[发明专利]用于测量纳米共振器的共振频率的电路

说明书

技术领域

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。

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

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NMS、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2π的倍数的环相位移动，开环增益在模数上大于或等于1）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NMS，该纳米共振器NMS与放大器AMP、用于激发振荡器（NMS）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2π），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ΔΦref。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ΔΦref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ΔΦref；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ΔΦref，则振荡器VCO的控制电压受到调整，直至其变为等于ΔΦref，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ΔΦref。

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

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。

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：

-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。