特許 6037401 電気機械共振器を有する測定システム、該システムを製造するための方法、および、少なくとも２つの電気機械共振器を読み取るための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6037401

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】電気機械共振器を有する測定システム、該システムを製造するための方法、および、少なくとも２つの電気機械共振器を読み取るための方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20161128BHJP

   H03H 3/007 20060101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   G01N5/02 A

   H03H3/007 Z

【請求項の数】18

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2014-501697(P2014-501697)

(86)(22)【出願日】2012年3月29日

(65)【公表番号】特表2014-510921(P2014-510921A)

(43)【公表日】2014年5月1日

(86)【国際出願番号】FR2012050682

(87)【国際公開番号】WO2012172204

(87)【国際公開日】20121220

【審査請求日】2015年3月4日

(31)【優先権主張番号】1152774

(32)【優先日】2011年3月31日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】510225292

【氏名又は名称】コミサリア ア レネルジー アトミック エ オ ゼネルジー アルテルナティブ

【氏名又は名称原語表記】ＣＯＭＭＩＳＳＡＲＩＡＴ Ａ Ｌ’ＥＮＥＲＧＩＥ ＡＴＯＭＩＱＵＥ ＥＴ ＡＵＸ ＥＮＥＲＧＩＥＳ ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＶＥＳ

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100167933

【弁理士】

【氏名又は名称】松野 知紘

(74)【代理人】

【識別番号】100144967

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 隆之

(72)【発明者】

【氏名】エリック、コリーヌ

(72)【発明者】

【氏名】フィリップ、アンドレウッチ

(72)【発明者】

【氏名】ローラン、デュラフル

(72)【発明者】

【氏名】セバスチャン、ヘンツ

【審査官】 北川 創

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−１４２１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１４１８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０４７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２０１３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５０６２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１９９６３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ５／０２

Ｈ０３Ｈ ３／００７

Ｈ０３Ｂ ５／３０

Ｇ０１Ｄ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定システムにおいて、
測定されるべき物理量にしたがって無負荷時共振周波数付近で変動する共振周波数をそれぞれが有する少なくとも２つの電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）であって、前記各共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）は、 励振信号（ｅ）を受けるようになっている入力（１０４１．．．１０４Ｎ）と、 励振信号（ｅ）に応じて出力信号（ｓ１．．．ｓＮ）を供給するための出力（１０６１．．．１０６Ｎ）であって、前記出力信号（ｓ１．．．ｓＮ）が前記共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の共振周波数での共振を有する、出力（１０６１．．．１０６Ｎ）と、
前記無負荷時共振周波数を規定する機械的構造であって、無負荷時共振周波数が互いに異なるように前記共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の前記機械的構造が互いに異なる、機械的構造と、
を含んでおり、前記共振器のすべての入力が互いに接続され、同じ励振信号（ｅ）を受ける、少なくとも２つの電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）と、 前記出力信号（ｓ１．．．ｓＮ）を１つの全出力信号（ｓ）として加算するための手段（１０８）と、
前記共振器の無負荷時共振周波数に関連する無負荷時共振情報が前記各共振器ごとに記録されるメモリ（１２０；１２０１．．．１２０Ｍ；１９０６）と、
読み取りのために選択される１つの前記共振器の共振周波数を決定する、読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ；１８０２）と、 を備えており、
前記読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ；１８０２）は、前記全出力信号（ｓ）を受けるように構成されており、
前記読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ；１８０２）は、前記全出力信号（ｓ）に基づいて、励振信号（ｅ；ｅ１．．．ｅＭ）を前記共振器に供給するように構成された閉ループ（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ；１８０３）を含んでおり、
前記選択された共振器の前記共振周波数を決定するために、前記読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ；１８０２）は、読み取り前に、前記選択された共振器のために格納された無負荷時共振情報から、前記閉ループ（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ；１８０３）の少なくとも１つの要素を構成し、
前記選択された共振器の前記共振周波数を決定するために、前記構成された要素を有する前記閉ループ（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ；１８０３）は、その後、前記選択された共振器の前記共振周波数に固定される、
測定システム。

【請求項2】

選択される複数の共振器の共振周波数を同時に決定するようになっている幾つかの読み取りデバイス（１５０２１．．．１５０２Ｍ）を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の前記入力（１０４１．．．１０４Ｎ）に全励振信号（ｅ）を供給するために前記読み取りデバイスにより供給される励振信号（ｅ１．．．ｅＭ；ｅ（１）．．．ｅ（５））を加算するための手段（１５０４；１９１８）を更に備える、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記各電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）ごとに異なる前記入力（１０４１．．．１０４Ｎ）および前記出力（１０６１．．．１０６Ｎ）が設けられた、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項5】

前記各読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ；１８０２）は、単一の選択された共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の共振周波数を決定するようになっている、請求項２又は請求項３に記載のシステム。

【請求項6】

前記各読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ；１８０２）は、前記全出力信号（ｓ）から、幾つかの選択された共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の共振周波数を連続的に決定するようになっている、請求項１又は請求項２に記載のシステム。

【請求項7】

前記加算するための手段（１０８）は、前記共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の前記出力（１０６１．．．１０６Ｎ）が接続されるノードを備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記各共振器において、無負荷時共振情報が無負荷時共振周波数付近に及ぶ帯域幅であり、前記各読み取りデバイス（１８０２）は、読み取りのために選択される前記共振器の前記出力信号（ｓ１．．．ｓＭ）のそれぞれを前記全出力信号（ｓ）から抽出するようになっているデマルチプレクサ（１８０４）を備える少なくとも１つの自動振動ループ（１８０３）を備え、前記抽出は、読み取りのために選択される前記各共振器ごとに、この共振器に特有の帯域幅で行なわれる、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記各共振器に特有の無負荷時共振情報がこの共振器の無負荷時共振周波数である、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項10】

前記読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ）は、単一の共振器の共振周波数を決定するようになっており、読み取りのために選択される前記共振器の無負荷時共振周波数を選択するための手段（１２２；１５０８；１９０８）を備えるとともに、読み取りの開始時に、選択された無負荷時共振周波数に等しい周波数を有する単一周波数励振信号（ｅ；ｅ１．．．ｅＭ；ｅ（１）．．．ｅ（５））を供給するようになっている、請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

前記読み取りデバイス（１１０；１５０２１．．．１５０２Ｍ）が制御位相ループ回路（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ）を備え、この制御位相ループ回路（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ）は、読み取り開始後に、励振信号（ｅ；ｅ１．．．ｅＭ；ｅ（１）．．．ｅ（５））の周波数を、読み取りのために選択される前記共振器に対応する前記全出力信号（ｓ）の共振ピークの周波数で固定して、その固定周波数を決定された共振周波数として供給するようになっている、請求項４を引用する請求項９または請求項４を引用する請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記各制御位相ループ回路（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ）は、選択された無負荷時共振周波数での固定を開始するための手段（１２４；１２４１．．．１２４Ｍ；１９１４（１）．．．１９１４（５））を備える、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）がＭＥＭＳ共振器またはＮＥＭＳ共振器である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項14】

前記電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）が同じシリコンチップ（２０２）上にエッチングされるＮＥＭＳ共振器（１０２１．．．１０２Ｎ）である、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステムを製造するための方法であって、前記電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の定寸のために、 前記各共振器ごとに、その無負荷時共振周波数付近でのその共振周波数の予期される最大変動範囲を決定するステップと、
重なり合わないように決定される間隔にわたって互いに十分に離れた無負荷時共振周波数を規定する前記共振器の機械的構造を選択するステップと、
を含む方法。

【請求項16】

無負荷時共振周波数を規定する機械的構造をそれぞれが備える少なくとも２つの電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）を読み取るための方法であって、無負荷時共振周波数が互いに異なるように前記共振器（１０２１．．．１０２Ｎ）の前記機械的構造が互いに異なり、前記各共振器は、測定されるべき物理量にしたがって無負荷時共振周波数付近で変動する共振周波数を有し、前記各共振器（１０２１．．．１０２Ｎ）には、励振信号（ｅ）を受けるようになっている入力（１０４１．．．１０４Ｎ）と、励振信号（ｅ）に応じて出力信号（ｓ１．．．ｓＮ）を供給するための出力（１０６１．．．１０６Ｎ）であって、前記出力信号（ｓ１．．．ｓＮ）が前記電気機械共振器（１０２１．．．１０２Ｎ）の共振周波数での共振を有する、出力（１０６１．．．１０６Ｎ）とが設けられ、前記共振器のすべての入力が互いに接続され、同じ励振信号（ｅ）を受け、前記出力信号（ｓ１．．．ｓＮ）は、加算手段（１０８）により、１つの全出力信号（ｓ）として加算され、前記方法は、前記共振器の無負荷時共振周波数に関連する無負荷時共振情報が前記各共振器ごとに記録されるメモリ（１２０；１２０１．．．１２０Ｍ；１９０６）と、前記全出力信号（ｓ）を受けて該全出力信号（ｓ）にしたがって前記共振器に励振信号（ｅ；ｅ１．．．ｅＭ）を供給するようになっている閉ループ（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ；１８０３）とを備える読み取りデバイスを使用するとともに、 前記共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）から、読み取られるべき１つの共振器を選択するステップと、
前記選択された共振器の無負荷時共振情報を前記メモリ内に回収するステップと、 前記閉ループ（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ；１８０３）を使用して、前記共振器に励振信号（ｅ；ｅ１．．．ｅＭ）を印加するステップと、
読み取り前に、前記選択された共振器のために格納された無負荷時共振情報から、前記閉ループの少なくとも１つの要素を構成して、前記構成された要素を有する前記閉ループ（１１２；１１２１．．．１１２Ｍ；１８０３）が、その後、前記選択された共振器の前記共振周波数に固定されるように、前記選択された共振器の前記共振周波数を決定するステップと、
決定された共振周波数と前記共振器の無負荷時共振周波数とから物理量を決定するステップと、
を含む、方法。

【請求項17】

励振信号（ｅ；ｅ１．．．ｅＭ）を前記共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）に印加する前に、 前記共振器（１０２１．．．１０２Ｎ；１９０２）の無負荷時共振周波数を決定するステップと、
前記各共振器ごとに、この共振器の無負荷時共振情報をその無負荷時共振周波数から決定するステップと、
決定された前記無負荷時共振情報を前記メモリ（１２０；１２０１．．．１２０Ｍ；１９０６）内に記録するステップと、
を更に含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記読み取りデバイスは複数の閉ループを含んでおり、各閉ループは励振信号を前記全出力信号（ｓ）にしたがって前記共振器の前記入力に供給するように構成されており、
前記読み取りデバイスは、読み取り前に、選択された各共振器のために格納された無負荷時共振情報から、各閉ループの少なくとも１つの要素を構成して、読み出しのために選択された複数の共振器の共振周波数を決定し、
前記構成された要素を有する各閉ループが、その後、前記選択された各共振器の前記共振周波数に固定されるように構成される、
請求項１に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気機械共振器を有する測定システム、該システムを製造するための方法、および、少なくとも２つの電気機械共振器を読み取るための方法に関する。

【0002】

特に、本発明は、ガスセンサおよび質量分析の分野、並びに、ボロメータの分野で適用される。

【背景技術】

【0003】

本発明との関連で、電気機械マイクロシステム（または、ＭＥＭＳ、“Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ”）は、電気をエネルギー源として使用するとともに、その形態の少なくとも一部がセンサおよび／またはアクチュエータの機能を果たす機械的構造を備えるシステムとして規定され、前記機械的構造は、マイクロメートル寸法、すなわち、１ミリメートル未満の寸法を有する。

【0004】

電気機械ナノシステム（または、ＮＥＭＳ、“Ｎａｎｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ”）は、その機械的構造がナノメートル寸法、すなわち、１マイクロメートル未満の寸法を有することを除き、ＭＥＭＳと同様である。

【0005】

電気機械測定システムは、通常、電気機械共振器、すなわち、機械的な動きを電気的機能と結びつける機能を有するデバイスを備える。これらのデバイスは、励振信号（機械的信号または電気的信号）を受け、それに応じて出力信号（一般的には電気信号）を供給するようになっており、出力信号は、電気機械共振器が晒される物理量にも依存する。これらのデバイスは、一般に特定の共振周波数に関して共振ピークを備える伝達関数を有し、この共振周波数は物理量と同時に変動する。以下では、測定されるべき物理量の不存在下で電気機械共振器により与えられる共振周波数を示すために、無負荷時共振周波数について語られる。

【0006】

しばしば使用される電気機械共振器は、ＭＥＭＳ共振器またはＮＥＭＳ共振器である。

【0007】

用途に応じて、数百または更には数千のＮＥＭＳ共振器のネットワークが必要な場合がある。

【0008】

ＦＲ２９４２６８１Ａ１の番号により公開された特許出願は、適した相互接続技術を使用する各ＮＥＭＳ共振器の個々のアドレス指定を提案する。この手法は、各ＮＥＭＳ共振器の個別的な読み取り、および、各構造ごとの個別的な電子処理を行なうことができ、それにより、例えば任意の製造不確実性を補償できるようになるとともに、測定に影響を及ぼす任意のノイズ源のより良い無相関を与えることができるようになるという利点を有する。

【0009】

しかしながら、ＮＥＭＳ共振器は、その読み取り電子機器との接続のための少なくとも２つのピンを有する。このため、一例として個別に問い合わされるべき千個のＮＭＥＳ共振器を考えると、重要な技術的課題が課される。これは、その場合、少なくとも２千個の相互接続部を形成する必要があるからである。幾つかの用途において、例えば、ＮＥＭＳ共振器に基づくボロメータの用途、または、２００９年６月２１日にオンライン公開された機関紙Ｎａｔｕｒｅ ＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙにおけるＮａｉｋらによる論文“Ｔｏｗａｒｄｓ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ”（ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＮＡＮＯ．２００９．１５２）で提示される質量分析検出の用途においては、システムの性能を向上させるために１０００００個を上回るＮＥＭＳ共振器から成る超高密マトリクスを有することが絶対に不可欠である。したがって、相互接続の課題は、これらのシステムにおいて重大である。

【0010】

相互接続の技術的な実施の課題とは別に、各ＮＥＭＳ共振器ごとに個々の読み取り電子機器を形成するという課題も課される。これは、電子層がＮＥＭＳ共振器の層の下側に位置される場合、および、各ＮＥＭＳ共振器が５μｍ×５μｍ（その相互接続ピンを伴うＮＥＭＳ共振器の特徴的なサイズ）の表面積を占める場合に、集積処理が考慮されれば、読み取り電子機器が２５μｍ^２未満の表面積を占めなければならないからである。現在のＣＭＯＳ技術を用いると、この表面積の制約を満たしつつＮＥＭＳ共振器の周波数の変化の動的な監視を確保できる電子機器の設計はほぼ不可能である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

したがって、前述した課題および制約のうちの少なくとも一部が存在しないようにし得る電気機械測定システムを提供することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0012】

したがって、本発明の主題は、電気機械共振器を有する測定システムであって、
測定されるべき物理量にしたがって無負荷時共振周波数付近で変動する共振周波数をそれぞれが有する少なくとも２つの電気機械共振器であり、各共振器には、
励振信号を受けるようになっている入力と、
励振信号に応じて出力信号を供給するための出力であって、出力信号が共振器の共振周波数での共振を有する、出力と、
が設けられ、
各共振器がその無負荷時共振周波数を規定する機械的構造を備え、無負荷時共振周波数が互いに異なるように共振器の機械的構造が互いに異なる、少なくとも２つの電気機械共振器と、
共振器の入力に接続され、前記入力に励振信号を供給するようになっている少なくとも１つの読み取りデバイスと、
を備え、
システムは、共振器の無負荷時共振周波数に関連する無負荷時共振情報が各共振器ごとに記録されるメモリを更に備え、
各読み取りデバイスは、読み取りのために選択される１つ以上の共振器の共振周波数を、選択された各共振器ごとに記憶される無負荷時共振情報から読み取りデバイスの少なくとも１つの要素を設定することにより決定するようになっている、
測定システムである。

【0013】

本発明により、また、様々な無負荷時共振周波数の賢明な選択により、電気機械共振器の出力を互いに並列に接続すること、すなわち、これらの出力を互いに接続することができる一方で、各電気機械共振器に特有の出力信号を常に区別することができる。したがって、本発明によれば、接続数が少ない測定システムを得ることができる。

【0014】

随意的に、システムは、複数の出力信号を１つの全出力信号の状態へと加算するための手段を更に備える。

【0015】

随意的に、各読み取りデバイスは、全出力信号から、単一の選択された共振器の共振周波数を決定するようになっている。

【0016】

随意的に、各読み取りデバイスは、全出力信号から、幾つかの選択された共振器の共振周波数を連続的に決定するようになっている。

【0017】

随意的に、加算手段は、共振器の出力が接続されるノードを備える。

【0018】

随意的に、各共振器において、無負荷時共振情報が無負荷時共振周波数付近に及ぶ帯域幅であり、各読み取りデバイスは、読み取りのために選択される共振器の出力信号のそれぞれを全出力信号から抽出するようになっているデマルチプレクサを備える少なくとも１つの自動振動ループを備え、抽出は、読み取りのために選択される各共振器ごとに、この共振器に特有の帯域幅で行なわれる。

【0019】

随意的に、各共振器に特有の無負荷時共振情報は、この共振器の無負荷時共振周波数である。

【0020】

随意的に、各読み取りデバイスは、単一の共振器の共振周波数を決定するようになっており、読み取りのために選択される共振器の無負荷時共振周波数を選択するための手段を備えるとともに、読み取りの開始時に、選択された無負荷時共振周波数に等しい周波数を有する単一周波数励振信号を供給するようになっている。

【0021】

随意的に、各読み取りデバイスが制御位相ループ回路を備え、この制御位相ループ回路は、読み取り開始後に、励振信号の周波数を、読み取りのために選択される共振器に対応する全出力信号の共振ピークの周波数で固定して、その固定周波数を決定された共振周波数として供給するようになっている。

【0022】

随意的に、各制御位相ループ回路は、選択された無負荷時共振周波数での固定を開始するための手段を備える。

【0023】

随意的に、システムは、選択される複数の共振器の共振周波数を同時に決定するようになっている幾つかの読み取りデバイスを備える。

【0024】

随意的に、システムは、電気機械共振器の入力に全励振信号を供給するために、読み取りデバイスにより供給される励振信号を加算するための手段を更に備える。

【0025】

随意的に、電気機械共振器がＭＥＭＳ共振器またはＮＥＭＳ共振器である。

【0026】

随意的に、電気機械共振器が同じシリコンチップ上にエッチングされるＮＥＭＳ共振器である。

【0027】

先に規定されたシステムを製造するための方法も提案され、この方法は、電気機械共振器の定寸のために、
各共振器ごとに、その無負荷時共振周波数付近でのその共振周波数の予期される最大変動範囲を決定するステップと、
重なり合わないように決定される間隔にわたって互いに十分に離れた無負荷時共振周波数を規定する共振器の機械的構造を選択するステップと、
を含む。

【0028】

また、無負荷時共振周波数を規定する機械的構造をそれぞれが備える少なくとも２つの電気機械共振器を読み取るための方法であって、無負荷時共振周波数が互いに異なるように共振器の機械的構造が互いに異なり、各共振器は、測定されるべき物理量にしたがって無負荷時共振周波数付近で変動する共振周波数を有し、各共振器には、励振信号を受けるようになっている入力と、励振信号に応じて出力信号を供給するための出力であって、出力信号が電気機械共振器の共振周波数での共振を有する、出力とが設けられる、方法も提案され、方法は、共振器の無負荷時共振周波数に関連する無負荷時共振情報が各共振器ごとに記録されるメモリを備える読み取りデバイスを使用するとともに、
共振器から、読み取られるべき１つ以上の共振器を選択するステップと、
読み取りのために選択される各共振器の無負荷時共振情報を前記メモリ内に回収するステップと、
共振器に励振信号（ｅ）を印加するとともに、読み取りのために選択される各共振器の共振周波数を、この共振器の無負荷時共振情報から読み取りデバイスの少なくとも１つの要素を設定することにより決定するステップと、
選択された各共振器ごとに、決定された共振周波数と共振器の無負荷時共振周波数とから物理量を決定するステップと、
を含む。

【0029】

随意的に、方法は、励振信号を共振器に印加する前に、
共振器の無負荷時共振周波数を決定するステップと、
各共振器ごとに、この共振器の無負荷時共振情報をその無負荷時共振周波数から決定するステップと、
決定された前記無負荷時共振情報を前記メモリ内に記録するステップと、
を更に含む。

【0030】

本発明は、単なる一例として与えられて添付図面に関連してなされる以下の説明によってより良く理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明を実施する第１の電気機械測定システムの簡略図である。

【図2】図１におけるシステムの電気機械共振器のネットワークの簡略図である。

【図3】図２におけるネットワークの電気機械共振器の写真である。

【図4】図２のネットワークにおける電気機械共振器の接続の簡略図である。

【図5】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図6】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図7】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図8】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図9】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図10】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図11】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図12】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図13】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図14】図２における電気機械共振器のネットワークの特性を示すグラフである。

【図15】本発明を実施する第２の電気機械測定システムの簡略図である。

【図16】図１〜図１５におけるシステムで使用され得る電気機械共振器のネットワークの簡略図である。

【図17】図１〜図１５におけるシステムで使用され得る電気機械共振器のネットワークの簡略図である。

【図18】本発明を実施する第３の電気機械測定システムの簡略図である。

【図19】本発明を実施する第４の電気機械測定システムの簡略図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１を参照すると、本発明を実施する電気機械測定システム１００の一例は、まず第１に、電気機械共振器１０２_１．．．．１０２_Ｎのネットワークを備える。記載される例では、これらがＮＥＭＳ共振器である。

【0033】

各ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎには、励振入力１０４_１．．．１０４_Ｎおよび出力１０６_１．．．１０６_Ｎが設けられる。各ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎは、その励振入力１０４_１．．．１０４_Ｎで印加される励振信号ｅに応じてその出力１０６_１．．．１０６_Ｎで出力信号ｓ_１．．．ｓ_Ｎを供給するようになっている。また、各ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎは、測定されるべき物理量にしたがって無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎ付近で変動する共振周波数Ｆ_１．．．Ｆ_Ｎも有する。したがって、各ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎにおいて、出力信号ｓ_１．．．ｓ_Ｎは、ＮＥＭＳ共振器に印加されて共振周波数Ｆ_１．．．Ｆ_Ｎ付近でかなり増幅される励振信号に対応する。無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎは互いに異なる。“異なる”とは、各無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎがその下位の隣の無負荷時共振周波数からその値の少なくとも１％だけ間隔を隔てられることを意味する。例えば、電気機械共振器が１ＭＨｚの無負荷時共振周波数Ｆ^＊_ｉを有する場合には、その前の無負荷時共振周波数Ｆ^＊_ｉ−１との差は少なくとも１０ＫＨｚである。

【0034】

また、システム１００は、出力信号ｓ_１．．．ｓ_Ｎを全出力信号ｓとして加算するためのデバイス１０８も備える。

【0035】

また、システム１００は、全出力信号ｓからＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの共振周波数Ｆ_１．．．Ｆ_Ｎを選択的に決定するようになっている、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎを読み取るためのデバイス１１０も備える。

【0036】

記載される例において、読み取りデバイス１１０は、励振信号ｅを供給するようになっているとともに、励振信号ｅを全ての励振入力１０４_１．．．１０４_Ｎに同時に供給するべく全ての励振入力１０４_１．．．１０４_Ｎに接続される。

【0037】

記載される例において、読み取りデバイス１１０は、励振信号ｅの周波数Ｆを全出力信号ｓの共振ピークの周波数で固定してその固定周波数を決定された共振周波数として供給するようになっている制御位相ループ回路１１２を備える。

【0038】

この目的を達成するために、制御位相ループ回路１１２は電圧制御発振器１１４を備え、この電圧制御発振器１１４は、電圧Ｆによって制御されるとともに、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの入力１０４_１．．．１０４_Ｎに接続されて、それらの入力に対して、周期的で且つ電圧Ｆに対応する周波数をもつ単一周波数の励振信号ｅを供給する。記載の残りの部分では、電圧Ｆが励振信号ｅの周波数と同じである。

【0039】

制御位相ループ回路１１２は位相比較器１１６も備え、この位相比較器１１６は、全出力信号ｓを受けるために加算デバイス１０８に接続されるとともに、全出力信号ｓと励振信号ｅとの間の位相差ｄΦを決定して供給するようになっている。

【0040】

制御位相ループ回路１１２はコントローラ１１８も備え、このコントローラ１１８は、位相比較器１１６に接続されるとともに、位相差ｄΦから電圧Ｆを決定して電圧制御発振器１１４へ供給するようになっている。

【0041】

読み取りデバイス１１０はメモリ１２０も備え、このメモリには、第１に、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎが記録され、第２に、各ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎごとの初期位相差ｄΦ_１．．．ｄΦ_Ｎが記録される。

【0042】

読み取りデバイス１１０は、記録された無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎのそれぞれと記録された初期位相差ｄΦ_１．．．ｄΦ_Ｎのそれぞれとを選択するための手段１２２も備える。

【0043】

また、制御位相ループ回路１１２は、いずれも手段１２２により選択される無負荷時共振周波数および初期位相差での固定を開始するための手段１２４を備える。

【0044】

図２を参照すると、記載される例において、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎのネットワークは、容量性作動およびピエゾ抵抗検出を伴うとともに同じシリコンチップ２０２上にエッチングされるＮＥＭＳ１０２_１．．．１０２_Ｎから成る。ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎは、例えば、ｌ×Ｊ＝Ｎ個のＮＥＭＳ共振器の行列を成して編成される。

【0045】

図３を参照すると、ネットワーク内の各ＮＥＭＳ共振器は、第１の埋め込み端３０４と第２の自由端３０６とを有する梁３０２を備える。各ＮＥＭＳ共振器は、埋め込み端３０４付近に、梁３０２の両側に配置されるピエゾ抵抗材料から形成される２つの歪みゲージ３０８，３１０も備える。また、各ＮＥＭＳ共振器は、梁の両側に配置されて梁３０２を作動させるための２つの電極３１２，３１４も備える。そのようなＮＥＭＳ共振器の目的は、周囲ガスの重さを測定することであり、これらのＮＥＭＳ共振器は、約１０^−２１グラム、すなわち、１ゼプトグラムの質量の加算を測定することができる。

【0046】

図４を参照すると、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの２つの歪みゲージ３０８，３１０が定電位Ｅ，−Ｅにそれぞれ接続される。また、ＮＥＭＳ共振器の梁の埋め込み端３０４は、出力信号ｓ_１．．．ｓ_Ｎを供給するとともに、全てが全出力信号ｓを供給する同じノード４０２への接続によって接続され、それにより、単一の情報伝送バスが規定される。したがって、これらの接続およびこのノード４０２が加算手段１０８を形成する。また、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの２つの電極３１２，３１４は、それぞれが互いに接続されるとともに、励振信号ｅおよびその反対の信号−ｅをそれぞれが受ける。先と同様に、この形態は単一の励振バスを規定する。

【0047】

記載される例では、梁３０１_１．．．３０２_Ｎが互いに異なる長さＬ_１．．．Ｌ_Ｎを有し、それらの梁の他の幾何学的特徴は同一である。各ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの無負荷時共振周波数Ｆ^＊_ｎ（ｎ＝１．．．Ｎ）は以下のように規定される。

【数1】

【数2】

【数3】

【0048】

ここで、Ｅは、ＮＥＭＳ共振器を構成する材料のヤング率であり、“ρ”はその材料の密度であり、Ｉは共振器のその材料の慣性モーメントであり、ｓはその材料の断面積であり、ｗはその材料の振動幅であり、ｅはその材料の厚さである。

【0049】

したがって、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎは、確かに、互いに異なる無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎを有する。

【0050】

ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの定寸は、予期される最大共振周波数変動範囲を各ＮＥＭＳ共振器ごとに決定して、重なり合わないように決定される範囲にわたって互いに十分に異なる無負荷時共振周波数を規定する機械的構造（記載される例では、梁長さ）を選択することによって達成される。想定し得る製造のばらつきを考慮に入れるために、更なるマージンがとられることも好ましい。

【0051】

そのような定寸により、ネットワークのＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの情報を適切に分離できるようになる。

【0052】

図５〜図９は、梁の長さが１００ｎｍのステップで４．２ｍｍから５．５μｍへと変化する１４個のＮＥＭＳ共振器のケースを示している。この場合、ｗ＝３００ｎｍであり、ｅ＝１６０ｎｍである。

【0053】

図５は、梁の長さにしたがった無負荷時共振周波数を示している。

【0054】

図６は、対象のＮＥＭＳ共振器（“ＮＥＭＳ＃”）に係る視聴チャネル幅（“チャネル周波数幅”）、すなわち、２つの連続する共振周波数間の差を示している。

【0055】

図７は、各ＮＥＭＳ共振器（“ＮＥＭＳ＃”）の１ゼプトグラム当たりの感度（ヘルツ）を示しており、この場合、ＮＥＭＳ共振器は質量センサとして使用される。

【0056】

図８は、各ＮＥＭＳ共振器（“ＮＥＭＳ＃”）における帯域幅を示しており、帯域幅はＦ^＊／Ｑによって規定され、この場合、Ｆ^＊はＮＥＭＳ共振器の無負荷時共振周波数であり、ＱはＮＥＭＳ共振器の性質係数である。

【0057】

図９は、１４個のＮＥＭＳ共振器のこのネットワークのボード線図、すなわち、周波数に応じたスペクトルの大きさおよびスペクトルの位相である。

【0058】

図１０〜図１４は、梁の長さが６０ｎｍのステップで４．５ｍｍから５．２μｍへと変化する１４個のＮＥＭＳ共振器のケースにおける図５〜図９と同一の図である。この場合、ｗ＝３００ｎｍであり、ｅ＝１６０ｎｍである。

【0059】

ここで、システム１００の機能について説明する。

【0060】

較正作業中、無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎおよび初期位相差ｄΦ_１．．．ｄΦ_Ｎが、例えば、電圧制御発振器１１４によって周波数の間隔を開ループで掃引することによって決定される。その後、これらのデータはメモリ１２０に記録される。

【0061】

機能時、ＮＥＭＳ共振器１０２_ｎを読み取る作業中、選択手段１２２は、その読み取りが必要とされるＮＥＭＳ共振器１０２_ｎに対応する無負荷時共振周波数Ｆ^＊_Ｎおよび初期位相差ｄΦ_Ｎを選択する。その後、開始手段１２４は、これらの値を制御位相ループ１１２に入れて、制御位相ループ１１２をＮＥＭＳ共振器１０２_ｎの共振周波数に固定させるようにする。したがって、一般に約５０μｓの固定時間後、固定周波数ＦがＮＥＭＳ共振器１０２_Ｎの共振周波数に対応する。

【0062】

その後、読み取り作業が他のＮＥＭＳ共振器に関して繰り返され、それにより、ＮＥＭＳ共振器の全てを１つずつ読み取ることができる。

【0063】

その後、その測定値が電気機械共振器の読み取りによって探し求められる物理量が、電気機械共振器の共振周波数および無負荷時共振周波数から、例えばその共振周波数とその無負荷時共振周波数との間の差から決定される。

【0064】

図１５を参照すると、本発明を実施する電気機械測定システム１５００の第２の例は、特にそれが幾つかの読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍを備えるという事実により図１のシステムとは異なり、これらの各読み取りデバイスは、図１の読み取りデバイス１１０と同一であり、それぞれの励振信号ｅ_１．．．ｅ_Ｎを供給するようになっている。各読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍの要素は、読み取りデバイス１１０と同じ参照符号を有するが、それらの要素が属する読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍを示す添え字１．．．Ｍを更に伴っている。

【0065】

また、システム１５００は、ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎの入力１０４_１．．．１０４_Ｎに印加される全励振信号ｅを供給するようになっている励振信号ｅ_１．．．ｅ_Ｍを加算するための手段１５０４も備える。したがって、各読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍの励振信号ｅ_１．．．ｅ_ＭがＭＥＭＳ１０２_１．．．１０２_Ｎの入力１０４_１．．．１０４_Ｎに印加される。

【0066】

また、図１の選択手段１２２は、記録された無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎのそれぞれと記録された初期位相差ｄΦ_１．．．ｄΦ_Ｎのそれぞれとを各読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍごとに選択する選択手段１５０６に取って代えられ、それにより、各手段１２４_１．．．１２４_Ｍは、対応する読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍに関して選択される無負荷時共振周波数および初期位相差での固定を開始することができる。

【0067】

図１５において、各読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍはそのメモリ１２０_１．．．１２０_Ｍを有する。しかしながら、勿論、これらのメモリを全ての読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍに共通の単一のメモリ１２０に置き換えることもできる。

【0068】

したがって、最大でＭ個のＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎを同時に読み取ることができる。

【0069】

ここで、システム１５００の機能について説明する。

【0070】

較正作業中、無負荷時共振周波数Ｆ^＊_１．．．Ｆ^＊_Ｎおよび初期位相差ｄΦ_１．．．ｄΦ_Ｎが、例えば、電圧制御発振器１１４_ｍのうちの１つによって周波数の間隔を開ループで掃引することによって決定される。その後、これらのデータは１または複数のメモリに記録される。

【0071】

機能時、読み取り作業中、選択手段１５０６は、対象の読み取りデバイスによりその読み取りが必要とされるＮＥＭＳ共振器１０２_ｎに対応する無負荷時共振周波数Ｆ^＊_ｎおよび初期位相差ｄΦ_ｎをＭ個の読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍのそれぞれに関して選択する。その後、各読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍの開始手段１２４_１．．．１２４_Ｍは、これらの値を対応する制御位相ループ１１２_１．．．１１２_Ｍに入れて、制御位相ループ１１２_１．．．１１２_ＭのＮＥＭＳ共振器１０２_ｎの共振周波数への関与を確保する。

【0072】

その後、加算手段１５０４が励振信号ｅを供給し、それにより、各ＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎのそれぞれが励振信号ｅ_１．．．ｅ_Ｍを受ける。したがって、その共振周波数が励振信号ｅ_１．．．ｅ_Ｍのうちの１つの周波数に近い各ＮＥＭＳ共振器が大きな出力信号を供給し、他のＮＥＭＳ共振器の出力信号は小さい。

【0073】

したがって、一般に約５０μｓの固定時間後、読み取りデバイス１５０２_１．．．１５０２_Ｍの固定周波数Ｆ_１．．．Ｆ_Ｍは、その読み取りが必要とされるＮＥＭＳ共振器、すなわち、無負荷時共振周波数Ｆ^＊_Ｎおよび初期位相差ｄΦ_Ｎが手段１５０４によって選択されたＮＥＭＳ共振器の共振周波数に対応する。

【0074】

したがって、幾つかのＮＥＭＳ共振器が同時に読み取られる。

【0075】

その後、読み取り作業がネットワークの他のＮＥＭＳ共振器に関して繰り返され、それにより、ＮＥＭＳ共振器の全てをＭのグループを単位として読み取ることができる。

【0076】

その後、物理量が、読み取られた各電気機械共振器の共振周波数および無負荷時共振周波数から、例えば共振周波数と無負荷時共振周波数との間の差から決定される。

【0077】

図１６を参照すると、変形実施形態では、容量性作動およびピエゾ抵抗検出を伴うＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎが容量性作動および容量性検出を伴うＮＥＭＳ共振器に取って代えられてもよい。各ＮＥＭＳ共振器は、２つの電極（それぞれ高電極および低電極と称される）を有するキャパシタと、電極間に配置されて連続的な電位に維持される梁とを備える。高電極が互いに接続され、また、低電極が互いに接続される。励振信号ｅは高電極に印加される電圧であり、一方、出力信号ｓは誘導電流である。

【0078】

図１７を参照すると、変形実施形態では、容量性作動およびピエゾ抵抗検出を伴うＮＥＭＳ共振器１０２_１．．．１０２_Ｎが熱弾性作動およびピエゾ抵抗検出を伴うＮＥＭＳ共振器に取って代えられてもよい。この場合、各ＮＥＭＳ共振器は、２つの端子（それぞれ高端子および低端子と称される）を有する可変抵抗器を備える。高端子が互いに接続され、また、低端子が互いに接続される。励振信号ｅは高端子と低端子との間に印加される電圧であり、一方、出力信号は誘導電流である。

【0079】

図１８を参照すると、本発明を実施する第３の電気機械測定システム１８００は、特にここでは参照符号１８０２が付される読み取りデバイスが幾つかの自動振動ループ１８０３を備えるという事実により図１におけるシステムと異なる。読み取りデバイス１８０２は、特に、全出力信号ｓを受けて、全出力信号ｓからＭ個の数の出力信号ｓ_１．．．ｓ_Ｍを抽出するデマルチプレクサ１８０４を備える。また、デマルチプレクサ１８０４は、抽出された出力信号ｓ_１．．．ｓ_Ｍを解析してそれらの出力信号の共振周波数Ｆ_１．．．Ｆ_Ｍを決定するようになっている。デバイスは、どの信号が抽出されなければならないのかをデマルチプレクサ１８０４に示すようになっている制御手段（図示せず）を備え、これらの信号は、その読み取りが必要とされる電気機械共振器に対応する。デマルチプレクサによる信号の抽出を可能にするために、例えば、読み取りのために選択される各共振器ごとに、対象の共振器の無負荷時共振周波数付近に及ぶ帯域幅に対応し且つメモリ（図示せず）に記録される情報を使用することができる。また、読み取りデバイス１８０２はＭ個の移相器１８０６_１．．．１８０６_Ｍを備え、各移相器は、対応する自動振動ループのためのゼロ入力／出力位相差を得るために、それぞれの抽出された出力信号ｓ^＊_１．．．ｓ^＊_Ｍの位相をずらすようになっている。また、読み取りデバイス１８０２は、抽出された出力信号ｓ^＊_１．．．ｓ^＊_Ｍをそれらの位相がずらされた後に加算してｅ^＊で示される加算信号を供給するようになっているマルチプレクサ１８０８も備える。また、読み取りデバイス１８０２は、加算信号ｅ^＊を受けて励振信号ｅを供給するようになっている増幅器１８１０も備える。したがって、励振信号ｅおよび出力信号ｓは、自動振動に入るための初期時間後、読み取られるべきＭ個の電気機械共振器の共振周波数に対応するＭ個の周波数ピークを備える。

【0080】

ここで、図１９を参照して、第４の電気機械測定システム１９００について説明する。この第４の電気機械測定システム１９００は図１５のシステムとの多くの類似性を有する。特に、第４の電気機械測定システムは、読み取りのために選択される共振器の共振周波数をそれらの無負荷時共振周波数を発端として決定するための幾つかの制御位相ループ回路を使用する。

【0081】

電気機械測定システム１９００は、まず第１に、全体的な参照符号１９０２を有する電気機械共振器のネットワークを備える。記載される例において、電気機械共振器１９０２は、数が５０個であり、図３および図４に示される電気機械共振器と同様である。これらの図の説明で既に示されるように、同じ励振信号ｅおよび同じバイアス信号Ｅが各共振器１９０２に印加される。また、全ての共振器１９０２の出力−図４にｓ_１，ｓ_２，ｓ_３，．．．で示される局所出力信号を有する−が、共通の出力（図４において参照符号４０２を有する）に一緒に接続され、したがって全出力信号ｓを有する。記載される例では、全出力信号ｓがアナログ電圧である。

【0082】

また、電気機械測定システム１９００は、共振器１９０２から選択される１つ以上の共振器を“読み取る”、すなわち、この共振器またはこれらの共振器の共振周波数を決定するようになっている読み取りシステム１９０４も備える。記載される例において、読み取りシステム１９０４は、５つの共振器を同時に読み取るようになっており、このため、５つの制御位相ループ回路を備える。

【0083】

まず第１に、読み取りシステム１９０４はメモリ１９０６を備え、このメモリ内には、共振器１９０２の無負荷時共振周波数が記録される。

【0084】

また、読み取りシステム１９０４は、メモリ１９０６内で、読み取りシステム１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、対象の共振器の無負荷時共振周波数を選択するようになっている選択デバイス１９０８も備える。記載される例では、選択された無負荷時共振周波数がＦｓ（１）．．．Ｆｓ（５）で示される。

【0085】

また、読み取りシステム１９０４は、第１に、選択デバイス１９０８により供給される選択された１または複数の無負荷時共振周波数Ｆｓ（１）．．．Ｆｓ（５）を使用して、また、第２に、ｃｆ（１）．．．ｃｆ（５）で示されて以下で説明されるシステムにより供給される１つ以上の周波数補正を使用して、各共振器１９０２へ、特にその読み取りが必要とされる共振器へ励振信号ｅを供給するようになっている励振システム１９１０も備える。したがって、励振システム１９１０は、選択された１または複数の共振周波数から設定される。

【0086】

また、励振システム１９１０は周波数補正デバイス１９１２も備え、この周波数補正デバイス１９１２は、第１に、選択デバイス１９０８により供給される無負荷時共振周波数Ｆｓ（１）．．．Ｆｓ（５）を使用して、また、第２に、対象の共振器における周波数補正ｃｆ（１）．．．ｃｆ（５）を使用して、読み取りシステム１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、補正された周波数ｆｃ（１）．．．ｆｃ（５）を供給するようになっている。記載される例では、周波数補正デバイス１９１２が加算器である。

【0087】

また、励振システム１９１０は、読み取りシステム１９０４によって読み取られるようになっている各共振器ごとに、対象の共振器のための補正周波数ｆｃ（１）．．．ｆｃ（５）に等しい周波数を有する単一周波数励振信号ｅ（１）．．．ｅ（５）を発生させるようになっている単一周波数信号を発生させるためのデバイス１９１４（１）．．．１９１４（５）も備える。記載される例において、単一周波数信号発生デバイス１９１４（１）．．．１９１４（５）はデジタル制御される発振器である。

【0088】

また、励振システム１９１０は、単一周波数信号発生デバイス１９１４（１）．．．１９１４（５）によって供給される１または複数の励振信号ｅ（１）．．．ｅ（５）をデジタル励振信号ｅ’として加算するようになっている加算器１９１６も備える。

【0089】

また、励振システム１９１０は、デジタル励振信号ｅ’をアナログ励振信号ｅへと変換するようになっているデジタル―アナログ変換器１９１８も備え、アナログ励振信号ｅは各共振器１９０２へ供給される。

【0090】

また、読み取りシステム１９０４は、全出力信号ｓから、読み取りシステム１９０４により読み取られるようになっている各共振器ごとに、周波数補正デバイス１９１２に供給される周波数補正ｃｆ（１）．．．ｃｆ（５）を供給するようになっている補正システム１９２０も備える。

【0091】

補正システム１９２０は、まず第１に、読み取りシステム１９０４により読み取られるようになっている各共振器ごとに、位相差決定デバイス１９２２を備え、この位相差決定デバイス１９２２は、読み取りシステム１９０４により読み取られるようになっている各共振器ごとに、対象の共振器の局所出力信号（図４の参照符号ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３．．．）の位相Ｐｈｉ（１）．．．Ｐｈｉ（５）を決定するようになっている。

【0092】

位相差決定デバイス１９２２は、まず第１に、全出力信号ｓを増幅して増幅全出力信号Ｓを供給するようになっている低雑音増幅器１９２４を備える。

【0093】

また、位相差決定デバイス１９２２は、増幅全出力信号Ｓをデジタル増幅全出力信号Ｓ’へ変換するようになっているアナログ―デジタル変換器１９２６も備える。

【0094】

また、補正システム１９２０はメモリ１９２８も備え、このメモリ１９２８には、読み取りシステム１９０４が読み取るようになっている共振器の数に等しい数に合わせて、周波数ｄｆ１．．．ｄｆ５が記録される。周波数ｄｆ１．．．ｄｆ５は任意に選択される。しかしながら、読み取りシステム１９０４の正確な機能のため、周波数間の差が後述するフィルタ１９３４のカットオフ周波数の少なくとも１０倍に等しくなることが必要である。そのような差は、例えば、フィルタ１９３４の動作周波数帯域内の周波数スペクトルエイリアシングを回避できるようにする。例えば、これらのフィルタのカットオフ周波数が１ｋＨｚである場合には、差が少なくとも１０ｋＨｚである必要がある。記載される例では、記録される周波数が１０ｋＨｚから１００ｋＨｚにまで及ぶ範囲内にある。

【0095】

また、位相差決定デバイス１９２２は、読み取りシステム１９０４により読み取られるようになっている各共振器ごとに、デジタル制御発振器１９３０（１）．．．１９３０（５）も備える。これらの発振器は、メモリ１９２８内に記録されたそれぞれの周波数ｄｆ１．．．ｄｆ５を受けて、いずれも受信周波数ｄｆ１．．．ｄｆ５で互いに直角位相を成す２つの単一周波数信号をそれぞれ供給するようになっている。

【0096】

また、位相差決定デバイス１９２２は、読み取りデバイス１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、信号Ｓ’と直角位相を成す信号を混ぜ合わせるようになっているミキサ１９３２（１）．．．１９３２（５）も備える。

【0097】

また、位相差決定デバイス１９２２は、読み取りデバイス１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、対応するミキサ１９３２（１）．．．１９３２（５）により供給される信号をフィルタ処理するようになっているローパスフィルタ１９３４（１）．．．１９３４（５）も備える。したがって、各ローパスフィルタは、対象の共振器の出力信号（図４では、出力信号に参照符号ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３．．．が付される）を表わす複合信号を供給する。

【0098】

また、位相差決定デバイス１９２２は、読み取りデバイス１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、この共振器に対応する出力信号の位相を決定するようになっている位相計算デバイス１９３６も備える。したがって、記載される例では、位相計算デバイス１９３６がＰｈｉ（１）．．．Ｐｈｉ（５）で示される５つの位相を供給するようになっている。

【0099】

また、補正システム１９２０はメモリ１９３８も備え、このメモリ１９３８には各共振器の無負荷共振時の位相が記録される。

【0100】

また、補正システム１９２０は比較器１９４０も備え、この比較器１９４０は、読み取りデバイス１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、位相決定デバイス１９２２により決定される位相Ｐｈｉ（１）．．．Ｐｈｉ（５）と対象の共振器に関してメモリに記録される無負荷時共振位相とを比較して、比較によりもたらされる位相差ｄ Ｐｈｉ（１）．．．ｄ Ｐｈｉ（５）を供給するようになっている。記載される例では、比較器１９４０が減算器である。

【0101】

また、補正システム１９２０は、サンプリング周波数を減少させるために供給される位相差ｄ Ｐｈｉ（１）．．．ｄ Ｐｈｉ（５）を再サンプリングするようになっているサンプラ１９５０を備え、これにより、サンプラ１９５０の後の計算が簡略化される。記載される例では、位相差ｄ Ｐｈｉ（１）．．．ｄ Ｐｈｉ（５）が１００キロヘルツで再サンプリングされる。これは、ローパスフィルタ１９３４（１）．．．１９３４（５）の不正確さに起因して高いサンプリング周波数が不要だからである。

【0102】

また、補正システム１９２０は、読み取りデバイス１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、１または複数の周波数補正ｃｆ（１）．．．ｃｆ（５）を決定するようになっている補正フィルタ１９５２（１）．．．１９５２（５）も備える。記載される例では、補正フィルタ１９５２（１）．．．１９５２（５）がローパスフィルタである。

【0103】

図１９の実施形態では、共振器のバイアス電位（図４においてＥで示され、図１９においてもＥで示される）がこのとき可変である。したがって、読み取りシステム１９０４は、バイアス電位Ｅを供給するようになっているバイアスシステム１９５４も備える。

【0104】

記載される例において、バイアスシステム１９５４は、第１に、１または複数の補正周波数ｆｃ（１）．．．ｆｃ（５）から、第２に、周波数ｄｆ１．．．ｄｆ５から、全ての共振器１９０２に対して同じバイアス電位Ｅを供給するようになっている。

【0105】

まず第１に、バイアスシステム１９５４は比較器１９５６を備え、この比較器１９５６は、読み取りデバイス１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、対象の共振器に対応する補正周波数と周波数ｄｆ１．．．ｄｆ５とを比較するとともに、オフセット補正周波数と称されてｆｃｄ（１）．．．ｆｃｄ（５）で示されるこの比較結果を供給するようになっている。

【0106】

また、バイアスシステム１９５４は、読み取りシステム１９０４が読み取るようになっている各共振器ごとに、対象の共振器のオフセット補正周波数ｆｃｄ（１）．．．ｆｃｄ（５）に等しい周波数を有する局所バイアス信号Ｅ（１）．．．Ｅ（５）を発生させる発生器１９５８（１）．．．１９５８（５）も備える。

【0107】

また、バイアスシステム１９５４は、１または複数の局所バイアス信号Ｅ（１）．．．Ｅ（５）を加算してデジタル形式のバイアス信号Ｅ’を供給するようになっている加算器１９６０も備える。

【0108】

また、バイアスシステム１９５４は、デジタルバイアス信号Ｅ’を共振器１９０２のそれぞれに印加されるアナログバイアス信号Ｅへと変換するようになっているデジタル―アナログ変換器１９６２も備える。

【0109】

共振器１９０２および低雑音増幅器１９２４を除く前述した全ての要素は、記載される例では、原位置プログラマブルゲートアレイ（フィールドプログラマブルゲートアレイ、すなわち、ＦＰＧＡ）で実施される。

【0110】

なお、読み取りシステム１９０４が幾つかの読み取りデバイス（記載される例では、５つのデバイス）へと分けられてもよく、各読み取りデバイスは、それぞれの励振信号ｅ（１）．．．ｅ（５）を供給することにより共振器を読み取るようになっているとともに、制御位相ループを備える。例えば、第１の読み取りデバイスは、以下の要素、すなわち、１９２４，１９２６，１９３０（１），１９３２（１），１９３４（１），１９３６，１９３８，１９４０，１９５０，１９５２（１），１９０６，１９０８，１９１２，１９１４（１），１９２８，１９５６，１９５８（１），１９６０および１９６２を備える。図１５のシステムの場合と同じようにして、励振信号ｅを供給するために、励振信号ｅ（１）．．．ｅ（５）が加算器１９１６で加算される。

【0111】

ここで、５つの共振器を読み取るための電気機械測定システム１９００の機能の一例について説明する。

【0112】

共振器には、それらの共振周波数がそれらの無負荷時共振周波数からオフセットされるようにストレスがかけられる。

【0113】

読み取りシステム１９０４は、読み取るべき５つの共振器を選択する。

【0114】

選択デバイス１９０８は、選択された５つの共振器の５つの無負荷時共振周波数Ｆｓ（１）．．．Ｆｓ（５）を供給する。

【0115】

読み取りの開始時、周波数補正ｃｆ（１）．．．ｃｆ（５）はゼロである。したがって、補正周波数ｆｃ（１）．．．ｆｃ（５）が無負荷時共振周波数Ｆｓ（１）．．．Ｆｓ（５）に等しく、また、励振信号ｅが読み取られた５つの共振器の５つの無負荷時共振周波数Ｆｓ（１）．．．Ｆｓ（５）を備える。

【0116】

補正システム１９２０は、補正周波数ｆｃ（１）．．．ｆｃ（５）がそれぞれ読み取られた共振器の共振周波数に近づくように周波数補正ｃｆ（１）．．．ｃｆ（５）を決定する。

【0117】

その後、励振システム１９１０は、補正周波数を有する新たな励振信号ｅを供給する。

【0118】

その後、ループは、補正周波数がそれぞれ読み取られた共振器の共振周波数に等しくなるあるいはほぼ等しくなるまで再び続く。記載される例では、この収束が１ミリ秒未満を要する。したがって、１ミリ秒後、読み取りシステム１９０４は、読み取るべき５つの新たな共振器を選択する。したがって、記載される例では、全ての共振器を１０ミリ秒で読み取ることができる。

【0119】

無負荷時共振情報（無負荷時共振周波数または無負荷時共振周波数付近の帯域幅）を使用すると、それが位置される機会が最も多い共振周波数、すなわち、無負荷時共振周波数付近の共振周波数の検索を開始できるようにすることによって読み取りを加速させることができる。したがって、この特徴は、幅広い範囲の周波数にわたる単純な“準連続”走査と比べて利点を有する。

【0120】

また、求められる測定周波数を与える位相差の“自動”検出を伴う制御位相ループに基づく実施形態は有益である。これは、それらの実施形態が特に開ループシステムと比べて測定速度をかなり増大させるからである。

【0121】

また、様々な周波数での読み取りを並行して行なうために幾つかの読み取りデバイスを並行して使用することも読み取り速度を加速させる。

【0122】

前述したような電気機械測定システムによって必要な読み取りデバイスの数および相互接続の複雑さを減らすことができるのは明らかである。

【0123】

また、本発明が前述した実施形態に限定されないことに留意すべきである。実際に、当業者であれば分かるように、当業者にここで開示されてきた教示内容に照らして、様々な改変を前述した実施形態に対して成すことができる。

【0124】

特に、ＮＥＭＳ共振器またはＭＥＭＳ共振器以外の電気機械共振器を使用できる。

【0125】

また、読み取りデバイスの初期化は、その読み取りが必要とされる電気機械共振器の無負荷時共振周波数で行なわれず、電気機械共振器の無負荷時周波数に適応項目を加算する（または減算する）ことによって決定される近い周波数で行なわれてもよい。この適応項目は、例えば、無負荷時共振周波数の経時的なドリフト、または、温度ドリフト、あるいは、図３に記載される電気機械共振器の例の場合には、既に存在する質量に対して加えられる更なる質量の存在を考慮に入れる。

【0126】

また、加算手段は、それ自体知られる電子加算回路によって実施され得る。

【0127】

更に、加算手段は、全ての出力信号を入力として受けて１または複数の読み取りデバイスへ１つの出力として供給するスイッチと置き換えられ得る。選択的に、これらの出力信号のうちの１つ以上は、その読み取りが必要とされる１または複数の電気機械共振器に対応する。以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、この明細書本文で開示される実施形態に特許請求の範囲を限定するように解釈されてはならず、それらの形態に起因して且つその予測が当業者にここで開示されてきた教示内容の実施に対して当業者の一般的な知識を適用する当業者の範囲内に入ることに起因して特許請求の範囲が網羅しようとする全ての等価物を特許請求の範囲内に含むように解釈されなければならない。

【0128】

また、前述した読み取りデバイスの例は閉ループデバイスであるが、開ループ読み取りデバイスを使用することもできる。この場合も、メモリに記録される無負荷時共振周波数の情報により、共振器の共振周波数のより急速な検索を行なうことができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】