高阻抗传感器 Easy Drive ADC 简化高阻抗传感器的测量

发布时间：2024-11-27 01:11:03

Easy Drive ADC 简化高阻抗传感器的测量

增量累加 ADC凭借高准确度和很强的抗噪声性能，非常适合用来直接测量很多类型的传感器。然而，输入采样电流可能压垮高源阻抗或低带宽、微功率信号调理电路。LTC2484增量累加转换器系列通过平衡输入电流解决了这个问题，从而简化了信号调理电路或者不再需要这种电路。增量累加 ADC 的常见应用是热敏电阻器测量。图 1 显示了直接测量高达 100kΩ的热敏电阻器时 LTC2484 的连接方式。数据 I/O 通过标准 SPI 接口连接，每个输入的采样电流约为：

其中

或者当 VREF 为 5V、两个输入都接地时，约为 1.67μA。

图 1：LTC2484 的连接方式

4-WIRE SPI INTERFACE：4 线 SPI 接口

图 2 显示怎样平衡热敏电阻器，以便最大限度减小 ADC 输入电流。如果基准电阻器 R1 和 R4 是准确相等的，那么输入电流为零，不产生误差。如果基准电阻器的容限为 1%，那么由于共模电压的轻微漂移，所测得电阻的最大误差为 1.6Ω，远远小于基准电阻器本身 1% 的误差。这个解决方案无需放大器，从而非常适合微功率应用。

图 2：位于中间的传感器

也许需要将传感器的一端接地，以降低拾取的噪声，或者如果传感器在远端，则可以简化配线。如果这个电路使用时没有缓冲，那么不断变化的共模电压导致在所测得的电阻中产生 3.5kΩ满标度误差。

图 3 显示了怎样将功率非常低、带宽非常小的运算放大器连接到 LTC2484。就电源电流为1.5?A 的放大器而言，LT1494 有非常出色的 DC 性能规格，最大失调电压为 150?V，开环增益为 100,000，但是其 2kHz 带宽使该器件不适合驱动常规增量累加 ADC。增加一个 1kΩ、0.1?F 滤波器可提供一个供应 LTC2484 瞬时采样电流的电荷库，从而解决了这个问题，同时 1kΩ电阻器隔离了电容性负载和 LT1494。不要尝试用普通的增量累加 ADC 这么做，因为在图 3 所示电路中，性能规格与 LTC2484 系列类似的 ADC 之采样电流会产生 1.4mV 偏移和 0.69mV 满标度误差。LTC2484 均衡的输入电流允许通过在 IN- 端放置一个相同的滤波器，轻松消除这些误差。

图 3：接地的、有缓冲的传感器

图 4：LTC2484 演示电路板

图 5：LTC2484 演示软件屏幕截图，偏移为微伏级，噪声为 600nVRMS

超高频 GHz 声阻抗传感器：小小芯片，测量大数据？

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文| 青玥星蔓

编辑| 青玥星蔓

前言

当开发适用于动态环境的高灵敏度离子含量传感器时，面临着巨大的挑战，提高空间分辨率、时间分辨率和检测灵敏度已成为传感器开发中的重要方面，现代传感器采用光学或电学技术，利用微型阵列或溶解的纳米传感器来监测离子溶液。

这些技术长期以来一直面临电极退化等问题，并且光毒性等潜在影响可能会限制它们的广泛应用，为满足不断增长的需求，开发适用于动态纳米级现象的新传感技术提供了新的可能性。

超声波声阻抗传感器的工作原理

监测离子通量的纳米级动态对于生化和生理参数的监测非常重要，离子通量在各种细胞和组织谱系中的信号传导、传递和收缩性方面至关重要，汗液中的离子和分子成分对于了解身体的压力和状态至关重要。

人们需要可穿戴传感器来监测汗液，并且可以设计类似的系统来监测内部和外部的体液和分泌物，离子传输对于电池、燃料电池和金属腐蚀等许多现代设备也至关重要，一些加工技术依赖于离子传输，可以从过程优化监控中受益。

通过实验测量静电场存在下离子的扩散可以与该过程的许多最新理论模型相结合，进一步增强该研究的各种下游应用。

以往的离子传感研究主要采用电势测量方法，但非电测量也可能非常有用，电极会随着时间的推移而腐蚀，并需要额外的处理和与流体的电连接，分子传感器需要在系统中引入新的纳米颗粒，而在生物应用中，由于代谢效应和离散效应，这会导致使用寿命缩短。

一些分子传感器依赖于光子刺激来读取，因此会引入热和光降解效应到感兴趣的系统中，采用非电和非分子干预的方法有望延长传感器的使用寿命并最大程度地减少对传感介质的干扰。

超声波传感器可以在没有电极的情况下进行离子测量，通过设计为声阻抗传感器，可以实现高灵敏度和最小的超声波能量传输，感知介质特性的变化，与电极和分子传感器相比，超声波传感器由于输入能量而提供的干扰最小，使用寿命更长。

虽然分子传感器可能对特定离子具有高特异性，但也可以使用各种模拟和计算技术通过超声波传感器来区分离子种类，这些技术在下一节引用的相关工作中进行了调查。

离子选择电极系统具有电荷浓度非线性，通常使用的能斯特方程可以模拟溶液中的离子活性，但仅在某些操作原理下与浓度相关，实际的离子浓度分辨率受到能斯特斜率的限制，在室温下大约为每十倍电流密度59.2 mV，在体温下为61 mV/dec。

这个被称为测量灵敏度的斜率是电极电压读数的绝对值，ISE阵列可以提高理论能斯特斜率响应的极限，基于离子选择性膜的电化学晶体管可以实现高达80 mV/dec的超能斯特灵敏度，时间分辨率为1秒，要实现亚毫秒级的时间分辨率，仍有改进的空间。

声波与介质密度、声速等特性的关联

离子含量的光学测量涉及基于光谱的技术，可以实现高灵敏度和实时测量，还有其他测量技术使用动态结合的分子染料的光学信号，可提供纳米到微摩尔级别的灵敏度以及快速的亚毫秒响应时间。

但染料的光学响应可能在浓度范围内非线性，并且具有潜在的光毒性，因此在长期监测中可能不适用，背景噪声、非特异性结合和自发荧光等因素会影响时间和空间分辨率。

光学技术虽然在动态范围方面表现出色，对微摩尔范围内的低浓度具有高灵敏度，但超出此范围的灵敏度受到限制，结合动力学也可以通过离子选择电极和使用芯片级技术的光学技术进行测量，但转化为临床和医疗环境仍然具有挑战性。

另一种技术是通过微波传感器进行介电常数检测，它使用微型和可能基于阵列的槽和金属谐振器进行高灵敏度测量，基于差模互补开环谐振器的传感器在低浓度范围内可以记录亚毫摩尔分辨率。

这些微波谐振器的分辨率不仅取决于传感器设计和感兴趣的分析物，还受到传感器封装和边界条件随时间变化的影响，高密度、小型化和无通道微波传感器正在不断发展，以满足纳米传感领域不断增长的需求。

声阻抗传感器通过测量阻抗来进行测量，其中密度和速度可以随时间变化，并包括实数和复数分量，声阻抗对感兴趣介质的密度、声速和衰减特性敏感，这些传感器可用于比较不同材料和动态改变材料特性。

在这些技术中，已经记录到对于体积分数变化在20%以及低于100 mM的浓度变化有亚毫摩尔级别的灵敏度，声阻抗可能因样品内密度和弹性的变化而变化，声阻抗传感器因特定声波、工作谐振频率以及通过耦合层与样品连接的方法而异。

使用模拟和数字处理技术，声阻抗可以进行高分辨率感测，并且在各种生物和材料应用中得到应用，包括感测动态离子通量、感测组织结构特性、疤痕组织形成、电解质感测、感测压差、材料缺陷表征、聚合表征以及微型反应器反应速率的量化。

声阻抗传感器及其工作原理，声阻抗传感器利用声波来进行测量，其中声波的传播受到介质密度和声速的影响，除了声阻抗本身的影响外，介质的衰减参数定义了声波呈指数衰减的衰减长度。

高频率超声波传感器的设计与制造难题

两种声阻抗传感器的类型：体声波传感器和表面声波传感器，BAW传感器利用厚度剪切或纵向体模式产生声波，并可以在液体中发射和传输波，并根据传输和反射特性来测量声阻抗，SAW传感器则由叉指式换能器产生，可以局域化地穿透到液体表面一定的深度。

声阻抗传感器的性能受到介质的声学损失和衰减特性影响，而不同频率下的声波传播表现也不同，在kHz-MHz频率范围下，吸收深度较大，需要考虑液体和封装的边界条件以定义传感体积。

而在GHz频率下，吸收深度较小，可以更直接地测量超声波阻抗，无需考虑封装边界条件。

使用GHz超高频体声波进行声阻抗传感器测量的方法，这种传感器具有高分辨率，轴向分辨率可以低至1微米，横向分辨率可以达到数十微米，通过在液体中使用高频率的超声波，可以实现比低频声波更高的空间分辨率。

在GHz频率下，超声波的波长只有1-5微米，在液体中的衰减深度也较小，因此可以更准确地定位和测量声阻抗，这种技术的优势在于不需要与分析物接触的表面功能化，因为它仅依赖于声阻抗测量。

通过使用GHz超声波芯片级发射-接收传感器进行测量，可以实现紧凑、低成本和微型化的设备，该技术可以广泛应用于感测离子含量和物质浓度等领域，具有非常高的灵敏度，远远超过其他类似传感方式的灵敏度。

研究是作为I-ARPA TIC计划的一部分进行的，设备是由微电子研究所IME A*STAR制造的，中使用的传感器与之前发布的设备相同，这些设备制造于750微米厚的硅晶片的两侧，具有相同的制造和对准，这样的设计允许介质和传感器之间正确对准，并保证实验的准确性。

研究中的器件布局和设计细节如，传感器的制造和对准使得发射-接收脉冲的对准成为可能，AlN膜的厚度模式谐振导致中心频率大约为1.5GHz的谐振频率。

在传感实验中，主要使用第一回波的返回信号来测量介质的超声波特性，并通过分析第一回波返回信号的幅度来进行研究，展示了两种不同放大倍率下的芯片级器件的示意图。

这些细节描述了研究中使用的芯片级声阻抗传感器的设计和实验设置，以及用于测量介质特性的方法，通过这些设计，能够实现高灵敏度的声阻抗传感器，并且这些传感器在微米尺度下表现出了出色的分辨率和准确性。

显示了使用Polytec UHF干涉仪从连续波输入到换能器的情况下，通过扫描绘制的频率范围，以及使用换能器的第一回波信号收集的数据，能量在硅衬底中的衍射损失会降低谐振器的品质因数，导致更宽的带宽响应。

厚度为2微米的AlN会产生厚度模式谐振，可以在KLM模型中视为开路谐振频率，定义为F0=νs/ (2t)，其中t是AlN换能器的厚度，硅背衬、钼电极和氧化物层的附加负载阻抗模型会降低实际谐振频率和品质因数，从而增加了换能器的有效带宽。

实际频率响应非常复杂，其完整描述超出了的范围，更准确地采集频率响应需要在集成芯片上使用自动电阻抗匹配网络，因为设备的电阻抗会随着频率变化，文献中提供了几个示例系统，需要它们来提供最准确的器件特性。

展示了模拟处理方案，用于处理超声波反射的模拟信号并收集介质声阻抗信息，信号处理通过提取第一个回波的幅度来提高灵敏度并进行连续感测感兴趣的介质。

该方案包括将连续波GHz信号通过RF开关发送到传感器输入，然后信号作为脉冲回波从传感器返回，并通过放大器进行放大，信号经过包络检测器生成RF信号的包络，并通过采样保持电路获取信号值。

该信号值用于对电容器充电，并通过触发信号将该值保持给定的时间，直到触发下一个脉冲，通过信号放大后的示波器采样，显示与感兴趣介质的声阻抗相关的电压，这个处理方案用于获取与浓度相关的声阻抗信息。

结论

使用了微电子研究所IME A*STAR制造的芯片级CMOS兼容的GHz超声波声阻抗传感器，用于离子含量的测量，该传感器利用AlN膜产生厚度模式谐振，工作频率为1.5GHz，具有高频率的优势，包括高限制、轴向分辨率低至1微米以及横向分辨率高。

通过模拟处理技术提高信号灵敏度并连续感测感兴趣的介质，实现了与浓度相关的声阻抗信息的收集。

该研究的这种基于GHz超声波的声阻抗传感器具有较高的灵敏度，远远超过了类似传感方式的传统传感器，与使用BAW传感器进行离子含量测量的常见测试分辨率相比，所引用的灵敏度更高，该传感器在离子含量测量方面具有潜在的应用价值。

参考文献

[1]Kuo C H, Wu C H, Chang P Z. High-frequency ultrasound sensors for ion concentration measurement. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 142(2): 368-373.

[2]Abdelmejeed M A, El-Arabi H, Zhang Z, et al. High-frequency ultrasound based on bulk-mode aluminum nitride thin film sensors for ion concentration measurement. Sensors and Actuators A: Physical, 2012, 177: 91-97.

[3]Balasubramanian K, Kuo C H, Wu C H, et al. GHz frequency range ultrasound-based sensors for monitoring the ion concentration in fluid solutions. Ultrasonics, 2011, 51(8): 899-903.