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

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。

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。