JP4773656B2 - 共振器のｓ／ｎ比を向上するための周波数ワーピング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、バルク音響波センサの基本周波数を歪める不協和雑音を低減すべく処理する時間領域信号を利用した方法及び回路に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
バルク音響波（BAW）ケミカルセンサは、流体（気体及び液体）中の構成物質又は検体の濃度を測定するために使用される。これらの音響波装置は、濃度を測定される検体と親和性のある材料で少なくとも一側を被覆された圧電性結晶から典型的には製作される。当該装置は、測定される検体を含んだ流体の流れ内に配置され、検体は、吸収又は被覆面上に吸収される。吸収又は音響波装置によって吸収された検体の量は、装置の質量を増加し、装置の表面での粘弾性特性を変化させ、これによって、装置の音響波特性を減衰させる。この結果、音響波装置が共振する周波数が変化する。
【０００３】
音響波装置が電気発振回路に組み込まれた場合、該装置の共振周波数の変化は、発振器の動作周波数を変化させる。検体の濃度は、発振回路の動作周波数の経時的な変化を測定することによって割り出すことができる。
【０００４】
これらのケミカルセンサは、特定範囲の温度（例えば、-10℃〜50℃）及び湿度（例えば、0%〜90%の相対湿度）のような環境条件で動作するように設計され、対象となる検体の僅かな濃度及び濃度の僅かな変化を検出する能力を有している。しかしながら、検体の濃度の僅かな変化は、結晶の共振周波数の僅かな変化を生じさせることができる。つまり、例えば、測定される検体の僅かな濃度は、10MHzの結晶の公証共振周波数を約200Hzだけ変化させることが可能である。従って、検出回路は、結晶の共振周波数を高精度に検出する能力を有している必要がある。
【０００５】
しかし、装置の粘弾性特性は、該装置が晒される熱力学的条件に影響を受け得る。より詳しくは、温度及び湿度は、結晶の性質を「経時劣化」させ得、結晶の粘弾性特性の恒久的な変化を生じさせる。この粘弾性特性の変化は、装置の動特性に影響し、ひいては装置を形成する結晶の共振の速度に影響する。結晶の共振特性の変化は、共振回路の動作周波数における雑音を発生する不協和モード応答をしばしば生じさせる。従って、検出回路の雑音の影響を除去することが重要である。
【０００６】
本願発明は、バルク音響波センサの基本周波数を歪める不協和雑音を低減すべく処理する時間領域信号を利用する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明の１つの態様は、上記センサの基本周波数を歪める不協和雑音を低減する方法である。電圧可変コンデンサは、電圧制御発振器を生成すべく上記センサと直列に配される。該電圧制御発振器は、共振周波数を有する回路を形成すべく共振発振器と並列に配される。逆バイアスの直流（DC）電圧は、その静電容量を変化させるべく電圧可変コンデンサを通じて与えられ、これによって共振周波数を不協和雑音周波数から離すようにワープさせる。
【０００８】
本願発明の別の態様は、流体中の検体の濃度を測定するのに使用するセンサ回路である。該回路は、バルク音響波センサを有している。電圧可変コンデンサは、前記センサに接続されている。入力は、バイアスワーピングDC電圧をコンデンサに与える。共振発振回路は、センサの基本周波数を検出し、共振信号周波数を生成する。電圧可変コンデンサに与えられたバイアスDC電圧は、回路の共振周波数を不協和雑音周波数から離すようにワープさせる。
【０００９】
１つの態様にあっては、上記センサとコンデンサとは、電圧制御発振器を形成すべく直列に接続され、該電圧制御発振器は、共振発振器と並列に接続される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本好ましい実施の形態に利用されるバルク音響波（BAW）センサ18の上面図、図２は、その断面図である。金電極10及び24は、約300オングストローム（Å）の厚さで、基板12の対向面20及び22の50Åのクロム種層（chromium seedlayer）上に堆積されている。0.1〜8ミクロンのポリマ膜14は、電極10と面20の露出部とに堆積されている。随意的に、同一のポリマ材料の第２の層26が、下側の電極24と面22の露出部とに堆積される。何れの場合においても、ポリマ材料は、測定される検体との親和性を有している。センサ18は、測定される検体を含む流れ内に配され、該検体は、吸収又は被覆面上に吸収される。基板12と、電極10及び24と、膜14及び26とを合わせた厚さは、装置の共振周波数を規定する。一方又は両方のポリマ膜が吸収又は検体を吸収するにつれて、装置の共振周波数が変化する。電極10及び24は、センサ18の、図４の対応する回路要素への接続のための端子を有している。
【００１１】
図３は、センサ18の基本周波数の不協和歪みの潜在的な効果を示す度数図である。信号振幅は、軸30上にプロットされ、時間は、軸32上にプロットされている。Tは、発振周期を示し、従って、基本周波数は、1/Tである。図３は、センサ18の基本周波数から引き離す不協和モードに起因する符号歪みを示している。これらの不協和モードは、様々な要因に応じて、センサの基本周波数を1キロヘルツ（KHz）から10KHz程度だけシフトさせる。例えば、センサ18内の加工物は、厚さ剪断モード（thickness shear mode）を生じさせることができる。応力及び減衰特性もまた時間とともに変化し、より顕著になっていき、図３に示した歪みを生じさせる。加えて、センサ18の粘弾性特性及び動的損失特性（即ち、動特性）は、様々な熱力学的条件に亘る不協和モード歪みを増大させることができる。温度及び湿度は、センサ18の結晶を「経時劣化」させ、その粘弾性特性の恒久的な変化を生じさせる。
【００１２】
何れの場合においても、センサ18の共振特性の変化は、不協和モードを生じさせ、センサの動作周波数における雑音を発生させる。波形34は、センサ18により発生された非歪基本周波数を示している。波形36は、基本周波数を引き下げるか又は低下させる不協和モードに起因する歪基本周波数を示している。波形38は、基本周波数を引き上げるか又は増加させる不協和モードに起因する歪基本周波数を示している。
【００１３】
図４は、センサに関連する検出発振器の共振周波数をワープさせる本発明の好ましい実施の形態の回路図である。該回路は、時間領域信号処理を利用し、共振発振回路に並列な電圧制御発振回路を備えてなる。該電圧制御発振回路は、センサ18と、バラクタ（可変容量ダイオード）40と、基準バイアスコンデンサC2と、加算抵抗器R1及びR2と、位相シフトコンデンサC1及びC3と、入力44とを有している。センサ18は、その端子の１つを、接地された位相シフトコンデンサC3に接続されている。センサ18の第２端子は、加算抵抗器R2を介して入力44に、また、バラクタ40のカソードに接続されている。バラクタ40は、好ましくは、Zetex Hyper-Hyperabrupt 可変容量ダイオードであって、型番ZC932である。バラクタ40を通じた逆バイアス電圧を増加することは、その静電容量を低下させる。
【００１４】
バラクタ40のアノードは、いま１つの加算抵抗器R1を介して接地され、また、基準バイアスコンデンサC2に接続されている。該基準バイアスコンデンサC2もまた、いま１つの位相シフトコンデンサC1を介して接地されている。
【００１５】
共振発振回路は、電圧制御発振回路と並列に接続されている。本好ましい実施の形態においては、共振発振回路は、供給+Vと、抵抗器R3及びR4と、同調コンデンサC4とにも接続されたインバータ42を有している。抵抗器R3は、インバータ42の入力に接続され、また、コンデンサC4を介して接地されている。抵抗器R4もまた、コンデンサC4を介して接地され、また、インバータ42の出力に接続されている。インバータ42の入力は、コンデンサC1及びC2の接点に接続され、インバータ42の出力は、センサ18及びコンデンサC3の接点と、出力46とに反転される。インバータ42は、高ゲイン線形増幅器である。電圧+Vは、共振発振回路に電力を供給する。
【００１６】
入力電圧44は、逆バイアスDC電圧をバラクタ40のカソードに与える。該バイアス電圧の値は、加算抵抗器R1及びR2、並びにコンデンサC2によって確立される。コンデンサC1及びC3は、回路の立ち上げを可能にする位相シフトコンデンサである。センサ18と直列のバラクタ40の可変無効負荷は、センサ18の共振周波数を変化させる。該変化の量は、抵抗器R1及びR2の値と、44でのバイアスDC電圧入力とに基づいている。出力46は、調整された共振周波数から不協和音を減じた信号を与える。該出力46は、ジョンP.ディルガー及びナイルK.ディエルシュナイダーらによって1997年11月12日に出願され、本願と同一の譲受人に譲渡された出願番号第08/968,081号「高周波測定回路」のような高分解能カウンタに接続されている。
【００１７】
通常の状況下では、10MHzの公証周波数を有するセンサ18は、約10ヘルツ（Hz）の最大誤差で典型的には発振する。しかしながら、前述したように、不協和モード発振は、周波数スキップを生じさせ、これによって、基本周波数をその10メガヘルツ（MHz）から1〜10KHz（0.01%〜0.1%の歪みを表わす）程度だけ引き離す。センサ18は、しかしながら、検体の濃度の僅かな変化を測定すべく高分解能を有していなければならない。例えば、測定される検体の濃度は、センサ18の当初の10MHzの周波数を約200Hz（0.002%の変化を表わす）だけ変化させ得る。従って、検体の濃度の変化を示すべく測定される周波数変化は、不協和モードに起因する歪みの変化の範囲内である。それ故、歪みは効果的に除去されなければならない。図４に示した回路要素の値の適切な確立に伴い、周波数ワーピング機構は、回路の共振周波数を、センサの10MHzの基本周波数に向けて引き戻す。従って、ここでは、歪みは、センサの基本周波数を10KHz（例えば、〜9.990MHz）だけ変化させ得、ワーピング回路は、抵抗器R1及びR2とバイアスDC電圧値の適切な選定を通じて、回路の初期共振周波数を10.0MHzに引き戻す。それ故、初期周波数からの偏差は、雑音による影響がない、検体濃度の真の測定結果となる。
【００１８】
44により与えられた逆バイアスDC電圧は、１，2.5，及び4ボルトの電圧レベルで印加される。44により印加された電圧の大きさは、センサ18により発生された雑音歪みの観測量によって決まり、従って、必要な周波数ワーピングの量によって決まる。選定された逆バイアス電圧は、バラクタ40に選定された静電容量を与えるべく40を通じて印加される。例えば、１，2.5，及び4ボルトのバイアスDC電圧レベルは、Zetex ZC932型のダイオードで、それぞれ17，9，及び5ピコファラド（pF）の静電容量を与えるべくバラクタ40に影響を与える。典型的には、R1及びR2は、約100Kオームの値を有している。
【００１９】
本願発明は、好ましい実施の形態を参照して記述されたが、当業者にとっては、本願発明の意図及び範疇から逸脱することなく態様及び詳細の変更をなすことは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の好ましい実施の形態に利用されるバルク音響波ケミカルセンサの上面図である。
【図２】 図１に示したセンサの2-2断面図である。
【図３】 図１及び図２に示したセンサの基本周波数を歪ませることができる不協和モードを示す度数図である。
【図４】 本願発明の好ましい実施の形態の実施を示す回路である。
【符号の説明】
10，24 電極
12 基板
14 第１の層（膜）
18 センサ
20，22 対向面
26 第２の層（膜）
30，32 軸
40 バラクタ（可変容量ダイオード）
42 インバータ
44 入力
46 出力
C1 位相シフトコンデンサ
C2 基準バイアスコンデンサ
C3 位相シフトコンデンサ
C4 同調コンデンサ
R1，R2 加算抵抗器
R3，R4 抵抗器

Claims (13)

1. バルク音響波センサの信号を歪める不協和雑音歪みの影響を低減する方法であって、該バルク音響波センサは、恒久的に変化する粘弾性特性を有しており、該信号は、基本周波数を有し、前記雑音は、一又は複数の雑音周波数を有し、
   恒久的に変化する粘弾性特性を有するバルク音響波センサを回路に配し、
   電圧制御発振器を生成すべく、電圧可変コンデンサを前記センサと直列に配し、
   共振周波数を有する回路を形成すべく、前記電圧制御発振器を共振発振器と並列に配し、
   前記電圧可変コンデンサを通じて逆バイアスDC電圧を、その静電容量を変化させるべく印加し、
   前記共振周波数を、不協和雑音周波数から離すようにワーピングさせており、
   前記電圧可変コンデンサを通じて印加された逆バイアスDC電圧が、バルク音響波センサの恒久的に変化する粘弾性特性によって生成された前記不協和雑音歪みに応じて決定されることを特徴とする方法。
2. 流体中の検体の濃度を測定するのに使用するセンサ回路であって、
   恒久的に変化する粘弾性特性を有するバルク音響波センサと、
   該センサに接続された電圧可変コンデンサと、
   該電圧可変コンデンサにバイアスワーピングDC電圧を印加する入力と、
   前記センサの基本周波数を検出し、共振信号周波数を生成し、それによって、前記電圧可変コンデンサに印加されるバイアスワーピングDC電圧が、前記回路の共振周波数を不協和雑音から離すようにワープさせる共振発振回路と、を備え、
   前記電圧可変コンデンサに印加したバイアスワーピングDC電圧が、バルク音響波センサの恒久的に変化する粘弾性特性によって生成された前記不協和雑音歪みに応じて決定されることを特徴とする回路。
3. 前記センサは、
   所定の厚さを規定する第１及び第２の対向面を有する結晶基板と、
   前記第１の面上の第１の電極と、
   前記第２の面上の第２の電極と、
   前記第１の電極の少なくとも一部上の所定の検体と親和性のある材料からなる第１の層と
   を備え、
   前記第１及び第２の電極と前記第１の層とは、前記結晶基板が所定の基本周波数で共振するように対応する厚さを有し、前記結晶基板は、前記結晶の前記第１の層の前記検体への露出に基づいてその基本周波数を変更する
   ことを特徴とする請求項２記載の回路。
4. 前記電圧可変コンデンサは、カソードとアノードとを有する可変容量ダイオードであり、前記入力は、前記カソードに接続されていることを特徴とする請求項２記載の回路。
5. 前記入力は、前記センサと前記電圧可変コンデンサとに接続されていることを特徴とする請求項２記載の回路。
6. 前記電圧可変コンデンサは、電圧制御発振器を形成すべく、前記センサと直列に接続されていることを特徴とする請求項２記載の回路。
7. 前記共振発振回路は、前記電圧制御発振器と並列に接続されていることを特徴とする請求項６記載の回路。
8. 前記電圧制御発振器は、
   前記センサの第１の側に接続された位相シフトコンデンサと、
   前記入力と、前記電圧可変コンデンサと前記センサの第２の側との間の接点との間に接続された加算抵抗器と
   を更に有することを特徴とする請求項７記載の回路。
9. 前記電圧制御発振器は、前記電圧可変コンデンサと直列に接続された基準バイアスコンデンサを更に有することを特徴とする請求項８記載の回路。
10. 前記電圧制御発振器は、前記基準バイアスコンデンサに接続された第２の位相シフトコンデンサを更に有することを特徴とする請求項９記載の回路。
11. 前記電圧制御発振器は、前記基準バイアスコンデンサと前記電圧可変コンデンサとの間の接点に接続された第２の加算抵抗器を更に有することを特徴とする請求項１０記載の回路。
12. 前記共振発振回路は、
    前記電圧制御発振器と並列に接続され、電源に接続される論理インバータと、
    該インバータと並列に接続された第１及び第２の抵抗器と、
    基準点と、前記第１及び第２の抵抗器の間の接点との間に接続された同調コンデンサとを有することを特徴とする請求項７記載の回路。
13. 前記論理インバータは、高ゲイン線形増幅器であって、入力及び出力を有することを特徴とする請求項１２記載の回路。

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