ES2245614B1 - Read system for monolithic semiconductor resonant mechanical transducer element, has polarizer which is connected between input and output nodes of amplifier in order to polarize input node by connecting same to output node - Google Patents
Read system for monolithic semiconductor resonant mechanical transducer element, has polarizer which is connected between input and output nodes of amplifier in order to polarize input node by connecting same to output nodeInfo
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Abstract
Description
Sistema de lectura para un elemento transductor mecánico.Reading system for a transducer element mechanic.
La presente invención se refiere a un sistema de lectura para un elemento transductor mecánico, y más concretamente, a un sistema de lectura de muy alta sensibilidad para resonadores mecánicos monolíticos.The present invention relates to a system of reading for a mechanical transducer element, and more specifically, to a very high sensitivity reading system for resonators monolithic mechanics
En la actualidad existe un gran interés en el desarrollo de sistemas de lectura de sensores, de muy alta sensibilidad. Ejemplos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) comprenden sensores para detectar diferentes tipos de propiedades físicas o químicas [O. Brand, H.Baltes. Micromachined resonant sensors. An overview. Sensors, vol.4, Wiley-VCH (1998)]. Los sensores MEMS "físicos" se basan en un elemento que transduce la magnitud física a detectar (e.g. masa, aceleración, presión, carga eléctrica, etc.) en una señal eléctrica. En los sensores "químicos" o "bioquímicos" el compuesto o la molécula que quiere detectarse es absorbida selectivamente por el elemento transductor, gracias a la previa funcionalización de su superficie mediante una capa de un material que "atrapa" la molécula a medir. Cuando se produce este atrapamiento, la masa de la molécula que se deposita es detectada por el sensor.At present there is great interest in the development of sensor reading systems, of very high sensitivity. Examples of microelectromechanical systems ( MEMS ) comprise sensors to detect different types of physical or chemical properties [O. Brand, H.Baltes. Micromachined resonant sensors. An overview Sensors, vol.4, Wiley-VCH (1998)] . "Physical" MEMS sensors are based on an element that transduces the physical magnitude to be detected (eg mass, acceleration, pressure, electrical charge, etc.) in an electrical signal. In "chemical" or "biochemical" sensors, the compound or molecule to be detected is selectively absorbed by the transducer element, thanks to the previous functionalization of its surface by a layer of a material that "traps" the molecule to be measured. When this entrapment occurs, the mass of the molecule that is deposited is detected by the sensor.
Una mayor reducción de las dimensiones del elemento transductor mecánico lleva a una nueva generación de sistemas llamados nanoelectromecánicos (NEMS), que representan una mejora en la sensibilidad, la resolución espacial, la eficiencia energética y la respuesta temporal. Dichos sistemas NEMS se encuentran descritos, por ejemplo, en [M.L.Roukes. Nanoelectromechanical systems. Technical Digest of the 2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Isi., SC, 6/4-8/2000 (ISBN 0- 9640024-3-4)], [H. G. Craighead, Nanoelectromechanical Systems. Science, vol. 290, 1532-1535 (2000)] o [R.Berger, Ch.Gerber, H. P. Lang, J.K.Gimzewski. Micromechanics: A Toolbox for Femtoscale Science: "Towards a Laboratory on a Tip". Microelectronic Eng. 35, 373-379 (1997)].A further reduction in the dimensions of the mechanical transducer element leads to a new generation of systems called nanoelectromechanics ( NEMS ), which represent an improvement in sensitivity, spatial resolution, energy efficiency and temporal response. Such NEMS systems are described, for example, in [MLRoukes. Nanoelectromechanical systems. Technical Digest of the 2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Isi., SC, 6 / 4-8 / 2000 (ISBN 0-9640024-3-4)] , [HG Craighead, Nanoelectromechanical Systems. Science, vol. 290, 1532-1535 (2000)] or [R. Berger, Ch. Gerber, HP Lang, JKGimzewski. Micromechanics: A Toolbox for Femtoscale Science: "Towards a Laboratory on a Tip". Microelectronic Eng. 35, 373-379 (1997)] .
Los sistemas MEMS/NEMS basados en palancas (ver Fig.1), consistentes en una palanca o varias palancas en forma de matriz, se caracterizan por la gran simplicidad del elemento transductor [N.V.Lavrik, M.J.Sepaniak, P.G.Datskos. Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors. Review of Scientific Instruments, vol. 75, nº 7, 2229-2253 (2004)]. Su funcionamiento se basa en la transducción que produce la magnitud que se quiere medir en la actuación mecánica de la palanca de dimensiones micrométricas y sub-micrométricas. El principio de transducción consiste en la deflexión de la palanca (sensores DC o de deflexión continua) o en la alteración de alguna característica de su movimiento vibratorio, producido en este caso por un sistema de excitación (sensores AC o resonantes). La deflexión o variación de la oscilación de la palanca se detecta mediante un sistema de lectura óptico o eléctrico que proporciona una señal eléctrica a la salida del sensor. MEMS / NEMS systems based on levers (see Fig. 1), consisting of a lever or several matrix-shaped levers, are characterized by the great simplicity of the transducer element [NVLavrik, MJSepaniak, PGDatskos. Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors. Review of Scientific Instruments, vol. 75, No. 7, 2229-2253 (2004)] . Its operation is based on the transduction that produces the magnitude that you want to measure in the mechanical performance of the lever of micrometric and sub-micrometric dimensions. The principle of transduction consists in the deflection of the lever (DC or continuous deflection sensors) or in the alteration of some characteristic of its vibratory movement, produced in this case by an excitation system (AC or resonant sensors). The deflection or variation of the oscillation of the lever is detected by an optical or electrical reading system that provides an electrical signal at the sensor output.
Existen diversas ventajas de utilizar dicha estructura de palanca como sensor, entre las que destacan la simplicidad del elemento transductor, la posibilidad de configuración en matriz (arrays), y la capacidad de transducción de casi cualquier dominio de señal con gran sensibilidad. Aunque los sensores basados en palancas o micropalancas tienen su origen y principal impulso en los microscopios de sonda atómica (principalmente microscopios de fuerza), dichos sensores permiten detectar multitud de propiedades físicas y/o químicas con gran resolución, tales como temperatura, presión, aceleración, masa, o reacciones químicas que produzcan cambios de estrés superficial [H.P.Lang, M.Hegner, E.Meyer, Ch.Gerber. Nanomechanics from atomic resolution to molecular recognition 30 based on atomic force microscopy technology. Tutorial. Nanotechnology, 13.R29-R36 (2002)].There are several advantages of using said lever structure as a sensor, among which the simplicity of the transducer element, the possibility of array configuration ( arrays ), and the transduction capacity of almost any signal domain with great sensitivity. Although the sensors based on levers or micro-levers have their origin and main impulse in atomic probe microscopes (mainly force microscopes), these sensors allow to detect a multitude of physical and / or chemical properties with high resolution, such as temperature, pressure, acceleration , mass, or chemical reactions that produce changes in surface stress [HPLang, M.Hegner, E.Meyer, Ch.Gerber. Nanomechanics from atomic resolution to molecular recognition 30 based on atomic force microscopy technology. Tutorial. Nanotechnology, 13.R29-R36 (2002)] .
Los métodos de excitación y detección de la oscilación de la palanca pueden ser ópticos, piezoresistivos o piezoeléctricos, capacitivos, magnéticos o dependientes de la temperatura. Actualmente, los sistemas de detección ópticos (diodo láser y fotodetector) son los que se pueden traducir en una resolución más alta debido al desacoplo eléctrico entre el sistema mecánico y el electrónico, tal como se describe en [F.M.Battiston, J.P.Ramseyer, H. P.Lang, M. K.Balter, Ch. Gerber, J. K. G imzewski, E. Meyer, H. J. Güntherodt. A chemical sensor based on a microfabricated cantilever array with simultaneous resonance-frequency and bending readout. Sensors and Actuators (B), 77, 122-131 (2001)] y [T.Ono, X.Li, H.Miyashita, M.Esashi. Mass sensing of adsorbed molecules in sub-picogram sample with ultrathin silicon resonator. Rey. Sci.lnstrum. 74. 1240-1243. (2003)]. Pero este tipo de detección no puede ser aplicable en el caso de palancas de dimensiones nanométricas (inferiores a los 100 nm), tal como los sistemas NEMS, debido al límite de difracción, además de suponer una mayor complejidad en el sistema y un menor grado de integrabilidad. Dichos inconvenientes se basan principalmente en el hecho de que es necesario un haz de luz láser que enfoque a la palanca y un fotodetector que la pueda detectar, de modo que, dependiendo de la sombra que haga el láser, se obtenga una señal. Por lo tanto, la complejidad en la realización de sistemas integrados de este tipo es evidente, puesto que es necesario alinear mecánicamente de manera precisa el haz del láser con la parte mecánica (e.g. un sensor basado en palanca) y el fotodetector.The methods of excitation and detection of the oscillation of the lever can be optical, piezoresistive or piezoelectric, capacitive, magnetic or temperature dependent. Currently, the optical detection systems (laser diode and photodetector) are the ones that can be translated into a higher resolution due to the electrical decoupling between the mechanical and the electronic system, as described in [FMBattiston, JPRamseyer, HPLang, MKBalter, Ch. Gerber, JK G imzewski, E. Meyer, HJ Güntherodt. A chemical sensor based on a microfabricated cantilever array with simultaneous resonance-frequency and bending readout. Sensors and Actuators (B), 77, 122-131 (2001)] and [T.Ono, X.Li, H.Miyashita, M.Esashi. Mass sensing of adsorbed molecules in sub-picogram sample with ultrathin silicon resonator. King. Sci.lnstrum. 74. 1240-1243. (2003)] . But this type of detection cannot be applicable in the case of levers of nanometric dimensions (below 100 nm), such as NEMS systems, due to the diffraction limit, in addition to assuming greater complexity in the system and a lower degree of integrability These drawbacks are mainly based on the fact that a laser beam that focuses on the lever and a photodetector that can detect it is necessary, so that, depending on the shadow made by the laser, a signal is obtained. Therefore, the complexity in the realization of integrated systems of this type is evident, since it is necessary to mechanically align the laser beam with the mechanical part (eg a lever-based sensor) and the photodetector.
La tendencia actual de disminuir las dimensiones del transductor mecánico en la nueva generación de sistemas micro/nanoelectromecánicos (M/NEMS) hace que el sistema de lectura usado para detectar el movimiento de la estructura (e.g. una palanca) sea un tópico de interés, quedando prácticamente excluidos los sistemas ópticos por los inconvenientes citados con anterioridad.The current tendency to reduce the dimensions of the mechanical transducer in the new generation of micro / nanoelectromechanical systems (M / NEMS) makes the reading system used to detect the movement of the structure (eg a lever) a topic of interest, remaining practically excluded optical systems due to the aforementioned problems.
En la Fig.1 se puede ver un ejemplo de sensor basado en palanca según el estado de la técnica, en el que el sensor de masa 10 comprende una palanca 11 que resuena paralelamente a un electrodo 12 estático que permite la excitación de la palanca. La detección de la oscilación de la palanca se consigue detectando la corriente capacitiva inducida en la interfase entre el electrodo 12 de polarización y la palanca 11, que es proporcional a cambios de la capacidad formada por el electrodo de polarización y la palanca.An example of a sensor can be seen in Fig. 1 based on lever according to the state of the art, in which the mass sensor 10 comprises a lever 11 that resonates parallel to a static electrode 12 that allows excitation of the lever. Lever swing detection is achieved by detecting the capacitive current induced at the interface between the polarization electrode 12 and the lever 11, which is proportional to changes in the capacity formed by the electrode of polarization and lever.
Este tipo de detección fácilmente permite la integración monolítica del sistema M/NEMS, evitando la complejidad y costes de sistemas similares que usan otras técnicas como pueden ser las ópticas [J.Fritz et al. Translating biomolecular Recognition into Nanomechanics. Science, vol. 288, 316-318 (2000)]. Dicha transducción electroestática, y debido a las pequeñas 15 dimensiones de los elementos mecánicos, requiere la minimización de la capacidad parásita, ya que la magnitud de la corriente que se va a detectar es proporcional a la capacidad de acoplo entre la palanca y el electrodo-polarizador, que suele estar en el rango de 10^{-16}-10^{-18} F.This type of detection easily allows the monolithic integration of the M / NEMS system , avoiding the complexity and costs of similar systems using other techniques such as optics [J.Fritz et al. Translating biomolecular Recognition into Nanomechanics. Science, vol. 288, 316-318 (2000)] . Said electrostatic transduction, and due to the small dimensions of the mechanical elements, requires minimization of the parasitic capacity, since the magnitude of the current to be detected is proportional to the coupling capacity between the lever and the electrode. polarizer, which is usually in the range of 10 - 16 - 10 - 18 F.
El uso de técnicas conmutadas para los circuitos de lectura está ampliamente extendido para los sensores capacitivos tales como los acelerómetros, ya que son técnicas más insensibles a las capacidades parásitas [N. Yazdi et al., "A generic interface chip for capacitive sensors in low-power multi-parameter Microsystems", Sensors and Actuators, vol. 84, pp. 351-361 (2000)]. Ejemplos de uso de dichas técnicas están descritas en [B. E. Boser and R. T. Howe, "Surface Micromachined Accelerometers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 31, no. 3 (1996)] y [C. Lu, M. Lemkin and B. E. Boser, "A Monolithic Surface Micromachined Accelerometer with Digital Output", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 30, no. 12 (1995)]. Sin embargo, el uso de estas técnicas en sistemas resonantes donde la frecuencia de la señal del sensor está en el rango de los MHz (para incrementar la sensibilidad del sensor), no es directamente extrapolable.The use of switched techniques for reading circuits is widespread for capacitive sensors such as accelerometers, since they are more insensitive techniques to parasitic capacities [N. Yazdi et al., "A generic interface chip for capacitive sensors in low-power multi-parameter Microsystems", Sensors and Actuators, vol. 84, pp. 351-361 (2000)] . Examples of use of such techniques are described in [BE Boser and RT Howe, "Surface Micromachined Accelerometers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 31, no. 3 (1996)] and [C. Lu, M. Lemkin and BE Boser, "A Monolithic Surface Micromachined Accelerometer with Digital Output", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 30, no. 12 (1995)] . However, the use of these techniques in resonant systems where the frequency of the sensor signal is in the range of MHz (to increase the sensitivity of the sensor), is not directly extrapolated.
Así, por ejemplo, en la Fig.2 se puede ver un sistema de lectura, según el estado de la técnica, para un sensor de masa 10 basado en palanca 11 excitado mediante una tensión de excitación Vexc aplicada al electrodo estático 12 del sensor (ver también Fig.1), para provocar que la palanca resuene paralelamente al electrodo citado. La detección de la oscilación de la palanca se consigue mediante la lectura de la corriente capacitiva inducida en la interfase entre el electrodo y la palanca, siendo dicha corriente capacitiva proporcional a cualquier cambio en la capacidad formada por el electrodo y la palanca. Por lo tanto, cualquier cambio en la capacidad quedará reflejado en la corriente capacitiva.Thus, for example, in Fig. 2 you can see a reading system, according to the state of the art, for a sensor mass 10 based on lever 11 excited by a voltage of Vexc excitation applied to static sensor electrode 12 (see also Fig. 1), to cause the lever to resonate in parallel to the aforementioned electrode. Lever swing detection is achieved by reading the capacitive current induced in the interface between the electrode and the lever, said current being capacitive proportional to any change in the capacity formed by the electrode and the lever. Therefore, any change in the capacity will be reflected in the capacitive current.
El sistema de lectura de la Fig.2, destinado a detectar y amplificar dichos posibles cambios de la capacidad C(t) formada por el electrodo 12 y la palanca 11 resultantes del movimiento resonante de la palanca, se basa en la detección de la tensión en AC (corriente alterna) en el nodo Vin, resultante del divisor de tensión capacitivo formado por la capacidad a medir C(t) y la suma de todas las capacidades que cuelgan del nodo Vin, cuya suma recibe el nombre de capacidad parásita y corresponde, según la Fig.1, a Cd+Csb+Ci. Evidentemente, el sistema de lectura de la Fig.2 requiere una correcta polarización del circuito de detección 20 que actúa a modo de buffer, fijando la tensión DC (corriente continua) del nodo Vin. Dicha polarización se consigue mediante la utilización de Rbias, que es un elemento con una 25 resistencia muy superior a la impedancia de la capacidad Cd (asociada a Rbias) a la frecuencia de interés, para que la señal no experimente ninguna atenuación. De este modo se consigue que la corriente capacitiva circule prácticamente sólo por la capacidad y no circule a través del elemento resistivo Rbias.The reading system of Fig. 2, intended to detect and amplify said possible changes in the capacity C (t) formed by the electrode 12 and the lever 11 resulting from the resonant movement of the lever, is based on the detection of the voltage in AC (alternating current) in the Vin node, resulting from the capacitive voltage divider formed by the capacity to be measured C (t) and the sum of all the capacities hanging from the Vin node, whose sum is called parasitic capacity and corresponds , according to Fig. 1, at Cd + Csb + Ci. Obviously, the reading system of Fig. 2 requires a correct polarization of the detection circuit 20 acting as a buffer , setting the DC voltage (direct current) of the Vin node. This polarization is achieved through the use of Rbias, which is an element with a resistance much higher than the impedance of the Cd capacity (associated with Rbias) at the frequency of interest, so that the signal does not experience any attenuation. In this way it is possible that the capacitive current circulates practically only by the capacity and does not circulate through the resistive element Rbias.
Por todo ello, la sensibilidad de los sistemas de lectura para elementos transductores conocidos está muy limitada.For all this, the sensitivity of the systems reading for known transducer elements is very limited
Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención proporcionar un sistema de lectura para un elemento transductor, con una muy alta sensibilidad.Therefore, it is an objective of the present invention provide a reading system for an element transducer, with a very high sensitivity.
Este objetivo se consigue de acuerdo con la reivindicación 1 proporcionando un sistema de lectura para un elemento transductor mecánico en el que los medios de polarización están conectados entre el nodo de entrada y el nodo de salida de los medios de amplificación, para polarizar el nodo de entrada conectándolo al nodo de salida.This objective is achieved in accordance with the claim 1 providing a reading system for a mechanical transducer element in which the polarization means are connected between the input node and the output node of amplification means, to polarize the input node connecting it to the output node.
De este modo, se consigue un sistema de lectura de muy alta sensibilidad al minimizarse fuertemente la capacidad parásita por hacerse prácticamente nula la capacidad del elemento de polarización, es decir, se consigue reducir fuertemente la contribución de la capacidad del elemento de polarización sobre el nodo de entrada de los medios de amplificación de tensión, por efecto Miller, ya que la ganancia de los medios de amplificación es aproximadamente igual a la unidad.In this way, a reading system is achieved of very high sensitivity when capacity is minimized strongly parasite because the capacity of the element becomes practically nil of polarization, that is, it is possible to reduce the contribution of the polarization element capacity on the input node of the voltage amplification means, by Miller effect, since the gain of the amplification means is approximately equal to unity.
Cd_{Vin} = Cd (1 - G) \approx 0Cd_ {Vin} = Cd (1 - G) \ approx 0
Dicha configuración permite la integración de la corriente de desplazamiento usando la capacidad intrínseca de entrada de los medios de amplificación, polarizados a través de una retroalimentación mediante el elemento de polarización, siendo dicho elemento altamente resistivo.This configuration allows the integration of the displacement current using the intrinsic capacity of amplification media input, polarized through a feedback through the polarization element, being said highly resistive element.
Por otro lado, el elemento transductor puede estar contenido en un sustrato, estando el sustrato conectado a los medios de polarización a través del nodo de salida.On the other hand, the transducer element can be contained in a substrate, the substrate being connected to the polarization means through the output node.
Por lo tanto, la tensión en el nodo de salida también se utiliza para eliminar fuertemente la capacidad parásita entre la estructura mecánica (elemento transductor) y el sustrato que contiene dicha estructura mecánica.Therefore, the voltage at the output node It is also used to strongly eliminate parasitic capacity between the mechanical structure (transducer element) and the substrate which contains said mechanical structure.
Csb_{Vin} = Csb(1 - G) \approx 0Csb_ {Vin} = Csb (1 - G) \ approx 0
Por consiguiente, se consigue maximizar la sensibilidad del sistema de lectura al reducir todas las capacidades parásitas que cuelgan del nodo de entrada. Así, la tensión de salida del sistema se puede expresar aproximadamente mediante la siguiente ecuación:Consequently, maximization of reading system sensitivity by reducing all parasitic capacities hanging from the input node. So, the system output voltage can be expressed approximately by the following equation:
Vo = Vexc \frac{C(t)}{C(t) + Ci}Vo = Vexc \ frac {C (t)} {C (t) + Ci}
Preferentemente, los medios de amplificación, tal como un amplificador de tensión, pueden presentar una ganancia muy próxima a la unidad y una muy alta impedancia de entrada con una capacidad de entrada muy baja. Además, puede ser necesario que en su característica de transferencia estática exista un punto tal que Vin(DC) sea igual a Vo(DC).Preferably, the amplification means, such as a voltage amplifier, they can present a gain very close to the unit and a very high input impedance with a very low input capacity. In addition, it may be necessary that in its static transfer characteristic there is such a point that Vin (DC) is equal to Vo (DC).
El hecho de que la ganancia sea unitaria permite, por efecto Miller, reducir fuertemente la contribución de la capacidad entre el sustrato y la estructura mecánica y la capacidad del elemento de polarización sobre el nodo de entrada, según la configuración del sistema de lectura de la invención.The fact that the gain is unitary allows, by Miller effect, strongly reduce the contribution of the capacity between the substrate and the mechanical structure and the capacity of the polarization element on the input node, according to the configuration of the reading system of the invention.
De acuerdo con una realización preferida de la invención, los medios de polarización pueden comprender un elemento altamente resistivo, del orden de 10^{8}\Omega o superior, tal como un dispositivo semiconductor. De entre los dispositivos semiconductores conocidos destacan principalmente los diodos polarizados en cero y los transistores en subumbral. La utilización de dicho elemento altamente resistivo se debe a que la resistencia del elemento de polarización debe ser mucho más elevada que la impedancia de la capacidad de dicho elemento a la frecuencia de interés, para que la señal no experimente ninguna atenuación. La utilización de un dispositivo semiconductor se debe a que tienen una impedancia elevada sin tener que ocupar mucha área.According to a preferred embodiment of the invention, the polarization means may comprise an element highly resistive, of the order of 10 8 \ Omega or higher, such As a semiconductor device. Between the devices Known semiconductors mainly highlight diodes polarized at zero and transistors in subthreshold. The utilization of said highly resistive element is because the resistance of the polarization element must be much higher than the impedance of the capacity of said element at the frequency of interest, so that the signal does not experience any attenuation. The The use of a semiconductor device is because they have a high impedance without having to occupy a lot of area.
Preferiblemente, el elemento transductor comprende un resonador mecánico monolítico, tal como una palanca.Preferably, the transducer element comprises a monolithic mechanical resonator, such as a lever.
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los cuales, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.For greater understanding of how much has been exposed Drawings are accompanied in which, schematically and only to non-limiting example title, a case study of realization.
En los dibujos:In the drawings:
Fig.1 muestra un diagrama esquemático de un sensor de masa basado en palanca de acuerdo con el estado de la técnica;Fig. 1 shows a schematic diagram of a lever based mass sensor according to the state of the technique;
Fig.2 muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de un sistema de lectura para un resonador mecánico de acuerdo con el estado de la técnica;Fig. 2 shows a circuit-shaped diagram electrical of a reading system for a mechanical resonator of according to the state of the art;
Fig.3 muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de un sistema de lectura para un resonador mecánico de acuerdo con la presente invención;Fig. 3 shows a circuit-shaped diagram electrical of a reading system for a mechanical resonator of according to the present invention;
Fig.4 muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de un sistema de lectura capacitivo para una palanca que vibra lateralmente excitada electrostáticamente, de acuerdo con la invención;Fig. 4 shows a circuit-shaped diagram electrical of a capacitive reading system for a lever that vibrates laterally excited electrostatically, according to the invention;
Fig.5 muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de un amplificador de tensión (buffer) de ganancia unitaria con etapa de salida (UGB_OS) comprendido en el sistema de lectura de la Fig.3;Fig. 5 shows a diagram in the form of an electric circuit of a unit gain voltage amplifier ( buffer ) with output stage (UGB_OS) comprised in the reading system of Fig. 3;
Fig.6 y Fig.7 muestran diagramas en forma de gráficos de la respuesta (magnitud y fase) de transmisión medida del MEMS (Fig.6) y las formas de onda en el osciloscopio de los nodos Vo y Vexc para diferentes frecuencias (Fig.7).Fig. 6 and Fig. 7 show diagrams in the form of graphs of the measured transmission response (magnitude and phase) of the MEMS (Fig. 6) and the oscilloscope waveforms of the Vo and Vexc nodes for different frequencies (Fig. .7).
A continuación se realizará la descripción de una realización preferida de la invención en la que el sistema de lectura es capacitivo y se utiliza para detectar la oscilación de una palanca de escala sub-micrométrica integrada monolíticamente según una tecnología estándar CMOS. La palanca sub-micrométrica constituye el elemento transductor de un sensor ultrasensible de masa con resoluciones en el rango de los attogramos. El sistema de lectura presenta una capacitancia parásita total en el nodo de detección tan baja como 11 fF. Dicha capacitancia parásita se utiliza para integrar la corriente generada por el conjunto palanca-electrodo (driver) que se excita electrostáticamente, dando como resultado un sistema de lectura de alta sensibilidad y con un ancho de banda (BW) de casi 50 MHz (con una capacidad de carga de 30pF).The description of a preferred embodiment of the invention in which the system of reading is capacitive and is used to detect the oscillation of an integrated sub-micrometric scale lever monolithically according to a standard CMOS technology. The lever sub-micrometric constitutes the transducer element of an ultrasensitive mass sensor with resolutions in the range of We attograms them. The reading system presents a capacitance total parasite in the detection node as low as 11 fF. Bliss parasitic capacitance is used to integrate the current generated by the lever-electrode assembly (driver) which is excited electrostatically, resulting in a system High sensitivity reading with a bandwidth (BW) of almost 50 MHz (with a load capacity of 30pF).
En la Fig.3 se muestra el sistema de lectura de la realización preferida descrita. El electrodo 12 está excitado por una tensión de excitación Vexc, que provoca la resonancia de la palanca 11 paralelamente al electrodo. La detección de la oscilación de la palanca se consigue detectando la corriente capacitiva Ic inducida en la interfase entre el electrodo 12 y la palanca 11, la cual es proporcional a cualquier cambio de la capacidad C(t) formada por el electrodo y la palanca. Para realizar dicha detección, el sistema de lectura comprende un amplificador de tensión 20 que actúa a modo de buffer, cuyo nodo de entrada Vin (nodo de detección) está conectado a la salida del sensor 10, y un elemento de polarización Rbias del amplificador 20, que está conectado según una configuración de retroalimentación, conectando el elemento de polarización entre la entrada Vin y la salida Vo del amplificador 20. Dicho elemento de polarización es necesario para fijar la tensión DC (corriente continua) del nodo Vin para que el amplificador 20 esté correctamente polarizado. Esta polarización se realiza mediante cualquier elemento que presente una resistencia mucho más elevada que la impedancia de la capacidad Cp (capacidad parásita del sistema de lectura) a la frecuencia de interés para que la señal no experimente ninguna atenuación. Resulta necesario, por tanto, integrar resistencias del orden o superiores a 10^{18}\Omega. Para obtener una impedancia elevada sin tener que ocupar mucha área normalmente se utilizan dispositivos semiconductores como diodos en polarización cero, transistores en subumbral, etc. El sensor 10 comprende también un sustrato N-well que contiene la estructura mecánica, es decir, el conjunto palanca-electrodo (driver).In Fig. 3 the reading system of the described preferred embodiment is shown. The electrode 12 is excited by an excitation voltage Vexc, which causes the resonance of the lever 11 parallel to the electrode. The detection of the oscillation of the lever is achieved by detecting the capacitive current Ic induced at the interface between the electrode 12 and the lever 11, which is proportional to any change in the capacity C (t) formed by the electrode and the lever. To perform said detection, the reading system comprises a voltage amplifier 20 acting as a buffer , whose input node Vin (detection node) is connected to the output of the sensor 10, and a Rbias polarization element of the amplifier 20 , which is connected according to a feedback configuration, connecting the polarization element between the Vin input and the Vo output of the amplifier 20. Said polarization element is necessary to set the DC voltage (direct current) of the Vin node in order for the amplifier 20 It is correctly polarized. This polarization is carried out by any element that has a much higher resistance than the impedance of the Cp capacity (parasitic capacity of the reading system) at the frequency of interest so that the signal does not experience any attenuation. It is therefore necessary to integrate resistances of the order or greater than 1018 \ Omega. To obtain a high impedance without having to occupy a lot of area, semiconductor devices such as zero polarization diodes, sub-threshold transistors, etc. are normally used. The sensor 10 also comprises an N-well substrate containing the mechanical structure, that is, the lever-electrode assembly (driver).
La función del sistema de lectura es detectar y amplificar las pequeñas variaciones de capacidad (C(t)) resultantes del movimiento de la palanca 11 (resonador mecánico). Básicamente, se realiza la detección de la tensión en el nodo Vin resultante del divisor de tensión capacitivo formado por la capacidad a medir C(t), formada por el electrodo 12 y la palanca 11, y la suma de todas las capacidades que cuelgan del nodo Vin (Cp), por lo que Cp corresponde a Ci. Ello se debe a que, con la configuración de retroalimentación del elemento de polarización Rbias, la capacidad Cd de dicho elemento de polarización prácticamente se anula por efecto Miller, y lo mismo ocurre para la capacidad Csb formada entre la estructura mecánica y el sustrato al conectarse el nodo de salida Vo a la polarización del sustrato que contiene la estructura mecánica.The function of the reading system is to detect and amplify small variations in capacity (C (t)) resulting from the movement of lever 11 (mechanical resonator). Basically, the voltage detection is performed on the Vin node resulting from the capacitive voltage divider formed by the ability to measure C (t), formed by electrode 12 and the lever 11, and the sum of all the capabilities hanging from the node Vin (Cp), so Cp corresponds to Ci. This is because, with the polarization element feedback setting Rbias, the Cd capacity of said polarization element practically it is canceled by Miller effect, and the same happens for the Csb capacity formed between the mechanical structure and the substrate at connect the output node Vo to the polarization of the substrate that It contains the mechanical structure.
A continuación se realizará una descripción más detalla, comparando el sistema de lectura de la invención (Fig.3) y el sistema de lectura de la Fig.2 de acuerdo con el estado de la técnica.A further description will be made below. details, comparing the reading system of the invention (Fig. 3) and the reading system of Fig. 2 according to the state of the technique.
Según el esquema de la Figura 2, la tensión de salida Vo del buffer 20 se puede expresar conforme a la ecuación siguiente, referenciada como 1, donde Vexc es la tensión de excitación que se aplica al electrodo 12 con el objetivo de inducir la estructura a la resonancia, G es la ganancia del amplificador 20, Csb es la capacidad parásita entre la estructura mecánica y el substrato, Ci representa la capacidad de entrada del circuito y del conexionado con la estructura mecánica y Cd es la capacidad del elemento de polarización.According to the scheme in Figure 2, the voltage of Vo output of buffer 20 can be expressed according to the equation next, referenced as 1, where Vexc is the voltage of excitation that is applied to electrode 12 in order to induce the structure at resonance, G is the gain of the amplifier 20, Csb is the parasitic capacity between the mechanical structure and the substrate, Ci represents the input capacity of the circuit and the connected with the mechanical structure and Cd is the ability of the polarization element.
(1)Vo = Vexc \frac{C(t)}{C(t) + Csb + Ci + Cd} G(1) Vo = Vexc \ frac {C (t)} {C (t) + Csb + Ci + Cd} G
A partir de la ecuación anterior, se observa la necesidad de minimizar la capacidad parásita (Cp=Csb+Cd+Ci) si se desea aumentar la sensibilidad del sistema de detección. Del estado de la técnica se puede deducir que el valor de Cd es a veces superior al valor de las demás capacidades y por tanto limita la sensibilidad de este sistema de lectura.From the previous equation, the need to minimize parasitic capacity (Cp = Csb + Cd + Ci) if You want to increase the sensitivity of the detection system. Of the state from the technique it can be deduced that the value of Cd is sometimes higher than the value of the other capacities and therefore limits the sensitivity of this reading system.
En resumen, el elemento resistivo (Rbias) necesario para polarizar el buffer limita la sensibilidad del sistema de lectura, ya que su capacidad parásita Cp asociada es del mismo orden de magnitud que la capacidad intrínseca del buffer, por lo que se incrementa directamente o bien por efecto Miller.In summary, the resistive element (Rbias) necessary to polarize the buffer limits the sensitivity of the reading system, since its associated parasitic capacity Cp is of the same order of magnitude as the intrinsic capacity of the buffer, so it increases directly or by Miller effect.
En la Figura 3 se detalla el esquema eléctrico propuesto para minimizar la capacidad parásita (Cp) y por lo tanto maximizar la sensibilidad del sistema de detección. Este esquema tiene las siguientes características:The electrical scheme is detailed in Figure 3 proposed to minimize parasitic capacity (Cp) and therefore Maximize the sensitivity of the detection system. This scheme It has the following characteristics:
- a)to)
- Se utiliza el amplificador de tensión 20, que realiza las funciones de buffer y que tiene las siguientes características: ganancia muy próxima a la unidad, muy alta impedancia de entrada con una capacidad de entrada (Ci) muy baja y que en la característica de transferencia estática existe un punto tal que Vin(DC) es igual a Vo(DC).The voltage amplifier 20 is used, which performs the functions of buffer and has the following characteristics: gain very close to the unit, very high input impedance with a very low input capacity (Ci) and that in the transfer characteristic static there is a point such that Vin (DC) is equal to Vo (DC).
- b)b)
- El nodo de entrada (Vin) se polariza conectándolo a la salida del amplificador (Vo) mediante el elemento polarizador Rbias, más concretamente un dispositivo semiconductor (diodo polarizado en cero, transistores en subumbral , etc.) que ofrece una resistencia muy elevada pero que a la vez tiene asociada una capacidad parásita (Cd). Con este esquema se consigue reducir fuertemente la contribución de la capacidad (Cd) sobre el nodo de entrada (Vin) por efecto Miller (ecuación 2), ya que la ganancia, G, es aproximadamente igual a la unidad.He input node (Vin) is polarized by connecting it to the output of the amplifier (Vo) using the Rbias polarizing element, more specifically a semiconductor device (polarized diode in zero, sub-threshold transistors, etc.) offering resistance very high but at the same time has a parasitic capacity associated (CD). With this scheme it is possible to reduce the capacity contribution (Cd) over the input node (Vin) by Miller effect (equation 2), since the gain, G, is approximately equal to unity.
(2)Cd_{Vin} = Cd(1 - G) \approx 0(2) Cd_ {Vin} = Cd (1 - G) \ approx 0
- c)C)
- La tensión de salida del amplificador (Vo) también se utiliza para 15 eliminar fuertemente la capacidad parásita (Csb) mediante su conexión a la polarización del substrato que contiene la estructura mecánica (ecuación 3).The amplifier output voltage (Vo) is also used for 15 strongly eliminate parasitic capacity (Csb) by connection to the polarization of the substrate that contains the structure mechanics (equation 3).
(3)Csb_{Vin} = Csb(1 - G) \approx 0(3) Csb_ {Vin} = Csb (1 - G) \ approx 0
Por lo tanto, con el sistema de lectura de la Fig.3 se consigue maximizar su sensibilidad mediante la reducción de todas las capacidades parásitas que cuelgan del nodo de entrada Vin. En este caso, la tensión de salida Vo se puede expresar aproximadamente mediante la ecuación 4:Therefore, with the reading system of the Fig. 3 maximizes its sensitivity by reducing of all parasitic capacities hanging from the input node Vin In this case, the output voltage Vo can be expressed approximately by equation 4:
(4)Vo = Vexc \frac{C(t)}{C(t) + Ci}(4) Vo = Vexc \ frac {C (t)} {C (t) + Ci}
Así, el sistema de lectura de la Fig.3 tiene el siguiente funcionamiento. La palanca 11 es excitada aplicando una tensión al electrodo 12 (Vexc), la cual tiene una componente AC (corriente alterna), para excitar harmónicamente a la palanca, y un componente DC (corriente continua) para evitar que la palanca tenga que moverse a dos veces la frecuencia de la señal AC aplicada, así como para maximizar la corriente generada por el movimiento de la palanca. La corriente capacitiva Ic generada puede expresarse aproximadamente como:Thus, the reading system of Fig. 3 has the Next operation The lever 11 is excited by applying a voltage to electrode 12 (Vexc), which has an AC component (alternating current), to harmonically excite the lever, and a DC component (direct current) to prevent the lever from having have to move twice the frequency of the applied AC signal as well as to maximize the current generated by the movement of the lever. The capacitive current Ic generated can be expressed approximately as:
(5)I_{C}(t) = \frac{\partial}{\partial t}(C\text{.}V) \cong C_{p} \frac{\partial V_{AC}}{\partial t} + V_{DC} \frac{\partial C(t)}{\partial t}(5) I_ {C} (t) = \ frac {\ partial} {\ partial t} (C \ text {.} V) \ cong C_ {p} \ frac {\ partial V_ {AC}} {\ partial t} + V_ {DC} \ frac {\ partial C (t)} {\ partial t}
donde C es la capacidad formada por el electrodo y la palanca compuesta por un componente estático C_{p} más un componente variable C(t) que refleja las variaciones de la capacidad debidas al movimiento de la palanca. El primer término de la ecuación (4) es una corriente parásita generada por la tensión AC y el segundo término es la corriente de movimiento (I_{M}) que refleja la oscilación de la palanca.where C is the capacity formed by the electrode and the lever composed of a static component C_ {p} plus a variable component C (t) that reflects the capacity variations due to lever movement. He first term of equation (4) is a parasitic current generated by the AC voltage and the second term is the current of movement (I_ {M}) that reflects the oscillation of the lever.
Utilizando una aproximación uni-dimensional en la que el desplazamiento de la palanca es el mismo en la totalidad de la longitud de la palanca, se obtiene, para pequeños desplazamientos de la palanca, la siguiente ecuación, bajo excitación armónica:Using an approximation uni-dimensional in which the displacement of the lever is the same in the entire length of the lever, it obtains, for small displacements of the lever, the following equation, under harmonic excitation:
(6)I_{M} = V_{DC} \frac{\partial C}{\partial t} = V_{DC} \frac{\partial C}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial t} \cong V_{DC}C_{p} \omega \frac{A}{s_{o}} cos(\omega t)(6) I_ {M} = V_ {DC} \ frac {\ partial C} {\ partial t} = V_ {DC} \ frac {\ partial C} {\ partial z} \ frac {\ partial z} {\ partial t} \ cong V_ {DC} C_ {p} \ omega \ frac {A} {s_ {o}} cos (\ omega t)
donde A es la amplitud de la deflexión de la punta de la palanca, C_{p} y s_{o} son la capacitancia estática y la distancia entre la palanca y el electrodo, V_{DC} es la caída de tensión DC en C_{p} y \omega es la frecuencia de oscilación.where A is the amplitude of the deflection of the lever tip, C_ {p} and s_ {o} are the static capacitance and the distance between the lever and the electrode, V_ {DC} is the DC voltage drop in C_ {p} and \ omega is the frequency of oscillation.
Si I_{C} es integrada usando C_{i} según el circuito mostrado en la Fig.4, la salida del sistema de lectura V_{o} puede aproximarse por:If I_ {C} is integrated using C_ {i} according to circuit shown in Fig. 4, the output of the reading system V_ {o} can be approximated by:
(7)V \cong \frac{V_{DC}A}{s_{o}} \frac{C_{p}}{C_{p} + C_{i}} G(7) V \ cong \ frac {V_ {DC} A} {s_ {o}} \ frac {C_ {p}} {C_ {p} + C_ {i}} G
A partir de la última ecuación es posible deducir que un valor bajo de la capacitancia total en el nodo de detección (Ci) es preceptivo para maximizar la sensibilidad del sistema de lectura puesto que la tensión Vin es proporcional a 1/Ci. Se ha conseguido un valor muy bajo de Ci=11fF diseñando el sistema con las siguientes características:From the last equation it is possible deduce that a low value of the total capacitance in the node of detection (Ci) is mandatory to maximize the sensitivity of the reading system since the Vin voltage is proportional to 1 / Ci. A very low value of Ci = 11fF has been achieved by designing the system with the following characteristics:
- --
- La capacitancia intrínseca en el nodo Vin (capacitancia de entrada del circuito, capacitancia del conjunto palanca-sustrato y conexión al circuito) se utiliza como el condensador Ci integrado en lugar de un condensador explícito.The intrinsic capacitance on the Vin node (input capacitance of the circuit, capacitance of the lever-substrate assembly and connection to the circuit) is used as the integrated capacitor Ci instead of an explicit capacitor.
- --
- El amplificador de tensión se polariza mediante un diodo de polarización DC (D_{Bias}) conectado entre el nodo de detección Vin y el nodo Vo1, tal como se puede ver en la Fig.4. Puesto que no hay corriente DC a través del diodo, este actúa como una impedancia de valor extremadamente elevado (10^{15} ohmios). Dicho diodo se diseña de tal manera que la capacidad parásita formada entre el pozo y el substrato no esté en paralelo con C_{i}.He voltage amplifier is polarized by a diode of DC polarization (D_ {Bias}) connected between the detection node Vin and node Vo1, as can be seen in Fig. 4. Since no there is DC current through the diode, this acts as an impedance of extremely high value (10 15 ohms). Said diode is designs in such a way that the parasitic capacity formed between the well and the substrate is not in parallel with C_ {i}.
- --
- El diodo de polarización, u otro elemento de polarización, puede limitar la sensibilidad del sistema de lectura puesto que su capacitancia parásita, del mismo orden de magnitud que Ci, puede incrementar Ci directamente o por efecto Miller. En dicho diseño, la capacidad parásita se reduce considerablemente utilizando una configuración de retroalimentación que conecta el diodo entre los nodos Vo1 y Vin. Puesto que el circuito de lectura es el buffer 20 de ganancia unitaria (Vin/Vol \approx 1), el incremento de Ci por el efecto Miller es muy pequeño.He polarization diode, or other polarization element, can limit the sensitivity of the reading system since its parasitic capacitance, of the same order of magnitude as Ci, can increase Ci directly or by Miller effect. In that design, the parasitic capacity is reduced considerably using a feedback configuration that connects the diode between Vo1 and Vin nodes. Since the reading circuit is buffer 20 of unit gain (Vin / Vol \ approx 1), the increase of Ci by The Miller effect is very small.
La Fig.5 muestra el circuito de lectura basado en una topología de desplazador de nivel independiente de los valores umbrales (M1...M5) con una etapa de salida en configuración de seguidor por fuente (M8, M9). Es importante destacar que las dimensiones de los transistores están en micrómetros. Dicho circuito tiene una capacitancia de entrada baja (7,37fF) que se consigue utilizando la etapa de entrada en configuración de seguidor por fuente. El circuito tiene dos salidas: Vo1 que tiene una ganancia de 0,974 con respecto a Vin y se utiliza para polarizar Vin a través de un diodo y Vo que tiene la capacidad de cargar capacitancias elevadas (30pF) con un BW relativamente elevado que permite las medidas de test del circuito.Fig. 5 shows the reading based circuit in a level shifter topology independent of threshold values (M1 ... M5) with an output stage in configuration Follower by source (M8, M9). It is important to note that Transistor dimensions are in micrometers. Saying circuit has a low input capacitance (7.37fF) that is get using the input stage in follower configuration by source The circuit has two outputs: Vo1 which has a gain of 0.974 with respect to Vin and is used to polarize Vin through a diode and Vo that has the ability to charge high capacitances (30pF) with a relatively high BW that It allows the circuit test measurements.
La palanca tiene una longitud de 10 \mum, un ancho de 600 nm, un grosor de 925 nm y la separación entre la palanca y el electrodo es de 750 nm. Con dichos valores, el valor teórico de C_{p} es tan bajo como 0.1 fF.The lever has a length of 10 µm, a width of 600 nm, a thickness of 925 nm and the separation between the lever and electrode is 750 nm. With these values, the value Theoretical C_ {p} is as low as 0.1 fF.
El sistema se ha implementado en una tecnología estándar CMOS. La estructura mecánica está definida utilizando el proceso CMOS convencional. Al final se obtiene un chip encapsulado al que únicamente es necesario conectar la alimentación y leer su salida. Para integrarlo, como la palanca 11 tiene que presentar dimensiones muy reducidas y no se desea utilizar tensiones elevadas, es necesario, tal como se ha descrito anteriormente, minimizar todas las capacidades parásitas eléctricas que se generan por el propio sistema de integración.The system has been implemented in a technology CMOS standard. The mechanical structure is defined using the conventional CMOS process. In the end you get an encapsulated chip to which it is only necessary to connect the power and read its exit. To integrate it, as lever 11 has to present very small dimensions and you don't want to use tensions high, it is necessary, as described above, minimize all the parasitic electrical capacities that are generated by the integration system itself.
La capa estructural es una capa de Metal (capa superior) y la capa de sacrificio es el SiO_{2} existente bajo la estructura. Después del proceso CMOS estándar es necesario un post-proceso para liberar la palanca.The structural layer is a metal layer (layer upper) and the sacrificial layer is the SiO_ {2} existing under the structure. After the standard CMOS process, a post-process to release the lever.
En resumen, el sistema de lectura de la palanca resonante de escala de submicrómetro se ha fabricado e integrado monolíticamente con la estructura mecánica en una tecnología estándar CMOS. Dicho sistema de lectura está basado en un circuito de detección capacitivo y presenta una capacitancia parásita total en el nodo de detección tan baja como 11fF, que da lugar a un sistema de lectura de alta sensibilidad, que es el mejor resultado obtenido en la actualidad para una palanca capacitiva y comparable con los mejores resultados obtenidos por los sistemas ópticos. Todo ello demuestra la posibilidad del sistema de lectura de acuerdo con la invención de detectar la oscilación de una palanca de escala sub-micrométrica con una frecuencia de resonancia de alrededor de 6MHz.In short, the lever reading system Resonant submicrometer scale has been manufactured and integrated monolithically with the mechanical structure in a technology CMOS standard. Said reading system is based on a circuit of capacitive detection and presents a total parasitic capacitance at the detection node as low as 11fF, which results in a High sensitivity reading system, which is the best result currently obtained for a capacitive and comparable lever with the best results obtained by optical systems. All this demonstrates the possibility of the reading system according to the invention of detecting the oscillation of a scale lever sub-micrometric with a resonance frequency of around 6MHz.
Tanto en la Fig.6 como en la Fig.7 se presentan los resultados correspondientes a las medidas de la respuesta de transmisión (Vo/Vexc) del 10 sistema electromecánico. La palanca ha sido excitada con una tensión alterna de 1,6 Vpp y una tensión de polarización en continua de 18V.Both Fig. 6 and Fig. 7 are presented the results corresponding to the response measures of Transmission (Vo / Vexc) of the 10 electromechanical system. The lever has been excited with an alternating voltage of 1.6 Vpp and a voltage of 18V continuous polarization.
Dichas medidas han sido realizadas en condiciones de vacío (alrededor de 10^{-7} bars), bajo las cuales el resonador presenta un factor Q de 351 y una frecuencia de resonancia de 6,631 MHz. El gran desplazamiento de fase cerca de la resonancia hace posible la auto-excitación del resonador y usa dicho sistema como un oscilador.These measures have been carried out in vacuum conditions (around 10-7 bars), under which The resonator has a Q factor of 351 and a frequency of 6,631 MHz resonance. The large phase shift near the resonance makes possible the self-excitation of the resonator and uses said system as an oscillator.
A pesar de que se han descrito y representado realizaciones concretas de la presente invención, es evidente que el experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.Although they have been described and represented specific embodiments of the present invention, it is evident that the subject matter expert may introduce variants and modifications, or replace the details with technically equivalent ones, without depart from the scope of protection defined by the attached claims.
Claims (8)
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