بهبود حساسیت هیدروفن با استفاده از ترانزیستور گیت معلق دندانه شانه‌ای در فرکانس‌های پایین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوادریا

چکیده

در این مقاله یک هیدروفن با استفاده از ترانزیستور گیت معلق دندانه شانه ای در فرکانس‌های پایین طراحی و شبیه‌سازی شده است. مکانیزم عملکرد این مبدل بر اساس تغییر خازن گیت-سورس در ترانزیستور ماسفت است. گیت ترانزیستور توسط دو میله به صورت معلق بالای کانال ترانزیستور قرار گرفته است. در پاسخ به موج آکوستیکی ورودی، گیت ترانزیستور دچار خمش شده و منجر به تغییر ظرفیت خازن گیت-سورس می‌شود. در نتیجه موج آکوستیکی منجر به تغییر جریان ترانزیستور می‌شود. برخلاف تحقیقات پیشن که از گیت مستطیلی مسطح استفاده شده است، در این‌جا از ساختار دندانه شانه‌ای استفاده شده تا بتوان ظرفیت خازن گیت-سورس را افزایش داد. در این مقاله، ابتدای امر، به معرفی ساختار و پارامترهای آن پرداخته می‌شود. پس از تحلیل مدهای ساختار، تاثیر پارامترهایی نظیر فشار، استرس و ضخامت گیت بر روی حساسیت بررسی خواهد شد. در آخر حساسیت ساختار با تغییر جنس گیت با مواد مختلف نشان داده می‌شود و حساسیت نهایی ساختار با منابع مرجع مقایسه می‌گردد. با بهره‌گیری از نرم افزار‌های المان محدود، حساسیت و پهنای باند محاسبه شده است. نتایج بدست آمده حاکی از افزایش حساسیت هیدروفن، در این ساختار، تا حدود (ref: 1V/1µPa) db 165- در فرکانس‌های پایین می باشد. علاوه براین، پاسخ فرکانسی ساختار پیشنهادی در بازه Hz 11400-10 هموار می باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Sensitivity Improvment Of Hydrophone Employing Suspended and Comb-Drived Gate of Transistor in Low Frequncies

نویسندگان [English]

  • roozbeh negahdari
  • Mohammad Zare Ehteshami
  • Hossein Shahmirzaee
Faculty of Naval Aviation, Malek Ashtar university, of Technology,
چکیده [English]

In this paper a new hydrophone sensor in low frequency has been designed and simulated. Transducer mechanism is based on variation of gate source capacitor in MOSFET transistor. Gate of transistor is suspended using two beams. In response to incoming acoustic wave, gate will go under deformation and cause variation of gate-source capacitor. As a result, acoustic wave will alter drain source current of MOSFET transistor. In contrast to privies studies, instead of using uniform rectangular gate, comb-drive gate is proposed so as to increase the gate-source capacitor. At beginning, structure and parameters such as pressure, stress and thickness of gate carried out. Finally, for different material the sensitivity is calculated and compared with previous studies. By employing finite-element-method simulation software sensitivity and bandwidth has been calculated. Simulation results indicate high sensitivity around -165dB (ref: 1V/1µPa) in low frequencies. Proposed hydrophone shows flat frequency response in rang of 10-11400 Hz.

کلیدواژه‌ها [English]

  • hydrophone
  • sensor
  • comb-drive
  • Suspended gate
  • Acoustic
  • Micro-Electro-Mechanical-Systems(MEMS)
  • MOSFET
[1] Rijnja HA. Small sensitive hydrophones. Acta Acustica united with Acustica. 1972 Oct 1;27(4):182-8.
[2] D'amico A, Pittenger R. A brief history of active sonar. SPACE AND NAVAL WARFARE SYSTEMS CENTER SAN DIEGO CA; 2009 Jan.
[3] Wong KT, Zoltowski MD. Closed-form underwater acoustic direction-finding with arbitrarily spaced vector hydrophones at unknown locations. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1997; (22)4:649-58. doi: 10.1109/48.650831.
[4] Hodges RP. Underwater acoustics: Analysis, design and performance of sonar. John Wiley & Sons; 2011 Jun 28.
[5] Leslie CB, Kendall JM, Jones JL. Hydrophone for measuring particle velocity. The Journal of the Acoustical Society of America. 1956 Jul; 28(4): 711-5.
[6] A Arnau A, Soares D. Fundamentals of piezoelectricity. Piezoelectric transducers and applications. Springer, Berlin, Heidelberg;2009.
[7] Yaacob MI, Arshad MR, Manaf AA. Theoretical characterization of square piezoelectric micro ultrasonic transducer for underwater applications. 7th International Symposium on Mechatronics and its Applications; 2010 Apr 20; Sharjah. IEEE; 2010.
[8] Lee H, Kang D, Moon W. A micro-machined source transducer for a parametric array in air. The Journal of the Acoustical Society of America. 2009 Apr; 125(4): 1879-93.
[9] Thuau D, Abbas M, Wantz G, Hirsch L, Dufour I, Ayela C. Piezoelectric polymer gated OFET: Cutting-edge electro-mechanical transducer for organic MEMS-based sensors. Scientific reports. 2016 Dec 7; 6(1): 1-8.
[10] Zhu B, Zhang J, Varadan VK, Varadan VV. Solid state MOSFET-based hydrophone. Smart Structures and Materials 2000: Smart Electronics and MEMS; 2000 Jun 21; Newport Beach, CA, United States .International Society for Optics and Photonics; 2000. (Vol. 3990, pp. 368-377).
[11] A Bradley AT, Jaeger RC, Suhling JC, O'Connor KJ. Piezoresistive characteristics of short-channel MOSFETs on (100) silicon. IEEE Transactions on Electron Devices. 2001 Sep; 48(9):2009-15.
[12] Dahiya RS, Adami A, Collini C, Lorenzelli L. POSFET tactile sensing arrays using CMOS technology. Sensors and Actuators A: Physical. 2013 Nov 1; 202:226-32.
[13] Fernández-Bolaños M, Abelé N, Pott V, Bouvet D, Racine GA, Quero JM, Ionescu AM. Polyimide sacrificial layer for SOI SG-MOSFET pressure sensor. Microelectronic engineering. 2006 Apr 1; 83(4-9):1185-8.‏
[14] نگهداری روزبه، زارع احتشامی محمد، شاهمیرزایی حسین. طراحی، شبیه‌سازی و تحلیل هیدروفن‌های حساس باند پهن فرکانس پایین با استفاده از ترانزیستورهای گیت معلق. هیدروفیزیک. 1397؛4(2):85-91.
[15] Sung M, Shin K, Moon W. A micro-machined hydrophone employing a piezoelectric body combined on the gate of a field-effect transistor. Sensors and Actuators A: Physical. 2016 Jan 1; 237:155-66.
[16] Mahfoz-Kotb H, Salaün AC, Bendriaa F, Le Bihan F, Mohammed-Brahim T, Morante JR. Sensing sensibility of surface micromachined suspended gate polysilicon thin film transistors. Sensors and Actuators B: Chemical. 2006 Oct 25;118(1-2):243-8.‏
[17] Zang Y, Zhang F, Huang D, Gao X, Di CA, Zhu D. Flexible suspended gate organic thin-film transistors for ultra-sensitive pressure detection. Nature communications. 2015 Mar 3; 6(1):1-9.‏
[18] Ionescu AM, Pott V, Fritschi R, Banerjee K, Declercq MJ, Renaud P, Hibert C, Fluckiger P, Racine GA. Modeling and design of a low-voltage SOI suspended-gate MOSFET (SG-MOSFET) with a metal-over-gate architecture. Proceedings International Symposium on Quality Electronic Design; 2002 Mar 18; San Jose, CA, USA. IEEE; 2002. doi: 10.1109/ISQED.2002.996794.‏
[19] Akarvardar K, Eggimann C, Tsamados D, Chauhan Y, Wan GC, Ionescu AM, Wong HP. Analytical Modeling of the Suspended-Gate FET and Design Insights for Digital Logic. 2007 65th Annual Device Research Conference; 2007 Jun 18; Notre Dame, IN. IEEE;2007. doi: 0.1109/DRC.2007.4373670.
[20] میرعشقی علی. مبانی الکترونیک. تهران: نشر شیخ بهایی؛ 1387. جلد اول.
[21] Hodges RP. Underwater acoustics: Analysis, design and performance of sonar. John Wiley & Sons; 2010 Jun 28.
[22] Liu C. Foundations of MEMS. Pearson Education India; 2012.