(57)【要約】シングルウェルまたはマルチウェルマイクロタイタープレートのそれぞれのウェルの複素インピーダンス（complex impedance ）を計測するインピーダンス計測システム（ＺＭＳ）を提供する。本ＺＭＳは、並列インピーダンス計測チャネルおよび複数のマイクロタイタープレートセンサおよびレファレンスインピーダンスネットワークをチャネルに相互接続するインピーダンス計測チャネルのマルチプレクシングの新規な組み合わせを利用し、それによりインピーダンス計測ドリフトの内部補正、最大化された計測正確性、および最小化されたシステムサイズを可能にする。
2009508112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロタイタープレートのそれぞれのウェルの複素インピーダンスを計測するインピーダンス計測システムであって、前記マイクロタイタープレートウェルは、ロウおよびカラムのアレイ内に形成され、前記マイクロタイタープレートは、上面および下面を有し、前記マイクロタイタープレートは、前記ウェル底部内のセンサ、および前記マイクロタイタープレートの前記下面上のコンタクトパッドを備え、
（１）計測およびマルチプレクシング回路を備える少なくとも１つのドータボードであって、
それぞれのドータボードは、前記マイクロタイタープレート上のウェルの特定のロウに関連付けられ、
前記少なくとも１つのドータボードは、前記マイクロタイタープレートの前記平面に直角な平面内に存在する、ドータボード、
（２）少なくとも１つのトップコンタクトボードであって、
それぞれのトップコンタクトボードアセンブリは、特定のロウ内の特定のウェルに関連付けられたセンサおよび前記ロウに関連付けられた前記ドータボードの間に相互接続手段を提供し、
前記少なくとも１つのトップコンタクトボードは、前記マイクロタイタープレートの前記平面に平行な平面内に、前記少なくとも１つのドータボードより上に、かつ前記マイクロタイタープレートより下に存在する、トップコンタクトボード、
（３）信号発生および信号処理回路を備えるマザーボードであって、
前記マザーボードは、前記マイクロタイタープレートの前記平面に平行な平面内に、前記少なくとも１つのドータボードより下に存在する、マザーボード、
（４）前記少なくとも１つのプリント回路基板アセンブリおよび前記マイクロタイタープレートコンタクトパッドの間の電気的接続のための手段を提供するセルプレートコンタクトアレイ、
（５）熱制御手段、および
（６）少なくとも３つの抵抗・容量ネットワークを備えるシステムインピーダンスドリフト補償のための手段
を備えるインピーダンス計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記マイクロタイタープレートは、８ロウおよび１２カラムのアレイで構成された９６ウェルを有するインピーダンス計測システム。
【請求項３】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記少なくとも１つのトップコンタクトボードは、コンタクトプリント回路基板アセンブリであるインピーダンス計測システム。
【請求項４】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記少なくとも１つのプリントトップコンタクトボードは、３ｍｍより上で４ｍｍより下の厚さを有するインピーダンス計測システム。
【請求項５】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記少なくとも１つのプリント回路基板アセンブリは、前記少なくとも１つのドータボードを５本の線を介してインタフェースするインピーダンス計測システム。
【請求項６】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記熱制御のための手段は、デフレクタボードおよび少なくとも１つの熱源を備えるインピーダンス計測システム。
【請求項７】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記熱制御のための手段は、前記システム温度を±１．５℃内に制御できるインピーダンス計測システム。
【請求項８】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記熱制御のための手段は、前記システム温度を±１．０℃内に制御できるインピーダンス計測システム。
【請求項９】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記システムインピーダンスドリフト補償のための手段は、４つの抵抗・容量ネットワークを備えるインピーダンス計測システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のインピーダンス計測システムであって、前記３つの抵抗・容量ネットワークは、セルを持つマイクロタイターウェルセンサに等しいインピーダンス値を持つレファレンスネットワーク、前記レファレンスネットワークより上のインピーダンス特性を持つＲ・Ｃネットワーク、および前記レファレンスネットワークより下のインピーダンス特性を持つＲ・Ｃネットワークを備えるインピーダンス計測システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のインピーダンス計測システムであって、データアクセスおよびシステム制御のための外部インタフェース手段をさらに備えるインピーダンス計測システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記外部インタフェース手段は、機器制御コンピュータであるインピーダンス計測システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記外部インタフェース手段は、外部記憶装置であるインピーダンス計測システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載のインピーダンス計測システムであって、前記外部インタフェース手段は、前記インピーダンス計測システムとＵＳＢシリアルケーブルを介してインタフェースするインピーダンス計測システム。
【請求項１５】
マイクロタイタープレートのそれぞれのウェルの複素インピーダンスを計測するインピーダンス計測システムであって、前記マイクロタイタープレートウェルは、ロウおよびカラムのアレイ内に形成され、前記マイクロタイタープレートは、上面および下面を有し、前記マイクロタイタープレートは、前記マイクロタイタープレートの前記下面上のコンタクトパッドを備え、
（１）計測およびマルチプレクシング回路を備える少なくとも１つのドータボードであって、
それぞれのドータボードは、前記マイクロタイタープレート上のウェルの特定のロウに関連付けられ、
前記少なくとも１つのドータボードは、前記マイクロタイタープレートの前記平面に直角な平面内に存在する、ドータボード、
（２）少なくとも１つのトップコンタクトボードアセンブリであって、
それぞれのトップコンタクトボードアセンブリは、特定のカラム内の特定のウェルに関連付けられたセンサおよび前記カラムに関連付けられた前記ドータボードの間に相互接続手段を提供し、
前記少なくとも１つのトップコンタクトボードは、前記マイクロタイタープレートの前記平面に平行な平面内に、前記少なくとも１つのドータボードより上に、かつ前記マイクロタイタープレートより下に存在する、トップコンタクトボード、
（３）信号発生および信号処理回路を備えるマザーボードであって、
前記マザーボードは、前記マイクロタイタープレートの前記平面に平行な平面内に、前記少なくとも１つのドータボードより下に存在する、マザーボード、
（４）前記少なくとも１つのプリント回路基板アセンブリおよび前記マイクロタイタープレートコンタクトパッドの間の電気的接続のための手段を提供するセルプレートコンタクトアレイ、
（５）熱制御手段、および
（６）少なくとも３つの抵抗・容量ネットワークを備えるシステムインピーダンスドリフト補償のための手段
を備えるインピーダンス計測システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記マイクロタイタープレートは、８ロウおよび１２カラムのアレイで構成された９６ウェルを有するインピーダンス計測システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記少なくとも１つのトップコンタクトボードは、コンタクトプリント回路基板アセンブリであるインピーダンス計測システム。
【請求項１８】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記少なくとも１つのプリントトップコンタクトボードは、３ｍｍより上で４ｍｍより下の厚さを有するインピーダンス計測システム。
【請求項１９】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記少なくとも１つのプリント回路基板アセンブリは、前記少なくとも１つのドータボードを５本の線を介してインタフェースするインピーダンス計測システム。
【請求項２０】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記熱制御のための手段は、デフレクタボードおよび少なくとも１つの熱源を備えるインピーダンス計測システム。
【請求項２１】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記熱制御のための手段は、前記システム温度を±１．５℃内に制御できるインピーダンス計測システム。
【請求項２２】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記熱制御のための手段は、前記システム温度を±１．０℃内に制御できるインピーダンス計測システム。
【請求項２３】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記システムインピーダンスドリフト補償のための手段は、４つの抵抗・容量ネットワークを備えるインピーダンス計測システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のインピーダンス計測システムであって、前記３つの抵抗・容量ネットワークは、（１）セルを持つマイクロタイターウェルセンサに等しいインピーダンス値を持つレファレンスネットワーク、（２）前記レファレンスネットワークより上のインピーダンス特性を持つＲ・Ｃネットワーク、および（３）前記レファレンスネットワークより下のインピーダンス特性を持つＲ・Ｃネットワークを備えるインピーダンス計測システム。
【請求項２５】
請求項１５に記載のインピーダンス計測システムであって、データアクセスおよびシステム制御のための外部インタフェース手段をさらに備えるインピーダンス計測システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記外部インタフェース手段は、機器制御コンピュータであるインピーダンス計測システム。
【請求項２７】
請求項２５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記外部インタフェース手段は、外部記憶装置であるインピーダンス計測システム。
【請求項２８】
請求項２５に記載のインピーダンス計測システムであって、前記外部インタフェース手段は、前記インピーダンス計測システムとＵＳＢシリアルケーブルを介してインタフェースするインピーダンス計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組み込み内部計測ドリフト補償ネットワークを持つインピーダンス計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術は、大規模な並列処理、高い同時サンプリングを持つインピーダンス計測システム、および複数のマイクロタイタープレートセンサをインピーダンス計測チャネルに相互接続する手段を提供する点で新規である。本技術は、温度変化または部品エージングによるインピーダンス計測ドリフトの内部補償のための方法も含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本技術は、シングルウェルまたはマルチウェルマイクロタイタープレートのそれぞれのウェルの複素インピーダンス（complex impedance ）を計測するインピーダンス計測システム（ＺＭＳ）を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このＺＭＳは、並列インピーダンス計測チャネルおよび複数のマイクロタイタープレートセンサおよびレファレンスインピーダンスネットワークをチャネルに相互接続するインピーダンス計測チャネルのマルチプレクシングの新規な組み合わせを利用し、それによりインピーダンス計測ドリフトの内部補正、最大化された計測正確性、および最小化されたシステムサイズを可能にする。このシステムは、自己完結型で、温度的に制御され、ウェル励起（excitation）および計測を提供し、計測データが外部ホストコンピュータに記憶または通信されることを可能にする。本システムは、可変期間、単一または複数の周波数、およびさまざまな計測速度のインピーダンス計測のために用いられえる。さらにこのＺＭＳは、必要とされる反復性において必要とされるスループットを得るために並列処理を採用し、新規な較正、セルフチェック、および稼働中の補償スキームを組み込むとともに、温度ドリフトに対して改良された計測正確性および安定性を確保するために内部温度制御を取り入れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
構成要素
インピーダンス計測システムのある実施形態において、マイクロタイタープレート上のセンサ群のそれぞれのロウは、単一のドータボード上の計測回路（アナログ信号条件回路、マルチプレクシング回路、アナログ・ディジタル変換器、およびディジタルシグナルプロセッサ）によってアドレスされる。それぞれのセンサの相互接続は、マイクロタイタープレートの特定のロウ中の特定のウェルから、関連付けられたドータボードへと、トップコンタクトプリント基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）を通してなされ、この基板アセンブリが全てのセンサ信号を伝える。それぞれのドータボードは、１つ以上の計測チャネルがロウ中のそれぞれのウェルについてのセンサをアドレスできるようにするマルチプレクシング回路を有する。
【０００６】
ある実施形態において、ＰＣＢＡは、ＰＣＢＡの絶縁基板上に直接に導電性トレースを形成するために、導電性インクまたはエポキシの堆積を通じて作られたコンタクトプリント基板アセンブリである。銀、金、プラチナ、および／または炭素粒子を含む導電性インク（DupontおよびAcheson のような会社からのもののような）は、この目的のために用いられるものとして典型的である。代替の回路基板の実施形態は、写真食刻（基板から絶縁体を除去するためにフォトマスクおよび化学エッチングを利用する）またはＰＣＢミリング（基板から絶縁体を摩砕するために機械的ミリングシステムを利用する）を通じて作られたＰＣＢＡを利用する。インピーダンス計測システム内では、トップコンタクトＰＣＢＡは、マイクロタイタープレートに平行に、その直下に位置し、いっぽうドータボードは、マイクロタイタープレートの平面に直角である。水平マザーボードは、ドータボードの下に配置される。
【０００７】
セルプレートコンタクトアレイは、マイクロタイターセルプレートの下側上のコンタクトパッドおよびＰＣＢＡの上部表面と接するコンタクトアレイ上に配置されたバネ荷重されたピン（ＰｏｇｏピンＴＭ）を介してトップコンタクトＰＣＢＡおよびマイクロタイタープレートの間に電気的接続を提供する。コンタクトパッドは、金、銀、ニッケル、錫、または銅のような導電性金属でメッキされている。
【０００８】
トップコンタクト基板は、ドータボードおよびマイクロタイタープレートセンサの間の接続を提供し、それと共にセルプレートのこぼれからＺＭＳシステムを保護する液体バリアとして働く。トップコンタクト基板は、セルプレートコンタクトアレイのスプリングコンタクトピンによって発生される接触力に抗して構造的な支持を提供するために充分に厚い。ある実施形態においては、ＰＣＢＡの厚さは、２ｍｍから５ｍｍの範囲内にある。他の実施形態においては、ＰＣＢＡの厚さは、３ｍｍから４ｍｍの範囲内にある。さらに他の実施形態においてはＰＣＢＡの厚さは３．２ｍｍである。さらにＰＣＢＡは、電磁適合性（ＥＭＣ）遮蔽機能および内部グランドプレーンを含みえる。
【０００９】
トップコンタクトＰＣＢＡは、それぞれのセンサについて電流検出抵抗を含む。これら抵抗の機能は、さらなる信号処理のために、それぞれのセンサを通して流れる電流を電圧に変換することである。この信号は、センサ電流信号と呼ばれる。トップコンタクト基板は、「５線」インタフェースまたはケルビン接続を介してドータボードと接し、ここで接点はセンサ電圧および電流信号を伝えて、計測誤差を低減する。
【００１０】
ドータボードは、ウェルのロウを駆動および処理する電子部品を搭載する。１つのドータボードがマイクロタイタープレートのそれぞれのロウに割り当てられる。ある実施形態においては、ドータボードの上部端には、ウェルドライバのロウおよびロウ内でのウェル選択のためのマルチプレクシングする電界効果トランジスタ（つまりＦＥＴ。信号スイッチングまたは増幅のためによく用いられるトランジスタの種類）のインタレースされたセットが備えられる。ＦＥＴをドータボードの上部に配置することは、上部コンタクトおよびセルプレートコンタクトアレイを介したウェル電極への、大きくないインピーダンスをもつ短く均一な接続パスを提供する。さらにボードの下方には、電流（Ｉ）チャネルについて調節可能なゲインを提供するためにプログラム可能な増幅器が配置されえ、それによりアナログからディジタルへの変換が大きなビットロスを受けないことが確実にされる。ディジタル・アナログ変換器は、アナログ・ディジタル変換器入力がコモンモードレンジ上で中央に位置することを確実にするために、電流チャネルにＤＣオフセット補正を提供するのに用いられえる。さらに、ドータボードは、複数のアナログ・ディジタル変換器（電圧チャネルについて１つ、および電流チャネルについて１つを含む）、ディジタル制御回路（例えばディジタルシグナルプロセッサ、メモリデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、および／または電気的にプログラマブルなロジックデバイス）、および電圧調整回路を備えられえる。ある実施形態において、これらの追加の要素は、アナログ部の下で、その側部に配置される。マイクロタイタープレートロウについてのインピーダンスデータは、それぞれのロウに専用の、ドータボード上に配置されたディジタルシグナルプロセッサによって処理される。
【００１１】
ＺＭＳは、温度均一性のためにデフレクタボードも含みえる。このデフレクタボードは、外側のＺＭＳドータボードについてのエアフローおよび局所的加熱環境が、内側のボードについてのそれと類似することを確実にする。ある実施形態において、デフレクタボードは、熱制御を助けるのに加えられた局所的熱源を有する。さらなる実施形態においては、この熱源は、デフレクタボードの後ろで別個のデフレクタ上に配置される。デフレクタボードは、ＺＭＳボードスタックのための物理的支持も提供する。デフレクタボードは、ドータボードと同じ接続構成を有するが、デフレクタボードおよびマザーボードにネジ留めされた（かつさらには、ＰＣＢＡまたは上部コンタクトボードにネジ留めされえる）さらなるマウントブラケットを有する。
【００１２】
ＺＭＳドータボードは、それらの最下端においてマザーボードと噛み合わされる。マザーボードは、ディジタル信号源、励起ローパスフィルタリング（excitation low pass filtering ）、管理処理、ＲＯＭ／ＲＡＭ、ホストデータ通信を含むさまざまな電気要素および機能を収め、筐体温度を制御しえる。マザーボードは、特定の時間および周波数において、マイクロタイタープレートの全てのウェルのインピーダンス計測データを処理し、その結果をシステムコントローラへ通信する。
【００１３】
電気的パフォーマンスは、ドータボードアセンブリがトップコンタクトボードに密に結合され、回路がなるべく緊密に構成されて維持されることを要求する。トップコンタクトボードは、コンタクトアレイと正確な物理的関係に維持されなければならず、ボードアセンブリについてのレファレンスポイントである。トップコンタクトボードおよびトップコンタクトアレイは、配置構成によって、トッププレート上の位置付けバーへアラインされる。
【００１４】
トップコンタクトボードは、トッププレートによって周辺で支持される。結合された流体封止および電磁気的適合性ガスケットがボードおよびプレートの間で用いられる。ある実施形態においてはフルボードスタックが、トップコンタクトボードおよびマザーボード間に機械的接続を提供するデフレクタボードを介して、ＰＣＢＡボードからつり下げられ、ＺＭＳ構造の基部または側部からの機械的支持の必要をなくし、ボードからボードへの接続に関する異なる熱膨張の問題をなくす。メインＺＭＳシャシは、熱制御熱交換機の突出部を囲み、内部および外部エアフローの両方を制御するバッフルを提供する、「Ｕ」形に折られた外側シェルによって作られる。トッププレート、フロントおよびリアカバーは、ある実施形態ではシート鋼で作られる。さらなる実施形態においてこれら構造物は、ケース、薄板圧延鋼、アルミニウム、またはステンレス鋼の任意の組み合わせから作られえる。
【００１５】
この物理的構成および電気的構成は、マイクロタイタープレートセンサを計測回路に接続することに関連付けられた電気的パス長および浮遊インピーダンスを最小化することによって、インピーダンス計測の正確性を最大化する。最小化されたパス長は、位相および利得トラッキングも最適化し、ノイズに対するイミュニティを最大化する。
【００１６】
この物理的構成は、必要とされる機械的支持の個数を最小化し、他の設計に関連付けられた主要な熱膨張問題をなくす。本構成は、インピーダンス計測システムのサイズを最小化し、それによってより効率的な内部パッケージ化および電子要素の熱安定性（低減された対流による）を可能にする。最小化されたパス長は、位相および利得トラッキングも最適化し、ノイズに対するイミュニティを最大化する。
【００１７】
さらなる実施形態においては、ボードのシステム構成は同じままで、マイクロタイタープレート上において、センサのそれぞれのロウではなく、センサのそれぞれのカラムが、単一のドータボード上の計測回路によってアドレスされる。
【００１８】
機能要素
当該ドメイン（ウェル個数、周波数、および時間によって特徴付けられる）中のそれぞれのインピーダンスデータについて、それぞれのウェルは、正弦波状に変化する電圧波で励起され、そのウェルにわたって結果として生じる電圧およびそのウェルを通る電流が計測される。時間軸で特定の点において、プレート上の全てのウェルが、同じ周波数および位相の正弦波によって励起されることによって、ウェル相互作用および相互変調（「逓倍」、つまりシステムを通して伝搬される他の周波数による、システムの非線形要素中のある周波数の増幅）のリスクを最小化する。
【００１９】
ディジタル的に発生される「正弦波」信号源
正弦波励起信号は、マザーボード上に配置された高速直接ディジタルシンセサイザによって作られる。ある実施形態においてはこのシンセサイザは、２５６ＭＨｚのクロック周波数で走る。代替の周波数は、５０ＭＨｚから４００ＭＨｚまでの任意の周波数を含み、適当なフィルタリングおよび互換性のあるシンセサイザ装置が用いられる。高い周波数においては、１サイクルあたりの点の個数は減らされ、ここで点の個数は、マスタクロックおよび駆動周波数の比によって支配され、より高い周波数が望ましい。
【００２０】
正弦ローパスフィルタ
ディジタル的に発生された正弦波は、ローパスフィルタを通され、高い周波数における時間ステップ制限および低い周波数における振幅解像度制限から生じる階段ステップ（振幅における急激な増加）を低減する。ローパスフィルタリングは、マザーボード上で起こり、それぞれ周波数レンジの１／３（ログスケールで）をカバーする３つのフィルタ群で達成される。時間軸上の与えられた点において用いられるフィルタバンクの選別は、出力ディセーブル（高インピーダンス、Ｚ）機能を持つ増幅器によって選択される。４つのカスケード接続された１次ステージがそれぞれのフィルタ群において用いられる。このアプローチは、安定性を最大化し、整定時間を最小化するよう選ばれている。それぞれのフィルタ群は、その周波数レンジの高端において出力の６ｄｂ未満の低下を示すが、ディジタイズされた正弦波の最低階段ステップ周波数成分について４０ｄｂ減衰を提供し、その結果は非常にクリーンで立ち上がりのよい正弦波源である。
【００２１】
ウェルドライバ／バッファアレイ
直接ディジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）フィルタ群の出力は、ドライバアレイによってバッファリングされる。マスタバッファは、ロウドライバのセットを駆動する（ドータボードあたり１つ）。このロウドライバは、個々のウェルドライバ（ドータボードあたり１６）をそれぞれ駆動する。それぞれのウェル駆動は、耐短絡、定インピーダンス、固定出力の電圧源である。このアプローチは、それぞれのウェルを隔離し、駆動信号がウェルに密に結合されることを可能にし、それによって長い駆動ケーブルが用いられたら引き起こされる位相シフトを防ぐ。駆動電流は、１００ｍＡ自乗平均根（ＲＭＳ）に制限される。駆動電圧は、２ボルトピーク・トゥ・ピークの上限を有する。実際のウェル駆動は、大きな歪みを生じることなく信号レベルを最大化するために、１００ｍＶピーク・トゥ・ピークのオーダーである。
【００２２】
励起
それぞれのウェルは、ステップ化スイープ（単一の周波数のバースト群の一連であって、それぞれの選択された周波数について１バースト）が加えられる。このバーストは、サイクルの整数値からなる。ある実施形態ではサイクルの個数は、典型的には１５である。さらなる実施形態についてのサイクルの個数は、ウェルおよびゲインマルチプレクサスイッチングの遷移が整定し、必要な個数のサンプル点を得るのに充分なように選ばれる。予備的なモデリングおよび試験から、充分なサンプルを得るためには、全ての周波数についてウェルあたり６８．２ｍｓより長くは必要とされない。ロウあたり１２ウェルに加えて４つのレファレンスネットワークチャネルを持つ９６ウェルプレートのある実施形態については、充分なサンプルを決定するための計算は、１０９１ｍｓの計測期間を示唆し、ターゲットの１．５秒のアップデート期間内でのマルチプレクサのスイッチングおよび信号整定のために４０９ｍｓが残される。
【００２３】
オフセット調整を持つプログラム可能な電流利得ステージ
プログラム可能な電流利得ステージは、２の１倍から６４倍の利得を提供する。このステージの利得帯域は、周波数レンジに合わされる。利得選択は、電流パス中のカスケード接続された利得ステージのフィードバックパス中のマルチプレクサを介してである。ゲインマルチプレクサは、最適な位相トラッキングを保持するために電圧パス内で繰り返される。残留位相および利得誤差は、レファレンス抵抗／容量ネットワークのスキャンごとの計測から、ディジタルシグナルプロセッサ内の線形補正技術によって低減される。オフセット調整は、電流をステージ加算ノードに注入することによって達成される。この電流は、アナログ・ディジタル変換器ＡＤＣに与えられる信号がＡＣコモンモード電圧について中心となることを確実にために、ソフトウェア制御のもとでディジタル・アナログ変換器によって作られる。オフセット調整要件の重要性は、より高い電流検出「シャント」抵抗値を採用することによって低減されている。
【００２４】
利得／位相およびＤＣオフセット補償は、要素ごとのバラツキとともに、要素中のドリフトを補正する「調整なしの」設計を提供する。
高速クリッパ
利得スイッチングおよびウェル選択のあいだ、ゼロクロス電圧点が選択されたとしても、遷移現象が発生する。この遷移の振幅は、高速制限増幅器によってクリップされ、アナログ・ディジタル変換器がその線形入力限界の外にならないことを確実にする。
【００２５】
差動アナログ・ディジタル変換器ドライバ
バッファ／差動ドライバは、アナログ・ディジタル変換器コモンモード電圧について中央にされた相補的信号を提供する。
【００２６】
アナログ・ディジタル変換器
高速、高解像度ＡＤＣがそれぞれの電流および電圧チャネルについて用いられる。ＡＤＣは、１４ビット、毎秒６０メガサンプルで高速かつ高正確性を提供する（特にｎのいくつかの状況で予期される、より低い電流値において）。最低ドリフトを確実にするために、ＡＤＣは、余分なサンプルをもって一定高クロックレートで動作し、それからフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または電気的にプログラマブルなロジックデバイス（ＥＰＬＤ）によって廃棄される。ＦＰＧＡまたはＥＰＬＤは、マザーおよびドータボードの両方上で用いられ、一般的な管理の仕事をおこない、励起周波数発生およびデータ獲得に関連する特定の高速機能もおこなう。
【００２７】
マザーボードおよびドータボードのための代表的なディジタル回路がそれぞれ図２および図３に示される。
それぞれのウェルを通る電流およびそれぞれのウェルにわたる電圧は、スケーリングされ、ディジタル値に変換され、計測チャネルを介して記憶装置または関連するコンピュータに伝送される。電流および電圧チャネルの信号レベルおよびトポロジの両方を注意深く整合させることで、特に高い周波数における優れた位相トラッキングが確実とされる。オンボード較正チャネルは、残留位相および利得誤差を最小化するために参照される。
【００２８】
データおよび制御インタフェース
組み込まれた機器制御コンピュータは、ＺＭＳのためのデータおよび制御の外部インタフェースである。このインタフェースは、約５０００データポイント毎秒の予期されるデータレートを処理できなければならない。ある実施形態においてはこのシリアルリンクは、ＵＳＢ１．１によって提供される。ＵＳＢは、ＺＭＳおよび外部コンピュータ間で直接に可能なインタフェースをサポートする。代替のインタフェースは、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＲＳ−４８５、またはファイヤワイヤを含む。
【００２９】
内部較正
本ＺＭＳは、較正、セルフチェック、動作中補償、およびドリフト補償を提供する。ユニットの較正は、「較正プレート」上の精密較正抵抗ネットワークを計測すること、および内部レファレンスネットワークを補正することによって実行される。セルフチェックは、内部レファレンスネットワーク上で設定された規定の周波数にわたってＺＭＳを動作させ、結果を記憶された工場較正値と比較することによって実行される。セルフテストについて、ＺＭＳは、較正ファクタを適用せずに、全てのレファレンスＲＣネットワーク上でステップ化されたスイープを実行する。この結果は、機器コンピュータからダウンロードされた値のセットと比較される。記憶された値は、製造時に確立される。スイープから返された結果は、記憶された値によって設定された範囲内になければならない。
【００３０】
動作中自動補償は、追加のウェルとして扱われるレファレンスチャネルとして高安定性ＲＣネットワークを含むこと、およびレファレンスデータセットから導かれた補償をウェルデータセットに適用することによって実行される。動作中補償について、３つの精密ＲＣネットワークがシステム中に含まれる。ある実施形態においては、３つの精密ＲＣネットワークが含まれる。代替の実施形態は、４つのレファレンスネットワークを含む。さらなる実施形態は、３より大きい任意の個数のものを含みえる。主レファレンスネットワークは、セルを持つウェルの総合特性に合うよう設定された値を有する。他のネットワークは、システムの非線形性のチェックおよび補償を可能にするために、主ネットワークのより上および下の両方のインピーダンス特性を提供する値を有する。これらのネットワークは、ＺＭＳの自己試験の特徴とともにも用いられる。
【００３１】
ドリフト補償は、それぞれの周波数および電流利得設定のために要求されるＤＣ基本オフセット、利得、および位相補正ファクタを決定するために、それぞれの動作（run ）の開始において、較正ネットワークおよびウェル上でステップ化されたスイープを実行することによって達成される。ロウあたりのスキャン期間のあいだ、ＺＭＳは、ステップ化されたスイープをレファレンスＲＣネットワーク上で実行する。動作開始時の値から得られた値からの任意の変化は、ウェルの結果に適用されるべきドリフト補償を決定するために用いられる。較正ネットワークを動作開始値に持ってくるのに必要とされる補償ファクタは、ウェル結果に適用され、エージングおよび要素ごとのバラツキを含む、温度効果および他の可能なドリフト効果を大きく低減する。任意の動作にわたる安定性および精密性は、おもにレファレンスＲＣネットワークによって決定される。
【００３２】
熱制御
自己較正および動作中補償ネットワークによって提供される温度補償に加えて、ＺＭＳは、安定して制御された熱環境を必要とする。ＺＭＳの正確性および反復可能性の望ましいレートを達成するためには、±１．５℃内の温度制御が必要である。さらなる実施形態においては、温度制御は、±１．０℃内でなければならない。さらに他の実施形態においては、温度制御は、±０．５℃内でなければならない。
【００３３】
ＺＭＳ熱制御システムは、ＺＭＳ加熱によって発生された廃熱を除去することで、熱交換機で総空気温度および勾配の最適動作温度モニタリングを維持し、表面漏れ電流を生む汚染物質の累積を防止するために、空間温度均一性の能力を提供するよう、高流量の強制空気循環システムを含む。
【００３４】
ＺＭＳ熱制御システムは、増幅器装置を妥当な温度に保つことで、ノイズを低減し、要素の信頼性を改良するために、ドータボードにわたって非常に高い線形空気速度を維持する。熱制御システムは、２つの部分からなるスキームを用いてこれを達成する。ＺＭＳ回路ボードの周りの封止された内部空気容量は、ボードおよび内部熱交換機表面の間で、高速で空気を再循環する。発生された熱は、雰囲気温度の空気を外部熱交換機表面にわたって吹き付ける外部ファンによってそれから除去される。制御スキームは、開ループ制御として雰囲気空気温度の変化を補償するために、外部ファン速度の粗い制御を利用する。正確な内部空気温度は、熱交換機または他の内部表面上にマウントされた加熱器（または加熱器群）で熱を加えることによって維持される。これは、精密な閉ループ線形制御である。ＺＭＳについての温度制御要素は、ＺＭＳそれ自身の内部またはシステムの外部のいずれに配置されてもよい。
【００３５】
ＺＭＳ熱制御システムは、図４に示される。
結論
上記は本装置の可能な実施形態の完全な記載ではあるが、さまざまな代替物、改変物、および等価物が用いられえる。上述の記載は、本装置の例示的な実施形態に過ぎないと考えられるべきであり、その境界は、以下の特許請求の範囲の境界によって適切に定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】インピーダンス計測システム（ＺＭＳ）の実施形態の全体構造を示す図である。
【図２】インピーダンス計測システム（ＺＭＳ）のためのマザーボードの実施形態を示す図である。
【図３】インピーダンス計測システム（ＺＭＳ）のためのドータボードの実施形態を示す図である。
【図４】インピーダンス計測システム（ＺＭＳ）のための熱制御スキームの実施形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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