用于测量纳米共振器的共振频率的电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及纳米共振器振荡器或NEMS（纳米机电系统）振荡器。提供了一种用于测量共振器（NMS）的振荡频率的电路，该电路包括将受控振荡器（VCO）的频率锁定于共振器的共振频率处的第一锁相反馈环（B1），此第一环（B1）包括第一相位比较器（CMPH1）。此外，提供第二反馈环（B2），其搜索并存储（MEM）在共振器和其放大电路由第一环锁定于共振处时由共振器和其放大电路引入的环相位移动。在操作阶段建立第三自振荡环（B3）。其将所述可控移相器的输出端直接链接至所述共振器的输入端。所述移相器接收由所述第二环存储的相位移动控制。
【专利说明】用于测量纳米共振器的共振频率的电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有微机械加工的机电共振器的电路，并且尤其是涉及纳米共振器(nanoresonator)振荡器或 NEMS (纳米机电(nanoelectromechanical)系统)振荡器。这些系统将通过公共微电子制造技术微机械加工至纳米级的机械元件集成在一个基底上。
[0002]这些电路能够特别是用于测量非常小的重量，典型地在10_24与10_21克之间。目标应用是例如气体分析或质谱分析。
【背景技术】
[0003]在使用共振器的该系统中，待测量的信号是纳米共振器的共振频率，该共振频率实际上直接取决于沉积在该共振器上的物质的重量，较大的重量生成较低的共振频率。
[0004]为了测量共振频率，已经提出了使用包括并入有共振器的闭振荡环的自振荡电路。图1示意性地描绘该自振荡电路。自振荡环包括与放大和移相子系统串联的共振器匪S、以及子系统的输出端与共振器的激发输入端之间的反馈。放大子系统通过放大器AMP增大增益并通过移相器DPH增大相位移动；这使得确保固有振荡条件(对于为2 的倍数的环相位移动，开环增益在模数上大于或等于I)成为可能。振荡频率是共振器NMS的固有机械振荡频率。通过频率计FMTR在放大子系统的末端处对其进行测量。频率计能够例如基于对参考时钟CLK的脉冲进行计数的原理来操作，该参考时钟的频率比振荡频率大得多。频率计的模拟或数字输出S供应共振器的固有共振频率的测量结果。此方案使得以小的体积产生电路成为可能，这特别是在目的是产生包括大数量的纳米共振器的网络的情况下是重要的。然而，因为在共振器和放大子系统的部件中存在宽的工艺分散(dispersion)，所以难以推理地保证将获得容许共振频率处的自发固有振荡的增益和相位条件。
[0005]也提出了锁相环(PLL环)电路，诸如图2中示意性地描绘的那种。该电路也包括纳米共振器ws，该纳米共振器WS与放大器AMP、用于激发振荡器(WS)的电压控制的振荡器(VCO)或数字控制的振荡器(DCO)、相位比较器CMPH、以及减法器SUB串联，该减法器用于从相位比较器的输出减去一值(模数2 )，该值描绘在共振频率处由共振器和放大器引入的固有相位移动A Oref0低通滤波器FLTR插入相位比较器的输出端与振荡器的控制输入端之间，以确保锁定的环的稳定性。
[0006]值A Oref是通过使振荡器和放大器在共振频率处以开环模式操作并观测共振器的激发信号与放大器的输出之间的相位移动来进行校准而测得的相位移动值。
[0007]电路自动锁定至一频率，对于该频率，相位比较器的输入之间的相位移动等于A Oref ;此频率是共振器的固有共振频率。实践中，在闭环模式中，相位比较器的输出描绘共振器和放大器的相位移动。如果其不等于A CDref?，则振荡器VCO的控制电压受到调整，直至其变为等于A CDref，该相位移动对`应于共振。于是通过测量振荡器的控制电压Vout来进行共振频率的测量，此电压描绘振荡器的振荡频率。利用PLL环的此方案需要初步校准，以知道共振处的相位移动A Oref0
[0008]使用这样的锁相环的电路比以固有振荡模式操作的电路消耗更多的电流。还有，它们体积大。
【发明内容】
[0009]本发明的一个目的是产生共振频率测量电路，该电路从PLL电路的优点获益，保证了在共振频率处加强的振荡，尽管存在工艺分散，但是该电路消耗更少的能量，并且在并联使用大量的网络共振器NEMS的情况下，能够以小的体积来产生该电路。
[0010]根据本发明，提出了一种用于测量共振器的振荡频率的电子电路，包括第一反馈环，所述第一反馈环为锁相环，所述锁相环包括所述共振器、受控频率振荡器、以及第一相位比较器，此环将所述受控振荡器的频率锁定于所述共振器的共振频率，该测量电路的特征在于其还包括:
[0011]-第二反馈环，包括:可控移相器；接收所述受控振荡器的输出和所述可控移相器的输出的第二相位比较器，所述第二相位比较器给所述移相器供应控制信号，所述控制信号按倾向于将所述第二相位比较器的输入之间的相位移动减小至零的方向起作用；设置为用于存储获得的所述相位移动控制的装置；
[0012]-为自振荡环的第三环，包括所述共振器和所述可控移相器，并将所述可控移相器的输出端链接至所述共振器的输入端；以及
[0013]-用于在校准阶段期间激活所述第一环和所述第二环而停用所述第三环，并且在操作阶段期间停用所述第一环和所述第二环而激活所述第三环的装置，所述可控移相器在所述操作阶段期间的控制是在所述校准阶段结束时存储的控制。
[0014]所述第一反馈环优选地包括与放大器、所述第一相位比较器、减法器串联的所述共振器，所述第一相位比较器在一个输入端上接收所述放大器的输出，且在另一个输入端上接收所述受控频率振荡器的输出，并供应其输入之间的相位移动的测量结果，所述减法器用于从所述相位移动的此测量结果减去参考相位移动值，所述减法器的输出控制所述受控振荡器。
[0015]根据本发明的整个电路如下操作:
[0016]-在校准阶段，停用所述第三环，也就是说，切断受控移相器的输出端与共振器的激发输入端之间的链接；后者仅受到由第一反馈环锁定的受控振荡器的输出的控制。共振器借助于激活的此第一环开始共振。也激活的第二反馈环确定于是存在于(在共振处)共振器的激发输入与放大器的输出之间的真实相位差。存储此相位差；该相位差是使得共振器以及放大器的相位移动的和与此差的和是2 的倍数的差；
[0017]-在操作阶段，禁用第一和第二反馈环，但是在校准阶段中测得的相位差保留在存储器中用于操作阶段期间使用；将存储的相位控制施加至可控移相器；通过将此移相器的输出端链接至共振器的输入端来重新启用所述第三环；所述第三环在共振频率处开始振荡，因为环相位移动为2 n的倍数。
[0018]能够在所述第一环中在所述减法器的输出端与所述受控振荡器的控制输入端之间设置低通滤波器，并且能够在所述第二反馈环中在所述第二相位比较器的输出端与所述移相器的控制存储装置之间设置另一低通滤波器。
[0019]能够设置在所述校准阶段期间启用的第四反馈环，用于建立用于所述放大器的增益控制信号，使得包括所述共振器、所述放大器以及所述移相器的子系统的增益在所述校准阶段期间大于I;于是设置用于存储此增益控制信号并在所述操作阶段期间将所存储的控制信号施加至所述放大器的装置。
[0020]本发明特别适用于测量组织于行和列构成的网络中的多个共振器的频率。所述第三环于是独立用于每一个共振器并且能够由共用于同一行的所述共振器的行导体寻址。相比而言，所述第一反馈环和所述第二反馈环共用于同一列的所述共振器并且通过共用于同一列的所述共振器的相应的列导体链接至所述第三环中的由行导体寻址的那个第三环的元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]在阅读参照附图给出的以下详细描述时，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中:
[0022]已经描述的图1描绘具有纳米共振器的自振荡电路；
[0023]已经描述的图2描绘包括锁相环的纳米共振器振荡电路；
[0024]图3描绘根据本发明的振荡电路；
[0025]图4描绘用于校准阶段的振荡电路；
[0026]图5描绘配置为用于共振频率测量阶段的振荡电路；
[0027]图6描绘具有增益控制的变形实施例；
[0028]图7描绘本发明在使用共用于所有像素的第一和第二反馈环以及特定于每一个纳米共振器的第三自振荡环的纳米共振器的矩阵网络的环境中的使用；
[0029]图8描绘能够用于本发明中的数字控制的移相器。
【具体实施方式】
[0030]图3描绘根据本发明的使得测量纳米共振器的共振频率成为可能的电路的框图。
[0031]其包括三个反馈环B1、B2、B3，每一个反馈环描绘于相应的虚线外形的矩形中。能够独立地启用或禁用这些环中的每一个环。于此通过相应的开关Kl、K2、K3示意性地描绘每一个环的启用或禁用，每一个开关连接(启用环)或断开(禁用环)特定于每一个环的反馈链路。
[0032]第一环BI是与图2的锁相环类似的锁相环。其包括纳米共振器匪S、放大器AMP、能够通过模拟电压或数字命令控制的受控频率振荡器VC0、相位比较器CMPHl和减法器SUB。为了简化解释，考虑振荡器VCO的控制为模拟的。振荡器VCO用作用于共振器的激发源，也就是说，其输出端链接至共振器的激发输入端。放大器AMP放大共振器的输出信号。相位比较器CMPHl供应其输入端上存在的信号之间的相位差的模拟或数字测量结果，其输入端上存在的信号即第一输入端上共振器的激发信号以及第二输入端上放大器的输出信号。相位比较器的模拟或数字输出施加至减法器SUB，该减法器将比较器得到的测量结果减去值AOapp。此值是在共振频率处由共振器和放大器引入的相位移动的估计值。此值能够是近似的。其使得对条件相当接近共振器的固有振荡条件进行核对成为可能；其能够在开环模式中通过在先的特征化来获得，或通过共振器的通常特性的知识来获得，但是其不必是确切的，并且特别是其不必考虑具有相同名义特性的不同共振器的真实特性之间的分散。[0033]能够在减法器的输出与VCO振荡器的控制输入之间提供低通滤波器FLTRl来确保环的稳定性。
[0034]使得启用或禁用第一环BI成为可能的开关Kl放置在振荡器VCO的输出端与共振器的激发输入端之间；然而，该开关能够放置在其它位置，但是需要小心以确保环BI的禁用不阻碍也使用共振器匪S和放大器AMP的第三环B3的启用。
[0035]当环BI在使用时，振荡器将其频率自动调整至共振器匪S的共振频率:如果振荡器的频率太低，则相位比较器供应增大并且倾向于提高振荡频率的值。
[0036]第二反馈环B2包括可控移相器DPH、第二相位比较器CMPH2、稳定化低通滤波器FLTR2、以及能够存储相位移动值控制设定点的存储器MEM。
[0037]移相器DPH接收放大器AMP的输出，并对放大器的输出信号施加由存储器MEM的内容限定的相位移动。当启用环B2时，存储器的内容能够变化，并且自动锁定于抵消相位比较器CM PH2的输入之间的相位移动的方向上。当其被禁用时，存储器MEM的内容固定于启用环时取得的值处。移相器的输出施加至第二相位比较器CMPH2的第一输入端。用于共振器匪S的激发信号施加至第二相位比较器的另一输入端。第二相位比较器的输出施加至滤波器FLTR2，并且在启用环B2时从那里到达存储器MEM。限定环B2的启用或禁用的开关K2由插入于滤波器FLTR2的输出端与存储器MEM的输入端之间的链路中的开关描绘。当其闭合时，启用环B2。当其断开时，禁用环。
[0038]当启用环B2时，第二相位比较器CMPH2供应移相器DPH的输出与共振器的激发输入之间的相位差的测量结果。其按倾向于使此相位差返回零(模数2^1 )的方向锁定移相器的控制，也就是说，存储器MEM接收控制值(模拟或优选地数字)，使得由移相器引入的相位移动精确地补偿共振器和放大器的相位移动。当不再启用反馈环B2时(也就是说，其不再提供反馈时)，存储器MEM将此补偿相位移动强加于移相器DPH上。
[0039]第三环B3包括共振器匪S、放大器AMP、和可控移相器DPH、以及移相器DPH的输出端与共振器NMS的输入端之间的直接反馈链路的串联组件。如果必须禁用环B3，则能够通过开关K3来断开此链路。当启用环B3时(禁用另外两个环)，共振器、放大器、移相器以及反馈链路的组件在共振器的共振频率处切换至自振荡模式。在存储在存储器中的设定点的控制下由移相器DPH引入的相位移动精确地补偿在共振频率处由共振器和放大器表现的相位移动。固有振荡条件(为2 的倍数的相位移动和由放大器获得的大于或等于I的增益)得到满足。
[0040]在校准阶段，由开关K3打断第三环，而启用另外两个环。锁相环B3在共振器的共振频率处建立振荡，并且环B2锁定移相器DPH的相位移动的值并存储获得共振器的输入与移相器的输出之间的为2 的倍数的相位移动所需的控制。在操作阶段，由开关Kl和K2禁用两个环BI和B2，但是相位移动控制保留于存储器中。启用第三环B3，并且通过使用放直在存储器中的控制来保持自振汤。
[0041]于是能够通过频率计FTMR来测量振荡频率。频率计FTMR能够通过对比共振频率大得多的频率处的时钟CLK的脉冲进行计数来操作。
[0042]图4描绘根据本发明的在校准阶段的电路的配置。图5描绘在操作阶段的电路的配置。在这两个图中，不使用的电路元件由虚线描绘。
[0043]图6描绘变形实施例，其中，已经增加了附加反馈环B4，其作用是对放大器AMP建立合适的增益，以确保环B3的自振荡所需的环增益条件。这些条件不如相位条件关键，但是考虑它们是有利的。
[0044]放大器AMP在此配置中为具有受控可变增益的放大器。反馈环在增益校准阶段期间建立合适的增益，这与相位移动校准阶段在相同的时间发生。为获得此增益的控制存储于存储器MEM2中。在操作阶段，禁用反馈环B4，但是保留存储的增益控制值，并将该值用于控制操作于第三环B3中的放大器以及在其上强加在校准阶段限定的增益。
[0045]为了建立合适的增益，使用峰值探测器来测量(测量电路MESl和MES2)在共振器WS的输入端处和移相器DPH的输出端处例如是峰值幅度的信号幅度是可能的，并且通过共振器的输入端处与移相器DPH的输出端处的信号电平之间的减法(减法器SUB2)来执行调节，以使这两个信号电平之间的比率返回到等于或大于I的预定增益值是可能的。在校准阶段期间，启用环B4，并且环B4将增益锁定于设定点值上，该设定点值能够等于I或优选地大于I。不同于设定点值的增益按倾向于使增益返回设定点值的方向反映于放大器的增益控制的修改中。如果测量电路MESl和MES2对施加至它们的输入端的同一信号电平供应相同的测量电平，则根据与减法器SUB2的负输入端上的测量电路MES2串联连接的衰减器ATT的衰减A (A〈l)限定增益设定点:环B4的锁定倾向于对放大器AMP强加增益设定点，使得共振器、放大器、以及移相器的串联组件的增益倾向于等于1/A的值。衰减A的存在确保在启用环B3时，环B3的增益容限，以保证不管工艺分散，其增益保持大于或等于I。
[0046]应当注意，根据本发明的电路，虽然其采用锁相环，比诸如图1的自振荡电路的简单自振荡电路消耗更多的能量，但是其具有相对有限的消耗，因为锁相环仅在校准阶段期间操作。
[0047]在共振器的网络的情况下，例如共振器的行和列的矩阵网络的情况下，本发明是特别有益的。
[0048]在网络的处于行数i和列数j的交叉点处的每一个点Pi,」处，对应于环B3提供独立的振荡电路，也就是说，包括共振器匪Si,」、放大器AMPi,」、移相器DPHi, j,以及独立的相位控制存储器MEMy的电路B3y。这些元件在没有锁相环时具有小的尺寸和低的电消耗。
[0049]然而，用于校准阶段的环BI和B2能够共用于共振器的同一列的所有点，甚至是所有列。图7描绘这样的共振器矩阵的组织图。为简化，假定不存在增益摆动(hunting)环B4，但是能够设想这样的环。
[0050]能够提供与每一个相应的列关联的四个列导体。每一个点的独立电路可由行独立寻址，以将合适的信号应用于每一个列导体。在列的底部的电路(环B1、B2)使用存在于列导体上的信号(或将信号施加至列导体)。
[0051]当对行数i寻址时，第一列导体将共振器匪Sy的输入端链接至列的底部的环BI的相位比较器CMPHl的输入端、至环B2的相位比较器CMPH2的输入端、至环BI的振荡器VCO的输出端、以及至频率计FMTR的输入端。
[0052]当对行数i寻址时，第二列导体将放大器AMPm的输出端链接至环BI的相位比较器CMPHl的第二输入端。
[0053]当对行数i寻址时，第三列导体将移相器DPHm的输出端链接至环B2的相位比较器CMPH2的第二输入端。
[0054]当对行数i寻址时，第四列导体将相位控制存储器MEMm链接至环B2的输出端(也就是说滤波器FLTR2的输出端)。
[0055]图7未示出用于启用或禁用环B1、B2 (点的矩阵外部)以及B3 (位于每一个点处)的开关。
[0056]滤波器FLTRl和FLTR2能够是相对体积大的数字滤波器(包括模拟-数字转换器)，因为它们在共振器的矩阵外部。
[0057]矩阵的操作能够在于相继行的旋转寻址，同一确定行的寻址相继包括:校准阶段，在每一个点处存储相应的相位移动控制；以及操作阶段，使用存储的控制并发送共振频率处的信号至频率计。
[0058]然而，设想首先在存储相位移动控制的校准阶段期间执行所有行的相继寻址，然后在使用存储的控制的操作阶段期间进行所有这些行的相继寻址，也是可能的。
[0059]将注意，在根据本发明的电路中，能够模拟控制或数字控制移相器，数字控制的优点是能够更容易地存储在校准阶段期间确定的相位移动控制(利用几个SRAM存储器点构成的非常小的电路)。
[0060]能够例如以图8中描绘的方式产生数字控制的移相器，延迟锁定环包括具有延迟T的全都相同的一系列N个元件，并且全都可由同一控制电压调整。从相位比较器和滤波器推导此控制电压。第一延迟元件接收待进行相位移动的输入信号Vin。相位比较器接收第一延迟元件的输入Vin和最后延迟元件的输出。通过反馈，其建立抵消其两个输入之间的相位的控制电压，其在该一系列的延迟兀件的输入和输出之间建立2 31的相位移动。每一个延迟元件建立的相位移动是2 /N。受到存储器的内容控制的多路复用器MUX选择第一移相器来相对于输入信号建立相位移动2i /N的输出信号Vout。
【权利要求】
1.用于测量共振器(匪S)的振荡频率的电子电路，包括第一反馈环(BI)，所述第一反馈环(BI)为锁相环，所述锁相环包括所述共振器、受控振荡器、以及第一相位比较器(CMPH1)，此环将所述受控振荡器(VCO)的频率锁定于所述共振器的共振频率，其特征在于所述电子电路还包括: -第二反馈环(B2)，包括:可控移相器(DPH);接收所述受控振荡器的输出和所述可控移相器的输出的第二相位比较器(CMPH2)，并且所述第二相位比较器给所述移相器供应控制信号，所述控制信号按倾向于将所述第二相位比较器的输入之间的相位移动减小至零的方向起作用；设置为用于存储获得的所述相位移动控制信号的装置(MEM)； -第三自振荡环(B3)，包括所述共振器和所述可控移相器，并将所述可控移相器的输出端链接至所述共振器的输入端；以及 -用于在校准阶段期间激活所述第一环(BI)和所述第二环(B2)而停用所述第三环(B3)，并且在操作阶段期间停用所述第一环和所述第二环而激活所述第三环的装置，所述可控移相器在所述操作阶段期间的控制是在所述校准阶段结束时存储的控制。
2.根据权利要求1所述的电子测量电路，其特征在于，所述第一反馈环包括与放大器(AMP)、所述第一相位比较器(CMPH1)、减法器(SUB)串联的所述共振器(匪S)，所述第一相位比较器(CMPH1)在一个输入端上接收所述放大器的输出，且在另一个输入端上接收所述受控振荡器(VCO)的输出，并供应所述第一相位比较器的输入之间的相位移动的测量结果，所述减法器用于从所述相位移动的此测量结果减去参考相位移动值(A Oref)，所述减法器的输出控制所述受控振荡器。
3.根据权利要求1和2中的一项所述的电子测量电路，其特征在于，在所述第一环中在所述减法器的输出端与所述受控振荡器的控制输入端之间设置低通滤波器。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的电子测量电路，其特征在于，在所述第二反馈环中在所述第二相位比较器的输出端与所述移相器的控制存储装置之间设置低通滤波器。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的电子测量电路，其特征在于，所述电子测量电路包括:在所述校准阶段期间启用的第四反馈环(B4)，用于建立用于所述放大器的增益控制信号，使得包括所述共振器、所述放大器以及所述移相器的子系统的增益在所述校准阶段期间大于I ;以及用于存储此增益控制信号并在所述操作阶段期间将所存储的控制信号施加至所述放大器的装置。
6.根据前述权利要求中的一项所述的电子测量电路，其特征在于，所述电子测量电路包括共振器的行和列构成的网络，所述第三自振荡环独立用于每一个共振器并且能够由共用于同一行的所述共振器的行导体寻址，所述第一反馈环和所述第二反馈环共用于同一列的所述共振器并且通过共用于同一列的所述共振器的列导体链接至所述第三环中的由行导体寻址的那个第三环的元件。
【文档编号】G01R23/10GK103630741SQ201310367153
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2012年8月22日
【发明者】P.维拉尔 申请人:原子能和辅助替代能源委员会