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

• 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

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。

This paper aims to study the application of high-sensitivity MEMS resonators in the future and the related phenomena of MEMS resonance. 2-DOF MEMS resonators are close to each other in the frequency domain. The external force is symmetrical, and the inherent force is combined, and the amplitude is biased. 2. The degree of freedom of the resonator is different from that of the excitation. The design requirements of "2ω1 ω2 ω3" are used to design MEMS resonators (2+1 resonators). SOI (Silicon on Insulator) MEMS resonators are used in the middle of the design process. 2+1 mode resonance, capacitance detection, circuit detection, system connection, evaluation Each support element is connected to the electrostatic electrode, and the electrostatic attraction element is connected to the electrostatic electrode. This is because the processing error is adjusted,"2ω1 ω2 ω3" is not correct. The result is that the lowest frequency (ω1) is the lowest frequency, the second (ω2) is the lowest frequency, and the third (ω3) is the lowest frequency. For example, if the amplitude ratio is higher than the amplitude ratio, the voltage adjustment may be reduced.

项目成果

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

• 发表时间: 2023
• 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
• 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)
• 作者: Jianlin Chen;Hemin Zhang;T. Tsukamoto;M. Kraft;Shuji Tanaka