CN110221123B - Cmuts谐振式生化传感器的频率追踪电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，包括偏置网络、阻抗匹配网络、CMUTs网络、负载电容网络以及BJT放大反馈网络。偏置网络为CMUTs提供直流电压且避免电流过载。阻抗匹配网络进行调谐使CMUTs形成串并联谐振区域。基于BJT和负载电容网络，形成振荡信号正反馈，实现CMUTs并联谐振点振荡信号实时输出。本发明使CMUTs在低电压下形成串并联谐振区域，所述谐振电路简单方便，启动时间为微秒级，可实时输出CMUTs谐振频率，对基于CMUTs谐振式生化传感器的便携式和实时检测应用具有重要意义。

Description

CMUTS谐振式生化传感器的频率追踪电路

技术领域

本发明属于MEMS传感器电子测量技术领域，具体涉及CMUTs(CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducers，电容式微加工超声换能器)谐振式生化传感器的频率追踪电路。

背景技术

近年来，CMUTs被应用于谐振式生化物质检测领域，具有高品质因子特点，经功能化材料涂覆后，制备出的CMUTs谐振式生化传感器的检测灵敏度能够达到ppt级别。基于MEMS 工艺的CMUTs单元尺寸仅为几十μm，并可实现大规模阵列，设计实时输出的频率追踪电路，是CMUTs谐振式生化传感器实现实时监测应用的关键。

国外研究机构对于CMUTs频率追踪电路开展了一定的研究，国内尚未有相关报道。北卡罗来纳州立大学基于科尔皮兹振荡理论设计了CMUTs谐振电路，CMUTs偏置电压为35V，功能化材料厚度为100nm，实现了工作频率4.35MHz的实时输出，但是其电路未加载阻抗匹配网络，只能在相位过零点时的偏置电压以上工作，受到偏置电压的限制，振荡启动时间长(毫秒级别)。2015年

课题组基于此理论，设计了多通道的CMUTs谐振电路，偏置电压高至40V，满足谐振条件，对甲苯进行了检测，但是消耗电能巨大。斯坦福大学设计了基于放大器的频率追踪电路，需要在46V偏置电压下工作，CMUTs谐振频率为18.2MHz。不能在较低偏置电压(＜30V)下工作。

CMUTs在串、并联谐振点附近理论电抗应该为零，以实现容性与感性的相互转化。但是，当加载的直流偏置电压较低时，其振动幅度小，电容寄生性影响大，电抗在串、并联谐振区域内都呈现容性，直接使其在低电压下难以谐振，不能正常工作。另外，CMUTs作为谐振式生化传感器时，仅在加载直流偏置电压时，如何形成信号反馈且在谐振点附近满足巴克豪森振荡条件，这就需要对CMUTs的电抗特性进行调整，形成并联谐振区域。因此，研究相应的频率追踪电路，对CMUTs实现实时谐振信号输出具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，应用史密斯匹配和科尔皮兹振荡原理，使CMUTs在其串、并联谐振区域内实现振荡信号正反馈，从而实现CMUTs并联谐振点振荡信号实时输出。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

CMUTs谐振式生化传感器频率追踪电路包括偏置网络、阻抗匹配网络、CMUTs网络、负载电容网络和BJT放大反馈网络。

偏置网络由直流偏置电压V_bias和偏置电阻R_bias组成。直流偏置电压V_bias为CMUTs工作的偏置电压，其与偏置电阻R_bias串联，另一端接地。偏置电阻R_bias为限流电阻，避免输入电流过载，其一端与直流偏置电压V_bias连接，另一端与阻抗匹配网络连接。

阻抗匹配网络对CMUTs网络起到调谐作用，形成串并联谐振区域，阻抗匹配网络一端与偏置电阻R_bias连接，另一端与CMUTs网络连接。

CMUTs网络为功能化后的的CMUTs阵列。CMUTs网络一端与阻抗匹配网络相连，另一端与直流偏置电压V_bias连接。

负载电容网络由负载电容C₁和负载电容C₂组成。负载电容C₁和负载电容C₂串联，负载电容C₁的一端与CMUTs网络连接，C₂的一端与R_E连接，负载电容C₁与负载电容C₂的连接点接入三极管BJT的发射极，形成信号正反馈。

BJT放大反馈网络由直流偏置电阻R₁、直流偏置电阻R₂、反馈电阻R_E和三极管BJT组成。直流偏置电阻R₁和电阻R₂定义了三极管BJT基极输入电压，电阻R₁和电阻R₂串联电阻R₁和电阻R₂均与BJT基极连接。反馈电阻R_E一端连接BJT的发射极，另一端与C₂连接，正反馈信号从R_E一端接入负载电容C₁与负载电容C₂之间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明设计了阻抗匹配网络与CMUTs偏置网络连接，调整低电压情况下CMUTs的电阻和电抗，使CMUTs的电阻达到50Ω±5Ω，使CMUTs的电抗在谐振频率处为0，实现电容性向电感性的过渡，从而使其在低电压下形成串并联谐振区域，从而实现低电压下的振荡信号输出，同时极大地降低了CMUTs工作电压，降低了功耗。

进一步的，负载电容C₁和电容C₂实现信号的正反馈，三极管本身启动时间短，且通过三极管BJT实现了对反馈信号的快速放大，使信号达到振荡平衡所需的时间缩短到微秒。BJT 形成正反馈振荡网络，启动时间为微秒级，可实时输出CMUTs谐振频率，对基于CMUTs谐振式生化传感器的便携式和实时检测应用具有重要意义。

进一步的，负载电容C₁和负载电容C₂的容值相等，实现电容负阻抗乘积的最大值的同时在并联谐振附近获得最小的振荡增益条件，最大程度降低功耗。

进一步的，偏置网络包括直流偏置电压V_bias和偏置电阻R_bias，直流偏置电压V_bias为CMUTs 工作的偏置电压，偏置电阻R_bias为限流电阻，避免输入电流过载。

进一步的，R_bias阻值在500kΩ～10MΩ之间，限制其电流在μA级别。

进一步的，反馈电阻R_E为1kΩ～10kΩ，起到反馈电压信号，且控制发射极电流在uA级别。

附图说明

图1为CMUTs谐振式生化传感器的频率追踪电路；

图2为阻抗匹配网络的具体结构图；

图3为频率追踪电路的谐波平衡电压输出信号；

图4为频率追踪电路的瞬态时域电压输出信号。

附图中：1-偏置网络、2-阻抗匹配网络、3-CMUTs网络、4-负载电容网络、5-BJT放大反馈网络。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路包括偏置网络1、阻抗匹配网络2、 CMUTs网络3、负载电容网络4、BJT放大反馈网络5。

进一步地，偏置网络1由直流偏置电压V_bias、偏置电阻R_bias组成。直流偏置电压V_bias为 CMUTs工作的偏置电压。偏置电阻R_bias为限流电阻，避免输入电流过载。其中，直流偏置电压V_bias设置为30V，即CMUTs工作电压为30V，R_bias取值在500kΩ～10MΩ之间，限制其电流在μA级别。

进一步地，阻抗匹配网络2对CMUTs网络3起到调谐作用，形成串、并联谐振区域。它们的值基于史密斯阻抗匹配原理和CMUTs等效电路参数获得，调整网络使CMUTs并联谐振点在1.7MHz时的电抗为零(当工作电压为30V时，谐振频率为1.7MHz)。

参照图2，阻抗匹配网络2包括调谐电感L₁和调谐电容C₃，调谐电感L₁和调谐电容C₃的参数由功能化后的CMUTs阵列电阻和电抗参数采用史密斯阻抗匹配方法匹配得出。其中，调谐电感L₁一端A与偏置网络1中的偏置电阻R_bias连接，调谐电感L₁的另一端与调谐电容 C₃连接，调谐电感L₁与调谐电容C₃形成串联关系，调谐电感L₁与调谐电容C₃之间的B端口与CMUTs网络3连接。

其中，阻抗匹配网络2的阻抗表达式为：

Z_m＝R_m+jX_m

公式中的Z_m为阻抗匹配网络2的整体阻抗，R_m为分解的阻抗匹配网络2的实部阻抗，jX_m为分解的阻抗匹配网络2的虚部阻抗。

CMUTs网络3为涂覆生化敏感材料的CMUTs阵列(即功能化后的CMUTs)。当直流偏置电压为30V时，其阻抗频率参数通过阻抗分析仪测得并拟合。

其中，CMUTs网络的阻抗表达式为：

Z_CMUTs＝R_CMUTs+jX_CMUTs

公式中的Z_CMUTs为CMUTs网络的整体阻抗，R_CMUTs为分解的CMUTs网络的实部阻抗，jX_CMUTs为分解的CMUTs网络的虚部阻抗。

进一步地，负载电容网络4由负载电容C₁和负载电容C₂组成。负载电容C₁和负载电容 C₂串联，负载电容C₁的第一端与CMUTs网络3的非接地端连接，负载电容C₁第二端和负载电容C₂第一端串联，负载电容C₂的第二端与反馈电阻R_E连接，负载电容C₁与负载电容C₂之间接入BJT发射极，形成信号正反馈。负载电容C₁为50pF～200pF，负载电容C₂为 50pF～200pF。振荡频率为1.7MHz时，振荡角频率满足下式：

其中，L_in为阻抗匹配网络2和CMUTs网络3的整体等效电感，输入阻抗Z_in满足：

Z_in＝Z_m+Z_CMUTs

公式中Z_in为输入阻抗，Z_m为阻抗匹配网络2的整体阻抗，Z_CMUTs为CMUTs网络的整体阻抗。

BJT放大反馈网络5由直流偏置电阻R₁、直流偏置电阻R₂、反馈电阻R_E和三极管BJT组成。直流偏置电阻R₁和直流偏置电阻R₂定义了BJT基极输入电压。直流偏置电阻R₁第一端与电源连接，第二端与直流偏置电阻R₂第一端连接，直流偏置电阻R₂的另一端接地，直流偏置电阻R₁和直流偏置电阻R₂的连接点与BJT基极连接，反馈电阻R_E第一端连接BJT的发射极，反馈电阻R_E第二端与C₂第二端连接，正反馈信号从R_E第一端接入负载电容C₁与负载电容C₂之间。为了满足增益需求，BJT选择NPN型2N4124三极管，其集电极-基极耐压30V，工作温度-55℃～150℃，小信号电流增益h_fe为120～480之间，电流增益带宽积f_T为300MHz。电源V_cc为5V～10V，直流偏置电阻R₁和R₂比值为2:3，使NPN型2N4124三极管的基极工作电压等于3/5倍的电源电压，反馈电阻R_E为1kΩ～10kΩ。

振荡电路的谐波平衡电压输出信号如图3所示，电路振荡频率为1.700MHz。时间为0～400μs范围内的瞬态时域信号为图4所示，谐振电路的振荡信号启动时间少于150μs，振荡信号稳定。

通过设置CMUTs的工作电压Vbias使CMUTs产生预变形，通过Rbias将输入电流限制在 uA级别，电路中本身存在的噪声和交流小信号传递给三极管BJT网络并被快速放大，反馈型号流过负载电容C1和负载电容C2形成正反馈，反馈信号传递给CMUTs和阻抗匹配网络，CMUTs振荡产生也交流信号，信号叠加后又传递给BJT进行放大，并通过负载电容反馈，此过程不断循环。直到在CMUTs过零点的串并联谐振频率附近，满足振荡的巴克豪森准则，振荡电路信号反馈平衡，实现稳定的振荡，并实时追踪频率。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，其特征在于，包括阻抗匹配网络（2）、CMUTs网络（3）和BJT放大反馈网络（5），所述阻抗匹配网络（2）和BJT放大反馈网络（5）均连接在CMUTs网络（3）的非接地端，所述阻抗匹配网络（2）用于使对CMUTs网络（3）形成联串和并联谐振区域；

BJT放大反馈网络（5）包括直流偏置电阻R ₁、直流偏置电阻R ₂、反馈电阻R _E和三极管BJT，直流偏置电阻R ₁第一端与电源V_CC连接，第二端与直流偏置电阻R ₂第一端连接，直流偏置电阻R ₂的另一端接地，直流偏置电阻R ₁和直流偏置电阻R ₂的连接点与BJT基极连接，反馈电阻R _E第一端连接BJT的发射极，所述反馈电阻R _E第二端与CMUTs网络（3）的非接地端之间连接有负载电容网络（4），所述负载电容网络（4）包括负载电容C ₁和负载电容C ₂，负载电容C ₁的第一端与CMUTs网络（3）的非接地端连接，第二端和负载电容C ₂第一端串联，负载电容C ₂的第二端与反馈电阻R _E连接，负载电容C ₁与负载电容C ₂之间接入BJT发射极，正反馈信号从反馈电阻R _E第一端接入负载电容C ₁与负载电容C ₂之间；所述阻抗匹配网络（2）包括调谐电感L ₁和调谐电容C ₃，调谐电感L ₁第一端与偏置网络（1）连接，第二端与调谐电容C ₃第一端以及CMUTs网络（3）连接，调谐电容C ₃第二端接地。

2.根据权利要求1所述的CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，其特征在于，所述偏置网络（1）包括直流偏置电压V _bias和偏置电阻R _bias，直流偏置电压V _bias为CMUTs工作的偏置电压。

3.根据权利要求2所述的CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，其特征在于，所述R _bias阻值在500kΩ～10MΩ之间。

4.根据权利要求1所述的CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，其特征在于，所述负载电容C ₁和负载电容C ₂的容值相等。

5.根据权利要求1所述的CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，其特征在于，所述三极管BJT为NPN型2N4124三极管。

6.根据权利要求1所述的CMUT_S谐振式生化传感器的频率追踪电路，其特征在于，所述反馈电阻R _E为1kΩ～10kΩ。

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