Ultrasensitive mass sensing utilizing weakly-coupled micro resonators' mode localization, with nonlinear feedback control

利用弱耦合微谐振器的模式定位和非线性反馈控制的超灵敏质量传感

• 批准号: 22KJ0428
• 负责人: 中村 匠実
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0428/
• 关键词: MEMS; 非線形力学; 微小質量・密度計測; モード局在; バーチャル弱連成

本研究課題は，MEMSレゾネータを用いた微小質量計測にて，超高感度化を可能にする新しい計測原理を提案し，バイオナノセンシングにおける未踏の微小質量計測を実現する，超高感度マイクロセンサの計測原理の提案と開発を研究目的としている．具体的には，自励発振する弱連成バーチャルレゾネータアレイと流路形成カンチレバーを組み合わせた制御手法の提案と実装を行い，計測可能下限質量を明らかにする．令和４年度は，感度向上のために同一特性の弱連成レゾネータを多数構築する必要がある課題（課題①），および粘性計測環境下での超高感度質量計測の実現のため新たな計測原理を構築する必要があるという課題（課題②）の解決に取り組んだ．【センサの設計と製作(課題①)】MEMS技術によるレゾネータの製作を計画していたが，ウェットエッチングと拡散接合による，内部流路を有したステンレスレゾネータを製作した．この方法はMEMS製作に必要な高価な設備なしに製作可能な利点がある．これを用いて非線形速度フィードバック制御により自励発振させつつ密度計測を行った．【バーチャルレゾネータのFPGAでの実装(課題①)】多自由度弱連成化による高感度化に向けて，バーチャルの1自由度レゾネータの実装に取り組んだ．FPGA単体で，レゾネータの運動を意図通り演算できたことまで確認した．令和５年度に実体レゾネータとの連成を行うことにより，高感度の質量・密度計測に発展させる．【veering理論の解析(課題①&②)】弱連成にするほど高感度化するのがモード局在を用いた計測理論であるが，弱くしすぎると感度が悪化するという結果が得られている．これを理論的に解明するためにveering現象(弱連成時に固有周波数と対応するモードが変化する現象)の文献を手掛かりに解析を進めている．令和５年度に解析的に明らかにしたのち，実験による検証を行う．

This research topic proposes a new measurement principle based on MEMS micro-mass measurement and the possibility of ultra-high sensitivity.センシングにおけるUnstepped micro mass measurement を実appear する, ultra-high sensitivity マイクロセンサのmeasurement principle proposal and research purpose としている． To be specific, the self-excited oscillation weakly connects the バーチャルレゾネータアレイと flow path to form the カンチレバーを组み合わせたcontrol technique proposal と実装を行い, measurement possible lower limit quality を明らかにする． In the 4th year of the Reiwa period, the weak connection of the same characteristic with high sensitivity and the necessary construction of the majority construction project (problem ①), the viscosity measurement of the project Ultra-high sensitivity mass measurement under the environment is now a new measurement principle and a necessary solution to the problem (problem ②) has been solved. 【センサのDesign and Production (Problem ①)】MEMS Technology Design and Production Plan, The ウェットエッチングと拡loosening joint is made by による, and the internal flow path is made by したステンレスレゾネータを. The method is necessary for MEMS production, the equipment is high, and the production is possible, and the advantages are advantageous.これを Use the いて non-linear speed フィードバック to control the により self-excited vibration させつつdensity measurement を行った. 【バーチャルレゾネータのFPGAでの実装(Project ①)】Multiple degrees of freedom weakly connectedよるHigh-sensitivity にoriented けて, バーチャルの1 degree of freedom レゾネータの実assemble にtaking りgroup んだ. FPGA is a single unit, and the movement of the FPGA is determined by the calculation and calculation. In the 5th year of the Reiwa 5th Anniversary, the high-sensitivity mass/density measurement system will be developed. 【Analysis of Veering Theory (Problem ① & ②)】Weakly connected high-sensitivity structure In を using いた measurement theory であるが, weak くしすぎるとsensitivity が悪化 するという results られている． Explanation of the これを theory: するためにveering phenomenon (the inherent frequency of weakly connectedと対応するモードが剉化するphenomenon)の DocumentsをHand-hangingかりにanalyticsを进めている． The に明らかにしたのち that was analyzed in the 5th year of Reiwa, and the 実験による検证を行う．

项目成果

LIQUID DENSITY MEASUREMENT USING A MICROCHANNEL STAINLESS CANTILEVER

使用微通道不锈钢悬臂梁测量液体密度

• 发表时间: 2023
• 作者: Takumi Nakamura;Hiroshi Yabuno;Yasuyuki Yamamoto and Sohei Matsumoto
• 通讯作者: Yasuyuki Yamamoto and Sohei Matsumoto

マイクロ流路を持つ弱連成マイクロカンチレバーによる 流体内微小質量の高感度計測法

使用带有微通道的弱耦合微悬臂梁测量流体中微小质量的高灵敏度测量方法

• 发表时间: 2022
• 作者: Takumi Nakamura;Hiroshi Yabuno;Yasuyuki Yamamoto and Sohei Matsumoto;中村 匠実，藪野 浩司，山本 泰之，松本 壮平;中村 匠実，藪野 浩司，山本 泰之，松本 壮平
• 通讯作者: 中村 匠実，藪野 浩司，山本 泰之，松本 壮平