FI121898B - Menetelmä ja laite impedanssin mittaamiseksi - Google Patents
Menetelmä ja laite impedanssin mittaamiseksi Download PDFInfo
- Publication number
- FI121898B FI121898B FI20085682A FI20085682A FI121898B FI 121898 B FI121898 B FI 121898B FI 20085682 A FI20085682 A FI 20085682A FI 20085682 A FI20085682 A FI 20085682A FI 121898 B FI121898 B FI 121898B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- oscillator
- adjustable
- frequency
- component
- variable impedance
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/02—Analysing fluids
- G01N29/022—Fluid sensors based on microsensors, e.g. quartz crystal-microbalance [QCM], surface acoustic wave [SAW] devices, tuning forks, cantilevers, flexural plate wave [FPW] devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/02—Analysing fluids
- G01N29/028—Analysing fluids by measuring mechanical or acoustic impedance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/01—Indexing codes associated with the measuring variable
- G01N2291/014—Resonance or resonant frequency
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/025—Change of phase or condition
- G01N2291/0256—Adsorption, desorption, surface mass change, e.g. on biosensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/042—Wave modes
- G01N2291/0426—Bulk waves, e.g. quartz crystal microbalance, torsional waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
Menetelmä ja laite impedanssin mittaamiseksi Keksinnön ala 5 Keksintö koskee komponentin impedanssin muutoksen mittaamista taajuuden funktiona. Tällaisia mittauksia tarvitaan esimerkiksi kun luetaan antureita, joiden impedanssi muuttuu aistitun määrän kuten massan vaikutuksesta.
Keksinnön tausta 10
Impedanssin mittaamista taajuuden funktiona käytetään yleisesti tiedon saamiseksi erilaisten elektronisten komponenttien toiminnasta. Yksi tällaisten komponenttien esimerkki on kalvomassa-aaltoresonaattorilaite (Film Bulk Accoustic Wave Resonator, FBAR), joka perustuu massa-aaltoteknologiaan (Bulk Accoustic Wave, BAW). FBAR:eja 15 on helppo toteuttaa monoliittisina rakenteina esimerkiksi CMOS-piireissä. FBAR-teknologiaa käyttäen on mahdollista saavuttaa korkeita resonanssitaajuuksia ja hyvyyslukuja. FBAR-laitteita voidaan käyttää esimerkiksi herkkinä massa-antureina, koska resonaattorin impedanssi muuttuu kun materiaa sijoitetaan anturin massakuormitusalueelle. Jos FBAR:n massalatausalueelle kerrostetaan (bio)aktiivinen kerros, voidaan saada 20 selektiivisyys mitattavien aineiden suhteen ja siten selektiivinen (bio)anturi.
Perinteisesti FBAR-anturien ja tämän kaltaisten impedanssi mitataan käyttäen laboratoriomittakaavan välineistöä kuten impedanssi-analysaattoreita tai piirianalysaattoreita, jotka mittaavat komponentin impedanssia käyttäen hyvin tarkkaa o 25 taajuusviritystä.
dj o oo Yksi ratkaisu resonaattori-tyyppisten komponenttien tai sellaisten komponenttien, jotka x voidaan kytkeä osaksi resonaattoria, impedanssin mittaamiseksi on käyttää niin kutsuttuja oskillaattori-kytkentöjä. Massa-anturien tapauksessa tällaisten kytkentöjen tarkoitus on co 30 määrittää oskillaattorin rinnakkaisten resonanssitaajuuksien sarja komponentin o massanmuutoksen funktiona. Käytännössä on kuitenkin usein vaikeaa tai mahdotonta c\i ...
toteuttaa toimiva ja tarkka oskillaattorikytkentä erityisesti integroituna eli sirulla sijaitsevana rakenteena. Tämä johtuu pääasiassa seuraavista syistä: 2 - Resonaattoreilla on tyypillisesti luonnostaan matala kytkeytymiskerroin tai hyvyysluku (Q-arvo). Erityinen ongelma liittyy nestemäisten näytteiden mittaukseen, koska nesteen läsnäolo resonaattorilla vähentää dramaattisesti resonaattorin hyvyyslukua.
5 - Joillakin komponenteilla kuten FBAR-antureilla on useita rinnakkaisia resonanssitaaj uuksia.
- Resonaattoreilla voi olla suhteellisen laajat valmistustoleranssit, mikä johtaa siihen, että niiden sarja/rinnakkaisresonanssitaajuudet vaihtelevat.
- Suuri parasitismi ja rinnakkainen kapasitanssi aiheuttavat sen, että impedanssin 10 muutos taajuuksien funktiona on suhteellisen pieni. Lisäksi vaihe ei käytännössä koskaan siirry 180 astetta.
Yllä olevat haittapuolet liittyvät erityisesti FBAR-antureihin, jotka on suunniteltu käytettäväksi massa-antureina, mutta saattavat päteä myös muihin komponenttilajeihin.
15 Tämän seurauksena voidaan oskillaattorikytkentöjä käytännössä käyttää hyödyksi impedanssin mittauksissa ainoastaan hyvin rajallisissa korkean Q-arvon resonaattorien ja puuttuvien tai eliminoitujen rinnakkaisten resonanssien tapauksissa. Lisäksi täytyy käyttää matalan dynaamisen alueen omaavia hyvin spesifisiä ratkaisuja.
20 WO 2007/030462 tuo esille kyselypiirin (interrogation circuit) induktiivisia kuormia varten, joka piiri käsittää jännitteen säätelemän oskillaattorin, grid-dip-oskillaattorin ja vaihelukitun silmukan. Kun se saa viestin grid-dip-oskillaattorilta, lakkaa vaihelukittu silmukka seuraamasta kyselysignaalia ja jatkaa lukitun signaalin tuottamista. Lukittu signaali viedään eteenpäin taajuuslaskimelle. Siten tällaisen piirin avulla voidaan suorittaa ^ 25 ainoastaan tietyn pisteen taajuuden mittauksia. Lisäksi tällaisen ratkaisun edellyttämä £J piiristö on suhteellisen monimutkainen eikä niin sopiva sellaisiin anturilaitteisiin, joissa $2 kyselypiiri on integroitu yhtenä monoliittisena rakenteena. Piiri on myös kallis eikä g sellaisena sopiva käytettäväksi kertakäyttöisissä anturilaitteissa.
CL
CM
OO
[o 30 Keksinnön yhteenveto
OO
o o
CM
Tämän keksinnön tavoitteena on saada aikaiseksi menetelmä impedanssin mittaamiseksi, joka menetelmä on tarkka, ja jota voidaan soveltaa käyttäen yksinkertaisempaa ja siten 3 myös pienempää elektroniikkaa. Tavoitteena on myös saada aikaiseksi vastaava mittausjärjestelmä ja uusi anturilaite.
Keksinnön tavoitteet saavutetaan itsenäisten vaatimusten mukaisella menetelmällä.
5 Keksinnön mukaisessa menetelmässä määritetään vaihtelevan impedanssin omaavan komponentin impedanssi: - säätämällä säädettävissä olevaa oskillaattoria säätöalueen yli, jolla säädettävällä oskillaattorilla on vaihtelevan impedanssin komponentti kytkettynä sen kuormaksi, - mittaamalla säädettävissä olevan oskillaattorin taajuusvaste mainitun säädön 10 funktiona.
Vaihtelevan impedanssin komponentin impedanssi voidaan määrittää analysoimalla mitattu taajuusvaste.
15 Säädön ja mittauksen vaiheet suoritetaan tyypillisesti vähintään kahdesti vaihtelevan impedanssin komponentin eri kuormitustiloissa (esim. massa-anturi kuormittamattomana ja kuormitettuna massalla) ja analysointivaihe käsittää vastaavien resonanssitaajuuksien eron määrittämisen ainakin yhdessä säätöpisteessä. Tämä mahdollistaa kuorman vaikutuksen tarkan määrittämisen.
20
Mittausjärjestelmä käsittää - säädettävän oskillaattorin, - vaihtelevan impedanssin komponentin kytkettynä säädettävissä olevan oskillaattorin kuormaksi, ^ 25 - välineet säädettävissä olevan oskillaattorin säätämiseksi, ja i 0 - välineet säädettävissä olevan oskillaattorin taajuusvasteen määrittämiseksi mainitun $2 säädön funktiona.
cc
CL
cm Yhdessä erityisen hyödyllisessä suoritusmuodossa määritetään oskillaattorin taajuusvaste oo ίο 30 käyttäen taajuuslaskinta tai tämän tapaista laitetta, joka on suoraan kytketty oskillaattoriin, oo o Tämä tarkoittaa, että järjestelmässä ei ole mitään muita oskillaattoreita tai vaiheen lukitsevia piirejä, mikä säästää sekä tilaa että kustannuksia, mutta antaa oskillaattorin kuormituksen muutosten tarkan havaitsemisen.
5 4
Yksi erityinen keksinnön etu on, että se ei sovellu pelkästään tietyn tyyppisten resonaattorien mittaamiseen vaan käytännöllisesti katsoen minkä tahansa tyyppisille komponenteille, joissa tapahtuu impedanssin muutos tietyissä olosuhteissa.
Resonaattorien tapauksessa on säätelyalue valittu kattamaan resonaattorin resonanssitaajuuden (tai taajuudet) ja edullisesti huomattavat alueet tämän taajuuden (taajuuksien) alapuolella ja yläpuolella. Yhden suoritusmuodon mukaisesti pyyhkäistään alueet resonanssitaajuuden (taajuuksien) läheisyydessä käyttäen pienempiä askelia kuin 10 alueet kauempana resonanssitaajuudesta. Alueita kauempana resonanssitaajuudesta (taajuuksista) voidaan käyttää lämpötilakompensaatiotekijän määrittämiseksi muille sekundaarisille parametreille.
Yhden suoritusmuodon mukaisesti käytetään anturia, kuten massa-anturia, vaihtelevan 15 impedanssinkomponenttina. Edelleen yhden suoritusmuodon mukaisesti on anturi (bio)aktiivista tyyppiä, eli pystyy selektiivisesti tartuttamaan haluttuja (bio)molekyylejä tai (bio)partikkeleita pinnalleen tai muuten kokee massanmuutoksen (bio)molekyylien tai (bio)partikkelien läsnäolon vuoksi. Koska esillä oleva impedanssianalysaattoripiirin muoto voidaan valmistaa aika pienenä vaikka anturin sisältävälle sirulle, tarjoaa keksintö 20 merkittäviä etuja erilaisissa (bio)anturisovelluksissa.
Vaihtoehtoisten suoritusmuotojen mukaisesti on anturi lämpötila-anturi, paineanturi, nestevirtausanturi tai kiihtyvyysanturi.
o 25 Yhden suoritusmuodon mukaisesti on vaihtelevan impedanssin komponentti resonaattori cm kuten BAW-resonaattori, erityisesti FBAR. Mikrosiru-FBAR-laite voi käsittää oo monoliittisessa rakenteessa säädettävissä olevan rengasoskillaattorin, FBAR-anturin x kytkettynä säädettävissä olevan rengasoskillaattorin kuormaksi ja päätteen kytkettynä säädettävissä olevaan rengasoskillaattoriin värähtelytaajuuden mittaamiseksi. Myös S 30 monoliittinen taajuuslaskin kytkettynä päätteeseen voidaan muodostaa mikrosirulle. Esillä o olevan muodon hyödyt haastavissa, ei pelkästään FBAR:ien vaan myös muiden
CM
resonaattorien, tapauksissa on käsitelty yksityiskohtaisemmin alempana.
5
Vaihtelevan impedanssin komponentti on edullisesti suorassa ohmisessa eli olennaisesti ei-induktiivisessa ja ei-kapasitatiivisessa yhteydessä oskillaattorin kanssa.
Yksi esillä olevan keksinnön hyöty pienten monoliittisten vaihtelevan impedanssin 5 komponenttien kuten puolijohdeanturien yhteydessä on, että mittausten kokonaisenergiankulutus voidaan pitää pienenä verrattuna perinteisiin laboratoriomittakaavan mittaustekniikoihin. Myös materiaali- ja valmistuskustannukset voidaan pitää hyvin matalina, jonka vuoksi on mahdollista tuottaa jopa kertakäyttöisiä anturisiruja ja näiden kaltaisia.
10
Yhden suoritusmuodon mukaisesti säädellään säädettävissä olevaa oskillaattoria käyttäen digitaalista ohjausyksikköä, joka pystyy lähettämään digitaalisen ohjaussignaalin, joka muunnetaan analogiseksi ohjausjännitteeksi käyttäen D/A-muunninta.
15 Yhden suoritusmuodon mukaisesti säädeltävissä oleva oskillaattori ja mahdollisesti myös säädeltävissä olevan oskillaattorin digitaalinen säätely-yksikkö ja/tai D/A-muunnin ja/tai vaihtelevan impedanssin komponentti ja/tai laskin värähtelytaajuuden määrittämiseksi valmistetaan monoliittisena rakenteena yhdelle puolijohdesirulle. Siten voidaan valmistaa yhden sirun kyselypiiri anturia varten tai jopa täysin toimiva yksisiruinen anturilaite, joka 20 käsittää sekä anturielementin että kyselypiirin.
Yhden suoritusmuodon mukaan säädettävissä oleva oskillaattori on jänniteohjattu rengasoskillaattori, joka käsittää esimerkiksi joukon Saijaan kytkettyjä puolijohde-inverttereitä kuten CMOS-inverttereitä. Tämä muoto on tehokas, helppo valmistaa ja o 25 helppo integroida muiden sirun osien kanssa käyttäen sinällään tunnettuja tekniikoita.
C\l o i oo Jos vaihtelevan impedanssin komponenttina käytetään resonaattoria, voidaan impedanssin x muutos määrittää cc
CL
- määrittämällä, säädeltävissä olevaa oskillaattoria säätelemällä, käyttöjännitteen, oo g 30 jolla säädeltävissä olevan oskillaattorin taajuusvaste on ’’lukittu” resonaattorin oo g resonanssitaaj uuteen,
CM
- määrittämällä vaihtelevan impedanssin komponentin vasteen mainitussa käyttöjännitteessä tai sen läheisyydessä kahden vaihtelevan impedanssin 6 komponentin tilan (kuten massa-anturin kuormittamattoman ja massalla kuormitetun tilan) välillä
Yllä oleva mittauskaavio antaa vakaan tavan mitata komponentin impedanssin muutosta 5 kuin myös joitakin muita parametreja jollakin tai kaikilla useasta mahdollisesta rinnakkaisesta resonaattorin resonanssitaajuudesta. Kuten alempana on yksityiskohtaisemmin käsiteltyjä osoitettu, saavutetaan rinnakkaisten resonanssitaajuuksien luotettava erottaminen ja siten luotettavat mittaukset käyttäen yllä olevaa mittauskaaviota. Tarvittavien vaiheiden toteuttaminen voidaan automatisoida 10 j ärj estelmässä tai tehdä osittain tai kokonaan manuaalisesti.
Termiä ’’lukittua” käytetään tässä kuvaamaan oskillaattorin herkkyyden taipumusta muuttua merkittävästi resonaattorin rinnakkaisella resonanssitaajuudella. Yleensä rinnakkaisen resonanssitaajuuden läheisyydessä eli ’’lukitusalueella” oskillaattorin taajuus 15 muuttuu edelleen hitaasti säätelyjännitteen mukana, mutta df/dV\n herkkyys on dramaattisesti alempi kuin ei-lukittuvalla alueella. Vaikka mitatuista vastekäyristä saadaan tärkeää tietoa myös ei-lukittuvilla alueilla, kuten myöhemmin kuvataan yksityiskohtaisemmin, on niiden pisteiden, jossa derivaatta df/dV muuttuu hyppäyksittäin, määrittäminen merkittävässä osassa kun tuloksia analysoidaan.
20
Yhden suoritusmuodon mukaisesti käytetään säädettävissä olevan oskillaattorin taajuusvastetta vaihtelevan impedanssin komponentin impedanssin määrittämiseksi taajuuden funktiona eli yhdellä tai useammalla taajuusalueella.
o 25 Yhden suoritusmuodon mukaan käytetään rivistöä edullisesti yhdelle mikrosirulle cm valmistettuja oskillaattoreita, joista kukin on kuormitettu tai voidaan kuormittaa eri oo vaihtelevan impedanssin komponentilla. Mahdollisesti voi lisäksi olla yksi tai useampi x säädettävissä oleva oskillaattori kuormitettuna vertailuimpedanssilla, jotta se pystyisi Q_ suorittamaan vertailumittauksen esimerkiksi kompensoidakseen ympäristön vaikutuksen § 30 (esim. lämpötilavaihtelut) mittaukseen.
oo o o cm
Yhden suoritusmuodon mukaisesti suoritetaan lämpötilan kompensaatio FBAR-antureiden tapauksessa mittaamalla oskillaattorin taajuusvaste ainakin kahdessa eri toiminnan pisteessä ja ainakin kahdessa erilaisessa lämpötilassa ja määrittämällä näitä ainakin kahta 7 saatua pisteiden paria käyttäen lämpötilankompensaation tekijä, kuten linearisoitujen lämpötilaherkkyysvasteiden kulmakerrointen suhdetta. Sitten tätä suhdetta voidaan käyttää eri toimintapisteissä saatujen mittaustulosten lämpötilakompensaation intra- tai ekstrapolo imiseksi.
5
Keksintö tarjoaa merkittäviä hyötyjä.
- Impedanssin mittauksen tarkkuus on suuri. On mahdollista määrittää impedanssin muutoksia hyvin tarkasti erityisesti anturisovelluksissa.
- Rakenne voidaan helposti toteuttaa ja integroida käyttäen CMOS-tekniikoita.
10 - Malli mahdollistaa rivistötyyppisen rakenteen valmistamisen usean impedanssin mittaamiseksi ja/tai vertailemiseksi.
- Mallin yksinkertaisuuden vuoksi on mahdollista määrittää impedanssi käyttämällä hyvin korkeita taajuuksia.
- Virhelähteiden, kuten lämpötilavaihteluiden, vaikutus voidaan tehokkaasti 15 minimoida käyttäen vertailumittauksia.
Termejä ’’mitattavat komponentit”, ’’vaihtelevan impedanssin komponentti” tai ”DUT” käytetään kuvailemaan mitä tahansa komponenttia, joka omaa mitattavissa olevan impedanssin muutoksen kun se altistetaan ennalta määrätyille olosuhteille. Esimerkkejä 20 sopivista komponenteista ovat kondensaattorit, induktanssit ja resonaattorit, jotka on järjestetty herkiksi niiden materiaaleja vastaanottaviin osiin tai niiden läheisyyteen asetettujen aineiden ominaisuuksille. Asiaan liittyvät ominaisuudet voivat olla esimerkiksi fysikaaliset parametrit kuten massa tai viskositeetti, elektromagneettiset parametrit kuten johtavuus tai permittiivisyys. Pitää huomata, että keksinnön mukaiset mittauslaitteet ° 25 voidaan valmistaa mitattavista komponenteista riippumatta, jolloin joissakin tapauksissa q voidaan toimittaa yksi tai useampi kosketuspääte mitattavia komponentteja varten.
$2 Toisaalta joissakin suoritusmuodoissa sekä mitattavat komponentit että impedanssia analysoiva piiristö voidaan valmistaa esimerkiksi samalle puolijohdesirulle.
D.
C\1 00 ^ 30 Vaikka muutos komponentin sähköisessä impedanssissa saa esillä olevan piirin vasteen oo o muuttumaan, on sähköisen impedanssin muutos anturien tapauksessa seuraus muutoksessa
(M
jossakin komponentin sisäisessä ominaisuudessa (esim. komponentin toiminnallisen osan massassa tai lämpötilassa tai komponentin kahden toiminnallisen osan etäisyydessä) ja/tai 8 komponentin vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa (esim. muutos viskositeetissa, paineessa tai asiaan liittyvissä sähköisissä/magneettisissa ominaisuuksissa laitteen toiminnallisen osan läheisyydessä). Termin ’’impedanssi” fraaseissa kuten ’’impedanssin (muutoksen) määrittäminen” on ymmärrettävä laajasti tarkoittavan mitä tahansa 5 komponentin mitattavissa olevaa ominaisuutta tai vuorovaikutusta, jonka muutos tulee ilmi komponentin sähköisen impedanssin muutoksena. Toisin sanoen voidaan keksinnön perusajatusta soveltaa minkä tahansa sellaisen komponentin kuormitustilan mittaamiseen, jonka komponentin mekaaninen, sähkökemiallinen, sähköinen, sähkömagneettinen tai kemiallinen kuormitus näkyy komponenttiin kytketyn säädettävissä olevan oskillaattorin 10 värähtelytaajuudessa. Lisäksi termi kattaa siten myös sellaiset mittaukset, joissa absoluuttista impedanssiarvoa ei lasketa vaan hyödynnetään komponentin sähköisen impedanssin muutosta jonkin toisen komponentin ominaisuuden tai vuorovaikutuksen määrittämiseksi. Vaikka sitä ei olisi ekplisiittisesti mainittu, pitää termin ’’impedanssin mittaus/määritys” ymmärtää kattavan myös impedanssin muutosten detektoinnin.
15
Lyhyt piirrosten kuvaus
Kuvio 1 esittää yhden suoritusmuodon mukaisen impedanssianalysaattorin yksinkertaistettua piirin kuvaajaa.
20 Kuvio 2 kuvaa simuloitua kuvion 1 mukaisen impedanssianalysaattorin ulostulovastetta (taajuutta) ohjausjännitteen funktiona (jännite/taajuus-asteikot on ainoastaan esimerkin vuoksi).
Kuvio 3 esittää FBAR:n vastetta viritystaajuuden funktiona mitattuna käyttäen piirianalysaattoria.
o 25 Kuvio 4 havainnollistaa FBAR:n ulostulovastetta ohjausjännitteen funktiona mitattuna c\j käyttäen kuvion 1 mukaista piiriä FBAR:n (a) ollessa alkuperäisessä tilassa, (b) ollessa i oo upotettuna veteen ja (c) kuivuttuaan ilmassa.
x Kuvio 5 esittää suurennettua osaa kuvion 4 kuvaajasta (ainoastaan tietojoukot (a) ja (c)
CL
esitetty).
(M
cd 30 Kuvio 6 esittää suurennettua osaa kuvion 4 kuvaajasta (ainoastaan tietojoukot (a) ja (b) oo . .
o esitetty).
c\i
Kuvio 7 kuvaa kahden erilaisen FBAR:n rinnakkaisen resonanssipiikin mitattua lämpötilariippuvuutta käyttäen (a) piirianalysaattoria ja (b) esillä olevaa impedanssianalysaattoria.
9
Suoritusmuotojen yksityiskohtainen kuvaus
Viitaten kuvioon 1 on säätely-yksikkö 10, joka pystyy tuottamaan sopivan digitaalisen 5 ohjauskoodin CODE, kytketty digitaalisesta analogiseen (D/A) muuntimeen 12 analogisen ohjausjännitteen VCTR tuottamiseksi oskillaattorille 14. Oskillaattori 14 käsittää kolme CMOS-invertteriä 14a, 14b, 14c, jotka on kytketty sarjaan värähtelevään konfiguraatioon. Kun oskillaattorin kuormaksi on liitetty vaihtelevan impedanssin komponentti 16 (= DUT, testattava laite). Oskillaattorin 14 värähtelysignaali johdetaan takaisin ohjausyksikköön 12 10 ulostulotaajuuden FOUT mittaamiseksi käyttäen digitaalista laskinta ja mahdollisesti lisäksi tallennetaan, visualisoidaan ja/tai analysoidaan edelleen.
Ohjausyksikkö 10 antaa oikean ohjaussignaalin oskillaattorille, mittaa oskillaattorin ulostulotaajuutta ja mahdollisesti lisäksi prosessoi edelleen tuloksia. Ohjausyksikkö 10 15 voidaan valmistaa samalle kiekolle, kuten piikiekolle, kuin oskillaattoriosa, jolloin toiminnallisten analyysipiirien monoliittinen toteutus on mahdollinen. Ohjausyksikkö 10 voi käsittää logiikkablokkeja/portteja ainoastaan spesifisiä toimintoja varten tai yksikkö voidaan suunnitella ohjelmoitavaksi yleisemmin käyttökelpoisen laitteen saamiseksi. Ohjelmoitava ohjausyksikkö 10 varmistaa, että oskillaattorin säätelyjä tulosten analysointi 20 aina vastaavat mitattua impedanssia j a mitattuj a määriä.
Menetelmässä säädettävissä oleva oskillaattori 14 on sellainen, että komponentin 16 impedanssin muutos eli kuorman muutos taajuuden funktiona, vaikuttaa oskillaattorin 14 värähtelytaajuuteen. Säätelyjännite eli ohjausjännite voidaan tuottaa käyttäen puskuroitua o 25 D/A-konvertteria. Oskillaattorin 14 taajuus mitataan sen säätelyn eli ohjausjännitteen rij funktiona. Tämän tuloksena voidaan määrittää komponentin 16 parametrit taajuuden oo funktiona. Taajuuden mittaaminen voidaan toteuttaa käyttäen ulkoisesti kellotettua x laskinta. Impedanssi (tai sen muutos) voidaan määrittää laskemalla. Laskeminen voidaan
CL
toteuttaa käyttäen ulkoisia laskentavälineitä, esimerkiksi erillistä laskinpiiriä tai § 30 tietokonetta, tai käyttäen laskinyksikköä integroituna sirulle analysaattoripiiristön kanssa.
oo o o c\]
Kuten kuviossa 2 on esitetty, ulostulotaajuus on kuvion 1 mukaisen oskillaattoripiirin ohjausjännitteen suhteen karkeasti ottaen lineaarinen kuormittamattomana. On havaittu, että myös kuormitetussa tilassa, sillä ehdolla, että komponentin 16 impedanssin suhde 10 taajuuteen on lineaarinen tai ainakin monotoninen, säilyy piirin vaste lineaarisena ainakin suhteellisen kapeilla taajuuden kaistanleveyksillä. Toisaalta, jos mitataan epälineaarisia komponentteja 16, muuttuu ulostulotaajuudet nopeasti verrattuna invertterioskillaattorin lineaariseen vasteeseen. Yleisesti voidaan sanoa, että taajuuden muutoksen nopeus 5 ohjausjännitteen suhteen on suhteessa mitattuun komponentin 16 impedanssin muutoksen nopeuden absoluuttiseen arvoon. Pitää myös huomata, että kuvioissa annetut jännite/taajuusarvot ovat ainoastaan havainnollistamista varten ja todellisuudessa ne voidaan valita suhteellisen vapaasti komponenttien ja piirien sopivalla suunnittelulla ja kytkennällä.
10
Mittauksen tulos riippuu yleensä kuormituksen impedanssin tyypistä ja mittauskokoonpanon alkuarvoista. Esimerkiksi FBAR antaa erilaisen jännite-taajuus-kuvaajan kuin kondensaattori. Tunnettujen kuormituksen impedanssien tyyppien osalta jännite-taajuus-kuvaajien mallintaminen/simulointi ja siten mitattujen jännite-taajuus-15 kuvaajien tulkinta on mahdollista. Seuraava kuvaus keskittyy resonaattorityyppisten, erityisesti FBAR-tyyppisten, kuormituksen impedanssien ominaispiirteisiin.
Kuvio 3 esittää tyypillistä FBAR-resonaattorin taajuusvastetta mitattuna käyttäen tavallista piirianalysaattoria. Komponentin havaittiin omaavan kaksi rinnakkaista resonanssipiikkiä 20 arvoilla 748,688 MHz ja 749,688 MHz. On hyvin haastavaa suunnitella perinteinen oskillaattorikytkentä tämän kaltaiselle FBAR:ille, koska tällainen oskillaattori lukittuisi eri ulostulotaajuudelle riippuen piirin alkuperäisistä parametreistä tai vaihtaisi taajuutta toiminnan aikana (’’hyppäys” toiseen resonanssipiikkiin). Rinnakkaiset resonanssipiikit ovat kuitenkin niin lähellä toisiaan, että niiden suodattaminen esimerkiksi käyttäen LC-o 25 suodinta ei käytännössä ole mahdollista valmistustoleranssien vuoksi. Fisäksi rinnakkainen cnj resonanssitaajuus voi vaihdella kymmeniä MHz eri prosessiajojen välillä, mikä edellyttäisi i 00 että suodin olisi säädeltävä.
cc
CL
Esillä oleva impedanssia analysoiva piirimalli on myös sopiva FBAR:eille, joilla on S 30 kuviossa 3 esitetyn kaltaiset ominaispiirteet. Seuraavassa on esimerkinomaisesti kuvattu
OO
o tulosten mittaaminen ja tulkitseminen viitaten kuvioihin 4-7. Käytetty oskillaattoripiiri oli
OJ
pohjimmiltaan kuvion 2 mukainen ja valmistettu IC-piirinä käyttäen 0,35 pm AMS-CMOS-teknologiaa ja kytketty johdoilla (wire bonded) piirilevylle yhdessä bioaktiivisen FBAR:n kanssa. Piirilevyltä mitattiin ulostulotaajuus ohjausjännitteen funktiona.
11
Piirin laajan taajuusvälin vaste on esitetty kuviossa 4 (FOUT vs VCTR). Tästä voidaan nähdä, että vaste on selvästi erilainen kaikissa mitatuissa tapauksissa: FBAR ilmassa alkuperäisessä tilassa (a), FBAR upotettuna veteen (b) ja FBAR uudelleen kuivattuna (e) 5 ilmassa.
Kuviosta 4 voidaan päätellä, että taajuus lisääntyy hyppäyksenä komponentin rinnakkaiselle resonanssipisteelle tietyllä ohjausjännitteen arvolla ja ulostulotaajuus lukkiutuu, kun ulostulotaajuus ylittää resonaattorin rinnakkaisen resonanssipisteen. Tätä 10 jänniteväliä, eli väliä, jossa ulostulotaajuus on lukkiutunut, kutsutaan tästä lähtien ’’toimintapisteeksi”. Kun piiri lukkiutuu lähellä olevaan rinnakkaiseen resonanssipiikkiin, määräytyy oskillaattorin ulostulotaajuus resonaattorin ominaisuuksien, ei oskillaattorin ominaisen taajuuden perusteella.
15 Kun lukitustaajuutta käytetään toimintapisteenä, voidaan määrittää esimerkiksi seuraavat parametrit: - Rinnakkaiset resonanssitaajuudet (katso kuvion 5 kuvaus alla) - Impedanssin muutos tietyn ominaisuuden (esim. painonmuutoksen) funktiona - Resonaattorin ympäristöparametrit (esim. muutokset lämpötilassa tai 20 viskositeetissä, katso kuvion 6 kuvaus alempana)
Kuvio 5 esittää käyrien (a) ja (e) kuvaa zoomattuna toimintapisteeseen. Voidaan havaita, että veteen upottamisen jälkeen on massa lisääntynyt FBAR:n pinnan kontaminohumisen ___ seurauksena. Tämä näkyy ulostulotaajuuden laskuna arvolla Äf = 250 kHz. Lisäksi voidaan o 25 havaita, että kun ohjausjännite on edelleen kasvanut, on käyrien kulmakerroin jälleen g kasvanut nopeasti. Tämä johtuu toisesta rinnakkaisesta resonanssipiikistä.
oo
Kuvio 6 esittää vastaavaa suurennettua kuvaa kuviosta 4 nyt verraten käyriä (a) ja (b). Taas
CL
^ voidaan havaita FBAR:n pinnan kontaminoitumisen ulostulotaajuuden pienentymisenä oo 30 arvolla Af = 240 kHz. Lisäksi käyrien kulmakertoimet toimintapisteessä ovat merkittävästi oo § erilaiset. Tämä johtuu FBAR:n ympäristön viskositeetin muutoksesta ja tämän vuoksi C\l erilaisesta resonoinnin tyypistä.
12
Kuvio 7 havainnollistaa tuloksia kokeesta, joka on suunniteltu esillä olevan piirin muodon lämpötilariippuvuuden karakterisoimiseksi. FBAR-komponentit mitattiin sekä ennen useisiin lämpötiloihin kapselointia että sen jälkeen. Rinnakkaisen resonanssitaajuuden muutos lämpötilan funktiona käyttäen tavanomaista piirianalysaattoria (a) ja esillä olevaa 5 impedanssianalysaattoripiiriä (b). Täytyy huomata, että mitatut FBAR-komponentit sijaitsivat vierekkäin samalla puolijohdekieko 11a jolloin komponenttien valmistusparametrit olivat maksimaalisen samanlaiset. Näistä tuloksista voidaan havaita, että komponenttien lämpötilariippuvuus on melkein sama käytettäessä molempia mittaustekniikoita sekä absoluuttisten arvojen että kulmakerrointen ollessa komponenttien 10 prosessitoleranssien sisällä.
Kun määritetään impedanssia tai ympäristöparametrejä, voidaan ohjausjännitteelle antaa useita arvoja ja mittaustulokset voidaan keskiarvoistaa useasta näillä jännitteillä tehdystä mittauksesta mittausten tarkkuuden lisäämiseksi.
15
On olemassa ainakin kaksi pääasiallista lähestymistapaa lämpötilakompensaation toteuttamiseksi yksilöllisesti kullekin anturilaitteelle. Ensimmäisen lähestymistavan mukaisesti on järjestetty vertailuanturi, joka ei ole herkkä todellisen anturin kiinnostuksen kohteena olevalle suureelle, eli esimerkiksi massalle. Vertailuanturi voidaan esimerkiksi 20 päällystää eri tavalla siten, että ei tapahdu minkäänlaista materiaalin kiinnittymistä pinnalle tai minkäänlaista materiaalin rapautumista pinnalta kuten varsinaisessa anturissa. Vertailuanturi sijaitsee kuitenkin lähellä varsinaista anturia, tyypillisesti samalla monoliittisella sirulla siten, että antureiden lämpötilat olisivat samat. Siten voidaan kompensoida lämpötilan vaikutus tulokseen.
δ 25
(M
cnj Lämpötilariippuvuus voi kuitenkin etenkin FBAR-resonaattereilla vaihdella merkittävästi, i oo vaikka ne olisi valmistettu samalle sirulle. Tämän vuoksi voidaan tällaisten resonaattorien x yhteydessä käyttää erästä toissa lähestymistapaa. On nimittäin havaittu, että FBAR-anturin Q_ omaavan piirin vasteen lämpötilariippuvuus on erilainen erilaisissa toimintapisteissä.
§ 30 Viitaten kuvioon 4 hallitsee piirin vastetta, mukaan lukien lämpötilavastetta, matalilla o jännitetasoilla (eli < ennen ’’lukittumista”) CMOS-regasoskillaattorin vaste. Kun piiri on C\] ’’lukittu”, rinnakkaiselle resonanssille, hallitsee vastetta kuitenkin FBAR:n vaste (kuten voidaan havaita kuviosta 7). Siten yksi ratkaisu on mitata oskillaattorin taajuusvaste ainakin kahdessa toimintapisteessä (rengasoskillaattorin hallitsemassa pisteessä ja FBAR:n 13 hallitsemassa pisteessä) ja ainakin kahdessa erilaisessa lämpötilassa ja määrittää käyttäen näitä ainakin kahta pisteiden paria linearisoitujen lämpötilaherkkyysvasteiden kulmakerrointen suhteet. Sitten tätä suhdetta voidaan käyttää eri toimintapisteissä saatujen mittaustulosten lämpötilakompensaation intra- tai ekstrapoloimiseksi. Tämä on mahdollista 5 vaikka absoluuttisia lämpötila-arvoja ei tunnettaisi. Tämä toinen lähestymistapa ei edellytä erillisten vertailuantureiden valmistamista sirulle, vaan voidaan toteuttaa ohjelmoimalla piirille sopiva ohjausalgoritmi.
Yhden suoritusmuodon mukaan on tuotu esille yhdellä integroidulla sirulla useita 10 oskillaattoripiirej ä, jotka on kuormitettu erilaisilla kiinnostuksen kohteena olevilla komponenteilla. Useaa oskillaattoria ohjataan edullisesti yhden ohjauspiirin ja D/A-konvertterin kautta. Tällä tavalla komponenttien impedanssien ero voidaan määrittää hyvin tarkasti mitattujen taajuusvasteiden perusteella.
15 Yhden suoritusmuodon mukaisesti on tuotu esille useita mitattavia komponentteja joilla kaikilla on niihin kytketyt yksittäiset oskillaattoripiirit, jotka on valmistettu yhdelle kiekolle. Yhden suoritusmuodon mukaisesti ohjataan ja luetaan kaikkia oskillaattoreita käyttäen yhtä ohjausyksikköä, joka on integroitu samalle kiekolle.
20 Yhden suoritusmuodon mukaisesti on tuotu esille ainakin yksi oskillaattoripiiri, joka on kuormitettu tunnetulla vertailu-impedanssilla kuten kondensaattorilla, ja ainakin yksi, tyypillisesti kaksi, muuta oskillaattoripiiriä toiselle/toisille mitattavalle/mitattaville komponentille/komponenteille. Edullisesti kaikki oskillaattorit on valmistettu yhdelle puolijohdekiekolle oskillaattorien vasteiden välisen vaihtelevuuden minimoimiseksi. Siten o 25 kaikkien mitattujen vasteiden (esim. offset-taajuus, taajuudenmuutoksen herkkyys cm kontrollin funktiona ja epälineaarisuus) erojen voidaan olettaa johtuvan oskillaattorien oo erilaisista kuormitusimpedansseista.
X
cc Q_ FBAR:iin perustuvalla anturilla tapahtuvan massan havaitsemisen lisäksi voidaan <o 30 keksintöä käyttää paineen, nesteen tai kaasun virtauksen tai kiihtyvyyden havaitsemiseen, o Esimerkiksi virtauksen havaitseminen voidaan toteuttaa kytkemällä useita FBAR-antureita C\l ...
(2 tai useampia) siten, että neste tai kaasu voidaan suunnata antureille tai niiden läheisyyteen. Kun tällaisten antureiden lämpötilaherkkyys on äärimmäisen hyvä, voidaan virtauksen suuruus mitata. Aiemmin tällaiset toteutukset on tuotu esille esimerkiksi 14 kotisivulla www.memsic.com.cn/products/MXD2020.htm. Esillä oleva mittauspiiri tarjoaa parantuneen lämpötilaherkkyyden verrattuna tunnettuihin FBAR-mittausratkaisuihin ja mahdollistaa siten pienempien virtausten havaitsemisen.
5 Esimerkki 1 (mittaus käyttäen massa-anturia vaihtelevan impedanssin komponenttina) Tämä esimerkki havainnollistaa massan mittausta käyttäen FBAR-massa-anturia. Yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan, että muiden tekijöiden paitsi massan (esim.
10 lämpötilan, viskositeetin, kohinan) vaikutus on eliminoitu, standardoitu tai kompensoitu. Keksinnön mukainen impedanssianalysaattori on kytketty FBAR-massa-anturiin, jonka pinta on käsitelty sopivasti haluttua tarkoitusta varten, esimerkiksi herkäksi tietylle aineelle. Aine voi lisätä massaa kiinnittymällä tai vähentää massaa irrottamalla molekyylejä tai partikkeleita anturin pinnalta.
15
Ensiksi suoritetaan vertailumittaus anturin alkuperäisessä tilassa, joka voi olla esim. alipaineessa tai ilmassa tai altistettuna sopivalle puskurille/vertailunesteelle. Tässä mittauksessa pyyhkäistään haluttu ohjausjännitteen väli, joka väli tyypillisesti kattaa koko mahdollisen piirin toiminnallisen välin eli ainakin anturin rinnakkaiset resonanssipiikit.
20 Kutakin jännitettä kohti talletetaan piirin taajuus. Haluttaessa voidaan äskettäin pyyhkäistyn koko välin spesifinen aliväli mitata uudelleen käyttäen pidempää mittausaikaa ja pienempiä askeleita ohjausjännitteessä mittauksen herkkyyden tai taajuuden erottelukyvyn parantamiseksi. Mitatut vertailutulokset talletetaan lisäanalyysiä varten.
o 25 Seuraavaksi anturi altistetaan olosuhteille, joissa sen massa muuttuu. Tämä vaihe voi cvj käsittää kiinnostuksen kohteena olevan aineen lisäyksen anturille esimerkiksi pipetoimalla i 00 tai anturin upottamisen kiinnostuksen kohteena olevaan aineeseen.
cc
CL
Sen jälkeen varsinaisen mittaus suoritetaan samalla tavalla kuin vertailumittaukset.
00 in co 30
LO
o Jos käytetään (bio)aktiivista anturin pintaa, voidaan anturi pestä ennen varsinaista c\i ...
mittausta irtonaisen materiaalin irrottamiseksi anturin pinnalta. Vaihtoehtoisesti tai tämän lisäksi voidaan varsinainen mittaus suorittaa puskurissa/vertailuliuoksessa vallitsevan viskositeetin standardoimiseksi ja mahdollisesti lisäksi pestä anturin pinta.
15
Varsinaisen mittauksen jälkeen analysoidaan mittauksista saatu data. Tämä tarkoittaa, että taajuuden muutos vertailu- ja varsinaisten mittausten välillä määritetään yhdessä tai useammassa pisteessä. Jos käytetään useata pistettä, voidaan tuloksista määrittää 5 keskiarvot eri pisteissä. Tulosten korjaus tiettyjen parametrien kuten lämpötilan suhteen voidaan tarvittaessa suorittaa tässä kohtaa. Lopulta määritetty taajuusmuutos muutetaan vastaamaan massan muutosta.
δ
CM
i
CM
O
00
X
cc
CL
CM
00
CO
LO
00
O
o
CM
Claims (20)
1. Menetelmä vaihtelevan impedanssin komponentin impedanssin määrittämiseksi, joka menetelmä käsittää: 5. säädetään säädettävissä olevaa oskillaattoria ennaltamäärätyn säätöalueen yli, vaihtelevan impedanssin komponentin ollessa kytkettynä säädettävän oskillaattorin kuormaksi, - mitataan säädettävissä olevan oskillaattorin taajuusvaste mainitun säädön funktiona, ja 10. analysoidaan mitattua taajuusvastetta vaihtelevan impedanssin komponentin impedanssin määrittämiseksi.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että vaihtelevan impedanssin komponenttina käytetään anturia, kuten massa-anturia, erityisesti 15 (bio)aktiivista massa-anturia.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että vaihtelevan impedanssin komponenttina käytetään resonaattoria kuten BAW-resonaattoria, erityisesti FBARria. 20
4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että vaihtelevan impedanssin komponenttina käytetään resonaattoria, joka omaa ainakin kaksi rinnakkaista resonanssipiikkiä. o 25
5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että g taajuusvaste mitataan käyttäen taajuuslaskinta, joka on kytketty suoraan säädettävissä oo olevaan oskillaattoriin. x cc CL
6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että oo 30 impedanssin määrittämisen vaihe käsittää sellaisten pisteiden määrittämisen, joissa 00 § taajuusvasteen derivaatta muuttuu merkittävästi. (M
7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että säädettävissä oleva oskillaattori ja vaihtuvan impedanssin komponentti ja mahdollisesti lisäksi myös digitaalinen ohjausyksikkö säädettävissä olevaa oskillaattoria varten on valmistettu monoliittisena rakenteena puolijohdesirulle.
8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että 5 säädettävissä oleva oskillaattori on jänniteohjattu rengasoskillaattori, joka edullisesti käsittää joukon sarjaan kytkettyjä puolijohdeinverttereitä kuten CMOS-inverttereitä.
9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että säätämisen ja mittauksen vaiheet suoritetaan ainakin kahdesti vaihtelevan impedanssin 10 komponenttien eri tiloissa ja analysointivaihe käsittää vastaavien resonoivien taajuuksien eron määrittämisen ainakin yhdessä säätöpisteessä.
10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että - vaihtelevan impedanssin komponenttina käytetään resonaattoria, 15. määritetään käyttöjännite, jossa säädettävissä olevan komponentin taajuusvaste on lukittu resonaattorin resonanssitaajuuden läheisyyteen säätämällä säädettävissä olevaa oskillaattoria, - vaihtelevan impedanssin komponentin vasteen muutos mainitussa käyttöjännitteessä tai sen läheisyydessä määritetään kahden vaihtelevan 20 impedanssin komponentin erilaisen tilan välillä.
11. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä tunnettu siitä, että se edelleen käsittää - oskillaattorin taajuusvasteen mittaamisen ainakin kahdessa eri toimintapisteessä ° 25 ja ainakin kahdessa eri lämpötilassa, i - lämpötilakompensaatiotekijän määrittämisen käyttäen näitä ainakin kahta i $2 pisteiden paria, ja Er - lämpötilako mpensaatiotekijän käyttämisen mainitussa impedanssin CL c\j määrityksessä lämpötilakompensaation suorittamiseksi, oo ίο 30 00 o
12. Järjestelmä vaihtelevan impedanssin komponentin impedanssin määrittämiseksi, joka c\i järjestelmä käsittää - säädettävissä olevan oskillaattorin, - vaihtelevan impedanssin komponentin kytkettynä säädettävissä olevan oskillaattorin kuormaksi, - välineet säädettävissä olevan oskillaattorin säätämiseksi ennalta määrätyn säätöalueen yli, ja 5. taajuuslaskimen kytkettynä säädettävissä olevaan oskillaattoriin säädettävissä olevan oskillaattorin taajuusvasteen määrittämiseksi mainitun säädön funktiona.
13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäijestelmä tunnettu siitä, että vaihtelevan impedanssin komponentti on anturi, kuten massa-anturi, erityisesti (bio)aktiivinen massa- 10 anturi, joka edullisesti on FBAR-teknologiaan perustuva resonaattori.
14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen jäijestelmä tunnettu siitä, että välineet säädettävissä olevan oskillaattorin säätämiseksi käsittävät - ohjausyksikön, joka pystyy tuottamaan digitaalisen ohjaussignaalin, ja
15. Jonkin patenttivaatimuksen 12 - 14 mukainen järjestelmä tunnettu siitä, että säädettävissä oleva oskillaattori, ja mahdollisesti lisäksi välineet säädettävissä olevan 20 oskillaattorin säätämiseksi, ja/tai välineet säädettävän oskillaattorin taajuusvasteen määrittämiseksi valmistetaan monoliittisena rakenteena puolijohdesirulle.
15. D/A-konvertterin analogisen ohjausjännitteen tuottamiseksi säädettävissä olevalle oskillaattorille.
16. Jonkin patenttivaatimuksen 12-15 mukainen järjestelmä tunnettu siitä, että se käsittää, edullisesti valmistettuna yhdelle simile, useita säädettäviä oskillaattoreita, jotka ^ 25 kukin on kuormitettu erilaisilla vaihtelevan impedanssin komponenteilla ja mahdollisesti i q lisäksi säädettävissä olevan oskillaattorin kuormitettuna vertailuimpedanssilla. i 00 Ee
17. Mikrosimanturilaite, joka käsittää monoliittisessa rakenteessa - säädettävissä olevan rengasoskillaattorin ja oo in 30 - FBAR-anturin kytkettynä säädettävissä olevan rengas-oskillaattorin kuormaksi o o ia cm J - terminaalin kytkettynä säädettävään rengas-oskillaattoriin säädettävissä olevan oskillaattorin värähtelytaajuuden mittaamiseksi.
18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen mikrosiruanturilaite tunnettu siitä, että se käsittää edelleen monoliittisessa rakenteessa - taajuuslaskimen kytkettynä päätteeseen säädettävissä olevan 5 rengasoskillaattorin värähtelytaajuuden mittaamiseksi ja - valinnaisesti, välineet säädettävissä olevan rengasoskillaattorin säätämiseksi.
19. Säädettävissä olevan oskillaattorin käyttö, johon oskillaattoriin on kytketty komponentti kuormaksi, komponentin impedanssin tai impedanssin muutoksen 10 määrittämiseksi.
20. Patenttivaatimuksen 18 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että komponentti on anturi kuten massa-anturi, edullisesti BAW-anturi, erityisesti FBAR-anturi. δ CM CM o oo X cc CL CM 00 CD un oo o o CM
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20085682A FI121898B (fi) | 2008-07-01 | 2008-07-01 | Menetelmä ja laite impedanssin mittaamiseksi |
| US12/495,267 US8120434B2 (en) | 2008-07-01 | 2009-06-30 | Method and device for measuring impedance |
| EP09164118.3A EP2141495B1 (en) | 2008-07-01 | 2009-06-30 | Method and device for measuring impedance of a resonator by means of a tunable oscillator |
| CN200910166921.4A CN101685116B (zh) | 2008-07-01 | 2009-07-01 | 测量阻抗的方法和设备 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20085682A FI121898B (fi) | 2008-07-01 | 2008-07-01 | Menetelmä ja laite impedanssin mittaamiseksi |
| FI20085682 | 2008-07-01 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20085682A0 FI20085682A0 (fi) | 2008-07-01 |
| FI20085682A FI20085682A (fi) | 2010-01-02 |
| FI121898B true FI121898B (fi) | 2011-05-31 |
Family
ID=39677567
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20085682A FI121898B (fi) | 2008-07-01 | 2008-07-01 | Menetelmä ja laite impedanssin mittaamiseksi |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8120434B2 (fi) |
| EP (1) | EP2141495B1 (fi) |
| CN (1) | CN101685116B (fi) |
| FI (1) | FI121898B (fi) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9140671B2 (en) | 2011-06-28 | 2015-09-22 | National Sun Yat-Sen University | Quantitative sensor and manufacturing method thereof |
| CN102495290B (zh) * | 2011-12-28 | 2014-06-11 | 上海海事大学 | 交流电力电子模块端口阻抗特性的获取装置及方法 |
| US9660607B2 (en) * | 2013-05-31 | 2017-05-23 | Maury Microwave, Inc. | Solid state impedance tuners |
| CN104764932B (zh) * | 2014-01-07 | 2017-10-24 | 北大方正集团有限公司 | 一种mos管阱电阻的测量装置及测量方法 |
| US10964649B2 (en) * | 2018-08-03 | 2021-03-30 | Arm Limited | Tamper detection in integrated circuits |
| KR20210070709A (ko) * | 2019-12-05 | 2021-06-15 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 전원특성 측정장치, 그 전원특성 측정장치를 포함하는 이미지 시스템, 및 그 이미지 시스템의 동작 방법 |
| US20230061108A1 (en) * | 2021-08-30 | 2023-03-02 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Thin film transistor based temperature sensor |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2846874A (en) * | 1956-02-24 | 1958-08-12 | Gen Dynamics Corp | Ultrasonic testing device |
| US3906340A (en) * | 1971-04-30 | 1975-09-16 | Peter Mauri Wingfield | Tuned circuit monitor for structural materials |
| US4624129A (en) * | 1985-04-15 | 1986-11-25 | Haynes Joel E | Acoustical dry product density sensor |
| US5212988A (en) * | 1988-02-29 | 1993-05-25 | The Reagents Of The University Of California | Plate-mode ultrasonic structure including a gel |
| US6593753B2 (en) * | 1994-07-26 | 2003-07-15 | Phase Dynamics, Inc. | System and method for monitoring substances and reactions |
| US5895629A (en) * | 1997-11-25 | 1999-04-20 | Science & Technology Corp | Ring oscillator based chemical sensor |
| TW526327B (en) * | 1998-02-19 | 2003-04-01 | Sumitomo Metal Ind | Detection apparatus and method of physical variable |
| US20020115198A1 (en) * | 2000-09-20 | 2002-08-22 | Nerenberg Michael I. | Microfabricated ultrasound array for use as resonant sensors |
| ITMI20030514A1 (it) | 2003-03-18 | 2004-09-19 | Uni Degli Studi Brescia | Metodo e dispositivo per determinare la frequenza di |
| GB0312818D0 (en) * | 2003-06-04 | 2003-07-09 | Univ Cambridge Tech | Acoustic sensor |
| JP4325624B2 (ja) | 2003-10-31 | 2009-09-02 | 株式会社村田製作所 | 弾性表面波センサー内蔵発振回路及びバイオセンサー装置 |
| US6948388B1 (en) * | 2003-12-18 | 2005-09-27 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Wireless remote sensor |
| JP4449978B2 (ja) * | 2004-03-30 | 2010-04-14 | 株式会社村田製作所 | 力学量センサ |
| JP2006019935A (ja) | 2004-06-30 | 2006-01-19 | Toshiba Corp | 薄膜圧電共振器及びその製造方法 |
| US7323944B2 (en) * | 2005-04-11 | 2008-01-29 | Qualcomm Incorporated | PLL lock management system |
| US7489204B2 (en) * | 2005-06-30 | 2009-02-10 | International Business Machines Corporation | Method and structure for chip-level testing of wire delay independent of silicon delay |
| US20070057772A1 (en) | 2005-09-09 | 2007-03-15 | Honeywell International Inc. | Hybrid SAW/BAW sensor |
| CN1308694C (zh) * | 2005-11-03 | 2007-04-04 | 北京科技大学 | 一种电阻的测量方法及测量装置 |
| EP1912062B1 (en) | 2006-10-13 | 2010-09-08 | Sabanci Universitesi | A biosensor and chemical sensor implementation using RF and microwave device, circuits and systems |
-
2008
- 2008-07-01 FI FI20085682A patent/FI121898B/fi active IP Right Grant
-
2009
- 2009-06-30 EP EP09164118.3A patent/EP2141495B1/en active Active
- 2009-06-30 US US12/495,267 patent/US8120434B2/en active Active
- 2009-07-01 CN CN200910166921.4A patent/CN101685116B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2141495A3 (en) | 2013-03-06 |
| US20100001740A1 (en) | 2010-01-07 |
| CN101685116B (zh) | 2017-10-27 |
| CN101685116A (zh) | 2010-03-31 |
| EP2141495B1 (en) | 2019-12-18 |
| FI20085682A (fi) | 2010-01-02 |
| FI20085682A0 (fi) | 2008-07-01 |
| EP2141495A2 (en) | 2010-01-06 |
| US8120434B2 (en) | 2012-02-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FI121898B (fi) | Menetelmä ja laite impedanssin mittaamiseksi | |
| Elhadidy et al. | A CMOS fractional-$ N $ PLL-based microwave chemical sensor with 1.5% permittivity accuracy | |
| Laemmle et al. | A 125-GHz permittivity sensor with read-out circuit in a 250-nm SiGe BiCMOS technology | |
| Sekar et al. | A self-sustained microwave system for dielectric-constant measurement of lossy organic liquids | |
| Arnau et al. | Circuit for continuous motional series resonant frequency and motional resistance monitoring of quartz crystal resonators by parallel capacitance compensation | |
| US8390304B2 (en) | Electrical resonance detection of particles and analytes in microfluidic channels | |
| US20040108859A1 (en) | Method for measuring high requency resistance in Diesel engine lubrication oil | |
| US11585774B2 (en) | Soil moisture sensor and operating method thereof | |
| Ferrari et al. | Improving the accuracy and operating range of quartz microbalance sensors by a purposely designed oscillator circuit | |
| Schröder et al. | Network analysis based interface electronics for quartz crystal microbalance | |
| US20060232281A1 (en) | Method and device for determining the resonant frequency of resonant piezoelectric sensors | |
| Ferrari et al. | In-liquid sensing of chemical compounds by QCM sensors coupled with high-accuracy ACC oscillator | |
| Jakoby et al. | Novel analog readout electronics for microacoustic thickness shear-mode sensors | |
| US6292002B1 (en) | Crystal resonant frequency sensor | |
| Tyagi et al. | Frequency estimation techniques in capacitance-to-frequency conversion measurement | |
| WO2001088519A2 (en) | Monolithic sensor for measuring impedance | |
| Ferrari et al. | Oscillator circuit configuration for quartz-crystal-resonator sensors subject to heavy acoustic load | |
| Addabbo et al. | A novel front-end circuit for the digital conversion of qcm-d responses for fpga-based frequency measurements | |
| Sell et al. | Reactance-locked loop for driving resonant sensors | |
| Zini et al. | Electronic technique and system for non-contact reading of temperature sensors based on piezoelectric MEMS resonators | |
| Pasternak | Applicability of different SAW oscillators' topologies for high frequency gas sensors construction | |
| Rocha et al. | Improved electronic readout circuit for resonant acoustic sensors | |
| Lee et al. | The effect of parallelism of CMUT cells on phase noise for chem/bio sensor applications | |
| Ghidini et al. | A 15 ppm resolution measurement system for capacitance transducers | |
| CN211453930U (zh) | 一种参数检测电路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 121898 Country of ref document: FI |
|
| PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: BIOMENSIO LTD |