CN1172185C - 用于减少非谐噪声的方法和传感器电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于在测量流体分析物浓度中使用的传感器电路由BAW传感器、与传感器相连的压变电容器、向压变电容器施加偏移牵引dc电压的输入端和谐振振荡器电路构成。谐振振荡器电路检测传感器的基频，并产生谐振信号频率。向压变电容器施加的偏移牵引dc电压牵引了电路的谐振频率，使其离开非谐噪声。

Description

用于减少非谐噪声的方法和传感器电路
相关申请的交叉参考
无
背景技术
体声波(BAW)化学传感器是用于测量在流体(气体和液体)中成分或分析物的浓度。这些声波器件通常由压电晶体构成，该压电晶体至少一侧敷有一种对要测量其浓度的分析物具有亲合性的材料。该器件放置在含有要测量的分析物的流体流中，并且分析物被吸收或吸附到敷层表面上。吸收的分析物或由声波器件吸收的分析物的量增加了器件的质量，并改变了器件表面的粘弹性，因而使器件的声波特性衰减。因此，改变了声波器件将要谐振的频率。
当声波器件集成到电子振荡器电路中时，器件谐振频率的变化改变了振荡器的工作频率。分析物的浓度可以通过测量振荡电路随时间的工作频率变化来确定。
这些化学传感器是设计在特定环境条件范围中工作，例如温度(例如-10℃到50℃)和湿度(例如0％到90％相对湿度)，并且能检测到目标分析物较小的浓度和浓度的很小变化。然而，分析物浓度的细小变化能使晶体谐振频率产生微小的改变。这样，例如，待测量的分析物的较小浓度可能会使额定谐振频率为10MHz的晶体频率改变约200Hz。因此，检测电路必须能高精度地检测出晶体的谐振频率。
然而，器件的粘弹性会受到器件所受热动态条件的影响。具体地说，温度和湿度会使晶体的特性“老化”，引起晶体粘弹性永久改变。粘弹性的变化会影响器件的动态特性，从而影响形成器件的晶体中的谐振速度。晶体谐振特性的改变经常产生不和谐的模式响应，该响应是在振荡器电路的工作频率上产生噪声。因而，消除检测电路中噪声的影响是很重要的。
发明内容
本发明利用时域信号处理来使体声波传感器的基频失真的非谐噪声减少。
本发明的一种形式是一种用于使体声波传感器的基频失真的非谐噪声减少的处理。压变电容器与传感器串联放置，来产生压控振荡器。压控振荡器与谐振振荡器并联放置来形成具有谐振频率的电路。反偏置直流(dc)电压施加在压变电容器上来改变其电容，因而使谐振频率偏离非谐噪声频率。
本发明的另一种形式是一种用于在测量流体中分析物浓度中使用的传感器电路。该电路包括体声波传感器。压变电容器与传感器相连。输入向电容器提供偏移牵引dc电压。谐振振荡电路检测传感器的基频，并且产生谐振信号频率。施加在压变电容器上的偏置dc电压使电路谐振频率偏离非谐噪声频率。
在一种形式中，传感器和电容器串联相连来形成依次与谐振振荡器并行相连的压控振荡器。
附图说明
图1是在本发明较佳实施例中使用的体声波化学传感器的顶视图。
图2是如图1所示的传感器沿线2-2的截面图。
图3是示出能使如图1和2所示传感器的基频失真的不和谐模式的频率图。
图4是说明本发明较佳实施例实现的电路图。
具体实施方式
图1是在本发明较佳实施例中使用的体声波(BAW)传感器18的顶视图，图2是截面图。金制电极10和24在基片12的相反表面20和22上厚度为50的铬籽晶层上沉积的厚度约300埃()。在电极10和表面裸露部分20上沉积有0.1到8微米的聚合物膜14。在底部电极24和表面裸露部分22上可选择沉积有相同聚合物材料的第二层26。在任一情况下，聚合物材料对要测量的分析物具有亲合性。传感器18放置在含有要测量的分析物的流体中，并且分析物被吸收或吸附到敷层表面上。基片12与电极10和24以及膜14和26的相加厚度确定了器件的谐振频率。因为一片或两片聚合物膜都吸收或吸附分析物，所以就改变了器件的谐振频率。电极10和24包括用于将传感器18连接到图4中各电路元件的端点。
图3是示出传感器18基频的不和谐失真的潜在影响的频率图。信号振幅在轴30上标绘，时间标绘在轴32上。T指示振荡周期；因此基频为1/T。图3示出由离开传感器18基频的不和谐模式所引起的信号失真。这些不和谐模式依据各种因素将传感器的基频转移多至1千赫(KHz)到10(KHz)。例如，传感器18中的人为因素能产生厚度剪切模式。应力和衰减特性也随时间而变化，并且变得更加明显，引起如图3所示的失真。另外，传感器18的粘弹性和动态损耗特性(即运动参量)通过改变热动态条件能加剧不和谐模式失真。温度和湿度使传感器18的晶体“老化”，引起其粘弹性的永久改变。
在任一情况下，传感器18谐振特性的变化产生不和谐模式，并且在传感器的工作频率上产生噪声。波形34示出由传感器18产生的未失真的基频。波形36示出由使基频降低或减少的不和谐模式所引起的已失真基频。波形38示出由使基频升高或增加的不和谐模式所引起的已失真基频。
图4是使与传感器关联的检测振荡器的谐振频率牵引的本发明较佳实施例的电路图。电路利用时域信号处理，并且由与谐振振荡器电路并联的压控振荡器电路构成。压控振荡器电路包括传感器18、变容二极管40、基准偏移电容器C2、加法电阻器R1和R2、相移电容器C1和C3和输入44。传感器18具有一个与相移电容器C3连接的端点，相移电容器C3依次接地。传感器18的第二端点通过加法电阻器R2与输入44相连，并且与变容二极管40的阴极相连。变容二极管40最好是Zetex超一超陡变变容二极管，ZC932类型。变容二极管40起压变电容器的作用。变容二极管40上的反偏置电压的增加减少了其电容量。
变容二极管40的阳极通过第二加法电阻器R1接地，并且与基准偏移电容器C2相连。基准偏移电容器C2也通过第二相移电容器C1接地。
谐振振荡器电路与压控振荡器电路并行连接。在本较佳实施例中，谐振振荡器电路包括与电源+V相连的倒相器42、电阻器R3和R4和调谐电容器C4。电阻器R3与倒相器42的输入相连，并且也通过电容器C4接地。电阻器R4也通过电容器C4接地，并且也与倒相器42的输出相连。倒相器42的输入与电容器C1和C2的连接点相连，并且倒相器42的输出与传感器18和电容器C3的连接点相连，并与输出46相连。倒相器42是高增益线性放大器。电压+V向谐振振荡器电路提供电源。
输入电压44向变容二极管40的阴极提供了反偏置dc电压。偏压值由加法电阻器R1和R2和电容器C2设定，电容器C1和C3是能使电路启动的相移电容器。与传感器18串联的变容二极管40的可变电抗负载迫使传感器18的谐振频率发生变化。变化量依赖于电阻器R1和R2以及在44处的偏置DC电压输入值。输出46提供了具有已调整谐振频率的信号，减去了不和谐音。输出46与高分辩率计数器相连，例如在申请号08/968,081，1997.11.12由John P.Dilger和NileK.Dielschneider申请的“高频测量电路”(High Frequency Measuring Circuit)(并转让给与本申请相同的受让人)中所描述的计数器，本发明明显地减少导致频移或跳跃的噪声失真，并且明显增强了18的分辨率。
在正常条件下，具有10MHz正常频率的传感器18通常以约10赫兹(Hz)的最大误差振荡。然而，如先前所提及的，不和谐模式振荡能引起频率跳跃，因而使基频离开10兆赫兹(MHz)值多至1到10KHz(表示.01％到.1％的失真)。而传感器18必须具有高分辨率来测量分析物浓度中微小的变化。例如，测量的分析物的浓度可能将传感器18的初始10MHz频率改变约200Hz(表示.002％的变化)。因此，作为分析物浓度变化指示的测量频率变化是在由不和谐模式引起的失真变化中。因此，必须有效消除失真。通过适当设定如图4所示电路元件的值，频率牵引机制将把电路谐振频率拉回到传感器10MHz基本值。这样，在失真可能将传感器的基频改变10KHz(例如为9.990MHz)，牵引电路将通过选择合适的电阻器R1和R2以及偏置dc电压值把电路的初始谐振频率拉回到10.0MHz处。因此，离初始频率的偏移就是对分析物浓度的真实测量，没有受到噪声的影响。
44所提供的反偏置dc电压施加的电压电平为1、2.5和4伏。44施加的电压量由传感器18产生的噪声失真观测量确定，并且因此也由所需的频率牵引量确定。选中的反偏置电压施加在40上来向变容二极管提供选中的电容量。例如，1、2.5和4伏的偏置dc电压电平影响变容二极管40使其能分别提供17、9和5皮法(pF)的电容量，在Zetex ZC932二极管中。通常，R1和R2具有约100K欧姆的值。
虽然本发明已经结合较佳实施例进行了描述，但本领域的熟练技术人员可以意识到在不远离本发明精神和范畴的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (11)

1、一种用于减少使体声波传感器信号失真的非谐噪声影响的方法，所述信号具有基频，并且所述噪声具有一个或多个噪声频率，其特征在于，该方法包括下述步骤：
将压变电容器与所述传感器串联设置来构成压控振荡器；
将所述压控振荡器与谐振振荡器并联设置来构成具有谐振频率的电路；
在所述压变电容器上施加反偏置dc电压来改变其电容量；并且
牵引谐振频率使其离开所述非谐噪声频率。
2、一种用于在测量流体中分析物浓度的传感器电路，其特征在于，包括：
体声波传感器；
与所述传感器串联的压变电容器，以形成压控振荡器；
用于向压变电容器提供偏移牵引dc电压的输入端；和
与所述压控振荡器并联，用于检测所述传感器基频并产生谐振信号频率的谐振振荡器电路，借此施加给所述压变电容器的偏置dc电压牵引电路的谐振频率使其离开非谐噪声。
3、如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述传感器包括：
具有第一和第二相反表面的晶体基片，确定了预定厚度；
在所述第一表面上的第一电极；
在所述第二表面上的第二电极；
至少在所述第一电极一部分上具有对预定分析物具有亲合性的第一材料层；和
具有各自厚度的所述第一和第二电极以及第一材料层，因此，所述晶体基片以预定谐振频率谐振，所述晶体基片依据晶体第一层对分析物的裸露来改变其基频。
4、如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述压变电容器是具有阴极和阳极的变容二极管，并且所述输入与所述阴极相连。
5、如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述输入与所述传感器和压变电容器相连。
6、如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述压控振荡器进一步包括：
与所述传感器第一侧相连的相移电容器；和
在输入和压变电容器与所述传感器第二侧间的连接点之间相连的加法电阻器。
7、如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述压控振荡器进一步包括：
与所述压变电容器串联的基准偏移电容器。
8、如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述压控振荡器进一步包括：
与所述基准偏移电容器相连的第二相移电容器。
9、如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述压控振荡器进一步包括：
在所述基准偏移电容器和压变电容器之间的连接点相连的第二加法电阻器。
10、如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述谐振振荡器电路包括：
与所述压控振荡器并联的逻辑倒相器，所述倒相器与电源相连；
与所述倒相器并联的第一和第二电阻器；和
在基准和第一与第二电阻器间的连接点之间相连的变向电容器。
11、如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述逻辑倒相器是作为高增益线性放大器，并且具有一个输入和一个输出。
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