[發明專利]測量阻抗的方法和設備

在審

• 申請號: 200910166921.4
• 申請日: 2009-07-01
• 公開（公告）號: CN101685116A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發明（設計）人: A·蘭塔拉
• 申請（專利權）人: 芬蘭技術研究中心
• 主分類號: G01R27/02
• 分類號: G01R27/02;G01N5/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張雪梅;徐予紅

技術領域

本發明涉及作為頻率的函數的部件阻抗變化的測量。例如在讀取其阻抗由所感測的量(如質量)改變的傳感器時，就需要這類測量。

背景技術

測量作為頻率的函數的阻抗通常用于獲取關于各個電部件的操作的數據。此類部件的一個例子是基于體聲波(BAW)技術的薄膜體聲波諧振器(FBAR)設備。例如在CMOS電路上，FBAR易于被實現為單片結構。使用FBAR技術可以實現高的諧振頻率和品質因子。因為當有物體定位于傳感器的質量加載區域時諧振器的阻抗就會發生變化，所以FBAR設備可以用作例如敏感質量傳感器。如果在FBAR的質量加載區域上沉積(生物)活性層，就可以實現測量物質的選擇性以及實現選擇性(生物)傳感器。

傳統上，使用實驗室級的設備測量FBAR傳感器以及此類器件的阻抗，所述實驗室級的設備諸如阻抗分析儀或電路分析儀，這些設備使用非常確定的頻率激發來測量部件的阻抗。

測量諧振器類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。在質量傳感器的情況中，此類耦合的目的在于作為部件質量變化的函數確定振蕩器的串聯或并聯諧振頻率。然而，實際中通常難以或不可能實現可運行且精確的振蕩器耦合，特別是作為集成結構，即芯片上結構。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或品質因子(Q因子)。特定的問題與測量液體形式的樣品有關，因為諧振器上存在液體會顯著地降低諧振器的品質因子。

-一些部件(如FBAR傳感器)通常具有幾個并聯諧振頻率。

-諧振器可能具有比較大的制造公差，導致它們的串聯/并聯諧振頻率變化。

-大的寄生和并聯電容導致作為頻率函數的阻抗變化相對較小。而且，實際上相位從不偏移180度。

以上缺點尤其適用于設計為用作質量傳感器的FBAR傳感器，但是也適用于其它類型的部件。結果，實際上只有在有高Q品質因子諧振器并且不存在或消除了并聯諧振的非常有限的情況下，用于阻抗測量的振蕩器耦合才能被利用。而且，必須采用具有低動態范圍的非常特別的設計。

WO2007/030462公開了一種用于電感性負載的詢問(interrogation)電路，包括壓控振蕩器，柵陷式振蕩器和鎖相環。當由柵陷式振蕩器用信號通知時，鎖相環停止跟隨詢問信號并保持產生鎖定信號。鎖定信號被傳遞到頻率計數器。因此，通過這樣的電路，只能在點頻率處進行測量。而且，這種方案所需的電路相對復雜，并不像單個單片結構一樣適用于其中集成有詢問電路的傳感器設備。該電路也比較昂貴且因此不適合與一次性傳感器設備結合使用。

發明內容

本發明的目的在于要實現一種新穎的阻抗測量方法，該方法是精確的，且可以使用更簡單且因此更小的電子器件來實現。本發明的目的還在于實現對應的測量系統和新穎的傳感器設備。

根據獨立權利要求所述的方法來實現本發明的目的。在根據本發明的方法中，通過以下操作確定可變阻抗部件的阻抗：

-在調諧范圍內調諧可調振蕩器，該可調振蕩器具有作為其負載耦合的該可變阻抗部件，

-測量作為所述調諧的函數的該可調振蕩器的頻率響應。

可變阻抗部件的阻抗可以通過分析所測量的頻率響應而確定。

調諧和測量的步驟通常在可變阻抗部件的不同負載狀態下執行至少兩次(例如，質量傳感器不加載和加載了質量)，并且分析步驟包括確定在至少一個調諧點中的相應諧振頻率的差。這允許精確地確定負載的影響。

測量系統包括

-可調振蕩器，

-作為該可調振蕩器的負載耦合的可變阻抗部件，

-用于調諧該可調振蕩器的裝置，以及

-用于確定作為所述調諧的函數的該可調振蕩器的頻率響應的裝置。

根據一個實施例，可變阻抗部件是呈現出至少兩個并聯諧振峰的諧振器。采用常規方法測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載，只要在覆蓋這些峰的范圍內調諧振蕩器，就可以精確地確定阻抗。下文將進一步描述此方法。

在特別有利的實施例中，使用直接連接到振蕩器的頻率計數器或類似設備來確定振蕩器的頻率響應。也就是說，在系統中沒有其它的振蕩器或鎖相電路，這樣節省了空間和成本，但是提供了振蕩器負載變化的精確檢測。

本發明的特別優點在于它不僅適用于測量某些類型的諧振器，實際上還適用于在給定條件下呈現出阻抗變化的任何類型的部件。