MXPA01013214A

MXPA01013214A - Distorsion de frecuencia para mejorar la relacion de senal de resonador a ruido.

Info

Publication number: MXPA01013214A
Application number: MXPA01013214A
Authority: MX
Inventors: John P Dilger
Original assignee: Fisher Controls Int
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2002-06-21
Also published as: JP4773656B2; JP2003504620A; AU6083300A; WO2001004621A1; EP1194771B1; CN1361864A; CA2378759A1; BR0012394B1; DE60014090D1; EP1194771A1; BR0012394A; CN1172185C; CA2378759C; DE60014090T2; US6654470B1

Abstract

Un circuito detector para uso en la medicion de concentraciones de analito en un fluido esta comprendido de un detector BAW, un capacitor variable de voltaje conectado al detector, una entrada que suministra un voltaje cd distorsionador de polarizacion al capacitor variable de voltaje y un circuito oscilador resonante. El circuito oscilador resonante detecta la frecuencia fundamental del detector y produce una frecuencia de senal resonante. El voltaje cd distorsionador de polarizacion aplicado al capacitor variable de voltaje distorsiona la frecuencia resonante del circuito lejos del ruido no armonico.

Description

DISTORSIÓN DE FRECUENCIA PARA MEJORAR LA RELACIÓN DE SEÑAL DE RESONADOR A RUIDO REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD(ES) RELACIONADA(S) Ninguna.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los detectores químicos de onda acústica masiva (BAW) se usan para medir la concentración de componentes o analito en fluido (gases y líquidos). Esos dispositivos de onda acústica están construidos típicamente de cristales piezoeléctricos recubiertos sobre por lo menos un lado con un material que tiene una afinidad para el analito cuya concentración se va a medir. El dispositivo es colocado en la corriente de fluido que contiene el analito que se va a medir, y el analito es adsorbido o absorbido sobre la superficie recubierta. La cantidad de analito adsorbido o absorbido por el dispositivo de onda acústica incrementa la masa del dispositivo y altera las propiedades viscoelásticas en la superficie del dispositivo, amortiguando de esta manera las propiedades de onda acústica del dispositivo. Como un resultado, se altera la frecuencia a la cual resonará el dispositivo de onda. Cuando el dispositivo de onda acústica es incorporado dentro del circuito oscilador eléctrico, el cambio en la frecuencia resonante del dispositivo cambia la frecuencia de operación del oscilador. La ttÍ-Aja»» ~>- ' ¿fc '• ' «-- .. - „iáaitaJa¡.Jt¿.aiu aa? »>a^¿?jJt i. J t -l ¡ LA,. concentración del analito puede determinarse midiendo el cambio en la frecuencia de operación del circuito oscilador a través del tiempo. Esos detectores químicos están diseñados para operar en rangos específicos de condiciones ambientales, tales como temperatura (por ejemplo, 10°C hasta 50°C) y humedad (por ejemplo, 0% hasta 90% de humedad relativa) y son capaces de detectar pequeñas concentraciones y pequeños cambios de concentraciones, del analito de objetivo. Sin embargo, pequeños cambios en la concentración del analito pueden producir pequeños cambios en la frecuencia resonante del cristal. Por tanto, una pequeña concentración de analito que se mide puede alterar la frecuencia resonante nominal de un cristal de 10 MHz en aproximadamente 200 Hz. Por lo tanto, el circuito de detección debe ser capaz de detectar la frecuencia resonante del cristal con alta precisión. Sin embargo, las propiedades viscoelásticas del dispositivo pueden ser afectadas por las condiciones termodinámicas a las que se someta el dispositivo. De manera más particular, la temperatura y la humedad pueden "deteriorar" las características del cristal, ocasionando alteración permanente de las propiedades viscoelásticas del cristal del cristal. Esta alteración de las propiedades viscoelásticas afecta las características dinámicas del dispositivo, y por tanto la velocidad de resonancia en el cristal que forma el dispositivo. La alteración de las propiedades resonantes del cristal frecuentemente crea respuestas de tipo no armónico, las cuales generan ruido en la frecuencia de operación del circuito hasta un espesor de aproximadamente 300 Angstroms (Á) sobre una capa de base de cromo de 50 Á en superficies opuestas 20 y 22 del substrato 12. Una película de polímero 14 de 0.1 a 8 mieras se deposita sobre el electrodo 10 y las porciones expuestas de la superficie 20. Opcionalmente, una segunda capa del mismo material de polímero se deposita sobre el electrodo inferior 24 y la porción expuesta de la superficie 22. En cualquier caso, el material de polímero tiene una afinidad para el analito que se va a medir. El detector 18 se coloca en una corriente que contiene el analito y el analito se absorbe o adsorbe sobre la superficie recubierta. El espesor del substrato 12 junto con los electrodos 10 y 24 y las películas 14 y 16 definen una frecuencia resonante del dispositivo. Ya que una o ambas películas de polímero absorben o adsorben el analito, la frecuencia resonante del dispositivo cambia. Los electrodos 10 y 24 incluyen terminales para conexión del detector 18 con respecto a elementos de circuito respectivos en la fig. 4. La fig. 3 es un diagrama de frecuencia que muestra los efectos potenciales de la distorsión no armónica de la frecuencia fundamental del detector 18. La amplitud de señal es graficada en el eje 30, y el tiempo se gráfica en el eje 32. T indica el período de oscilación; por lo tanto la frecuencia fundamental es 1/T. La fig. 3 muestra la distorsión de señal ocasionada por los modos no armónicos que se separan desde la frecuencia fundamental del detector 18. Esos modos no armónicos desvían la frecuencia fundamental del detector en tanto como 1 kilohertz (KHz) hasta 10 ¿ .l,?,Á,m KHz, dependiendo de varios factores. Por ejemplo, los artefactos en el detector 18 pueden producir modos de corte de espesor. Las características de tensión y amortiguamiento cambian también con el tiempo y se vuelven más notorias, ocasionando la distorsión mostrada en la fig. 3, además, las propiedades viscoelásticas y las características de pérdida dinámica (es decir los parámetros de movimiento) del detector 18 pueden intensificar la distorsión del modo no armónico sobre condiciones termodinámicas variables. La temperatura y la humedad "deterioran" el cristal del detector 18, ocasionando alteración permanente de sus propiedades viscoelásticas. En cualquier caso, la alteración de las propiedades resonantes del detector 18 crea modos no armónicos y genera ruido en la frecuencia de operación del detector. La forma de onda 34 muestra la frecuencia fundamental no distorsionada generada por el detector 18. La forma de onda 36 muestra una fundamental distorsionada ocasionada por un modo no armónico que disminuye o reduce, la frecuencia fundamental. La forma de onda 38 muestra una fundamental distorsionada ocasionada por un modo no armónico que aumenta o incrementa la frecuencia fundamental. La fig. 4 es un diagrama de circuito de la modalidad preferida de la invención que distorsiona una frecuencia resonante del oscilador de detección asociado con el detector. El circuito utiliza el procesamiento de señal de dominio de tiempo y, está comprendido de un circuito oscilador controlado por voltaje en paralelo con un circuito oscilador resonante. El circuito oscilador controlado por voltaje incluye el detector 18, el varactor 40, capacitor de polarización de referencia C2, resistores adicionadores R1 y R2, capacitores de desplazamiento de fase C21 y C2 y la entrada 44. El detector 18 tiene una de sus terminales al capacitor de desplazamiento de fase C3, el cual a su vez está conectado a tierra. La segunda terminal del capacitor 18 está conectada a través del resistor adicionador R2 a la entrada 44 y al cátodo del varactor 40. El varactor 40 es preferiblemente un diodo de capacitancia variable Zetex-Hyper-Hyperabrupt, tipo ZC932. El varactor 40 funciona como un capacitor variable de voltaje. El incremento del voltaje de polarización inverso a través del varactor 40 reduce su capacitancia. El ánodo del varactor 40 está conectado a través del segundo resistor adicionador R1 a tierra y al capacitor de polarización de referencia C2. El capacitor de polarización de referencia C2 también está conectado a través del segundo capacitor de desplazamiento de fase C1 a tierra. El circuito oscilador resonante está conectado en paralelo con el circuito oscilador controlado por voltaje. En la modalidad actualmente preferida, el circuito oscilador resonante incluye el inversor 42 que también está conectado al suministro +V, resistores R3 y R4, y el condensador de sintonía C4. El resistor R3 está conectado a la entrada del inversor 42 y también a través del condensador C4 a tierra. El resistor R4 también está conectado a través del condensador C4 a tierra, y de igual manera en la salida del inversor 42. La entrada del inversor 42 está conectada a la unión de los capacitores C1 y C2 y la salida del inversor 42 es invertida a la unión del detector 18 y el capacitor C3 y a la salida 46. El inversor 42 es un amplificador lineal de alta ganancia. El voltaje +V suministra la energía al circuito oscilador resonante. El voltaje de entrada 44 proporciona un voltaje cd de polarización inverso al cátodo del varactor 40. El valor del voltaje de polarización se establece mediante los resistores adicionadores R1 y R2, así como mediante el capacitor C2. Los capacitores C1 y C3 son capacitores de desplazamiento de fase que permiten la instalación del circuito. La carga reactiva del varactor 40, en serie con el detector 18, fuerza un cambio en la frecuencia resonante del detector 18. La cantidad del cambio se basa en los valores de los resistores R! y R2 y la entrada del voltaje cd de polarización en 44. La salida 46 proporciona una señal con una frecuencia resonante ajustada, menos los tonos no armónicos. La salida 46 está conectada a un contador de alta resolución, tal como aquel descrito en la Solicitud No. 08/968,081, presentada el 2 de Noviembre de 1997, para "High Frequeney Measuring Circuit" de John P. Dilger y Nike K. Dielschneider, y cedida al mismo cesionario de la presente solicitud. La presente invención reduce en forma significativa la distorsión del ruido que resulta en el desplazamiento de frecuencia o salto, y mejora significativamente la resolución de 18. Bajo condiciones normales, el detector 18, con una frecuencia nominal de 10 MHz, oscila típicamente con un error máximo de aproximadamente 10 Hertz (Hz). Sin embargo, como se observó previamente, las oscilaciones de modo no armónico pueden ocasionar salto de frecuencia, separando de esta manera la frecuencia fundamental de su valor de 10 megahertz (MHz) en tanto como 1 a 10 KHz (que representa una distorsión de .01% hasta .1%). Sin embargo, el detectoMd debe tener una alta resolución para medir los pequeños cambios en las concentraciones de analito. Por ejemplo, las concentraciones de analito que se miden pueden alterar la frecuencia inicial de 10 MHz del detector 18 en aproximadamente 200 Hz (que representa un cambio de .002%). Por lo tanto, los cambios de frecuencia que se miden como indicaciones de un cambio de las concentraciones de analito están dentro de los cambios de distorsión ocasionados por los modos no armónicos. Por tanto, la distorsión debe ser eliminada de manera efectiva. Con el apropiado establecimiento de valores mostrados en la fig. 4, el mecanismo de distorsión de frecuencia separará la frecuencia resonante del circuito hacia el valor fundamental de 10 MHz del detector. Por tanto, cuando la distorsión puede alterar la frecuencia fundamental del detector en 10 MHz (por ejemplo hasta 9.990 MHz), el circuito de distorsión separará la frecuencia resonante inicial del circuito hasta 10.0 MHz a través de la selección adecuada de resistores R1 y R2 y el valor del voltaje cd de polarización. Por tanto, la desviación desde la frecuencia inicial es una medida verdadera de la concentración de analito, no afectada por el ruido.

El voltaje cd de polarización inverso suministrado por 44 es aplicado con niveles de voltaje de 1, 2.5 y 4 voltios. La cantidad de voltaje aplicada por 44 es determinada por la cantidad observada de distorsión de ruido generada por el detector 18, y por lo tanto por la cantidad de distorsión de frecuencia necesaria. El voltaje de polarización inverso seleccionado se aplica a través de 40 a fin de proporcionar una capacitancia seleccionada al varactor 40. Por ejemplo, los niveles de voltaje cd de polarización de 1,2.5 y 4 voltios afectan el varactor 40 para proporcionar la capacitancia de 17, 9 y 5 picofaradios (pF), respectivamente, en un diodo Zetex ZC932. Comúnmente, R1 y R2 tienen valores de aproximadamente 100 K ohms. Aunque se ha descrito la presente invención con referencia a modalidades preferidas, aquellos con experiencia en la técnica reconocerán que pueden hacerse cambios en la forma y detalle sin apartarse del espíritu y alcance de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. un proceso para reducir los efectos del ruido no armónico que distorsiona una señal de un detector de onda acústica masiva, la señal que tiene una frecuencia fundamental y el ruido que tiene una o más frecuencias de ruido, el proceso que comprende: colocar un capacitor variable de voltaje en serie con el detector para crear un oscilador controlado por voltaje; colocar el oscilador controlado por voltaje en paralelo con un oscilador resonante para formar un circuito que tiene una frecuencia resonante; aplicar un voltaje cd de polarización inverso a través del capacitor variable de voltaje para alterar su capacitancia; y distorsionar la frecuencia resonante lejos de las frecuencias de ruido no armónico.

2. Un circuito detector para uso en la medición de concentraciones de un analito en un fluido que comprende: un detector de onda acústica masiva; un capacitor variable de voltaje conectado al detector; una entrada para suministrar un voltaje cd de distorsión de polarización al capacitor variable de voltaje; y un circuito oscilador resonante que detecta una frecuencia fundamental del detector y produce una frecuencia de señal resonante, por lo cual un voltaje cd de polarización aplicado al capacitor variable de voltaje distorsiona la frecuencia resonante del circuito lejos del ruido no armónico.

3. El circuito de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el detector comprende: un substrato de cristal que tiene primera y segunda superficies opuestas que definen un espesor predeterminado; un primer electrodo en la primera superficie; un segundo electrodo en la segunda superficie; una primera capa de material que tiene una afinidad al analito predeterminado en por lo menos una porción del primer electrodo; y el primero y segundo electrodos y la primera capa que tienen espesores respectivos de manera que el substrato de cristal resuena a una frecuencia fundamental predeterminada, el substrato de cristal que cambia su frecuencia fundamental a la exposición de la primera capa del cristal al analito.

4. El circuito de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el capacitor variable de voltaje es un diodo de capacitancia variable que tiene un cátodo y un ánodo, y la entrada es conectada al cátodo.

5. El circuito de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la entrada está conectada al detector y al capacitor variable de voltaje.

6. El circuito de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el capacitor variable de voltaje es conectado en serie al detector para formar un oscilador controlado por voltaje. -a-aa.í ^. J..í^ i _ J?.A;: t.i.m.lmr m....^.,i „

7. El circuito de conformidad con la reivindicación 6 , caracterizado porque el circuito oscilador resonante está en paralelo con el oscilador controlado por voltaje.

8. El circuito de conformidad con la reivind icación 7 , caracterizado porque el oscilador controlado por voltaje incluye además: un capacitor de desplazamiento de fase conectado a un pri mer lado del detector; y un resistor adicionador conectado entre la entrada y una unión de entre el capacitor variable de voltaje y un segundo lado del detector.

9. El ci rcu ito de conform idad con la reivi ndicación 8, caracterizado porque el oscilador controlado por voltaje incluye además : un capacitor de polarización de referencia conectado en serie con el capacitor variable de voltaje .

10. El circuito de conform idad con la reivind icación 9, caracterizado porque el oscilador controlado por voltaje que incluye además: un seg undo capacitor de desplazamiento de fase conectado al capacitor de polarización de referencia. 1 1 . El circuito de conformidad con la reivindicación 10 , caracterizado porq ue el oscilador controlado por voltaje incluye además: un segundo resistor adicionador conectado a una unión entre el capacitor de polarización de referencia y el capacitor variable de voltaje. 12. El circuito de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el circuito oscilador resonante comprende: un inversor lógico conectado en paralelo con el oscilador controlado por voltaje, el inversor que está conectado a una fuente de energía; primero y segundo resistores conectados en paralelo con el inversor; y un condensador de sintonía conectado entre una referencia y una unión entre el primero y segundo resistores. 13. El circuito de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el inversor lógico es un amplificador lineal de alta ganancia y tiene una entrada y una salida. ,^ il".f ,fiÍ"iJ"*-'"-'a"»--l— - ** m-m,m-..~.m*rim ..m~-.m*,m~ ..mm=.*t?.