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

2+1质量MEMS谐振器新型模式控制方法研究及其在高性能传感器中的应用

基本信息

批准号：
22H01924
负责人：
田中秀治
金额：
$ 10.98万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01924/
关键词：
MEMS 共振子非線形性モード局在化

项目摘要

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。

该项目将使用新的MEMS共振器研究模式定位现象，旨在将其应用于将来的高灵敏度传感器。当两度自由度mems谐振器的耦合弹簧变得极为弱时，两个本征模在频域中变得近距离。在这里，如果对称性被外部输入略有破坏，则将两个本征码组合在一起，并且振幅偏向一个质量，即模式定位现象。在这里，我们旨在通过具有另一个自由度的谐振器的另一种模式来激发构成模式定位的两种模式。因此，使用FEM模拟设计了一个大致满足设计要求“2Ω1≒Ω2≒Ω3”的MEMS谐振器（2+1个质量谐振器），并使用SOI（绝缘体上的硅）MEMS进程进行了原型。制造的2+1质量谐振器通过模拟前端电路连接到锁定检测系统，以进行电容检测并进行评估。将偏置电压应用于平行于支撑每个质量的弹簧插入的静电电极，并且支撑弹簧的弹簧常数通过静电吸引力调节，并调整了固有频率。这会调整加工误差，以便满足“2Ω1≒Ω2≒Ω3”。结果，通过最低频率（ω1）模式的非线性可以激发第二个（ω2）和第三（ω3）模式。此外，通过对偏置电压进行细节调节ω2和ω3，观察到模式定位现象，表明使用振幅比将其应用于高灵敏度传感器的可能性。

项目成果

期刊论文数量（3）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Virtually Rotated Multiple Mass Resonator Enabled by Electrostatic Frequency and Q-factor Tuning

通过静电频率和 Q 因子调谐实现的虚拟旋转多质量谐振器

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
J. Chen;T. Tsukamoto;G. Langfelder and S. Tanaka
通讯作者：
G. Langfelder and S. Tanaka

A Mechanically Coupled Three Degree-of-Freedom Resonator with Tunable Stiffness Sensitivity

DOI：
10.1016/j.sna.2022.113713
发表时间：
2022-06
期刊：
Sensors and Actuators A: Physical
影响因子：
0
作者：
Jianlin Chen;T. Tsukamoto;Shuji Tanaka
通讯作者：
Jianlin Chen;T. Tsukamoto;Shuji Tanaka

Enhanced Stiffness Sensitivity in a Mode Localized Sensor Using Internal Resonance Actuation

DOI：
10.1109/mems49605.2023.10052378
发表时间：
2023-01
期刊：
2023 IEEE 36th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
影响因子：
0
作者：
Jianlin Chen;Hemin Zhang;T. Tsukamoto;M. Kraft;Shuji Tanaka
通讯作者：
Jianlin Chen;Hemin Zhang;T. Tsukamoto;M. Kraft;Shuji Tanaka

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