2023 Fiscal Year Research-status Report
アンダーサンプリングと相関処理を利用した超高感度フルディジタルQCMの開発
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22K04144
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
今池 健 日本大学, 理工学部, 准教授 (10548093)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菅野 翔太 日本大学, 理工学部, 助手 (70875062)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ＱＣＭ / ディジタルダウンコンバージョン / 相関処理 / ＡＤＣ / 水晶発振器 / 瞬時周波数計測 / 位相雑音 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水晶振動子の共振周波数変化を利用して電極上に付着した物質の質量を数ナノグラムから数ピコグラムで検出可能なQCM（Quartz Crystal Microbalances：水晶振動子微量秤）は安価なセンサとして近年多く利用されている．QCMのさらなる高感度化が実現できれば，数ppbまたは数pptといった極めて希薄な大気中の汚染物質測定や毒性ガス漏洩の検出等の用途に応用でき，環境モニタリングコストの大幅な削減が期待できる．
令和5年度は前年度に引き続き次世代QCMである全ディジタル位相検出型QCM（FDPD-QCM）の更なる高感度化について研究を実施した．FDPD-QCMの性能は，QCMセンサから得られる信号を取り込むADコンバータ（ADC）によって決まるため，高分解能で低雑音なADCを使用することが有効である．しかしQCMの信号周波数帯となる数MHz～数百MHzの信号に対応したADCでは，実効的な振幅分解能が12ビット程度にまで低下するため，周波数雑音が重畳されFDPD-QCMの周波数測定精度が劣化する．これを改善するためには複数チャネルのADコンバータを用いて発振信号を取り込み，その後の信号処理によって周波数雑音を低減する手法が有効である．令和4年度の研究成果では，使用するADCの数を2倍にすることで周波数雑音電力を1/2倍に改善することを実証した一方，この手法がどのようなADCに対しても有効であるかという点については明確ではなかった．そこで令和5年度はADCの数を4倍にした場合について検証をした結果，ADCの数を4倍した場合に周波数雑音を1/4倍に改善できる場合と，元々のADCの性能からほとんど改善されない場合があることを示し，その原因を明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本研究課題は2つの手法によってFDPD-QCMの超高感度化を実現することが目的である．2つの課題とは「ADCの並列化と相関処理の組み合わせ」および，「QCMの高周波化とアンダーサンプリングの組み合わせ」であり，前者については昨年度よりもさらに性能を向上できることを明らかにし，IEEE Instrumentation & Measurement Society Japan Chapterにて報告を行った．一方，後者については高周波化とその周波数に対応した回路系構築に遅れが生じているため研究全体を通しては遅れていると判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
QCMセンサ回路自体の高感度化を実現するために，従来の基本波発振信号のみを使用するのではなく，新たな方式として歪み波の高調波信号を抽出しそれを利用した場合の効果について検証する．また3次，5次等のオーバトーン発振をさせたQCM回路を作製し，基本波による測定結果と比較を行う．これによってサンプリング定理を超えた発振周波数になる場合は，ADCをアンダーサンプリングさせて実験を行うほか，高調波またはオーバトーンを利用した発振器と既に有効であることを示した手法であるADCの並列化・相関処理の組み合わせによって当初の研究目的を達成する．
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| Causes of Carryover |
これまでヨーロッパまたはアメリカで交互に開催されていた国際学会が日本国内で開催されたことにより，学会参加に要する交通費および宿泊費が大幅に減額となった．また，QCM回路作製において，プロトタイプの作製を行って所望の性能が得られることを確認してから，実験用の本回路を複数製作する必要があるが，十分な性能を満たした回路の実現に至っていないため，本回路の作製を行っておらず次年度使用額が生じた．次年度の使用計画として，本回路の作製に使用する．これは特にQCMセンサ回路の感度がより向上していくことにより，電気回路部分の性能のみならず，シールド回路や装置を組み込むケース等も雑音の影響を受けないよう強固かつ高安定に作成するために必要な費用となる．
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