2+1マスMEMS共振子による新たなモード制御法の研究と高性能センサーへの適用
| Project/Area Number |
23K23192
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| Project/Area Number (Other) |
22H01924 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
田中 秀治 東北大学, 工学研究科, 教授 (00312611)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
塚本 貴城 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70646413)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
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| Keywords | 共振子 / MEMS / センサー / モード局在化 / 非線形性 |
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| Outline of Research at the Start |
2自由度MEMS共振子のモード制御の方法論として、付加的マスを用いた2+1マスMEMS共振子について研究を行う。理論検討とシミュレーションに基づいてデバイスを試作し、その基礎特性とモード制御性を明らかにする。また、2自由度MEMS共振子のモード制御によって実現できるモード局在化現象についても、その基礎特性を実験的に明らかにし、さらにそのセンシング応用を目指した発展的研究を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本プロジェクトでは、将来の高感度センサーへの応用を目指して、新しいMEMS共振子によるモード局在化現象に関する研究を行う。2自由度MEMS共振子のカップリングばねを極めて弱くすると、2つの固有モードが周波数領域で近接する。ここで外部入力によって対称性が僅かに崩されると、2つの固有モードが結合し、振幅が片方のマスに偏る現象が発生するが、これがモード局在化現象である。
ここでは、モード局在化を構成する2つのモードを、もう1つの自由度を有する共振子の別のモードを介して励振することを目指した。このため、設計要件「2ω1≒ω2≒ω3」がおおよそ満たされるMEMS共振子（2+1マス共振子）をFEMシミュレーションによって設計し、SOI（Silicon on Insulator） MEMSプロセスを用いて試作した。作製した2+1マス共振子を、静電容量検出のためのアナログフロントエンド回路を介してロックイン検出系に接続し、評価した。
各マスを支持するばねに並列挿入されている静電電極にバイアス電圧を印加し、静電引力によって支持ばねのばね定数を変調し、固有振動数を調整した。これによって、加工誤差を調整し、「2ω1≒ω2≒ω3」が満たされるようにした。その結果、最低周波数（ω1）のモードを介して、非線形性によって第2（ω2）と第3（ω3）のモードを励振することができた。また、ω2とω3をバイアス電圧によって微調整することで、モード局在化現象を観察し、振幅比を用いた高感度センサーへの応用可能性を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「2ω1≒ω2≒ω3」を満たすMEMS共振子を設計、試作し、最低周波数（ω1）のモードを介しての非線形性による第2（ω2）・第3（ω3）モードの励振を実証した。これは本研究で実証を目指していた中核課題であり、大きな研究目的が達成できたことになる。
また、モード局在化現象も観察した。これは、共振周波数を微調整すること、対称・反対称モードのエネルギーを制御したことになる。モード局在化現象は、ばね定数を変調するような外乱によって高い振幅比変化を示すが、これは高感度センサーへの応用可能性を示唆する成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の大きな研究目的を達成し、また、モード局在化現象を観察し、高感度センサーへの応用可能性も示した。したがって、モード局在化現象を用いたセンサーの応用について研究を深化させることが、今後の研究の推進方策の1つである。
現状では、静電引力によってモード周波数を調整し、駆動周波数を走査しながら振幅応答をロックインアンプで検出することで、非線形駆動の様子やモード局在化現象を観察しているが、このような方法は高感度センサーには使えない。センシングの方法論を検討する必要もある。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
