电位传感器的制作方法

专利名称：电位传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在各种应用中测量电位的电位传感器，包括例如医学 应用和显微镜应用的领域，比如显微成像和光谱分析，以及核磁共振
(NMR)应用，比如NMR成〗象和光语学。
背景技术：
为了制造灵敏的电动测量装置，习惯上提供高的输入阻抗且由此降低 操作该装置所需要的输入信号的功率。然而，具有很高输入阻抗的电路往 往不稳定，因此实用的装置通常在达到必要的灵敏度、提供期望的输入阻 抗以及保证可接受的稳定度之间折衷。
在WO 03/048789号国际专利申请中，公开了一种电动传感器 (electrodynamic sensor),其中结合了许多不同的电路技术以与先前已知的 电动传感器相比在灵敏度上实现几个数量级的提高，同时仍保持足够的稳 定性以允许相对不熟练的操作者在日常条件下进行测量。据此较早的申 请，提供了一种电动传感器，其包括高输入阻抗静电计，该静电计适合于 测量源自受测对象的小的电位，且使用与对象没有直接电接触的至少一个 输入探针。该发明的静电计的电路布置包括放大器，所述放大器包括辅助 电路的组合，该辅助电路的组合提供来自放大器的输出并累积地布置成增 加静电计对小电位的灵敏度，同时不干扰与其相关的电场，所述辅助电路 用来提供以下各项中的至少两项保护(guarding)、自举(bootstrapping)、 中和(neutralisation),供电轨漂移校正、对所述传感器的供电调制和偏移 校正。
虽然这些特征有助于提供具有高输入阻抗的传感器以及相对稳定的
4操作，然而，在可能有对源或受测样品的弱电容耦合或由源或受测样品产 生的小振幅的信号的情况下，噪声问题可能仍继续存在并可能抑制或阻止 准确的信号测量。这对某些医学和显微应用尤其如此，其中只有弱电容耦
合，然而高度准确的信号测量是必要的，例如在感测的遥控离体(off-body) 模式中，其中探针或各探针与人体没有物理接触并且通常弱电容耦合 <lpF。
更具体地，在受测样品与传感器电极之间有弱耦合的应用中，耦合到 样品的电容可能与传感器的输入电容相当或比传感器的输入电容小得多。 在此情况下，由传感器接收的测量信号通过由耦合电容和输入电容形成的 电容分压器衰减，且可能难以捕获。
此外，使用来自放大器的输出信号作为反馈信号的缺点为，这样的信 号是宽带信号，该宽带信号可能具有低信噪比。因此，噪声随后与反馈信 号 一起被反馈到放大器输入，引起信噪比进一 步的降低。
因此，十分需要一种电位传感器，在这种传感器中，在对受测样品有 弱电容耦合的情况下，提高了准确的信号测量的可能性。
这种需要在信号测量的准确性很关键的情况中尤其明显。
另外十分需要一种电位传感器，在这种传感器中，信噪比实质上被提高。
发明概述
本发明试图克服上述问题并提供一种新颖的电位传感器，这种电位传 感器能够进行高度准确的信号测量。
至少在下述的优选实施方式中，本发明还试图提供一种电位传感器， 在该电位传感器中信噪比被显著地提高。
本发明进一步试图提供不同的技术及技术的组合，用于提高电位传感 器中的信噪比。
更具体地，至少在下迷优选实施方式中，本发明试图提供不同的技术，
5用于使用相干的窄带反馈信号来提高电位传感器中的信噪比。
根据本发明，提供了一种电位传感器，所述电位传感器包括
至少 一个检测电极，其设置为用于与受测样品电容耦合以及用于产生
测量信号；
传感放大器，其适合于接收所述测量信号作为输入以及提供被放大的 检测信号作为输出；
输入阻抗提高装置，其用于向所述传感放大器提供高输入阻抗，以增 加电极对减小的电位的灵敏度；以及
反馈装置，其用于对所述传感放大器的输入应用相干的反馈信号，以 提高传感器的信噪比。
因此，本发明涉及通过应用相干的反馈信号而提高信噪比。
与电动传感器的通常实现相反，反馈信号不是直接得自传感器的输出 的宽带信号，而是反馈可以采用的相千信号，且这显著提高了信噪比。
根据一种可能性，反馈信号包括单一频率的最简单的情况，且反馈装 置设置为使得传感器的输入阻抗仅在精确的反馈信号频率和相位处提高。 换句话说，传感器被差分地设置以放大测量信号，从而增加信噪比。在这 种情况下，传感器被调整到反馈信号频率，并且丟弃所有其他的频率，这 是在其他频率处没有有效的反馈信号而传感器灵敏度较低的缘故。
有利地，相千的反馈信号可用来按需要提供自举、保护以及中和。
本发明尤其可应用在从样品检测到周期信号的情况，该周期信号用于 产生提供给放大器以放大和输出的测量信号。
在本发明的一个这样的实施方式中，电位传感器包括用于提供驱动信 号的外部源，所述驱动信号用于激励正被测量的样品，且相干的反馈信号 得自该外部源。在分析应用中，比如材料的介电性质的显微成像，使用这 样的激励的外部源是普遍情况。在该情况下，来自外部激励源的激励信号 可以适当地衰减以提供用作反馈信号的参考信号。
在本发明的另 一个这样的实施方式中，正被测量的样品可以是自激的，在该情况下外部参考信号不可获得。这样的自激样品的实例可以是经历自激振荡的电路。在此情况下，可提供锁相环布置，用于得到来自传感放大器的输出的相干的反馈信号。在此情况下，由于锁相环工作的受限的带宽，总信噪比的相当大的提高仍是可能的。
本发明还可应用于下列情况其中传感器设计为驱动或激励正被测试的样品，用于产生提供给放大器来放大和输出的测量信号，以及其中期望消除对样品的充电并保持样品上的最小信号。这种情况的一个实例是在显微应用中，其中大电场可能损坏或破坏正被测量的小的半导电器件或样品的表面。
这种传感器可被描述为零电压模式传感器，且有利地，这种情况下的传感器包括外部源、从传感放大器的输出到输入的反馈环以及电压求和器，所述外部源用于为激励正被测量的样品提供驱动信号，所述电压求和器设置在所述反馈环中，以便被反馈的检测信号和来自外部激励源的激励信号都馈送到电压求和器以提供给样品。
附图简述
现将通过例子参考附图来进一步地描述本发明，其中
图l是根据先前技术的电动传感器的电路图2和图2a是根据本发明的电动传感器的第一实施方式的方框图，该电动传感器使用了中和及中和的变化形式；
图3是图2电路的细节的做出修改的电路图，该电路除中和外，还使用了保护和自举；
图4是根据本发明的电动传感器的第二实施方式的方框图，该电动传感器使用了中和及锁相环；以及
图5是根据本发明的电动传感器的第三实施方式的电路图，该电动传感器包括了零电压模式传感器。
7优选实施方式的说明现有技术
参考图l,首先将描述在WO 03/048789号国际专利申请中所公开的电动传感器。
如

图1所示，根据WO 03/048789号国际专利申请的电动传感器10包括连接到传感器放大器14的非反相输入的检测电极12。在使用中，检测电极12向传感放大器14提供测量信号作为输入，传感放大器14提供放大的检测信号作为输出。
检测电极12包括安装在导电杆18上的电极盘16，电极盘16包括在基片22上的表面氧化层20。传感放大器14具有由两个电阻器26、 28提供的固定的输入电阻24,电阻器26、 28连接在电极12与放大器14的非反相输入之间，以向放大器14提供稳定的输入偏置电流。实际上，输入电阻24 —般具有约100GQ或更大的高电阻。传感放大器14还具有保护装置30，保护装置30在物理上包围包括电极12和电阻器26的输入电路并提供由放大器14的输出驱动的屏蔽。因此凭借此正反馈技术，通过在保护装置或屏蔽30上保持与在输入检测电极12上相同的电位而减少了寄生电容。
除保护装置30外，进一步提供了用于自举的电路部件以及用于中和的电路部件，用于自举的电路部件包括设置成将放大器14的输出电压施加到电阻24的中点的电容器32,电阻24的中点出现在两个电阻器26、28之间，用于中和的电路部件包括另一反馈装置，该反馈装置包括连接到放大器14的非反相端子的电容器34。提供了附加的电阻器36、 38及电位计40以将中和设定到期望的水平，如WO 03/048789号国际专利申请中所述的。
驱动的中和一参考源
现参考图2，将描述本发明的第一实施方式。如WO 03/048789号国际专利申请中所述的，虽然可使用中和来显著增加图1的电动传感器的输入
8阻抗，但因在传感器输出中存在的噪声反馈到传感器的输入，通过此技术 并不会提高信噪比。
在中和很重要的许多情况中，例如在显微镜应用中，样品由外部应用 的信号激励。在这些情况下，可从振荡器获得参考信号，为样品提供驱动 信号，且此参考信号可用来为传感器提供中和信号，如图2所示。
图2的电动传感器包括与图1的传感器相同的一些元件。相应地，同 样的部件由相同的参考数字表示，且不作进一步的描述。如所示出的，传 感器的检测电极12由输入Vm表示，且通过表示对样品的耦合电容的电容
器44来耦合到正被测量的样品42。样品由参考振荡器46驱动或激励，因 此AC测量信号在传感器输入Vm产生，该输入连接到运算放大器14的非 反相输入。结果，放大器14在其输出V。w提供放大的AC检测信号。输 出V。加通过电阻器48、 50连接到地，以及通过均方根(RMS)转换器电 路52和低通滤波器54连接到衰减器56，参考信号Vn从该衰减器取得， 用于反馈。这些电路用于参考信号Vn的电平控制，该参考信号通过电容器 34反馈到放大器14的非反相输入以提供中和。可这样控制此正反馈环的 增益，使得在稳定操作的限度内实现最大中和。
因而图2的实施方式包括自动增益控制(AGC)反々贵环来控制中和信 号Vn的振幅，以便防止振荡，反馈信号的振幅受控制输出V。必处的传感 器输出信号的振幅控制。这里的反馈环包括RMS转换器电路52、低通滤 波器54和衰减器56。传感器的控制输出V。ut2取自在低通滤波器54和衰 减器56之间的AGC反馈线，并因为参考与测量信号频率是相同的，所以 AGC控制电压V。ut2将是提供关于样品42的信息的准DC控制信号，所述 准DC控制信号得自提供到放大器14的AC测量信号的振幅。
此布置具有明显地提高传感器的输入阻抗的作用，但只在所应用的信 号的频率处且仅仅对于恒定相位的分量，因此提供了提高的信噪比。
对参考图2描述的技术的扩展允许参考振荡器46的频率在图2a中所 示的扫描控制装置58的控制下被扫描。实际上，用于对振荡器的频率进 行扫描的扫描控制装置58可以是连接到振荡器46 (如所示出的)的、用 于通过适当的接口来数字地控制频率的数字控制电路，或者是通过合适的FM输入或电路(未显示)使用独立获得的模拟准DC电平来对源进行频
率调制的装置(未显示)，以通过所扫描的输入设定工作频率。如已经陈
迷的，因为参考与信号频率是相同的，所述在控制输出V。ut2的AGC控制 电压将是准DC信号。这将随所测量的信号的振幅且作为频率的函数而变 化，并因此可用来在对参考振荡器的频率进行扫描时，提供频谱图。操作 中，此装置类似于频谱分析器。
全驱动传感器一参考源
外部参考源46被用来提供中和信号Vn的图2的实施方式还可扩展以 提供分别适合于保护和自举的c信号Vg、 Vb，同时在信噪比上有相当的额 外的提高。此变化形式在图3中显示，其中来自振荡器46和衰减器56的 参考信号作为保护信号Vg反馈到包围电极12的屏蔽或保护装置30。另夕卜， 参考信号通过电容器32和两个电阻器26、 28反馈到放大器14的非反相 输入作为自举信号Vb。如图3所示，每个反馈技术所需的单独的相对的信 号电平从由外部参考源或振荡器46来驱动的一组独立的分压器60获得。 反馈信号的总电平通过如对于图2所描述的AGC环的使用，基于输出信 号V。ut2的振幅而全局地设定。
驱动中和-无参考
对图2和图3的实施方式的另一变化形式使用锁相环振荡器来得到驱 动信号和中和信号，如图4所示。在此情况下，样品是自激的，因此驱动 振荡器46不存在且不可获得来自驱动振荡器46的局部参考信号。然而， 仍可通过将被锁相到放大器14输出的检测信号的振荡器引入传感器来获 得提高的信噪比。
图4的实施方式包括锁相环振荡器61，所述锁相环振荡器61连接到 放大器14的输出V。utl，并包括设置为接收信号V。utl和来自振荡器64的输 出信号的倍频器62。放大器66将来自倍频器62的输出反馈到振荡器64， 以便对振荡器64输出的信号进行频率调制。结果，被放大的检测信号与
10来自振荡器64的输出混合而形成锁相环。
操作中，振荡器64扫描频率直到找到测量信号的跳动(beat),在这 点处，扫描将被中断(freeze )。因为在样品和振荡器64之间没有恒定的相 位关系，跳动将呈现低频波形的形式，该低频波形将在实现锁相时变为 DC。此DC信号作为传感器的总输出V。必而输出，并还用作为AGC信号， 该AGC信号的振幅控制用于中和的反馈信号的振幅。为了此目的，DC信 号通过衰减器56和电容器34被反馈到放大器14的非反相输入以提供中 和信号。在使用中，锁相环振荡器61将在操作中扫描，直到获得测量信 号为止，并将随后反馈锁相信号以只在此频率处提高传感器的输入阻抗。 这用于在信号频率处增加输入阻抗，而宽带噪声不会被反馈到放大器的输 入。
在图4实施方式的第一变化形式中，保护和自举信号也可以使用与图 3中显示的电路部件类似的电路部件来从锁相环振荡器61的输出得到，同 时，在信噪比上有相当的提高。
在图4实施方式的又一变化形式中，振荡器64可另外提供用于激励 样品的驱动输出，如同图2实施方式的情况。
零电压模式传感器
现转向图5,将描述本发明的又一实施方式，其用在例如需要消除对 样品的充电的情况下。这种情况的一个实例是需要将由样品和传感器的相 对运动引起的问题最小化的情况。另一个重要的实例是在大电场可能损坏 样品表面的显微应用中。此外，此实施方式使用与先前实施方式相同的一 些电路部件，且同样的部件由相同的参考数字标示，而不作进一步的描述。
根据此实施方式，样品42通过电压求和器72由振荡器70激励，电 压求和器72还接收来自于放大器14的输出V。uu反馈的检测信号。通过用 电压求和器72来闭合反馈环，有可能保证在样品42上只有一个小的误差 信号出现。在输出V。加的检测信号通过另一放大器74被反馈到电压求和 器72，所述放大器74被用来为最佳操作状态设定环路增益及时间常数。
li因此，通过去除可能由样品上大信号的存在而引起的赝象(artefact)而提 高了信噪比。
在此实施方式中，如在图2中所示的，振荡器70再次被用来为反馈 提供参考信号。为简单起见，只有中和需要的部件显示在图5中，但当然 也可使用保护和自举，如参考图3所描述的。在所有这些情况中，保护、 自举以及中和信号都源自相干源70,且这会提高信噪比，如先前所述的。
图5实施方式的使用限于用外部信号来激励样品42的情况。
1权利要求
1. 一种电位传感器，其包括至少一个检测电极，其设置为用于与受测样品电容耦合以及用于产生测量信号；传感放大器，其适合于接收所述测量信号作为输入以及提供被放大的检测信号作为输出；输入阻抗提高装置，其用于向所述传感放大器提供高输入阻抗，以增加所述电极对减小的电位的灵敏度；以及反馈装置，其用于对所述传感放大器的输入应用相干的反馈信号，以提高所述传感器的信噪比。
2. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述输入提高装置设置成使 用所述相干的反馈信号以提供自举、保护以及中和中的至少一个。
3. 根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述测量信号是周期性的。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的传感器，其中所述相干的反馈信号 包括单一的频率，以及其中所述反馈装置与所述输入阻抗提高装置协作， 使得所述传感器的输入阻抗在所述反馈信号的频率及相位处被提高。
5. 根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述传感放大器被差 分地设置以放大所述测量信号，以便增加所选定的信号频带下的信噪比。
6. 根据任一前述权利要求所述的传感器，其还包括外部源，所述外 部源用于提供激励正被测量的样品的驱动信号，以及其中所述相干的反馈 信号得自所述外部源。
7. 根据权利要求6所述的传感器，其还包括衰减器，所述衰减器用 于衰减来自激励的所述外部源的所述驱动信号，以提供参考信号来用作所 述相干的反馈信号。
8. 根据权利要求1至5中任何权利要求所述的传感器，其还包括锁 相环振荡器，所述锁相环振荡器用于从所述传感放大器的输出得到所述相 干的反馈信号。
9. 根据权利要求1至5中任何权利要求所述的传感器，其还包括振 荡电路，所述振荡电路设置为产生扫描频率的振荡输出，用于从所述传感 放大器的输出得到频率变化的信号以提供所述相干的反馈信号。
10. 根据权利要求1至5中任何权利要求所述的传感器，其还包括外 部源、从所述传感放大器的输出到输入的反馈环、以及电压求和器，所述 外部源用于提供驱动信号以激励正被测量的所述样品，所述电压求和器设 置在所述反馈环中，以便被反馈的检测信号和来自外部激励源的激励信号 都馈送到所述求和器以提供给所述样品。
全文摘要
本发明提供了一种电位传感器，其包括至少一个检测电极(12)和传感放大器(14)，所述的检测电极设置为用于与受测样品电容耦合以及用于产生测量信号，而所述传感放大器适合于接收测量信号作为输入并提供放大的检测信号作为输出。输入阻抗提高装置(34)向传感放大器提供高输入阻抗，以增加电极对减小的电位的灵敏度，以及反馈装置(46、52、54、56；56、61)向传感放大器的输入应用相干的反馈信号，以提高传感器的信噪比。
文档编号G01R19/00GK101490564SQ200780026584
公开日2009年7月22日 申请日期2007年7月13日 优先权日2006年7月18日
发明者克里斯多佛·哈兰德, 罗伯特·普朗斯 申请人:苏塞克斯大学