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MEMS素子の機械的非線形性を熱効果により低減 素子の信号対雑音比が10倍以上増大東京農工大学,北京工業大学,東京大学

 東京農工大学,北京工業大学,東京大学の研究グループは,スマホの赤外線センサーや発振器などで使われているMEMS素子の機械的非線形性を熱効果により低減し,素子の信号対雑音比を10倍以上増大させることに成功したと発表した。
 一般的なMEMS両持ち梁構造は,振動振幅が増大するにつれ,梁がより伸張され,材料が堅くなる性質がある(hardening)。したがって,振動振幅の増大とともに共振周波数は上昇し,hardening非線形性を示す。そのため線形振動領域を保つためには,振動振幅は数十nm程度の非常に小さい値にする必要があった。同グループは,MEMS梁に薄膜抵抗を作製し,それを利用してMEMS梁を電気的に加熱することによって,MEMS梁の非線形性を強く低減できることを発見した。非線形を制御されたMEMS素子においては,線形領域の振動振幅が,非線形性を制御していないMEMS素子のそれに比べて,10倍以上に増大できることを確認した。この非線形性制御効果の物理的機構は,熱応力によるMEMS梁の座屈効果である。この座屈効果は,MEMS共振にsoftening非線形性をもたらし,MEMS梁に本来存在するhardening非線形性を補償し,全体的非線形性を低減した。本研究は熱効果によるMEMS共振器の非線形制御を発見したものである。この成果により,今後,MEMS素子の超高感度センシングへのさらなる応用が期待される。

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