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

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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．