| 研究課題/領域番号 |
22H01924
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
田中 秀治 東北大学, 工学研究科, 教授 (00312611)
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| 研究分担者 |
塚本 貴城 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70646413)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | MEMS / 共振子 / 非線形性 / モード局在化 |
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| 研究実績の概要 |
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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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
「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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| 今後の研究の推進方策 |
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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