通过以数字方式实现的锁相环阵列对多重谐振的同时振荡和频率跟踪制造技术

提供了用于控制一个或多个机械谐振器并且根据谐振器特性的谐振偏移来确定信息的系统和方法，所述系统包括：至少一个机械谐振器；用于驱动谐振器的激励元件；用于监测谐振器的运动的传感器；至少一个锁相环(PLL)，所述至少一个PLL在所述激励元件与监测元件之间进行反馈，其中，每个PLL被配置成在谐振器的不同谐振模式下进行操作或在接近谐振器的不同谐振模式的情况下进行操作；以及用于根据指示谐振器频移的PLL的内部信号来确定信息的处理器。

Simultaneous oscillation and frequency tracking of multiple resonances via a phase-locked loop array implemented in a digital way

Used to control one or more mechanical resonator and the system and methods of information is determined according to the resonance offset resonator characteristic is provided, the system includes at least one mechanical resonator; for the excitation element drive resonator; used for monitoring the movement of the resonator sensor; at least a phase-locked loop (PLL), the the at least one PLL in the excitation feedback between the element and the monitoring element wherein each PLL is configured in different resonant mode resonator under the operation or operation is performed near the resonator resonant modes under the condition; and according to the internal signal indicating the resonator frequency shift PLL to determine information processor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过以数字方式实现的锁相环阵列对多重谐振的同时振荡和频率跟踪相关申请的交叉引用本申请要求于2014年10月28日提交的美国临时专利申请第62/069,793号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术介绍
本申请涉及谐振器的受控振荡，具体地，涉及对悬浮微通道谐振器(SMR)以数字方式实现的锁相环(PLL)控制。在需要对悬浮在流体中的物质的快速表征的医疗和工业应用中，SMR的用途正在扩大。用于SMR的振荡控制和谐振偏移检测的改进技术会有益于提高针对某些SMR应用的自动化程度和高通量(throughout)要求。
技术实现思路
在某些实施方式中，用于操作一个或多个SMR的控制系统和方法包括以数字方式实现的PLL，该以数字方式实现的PLL作为SMR系统的激励元件与运动感测元件之间的反馈回路进行操作，以实现对SMR振荡和谐振偏移检测的精确且特定的控制。在某些实施方式中，可以提供一种用于控制一个或多个机械谐振器并且根据谐振器的特性来确定信息的系统，所述系统包括：至少一个机械谐振器；激励元件，其用于驱动谐振器；传感器，其用于监测谐振器的运动；至少一个锁相环(PLL)，至少一个PLL在激励元件与监测元件之间进行反馈，其中，每个PLL均被配置成在谐振器的不同谐振模式下进行操作或在接近谐振器的不同谐振模式的情况下进行操作；以及处理器，其用于根据指示谐振器频移的PLL内部信号来确定信息。在某些实施方式中，可以提供一种用于控制一个或多个机械谐振器并且根据谐振器的特性来确定信息的方法，该方法包括：用激励元件驱动谐振器；感测谐振器的运动；操作至少一个锁相环(PLL)，至少一个PLL在激励元件与监测元件之间进行反馈，其中，每个PLL均被配置成在谐振器的不同谐振模式下进行操作或在接近谐振器的不同谐振模式的情况下进行操作；以及根据指示谐振器频移的PLL的内部信号来确定信息。在某些实施方式中，PLL可以用数字逻辑来实现。在某些实施方式中，PLL可以在现场可编程门阵列(FPGA)上实现。在某些实施方式中，每个谐振器-PLL反馈回路的传递函数可针对包括形状和带宽的期望特来配置的。在某些实施方式中，该系统可以被配置成根据由于谐振器上承载的物质的存在而引起的谐振偏移来确定一维质量分布。在某些实施方式中，谐振器阵列可以被一起操作。在某些实施方式中，阵列的大小可以是下列之一：1个或多个谐振器；10个或多个谐振器；或者50个或多个谐振器。在某些实施方式中，谐振器的谐振频率可以按至少2kHz间隔开。在某些实施方式中，谐振器的频率可以在30kHz与10MHz之间。在某些实施方式中，谐振器的尺寸中的长度范围从10微米到1000微米，横截面范围从1微米到100微米。在某些实施方式中，机械谐振器可以是悬浮谐振器。在某些实施方式中，悬浮谐振器可以是下列中的至少一个：具有固定端和自由端的悬臂谐振器；或具有至少两个附接区域的膜谐振器。在某些实施方式中，悬浮谐振器可以带有流体通道。在某些实施方式中，该系统可以包括用于使悬浮粒子在流体通道中流动的流体控制元件，并且根据谐振偏移所确定的信息包括粒子的质量和位置。附图说明参考以下结合附图的详细描述来描述本文提供的实施方式的方面和优点。在所有附图中，可以重复使用附图标记来表示引用的元件之间的对应关系。附图被提供用于说明本文描述的示例实施方式，并非旨在限制本公开内容的范围。图1示出了说明性实施方式的简化示意图。图2示出了根据说明性实施方式的PLL和谐振器的线性相位模型。图3是根据说明性实施方式的PLL的数字实现的框图。图4示出了根据说明性实施方式的SMR的前四种谐振的幅度和相位。图5示出了根据说明性实施方式的前四种模式的期望闭环响应和测量闭环响应。图6示出了根据说明性实施方式的SMR布局以及测量的频率波形的一部分。图7是根据说明性实施方式的悬浮流体通道谐振器阵列的间隔开的谐振频率的示图。图8a和图8b示出了根据说明性实施方式的用于操作多个悬臂的示例光学设置和压阻式设置。图9示出了根据说明性实施方式的FPGA实现的示例性系统的示意图。图10a和图10b示出了根据说明性实施方式的、来自通过SMR的单个150nm金纳米粒子的在四种模式下的频率和位置信号。图11a和图11b示出了根据说明性实施方式的、通过SMR的两个纳米粒子的在四种模式下的频率和位置信号。图12示出了根据说明性实施方式的从12悬臂SMR阵列测量的频率信号。图13是说明性方法的流程图。图14a、图14b和图14c描述了各种悬浮谐振器特征。具体实施方式一般来说，本公开内容的方面涉及使用用于结构、通道且在某些情况下用于致动器的精密标度微加工技术制造的谐振器。微加工可以包括对诸如玻璃、金属、塑料的这种材料上以及在诸如硅和硅衍生物的晶体材料的图案化、蚀刻、沉积、注入以及相关工艺。驱动器、PLL以及其它元件可以包括由包括电阻器、电容器、晶体管、逻辑元件等电气部件构成的电子电路，所述驱动器、PLL以及其它元件也可以制造到专用电路上和/或由分立部件以任何组合方式组成。本文所述的一个或多个实施方式可以提供良好控制的致动谐振器阵列和检测谐振器阵列，使得能够基于悬浮谐振器技术设计高通量的并联或串联测量系统。本文所述的一个或多个实施方式可以为悬浮谐振器提供控制信号的精确成形。带有流体通道的机械谐振器(在某些情况下被称为悬浮微米或纳米通道谐振器(SMR、SNR，本文可互换使用))可适合于测量经过谐振器的物体的性质(例如质量)。在所合并的附于本文中的参考文献中描述了各种流体通道谐振器。这些设备通常可以包括流体设备(fluidicdevice)，在所述流体设备中，物体沿着正在振荡的谐振器向前。当物体沿着谐振器移动时，谐振频率改变，使得能够测量物体的性质(诸如质量)。这样的谐振器可以用来分析细胞或其它粒子的性质。微机械谐振器和纳米机械谐振器由于其高品质因数和极小尺寸而对外部扰动(例如，弱力、电场或磁场以及质量变化)极为敏感。监测这样的谐振器在一个或多个振动模式下的振荡频率是一种用于检测和量化这些微小扰动的技术。在单个设备上使用多个机械谐振器或在多个振动模式下使用单个谐振器为感兴趣的测量提供了改进的通量和/或附加功能。在与本申请一起被共同拥有的且通过引用被并入本文中第9,134,295号美国专利中描述了用于测量细胞的生长率的谐振器阵列。具有可控带宽的可扩展的高精度技术可适合于同时振荡并监测大量的谐振。在某些情况下谐振器系统可以利用自激回路来进行操作。在谐振器的运动被放大、延迟且被反馈作为激励信号的情况下，自激回路保持谐振器总是以其谐振频率振荡，并且提供高带宽测量。然而，当被应用于具有单个总和输出的多重谐振(例如多种模式的谐振器)时，可能难以针对单个模式来优化相移和振动幅度，这对于最小化噪声以及精确地测量谐振频率而言是理想的。因此，在多重谐振下实现持续振荡可能需要检测每个谐振的运动、独立处理每个谐振信号以及对谐振同时进行激励。这有利于观察单个谐振器的多种谐振模式、或者观察具有共同激励的多个谐振器的谐振模式、或者这两者的结合。控制多种模式可以通过为每次谐振分配专用的锁相环(PLL)1(图1)来实现。为了最高的精度，PLL的增益参数被设置为使得(处于闭环的)谐振器(1)-PLL(2)系统对谐振频率的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制一个或多个机械谐振器并且根据所述谐振器的特性来确定信息的系统，包括：至少一个机械谐振器，激励元件，用于驱动所述谐振器，传感器，用于监测所述谐振器的运动，至少一个锁相环(PLL)，所述至少一个PLL在所述激励元件与监测元件之间进行反馈，其中每个PLL均被配置成在所述谐振器的不同谐振模式下进行操作或在接近所述谐振器的不同谐振模式的情况下进行操作，以及处理器，用于根据指示谐振器频移的PLL内部信号来确定信息。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.28 US 62/069,7931.一种用于控制一个或多个机械谐振器并且根据所述谐振器的特性来确定信息的系统，包括：至少一个机械谐振器，激励元件，用于驱动所述谐振器，传感器，用于监测所述谐振器的运动，至少一个锁相环(PLL)，所述至少一个PLL在所述激励元件与监测元件之间进行反馈，其中每个PLL均被配置成在所述谐振器的不同谐振模式下进行操作或在接近所述谐振器的不同谐振模式的情况下进行操作，以及处理器，用于根据指示谐振器频移的PLL内部信号来确定信息。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述PLL是用数字逻辑来实现的。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述PLL是在现场可编程门阵列(FPGA)上实现的。4.根据权利要求2所述的系统，其中，每个PLL的传递函数均能够针对包括形状和带宽的期望特征来配置。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统被配置成根据由于所述谐振器上存在承载的物质而引起的谐振偏移来确定一维质量分布。6.根据权利要求1所述的系统，其中，谐振器阵列被一起操作。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述阵列的大小是下列之一：1个或更多个谐振器；10个或更多个谐振器；或者50个或更多个谐振器。8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述谐振器的谐振频率以至少2kHz间隔开。9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述谐振器的频率在30kHz与10MHz之间。10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述谐振器的尺寸中的长度范围从10微米到1000微米，并且横截面的尺寸范围从1微米到100微米。11.一种用于控制一个或多个机械谐振器并且根据谐振器的特性来确定信息的方法，包括：用激励元件驱动所述谐振器，感测所述谐振器的运动，操作至少一个锁相环(PLL)，所述至少一个PLL在所述激励元件与监测元件之间进行反馈，其中每个PLL均被配置成在所述谐振器的不同谐振模式下进行操作或在接近所述谐振器的不同谐振模式的情况下进行操作，以及根据指示谐振器...

【专利技术属性】
技术研发人员：内森·瑟马克，塞利姆·厄尔曲姆，史蒂文·查尔斯·沃瑟曼，斯科特·R·曼纳利斯，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US