DE60014090T2

DE60014090T2 - Frequenzvariation zur verbesserung des signalrauschabstandes eines sensors

Info

Publication number: DE60014090T2
Application number: DE60014090T
Authority: DE
Inventors: P. John DILGER; Guojun Liu
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: JP4773656B2; JP2003504620A; AU6083300A; WO2001004621A1; EP1194771B1; CN1361864A; CA2378759A1; MXPA01013214A; BR0012394B1; DE60014090D1; EP1194771A1; BR0012394A; CN1172185C; CA2378759C; US6654470B1

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Keine.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Chemische Sensoren für akustische Volumenwellen ("Bulk Acoustic Wave" (BAW)) werden verwendet, um die Konzentration von Komponenten oder eines Analyts in Fluids (Gasen und Flüssigkeiten) zu messen. Diese Vorrichtungen für akustische Wellen sind typischerweise mit piezoelektrischen Kristallen bzw. Quarzen konstruiert, welche mindestens auf einer Seite mit einem Material beschichtet sind, welches eine Affinität für den Analyt aufweist, dessen Konzentration gemessen werden soll. Die Vorrichtung ist in der Fluidströmung angeordnet, welche den zu messenden Analyt enthält, und der Analyt wird auf der beschichteten Oberfläche adsorbiert oder absorbiert. Die Menge des Analyts, welcher durch die Vorrichtung für akustische Wellen adsorbiert oder absorbiert wird, erhöht die Masse der Vorrichtung und verändert die viskoelastischen Eigenschaften an der Oberfläche der Vorrichtung, wodurch die akustischen Welleneigenschaften der Vorrichtung gedämpft werden. Demzufolge wird die Frequenz, bei der die Vorrichtung für akustische Wellen mitschwingt, verändert.
Wenn die Vorrichtung für akustische Wellen in einer elektrischen Oszillatorschaltung enthalten ist, verändert die Veränderung in der Resonanzfrequenz der Vorrichtung die Betriebsfrequenz des Oszillators. Die Konzentration des Analyts kann bestimmt werden, indem die Veränderung der Betriebsfrequenz der Oszillatorschaltung über die Zeit gemessen wird.
Diese chemischen Sensoren werden entworfen, um bei bestimmten Umweltbedingungen, wie z. B. bei Temperatur (z. B. -10°C bis 50°C) und Luftfeuchtigkeit (z. B. bei 0% bis 90% relativer Luftfeuchtigkeit) zu arbeiten und sind geeignet, kleine Konzentrationen und kleine Veränderungen von Konzentrationen des Zielanalyts zu erfassen. Kleine Veränderungen in Analytkon zentrationen können jedoch kleine Veränderungen in der Resonanzfrequenz des Kristalls erzeugen. Somit könnte zum Beispiel eine kleine Konzentration eines Analyts, welche gemessen wird, die nominale Resonanzfrequenz eines 10 MHz Kristalls um ungefähr 200 Hz ändern. Deshalb muss die Erfassungsschaltung geeignet sein, die Resonanzfrequenz des Kristalls mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen.
Die viskoelastischen Eigenschaften der Vorrichtung können jedoch durch thermale dynamische Bedingungen, welchen die Vorrichtung unterworfen ist, beeinflusst werden. Insbesondere können Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Eigenschaften des Kristalls "altern" lassen, was eine permanente Veränderung der viskoelastischen Eigenschaften des Kristalls bewirkt. Diese Veränderung der viskoelastischen Eigenschaften beeinflusst die dynamischen Merkmale der Vorrichtung und somit die Resonanzgeschwindigkeit in dem Kristall, welcher die Vorrichtung bildet. Eine Veränderung der Resonanzeigenschaften des Kristalls erzeugt häufig unharmonische Oberwellenantworten, welche ein Rauschen bei der Betriebsfrequenz der Oszillatorschaltung erzeugen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung verwendet die Zeitbereichsignalverarbeitung, um das unharmonische Rauschen, welches die Grundfrequenz eines Sensors für akustische Volumenwellen stört, zu verringern.
Eine Ausbildung der Erfindung ist ein Verfahren zur Verringerung des unharmonischen Rauschens, welches die Grundfrequenz des Sensors stört. Ein spannungsvariabler Kondensator ist in Reihe mit dem Sensor angeordnet, um einen Spannung-gesteuerten Oszillator zu erzeugen. Der Spannung-gesteuerte Oszillator ist parallel mit einer Oszillatorschaltung angeordnet, um eine Schaltung mit einer Resonanzfrequenz auszubilden. Eine Sperrspannungs-Gleichspannung (dc) wird über dem spannungsvariablen Kondensator angelegt, um seine Kapazität zu verändern, wobei die Resonanzfrequenz von den unharmonischen Rauschfrequenzen weg verschoben wird.
Eine andere Ausbildung der Erfindung ist eine Sensorschaltung zur Verwendung beim Messen der Konzentration von Analyten in einem Fluid. Die Schaltung weist einen Sensor für akustische Volumenwellen auf. Ein spannungsvariabler Kondensator ist mit dem Sensor verbunden. Ein Eingang führt dem Kondensator eine verschiebende Vorspannungs-Gleichspannung zu. Eine Resonanzoszillatorschaltung erfasst die Grundfrequenz des Sensors und erzeugt eine Resonanzsignalfrequenz. Die an den spannungsvariablen Kondensator angelegte Vorspannungs-Gleichspannung verschiebt die Resonanzfrequenz der Schaltung weg von den unharmonischen Rauschfrequenzen.
Bei einer Ausbildung sind der Sensor und der Kondensator in Reihe verbunden, um einen Spannung-gesteuerten Oszillator auszubilden, welcher wiederum parallel mit dem Resonanzoszillator verbunden ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines chemischen Sensors für akustische Volumenwellen, welcher bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
2 ist eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Sensors entlang einer Linie 2-2.
3 ist ein Frequenzdiagramm, welches die unharmonischen Oberwellen darstellt, welche die Grundfrequenz des in 1 und 2 dargestellten Sensors stören können.
4 ist eine Schaltung, welche die Realisierung der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist eine Draufsicht und 2 ist eine Querschnittsansicht eines Sensors 18 für akustische Volumenwellen (BAW), welcher bei der momentan bevorzugten Ausführungsform eingesetzt wird. Goldelektroden 10 und 14 sind mit einer Dicke von ungefähr 300 Ångström (Å) auf einer 50 Å Chromkeimschicht auf gegenüberliegenden Oberflächen 20 und 22 eines Substrats 12 aufgetragen. Ein 0,1 bis 8 Mikrometer Polymerfilm 14 ist auf der Elektrode 10 aufgetragen und Abschnitten der Oberfläche 20 ausgesetzt. Optional ist eine zweite Schicht 26 desselben Polymermaterials auf der Bodenelektrode 24 aufgetragen und einem Abschnitt der Oberfläche 22 ausgesetzt. In beiden Fällen weist das Polymermaterial eine Affinität für das zu messende Analyt auf. Ein Sensor 18 ist in einem Strom platziert, welcher das zu messende Analyt enthält, und der Analyt wird auf der beschichteten Oberfläche absorbiert oder adsorbiert. Die Dicke des Substrats 12 zusammen mit den Elektroden 10 und 24 und den Filmen 14 und 26 definiert die Resonanzfrequenz der Vorrichtung. Da ein oder beide Polymerfilme den Analyt absorbieren oder adsorbieren, verändert sich die Resonanzfrequenz der Vorrichtung. Die Elektroden 10 und 24 besitzen Anschlüsse zur Verbindung eines Sensors 18 mit entsprechenden Schaltungselementen in 4.
3 ist ein Frequenzdiagramm, welches potenzielle Effekte einer unharmonischen Störung der Grundfrequenz des Sensors 18 darstellt. Eine Signalamplitude ist auf einer Achse 30 aufgetragen, und die Zeit ist auf einer Achse 32 aufgetragen. T bezeichnet die Periode der Schwingung; die Grundfrequenz ist damit 1/T. 3 stellt eine Signalstörung dar, welche durch unharmonische Oberwellen verursacht ist, die die Grundfrequenz des Sensors 18 wegzieht. Diese unharmonischen Oberwellen verschieben die Grundfrequenz des Sensors um 1 Kilohertz (kHz) bis 10 kHz, abhängig von verschiedenen Faktoren. Zum Beispiel können Gegenstände in dem Sensor 18 Dickenscherungsschwingungen erzeugen. Belastungs- und Dämpfungseigenschaften können sich auch mit der Zeit verändern und bemerkbarer werden, was die in 3 dargestellte Störung verursacht. Zusätzlich können viskoelastische Eigenschaften und dynamische Verlusteigenschaften (d. h. Bewegungsparameter) des Sensors 18 die unharmonische Oberwellenstörung über sich verändernde thermodynamische Bedingungen verstärken. Temperatur und Luftfeuchtigkeit "altern" den Kristall des Sensors 18, was eine permanente Veränderung seiner viskoelastischen Eigenschaften verursacht.
In jedem Fall erzeugt eine Veränderung der Resonanzeigenschaften des Sensors 18 unharmonische Oberwellen und erzeugt ein Rauschen bei der Betriebsfrequenz des Sensors. Eine Wellenform 34 zeigt die ungestörte Grundfrequenz, welche durch den Sensor 18 erzeugt wird. Eine Wellenformen 36 zeigt eine gestörte Grundfrequenz, welche durch eine unharmonische Oberwelle verursacht wird, die die Grundfrequenz nach unten zieht oder verringert. Eine Wellenform 38 stellt eine gestörte Grundfrequenz dar, welche durch eine unharmonische Oberwelle verursacht wird, die die Grundfrequenz nach oben zieht oder erhöht.
4 ist ein Stromlaufplan der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform, welche eine Resonanzfrequenz des dem Sensor zugeordneten Erfassungsoszillators verschiebt. Die Schaltung verwendet eine Zeitbereichsignalverarbeitung und umfasst eine Spannung-gesteuerte Oszillatorschaltung parallel mit einer Resonanzoszillatorschaltung. Die Spannung-gesteuerte Oszillatorschaltung weist einen Sensor 18, einen Varaktor 40, einen Vorspannungs-Referenzkondensator C2, Summenwiderstände R1 und R2, Phasen verschiebende Kondensatoren C1 und C3 und einen Eingang 44 auf. Einer der Anschlüsse des Sensors 18 ist mit dem Phasen verschiebenden Kondensator C3 verbunden, welcher wiederum mit Masse verbunden ist. Der zweite Anschluss des Sensors 18 ist über den Summierwiderstand R2 mit dem Eingang 44 und mit der Kathode des Varaktors 40 verbunden. Der Varaktor 40 ist vorzugsweise eine Zetex Hy per-Hyperabrupt Kapazitätsvariationsdiode des Typs ZC932. Der Varaktor 40 arbeitet als ein spannungsvariabler Kondensator. Eine Erhöhung der Sperrspannung über dem Varaktor 40 verringert seine Kapazität.
Die Anode des Varaktors 40 ist über den zweiten Summierwiderstand R1 mit Masse und dem Vorspannungs-Referenzkondensator C2 verbunden. Der Vorspannungs-Referenzkondensator C2 ist auch über den zweiten Phasen verschiebenden Kondensator C1 mit Masse verbunden.
Die Resonanzoszillatorschaltung ist parallel mit der Spannung-gesteuerten Oszillatorschaltung verbunden. Bei der momentan bevorzugten Ausführungsform weist die Resonanzoszillatorschaltung einen Inverter 42, welcher auch verbunden ist, um +V zuzuführen, Widerstände R3 und R4 und ein Abstimmkondensator C4 auf. Der Widerstand R3 ist mit dem Eingang des Inverters 42 und über den Kondensator C4 auch mit Masse verbunden. Der Widerstand R4 ist auch über den Kondensator C4 mit Masse und auch mit dem Ausgang des Inverters 42 verbunden. Der Eingang des Inverters 42 ist mit der Verbindung der Kondensatoren C1 und C2 verbunden, und der Ausgang des Inverters 42 ist mit der Verbindung des Sensors 18 und des Kondensator C3 und mit dem Ausgang 46 verbunden. Der Inverter 42 ist ein linearer Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor. Eine Spannung +V versorgt die Resonanzoszillatorschaltung.
Der Spannungseingang 44 sorgt für eine Sperrspannungs-Gleichspannung an der Kathode des Varaktors 40. Der Wert der Vorspannung wird durch die Summenwiderstände R1 und R2 wie auch durch den Kondensator C2 eingestellt. Die Kondensatoren C1 und C3 sind Phasen verschiebende Kondensatoren, welche die Inbetriebsetzung der Schaltung ermöglichen. Die variable reaktive Belastung des Varaktors 40 in Reihe mit dem Sensor 18 erzwingt eine Veränderung in der Resonanzfrequenz des Sensors 18. Die Größe der Änderung hängt von den Werten der Widerstände R1 und R2 und des Eingangs der Vorspannungs- Gleichspannung bei 44 ab. Der Ausgang 46 stellt ein Signal mit einer eingestellten Resonanzfrequenz minus der unharmonischen Töne bereit. Der Ausgang 46 ist mit einem Hochauflösungszähler verbunden, wie z. B. demjenigen, welcher in der Anmeldung Nr. 08/968,081, eingereicht am 12. November 1997, für eine "High Frequency Measuring Circuit" von John P. Dilger und Nile K. Dielschneider, beschrieben ist, und auf denselben Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen ist. Die vorliegende Erfindung verringert die Rauschstörung, welche eine Frequenzverschiebung oder ein Überspringen bewirkt, wesentlich, und erhöht die Auflösung des Sensors 18 wesentlich.
Unter normalen Bedingungen schwingt der Sensor typischerweise mit einer Nominalfrequenz von 10 MHz mit einem maximalen Fehler von ungefähr 10 Hertz (Hz). Jedoch können, wie vorab angemerkt wurde, die unharmonischen Oberwellen ein Frequenz-überspringen verursachen, wodurch die Grundfrequenz von ihren 10 Megahertz (MHz) um 1 bis 10 kHz weggezogen wird (was eine Störung von 0,01% bis 0,1% darstellt). Der Sensor 18 muss jedoch eine hohe Auflösung besitzen, um kleine Änderungen bei Analytkonzentrationen zu messen. Zum Beispiel können zu messende Konzentrationen des Analyts die anfängliche Frequenz des Sensors 18 von 10 MHz um ungefähr 200 Hz verändern (was eine Veränderung von 0,002% darstellt). Deshalb liegen die Frequenzänderungen, welche als Anzeichen der Veränderung der Analytkonzentrationen gemessen werden, innerhalb der Veränderungen der Störung, die durch unharmonische Oberwellen verursacht wird. Somit muss die Störung effektiv unterdrückt werden. Mit einer geeigneten Einstellung der Werte der in 4 dargestellten Schaltungselemente zieht die Frequenzschiebevorrichtung die Resonanzfrequenz der Schaltung zu dem Grundwert des Sensors von 10 MHz zurück. Wenn somit die Störung die Grundfrequenz des Sensors um 10 kHz (z. B. auf 9,990 MHz) verändern würde, würde die Schiebeschaltung die anfängliche Resonanzfrequenz der Schaltung durch eine geeignete Auswahl der Widerstände R1 und R2 und des Wertes der Vorspannungs- Gleichspannung auf 10,0 MHz zurückziehen. Somit ist eine Abweichung von der anfänglichen Frequenz ein wahres Maß der Analytkonzentration, welches unbeeinflusst durch Rauschen ist.
Die Sperrspannungs-Gleichspannung, welche bei 44 zugeführt wird, wird mit Spannungswerten von 1, 2,5 und 4 Volt angelegt. Die Größe der bei 44 angelegten Spannung wird bestimmt, indem die Größe der durch den Sensor 18 erzeugten Rauschstörung und damit die Größe der benötigten Frequenzverschiebung festgestellt wird. Die ausgewählte Sperrspannung wird über 40 angelegt, um für eine ausgewählte Kapazität für den Varaktor 40 zu sorgen. Zum Beispiel beeinflussen Vorspannungs-Gleichspannungswerte von 1, 2,5 und 4 Volt den Varaktor 40, um eine Kapazität von 17, 9 bzw. 5 Picofarad (pF) bei einer Zetex ZC932 Diode bereitzustellen. R1 und R2 weisen typischerweise Werte von ungefähr 100 K Ohm auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden die Fachleute erkennen, dass Veränderungen bei der Ausbildung und im Detail vorgenommenen werden können und die Erfindung durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Verringern von Effekten eines unharmonischen Rauschens, welches ein Signal eines Sensors für akustische Volumenwellen stört, wobei das Signal eine Grundfrequenz und das Rauschen eine oder mehrere Rauschfrequenzen aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines spannungsvariablen Kondensators in Reihe mit dem Sensor, um einen Spannung-gesteuerten Oszillator zu erzeugen; Anordnen des Spannung-gesteuerten Oszillators parallel zu einem Resonanzoszillator, um eine Schaltung mit einer Resonanzfrequenz auszubilden; Anlegen einer Sperrspannungs-Gleichspannung über den spannungsvariablen Kondensator, um seine Kapazität zu ändern; und Verschieben der Resonanzfrequenz weg von unharmonischen Rauschfrequenzen.
Sensorschaltung für eine Verwendung beim Messen von Konzentrationen eines Analyts in einem Fluid, umfassend: einen Sensor für akustische Volumenwellen; einen spannungsvariablen Kondensator, welcher mit dem Sensor verbunden ist; einen Eingang, um dem spannungsvariablen Kondensator eine verschiebende Vorspannungs-Gleichspannung zuzuführen; und eine Resonanzoszillatorschaltung, welche eine Grundfrequenz des Sensors erfasst und eine Resonanzsignalfrequenz erzeugt, wobei eine Vorspannungs-Gleichspannung, welche an den spannungsvariablen Kondensator angelegt ist, die Resonanzfrequenz der Schaltung weg von unharmonischem Rauschen verschiebt.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei der Sensor umfasst: ein Kristallsubstrat mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen, welche eine vorbestimmte Dicke definieren; eine erste Elektrode auf der ersten Oberfläche; eine zweite Elektrode auf der zweiten Oberfläche; eine erste Schicht eines Materials mit einer Affinität zu dem vorbestimmten Analyt auf mindestens einem Abschnitt der ersten Elektrode; und wobei die ersten und zweiten Elektroden bzw. die erste Schicht derartige Dicken besitzen, dass das Kristallsubstrat bei einer vorbestimmten Grundfrequenz mitschwingt, wobei das Kristallsubstrat seine Grundfrequenz verändert, wenn die erste Schicht des Kristalls dem Analyt ausgesetzt ist.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei der spannungsvariable Kondensator eine Diode variabler Kapazität mit einer Kathode und einer Anode ist, und wobei der Eingang mit der Kathode verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei der Eingang mit dem Sensor und dem spannungsvariablen Kondensator verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei der spannungsvariable Kondensator in Reihe mit dem Sensor verbunden ist, um einen Spannung-gesteuerten Oszillator zu bilden.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Resonanzoszillatorschaltung parallel zu dem Spannung-gesteuerten Oszillator liegt.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei der Spannung-gesteuerte Oszillator weiter aufweist: einen Phasen verschiebenden Kondensator, welcher mit einer ersten Seite des Sensors verbunden ist; und einen Summierwiderstand, welcher zwischen dem Eingang und einer Verbindung zwischen dem spannungsvariablen Kondensator und einer zweiten Seite des Sensors verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 8, wobei der Spannung-gesteuerte Oszillator weiter aufweist: einen Referenzvorspannungskondensator, welcher in Reihe mit dem spannungsvariablen Kondensator verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei der Spannung-gesteuerte Oszillator weiter aufweist: einen zweiten Phasen verschiebenden Kondensator, welcher mit dem Referenzvorspannungskondensator verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 10, wobei der Spannung-gesteuerte Oszillator weiter aufweist: einen zweiten Summierwiderstand, welcher mit einer Verbindung zwischen dem Referenzvorspannungskondensator und dem spannungsvariablen Kondensator verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Resonanzoszillatorschaltung umfasst: einen logischen Inverter, welcher parallel zu dem Spannung-gesteuerten Oszillator verbunden ist, wobei der Inverter mit einer Spannungsquelle verbunden ist; erste und zweite Widerstände, welche parallel zu dem Inverter verbunden sind; und einen Drehkondensator, welcher zwischen einem Bezug und einer Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Widerstand verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei der logische Inverter ein linearer Verstärker mit hoher Verstärkung ist und einen Eingang und einen Ausgang aufweist.