TW200928323A - Dual mode measurement system with quartz crystal microbalance - Google Patents

Description

»568twf.doc/p 200928323 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是.有關於一種量測系統，且特別是有關於一種 利用石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM) 來進行量測待測物的質量與特性的雙模量測系統。 【先前技術】 石央晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM) 主要是應用於微量物質的感測，是在近年來才被應用到生 物感測器的領域中。由於石英是壓電材（piezoelectricity material)，可進行機械能與電能之間的轉換，此為壓電效 應（piezoelectric)。早期的壓電感測器（piez〇eiectric SenS〇r) ’ 例如表面聲波（surface acoustic wave，SAW) 感測器丄多用在空氣污染物質測定。由於壓電感測器具有 靈敏度高、應答速度快以及可攜帶性等特性，因此牯别摘 ❹

. —、〜穴日日胧1双八卞定以頰平的改 推鼻質黑的變化，因此其感測靈敏度相當高，若每 568twf.doc/p Ο ο 200928323 頻率改變量為數赫罐)，則其靈 敏度可達到1〇9克單位質量的等級。 然而’對於生物感測器而言，僅量測待測物的質量是 ::二轉換到不同的量測系統，若能配合 物量測上更多的域，也能量測上的誤差。 微天平可一併量測待測物的質石 特性。藉此，使本發明之以= 本發明提出-種量測系統，包括 測電路、第二量測電路以及切換單元。 元r:端：量== 測電路與石英感測二=以擇電: 其^==輸出至石英感= 掃插石英感測夏：電2時’第-量測電路以頻率掃描信號 、感測7L件以輸出一阻抗感測信號。 電路、第補中’上述切換單元㈣於第-量測 -置測電路與石英感測元件的第二端之間，用以 200928323 »568twf.doc/p 選擇第一量測電路的輸出與頻率掃描信號其中之一並輸出 至石英感測元件的第二端。 在本發明一實施例中，上述量測系統更包括取樣保持 電路，輕接於石英感測元件的第二端，用以將阻抗感測信 號轉換為一基頻信號。 时在本發明一實施例中，上述量測系統更包括一計數 器’_於第-量測電路的輪出，用以計算譜振信號 率。 在本發明一實施例中，上述切換單元與計數器可由一 可程式化邏輯元件(Complex Programmable L〇gic Dev 所構成。 在本發明一實施例中，上述量測系統更包括致能電路 與偏壓電路。致能電路耦接於一電壓源與第一量測電路之 間，用以控制第一量測電路的電源供給。偏壓電路耦接於 石英感測元件的第二端，用以決定石英感測元件的第二端 的直流準位。 、在本發明一實施例中，上述第一量測電路包括比較 器、第一射極隨耦器、第二射極隨耦器以及一電容。其中， =較器的第一輸入端耦接於石英感測元件的第二端厂比較 器=第二輸入端耦接於第一量測電路的輸出。第一射極隨 輕器搞接於比車父器的第一輸出與第—量測電路的輸出之 ，二用以輸出諧振信號。第二射極隨耦器耦接於比較器的 第二輸出，並用以輸出反相諧振信號。電容耦接於第一量 測電路的輸出與接地端❶其中，比較器的第一輸出與第二 7 200928323 >568twf.doc/p 輸出互為反相信號，上述諧振信號與反相諧振信 相信號且頻率相同。量測系統可經由計數反相譜振信號而 推知石英感測元件在感測待測務時的諧振頻率。σ ^ 在本發明-實關中’上述第二量_路包括—壓控 ^盪器或信號產生器，用以輸出頻率掃描信號。 = 信號的頻率掃描範圍包括石英感測元件㈣振頻率。二 外’第二量測電路亦可由相位鎖定迴路來輸 〇 號，崎辦更為準確。 平婦剔5 β本發明因將頻率量測系統與阻抗量測系統整合於同 一量測系統中，因此本發明之石英晶體微天平可一;量測 待測物的兩種特性，包括質量以及待測物與石英晶體表面 之間的作用關係。藉此，提供使用者更為方便的量測系統， 避免移轉待測物而造成量測誤差。 w 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。、 【實施方式】 © 第一實施例 圖1為根據本發明實施例之量測系統之方塊圖。量測 系統100包括石英感測元件110、切換單元12〇、第一量測 電路130、第二量測電路丨40、計數器丨5〇以及取樣保持電 路(sample and hold drcuit)160。切換單元12〇耦接於石英 感測器110、第-量測電路13〇以及第二量測電路14〇之 間。計數器150耦接於第一量測電路13〇的輸出，用以計 數諧振信號RS的頻率。取樣保持電路16〇耦接於石英感 200928323 >568twf.doc/p 測元件110的—端，用以取樣出阻抗感測信號IMS中的基 頻信號。 & 石英感測元件110會因為待測物的重量與物質型態 (例如液體或固體）而影響其頻率響應（frequency response) ’例如譜振頻率(res〇nance frequency)以及在不同 頻率點的阻抗變化特性。但諧振頻率與阻抗量測所需的電 路並不相同，因此在本實施例中，分別以第一量測電路1 ❹ 第一畺測電路140來進行感測。第一量測電路130與石 英感，元件11〇可形成一頻率量測系統，用以感測待測物 的質，，第二量測電路140與石英感測元件11〇可形成一 阻抗量測系統’用以感測待測物與石英晶體表面之間的作 用力。切換單元120則用來切換第一量測電路130與第二 量測電路140。 η )虽切換單元120選擇第一量測電路130時，第一量測 13〇會與名英感測元件no形成振盪電路並輸出諧振 H。然後經由計數器150便可計算出譜振信號RS的 頻^藉此，量測系統便可經由諧振信號的頻率變化 ^知待測物的質量。當切換單A12G選擇第二制電路140 =’第二量測電路140會以頻率掃描信號Fss來掃描石英 if70件、110。頻率掃描信號fss會依照預設掃描範圍， =頻逐步増加至高頻，或由高頻逐步減少至低頻，其 抑描乾圍會涵蓋石英感測元件110的諧振頻率。然後，經 由石英感測元件i 10的另—端輸出阻抗感測信號IMS。 由於待測物的狀態不同，其與石$晶體表面的作用力 200928323 568twf.doc/p 也會有所不同，這會影響石英感測元件n〇的頻率響應特 性，使石英感測元件110在不同頻段產生不同的特性阻 抗。換&之，石英感測元件110可視為一濾波器，因此阻 抗感測信號IMS會包括一基頻信號(baseband signal)與一 載波信號(carrier signal)，其中載波信號是由頻率掃描信號 FSS所產生，而基頻信號則是由石英感測元件π〇的頻率 響應特性所產生。取樣保持電路16〇耦接於石英感測元件 〇 110的另一端'，會濾除阻抗感測信號IMS中的載波信號， 僅保持其基頻信號。經由取樣保持電路160的輸出信號 VOUT，量測系、统1〇〇即可推知石英感測元件no的頻率 響應特性以及不同頻段上的等效阻抗變化。 圖2為根據本實施例之阻抗感測信號IMS與輸出信號 νουτ之波形示意圖。如圖2(a)所示，阻抗感測信號ims 會包括載波#號與基頻信號，在經由取樣保持電路丨進 行取樣後，其輸出信號VOUT僅保留基頻信號，其中頻率 掃描信號FSS的掃描範圍則會包括石英感測元件11〇的諧 〇 振頻率f〇。量測系統100經由輪出信號VOUT的振幅大小 與其對應的頻举值即可分析頻譜中的阻抗變化讓使用者 瞭解待測物與晶體表面間的作用力，進而推知待測物的物 質型態，例如固體或液體，或是黏稠狀態。 此外，值得注意的是，上述計數器15〇以及切換單元 120可由可程式化邏輯元件(c〇mplex㈣抑職糾'

Device，CPLD)所構成。第二量測電路14〇可為—壓控振盪 器(Voltage Control 0scillator，vc〇)或相位鎖定迴路;二 200928323 \irwi vf λ.v — w568t^vf.doc/p

Lock Loop，PLL)〇在實際的電路設計中，可依照設計需求 增設電源的致能電路以及偏壓電路等，讓量測系統的使用 更為便利。 第二實施例 接下來進一步說明本實施例之電路結構細節，圖3 為根據本發明第二實施例之量測系統電路圖。請同時參照 圖1 ’圖3為圖1之電路實施方式。第一量測單元13〇、第 二量測單元140、致能電路370、偏壓電路380以及取樣保 持電路160的細部電路請參照圖3以及以下說明。切換單 元120則可以二對一的切換開關或多工器來實現。 ·. 第一量測電路130包括比較器CP1、電阻R31〜R35、 雙極性電晶體(Bipolar Junction Transistor，BTT )B31、B32 以及電容C31。比較器CPI耦接於致能電路370與接地端 GND之間，其正輸入端耦接於石英感測元件11()的一端， 負輸入端則耦接於迴授端。拴鎖信號LSI則可用來控制比 較器CP1的輸出直流準位。比較器CP1具有兩個輸出端， 所輸出的信號互為反相信號。雙極性電晶體B31與電阻 R33構成一射極隨搞器(Emitter Follower)，並經由電阻R31 耦接於比較器CP1的一輸出端。 當切換單元120將雙極性電晶體B32的射極端耦接至 石英感測元件110時，第一量測電路130與石英感測元件 110即形成一振盪電路，然後雙極性電晶體B31與電阻R33 之間的共用接點則輸出错振信號RS。雙極性電晶體B32 與電阻R35則形成另一個射極隨輕器，經由電阻R32耗接 11 200928323 vw-r V / vr&u ^^568twjfliJoc/p 於比較H CPI的另-個輸出端，然後雙極性電晶體B32與 電阻R35的共用接點則輪出反相諧振信號rsi。 由於比較器CP1的兩個輪出端所輸出的信號，相位相 反但頻率相同，因此反相譜振信號腹與諧振信號RS的 頻率相同。汁數器150可經由計數反相諧振信號RS1的頻 率來得知諧振信號RS的頻率。值得注意的是，計數器15〇 ^可以直接雛於雙極性電晶體B31的射極端來計數譜振 ❹ 信號RS的頻率。本實施例利用雙極性電晶體B32與電阻 R35所开>成的射極隨麵器來產生反相諧振信號，以間 接的方式來計數諧振信號rS的頻率可避免計數器所 產生的負載而影響到石英感測元件i 的諧振頻率。換句 話說，也就是以兩個射極隨耦器來當作不同的輪出級，藉 此避免量測的電路影響輸出信號的準確性。 致能電路370包括電阻R71以及金氧半場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, M〇SFET’簡稱電晶體)M1，電阻R71耦接於致能信號ES1 ® 與電晶體Ml之間，電晶體Ml的另一端耦接於第一量測 電路130，電晶體Ml的閘極受控於致能信號ES1，電壓 源VDD則耦接於電晶體Ml與電阻R71的共用接點。當 致能信號ESI致能時，電晶體M1導通，電壓源VDD即 可提供工作電壓與電流至第一量測電路130。 偏壓電路380包括電阻R81〜R84、電晶體M2以及 電容C81。偏壓電路380耦接於石英感測元件11〇的一端， 主要利用電阻R82、R84來決定石英感測元件11〇的一端 12 200928323 —— ；568twf.doc/p 的直流準位。同時，藉由電阻R82、R84的比例可調整比 較器CP1的正輸出端的直流準位。 第二量測電路140包括電晶體M3、電阻R41〜R51、 雙極性電晶體B41〜B43、電容C41〜C44、電感L41、二 極體D41以及比較器CP2。在本實施例中，第二量測電路 140則可視為一壓控振盪器’以控制電壓vc〇來控制石英 晶體341的振盪頻率’然後經由比較器CP2以及兩個射極 〇 隨麵器（分別由雙極性電晶體B42〜B43與電阻R48、R49 所構成)來輸出頻率掃描信號FSS以及與其反相之反相頻 率掃描信號FSS1。 第二量測電路140的主要電路架構為壓控振盪器，其 電路架構與耦接關係請直接參照圖3，在此不加累述。其 中:值得注意的是，電阻R50與電晶體河3的架構與上述 致旎電路370相同，但受控於致能信號ES3。比較器cp2 的輸出直流準位則可由拴鎖信號LS2所控制，雙極性電晶 體B42〜B43與電阻R48、勝所構成的射極隨耦器與上 ，第一量測電路130的射極隨耦器功能相同，主要用來隔 絕電路内部信號與量測用的信號，在此不加累述。在本實 =例中’第二量測電路14〇可以信號產生器來取代，只要 ^產生不_率的信號即可，並不限定於圖3所示。本技 ^域具有通常知識者，在經由本發明之揭露後應可輕易 推知其餘可行之電路架構，在此不加累述。 當切換單元150切換至頻率掃描信號Fss時，第二量 測電路140所輸出的頻率掃描信號FSS會經由切換單元 13

Ο 的另二端與接地端GND之間。取樣保持電路16〇所接收 的阻抗感測信號IMS，在經由二極體D61整流後會僅剩下 正電壓的波形，然後利用電容C62的電荷儲存效用產生輪 出電壓VOUT。輸出電壓ν〇υτ即可保留阻抗感測信號 IMS中的基頻部分，提供使用者判讀待測物與石英晶體表 面的作用力。. 200928323 -j568twfdoc/p 元件11G，用轉描石英_元件 號央感測元件11〇的另—端輸出阻抗感測信 ηΓ信號職_精描範_依照石英感 二：咸別-：？振頻率而定。阻抗感測信號1MS會反應出 晶=:=的阻抗變化，藉此可推知待測物與石英 取樣保持電路160包括比較器cp3〜cp5、二 麗、D62、可變電阻觸以及電容C6卜C62。比較器 CP3箱接於阻抗感測信號刪與電容㈤之間，二極^ D61耦接於電谷C61的另—端與接地端GND之間^比較 器CP4搞接於二極體D62與電容⑽的另一端之間，並 可藉由可變電阻R61來調整比較器cp4負輪入端的參考電 壓位準。電容C62與可變電阻R61並聯耦接於二極體D62 此外，值得注意的是，比較器cp5可用於比較輸出電 壓VOUT與參考電壓VREF，當輸出電壓VOUT大於參考 電壓VREF時會致能觸發信號VRI，提供使用者觀察石英 晶體訊號到達穩定狀態觸發時間，亦能做為生物觀察實驗 另一參數。 200928323 wwt_v * ά ν» **v568tw£doc/p 圖3實施例僅為本發明之電路實施方 發明並不受限於圖3之實施電路。本域^通當本 識者’在經由本發明之揭露後應可輕易推^餘 路架構’或對上述圓3之電路進行修改、^ 電 在此不加累述。 闾j之窀路細卽 抗量:合元=率量測系統與阻

量測模式，並使上述兩可:=== 移動待測物即可-併量測待測物= 2匕括質篁以及待測物與石英晶體表面之間的作 糸。藉此，提供使用者更為方便的量測 測物而造成麵誤差。 &概移轉待 限定已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以

:離本發明之精神和範圍内，當可作些許之二： =本發明之保護翻#減附之㈣專聰騎界定者 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明實施例之量測系統之方塊圖。 圖2為根據本實施例之阻抗感測信號IMS與輸出彳古號 v〇UT之波形示意圖。 ’、 圖3為根據本發明第二實施例之量測系統電路 【主要元件符號說明】 100 :量測系統 15 200928323 \J\J\J-t-\J l~\J L\J ^w568twf.doc/p 110 :石英感測元件 120 :切換單元 130 :第一量測電路 140 :第二量測電路 150 :計數器 160 :取樣保持電路 370 :致能電路 0 380 :偏壓電路 CP1〜CP5 :比較器 R31 〜R35、R41 〜R5卜 R71、R81 〜R84 :電阻 R61 :可變電阻 B31、B32、B41〜B43 :雙極性電晶體

Ml〜M3 :金氧半場效電晶體 C3卜 C41 〜C44、C6卜 C62、C81 :電容 D41、D61、D62 :二極體 L41 :電感 〇 VDD :電壓源 GND :接地端 FSS :頻率掃描信號 FSS1 :反相掃描信號 LSI、LS2 :拴鎖信號 ESI〜ES3 :致能信號 VREF :參考電壓 VRI :觸發信號 16 200928323 I -\J X 〇 ^J568twf.doc/p vco :控制電壓 RS :諧振信號 RSI :反相諧振信號 IMS :阻抗感測信號 VOUT :輸出信號 f〇 ·諸振頻率

Claims (1)

1. Ο

   200928323 υυυ^υ/-υ1δ ^〇568twf.doc/p 十、申請專利範圍： 1.一種量測系統，包括·· 二石英感測元件，用以感測一待測物； 石英第—細路的輸，接於該 一則電用以輸出一頻率掃描信號;以及 :與，感測元件之間，用以選擇該第-以Π 第-^其t之—的獅·^錢碎感測元 日、其中，當該切換單元選擇該第一量測電路時，該第一 電路與該石英感測元件形成-振Μ電路並輪出一諧振 k號，當該切換單元選擇該第二量測電路時，該第二量測 電路以該頻率掃描信號掃描該石英感測元件以輸出一阻抗 感測信號。 。2.如申請專利範圍第1項所述之量測系統，其中該切 換單元耦接於該第一量測電路、該第二量測電路與該石英 感測元件的一第二端之間，用以選擇該第一量測電路的輸 出與該頻率掃描信號其中之一並輸出至該石英感測元件的 該第二端。 3. 如申s青專利範圍第1項所述之量測系統，更包括： 一取樣保’持電路，耦接於該石英感測元件的該第二 端’用以將該阻抗感測信號轉換為一基頻信號。 4. 如申請專利範圍第1項所述之量測系統，更包括： 一計數器’耦接於該第一量測電路的輸出，用以計算 200928323 , _w χ u --^568twf.doc/p 该譜振信號的頻率。 5. 如申請專利範圍第4項所述之量測系統，其中該切 換單元與該計數器由一可程式化邏輯元件所構成。 6. 如申請專利範圍第1項所述之量測系統，更包括： 一致能電路’耦接於一電壓源與該第一量測電路之 間’用以控制該第一量測電路的電源供給；以及 —偏壓電路，耦接於該石英感測元件的該第二端，用 p 以決定該石英感測元件的該第二端的直流準位。 7. 如申請專利範圍第6項所述之量測系統，其中該第 一量測電路包括： 比較器’該比較器的一第一輸入端耗接於該石英感 測元件的該第二端，該比較器的一第二輸入端耦接於該第 一量測電路的輸出； / —第一射極隨耦器，耦接於該比較器的一第—輸出與 該第一量測電路的輸出之間，並用以輸出該諧振信號；^ 及 ^ —電容，耦接於該第一量測電路的輸出與一接地端之 間。 8·如申請專利範圍第7項所述之量測系統，其中該 一量測電路更包括： Λ —第二射極隨耦器，耦接於該比較器的一第二輪出， 並用以輸出一反相諧振信號； 1 其中，該比較器的該第一輸出與該第二輸出互為反相 仏號，該諧振棺號與該反相諧振信號之頻率相同。 200928323 —_____ __568twf.doc/p 9. 如申請專利範圍第8項所述之量測系統，更包括： 一計數器，耦接於該第二射極隨耦器的輸出，用以計 算該反相諧振信號的頻率。 10. 如申請專利範圍第1項所述之量測系統，其中該第 二量測電路包括一壓控振盪器，用以輸出該頻率掃描信號。 11. 如申請專利範圍第1項所述之量測系統，其中該第 二量測電路包括一相位鎖定迴路，用以輸出該頻率掃描信 號。 12. 如申請專利範圍第1項所述之量測系統，其中該第 二量測電路為一信號產生器。 13. 如申請專利範圍第1項所述之量測系統，其中該頻 率掃描信號的頻率掃描範圍包括該石英感測元件的諧振頻 率。 ❹ 20