量的單獨(dú)粒子或其它對(duì)象。因此，諧振器通常小到足以用微機(jī)電系統(tǒng)(mems)微加工技術(shù)來(lái)制成。適用于本文中描述的實(shí)施方式的機(jī)械諧振器被歸為適用于以可檢測(cè)的目標(biāo)粒子質(zhì)量為目標(biāo)的類型的尺寸類別。示例性類別包括大型、中型以及小型設(shè)備，并且所有這三種類別都可以使用在懸臂陣列中和/或用于多模式操作。

大型(lsmr)：

a.懸臂的橫截面通常約為19×57um，內(nèi)部通道為15×20um。

b.典型長(zhǎng)度為200-500um。

c.可檢測(cè)質(zhì)量為0.1pg左右的量級(jí)，而通常使用這些來(lái)測(cè)量浮質(zhì)量為5-500pg的酵母或哺乳動(dòng)物細(xì)胞。

中型(msmr)：

a.懸臂的橫截面通常約為4x19um，內(nèi)部通道為3x5um。

b.典型長(zhǎng)度為100-400um。

c.可檢測(cè)質(zhì)量為0.2fg左右的量級(jí)，通常用來(lái)檢測(cè)具有0.5fg到500fg的浮質(zhì)量的細(xì)菌。

小型(懸浮納米通道諧振器或snr)：

a.懸臂的橫截面通常約為1x5um，內(nèi)部通道為0.4x1um。

b.典型長(zhǎng)度為20-200um。

c.最小的可檢測(cè)質(zhì)量為5-10ag的量級(jí)。用來(lái)檢測(cè)納米粒子(病毒、dna折紙、蛋白質(zhì)聚集體、脂質(zhì)體等)。

可以看出，尺寸覆蓋了從1微米到1000微米的長(zhǎng)度范圍以及從1微米到100微米的橫截面范圍。用硅和/或其它微加工材料實(shí)現(xiàn)的這些尺寸導(dǎo)致諧振頻率在10千赫到10兆赫的范圍中。微加工技術(shù)的改進(jìn)可以提供在更高的諧振頻率下進(jìn)行操作的甚至更小且更靈敏的測(cè)量，而電子學(xué)方面的改進(jìn)也將允許更快的pll操作。因此，本文公開(kāi)的技術(shù)并非旨在根據(jù)當(dāng)前的性能指標(biāo)進(jìn)行限制，但示例性類別表明，應(yīng)用包括不容易執(zhí)行或在許多情況下使用其它分析技術(shù)不可能進(jìn)行的測(cè)量。

如上所述，本文公開(kāi)的技術(shù)適合于諧振器陣列以及單個(gè)諧振器，而且對(duì)于使用共用激勵(lì)和/或信號(hào)檢測(cè)的某些組合來(lái)操作諧振器陣列的情況是理想的。如圖7所示，陣列中的各個(gè)諧振器可以加工成具有不同長(zhǎng)度或橫截面，從而對(duì)于每個(gè)諧振器產(chǎn)生不同的諧振頻率。圖7示出了在12懸臂陣列中的所有諧振器的總和的傳遞函數(shù)，其中懸臂的長(zhǎng)度范圍為350um到450um。如圖8所示，對(duì)于該布置，方便的是，用如圖所示的共用致動(dòng)器2來(lái)激勵(lì)陣列。并且用共用的探測(cè)器4或5來(lái)觀察諧振器的運(yùn)動(dòng)。在該布置中，激勵(lì)和探測(cè)器信號(hào)可以被反饋給如圖9所示的單個(gè)pll1，每個(gè)pll均具有傳遞函數(shù)，其中中心頻率和通帶被修改成適合陣列中每個(gè)諧振器的諧振頻率。如果諧振頻率的間隔被選擇為足夠?qū)捯赃m應(yīng)由于關(guān)注的質(zhì)量在每個(gè)諧振器中的轉(zhuǎn)移而引起的諧振頻率的變化，則系統(tǒng)就可以確保每個(gè)諧振器總是以其諧振頻率振動(dòng)，即使諧振頻率快速變化也如此(例如，粒子正通過(guò)諧振器上的通道)。

諧振器陣列系統(tǒng)的某些示例可為測(cè)量帶寬的目標(biāo)：以每諧振器100hz-1000hz的量級(jí)，因此間隔為至少2khz的量級(jí)，而如圖7所示，目前的保守設(shè)計(jì)是30khz的量級(jí)。

目標(biāo)諧振器數(shù)量：已對(duì)單個(gè)芯片上具有多達(dá)12個(gè)懸臂的示例性設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，并且已制造出芯片上具有40個(gè)懸臂的設(shè)計(jì)。使用目前的制造和fpga實(shí)現(xiàn)的pll控制，100多個(gè)懸臂是可行的。

使用同時(shí)測(cè)量的來(lái)自多個(gè)諧振器模式的頻率信號(hào)，可以估計(jì)流經(jīng)諧振器的點(diǎn)質(zhì)量的位置。圖10a示出了在單個(gè)150nm金納米粒子流經(jīng)諧振器時(shí)針對(duì)200微米長(zhǎng)的懸浮納米通道諧振器的前四個(gè)彎曲模式的諧振頻率信號(hào)。圖10b展示了使用該頻率信息來(lái)估計(jì)粒子位置的能力(在此處，粒子流至懸臂的頂端，并且然后返回到懸臂的基部)。

圖11a和11展示了在使用多個(gè)模式的情況下，即使有多個(gè)點(diǎn)質(zhì)量同時(shí)加載到諧振器也可以使用多個(gè)模式來(lái)解析該多個(gè)點(diǎn)質(zhì)量。示例a(11a)和示例b(11b)是兩個(gè)單獨(dú)的實(shí)例，其中，兩個(gè)納米粒子幾乎同時(shí)通過(guò)snr納米通道，仍可以精確地估計(jì)兩個(gè)納米粒子的位置和質(zhì)量(在中間的圖片以及底部圖片中示意性地示出)。

圖12展示了pll陣列從排列在單個(gè)芯片上的12個(gè)smr同時(shí)獲取諧振頻率數(shù)據(jù)的能力。頻率信號(hào)在從頻率(hz)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量(pg，1皮克＝10^-12g)之后被示出，以便可直接比較來(lái)自每個(gè)諧振器的頻率信號(hào)。每個(gè)向下的尖峰都是通過(guò)陣列中的smr的單個(gè)細(xì)胞。在此處所使用的陣列中，smr流體上串聯(lián)連接，因此每個(gè)隨后的smr都測(cè)量到與之前的smr幾乎相同的信號(hào)，但是在稍晚的時(shí)間點(diǎn)。

圖13是方法實(shí)施方式的流程圖。步驟1301包括使流體流過(guò)帶有流體通道的至少一個(gè)機(jī)械諧振器；步驟1302包括利用激勵(lì)元件來(lái)驅(qū)動(dòng)諧振器；步驟1303包括感測(cè)諧振器的運(yùn)動(dòng)；步驟1304包括操作在激勵(lì)元件與監(jiān)測(cè)元件之間進(jìn)行反饋的至少一個(gè)鎖相環(huán)(pll)，其中每個(gè)pll都可以被配置成在諧振器的不同諧振彎曲模式下進(jìn)行操作或在接近諧振器的不同諧振彎曲模式的情況下進(jìn)行操作；以及步驟1305包括根據(jù)pll內(nèi)部信號(hào)確定流過(guò)諧振器上的通道的粒子的位置和質(zhì)量，pll內(nèi)部信號(hào)指示由于粒子的質(zhì)量和位置引起的諧振器頻移。

雖然目前所述的示例性實(shí)施方式涉及帶有流體通道的懸浮諧振器，但是所公開(kāi)的技術(shù)可以應(yīng)用于具有合適的驅(qū)動(dòng)元件和運(yùn)動(dòng)感測(cè)元件的任何機(jī)械諧振器。懸浮諧振器，尤其是這樣的諧振器的陣列，可以受益于這些控制技術(shù)。如圖14a所示，懸浮諧振器2可以如已描述的那樣采取具有固定端和自由端的懸臂的形式，或者可以采取懸浮膜諧振器2的形式，其中，懸浮膜諧振器2懸于兩個(gè)附接區(qū)域(圖14a)或更多個(gè)附接區(qū)域(圖14b)。這樣的懸浮諧振器可以帶有如上所述的流體通道，或者可以是固體的和/或具有非流體通道樣品支架、吸附位點(diǎn)、夾子(trap)、或其它運(yùn)載感興趣的物質(zhì)的裝置。包括在合適的諧振器的流體通道中流動(dòng)的粒子、吸附的粒子或其它物質(zhì)的、這些諧振器運(yùn)載的物質(zhì)將影響諧振器的諧振特性。測(cè)量由于運(yùn)載的物質(zhì)的存在而引起的諧振偏移可以提供關(guān)于所運(yùn)載的物質(zhì)的特性的信息。一個(gè)示例是關(guān)于運(yùn)載的物質(zhì)的質(zhì)量和位置信息。其它效果也可影響諧振器的諧振特性。根據(jù)諧振器的配置，諧振器可能對(duì)力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)、溫度變化以及其它效果敏感，其中的任一種均可能引起適當(dāng)配置的諧振器的諧振偏移。本文描述的控制技術(shù)可有益于歸因于導(dǎo)致諧振偏移的效果的諧振器特性的任何測(cè)量。

本文描述的實(shí)施方式是示例性的?？梢詫?duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行修改、重新布置、替代過(guò)程等，并且這些修改、重新布置、替代過(guò)程等仍然包含在本文陳述的教導(dǎo)中。本文所述的步驟、過(guò)程或方法中的一個(gè)或多個(gè)可以由一個(gè)或多個(gè)經(jīng)適當(dāng)編程的處理設(shè)備和/或數(shù)字設(shè)備執(zhí)行。

根據(jù)實(shí)施方式，本文所述的任何實(shí)施方式的某些動(dòng)作、事件或功能可以按不同順序執(zhí)行，可以被添加、合并或完全排除(例如，實(shí)踐實(shí)施方式并不需要描述的所有動(dòng)作或事件)。此外，在某些實(shí)施方式中，可以同時(shí)執(zhí)行動(dòng)作或事件，例如，通過(guò)多線程處理、中斷處理或多個(gè)處理器或處理器核心或者在其它并行架構(gòu)上來(lái)執(zhí)行，而不是按順序執(zhí)行。

結(jié)合本文公開(kāi)的實(shí)施方式來(lái)描述的各種說(shuō)明性邏輯塊、模塊、模擬電子器件以及方法步驟可以被實(shí)現(xiàn)為電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或兩者的結(jié)合。為了清楚地說(shuō)明硬件和軟件的這種互換性，以上已在功能方面概括地描述了各種說(shuō)明性部件、塊、模塊和步驟。將這樣的功能實(shí)現(xiàn)為硬件還是軟件取決于施加到整個(gè)系統(tǒng)上的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束?？梢葬槍?duì)每個(gè)特定應(yīng)用以不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)所述功能，但是這樣的實(shí)現(xiàn)決定不應(yīng)該被解釋為偏離本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。

結(jié)合本文公開(kāi)的實(shí)施方式所描述的各種說(shuō)明性邏輯塊和模塊可以由被設(shè)計(jì)成執(zhí)行本文所述的功能的機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)或執(zhí)行，所述機(jī)器例如為：配置有特定指令的處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)、專用集成電路(asic)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fpga)或其它可編程邏輯設(shè)備、分立門(mén)或晶體管邏輯電路、分立硬件部件或它們的任意組合。處理器可以為微處理器，但是在替選方案中，處理器可以為控制器、微控制器或狀態(tài)機(jī)、它們的組合等。處理器也可以被實(shí)現(xiàn)為計(jì)算設(shè)備的組合，例如，dsp與微處理器的組合、多個(gè)微處理器、與dsp核結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)微處理器或任何其它這樣的配置。例如，分配給被識(shí)別為“pc”的設(shè)備的功能可以使用分立存儲(chǔ)器芯片、微處理器中的存儲(chǔ)器的一部分、閃存、eprom或其它類型的存儲(chǔ)器或計(jì)算設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合本文公開(kāi)的實(shí)施方式所描述的方法、過(guò)程或算法的要素可以直接以硬件、以由處理器執(zhí)行的軟件模塊或以兩者的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件模塊可以存在于ram存儲(chǔ)器、閃速存儲(chǔ)器、rom存儲(chǔ)器、eprom存儲(chǔ)器、eeprom存儲(chǔ)器、寄存器、硬盤(pán)、可移動(dòng)盤(pán)、cd-rom或本領(lǐng)域中已知的任何其它形式的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中。示例性存儲(chǔ)介質(zhì)可以耦接到處理器，使得處理器可以從存儲(chǔ)介質(zhì)讀取信息以及將信息寫(xiě)入到存儲(chǔ)介質(zhì)。在替選方案中，存儲(chǔ)介質(zhì)可以被集成于處理器。處理器和存儲(chǔ)介質(zhì)可以存在于asic中。軟件模塊可以包括使得硬件處理器執(zhí)行計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。

本文使用的條件語(yǔ)言，例如，其中“可以”、“可能”、“可”、“例如”等，除非另外特別聲明，或在所使用的上下文中另有其他理解，通常旨在表達(dá)的是，某些實(shí)施方式包括某些特征、要素和/或狀態(tài)而其它實(shí)施方式不包括某些特征、要素和/或狀態(tài)。因此，這樣的條件語(yǔ)言通常并非旨在表示一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式以任何方式需要特征、要素和/或狀態(tài)，或者并非旨在表示一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式必須包括用于利用或不利用作者的輸入或提示來(lái)確定在任何特定的實(shí)施方式中是包括這些特征、要素和/或狀態(tài)還是要執(zhí)行這些特征、要素和/或狀態(tài)的邏輯。術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”、“具有”、“含有”等是同義的，并且以開(kāi)放式的方式被非排他地使用，并且不排除另外的元素、特征、動(dòng)作、操作等。同樣，例如，以非排他意義來(lái)使用術(shù)語(yǔ)“或”(而不以排他性意義來(lái)使用)，使得當(dāng)使用“或”來(lái)連接一系列元素時(shí)，術(shù)語(yǔ)“或”意味著一系列元素中的一個(gè)、一些或全部。

除非另外明確聲明，否則析取語(yǔ)言(例如，短語(yǔ)“x、y或z中的至少一個(gè)”)在一般情況下結(jié)合所使用的上下文來(lái)理解，以表示項(xiàng)目、術(shù)語(yǔ)等可以是x、可以是y或可以是z，或者是它們的任意組合(例如x、y和/或z)。因此，這樣的析取語(yǔ)言通常并非旨在，而且不應(yīng)該表示某些實(shí)施方式需要至少一個(gè)x、至少一個(gè)y或至少一個(gè)z以使每個(gè)都存在。

術(shù)語(yǔ)“約”或“近似”等是同義的，并且被用來(lái)表明該術(shù)語(yǔ)修飾的值具有與其相關(guān)聯(lián)的理解范圍，其中，該范圍可以為±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。術(shù)語(yǔ)“基本上”用來(lái)表明結(jié)果(例如，測(cè)量值)接近目標(biāo)值，其中，例如接近可以意味著結(jié)果在該值的80％以內(nèi)、該值的90％以內(nèi)、該值的95％以內(nèi)或該值的99％以內(nèi)。

除非另外明確聲明，否則諸如“一個(gè)(“a”和“an”)”的冠詞通常應(yīng)該被解釋為包括一個(gè)或多個(gè)所描述的項(xiàng)目。相應(yīng)地，諸如“被配置成…的設(shè)備”的短語(yǔ)旨在包括一個(gè)或多個(gè)所列舉的設(shè)備。這樣的一個(gè)或多個(gè)所列舉的設(shè)備也可以被集體地配置成執(zhí)行所述的列舉。例如，“被配置成執(zhí)行列舉a、b和c的處理器”可以包括被配置成執(zhí)行列舉a的第一處理器，所述第一處理器與被配置成執(zhí)行列舉b和c的第二處理器一起工作。

雖然以上的詳細(xì)描述已示出、描述和指出了應(yīng)用于說(shuō)明性實(shí)施方式的新穎特征，但應(yīng)理解的是，可以在不偏離本公開(kāi)內(nèi)容的主旨的情況下，對(duì)示出的設(shè)備或算法的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種省略、替換和改變。應(yīng)了解的是，可以以不提供本文陳述的所有特征和益處的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)本文所述的某些實(shí)施方式，因?yàn)槟承┨卣骺梢元?dú)立于其它特征來(lái)使用或?qū)嵺`。落入權(quán)利要求的等同方案的含義和范圍內(nèi)的所有變化都包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。

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