專利名稱：確定諧振壓電傳感器諧振頻率的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種方法和設備用于確定有負載的諧振壓電傳感器的諧振頻率。
背景技術：
基于在厚度切變模式(TSM)中振動的AT切割(AT-cut)的石英晶體壓電諧振傳感器可以作為石英晶體微量天平(QCM)、膜厚監(jiān)控器、流體理化性質傳感器使用，還能用作化學和生物化學傳感器的換能設備。
石英晶體諧振傳感器廣泛應用在化學、醫(yī)學、生物技術、環(huán)境、食品、材料和過程控制領域內。
此類傳感器最初的輸出信號是晶體諧振頻率，因為它直接涉及待測量固需予以精確地確定。
為此目的，通常使用在其中插入晶體作為頻率控制元件的振蕩器電路。但是當傳感器具有較高的聲和/或介電負載，諸如用于接觸液體或粘彈性介質的測量時，該傳感器的諧振頻率和振蕩器電路的輸出頻率會有顯著不同，從而會導致較大的誤差和性能的劣化。
作為限制性的在較高阻尼下情況，振蕩器可能會停止正常工作并且終止持續(xù)振蕩，因此就限制了該傳感器的工作范圍。
這一情況可由已知文獻中BVD(Butterworth-Van Dyke)模型的等效電路的擴展表示，其中有負載的傳感器特性參數(shù)包括了代表與晶體固有電容相關的傳感器電行為的第一電容和由接觸或浸入假定電導率可忽略不計的液體所引起的第二電容。這兩種電容都并聯(lián)在BVD擴展模型內，而且它們合并形成所謂的傳感器并聯(lián)或靜態(tài)電容。
所述并聯(lián)電容(其效應與導致由負載引起的耗散損失增加相集合)是對待測量，即傳感器諧振頻率的確定產(chǎn)生消極效果的參數(shù)，因此必須補償該并聯(lián)電容以改善測量的精確度。
振蕩器電路在所述引入了傳感器并聯(lián)電容補償?shù)奈墨I中是已知的。但是在此已知的振蕩器電路中，補償意味著耗時且易于出錯的手動調節(jié)。此外，該已知的振蕩器電路還不允許測量補償電容的值，相反所述補償電容的值在一些應用中具有十分重要的意義。
發(fā)明人自己已經(jīng)實現(xiàn)了傳感器并聯(lián)電容補償?shù)难芯繉嵗＠缈梢詤⒖?，“Oscillator Circuit configuration for Quartz-Crystal-Resonator Sensors Subject toHeavy Acoustic Load，Electronics Letters，36，7(2000)；“Improving the Accuracy andOperating Range of Quartz Microbalance Sensors by a purposely Designed OscillatorCircuit”-IEEE TRANS.ON INSTR.AND MEASUR.，Vol.50，no.5，October 2001；以及“Accuracy and Range Limitations in Oscillator-Driven QCM Sensors”-proceedingof 7th National Conference on Sensors and Microsystems，Bologna，4-6 February 2002。
在這些研究中，建議振蕩器電路包括一個作為負電容工作用來與所述傳感器并聯(lián)電容相加的部分，從而去除會阻止傳感器頻率精確測量的負面影響。
這種方法雖然提供了令人滿意的結果，但是也帶來了一些限制。實際上，在上述參考的某些研究中所采用的用來模擬負電容的特定結構在某些情況下會變得不穩(wěn)定；此外，上述參考研究的電路中所述的傳感器連一個接地端都沒有，但在一些電化學和生物的應用中是期望具有接地端的。
A.Arnau(“Circuit for continuous motional series resonant frequency and motionalresistance monitoring of quartz crystal resonators by parallel capacitance compensation”REV.OF SCIENT.INSTR.-Vol.73，no.7-July 2002)等人已經(jīng)建議了并聯(lián)電容補償?shù)牟煌椒?，然而介紹的一種電路需要用無干擾傳感器執(zhí)行多次長度校準操作。也提到了能夠使系統(tǒng)校準步驟自動進行及并聯(lián)電容補償?shù)慕鉀Q方案，但這又會增加電路的復雜程度與成本。
總之迄今為止建議的振蕩器結構都不能確定補償電容的瞬時值，而該值是一個附加的但又非常重要的參數(shù)。
作為振蕩器電路使用的可選替代物，傳感器的阻抗頻譜能夠由阻抗分析儀測量。但是它們造價昂貴、需要專門人員操作，并且還僅限于在實驗室使用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是提供一種方法和設備，它們具有由振蕩器提供的許多優(yōu)點，包括更緊湊、方便非專業(yè)人員使用、低成本，同時還能克服已有系統(tǒng)的限制。
在該任務的范圍內，本發(fā)明的一個目的是提供一種方法，該方法允許極高精度地確定帶有聲和/或介電負載的諧振傳感器的諧振頻率值。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種上述援引類型的方法，該方法即使在諧振傳感器具有高阻尼的情況下還能夠進行極為精確的測量。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種上述援引類型的方法，該方法能夠對諧振傳感器的傳感器并聯(lián)電容自動地作出補償。
本發(fā)明的再一個目的是揭示一種設備，該設備成本低廉、易于實現(xiàn)并且能夠以全自動的方式使用以確定具有聲-機械和介電負載的諧振傳感器的諧振頻率值。
這些目的都可由本發(fā)明實現(xiàn)，本發(fā)明如權利要求1所述涉及了確定有負載的諧振傳感器的諧振頻率值的方法。
為了獲取高測量精度，所提出的用于補償傳感器電容的技術介紹了全自動的、不需要用戶進行任何調節(jié)的基本原則上的創(chuàng)新。此技術是基于傳感器在兩個不同頻率上同時且獨立的激勵，并且基于兩個使用分離的反饋回路。一個第一頻率最好是所述傳感器的串聯(lián)諧振頻率，而第二頻率最好低于所述傳感器串聯(lián)諧振頻率。
本發(fā)明還如權利要求11所述，涉及可用于確定有負載的諧振傳感器的諧振頻率的設備。
根據(jù)本發(fā)明所述的設備的振蕩器電路提出和實現(xiàn)了一項技術用來獲取傳感器并聯(lián)電容有效的和自動的補償，并且用來保持電路的振蕩頻率恒等于傳感器阻抗相位為零時的頻率。
在抵消并聯(lián)電容的條件下，此頻率可以不考慮阻尼程度而精確響應傳感器諧振頻率。此外，該電路自動跟隨上述頻率，從而提供了一種精確可靠的傳感器響應測量方法。
更低頻率處的激勵和第一反饋回路僅能探測由并聯(lián)電容引起的傳感器響應。通過對該響應的合適處理，可以執(zhí)行并聯(lián)電容的自動抵銷。在此條件下，是鎖相環(huán)(PLL)的第二反饋回路允許保持此更高頻率恒鎖于傳感器諧振頻率。
除了傳感器諧振頻率和阻尼的瞬時值之外，電路還較佳地提供與補償電容值相關的輸出參數(shù)。
由于根據(jù)本發(fā)明的方法和設備的特性，在測量實驗過程中也能夠持續(xù)地測量變化情況中并聯(lián)電容的演變。這一點在某些特定的應用中十分重要。


本發(fā)明進一步的特征和優(yōu)點在經(jīng)過隨后示意性而非限制性的描述并參考附圖后會變得更加明晰，附圖包括-圖1是代表有聲-機械和介電負載的石英晶體諧振傳感器的等效電路的詳細電路圖；-圖2是與圖1等效電路相同的簡化電路圖；以及-圖3是根據(jù)本發(fā)明可能實施例的設備的電框圖。
具體實施例方式
同時具有聲-機械和介電負載的石英晶體諧振傳感器在它的基本諧振頻率附近可由圖1中的等效電路(BVD擴展模型)表示。
在電路中，組件L1、C1和R1組成了模型的機械的(即動態(tài)的)分支并且分別代表了無負載傳感器的等效質量、彈性順度和機械損失。電容器CO代表了與晶體電容相關的傳感器介電行為。
聲-機械負載是由等效阻抗ZLeq代表，而CP是由于接觸或浸入假定電導率可忽略不計的液體所產(chǎn)生的附加電容。
更具體來說，ZLeq在簡單質量累積的情況下可以是純電感性的，或者當合適阻尼出現(xiàn)時，諸如在傳感器上具有濃稠粘性液體或放置有粘彈性膜的情況下ZLeq可以是復數(shù)形式的。
因為最初感興趣的值是串聯(lián)諧振頻率fs，是因為它直接涉及負載并且不受與傳感器并聯(lián)的雜散電容的影響，該fs由以下公式給出fs=12πLTCT...(1)]]>其中LT和CT產(chǎn)生自圖2中示出的等效電路的簡單電路圖，分別代表包括在傳感器等效電路的動態(tài)分支中所有負載的總電感和總電容。
在此圖中，并聯(lián)或靜態(tài)電容由電容器C0*表示，它的值由圖1中示出的電容CP和CO之和給出，即C0*＝CO+CP。
根據(jù)所用特定的傳感器厚度，fs的典型值在5-30MHz量級內。
為了確定在頻率fs處由總電阻RT引起的耗散損失量，測量阻尼程度或等效地表示為品質因數(shù)Q也會是有效的，Q值由以下公式給出Q=2πfsLTRT=12πfsCTRT...(2)]]>根據(jù)本發(fā)明的一個可能實施例的設備框圖在圖3中示出。
由包括負載的等效電路(圖2)表示的傳感器，包含在虛線框S內。
稱為CC的方框表示由電壓VC控制其值的可變電容。為了實現(xiàn)此可變電容，如可使用串聯(lián)到具有壓控增益的電壓放大器的輸出的固定電容。作為可選也可使用其他電路方案，包括例如變容二極管(可變電容二極管)或者任何能夠提供壓控可變電容的設備和結構。
電壓波形VHL是由振蕩器OSC生成的具有預置頻率fL的正弦信號VL與壓控振蕩器VCO生成的具有預置頻率fH的正弦信號VH的和。
把信號VH的頻率fH作為整個振蕩器電路的輸出頻率fOUT，并且以下將示出保持它恒等于傳感器串聯(lián)諧振頻率fs。fL頻率最好低于fH。例如，在用10MHz諧振傳感器(fH＝10MHz)執(zhí)行的實驗性測試中，fL頻率被置為50KHz。fL也可使用其他的值，只要這些值恰好小于頻率fH以使這兩個頻率間的區(qū)別有效，從而使得隨后的考慮有效。
假設避免使用往往是復雜和昂貴的專選濾波器，fL的上限可被合理的設為低于傳感器諧振頻率兩個數(shù)量級。
至于涉及到推薦方法的基本規(guī)則，可也選擇fL頻率的值恰好大于傳感器諧振頻率。但是該選擇涉及需要在甚高頻(幾十或幾百兆赫的數(shù)量級)處運行的部分電路從而引起實際操作中的問題，因為這樣會輪流引入在已采用的選擇中可以避免的臨界情況。
在頻率域內，差分電壓(V2-V1)通過如下的表達式與電壓VHL相關V2-V1=VHLZ4α[YT+jωC0*-jωCCα]...(3)]]>其中
CCα＝[1/α-1]CCZ4=R41+jωR4C4]]>α=R3R2+R3]]>YT=[jωLT+RT+1jωCT]-1]]>恰當選擇R4和C4的值使得阻抗Z4在低頻fL處主要由R4決定，在高頻fH處主要由C4決定。
當在低頻fL或高頻fH處考慮表達式(3)時，該表達式簡化成兩個不同的表達式。
在頻率fL處，傳感器遠離諧振并且它的等效電路簡化為并聯(lián)電容C0*。因此表達式(3)變?yōu)閂2-V1=jωVLR4α(C0*-CCα)...(4)]]>表達式(4)示出了通過調整電容CC的補償，通過探測差分電壓(V2-V1)為零的情況能夠達到用電容CCα抵消C0*的條件。
這些都是由使用模塊PB、AD2、SF、M2、I2和CC的電路部分以自動并且連續(xù)的方式執(zhí)行以實現(xiàn)保持鎖定在條件(V2-V1)＝0處的反饋回路。
實際上低通濾波器PB從信號(V2-V1)中提取了相應于表達式(4)位于低頻fL處的成分。該信號(V2-V1)的成分經(jīng)由差分放大器AD2放大。90°移相器SF和模擬乘法器M2執(zhí)行該位于頻率fL處(V2-V1)成分的同步探測，并且將與VL在相位上相差1/4周期(90°)的分量轉換為DC電壓。
積分器I2迫使模擬乘法器M2的輸出為零，這就讓回路內的靜態(tài)誤差恒定指零。積分器I2的DC輸出電壓VC調整可變電容CC。
這樣傳感器并聯(lián)電容C0*由電容CCα自動且恒定地補償。DC電壓VC作為附加輸出用來提供被補償并聯(lián)電容C0*的瞬時值。
在頻率fH處，由于上述電容C0*的自動補償方法，表達式(3)變?yōu)閂2-V1=αVHjωC4[jωLT+RT+1jωCT]-1...(5)]]>乘法器M1、積分器I1和壓控振蕩器VCO-并形成鎖相環(huán)(PLL)反饋系統(tǒng)。
實際上，乘法器M1把該在頻率fH處與VH在相位上相差1/4周期(90°)的差分電壓(V2-V1)的分量轉換為由積分器I1恒迫至零的DC電壓。
為了產(chǎn)生這種條件，振蕩器VCO的輸出頻率fh需要保持在傳感器電導YT為實數(shù)的頻率上。該頻率與串聯(lián)諧振頻率fS相等。
因此，輸出頻率fOUT，即fH在不考慮負載的條件下恒等于fS。
高通濾波器PA、差分放大器AD1和峰值整流器RP形成了專用于測量諧振時傳感器耗散的電路部分。
實際上通過上述的兩個反饋環(huán)，高通濾波器PA從信號(V2-V1)中提取位于更高頻率fH處的分量，該分量保持為恒等于諧振頻率。這樣，該信號(V2-V1)分量的幅度與1/RT項成正比，或者等效地如方程式(2)所表達與傳感器的品質因數(shù)Q成正比。峰值整流器RP隨后提供與1/RT成正比的DC電壓作為整個電路另外的附加輸出。
實驗結果包括基于圖3電路圖的振蕩器的設備樣品由那些具有合適特性的組件中選出的商業(yè)可用組件裝配完成。在樣品中，如上所述使用可變電容，即使用串聯(lián)至具有壓控增益的電壓放大器輸出的固定電容。
作為壓電諧振傳感器，可使用10MHz AT-切割TSM石英晶體。信號VL的頻率置于50KHz。
把該傳感器浸入確定不同的負載條件的四種液體即丙酮、三氯化烯、乙醇和乙二醇。
作為初始步驟，使用阻抗分析器測量大致等于10MHz的傳感器確切無負載串聯(lián)振蕩頻率fS和在四種負載條件下相應頻率值之間的差值，而這些所獲結果被認為是參考值(Hz為單位的Δfs參考)因此，在傳感器連接的合適振蕩器電路禁用其并聯(lián)電容補償部分的情況下執(zhí)行第二次測試，并且在不同的負載條件下測量振蕩器輸出頻率以確定對參考無負載條件的頻率漂移值Δfs，同時在第三次測試中啟用并聯(lián)電容補償部分并在不同的負載條件下測量振蕩器輸出頻率，并且確定對無負載條件的頻率漂移值Δfs進行補償。在下表1中報告測試結果。
表1

除了建議的振蕩器電路在第二次和第三次測試中出現(xiàn)的百分誤差之外，表1也在最后兩行里給出了電壓VC的值和相應的補償電容CC的值。
下表2給出了在電路中測量的補償電容CC和控制電壓VC間的相應的值。
表2

表1中示出的實驗結果證明了根據(jù)本發(fā)明的具有啟用的自動電容補償系統(tǒng)的設備比未補償情況下改善了超過一個數(shù)量級的精確度。此外即使在負載了乙二醇的情況下振蕩器仍具有高度精準的計量性能，要知道作為液體的乙二醇具有很高的介電常數(shù)和感應阻尼故會在沒有電容補償?shù)那闆r下阻止電路的持續(xù)振蕩。
此外，表1最后兩行中的數(shù)據(jù)示出了使用電壓VC和相關補償電容CC的振蕩器能夠確定被補償?shù)牟⒙?lián)電容C0*值。該值可以按期望隨著液體介電常數(shù)的增大而增加。本發(fā)明的基本原理不限于在此作為實例描述的石英傳感器，但它們通常也可在壓電諧振傳感器中得以應用。
權利要求
1.一種確定帶有聲-機械和/或介電負載的諧振傳感器的諧振頻率值的方法，其中所述傳感器由具有第一頻率的至少第一電信號激勵，其特征在于，該傳感器恒定地和同時地由具有不同于并且獨立于所述第一頻率的第二頻率的至少第二電信號激勵從而以自動且持續(xù)的方式補償該傳感器的并聯(lián)電容。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述傳感器的第一電激勵信號的第一頻率被恒定地保持于一值，以使所述傳感器的阻抗相位為零。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二頻率處的第二電信號用于即時確定僅由所述傳感器的并聯(lián)電容引起的響應。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一頻率是傳感器的串聯(lián)諧振頻率。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二頻率低于傳感器的串聯(lián)諧振頻率。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，提供表示所述補償并聯(lián)電容的值的至少一個電學量的即時檢測。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，提供表示所述傳感器的品質因數(shù)Q的值的至少一個電學量的即時檢測。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述諧振傳感器是壓電傳感器。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述諧振傳感器是壓電石英傳感器。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述諧振傳感器是在厚度切變模式(TSM)中振動的壓電AT-切割(AT-cut)石英晶體傳感器。
11.一種確定具有聲-機械和/或介電負載的諧振傳感器的諧振頻率值的設備，包括具有至少一個第一反饋部分以使用具有第一頻率的至少一個第一電信號激勵所述傳感器的至少一個振蕩器電路，其特征在于，包括至少一個第二反饋部分以使用不同于并且獨立于所述第一頻率的第二頻率的至少一個第二電信號恒定地并且同時地激勵所述傳感器從而以自動且持續(xù)的方式補償該傳感器的并聯(lián)電容。
12.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述諧振傳感器是所述振蕩器電路的頻率的頻控元件。
13.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述第一頻率是傳感器的串聯(lián)諧振頻率。
14.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述第二頻率低于傳感器的串聯(lián)諧振頻率。
15.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述第一反饋部分包括形成鎖相環(huán)回路的第一反饋回路以跟隨所述傳感器的串聯(lián)諧振頻率。
16.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述第二反饋部分包括執(zhí)行所述傳感器的并聯(lián)電容自動補償?shù)牡诙答伝芈贰?br> 17.如權利要求15和16所述的設備，其特征在于，所述第一反饋回路耦合至所述第二反饋回路。
18.如權利要求11所述的設備，其特征在于，包括了至少一個部分，它包含壓控可變電容。
19.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述諧振傳感器的至少一個端子接地。
20.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述諧振傳感器是壓電傳感器。
21.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述振傳感器是壓電石英傳感器。
22.如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述諧振傳感器是在厚度切變模式(TSM)中振動的壓的AT-切割(AT-cut)石英晶體傳感器。
全文摘要
揭示一種方法和設備以確定有聲機械和/或介電負載的諧振傳感器的諧振頻率。在兩個不同頻率上同時并持續(xù)的激勵該傳感器，其中第一個頻率是串聯(lián)諧振頻率，而引入第二個頻率用來以自動和持續(xù)的方式探測和補償該傳感器并聯(lián)電容。
文檔編號G01N27/00GK1813186SQ200480011022
公開日2006年8月2日 申請日期2004年3月16日 優(yōu)先權日2003年3月18日
發(fā)明者V·費拉里, D·馬里奧利, A·塔龍尼 申請人:技術生物芯片股份有限公司