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図面 (17)

課題・解決手段

少なくとも1つの機械的共振器と、共振器を駆動するための励起要素と、共振器の運動監視するためのセンサと、励起要素と監視する要素との間のフィードバックにおける少なくとも1つの位相ロックループPLL)であって、各PLLは、共振器の異なる共振モードにおいてまたはその近傍において動作するように構成される、PLLと、共振器周波数偏移を示すPLL内部信号から情報を判定するためのプロセッサとを含む、1つ以上の機械的共振器を制御し、共振器の挙動共振偏移から情報を判定するためのシステムおよび方法。

概要

背景

SMRは、流体中に懸濁された物質の急速特性評価を必要とする、医療および工業用途における使用を開発している。いくつかのSMR用途のための増加した自動化および高スループット要件は、SMR用の振動制御ならびに共振偏移検出のための改良型技法から利益を享受し得る。

概要

少なくとも1つの機械的共振器と、共振器を駆動するための励起要素と、共振器の運動監視するためのセンサと、励起要素と監視する要素との間のフィードバックにおける少なくとも1つの位相ロックループPLL)であって、各PLLは、共振器の異なる共振モードにおいてまたはその近傍において動作するように構成される、PLLと、共振器周波数偏移を示すPLL内部信号から情報を判定するためのプロセッサとを含む、1つ以上の機械的共振器を制御し、共振器の挙動の共振偏移から情報を判定するためのシステムおよび方法。

目的

複数の振動モードにおいて単一のデバイス上の複数の機械的共振器もしくは単一の共振器を使用することは、着目測定のための向上したスループットおよび/または追加機能性を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

1つ以上の機械的共振器を制御し、前記共振器挙動から情報を判定するためのシステムであって、前記システムは、少なくとも1つの機械的共振器と、前記共振器を駆動するための励起要素と、前記共振器の運動監視するためのセンサと、前記励起要素と監視する要素との間のフィードバックにおける少なくとも1つの位相ロックループPLL)であって、各PLLは、前記共振器の異なる共振モードにおいてまたはその近傍において動作するように構成されている、PLLと、共振器周波数偏移を示すPLL内部信号から情報を判定するためのプロセッサとを備える、システム。

請求項2

前記PLLは、デジタル論理実装されている、請求項1に記載のシステム。

請求項3

前記PLLは、フィールドプログラマブルゲートアレイFPGA)上に実装されている、請求項2に記載のシステム。

請求項4

各PLLの伝達関数は、形状および帯域幅を含む、所望の特性のために構成可能である、請求項2に記載のシステム。

請求項5

前記システムは、前記共振器上の運搬された物質の存在に起因する、共振偏移から1次元質量分布を判定するように構成されている、請求項4に記載のシステム。

請求項6

共振器のアレイは、ともに動作させられる、請求項1に記載のシステム。

請求項7

前記アレイサイズは、1つ以上の共振器、10個以上の共振器、または50個以上の共振器のうちの1つである、請求項6に記載のシステム。

請求項8

前記共振器の共振周波数は、少なくとも2kHzだけ分離される、請求項6に記載のシステム。

請求項9

前記共振器周波数は、30kHz〜10MHzである、請求項6に記載のシステム。

請求項10

共振器寸法は、長さが10ミクロン〜1000ミクロン、断面が1〜100ミクロンに及ぶ、請求項6に記載のシステム。

請求項11

1つ以上の機械的共振器を制御し、前記共振器の挙動から情報を判定するための方法であって、前記方法は、励起要素を用いて前記共振器を駆動することと、前記共振器の運動を感知することと、前記励起要素と監視する要素との間のフィードバックにおける少なくとも1つの位相ロックループ(PLL)を動作させることであって、各PLLは、前記共振器の異なる共振モードにおいてまたはその近傍において動作するように構成されている、ことと、共振器周波数偏移を示すPLL内部信号から情報を判定することとを含む、方法。

請求項12

前記PLLは、デジタル論理で実装されている、請求項11に記載の方法。

請求項13

前記PLLは、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)上に実装されている、請求項12に記載の方法。

請求項14

形状および帯域幅を含む所望の特性のために、各PLLの伝達関数を構成することを含む、請求項12に記載の方法。

請求項15

前記共振器上の運搬された物質の存在に起因する、共振偏移から1次元質量分布を判定することを含む、請求項14に記載の方法。

請求項16

共振器のアレイは、ともに動作させられる、請求項11に記載の方法。

請求項17

前記アレイサイズは、1つ以上の共振器、10個以上の共振器、または50個以上の共振器のうちの1つである、請求項16に記載の方法。

請求項18

前記共振器の共振周波数は、少なくとも2kHzだけ分離される、請求項16に記載の方法。

請求項19

前記共振器周波数は、30kHz〜10MHzである、請求項16に記載の方法。

請求項20

共振器寸法は、長さが10ミクロン〜1000ミクロン、断面が1〜100ミクロンに及ぶ、請求項16に記載の方法。

請求項21

前記機械的共振器は、懸垂共振器である、請求項1に記載のシステム。

請求項22

前記懸垂共振器は、固定端および遊離端を伴うカンチレバー共振器、または少なくとも2つの取付領域を伴う膜共振器のうちの少なくとも1つである、請求項21に記載のシステム。

請求項23

前記懸垂共振器は、流体チャネル担持する、請求項22に記載のシステム。

請求項24

前記システムは、前記流体チャネル内で懸濁粒子流動させるための流体制御要素を含み、前記共振偏移から判定される前記情報は、前記粒子の質量および位置を含む、請求項23に記載のシステム。

請求項25

前記機械的共振器は、懸垂共振器である、請求項11に記載の方法。

請求項26

前記懸垂共振器は、固定端および遊離端を伴うカンチレバー共振器、または少なくとも2つの取付領域を伴う膜共振器のうちの少なくとも1つである、請求項25に記載の方法。

請求項27

前記懸垂共振器は、流体チャネルを担持する、請求項26に記載の方法。

請求項28

前記流体チャネル内で懸濁粒子を流動させることを含み、前記共振偏移から判定される前記情報は、前記粒子の質量および位置を含む、請求項27に記載の方法。

技術分野

0001

(関連出願への相互参照
本出願は、2014年10月28日に出願された米国仮出願第62/069,793号に対して優先権を主張する。上記文献は、その全体として参照することによって援用される。

0002

背景
本願は、共振器の制御された振動に関し、具体的には、懸垂マイクロチャネル共振器(SMR)のデジタル的に実装された位相ロックループPLL)制御に関する。

背景技術

0003

SMRは、流体中に懸濁された物質の急速特性評価を必要とする、医療および工業用途における使用を開発している。いくつかのSMR用途のための増加した自動化および高スループット要件は、SMR用の振動制御ならびに共振偏移検出のための改良型技法から利益を享受し得る。

課題を解決するための手段

0004

いくつかの実施形態では、1つ以上のSMRを動作させるための制御システムおよび方法は、SMR振動および共振偏移検出の精密な適合した制御を可能にする、SMRシステムの励起要素運動感知要素との間のフィードバックループとして動作する、デジタル的に実装されたPLLを含む。

0005

いくつかの実施形態では、少なくとも1つの機械的共振器と、共振器を駆動するための励起要素と、共振器の運動を監視するためのセンサと、励起要素と監視する要素との間のフィードバックにおける少なくとも1つの位相ロックループ(PLL)であって、各PLLは、共振器の異なる共振モードにおいてまたはその近傍において動作するように構成される、PLLと、共振器周波数偏移を示すPLL内部信号から情報を判定するためのプロセッサとを含む、1つ以上の機械的共振器を制御し、共振器の挙動から情報を判定するためのシステムが提供され得る。

0006

いくつかの実施形態では、励起要素を用いて共振器を駆動することと、共振器の運動を感知することと、励起要素と監視する要素との間のフィードバックにおける少なくとも1つの位相ロックループ(PLL)を動作させることであって、各PLLは、共振器の異なる共振モードにおいてまたはその近傍において動作するように構成される、ことと、共振器周波数偏移を示すPLL内部信号から情報を判定することとを含む、1つ以上の機械的共振器を制御し、共振器の挙動から情報を判定するための方法が提供され得る。

0007

いくつかの実施形態では、PLLは、デジタル論理で実装されてもよい。

0008

いくつかの実施形態では、PLLは、フィールドプログラマブルゲートアレイFPGA)上に実装されてもよい。

0009

いくつかの実施形態では、各共振器−PLLフィードバックループの伝達関数は、形状および帯域幅を含む所望の特性のために構成可能であってもよい。

0010

いくつかの実施形態では、本システムは、共振器上の運搬された物質の存在に起因する、共振偏移から1次元質量分布を判定するように構成されてもよい。

0011

いくつかの実施形態では、共振器のアレイは、ともに動作させられてもよい。

0012

いくつかの実施形態では、アレイサイズは、1つ以上の共振器、10個以上の共振器、または50個以上の共振器のうちの1つであってもよい。

0013

いくつかの実施形態では、共振器の共振周波数は、少なくとも2kHzだけ分離されてもよい。

0014

いくつかの実施形態では、共振器周波数は、30kHz〜10MHzであってもよい。

0015

いくつかの実施形態では、共振器寸法は、長さが10ミクロン〜1000ミクロン、断面が1〜100ミクロンに及ぶ。

0016

いくつかの実施形態では、機械的共振器は、懸垂共振器であってもよい。

0017

いくつかの実施形態では、懸垂共振器は、固定端および遊離端を伴うカンチレバー共振器、または少なくとも2つの取付領域を伴う膜共振器のうちの少なくとも1つであってもよい。

0018

いくつかの実施形態では、懸垂共振器は、流体チャネル担持してもよい。

0019

いくつかの実施形態では、本システムは、流体チャネル内で懸濁粒子流動させるための流体制御要素を含んでもよく、共振偏移から判定される情報は、粒子の質量および位置を含む。

0020

本明細書で提供される実施形態の側面および利点は、添付図面と合わせて以下の発明を実施するための形態を参照して説明される。図面の全体を通して、参照番号は、参照された要素の間の対応を示すために再利用され得る。図面は、本明細書に説明される例示的実施形態を図示するように提供され、本開示の範囲を限定することを意図していない。

図面の簡単な説明

0021

図1は、例証的実施形態の簡略化された概略図である。
図2は、例証的実施形態による、PLLおよび共振器の線形位相モデルを示す。
図3は、例証的実施形態による、PLLのデジタル実装のブロック図である。
図4は、例証的実施形態による、SMRの最初の4つの共振の振幅および位相を示す。
図5は、例証的実施形態による、最初の4つのモードの予期および測定された閉ループ応答を示す。
図6は、例証的実施形態による、測定された周波数波形のSMRレイアウトおよび部分を示す。
図7は、例証的実施形態による、懸垂流体チャネル共振器のアレイのための離間共振周波数の説明図である。
図8aおよび8bは、例証的実施形態による、多くのカンチレバーを動作させるための例示的光学およびピエゾ抵抗設定を示す。
図9は、例証的実施形態による、例示的システム実装FPGAの概略図を示す。
図10aおよび10bは、例証的実施形態による、SMRを通過する単一の150nm金ナノ粒子からの4つのモードにおける周波数ならびに位置信号を示す。
図11aおよび11bは、例証的実施形態による、SMRを通過する2つのナノ粒子の4つのモードにおける周波数ならびに位置信号を示す。
図12は、例証的実施形態による、12カンチレバーSMRアレイから測定された周波数信号を示す。
図13は、例証的方法フローチャートである。
図14a、14b、および14cは、種々の懸垂共振器特性描写する。

実施例

0022

(詳細な説明)
概して説明される、本開示の側面は、構造、チャネル、およびある場合にはアクチュエータのための微細スケール微細加工技法を使用して生産される、共振器に関する。微細加工は、ガラス、金属、プラスチック、およびシリコンならびにシリコン誘導体等の結晶性材料等の材料上のパターン化エッチング堆積注入、および関連プロセスを含んでもよい。ドライバ、PLL、ならびに他の要素は、同様に特定用途向け回路上に加工され得る、および/または任意の組み合わせにおいて離散構成要素で構成され得る、抵抗器コンデンサトランジスタ論理要素、および同等物を含む、電気構成要素から作製された電子回路を含んでもよい。

0023

本明細書に説明される1つ以上の実施形態は、懸垂共振器技術に基づいて高スループット並列または直列測定システムの設計を可能にする、共振器の十分に制御された作動および検出アレイを提供してもよい。

0024

本明細書に説明される1つ以上の実施形態は、懸垂共振器のための制御信号の精密な成形を提供してもよい。

0025

ある場合には、懸垂マイクロまたはナノチャネル共振器(SMR、SNR、本明細書では同義的に使用される)として公知である、流体チャネルを担持する機械的共振器が、共振器を通過する物体の質量等の性質を測定するために望ましくあり得る。種々の流体チャネル共振器が、本明細書に添付される、組み込まれた参考文献で説明される。これらのデバイスは、概して、物体が振動している共振器に沿って通過する、流体デバイスを含んでもよい。オブジェクトが共振器に沿って移動すると、共振周波数が変化し、物体の質量等の性質の測定を可能にする。そのような共振器は、細胞または他の粒子の性質を分析するために使用されてもよい。

0026

マイクロおよびナノ機械的共振器は、それらの高品質係数および極小サイズに起因して、微弱力、電場または磁場、および質量変化等の外部摂動に極めて敏感である。1つ以上の振動モードにおいてそのような共振器の振動周波数を監視することは、これらのわずかな摂動を検出して定量化するための技法である。複数の振動モードにおいて単一のデバイス上の複数の機械的共振器もしくは単一の共振器を使用することは、着目測定のための向上したスループットおよび/または追加機能性を提供する。細胞の成長速度を測定するための共振器のアレイは、本願と共同所有され、参照することによって組み込まれる、米国特許第9,134,295号で説明される。制御可能な帯域幅を伴う拡張可能な高精度技法が、同時に振動して多数の共振を監視するために望ましくあり得る。

0027

共振器システムは、ある場合には、動作のために自励式ループを利用してもよい。共振器の運動が増幅され、遅延させられ、励起信号としてフィードバックされる、自励式ループは、常にその共振周波数において共振器を振動させ続け、高い帯域幅測定を提供する。しかしながら、単一の合計出力、例えば、共振器の複数のモードを用いて、複数の共振に適用されるとき、雑音を最小限にし、共振周波数を精密に測定するために望ましくあり得る、個々のモードのための位相偏移および振動振幅を最適化することが困難であり得る。したがって、複数の共振において持続振動を達成することは、各共振の運動の検出、各共振信号の独立処理、および共振の同時励起を必要とし得る。これは、単一の共振器のための複数の共振モードを観察するため、または共通励起を伴う複数の共振器からの共振モードを観察するため、もしくは2つの組み合わせのいずれかのために有利であり得る。

0028

複数のモードを制御することは、各共振のための専用位相ロックループ(PLL)1を割り当てることによって達成され得る(図1)。最高精度に関して、PLL利得パラメータは、(閉ループ内の)共振器(1)−PLL(2)システムが、共振周波数の変化への所望の応答を有するように設定され、例えば、バターワース型応答のためパラメータが、表1に挙げられる。本アプローチは、所望の位数および帯域幅における恣意的伝達関数(チェビシェフ、楕円ベッセル等)、または所望の形状および帯域幅を伴う任意の伝達関数を達成するために使用されることができる。一般に、所望の周波数まで比較的平坦であるようにPLLの伝達関数を設定し、着目連続周波数、すなわち、他の共振器周波数または他のモード周波数の間の急速ロールオフを設定することが望ましくあり得る。しかしながら、他の伝達関数も着目され得る。

0029

表1:帯域幅βを伴うn次バターワース型応答のための最適なPLLパラメータ

0030

閉ループ伝達関数を設計するために、その共振周波数の周囲の調和振動子位相領域伝達関数が導出され、一般的共振器−PLLシステムの伝達関数を計算するために使用される(図2)。次いで、所望の帯域幅βおよび位数nを伴うバターワースフィルタに共振器−PLLシステムを単純化する、PLLパラメータ(表1)が計算される。所望の位数および帯域幅のための必要PLLパラメータは、対応する共振および所望の測定帯域幅時間定数τ(周波数および品質係数関数)に依存する。

0031

本技法の望ましい側面は、拡張可能性である。アナログPLLシステムは、概して、容易に拡張されないが、例示的PLLは、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)上にデジタル的に実装されてもよい(図3)。したがって、最大N個のPLLが、1つのPLLを実装することと同様の努力で実装され得、Nは、FPGAの論理要素および他のリソースの数に依存する。2つの例示的実装では、Altera Cyclone IV FPGAおよびAltera Stratix IV FPGAが使用され、それぞれ、N=12ならびにN=62を生じた。より大型のFPGAは、何百もの共振器の同時測定を可能にし得る。

0032

乗算器として実装される位相誤差検出器を含む、例証的PLL要素が実装されてもよく、その後に、可変速度変化係数を伴う2次カスケードインテグレータコムCIC)低域フィルタが続く。CICフィルタは、デジタル論理で表すことが非常に効率的であり、したがって、多くのPLLが単一のFPGA上で適合できることを確実にすることに役立つ。CIC出力は、入力信号の振幅ではなく位相誤差のみを表すように、(ロックイン増幅器と類似する様式において機内で計算される)入力信号規模に対して正規化される。次いで、本位相誤差信号は、2次区分SOS)双2次フィルタの構成可能なセットを通過させられ、次いで、数値制御発振器NCO)の周波数の比例および積分制御の両方に使用されてもよい。次いで、NCO出力は、駆動電子機器に渡される前に、恣意的位相によって偏移させられる。本位相偏移は、共振器の振動振幅を最大限にする、またはループに存在する雑音を最小限にするように選定されてもよい。出力はまた、選定された振幅において共振器を駆動するように恣意的に再拡張されることができる。

0033

PLLパラメータ(CICフィルタ速度、SOSフィルタパラメータ、比例利得、積分利得、位相偏移、駆動振幅)は、必ずしもFPGAコードにハードコード化されるわけではないが、オンFPGA CPU(ここではAlteraからのNIOS IIプロセッサとして実装される)によって読み取られるとともに書き込まれることもできる。本実施形態では、CPUが、データが記憶および分析されることができる、PCまたは他のコンピュータデバイスとのイーサネット登録商標ベース通信のためのソケットを開く。PCはまた、オンFPGA CPUがこれらの制御パラメータオンザフライで変更することを要求することもできる。

0034

FPGAとPCとの間の通信は、TCP(パラメータ値を設定する)およびUDP(FPGAから周波数データを受信するPC)を介して、イーサネット(登録商標)を経由し得る。本実施例では、毎秒100,000を上回る32ビット周波数値が、いかなる損失データも伴わずに送信され得、デルタ符号化のような方式を介した周波数データのさらなる圧縮が、本帯域幅を増加させ得る。

0035

PCがPLLパラメータを制御することができるため、共振器システムの伝達関数が測定され、共振が検出されてQが計算され、次いで、PLLパラメータが、各共振器のための任意の恣意的伝達関数を取得するよう自動的に設定される(例えば、固定帯域幅までの平坦な周波数応答を伴って、全ての共振器が同等に挙動することを所望し得る)ように、設定プロセス全体が容易に自動化されることができる。

0036

アナログ/デジタルおよびデジタル/アナログ変換が、本実施例では14ビット変換器を用いて100MHzにおいて行われる。例示的システムは、理論上、最大50MHzであるが、実際にはおそらく25MHzを下回る共振のために適用可能である。唯一の要件としては、共振器信号が(光学レバー、ピエゾ抵抗器、または容量センサを含む、種々の手段のうちのいずれかによって)電気信号に変換されることができ、FPGAからの電気駆動信号が、(圧電静電気、熱、磁気作動を含む、種々の手段のうちのいずれかによって)共振器上の駆動力に変換されることができる。

0037

例示的制御システムは、2つの方法で、すなわち、第1に、同時に複数のモードで懸垂ナノチャネル共振器(SR)を使用して、第2に、単一のチップ上で12個の懸垂マイクロチャネル共振器(SMR)のアレイにおいて、試験された。SNRは、ナノ粒子の重量を量るために以前から利用されている統合流体チャネルを伴う高品質係数カンチレバーである。吸着によって動作する質量センサと異なり、SNRは、溶液中の流動粒子の重量を量る。各粒子は、SNR内の粒子浮力質量および流路の関数である、周波数変調信号を生成する。したがって、SNR内のナノ粒子の位置および質量をリアルタイムで監視することは、同時に複数のモードを振動させるだけではなく、広い帯域幅および高い精度でそうすることを必要とし得る。

0038

例示的デジタル制御システムは、同時に4つのPLLを用いて、フィードバックにおいてSNRで試験された。最も低い4つのモード周波数が測定され、所望の1次伝達関数図5)を達成するようにPLL係数(表1)を計算するための対応するQ係数図4)が測定された。次いで、100および150nm金ナノ粒子が、モード振動周波数図6)を記録しながらSNRを通して流動させられる。SNRを通過するナノ粒子から観察される信号は、理論によって予測されるものと非常に良く合致し、例示的PLLアレイが、各モードの共振周波数の高帯域幅、低雑音、および低歪曲の測定を提供することを示す。本システムが高度に拡張可能であるため、本同一アプローチは、異なる周波数において複数の共振を伴う任意のシステムに適用されることができる。

0039

例示的制御システムの第2の試験は、異なる共振周波数(図7)を用いて共振器のアレイを動作させることであった。共振器は、単一のアクチュエータ(ここでは、チップの下に配置された単一の圧電セラミック)が共振器の全てを振動させるために使用され、単一の検出器(本実施形態では、光検出器4)が共振器の位置の全ての重畳を受信する(図8a)ように構成される。共振器の流体チャネルは、任意の所望のパターン(直列、並列等)で構成されてもよいが、ここでは直列に接続された。ここで議論される試験では、12個のカンチレバーが、流体的に並列に接続されたが、並行して同時に測定されて振動させられた。したがって、図9は、一連の細胞および粒子が、次々に各カンチレバーを通って連続的に流動する、12個全てのカンチレバーの周波数応答を示す。図8bに示されるように、いくつかの実施形態では、ピエゾ抵抗運動読出システムが、読出機構として採用されてもよい。

0040

8aおよび8bの両方では、全ての共振器からの位置信号は、単一の物理的(電圧)信号に合体される。8aに示される例示的実施形態では、単一の光源(4)が、同時に(ここでは隣り合って配列される[2])アレイ内の全ての共振器を照射するために使用される。反射光は、全ての共振器位置信号の重畳を効果的に測定する、単一の光検出器に向かって方向転換される。同様に、8bに示される例示的実施形態では、多くの共振器ピエゾ抵抗器が、最初に、(示されるように)直列に、または並列に、もしくはそれらの合計抵抗が個々の共振器ピエゾ抵抗器の抵抗のほぼ線形結合である、任意の配列で組み合わせられる。本複合抵抗は、ホイートストンブリッジ(5)の1つの縁として使用され、次いで、増幅されて、3bにおける光学信号に類似する信号、すなわち、全ての共振器の位置信号の重畳を生じる。次いで、FPGA上のPLLのアレイは、(全て異なる周波数にあるため)各共振器の周波数信号を個別に変調し、各PLLは、その対応する共振の共振周波数における正弦波駆動信号を生成する。PLL出力は、集合的にFPGA上で合計され、次いで、単一のアクチュエータ、本実施形態では、圧電セラミックを駆動するために使用されるが、静電または光学励起方法も含み得る。

0041

本明細書および組み込まれた参考文献で説明される共振器は、従来の計装を用いて測定することが困難であり得る、個々の粒子または他の物体の測定のために設計されてもよい。したがって、共振器は、概して、十分に小型であるため、マイクロ電子機械的システム(MEMS)微細加工技法を用いて作製される。本明細書に説明される実施形態に好適な機械的共振器は、検出可能な標的粒子のタイプに好適な寸法の種類に分類される。例示的種類は、大型、中型、および小型規模におけるデバイスを含み、これらの種類の3つ全てが、カンチレバーアレイで、および/または多重モード動作のために使用されてもよい。

0042

大型(LSMR):
a.カンチレバー断面が、典型的には、約19×57μmであり、内部チャネルは、15×20μmである。
b.200〜500μmの典型的長さ
c.約0.1pg程度の検出可能な質量であるが、典型的には、5〜500pgの浮力質量を伴う酵母または哺乳類細菌を検出するためにこれらを使用する。

0043

中型(mSMR):
a.カンチレバー断面が、典型的には、約4×19μmであり、内部チャネルが、3×5μmである。
b.100〜400μmの典型的長さ
c.典型的には、0.5fg〜500fgの浮力質量を伴う細菌を検出するために使用される、約0.2fg程度の検出可能な質量

0044

小型(懸垂ナノチャネル共振器またはSNR):
a.カンチレバー断面が、典型的には、1×5μmであり、内部チャネルが、0.4×1μmである。
b.20〜200μmの典型的長さ
c.約5〜10agの最小検出可能質量。ナノ粒子(ウイルス、DNAオリガミタンパク質凝集体リポソーム等)を検出するために使用される。

0045

分かり得るように、寸法は、長さ1〜1000ミクロンおよび断面1〜100ミクロンの範囲を網羅する。シリコンおよび/または他の微細加工可能材料で実装される、これらのサイズは、数十キロヘルツ最大数メガヘルツの範囲内の共振周波数につながる。微細加工技法の改良は、より高い共振周波数において動作する、さらに小型でより敏感な測定を提供し得るが、電子機器の改良もまた、より速いPLL動作を可能にするであろう。したがって、本明細書で開示される技法は、現在の性能測定基準によって限定的であることを意図しないが、例示的種類は、本用途が、容易に行われない、または多くの場合、他の分析技法では可能ではない、測定を含むことを示す。

0046

本明細書で開示される技法は、上記のように、共振器のアレイならびに単一の共振器に好適であり、共振器のアレイが、共通励起および/または信号検出のある組み合わせを用いて動作させられる場合に望ましくあり得る。図7に示されるように、アレイ内の個々の共振器は、異なる長さまたは断面を伴って加工されてもよく、各共振器のための異なる共振周波数を生じる。図7は、カンチレバーが長さ350〜450μmに及ぶ、12カンチレバーアレイ内の全ての共振器の合計のための伝達関数を示す。本配列に関して、図8に示されるように、示されるような共通アクチュエータ2を用いてアレイを励起させ、共通検出器4または5を用いて共振器の移動を観察することが便宜的であり得る。本配列では、励起および検出器信号は、それぞれ、アレイ内の各共振器の共振周波数に適合された中心周波数および通過帯域を伴う伝達関数とともに、図9に示されるような個々のPLL1を用いて、フィードバックしてもよい。共振周波数の間隔が、各共振器内の着目質量の通過に起因する、共振周波数の変化に適応するために十分に広く選定される場合には、本システムは、たとえその共振周波数が急速に変化していたとしても(例えば、粒子が共振器上のチャネルを通過する)、全ての共振器が常にその共振周波数において振動していることを確実にすることができる。

0047

共振器アレイシステムのいくつかの実施例は、共振器あたり約100〜1000Hz、したがって、少なくとも約2kHzの間隔という測定帯域幅目標となり、保守的な現在の設計は、図7に示されるように約30kHzである。

0048

標的共振器数:単一のチップ上に最大12個のカンチレバーを伴う例示的設計が試験されており、チップ上に40個のカンチレバーを伴う設計が加工されている。100個以上のカンチレバーが、現在の加工およびFPGA実装PLL制御を用いて可能である。

0049

同時に測定される複数の共振器モードからの周波数信号を使用して、共振器を通って流動する質点の位置を推定することができる。図10aは、単一の150nm金ナノ粒子が共振器を通って流動するにつれて、長さ200ミクロンの懸垂ナノチャネル共振器の最初の4つの屈曲モードのための共振周波数信号を示す。図10bは、粒子位置を推定するために本周波数情報を使用する能力を実証する(ここでは、粒子がカンチレバーの先端まで流動し、次いで、カンチレバーの基部に戻る)。

0050

図11aおよび11bは、複数のモードを使用することによって、たとえ同時に共振器を装填する複数の質点があったとしても、複数のモードを使用して分解され得ることを実証する。実施例A(11a)およびB(11b)は、2つのナノ粒子がほぼ同時にSNRナノチャネルを通過するが、それらの位置および質量が精密に推定されることができる(中央パネル、下パネルでは概略的に示される)、2つの別個の事例である。

0051

図12は、単一のチップ上に配列された12個のSMRから共振周波数データを同時に獲得するPLLアレイの能力を実証する。周波数信号は、各共振器から直接比較可能であるように、周波数(Hz)から質量(pg、1ピコグラム=10−12g)への変換後に示されている。各下向きのスパイクは、アレイ内のSMRを通過する単一の細胞である。ここで採用されるアレイでは、SMRは、流体的に直列に接続され、したがって、各後続のSMRは、わずかに後の時点であるが、前のSMRとほぼ同一の信号を測定する。

0052

図13は、方法の実施形態のフローチャートである。ステップ1301は、流体チャネルを担持する少なくとも1つの機械的共振器を通して流体を流動させることを含み、ステップ1302は、励起要素を用いて共振器を駆動することを含み、ステップ1303は、共振器の運動を感知することを含み、ステップ1304は、励起要素と監視する要素との間のフィードバックにおける少なくとも1つの位相ロックループ(PLL)を動作させることを含み、各PLLは、共振器の異なる共振屈曲モードにおいてまたはその近傍において動作するように構成されてもよく、ステップ1305は、粒子の質量および位置に起因する共振器周波数偏移を示すPLL内部信号から、共振器上のチャネルを通って流動する粒子の位置および質量を判定することを含む。

0053

ここまで説明された例証的実施形態は、流体チャネルを担持する懸垂共振器を参照してきたが、開示される技法は、好適な駆動および運動感知要素を伴う任意の機械的共振器に適用可能である。懸垂共振器、具体的には、そのような共振器のアレイは、これらの制御技法から利益を享受し得る。図14aに示されるように、懸垂共振器2は、すでに説明されたような固定端および遊離端を伴うカンチレバーの形態を成してもよい、または2つ(図14a)もしくはそれを上回る(図14b)取付領域において懸垂される、懸垂膜共振器2の形態を成してもよい。そのような懸垂共振器は、上記で説明されるように流体チャネルを担持してもよい、もしくは中実であり得る、および/または非流体チャネルサンプルホルダ吸着部位トラップ、もしくは着目物質を運搬する他の手段を有してもよい。好適な共振器のための流体チャネル内で流動する粒子、吸着された粒子、またはその他を含む、これらの共振器によって運搬される物質は、共振器の共振挙動に影響を及ぼすであろう。運搬された物質の存在に起因する共振偏移を測定することは、運搬された物質の性質についての情報を提供し得る。運搬された物質についての質量および位置情報は、一実施例である。他の効果が、共振器の共振挙動に影響を及ぼし得る。それらの構成に応じて、共振器は、力、電場および磁場、温度変化、ならびに他の効果に敏感であり得、これらのうちのいずれかが、好適に構成された共振器の共振偏移を引き起こし得る。本明細書に説明される制御技法は、共振偏移を引き起こす効果に起因する、共振器の挙動の任意の測定から利益を享受し得る。

0054

本明細書に説明される実施形態は、例示である。修正再配列代用プロセス等が、これらの実施形態に行われ、依然として本明細書に記載される本教示内に包含され得る。本明細書に説明されるステップ、プロセス、または方法のうちの1つ以上は、好適にプログラムされる、1つ以上の処理および/またはデジタルデバイスによって実行されてもよい。

0055

実施形態に応じて、本明細書に説明される実施形態のうちのいずれかのある行為、事象、または機能は、異なる順序で行われることができ、追加され、合併され、または完全に除外されることができる(例えば、全ての説明される行為または事象が、実施形態の実践のために必要なわけではない)。また、ある実施形態では、行為または事象は、連続的ではなく、例えば、マルチスレッド処理割り込み処理、または複数のプロセッサもしくはプロセッサコア、または他の並列アーキテクチャを通して、同時に行われることができる。

0056

本明細書に開示される実施形態に関連して説明される種々の例証的論理ブロックモジュールアナログ電子機器、および方法ステップは、電子ハードウェアコンピュータソフトウェア、または両方の組み合わせとして実装されることができる。ハードウェアおよびソフトウェアの本互換性を明確に例証するために、種々の例証的構成要素、ブロック、モジュール、およびステップが、概して、それらの機能性に関して上記で説明されている。そのような機能性がハードウェアまたはソフトウェアとして実装されるかどうかは、全体的システムに課される特定の適用および設計制約に依存する。説明される機能性は、各特定の用途のために様々な方法で実装されることができるが、そのような実装決定は、本開示の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈されるべきではない。

0057

本明細書で開示される実施形態に関連して説明される種々の例証的論理ブロックおよびモジュールは、具体的命令を伴って構成されるプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、離散ゲートもしくはトランジスタ論理、離散ハードウェア構成要素、または本明細書に説明される機能を果たすように設計されるそれらの任意の組み合わせ等の機械によって、実装または実施されることができる。プロセッサは、マイクロプロセッサであり得るが、代替案では、プロセッサは、コントローラマイクロコントローラ、または状態機械、同部品の組み合わせ、もしくは同等物であり得る。プロセッサはまた、コンピュータデバイスの組み合わせ、例えば、DSPおよびマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと併せた1つ以上のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装されることもできる。例えば、「PC」として識別されるデバイスに割り付けられる機能は、離散メモリチップ、マイクロプロセッサ内のメモリの一部、フラッシュEPROM、または他のタイプのメモリ、もしくはコンピュータデバイスを使用して実装されてもよい。

0058

本明細書で開示される実施形態に関連して説明される、方法、プロセス、またはアルゴリズムの要素は、直接的にハードウェアで、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで、または2つの組み合わせで具現化されることができる。ソフトウェアモジュールは、RAMメモリフラッシュメモリROMメモリ、EPROMメモリ、EEPROMメモリレジスタハードディスクリムーバブルディスクCD−ROM、または当技術分野で公知である任意の他の形態のコンピュータ可読記憶媒体内常駐することができる。例示的記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、情報を記憶媒体に書き込むことができる、プロセッサに結合されることができる。代替案では、記憶媒体は、プロセッサと一体的であり得る。プロセッサおよび記憶媒体は、ASIC内に常駐することができる。ソフトウェアモジュールは、ハードウェアプロセッサコンピュータ実行可能命令を実行させる、コンピュータ実行可能命令を備えることができる。

0059

とりわけ、「can(〜することができ)」、「might(し得る)」、「may(〜してもよい)」、「e.g.(例えば)」、および同等物等の本明細書で使用される条件語は、別様に具体的に記述されない限り、または使用される文脈内において別様に理解されない限り、概して、ある実施形態が、ある特徴、要素、および/または状態を含む一方で、他の実施形態が、それを含まないことを伝えることを意図している。したがって、そのような条件語は、概して、特徴、要素、および/または状態が、何らかの点において、1つ以上の実施形態に要求される、または1つ以上の実施形態が、必然的に、作者の入力またはプロンプトの有無を問わず、これらの特徴、要素、および/または状態が含まれるか、もしくは任意の特定の実施形態で行われるものであるかどうかを決定するための論理を含むことを示唆することを意図していない。用語「comprising(〜を備える)」、「including(〜を含む)」、「having(〜を有する)」、「involving(〜を伴う)」、および同等物は、同義語であり、制約しない様式で包括的に使用され、付加的要素、特徴、行為、動作等を除外しない。また、用語「or(または)」は、例えば、要素のリストを接続するために使用されるときに、用語「or(または)」が、リストの中の要素のうちの1つ、いくつか、もしくは全てを意味するように、(その排他的な意味ではなく)その包括的な意味で使用される。

0060

「X、Y、またはZのうちの少なくとも1つ」という語句等の離接語は、別様に具体的に記記述されない限り、項目、用語等が、X、Y、もしくはZのいずれか一方、またはそれらの任意の組み合わせ(例えば、X、Y、および/またはZ)であり得ることを提示するために一般的に使用されるものとして、文脈とともに別様に理解される。したがって、そのような離接語は、概して、少なくとも1つのX、少なくとも1つのY、または少なくとも1つのZがそれぞれ存在することを、ある実施形態が要求することを示唆するように意図しておらず、かつ示唆するべきではない。

0061

用語「about(約)」または「approximate(およそ)」および同等物は、同義語であり、用語によって修飾される値が、範囲が±20%、±15%、±10%、±5%、もしくは±1%であり得る、それと関連付けられる理解された範囲を有することを示すために使用される。用語「substantially(実質的に)」は、結果(例えば、測定値)が標的値に近いことを示すために使用され、「近い」とは、例えば、結果が値の80%以内、値の90%以内、値の95%以内、または値の99%以内であることを意味することができる。

0062

別様に明示的に記述されない限り、「a」および「an」等の詞は、概して、1つ以上の説明される項目を含むと解釈されるべきである。したがって、「〜するように構成されるデバイス」等の語句は、1つ以上の記載されるデバイスを含むことを意図している。そのような1つ以上の記載されるデバイスはまた、記述された列挙を実行するように集合的に構成されることもできる。例えば、「列挙A、B、およびCを実行するように構成される1つのプロセッサ」は、列挙BおよびCを実行するように構成される第2のプロセッサと連動する、列挙Aを実行するように構成される第1のプロセッサを含むことができる。

0063

上記の発明を実施するための形態は、例証的実施形態に適用されるような新規特徴を図示、説明、および指摘しているが、図示されるデバイスまたはアルゴリズムの形態および詳細の種々の省略、代用、ならびに変更が、本開示の精神から逸脱することなく、行なわれ得ることが理解されるであろう。認識されるであろうように、本明細書に説明されるある実施形態は、いくつかの特徴が他の特徴とは別個に使用または実践され得るため、本明細書に記載される特徴および利点の全てを提供しない形態内で具現化されることができる。請求項の均等物の意味および範囲内にある全変更は、その範囲内に包含されるものとする。

0064

以下の参考文献は、参照することによってそれらの全体として組み込まれる。

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