アンダーサンプリングと相関処理を利用した超高感度フルディジタルQCMの開発

使用欠采样和相关处理开发超高灵敏度全数字 QCM

• 批准号: 22K04144
• 负责人: 今池 健
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Nihon University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 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/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04144/
• 关键词: QCM; ディジタルダウンコンバージョン; 相関処理; ADC; 瞬時周波数計測; 水晶発振器; 瞬時位相; SDR

数ピコグラムから数ナノグラム程度の微小質量変化を水晶振動子の共振周波数変化として検出可能なQCM（Quartz Crystal Microbalances：水晶振動子微量秤）はバイオセンサとして生体の抗原抗体反応の計測や，においセンサへの応用など比較的分子量の大きい，または濃度の高いにおい成分の分析を対象として利用されている．このQCMをさらに高感度化し，数ppbまたは数pptといった極めて希薄な大気中の汚染物質測定や毒性ガス漏洩の早期検出といった用途に応用できれば，環境モニタリングコストの大幅な削減が期待できる．令和4年度は平成30年度～令和3年度の科研費研究課題で提案した次世代QCMである全ディジタル位相検出型QCM（FDPD-QCM）の更なる高感度化について研究を実施した．FDPD-QCMの性能を制限しているADコンバータ（ADC）の性能を改善するために，複数チャネルのADコンバータを用いて発振信号を取り込み，その後の信号処理において相関処理を利用することでシステムのフロントエンド部のダイナミックレンジを改善する手法を提案した．サンプリング周波数が100 MHz ～ 250 MHz程度のADCの場合，その振幅分解能は16 bitではあるものの，有効ビット数（ENOB）は12 bit程度に性能が低下する．本手法では，ADCを複数個並列化することでその並列数の平方根に比例してENOBを0.5 bitずつ，すなわちダイナミックレンジを3 dBずつ改善することが可能である．上記手法の有効性検証のため，サンプリング周波数：160 MHz，ENOB：12.1 bitのADCを用いて30 MHzのQCMツインセンサで実験を行った結果，チャネルあたりのADCを2倍の数にした場合，周波数雑音の振幅が約1/√2倍になることが確認され，雑音スペクトルも3 dB減少することが実証された．

Number ピコグラム ら number ナノグラム degree <s:1> tiny mass change を Crystal vibrator <e:1> resonant frequency number change と て検 possible なQCM (Quartz Crystal Microbalances:) Crystal oscillator trace scale) は バ イ オ セ ン サ と し て raw body の antigen antibody against 応 の measuring や, に お い セ ン サ へ の 応 with な ど comparison of large molecular weight の き い, ま た は high concentration の い に お い の analysis を like と seaborne し て using さ れ て い る. こ の QCM design を さ ら に Gao Gan degrees し, number of parts per ま た は several PPT と い っ た extremely め て in large thin な 気 の toxicity of pollutants determination や ガ ス leakage の 検 out early と い っ た USES に 応 with で き れ ば, environmental モ ニ タ リ ン グ コ ス ト の な sharply cut が expect で き る. Make and 4 year は pp.47-53 30 year ~ make and 3 year の KeYanFei research topic proposed で し た nextgen QCM design で あ る full デ ィ ジ タ ル phase 検 out type QCM design (FDPD - the QCM design) の more な る Gao Gan degree melts に つ い て research を be applied し た. FDPD - the QCM design の performance limitations を し て い る AD コ ン バ ー タ (ADC) の improvement を す る た め に, plural チ ャ ネ ル の AD コ ン バ ー タ を with い て 発 vibration signal を take り 込 み, そ の 処 の signal after Richard に お い て phase masato 処 Richard を using す る こ と で シ ス テ ム の フ ロ ン ト エ ン ド department の ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を improve す る technique proposed を し た. サ ン プ リ ン グ cycle for が degree of 100 MHz to 250 MHz の ADC の occasions, そ の amplitude can decompose は 16 bit で は あ る も の の, have sharper ビ ッ ト number 12 bit (ENOB) は low degree に performance が す る. This technique で は, tied for the ADC を plural す る こ と で そ の tied for number の square root に proportion し て ENOB を 0.5 bit ず つ, す な わ ち ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 3 dB ず つ improve す る こ と が may で あ る. The efficacy of the above-mentioned technique is 検 evidence ため, サ プリ プリ グ グ frequency: 160 MHz, ENOB: 12.1 bit ADC を の with い て 30 MHz の QCM design ツ イ ン セ ン サ で be 験 を line っ た results, チ ャ ネ ル あ た り の ADC を number 2 times の に し た occasions, cycle for の amplitude が 雑 notes about 1/2 times square root に な る こ と が confirm さ れ, 雑 sound ス ペ ク ト ル も 3 dB reduce す る こ と が card be さ れ た.

项目成果

Improving Frequency Measurement Accuracy of Fully Digital Phase Detection Quartz Crystal Microbalance Based on Multi-Channel ADC

基于多通道ADC提高全数字鉴相石英晶体微天平频率测量精度

• 发表时间: 2023
• 作者: Tatsuki Tamaoki;Shouta Kanno;Takeshi Imaike
• 通讯作者: Takeshi Imaike