CrドープV₂O₃薄膜の圧電抵抗効果に関する研究とMEMSセンサーへの応用 学術的背景 圧電抵抗式マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）センサーは、材料の圧電抵抗効果を利用して、観測対象の物理的特性によって引き起こされる応力変化を抵抗変化に変換するデバイスであり、自動車、航空宇宙、バイオメディカル、研究分野で広く使用されています。現在、ほとんどの圧電抵抗式センサーはドープシリコンを圧電抵抗材料として使用していますが、その圧電抵抗効果は限られており、縦方向のゲージ係数（Gauge Factor, GF）は通常120以下です。センサー性能を向上させるために、研究者たちは新しい圧電抵抗材料の探索を続けており、バナジウム酸化物材料はその独特な圧電抵抗特性から注目を集めています。特に、Crド...
革命的な自己発電型グルコースモニタリングメカニズム：微生物胞子を利用したマイクロエンジニアリング紙ベースプラットフォーム 学術的背景 糖尿病は、血糖値の上昇を特徴とする慢性代謝疾患であり、心血管疾患、網膜症、腎不全、神経障害などの重篤な合併症を引き起こす可能性がある。2021年の5.29億人から2050年には13億人に増加すると予測される糖尿病患者の数から、効果的な血糖モニタリングの重要性が高まっている。現在の医療技術では糖尿病を完治することはできないが、血糖モニタリングを通じて患者は病状をより良く管理し、合併症を予防することができる。 従来の血糖モニタリングデバイスは、酵素ベースの電気化学センサーに依存しており、高い選択性と携帯性を有するものの、酵素の劣化問題によりその寿命と安定性が制限さ...
原子層MoS₂ナノ電気機械共振器における密接なモード間の非線形結合の研究 学術的背景 ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、ナノ電気機械システム（Nanoelectromechanical Systems, NEMS）はセンサー、信号処理、量子計算などの分野で大きな応用可能性を示しています。特に、二硫化モリブデン（MoS₂）などの二次元（2D）材料は、原子レベルの厚さ、優れた機械的特性、および電気的特性を備えており、NEMSを構築するための理想的な材料となっています。MoS₂などの2D材料は、ナノスケールで多モード共振と非線形ダイナミクスを示し、これらの特性は新しいデバイス物理学を研究するためのユニークなプラットフォームを提供します。 NEMS共振器において、非線形モード結合は重要な研究テーマ...
気泡の熱音響モードと光機械センサーの結合研究 学術的背景 気泡の液体中の音響行動は、物理学と工学の分野で重要な研究テーマです。気泡の振動モードは、自然界の音響現象だけでなく、マイクロ流体やバイオセンシングなどの分野でも広く応用されています。Minnaert呼吸モードは、気泡の音響学で最も有名な振動モードであり、液体中の気泡の基本的な振動行動を記述します。しかし、気泡は一連の高次音響モードもサポートしており、これらのモードの理論的予測は存在するものの、実験的観測は非常に稀です。さらに、光機械センサーは高感度の検出ツールとして、マイクロスケールの音響および振動特性を検出するための新しいプラットフォームを提供します。 本研究は、光機械センサーを使用して気泡の音響モード、特に高次音響モードを探査し、...
深層強化学習を用いた液体レンズ顕微鏡の精密自動焦点技術 学術的背景 顕微鏡イメージングは、科学研究、生物医学研究、および工学アプリケーションにおいて重要な役割を果たしています。しかし、従来の顕微鏡とその自動焦点技術は、システムの小型化と迅速で精密な焦点調整を実現する上で、ハードウェアの制約とソフトウェアの速度の遅さに直面しています。従来の顕微鏡は通常、複数の固定焦点レンズと機械構造を組み合わせており、拡大や焦点調整などのイメージング機能を実現していますが、これにより装置が大きく、焦点調整が遅く、狭い空間での迅速な操作が困難です。液体レンズ（liquid lens）は、機械部品がなく、電気信号を調整することで焦点を合わせることができるため、小型、高速応答、低コストといった利点を持ち、これらの問...
圧電共振センサーは、化学および生物センシングに関連する多様な応用において不可欠です。これらは、真空、ガス、または流体中での分析物の表面への堆積による圧電共振子の共振周波数シフトを連続的に検出することに依存しています。微小な分析物の変化を検出するためには、高品質因数（quality factor, Q factor）を有する共振子が必要です。従来、品質因数を向上させる方法は、共振子の振動モード、構造、および材料を最適化することでした。しかし、これらの方法は複雑でコストがかかることが多いです。本論文では、Fano共振（Fano resonance）を利用して圧電センサーの品質因数を向上させる新しい方法を提案しています。 Fano共振は、原子や固体物理学で最初に発見された普遍的な散乱波現象です。こ...
ファイバーオプティクスに基づく表面増強ラマン分光法センサーを用いた生鶏肉中の食中毒病原菌の迅速多重検出 学術的背景 食中毒は世界的な公衆衛生上の重大な課題であり、その中でもサルモネラ菌（Salmonella）は主要な病原体の一つです。米国だけでも、年間135万件の感染症、26,500件の入院、420件の死亡が報告されています。国家レベルでの改善目標があるにもかかわらず、米国におけるサルモネラ感染率は過去30年間ほとんど変化していません。特に、鶏肉や七面鳥製品はサルモネラ感染の主要な源であり、サルモネラ症の約23.4%を占めています。米国疾病予防管理センター（CDC）によると、スーパーで販売される鶏肉パッケージの25個に1個はサルモネラに汚染されていると推定されています。サルモネラによる米国へ...
低ノイズ発振読み出し回路を備えた14 μHz/√Hz分解能および32 μHzバイアス不安定性を有するMEMS水晶共振加速度計の研究 学術的背景 マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）加速度計は、慣性航法、地震検出、ウェアラブルデバイス、インテリジェントロボットなどの分野で広く使用されています。特に、衛星制御や無人水中ビークルなどのアプリケーションでは、高分解能で低ドリフトの加速度測定が最も重要な性能指標の一つです。MEMS共振加速度計は、入力加速度信号をキャリア周波数に変調し、センシティブ要素の共振周波数を測定値として出力することで、振幅出力型加速度計（例えばMEMS容量型加速度計）よりも低いノイズレベルを実現します。さらに、共振加速度計は高分解能、広い測定範囲、大きなダイナミック...
圧電ナノ発電機を用いた音響エネルギー収集技術の進展 学術的背景 IoT（Internet of Things）デバイスの普及に伴い、持続可能なエネルギー源への需要が高まっています。従来の電池駆動方式には寿命の限界やメンテナンスコストの高さといった課題があるため、研究者たちは環境からエネルギーを収集する革新的な方法を模索しています。音響エネルギー収集（Acoustic Energy Harvesting）は、環境中の騒音を圧電効果を利用して電気エネルギーに変換する新興技術であり、幅広い応用が期待されています。圧電ナノ発電機（Piezoelectric Nanogenerators, PENGs）は音響エネルギー収集の中核技術の一つで、圧電材料を用いて機械振動を電気エネルギーに変換します。本論文...
電熱駆動型Al-SiO₂バイモルフを用いたマイクログリッパーの研究 学術的背景 マイクログリッパー（microgripper）は、マイクロおよびナノスケールでの組立や操作において重要な役割を果たし、マイクロエレクトロニクス、MEMS（マイクロ電気機械システム）、バイオメディカルエンジニアリングなどの分野で広く利用されています。脆弱な材料や微小な物体を安全に操作するためには、マイクログリッパーは高い精度、迅速な応答、使いやすさ、強力な信頼性、低消費電力などの特性を備える必要があります。これまでに、静電駆動、電磁駆動、光駆動など、さまざまな駆動メカニズムを用いたマイクログリッパーが開発されてきましたが、これらの技術にはいくつかの限界があります。例えば、光駆動マイクログリッパーは特定の光源と光学パ...