CN111065902A - 使用量子分子旋转状态跃迁的压力感测 - Google Patents
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Abstract
压力换能器(100)包括腔(102)、设置在腔(102)内的第一偶极分子(104)，和设置在腔(102)内的第二偶极分子(106)。第一偶极分子(104)在相对于腔压力的固定频率下表现出量子旋转状态跃迁。第二偶极分子(106)在随腔压力而变化的频率下表现出量子旋转状态跃迁。
Description
背景技术
各种应用均要求维持密封室的完整性，以确保设备正常运行。例如，对于旨在维持低内部压力的壳体，壳体中的泄漏可允许稀释或污染壳体的内容物的流体进入，以至于壳体的内容物不再可用于预期目的。在一个特定的应用中，芯片级原子钟的波导包含选定的蒸汽，并且需要维持适当的密封，以确保蒸汽的压力和钟的正常运行。
发明内容
为了测量密封腔的压力，压力换能器包括腔、设置在腔内的第一偶极分子和设置在腔内的第二偶极分子。第一偶极分子在相对于腔压力的固定频率下表现出量子分子旋转状态跃迁。第二偶极分子在随腔压力而变化的频率下表现出量子分子旋转状态跃迁。
一种测量腔中的压力的方法，包括将信号发射到腔中。腔包含在相对于腔压力的固定频率下表现出量子分子旋转状态跃迁的第一偶极分子，以及在随腔压力而变化的频率下表现出量子分子旋转状态跃迁的第二偶极分子。该方法还包括基于第一偶极分子和第二偶极分子的量子分子旋转状态跃迁的频率之差来确定腔中的压力。
一种时钟发生器，包括形成在硅衬底上的气密腔、时钟发生电路和压力监测电路。第一偶极分子和第二偶极分子设置在腔内。第一偶极分子在相对于腔压力的固定频率下表现出量子分子旋转状态跃迁。第二偶极分子在随腔压力而变化的频率下表现出量子分子旋转状态跃迁。时钟发生电路被配置成基于第一偶极分子的固定频率来生成输出时钟信号。压力监测电路被配置成基于第一偶极分子和第二偶极分子的量子分子旋转状态跃迁的频率之差来确定腔内的压力。
附图说明
图1示出根据各种实施例的压力换能器的框图，该压力换能器基于两个偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率来测量压力。
图2示出偶极分子沿三个正交轴线的三种旋转模式。
图3示出根据各种实施例的具有量子旋转状态跃迁的压敏频率的偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率变化的示例。
图4示出根据各种实施例的检测到的信号幅度关于偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率的变化的示例。
图5示出根据各种实施例的基于两个偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率来测量压力的方法的流程图。
图6示出根据各种实施例的时钟发生器的框图，该时钟发生器包括基于两个偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率的压力测量。
具体实施方式
在本说明书中，术语“耦合(couple或couples)”是指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，则该连接可通过直接连接或通过经由其他装置和连接的间接连接。另外，在本说明书中，叙述“基于(based on)”意指“至少部分地基于(based at least in part on)”。因此，如果X基于Y，则X可为Y和任意数量的其他因素的函数。
常规压力测量采用多种换能器技术。各种压力换能器技术将应变测量为指示压力。其他换能器技术测量颗粒密度或热变化来确定压力。每种常规技术均有其优点和缺点。通常，每一种技术均需要向系统中添加测量设备，并且一些技术需要该设备可接触到加压介质(例如，进入到压力容器的内部)。在许多应用中，不希望或不可能增加压力测量设备。例如，系统的尺寸和/或结构可排除压力测量设备的添加。
实施例包括压力测量系统，该压力测量系统允许在没有附加压力传感器和相关测量设备的情况下测量密封腔中的压力。在一些实施例中，腔由衬底材料(例如，半导体或陶瓷材料)构成，并且尺寸相对小。例如，在一些实施例中，腔是经由微机电系统(MEMS)制造工艺构造的毫米波芯片级原子钟的波导。波导包含在压力下的选定的偶极分子，该压力经选择以优化在波导输出端处检测到的分子的信号吸收峰的幅度。与所选压力的偏差过大可能会对时钟的运行产生负面影响。
偶极分子具有可通过电磁波吸收来测量的量子旋转状态。根据分子的化学结构，量子旋转态跃迁的频率可为固定的，也可随压力而变化。在本文描述的压力测量技术的实施例中，腔包含两种不同的偶极分子。分子中的一种具有随压力而变化的量子旋转状态跃迁的频率。实施例测量两种分子的峰吸收频率。两种频率之差指示腔中的压力。
图1示出根据各种实施例的压力换能器100的框图，该压力换能器100基于两个偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率来测量压力。压力换能器100包括腔102、分子104和分子106、发射天线108、接收天线110和检测器电路112。腔102是密封的室或容器。在一些实施例中，腔102形成在衬底材料(例如，半导体或陶瓷衬底)中。腔102包括导电内表面120以及非导电孔122和非导电孔124。具有导电内表面120的腔102形成波导。非导电孔122提供通向腔102的电磁场入口。非导电孔124提供从腔102出来的电磁场出口。
腔102包含蒸汽分子104和蒸汽分子106。分子104和分子106是偶极分子，它们在不同的频率下展现出量子分子旋转状态跃迁。因此，当在量子旋转状态之间跃迁时，分子104和分子106在不同的频率下吸收能量。偶极分子104在不受腔102内的压力影响的频率下表现出量子分子旋转状态跃迁。例如，随着腔102内的压力增加，偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率保持恒定。在一些实施例中，偶极分子104是水分子。图2包括图示200、图示202和图示204，分别示出沿三个正交轴线的偶极水分子的三种旋转模式。在一些实施例中，偶极分子104是除水以外的分子，其表现出不受压力影响的量子旋转状态跃迁的频率。
偶极分子106表现出随腔102内的压力而变化的量子旋转状态跃迁的频率。例如，随着腔102内的压力增加，偶极分子106的量子转动状态跃迁的频率也增加。在一些实施例中，偶极分子106是三氟丙炔(CF3CCH)。在一些实施例中，偶极分子106是除CF3CCH以外的分子，其表现出随压力而变化的量子旋转状态跃迁的频率。图3示出CF3CCH分子的量子旋转状态跃迁的频率随压力变化的变化。在一些实施例中，偶极分子106经选择以具有与偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率相对接近的量子旋转状态跃迁的频率，以使天线108和天线110以及系统100的其他组件必须在其上工作的频带变窄。
发射天线108靠近非导电孔122设置，以将信号引入腔102中。接收天线110靠近非导电孔124设置，以检测离开腔102的信号。偶极分子104和偶极分子106中的每一个在量子旋转状态跃迁的分子频率下吸收通过腔102传播的信号的能量。因此，实施例通过监测由接收天线110检测到的信号的幅度来确定分子104和分子106中的每一个的量子旋转状态跃迁的频率。图4示出关于分子104(其中分子104是水分子)的量子旋转状态跃迁的频率的检测信号幅度的变化示例。图4示出水分子对信号的峰吸收发生在约183.31千兆赫(GHz)。如上所述，偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率以及峰吸收频率不随压力而变化。因此，对于腔102的任何内部压力，水分子104的峰吸收频率将在183.31GHz。偶极分子106在量子旋转状态跃迁的频率下产生检测信号幅度的类似变化。如上所述，偶极分子106的量子旋转状态跃迁的频率随腔102的内部压力而变化。实施例通过识别由偶极分子106吸收的峰信号的频率来确定偶极分子106的量子旋转状态跃迁的频率。
因为偶极分子104的峰吸收频率是压力不变的，并且偶极分子106的峰吸收频率是压力的函数，所以偶极分子104的峰吸收频率和偶极分子106的峰吸收频率之间的差与腔102内的压力直接相关。实施例基于在给定时间偶极分子104和偶极分子106的峰吸收频率之差来确定在给定时间的腔102内的压力。
检测器电路112包括生成驱动到腔102中的信号并处理从腔102输出的信号以确定腔102内压力的电路。检测器电路112包括锁相环(PLL)114、频率识别电路116和压力确定电路118。PLL 114耦合到发射天线108。检测器电路112的一些实施例包括驱动器电路(未示出)，以将PLL 114的输出驱动到发射天线108。PLL 114生成包括偶极分子104和偶极分子106的峰吸收频率的频率范围(例如，频率扫描)。因此，经由发射天线108驱动到腔102中的信号的频率随时间而变化，并且包括偶极分子104和偶极分子106的峰吸收频率。例如，如果分子104的峰吸收的随压力不变的频率为FI，并且分子106的峰吸收的随压力变化的频率的范围从F2到F3(其中F3>F2>F1)，则PLL 114生成具有小于FI的起始频率和大于F3的结束频率的频率扫描。
由PLL 114生成的信号通过腔102传播到接收天线110。频率识别电路116接收由接收天线110检测到的信号，并对接收到的信号进行处理，以确定分子104的峰吸收的随压力不变的频率和分子106的峰吸收的随压力变化的频率。例如，频率识别电路116的实施例包括将接收到的信号和PLL 114的输出相乘的混频器以及从混频器的输出生成DC信号的低通滤波器，其中DC信号代表在由PLL 114生成的频率下从腔102接收的信号的幅度。频率识别电路116的实施例将峰吸收的频率识别为滤波器输出中的局部最小值。在各种实施例中，分子104和分子106的峰吸收频率之间的差被识别为局部极小值之间的时间差、与对应于局部极小值的频率相关联的PLL 114中的控制电压的差或者对应于由PLL 114在局部最小值生成的频率的其他值的差。
频率识别电路116向压力确定电路118提供对应于分子104和分子106的峰吸收频率之间的差的值，或者对应于分子104和分子106的峰吸收频率的值。压力确定电路118基于分子104和分子106的峰吸收频率之差生成代表腔102内的压力的值。例如，压力确定电路118的实施例包括将压力与分子104和分子106的峰吸收频率之差相关的压力值的表，并且压力确定电路118基于频率之差访问该表以检索压力值。压力确定电路118的一些实施例基于频率之差来计算压力值。例如，在一些实施例中，压力是峰吸收频率之差的线性或非线性函数，并且压力确定电路118求解在频率差下的函数，以产生腔102中的压力值。压力确定电路118的一些实施例向压力换能器100外部的电路提供压力值。
图5示出根据各种实施例的基于两个分子的量子旋转状态跃迁的频率来测量压力的方法500的流程图。尽管为了方便起见而顺序示出，但是所示的动作中的至少一些可以以不同的顺序执行和/或并行执行。另外，一些实施方式可仅执行所示动作中的一些。在一些实施方式中，方法500的至少一些操作可由换能器100实施。
在框502中，生成包括频率扫描(a sweep of frequencies)的信号。例如，PLL 114生成频率扫描。扫描中包括的频率范围包括第一偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率和第二偶极分子106的量子旋转状态跃迁的频率。第一偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率是压力不变的，并且第二偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率随压力而变化。
在框504中，信号被驱动到包含第一偶极分子和第二偶极分子的密封腔中。例如，信号经由发射天线108被驱动到腔102中。
在框506中，信号穿过腔，并在特定的频率下使第一偶极分子和第二偶极分子从一种量子旋转状态跃迁为另一种量子旋转状态。腔外部的电路接收从腔输出的信号。例如，接收天线110检测腔102的信号输出，并将检测到的信号提供给检测器电路112。
在框508中，识别第一偶极分子和第二偶极分子的峰吸收频率。第一偶极分子和第二偶极分子的峰吸收频率是第一偶极分子和第二偶极分子的量子旋转跃迁的频率。一些实施例通过将从腔接收的信号与驱动到腔中的信号相乘来确定第一偶极分子和第二偶极分子的峰吸收频率。在此类实施例中，该乘积被低通滤波以生成DC信号，该DC信号代表在驱动到腔中的信号的频率下从腔102接收的信号的幅度。峰吸收的频率被识别为低通滤波信号中的局部最小值。
在框510中，基于第一偶极分子和第二偶极分子的峰吸收频率(即，量子旋转状态跃迁的频率)确定腔内的压力。确定第一偶极分子和第二偶极分子的峰吸收频率之差。频率之差与腔内压力直接相关。因此，频率差的值用于访问将频率差与压力相关的表，或者求解基于频率差产生压力的函数。
图6示出根据各种实施例的时钟发生器600的框图，该时钟发生器600包括基于两个分子的量子旋转状态跃迁的频率的压力测量。时钟发生器600是毫米波原子钟，其基于在衬底材料(例如，半导体，诸如硅或陶瓷材料)中形成的密封腔102中包含的选定偶极分子的量子旋转态跃迁的频率来生成参考频率。由选定偶极分子的量子旋转状态跃迁产生的参考频率不受电路老化的影响，并且不会随温度或其他环境因素而变化。时钟发生器600的各种组件类似于压力换能器100的组件，并且此类组件通过使用图1中采用的附图标记来标识。时钟发生器600监测密封腔102内的压力，以确保维持必要的操作条件。在制造时，将腔102的压力设定为最佳值，用于精确地生成参考频率。如果腔102的内部压力偏离最佳值超过预定量，则时钟发生器600的精度可降低。因此，时钟发生器600的实施例识别腔102的内部压力的变化，并向时钟发生器600外部的电路提供压力信息。
时钟发生器600包括腔102、分子104和分子106、发射天线108、接收天线110、PLL114、频率识别电路118、时钟发生电路602和压力监测电路604。腔102是在衬底材料(例如，半导体或陶瓷材料)中形成的密封室。在一些实施例中，微机电系统(MEMS)制造工艺用于构造腔102。腔102包括导电内表面120以及非导电孔122和非导电孔124。具有导电内表面120的腔102形成波导。非导电孔122提供通向腔102的电磁场入口。非导电孔124提供从腔102离开的电磁场出口。
腔102包含蒸汽分子104和蒸汽分子106。分子104和分子106是偶极分子，其在不同频率下表现出量子旋转状态跃迁。偶极分子104在不受腔102内的压力影响的频率下表现出量子旋转状态跃迁。例如，随着腔102内的压力增加，偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率保持恒定。在一些实施例中，偶极分子104是水分子(H2O)。在一些实施例中，偶极分子104是除水以外的分子，其表现出不受压力影响的量子旋转状态跃迁的频率。偶极分子106表现出随腔102内的压力而变化的量子旋转状态跃迁的频率。例如，随着腔102内的压力增加，偶极分子106的量子旋转状态跃迁的频率也提高。在一些实施例中，偶极分子106是三氟丙炔(CF3CCH)。在一些实施例中，偶极分子106是除CF3CCH以外的分子，其表现出随压力而变化的量子旋转状态跃迁的频率。在一些实施例中，偶极分子106经选择以具有与偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率相对接近的量子旋转状态跃迁的频率，以使天线108和天线110以及系统600的其他组件必须在其上工作的频带变窄。在至少一些实施例中，偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率在偶极分子106的量子旋转状态跃迁的频率范围之外。
发射天线108靠近非导电孔122设置，以将信号引入腔102中。接收天线110靠近非导电孔124设置，以检测离开腔102的信号。偶极分子104和偶极分子106中的每一个在分子的量子旋转状态跃迁的频率下吸收通过腔102传播的信号的能量。因此，在分子104的量子旋转状态跃迁的频率下从腔102接收的信号的幅度将相对于相邻频率减小，并且实施例通过监测由接收天线110检测到的信号的幅度来确定分子104和分子106中的每一个的量子旋转态跃迁的频率。如上所述，偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率以及峰吸收频率不随压力而变化。因此，对于腔102的所有内部压力，偶极分子104的峰吸收频率将是恒定的。像偶极分子104一样，偶极分子106在量子旋转状态跃迁的频率下产生检测到的信号幅度的变化。如上所述，偶极分子106的量子旋转状态跃迁的频率随腔102的内部压力而变化。实施例通过识别由偶极分子106吸收的峰信号的频率来确定偶极分子106的量子旋转状态跃迁的频率。
因为偶极分子104的峰吸收频率是压力不变的，并且偶极分子106的峰吸收频率是压力的函数，所以偶极分子104的峰吸收频率和偶极分子106的峰吸收频率之间的差与腔102内的压力直接相关。实施例基于在给定时间偶极分子104和偶极分子106的峰吸收频率之差来确定给定时间在腔102内的压力。
PLL 114耦合到发射天线108。在一些实施例中，检测器电路112包括驱动器电路(未示出)，以将PLL 114的输出驱动到发射天线108。PLL 114生成包括偶极分子104和偶极分子106的峰吸收频率的频率范围(例如，频率扫描)。因此，经由发射天线108驱动到腔102中的信号的频率随时间而变化，并且包括偶极分子104和偶极分子106的峰吸收频率。例如，如果偶极分子104的峰吸收的随压力不变的频率为FI，并且偶极分子106的峰吸收的随压力变化的频率的范围从F2到F3(其中F3>F2>F1)，则PLL 114生成具有小于FI的起始频率和大于F3的结束频率的频率扫描。
由PLL 114生成的信号通过腔102传播到接收天线110。频率识别电路116接收由接收天线110检测到的信号，并对接收到的信号进行处理，以确定偶极分子104的峰吸收的频率和偶极分子106的峰吸收的随压力变化的频率。例如，频率识别电路116的实施例包括将接收到的信号和PLL 114的输出相乘的混频器以及从乘法器的输出生成DC信号的低通滤波器，其中DC信号代表在由PLL 114生成的频率下从腔102接收的信号的幅度。频率识别电路116的实施例将峰吸收的频率识别为滤波器输出中的局部最小值。在各种实施例中，分子104和分子106的峰吸收频率之间的差被识别为局部极小值之间的时间差、与对应于局部极小值的频率相关联的PLL 114中的控制电压的差或者对应于由PLL 114在局部最小值生成的频率的其他值的差。
频率识别电路系统116向压力监测电路604提供对应于分子104和分子106的峰吸收频率之间的差或对应于分子104和分子106的峰吸收频率的值。压力监测电路系统604基于分子104和分子106的峰吸收频率之差生成代表腔102内的压力的值。例如，压力监测电路系统604的实施例包括将压力与分子104和分子106的峰吸收频率之差相关的表，并且压力确定电路118基于频率之差访问该表以检索压力值。压力监测电路604的一些实施例基于频率之差来计算压力值。例如，在一些实施例中，压力是频率之差的线性或非线性函数，并且在频率之差下评估该函数，以产生腔102中的压力值。压力监测电路604的一些实施例向时钟发生器600外部的电路提供腔压力值。给定腔102内的压力值，压力监测电路604的一些实施例将压力值与上限值和/或下限值进行比较。如果腔102内的压力值超过上限值或小于下限值，则压力监测电路604向时钟发生器600外部的电路发送警报信号，以通知外部电路腔压力的变化可影响时钟发生器600的操作。
时钟发生电路602耦合到频率识别电路116。时钟发生电路602产生输出时钟信号，该输出时钟信号的频率被锁定到偶极分子104的峰吸收频率。在一些实施例中，时钟发生电路602包括振荡器(例如，晶体振荡器)，其频率基于偶极分子104的峰吸收的频率来调节。因此，由时钟发生电路生成的输出时钟信号是压力和温度不变的，并且锁定到不会随时间而变化的频率参考(例如，偶极分子104的量子旋转状态跃迁的频率)。
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中修改是可能的，并且在其他实施例也是可能的。
Claims (20)
1.一种压力换能器，包括：
腔；
第一偶极分子，其设置在所述腔内；
第二偶极分子，其设置在所述腔内；
其中：所述第一偶极分子在相对于腔压力的固定频率下表现出量子旋转状态跃迁；并且所述第二偶极分子在随腔压力变化的频率下表现出量子旋转状态跃迁。
2.根据权利要求1所述的压力换能器，其中所述固定频率在随腔压力变化的频率的范围之外。
3.根据权利要求1所述的压力换能器，还包括：
第一天线，其耦合到所述腔，其中所述第一天线被配置成将信号发射到所述腔中；以及
第二天线，其耦合到所述腔，其中所述第二天线被配置成从所述腔接收信号。
4.根据权利要求3所述的压力换能器，还包括耦合到所述第二天线的检测器电路，所述检测器电路被配置成确定所述第一偶极分子的峰吸收频率和所述第二偶极分子的峰吸收频率。
5.根据权利要求4所述的压力换能器，其中所述检测器电路包括：
锁相环(PLL)，其被配置成扫描包括所述固定频率和所述随腔压力变化的频率的频率范围；以及
频率识别电路，其被配置成基于由所述PLL扫描的频率来确定所述第一偶极分子的所述峰吸收频率和所述第二偶极分子的所述峰吸收频率。
6.根据权利要求4所述的压力换能器，还包括压力确定电路，所述压力确定电路被配置成基于所述第一偶极分子的所述峰吸收频率和所述第二偶极分子的所述峰吸收频率之差来确定所述腔中的压力值。
7.根据权利要求1所述的压力换能器，其中所述第一分子是H2O，并且所述第二分子是CF3CCH。
8.一种用于测量腔中的压力的方法，包括：
将信号发射到所述腔中，其中所述腔包含：第一偶极分子，其在相对于腔压力的固定频率下表现出量子旋转状态跃迁；和第二偶极分子，其在随腔压力变化的频率下表现出量子旋转状态跃迁；以及
基于所述第一偶极分子和所述第二偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率之差确定所述腔中的所述压力。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述固定频率与所述随腔压力变化的频率的范围不重叠。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
经由耦合到所述腔的接收天线接收从所述腔输出的信号；
其中所述发射包括驱动耦合到所述腔的发射天线。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括处理从所述腔输出的信号，以识别所述第一偶极分子的峰吸收频率和所述第二偶极分子的峰吸收频率。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在包括所述固定频率和所述随腔压力变化的频率的范围内生成频率扫描；以及
基于所述频率扫描确定所述第一偶极分子的所述峰吸收频率和所述第二偶极分子的所述峰吸收频率。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括基于所述第一偶极分子的所述峰吸收频率和所述第二偶极分子的所述峰吸收频率之差来确定所述腔中的所述压力。
14.一种时钟发生器，包括：
气密腔，其形成在硅衬底中以及设置在所述腔内的：第一偶极分子，其在相对于腔压力的固定频率下表现出量子旋转状态跃迁；并且第二偶极分子在随腔压力变化的频率下表现出量子旋转状态跃迁。
时钟发生电路，其被配置成基于所述第一偶极分子的所述固定频率生成输出时钟信号；以及
压力监测电路，其被配置成基于所述第一偶极分子和所述第二偶极分子的量子旋转状态跃迁的频率之差来确定所述腔内的压力。
15.根据权利要求14所述的时钟发生器，其中所述固定频率在所述随腔压力变化的频率的范围之外。
16.根据权利要求14所述的时钟发生器，还包括：
第一天线，其耦合到所述腔，其中所述第一天线被配置成将信号发射到所述腔中；以及
第二天线，其耦合到所述腔，其中所述第二天线被配置成从所述腔接收信号。
17.根据权利要求16所述的时钟发生器，还包括耦合到所述第二天线的频率识别电路，所述频率识别电路被配置成确定所述第一偶极分子的峰吸收频率和所述第二偶极分子的峰吸收频率。
18.根据权利要求17所述的时钟发生器，其中所述时钟发生电路被配置成基于所确定的所述第一偶极分子的峰吸收频率来生成所述输出时钟。
19.根据权利要求17所述的时钟发生器，其中所述压力监测电路被配置成基于所述第一偶极分子的所述峰吸收频率和所述第二偶极分子的所述峰吸收频率之差来确定所述腔中的压力值。
20.根据权利要求14所述的时钟发生器，其中所述压力监测电路被配置成基于所述第一偶极分子和所述第二偶极分子的量子旋转状态跃迁的所述频率之差在预定范围之外来生成警报信号。
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