CN102713589B - 双稳态振荡器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，其特征在于，提供了一个双稳态振荡电路，用于探测施加到一个表面的负荷。该双稳态振荡器包括一个电气放大器、至少一个谐振器，该谐振器由一个具有一定共振频率的传感器组成、谐振器的形成待探测负荷的作用面的一个表面，及一个具有一定共振频率的阻抗网络。该谐振器置于一个待测环境中，并且谐振器和阻抗网络与电气放大器并联连接，因此，当一个施加在所述表面的负荷超过某一预定的阈值时，所述振荡电路以阻抗网络的共振频率振荡，并且当一个施加在所述表面的负荷低于所述阈值时，所述振荡电路以谐振器的共振频率振荡，电路振荡频率的转换表示负荷穿越预定阈值。
Description
技术领域
本发明涉及一个可用于探测向传感器表面施加负荷的任何事件的双稳态振荡电路，特别是，但并不完全是，用于探测一种生物、化学或生物化学事件的双稳态振荡电路。
背景技术
声传感器在生物传感器领域的应用已经众所周知，并且它们已经成功地用于探测各种生物和化学交互和现象的探测电路。声传感器通常用在钟表、计算机和电视等电子装置中的石英晶体谐振器上。它们在生物感测技术中得以应用的原因是吸附在谐振器表面的质量与晶体的谐振频率成一个线性关系。此外，随后的研究表明，浸没谐振器的液体的黏度和密度变化与谐振频率之间存在着明确的关系。
这种晶体谐振器通常用于一个将交流电信号施加给谐振器的振荡电路。通过施加正反馈信号，可使谐振器以谐振频率振荡。作为生物传感器使用时，通常情况下，谐振器的部分表面会涂有一种材料，可将其与目标生物分子或生物细胞粘结在一起。当这种感受器与目标（“配合基”）化合物接触时，配合基粘结在载体上，引起传感器（谐振器）的质量变化和/或谐振器局部微环境中的黏度或密度变化。任何这些变化都会使谐振器的谐振频率发生相应变化。这种变化将反过来引起电路振荡频率的变化，而这种振荡频率可通过外部电路或其它频率探测装置进行测量。这种石英晶体和与其相配的振荡电路结合应用，达到晶体的谐振频率时输出一个电信号的方法被称为石英晶体微平衡法 （QCM）。
然而，与某个特殊事件（例如谐振器表面的材料吸收）相关的谐振频率变化会相对较小。例如，在传统的生物感测应用中，表面吸收的材料数量相对较少，因而谐振频率的任何相应变化也将较小。因此，相关的探测电路必须具有很高的灵敏度。频率探测技术中通常会用到一个与振荡电路输出相连接的频率计数电路。
或者，可以利用一个网络分析器来分析测试环境中谐振器的频率响应。另一种方法是利用一个脉冲激励电路来确定某个事件引起的谐振器电路脉冲响应变化。文献 “压电传感器”（Springer Verlag、Eds. Steinem C. Janshoff A. Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors，Vol. 5，2007，XII，483 p. 200 illus. ISBN: 978-3-540-36567-9）对这些技术进行了更加详细的阐述。然而，上述所有技术所要求的电路和设备都比较昂贵、体积庞大而复杂。
这种生物传感器的一个理想应用便是为家庭或其它场所的个人测试提供一个手持式或便携式阅读器。测试应用包括妊娠测试、血液凝固测试或确定血样中的血球密度。已知的技术本身并不适合此类应用，因为所要求的探测电路庞大而复杂。
因此，最好有一种改进的传感器（振荡器）电路，结构简单而紧凑，而又能够有效探测生物或化学相关事件。
发明内容
本发明提供一种双稳态振荡电路来探测施加在表面的负荷，包括：一个电气放大器；至少一个谐振器，其中包括一个具有谐振频率的电传感器，谐振器的一个表面，构成负荷探测表面；一个具有一定谐振频率的阻抗网络；谐振器置于某个待测环境下，和阻抗网络与电气放大器并联连接，这样，当施加在所述表面的负荷超过了某一预定阈值时，振荡电路以阻抗网络的谐振频率进行振荡，而当施加在所述表面的负荷小于该阈值时，振荡电路以谐振器的谐振频率振荡，电路振荡频率的转换反映负荷正跨越预定阈值。
这样，该双稳态振荡电路可以探测出向谐振器表面施加一个负荷时谐振器所处环境的变化。当施加在表面的负荷超过某一阈值时，电路的振荡频率从谐振器的谐振频率转换为阻抗网络的谐振频率。由于配置电路时可使谐振频率间的差异很大，所以该电路不需要庞大或复杂的频率探测系统来探测频率变化。 在一个最佳实施例中，一个偏载与谐振器连接，以设定电路的转换点。这样，通过谨慎选择偏载的阻抗值，可对该电路进行调整，使其探测范围很广。在深入的实施例中，该电路可包含多个谐振器或偏载，偏载能够自由切入/切出该电路（最好按预定的顺序），以探测不同的事件或特定类型事件的不同变化量。
由于电路已事先根据某一目标探测事件进行设置，因此，与用于确定多种载荷条件下某个传感器“谐振频率状态”的装置相比，用于询问电路状态的仪器则较为简单。相应地，某一“手持式阅读器”仪器中可利用上述电路，通过监测传感器的响应来确定某些应用信息，例如上述应用中的信息。这种系统具备有效的二元（开或关）响应，说明该系统已经满足了一个预定条件。
本发明的另一用途是利用一个可将谐振器引入待监测环境的双稳态振荡电路，提供一种探测施加在表面的负荷的方法；谐振器引入该环境后，探测振荡电路的振荡频率；并且如果振荡电路的振荡频率与阻抗网络的谐振频率完全相同，则可确认预定负荷已经被施加在该表面，如果振荡频率与谐振器的谐振频率完全相同，则可确认预定负荷尚未被施加在该表面。
附图说明
参考以下附图，现在将对本发明的一些实施例进行说明并将其与已知技术进行比较。
图1表示用于感测微平衡的一种典型石英晶体传感器；
图1b表示石英晶体谐振器的一个等效电路；
图2表示在本发明第一个实施例中的一个振荡电路；
图3表示，当传感器被加载并转换到阻抗网络的谐振频率时，振荡电路频率随时间变化的关系曲线；
图4a表示一个替代振荡电路，其偏置电阻与晶体谐振器串联连接；
图4b表示压电晶体与图4a中的偏置电阻串联连接时的一个等效电路图；
图5表示一个替代振荡电路的框图，包括多个配有相应开关的晶体谐振器，这些开关用于选择电路中充当传感器的谐振器；
图6表示一个替代振荡电路的框图，包括多个与同一多路分配器耦合的晶体，晶体通过多路分配器交替切入和切出电路；
图7表示一个替代振荡电路的框图，包括多个与同一多路分配器耦合的晶体，晶体通过多路分配器交替切入和切出电路。
详细说明
图1a给出了石英晶体微平衡法（QCM）中使用的某典型石英传感器。该晶体是利用人工合成的晶体加工的石英薄片，但也可以采用其它压电材料，例如电气石、酒石酸氢化由乙二胺、ADP、KDP和罗谢尔盐。石英的优点是不会起化学反应、不溶于水以及对温度相对不敏感。石英晶体10是一个典型的环形“AT-切割”，金属电极11a和11b处于对立面。该电极是典型的金、银或钛薄膜（200nm），可能带有一层底层，以提高附着性。 引线12与电极相连，充当晶体的机械支撑，并且与传感器10的基体13和引出线12一定程度上隔离。该晶体的直径通常为1厘米。A区的一个AT-切割石英晶体在空气中以基频F振动，当该晶体质量变化量为△M时，其谐振频率F 的变化量△F大约为：△F = -2.3 x 106 F2 △ M/A 。
在QCM法中，该晶体最常用于测量或探测传感器表面质量变化，但也可用于探测液体黏度和/或密度的变化，因为当晶体在液体中振动时，所有这些因素都会对晶体的谐振频率产生影响。当向传感器表面施加一个物理负荷时，晶体谐振频率的变化可以视为图1b所示的一个等效电路。
图1b表示与晶体相应的一个等效电路。C0 是晶体的等效串联电容，L1、R1 和C1 分别是等效干电感、电阻和电容。等效电路组件L2 和R2 是一个可变电感和电阻，与材料粘结到晶体表面时所引起的阻抗变化或当谐振器所处的环境变化（如黏度和/或密度）相一致。这样，环境和/或粘结在表面的材料发生变化，会向表面施加一个物理负荷，引起谐振器的电气特性发生变化。
当浸没在一种液体中时，一个石英晶体的谐振频率的变化量△F可通过下式计算：
△F = -F0 3/2 （ηLρL/π μQ ρQ）1/2
式中：
△F = 频率变化量
F0 = 谐振频率
ηLρL = 液体的绝对密度和黏度
μQ ρQ = 石英的弹性模量和密度
通常，电极11a 和11b中的一个或两个电极会涂覆一种材料，能够与目标生物分子或细胞粘结。当这种感受器接触目标（“配合基”）复合物时，配合基粘合在载体上，引起传感器（谐振器）的△M变化和/或传感器局部微环境中的黏度或密度变化，从而导致晶体谐振频率发生一个可以探测的转变。
图2所示电路图表示一个包含图1所示晶体的振荡电路，构成一个双稳态振荡电路。
如图所示，该双稳态振荡电路包括一个压电式石英晶体Xtal，在电路中充当谐振器。在本实施例中，晶体202a与一个补偿电感Lc （202b）并联，补偿电感的主要作用是对晶体202a中固有的寄生电容引起的相移进行补偿。Xtal和Lc 并联组合形成一个谐振器晶体网络202，与第一个“缓冲”放大器203连接，203又与第二个自动增益控制（AGC）放大器204连接。AGC放大器204带有一个相应的反馈阻抗网络201，后者由一个以串联方式连接的电感器201a和一个电容器201b组成，它们与放大器204跨接。为了简单起见，省略了放大器的电源。
AGC放大器204的作用是，根据接收到的信号振幅自动调节增益量，使晶体202a提供的振荡振幅保持恒定。第一个放大器203的作用仅是在谐振器网络202的输出阻抗和AGC放大器204的输入阻抗以及相应的反馈阻抗网络之间充当一个缓冲器。缓冲放大器203可防止谐振器网络202向AGC放大器204及其相应的阻抗网络201施加负荷，从而使该电路中以串联方式连接的两部分不会受到不良负载效应的影响。
选择阻抗网络 201的阻抗值，以便当晶体处于目标环境（例如某种液体）时，有效过滤晶体谐振器的一个谐振频率附近的信号，从而使其一直以晶体的某一理想谐振频率进行振荡。特别是，阻抗网络 201旨在确保振荡器200的带宽足够宽，以适应振荡电路配置用以探测的特殊类型事件所引起的谐振频率变化，从而对目标环境的生物或其它交互进行测量。然而，正如在阻抗网络 201中将要详细说明的那样，由于具有一个 相关谐振频率，因此该电路具有意想不到的双稳态特性。我们不难理解，虽然所显示的阻抗网络201是由一个电感器201a和一个电容器201b串接组合，但是也可采用由电抗元件和电阻元件组成的其它组合和配置，以获得一个理想的频率响应。
进一步而言，在上述实施例中，所示放大器204是一个AGC放大器，但是，第一个放大器203可以等效于一个AGC放大器，而第二个放大器204是一个非AGC放大器。这将产生与图2所示和上述配置完全相同的结果。
参考图3，这里将对图2所示振荡电路的工作原理进行说明。图3表示图2中的振荡电路在某个绑定事件中，其测得的频率随时间的变化曲线，电路元件的电气参数如下：Lc = 180 nH，L = 180 nH，C = 150 pF，晶体202a的谐振频率为16.5MHz。X轴表示时间，单位为秒，Y轴表示谐振频率的变化值△F。主图表示当粒珠（在本例中为顺磁性颗粒）开始粘结在晶体谐振器的表面时，控制和测量通道301和302的详细变化。插图303显示相同的数据，但是Y轴的比例缩小，以便更加清晰地显示电路的实质频率特性。
当传感器被引入待测样品约800秒钟后，粒珠开始在传感器表面粘结。因此，当传感器被引入到某个待测液体中时，从800秒到1400秒期间为初始阶段，在此阶段传感器的谐振频率缓慢降低到一个湿平衡状态。从1400秒到1800秒期间，粒珠被吸附在传感器表面并且其电阻增大，振荡频率增长相对缓慢。但是，在大约1800秒时，振荡器频率突然发生变化。
这可以通过图2的振荡电路的特性进行解释。首先，考虑晶体从电路中断开时的状态。在此状态下，有一个无穷大的负荷与传感器的路径跨接。振荡器仍将振荡，但频率明显变高，该频率由与AGC放大器204 （由于这是仅有的一个电流在电路中的有效流通路径）跨接的阻抗网络的共振特性决定。在本特例中，该频率大约为29MHz。但是，当某个晶体与电路连接时，电流优选路径是通过该晶体。这样，电路的振荡频率由晶体的共振特性决定，而非由阻抗网络的共振特性决定。晶体的谐振频率大大低于阻抗网络的谐振频率，前者大约为16.5MHz。
对于传统的QCM，随着晶体的负荷增大，晶体的电阻相应增大，并且晶体的谐振频率（因此振荡电路的振荡频率）也将逐渐发生变化。这就是在图3中1400秒到1800秒期间观察到的特性。但是，图2中的振荡电路具有独特的特性，即当电路202的驱动晶体部分的电阻增大到高于阈值时（在本例中为900欧姆），振荡频率将突然跳转到阻抗网络的谐振频率。或者说，电路开始像在没有连接晶体的状态下工作，并且按照阻抗网络的谐振频率振荡，而非按照晶体的谐振频率振荡。因此，通过谨慎选择晶体和阻抗网络相应的元件，可以对振荡电路200进行配置用于探测，例如，一个理想的生物事件或交互。图3所示的例子中，在大约1800秒时，传感器的负荷增大到高于900欧姆，振荡电路转换到 阻抗网络的谐振频率。
在图3所示的特例中，在大约1800秒时，晶体负荷增大到高于900欧姆， 振荡电路通过阻抗网络 201开始振荡，并且相应的频率转换为大约29MHz。 在大约2150秒时，通过清洗的方式将吸收在传感器表面的粒珠清除，并且相应地，振荡电路突然转换回空载状态下的晶体谐振频率（16.5MHz）。
频率达到阈值时的大幅突变使我们对振荡电路的任何随后的频率探测变得简单。因此，可以摒弃复杂的频率计算或网络分析，而采用其它替代方法，例如，可以利用一个简单的整流器和积分器电路测量频率是否自激。因此，该“二元”频率响应通过使用适合于嵌入手持式或其它便携式仪器中的紧凑、低成本的电路，为探测目标事件提供了一个简单而有效的测量方法。
在所示的测量中，采用了浓度为0.3mg/ml、直径为1.0μm的粒珠。对于一个0.2ml的样本量，相当于每个传感器通道有7.1 x 107 个粒珠。传感器表面覆满了 1.1x106 个粒珠。
利用一个音速多层传感器模型建立16.5MHz 负荷频率下的特性模型，可以对电路进行有效配置。这些都在文献，例如，“压电传感器”，Springer Verlag、Eds. Steinem C.、Janshoff A.、Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors，Vol. 5，2007，XII，483 p. 200 illus.，ISBN：978-3-540-36567-9 中对分析技术和音速多层传感器模型进行了阐述。
该模型预测的湿态电阻负荷为725欧姆，与利用一个网络分析器测量16.5MHz传感器的实际结果一致；当满载抗剪刚度为1 x 105 Pa、大小为1.0μm的粒珠（78%填充）时，传感器的最大电阻负荷预测是1900欧姆；在最大填充条件下，总的频率变化为3kHz。图3所示的数据显示，在频率大约变化1 kHz后，振荡频率转变为自激模式。该模型预测传感器的电阻大约为（1900-725）/3 + 725 = 1100欧姆（测得转换点的电阻为900欧姆）。因此，该模型表明转换到自激模式的电阻值为1100欧姆，并且将在传感器大约1/3满载1.0μm 粒珠时发生。
在上述的电路中，晶体与电感器 Lc 并联，后者的作用是对晶体的寄生电容引起的相移进行补偿。此外，电感器必然将改变晶体的频率响应和谐振频率。我们可以对这种特性加以利用：选择电感参数，对电路的转换点进行配置，使其与某个特殊事件相一致。如在下文所述，其它元件也可以串联或并联的方式与谐振器晶体连接，以对电路的转换点进行配置。在一个深入的实施例中，可以完全省略电感器，而不会改变电路的功能。
在上述实施例中，振荡器转换到阻抗网络谐振频率的负荷条件取决于谐振器 （在本例中为一个石英晶体振荡器）本身的特性。图4a表示某一振荡电路的一个深入实施例，该振荡电路与图2电路非常一致，但晶体网络402包括一个附加偏置电阻R offset ，与晶体Xtal串联连接。
通过增加一个具有预定值的偏置电阻，可以对转换点进行补偿，使其与理想的事件相一致。实际上，改变偏置电阻可以调节振荡电路的转换点，使其与粘结在传感器上的材料的一个预定量一致。因此，可以通过一个偏置电阻对电路进行调节配置，以探测一个预定的生物事件。图4b表示一个与带有一个串接偏置电阻的晶体相一致的等效电路。C0 是晶体的等效串接电容，L1、R1 和C1 分别为等效干电感、电阻及电容。等效电路元件L2 和R2 是一个与材料粘结到晶体表面时引起的阻抗变化相一致的可变电感和电阻。如上所说，偏置电阻器R offset 是一个电阻性元件，与晶体传感器串接，以确保因晶体环境变化或粘结在晶体表面材料引起的R2变化，能够使传感器总负荷通过临界点并引起自激频率变化。
图5表示一个深入的实施例，在该实施例中，振荡电路包含多个晶体，每个晶体都配置用于探测一个特殊事件（例如粘结在传感器上的材料质量），并且可以切入和切出振荡电路。
振荡电路的组成元件与图2中所示的振荡电路完全相同，而与谐振器网络502不同。谐振器网络502包含多个与同一补偿电感器Lc并联的晶体Xtal1 到Xtal3 。每个晶体都有一个与相应晶体Xtal1到Xtal3串接的开关502a到502c，当开关闭合时，将相应晶体与电路连接。当开关断开时，包含相应晶体的电路发生短路，晶体并不是电路的一部分。因此，通过闭合适当的开关502a到502c，用户可以选择充当电路中谐振器的晶体。通过对该电路进行配置，使其在不同的转换点（由被切换到电路的晶体决定）切换到自激模式。通过仔细选择晶体Xtal1到Xtal3的几何外形和尺寸，可对切换点进行配置，使其与预订事件相符。例如，可对每个晶体进行配置，使电路自激，以增加粘结到传感器表面的材料数量。因此，通过多个可选择的晶体，电路变得更加多功能化，并可通过一个电路对多个类型的事件进行探测。
虽然图5所示的电路包含三个晶体Xtal1 到Xtal3 及三个相应的开关502a到502c，但是根据应用要求，我们可以采用任何数量的晶体。
此外，我们还可以将相应的偏置电阻器（未显示出）与每个晶体（Xtal1到Xtal3）串联连接，以便精确调节每个晶体（Xtal1到Xtal3）的转换点。
图5中所示的实施例的开关须手动启动。但也可提供一种外部控制电路，以启动开关。通过利用图6所示的一个电路，即利用一个多路分配器605使每个晶体或晶体网络交替与振荡电路连接，可以对这种观点以及利用不同可选晶体充当谐振器以探测不同事件的方法进行延伸。
如前所述，振荡电路600包括一个AGC放大器604和相应的阻抗网络601，601包括一个电感器L、电容器C和电阻器R。但是，在本实施例中AGC放大器604的输出与多路分配器 605的一个输入连接。多路分配器 605可以是一个合适的、现成的、封装有多路分配器的集成电路。
在本实施例中，多路复用器有8个输出O1到O8 ，并有三个相应的选择引脚S1 到S3 ，用以选择理想的输出引脚。每个输出引脚O1到O8 都与一个相应的晶体网络602-1到602-8连接。每个晶体网络602-1到602-8都包括一个晶体Xtal1到Xtal8，以与上述振荡电路同样的方式与补偿电感器Lc1 到Lc8 并联连接。该晶体网络602-1到602-8还可包括一个偏置电阻器Roffset1到Roffset8，以使双稳态振荡电路的转换点能够针对每个晶体网络 602-1到602-8得到精确调准。每个晶体网络 602-1到02-8的输出以与上述相同的方式，通过缓冲放大器603和一个反馈回路与AGC放大器604连接。
电路600还包括一个序列发生器606，后者工作时可以在其输出引脚处产生一个二进制序列。在本实施例中，序列发生器有三个输出引脚，因此，利用与十进制数字0-8（与多路分配器 605的输出O1 到O8 相一致）相当的二进制数字，可以产生一个预编程序的顺序。序列发生器605通过时钟定时器607提供的一个时钟信号定时，并且可以对其进行配置，以在接收到的时钟信号的每个上升沿（或下降沿）转换到下一个预编程序的顺序号。序列发生器的输出引脚与多路分配器 605的选择引脚S1 到S3 连接。通过这种方式，根据序列发生器606的预编程序的顺序，定期与时钟信号同步，多路复用器 O1到O8 的输出可以交替转换。
这样，时钟信号的每个期间都与一个时间窗口对应，在该时间窗口内，一个特殊晶体网络 602-1到602-8 将与振荡电路连接。因此，可测量在时钟脉冲每个期间的频率，以确定与各自晶体网络相一致的可探测事件是否已经发生。
通过利用与图6所示的一个双稳态振荡电路类似的配置，以及类似地利用一个多路分配器结合多个偏置电阻器和一个晶体，可对这样的原理进行延伸：借助于偏置电阻对所述振荡电路进行配置以探测预定事件的原理。这种系统的一个示例如图7所示，在该系统中，除了一个振荡电路外，另外还提供了一个多路分配器 705、多个偏置电阻708-1到708-8（与所述多路分配器的输出连接）和一个序列发生器706（与所述多路分配器的选择线路连接）。
所述多路复用器705、序列发生器706及时钟707，其工作方式完全相同，分别对应图6所示实施例的元件605、606及607。类似地，所述放大器703和704 连同阻抗网络 701的工作方式也相同。然而，本实施例与图6所示实施例不同之处在于，包含晶体709的晶体网络 702，其分支通过多路复用器 705连接，因此， 所述多路复用器处于晶体和偏置电阻器之间。特别地，在晶体网络 702第一个分支中的晶体709，与多路复用器 705的输入端I1连接。偏置电阻器708-1 到708-8与多路复用器 705的输出O1到O8 连接。晶体网络 702中包含补偿电感器710的支路与多路复用器 705跨接，这样，所述电感器710与放大器704的输出连接，并跨接晶体709、多路复用器 705及偏置电阻708-1到708-8。这种结构使得偏置电阻708-1到708-8可以交替与所述晶体和振荡电路连接。因此，可对每个偏置电阻708-1到708-8进行选择，当所述电阻器与所述电路连接时，调节振荡器的转换点，使其与某个特殊事件相一致。与图6所示布置结构相比，这种布置结构非常有利，因为仅需使用一个晶体，使得电路较为简单、紧凑而且具有高成本效益。虽然仅使用一个单晶充当传感器/谐振器导致复杂性降低，但同时也使得设计自由度有所降低。
另一个实施例
在上述图6和图7所示的实施例中，振荡电路600或700 的输出优先通过后续电路（最好是整流器和积分器，未显示）进行处理，当振荡器处于自激状态时提供一个高压信号，及以晶体频率振荡时提供一个低压信号。在一个深入的实施例中，所述振荡电路的输出经过处理，与一个AND逻辑门的一个第一输入连接，并且时钟607或707发出的时钟信号与AND门的一个第二输入连接。AND门的输出与序列发生器606的时钟输入连接。通过这种方式，仅当带有目前连接的晶体网络602-1到602-8的振荡电路达到其自激条件时，序列发生器（相应地多路分配器所选择的输出）被依次转换到下一个序号。通过使每个晶体网络依序与粘结在传感器上的材料数量逐渐一致的方法，所述序列发生器本身的输出可提供一个电路中有意义的输出信号。在本实施例中，所述序列发生器的每个数字输出都与粘结在传感器上的材料的预定数量相一致。可以将所述序列发生器606的输出信号输送到一个显示器或其它处理装置，从而提供一个有用的数据输出（未显示）。
此外, 图6和图7中所示的实施例表示一个振荡电路，其中多路分配器 605 或705有8个输出，该输出由一个具有三个输出选择引脚的序列发生器606或706进行选择。但是，深入的实施例可能利用一个多路分配器，而所述多路分配器具有不同数量的输出引脚和相应的根据传感器设计要求确定的元件。通过对所述序列发生器提供的输出引脚进行相应定标，可以对多路分配器提供的全范围输出进行选择。
在上述实施例中，所述振荡器的功能框以单个的、提供理想功能的电子元器件的形式表示。然而，在深入的实施例中，构成阻抗网络 201、401、501、601和701、放大器 203和204、603和604、703 和704、或开关502a到502c的任何或所有元件，都可通过单个集成电路封装（例如，一个ASIC或类似产品）提供。
在上述实施例中，通过利用一个普通整流器、滤波器及积分器，已经对用于测量振荡电路频率的优选电路进行了描述。然而，在一个深入的实施例中，还可能通过测量AGC放大器施加的增益，对电路频率的变化进行测量，当电路突然转换到阻抗网络的共振频率时，所述增益值将变大。在另一个深入的实施例中， 通过一个外部探测器对AGC放大器的串联电阻进行测量，以提供一种频率变化测量方法。
在上述实施例中，偏置电阻被用于对振荡电路进行调节或校准。然而，在另一个实施例中，所述偏置电阻将由一个偏置负荷替代，该偏置负荷可以包括电阻性或电抗性元器件的任何组合。其优点是可以提高调节电路相位和频率响应、以及振荡器的有效转换点方面的设计自由度。
在上述利用一个偏置负荷的实施例中，所述偏置负荷由一个包括一个或多个电子元件的固定阻抗提供。在另一个实施例中，所述偏置负荷的值可通过手动调整。例如，当所述偏置负荷包含可以通过一个表盘或开关从外部进行调节的可变电阻时， 这一点可以实现。在一个深入的实施例中，所述阻抗可以通过控制一个电路（未显示）自动调节，一旦某个转换事件发生时，就可以改变转换阈值。这种方法的优点是，例如，可以用于探测粘结在所述表面的材料数量如何随时间增长的关系。当足够量的材料已经粘结在所述表面时，所述频率将转换，并可通过一个控制电路进行探测。根据对该转换的探测结果，所述控制电路将调节偏置电抗，以使转换点与粘结在谐振器表面的材料的增长量相一致。
在一个实施例中，可以对多个振荡电路进行配置以确定一份血样的血细胞比容（Hct）。可以对一个第一电路进行配置，使其在10% Hct点进行转换，使一个第二电路在25% Hct点进行转换，使一个第三电路在30% Hct点进行转换，使一个第四电路在40% Hct点进行转换，以此类推。因此，通过确定每个振荡电路是否有能量流经所述传感器（通过测量振荡频率的方法确定），将可确定血样Hct。
在一个深入的实施例中，可采用如图5到图7所述的一个单独的振荡电路，而不采用独立的电路。对每个偏置负荷和/或谐振器都进行配置，以探测不同量的Hct。
在另一个实施例中，可对一个传感器进行配置，以测量一份尿样中的人绒毛膜促性腺激素(hCG)，当达到一个阈值量时，即表示怀孕。当一个传感器达到饱和极限时，电流将不再流过传感器，但会被引入另一条路径。在这种情况下，尿样将被视为呈“阳性”，即表示该妇女怀孕。
在另一个深入的实施例中，可对一系列电路进行配置，以确定一份血液/血浆样本的凝血状态。对所述振荡电路进行配置，这样，当血液/血浆样本的黏度发生变化时，每个电路中的谐振器表面将陆续处于满载状态，因此，电流不再流经谐振器，转而通过另一条路径流过电路。
本发明中的传感器装置还用于医药检测或传染病检测领域，只要物质达到阈限量时足以表示一个阳性结果。
可以预见，上述双稳态振荡器将应用于非生物感测领域。例如，通过恰当校准，它可用于探测任何液体，例如油类的密度/黏度变化。此外，所述传感器并仅不限于用来探测液体特性，据预计，它也可用于探测气体的特性变化，前提是所述变化向谐振器的表面施加一个可以探测的负荷。实际上，所述双稳态振荡电路可用于探测谐振器表面所处的、在谐振器表面施加一个负荷变化的环境的任何变化。
在深入的典型实施例中，对所述电路进行配置，当向所述谐振器表面施加可探测负荷时，包括液相、蒸汽相和气相介质，所述电路发挥功能。借助一个“感受器”，可针对样本中存在的目标物种，对谐振器的表面进行改进。当目标物种在表面位置的浓度已经饱和时，所述谐振器将变得饱和，并将相应地致使所述电路转换到自激状态。在一个实施例中，可对所述谐振器进行改进，使其对一个空气样本中可能存在的某种特殊的生物实体，例如微生物细胞，作出反应。在其它实施例中，可能会利用一些装置以探测从某表面获取的液体样本或含有药物的表面附近的蒸汽相中是否含有该药物。
在一个深入的实施例中，可对一个谐振器进行改进，以探测在蒸汽相中是否存在爆炸性物质。在另一个深入的实施例中，可对谐振器进行改进，以探测液体样板中的污染物，当污染物含量小于某个阈值时，认为是可以接受的。但是，当污染物含量大于某个阈值时，所述振荡电路就转换频率。这样的实施例可以包括乳制样品中的若干微生物，当微生物的含量低于一定水平时，被认为是可接受的（可以安全食用），而当高于该水平时，则是不可接受的。类似地，在一个深入的实施例中，可对所述电路进行配置，以监测饮水（尤其是瓶装水）的微生物污染是否处于不可接受的水平，或探测潜在的毒素是否处于不可接受的水平。
Claims (37)
1.一个用于探测施加在某表面的一个负荷的双稳态振荡电路，包括：
一个电气放大器；
至少一个谐振器，其中该谐振器包括一个具有一定共振频率的电气传感器，谐振器的一个表面，构成负荷探测表面；
一个具有一定共振频率的阻抗网络；
其中，所述谐振器置于待测环境中，并且，所述谐振器和所述阻抗网络与所述电气放大器并联连接，同时，谐振器被这样配置，让施加在谐振器的表面的负荷会引起共振频率的改变；这样，当施加在所述表面的负荷超过某个预定阈值时，所述振荡电路以阻抗网络的共振频率振荡，并且当施加在所述表面的一个负荷小于所述预定阈值时，该振荡电路以谐振器的共振频率振荡，所述电路振荡频率的转换可以表明所述负荷正跨越该预定阈值。
2.根据权利要求1的一个双稳态振荡电路，其特征在于，对谐振器和阻抗网络的阻抗值进行配置，以使所述预定阈值与待测环境中的一个已知事件相一致。
3.根据权利要求2所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，还包括至少一个偏置负荷，与所述谐振器以串联或并联方式连接，所述偏置负荷的阻抗值的配置使得所述振荡电路的阈值与待测环境中的一个已知事件相一致。
4.根据权利要求3所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述偏置负荷包括一个电阻器、电容器、电感器或它们的任何组合，并进行设置，使偏置负荷具有一个阻抗值，以使所述振荡电路的阈值与预定的生物化学事件相一致。
5.根据权利要求3或4的一个双稳态振荡电路，其特征在于，还包括手动调节所述偏置负荷的阻抗值的装置。
6.根据权利要求4的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述振荡电路还包括可操作的自动调节装置，自动改变偏置负荷的阻抗值，当跨越所述阈值后，设置一个新的阈值。
7.根据权利要求1所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，还包括可操作的频率探测装置，以探测电气振荡电路的振荡频率是否与谐振器的共振频率或阻抗网络的共振频率相同。
8.根据权利要求7的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述频率探测装置包括一个频率计数器。
9.根据权利要求7的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述频率探测装置包括一个整流器和一个积分器。
10.根据权利要求1的双稳态振荡电路，其特征在于，该双稳态振荡电路还包括：多个所述谐振器；一个与所述多个谐振器连接的选择电路，并且可以操作，可以按顺序单独与所述电气放大器的输入和输出之间的每个谐振器连接。
11.根据权利要求10的一个双稳态振荡电路，其特征在于，
所述选择电路包括一个多路分配器和一个与其连接的序列发生器：
电气放大器的输出与所述多路分配器的一个信号输入连接，并且每个谐振器都分别与多路分配器的一个输出连接；并且，
所述序列发生器是可操作的，以向所述多路分配器的选择输入提供一个预定顺序的信号值，使多路分配器依序选择所述多个谐振器，并且每个谐振器从而都按预定的顺序单独与电气放大器连接。
12.根据权利要求11所述一个双稳态振荡电路，其特征在于，每个谐振器都有一个以串联或并联方式与谐振器连接的相关偏置负荷，并且对每个偏置负荷的阻抗值进行配置，以使振荡电路的振荡频率转换为阻抗网络的共振频率时的阈值，在相关谐振器通过所述序列发生器连接时，与待测环境中的一个已知事件相一致。
13.根据权利要求12所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述偏置负荷包括一个电阻器、电容器、电感器或它们的任何组合，然后进行布置，使偏置负荷具有一个阻抗值，以使所述振荡电路的阈值与待测环境中的一个已知事件相一致。
14.根据权利要求1的一个双稳态振荡电路，其特征在于，还包括：
多个偏置负荷元件，对每个偏置负荷元件的阻抗值进行配置，以调节所述阈值，使其与待测环境中的一个已知事件相一致；一个可操作的选择电路，按预定的顺序依序使每个偏置负荷与所述谐振器连接。
15.根据权利要求14的一个双稳态振荡电路，其特征在于，
所述选择电路包括一个多路分配器和一个序列发生器，
其中，至少一个谐振器与所述多路分配器的一个输入连接；
多个偏置负荷元件中的每一个元件都分别与所述多路分配器的输出连接；并且，
所述序列发生器是可操作的，以向多路分配器提供一个预定顺序的信号值，使每个偏置负荷按照规定的顺序分别单独与谐振器连接。
16.根据权利要求14的一个双稳态振荡电路，其特征在于，任何或所有偏置负荷元件都包括任何一个电阻器、电容器、电感器任或它们的组合，由此进行配置，以提供一个偏置负荷，使得所述振荡电路的阈值与所述已知事件相一致。
17.根据权利要求16所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，还包括一个与序列发生器连接的时钟，对所述序列发生器进行配置，以在每个时钟周期后提供序列中的下一个信号。
18.根据权利要求17所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述振荡电路还包括一个可操作的频率探测电路，当所述振荡电路以谐振器的共振频率振荡时，该频率探测电路产生一个第一信号输出；当所述振荡电路以阻抗网络的共振频率振荡时，该频率探测电路产生及一个第二信号输出，所述第二信号反映所述负荷跨越所述预定阈值。
19.根据权利要求18的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述频率探测电路的输出被提供给所述序列发生器，并对所述序列发生器进行配置，仅当在频率探测电路的输出端提供所述第二信号时，在每个时钟周期按顺序改变到下一个信号值。
20.根据权利要求19的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述频率探测电路包括一个整流器和一个积分器或一个滤波电路。
21.根据权利要求1所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述电气放大器包括一个自动增益控制的电气放大器。
22.根据权利要求1所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述双稳态振荡电路还包括一个在所述电路中布置的电气缓冲放大器，使其将所述谐振器的输出阻抗和电气放大器和阻抗网络的输入阻抗完全隔离。
23.根据权利要求4所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述谐振器包括一个压电晶体。
24.根据权利要求4所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述谐振器包括一个声波装置。
25.根据权利要求24的一个双稳态振荡电路，其特征在于，对所述声波装置进行这样的配置，以探测与至少一个谐振器的表面接触的某一液体、蒸汽或气体样本中一种分析物是否存在。
26.根据权利要求2所述的一个双稳态振荡电路，其特征在于，在待测环境中的一个已知事件是一个已知的生物、化学或生物化学事件。
27.根据权利要求26的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述已知事件是血液凝固中的一个变化。
28.根据权利要求26的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述已知事件是血液的血细胞比容中的一个变化。
29.根据权利要求26的一个双稳态振荡电路，其特征在于，所述已知事件是一份尿样中的hCG含量。
30.一种利用权利要求1-29所述的双稳态振荡电路探测施加在某表面的一个预定负荷的方法，其特征在于，该方法包括：
将谐振器引入待监测环境；
探测在谐振器被引入环境后，振荡电路的振荡频率；并，
确定，当振荡电路的振荡频率与阻抗网络的共振频率完全相同时，所述预定负荷已经施加到所述表面；当振荡频率与谐振器的共振频率完全相同时，所述预定负荷尚未施加到所述表面。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所要待监测环境是一个液相、蒸汽相或气相样本。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于预定的负荷与液相、蒸汽相或气相样本的已知元件相一致。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，液相是一个体液样本。
34.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述预定负荷与一个已知生物、化学或生物化学事件相一致。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述事件是血凝中的一个变化。
36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述事件是一个样本的血细胞比容的一个变化。
37.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述事件是一份尿样中的hCG的一个变化。
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