用于测量纳米共振器的共振频率的电路制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
用于测量纳米共振器的共振频率的电路
本专利技术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。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。
技术介绍
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。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。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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术，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:-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；-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-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。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。根据本专利技术的整个电路如下操作:-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；-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。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。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。本专利技术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。【附图说明】在阅读参照附图给出的以下详细描述时，本专利技术的其它特征和优点将变得明显，其中:已经描述的图1描绘具有纳米共振器的自振荡电路；已经描述的图2描绘包括锁相环的纳米共振器振荡电路；图3描绘根据本专利技术的振荡电路；图4描绘用于校准阶段的振荡电路；图5描绘配置为用于共振频率测量阶段的振荡电路；图6描绘具有增益控制的变形实施例；图7描绘本专利技术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；图8描绘能够用于本专利技术中的数字控制的移相器。【具体实施方式】图3描绘根据本专利技术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。其包括三个反馈环B1、B2、B3，每一个反馈环描绘于相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于测量共振器（NMS）的振荡频率的电子电路，包括第一反馈环（B1），所述第一反馈环（B1）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（B1）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。

【技术特征摘要】
2012.08.22 FR 12579311.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：P维拉尔，
申请(专利权)人：原子能和辅助替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：