بهبود حساسیت هیدروفن با استفاده از ترانزیستور گیت معلقِ دارای Proof Mass در فرکانس‌های پایین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مجتمع دانشگاهی هوادریا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در این پژوهش یک مبدل هیدروفن باند پهن فرکانس پایین طراحی و شبیه‌سازی شده است. هسته‌ی اصلی این ساختار را ترانزیستور ماسفت نوع n تشکیل می‌دهد. امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی پایین ماسفت‌ها مزیت عمده‌ی استفاده از این ترانزیستور ها در مبدل‌ها است. گیت این ترانزیستور به صورت معلق و به شکل صفحه مستطیل مسطح، که دارای Proof mass می‌باشد بالای آن قرار گرفته است. اساس کار این هیدروفن تغییر ظرفیت خازن ایجاد شده بین گیت و کانال ترانزیستور به دلیل تاثیر موج آکوستیکی بر سطح گیت است؛ که به دنبال آن جریان و ولتاژ خروجی ترانزیستور تغییر می‌کند. جریان بالای ترانزیستورها از دیگر مزیت استفاده‌ی آن‌ها است؛ چرا که جریان خروجی بیشتر، حساسیت بالاتری را به ‌دنبال دارد. در این مقاله، ابتدا به معرفی ساختار و پارامترهای آن پرداخته می شود. پس از تحلیل مدهای گیت، پارامترهای اساسی ساختار و تاثیر آنها روی حساسیت ساختار بررسی می شود. در آخر نیز پس از بررسی تغییر جنس گیت با مواد مختلف، حساسیت نهایی ساختار با حساسیت مراجع مقایسه میگردد. حساسیت این ساختار که در بازه ی فرکانسی  Hz 10100-10 عملکرد خطی دارد،  db 160- می باشد که نسبت به تحقیقات پیشین بهبود چشمگیری داشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Sensitivity Improvement of Hydrophone Employing Suspended and Proof Mass Gate Transistor in Low Frequencies

نویسندگان [English]

  • Roozbeh Negahdari
  • Mohammad Zare Ehteshami
  • Hossein Shahmirzaei
  • Mohammad Reza Kazerani Vahdani
Malek Ashtar University of Technology.Faculty of Naval Aviation
چکیده [English]

In this paper a new wideband hydrophone is designed and simulated for low frequencies. NMOS transistor is the main part of this structure. High input impedance and low output impedance are two major advantages of employing transistor in these transducers. Suspended rectangular beam with proof mass form the gate of NMOS. Basic performance of this hydrophone relies on variations of gate-source capacitor in response to effect of acoustic wave on beam which causes alternation of NMOS current. Another benefit of using transistors is their high current which contribute to higher sensitivity. This paper starts with introduction of the structure and its related parameters. Following that modal analysis is carried out and effects of parameters are investigated. At the end, different materials are used and their sensitivity are compared with previous works. The proposed hydrophone shows linear behavior in 10-10100 Hz frequency range, with high sensitivity of 160db that shows remarkable improvement compared with previous researches.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Acoustic
  • sensor
  • hydrophone
  • Suspended gate
  • MOSFET Micro-Electro-Mechanical-Systems(MEMS)
[1] Guan L, Xue C, Zhang G, Zhang W, Wang P. Advancements in technology and design of NEMS vector hydrophone. Microsystem technologies. 2011 Mar;17(3):459-67.
[2] Lasky M, Doolittle RD, Simmons BD, Lemon SG. Recent progress in towed hydrophone array research. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2004 Jul 19;29(2):374-87.
[3] Lemon SG. Towed-array history, 1917-2003. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2004 Jul 19;29(2):365-73.
[4] Caplan‐Auerbach J, Fox CG, Duennebier FK. Hydroacoustic detection of submarine landslides on Kilauea volcano. Geophysical Research Letters. 2001 May 1;28(9):1811-3.
[5] Mouy X, Rountree RA, Juanes F, Dosso SE. Passive acoustic localization of fish using a compact hydrophone array. The Journal of the Acoustical Society of America. 2017 May;141(5):3863.
[6] Leonard JJ, Bahr A. Autonomous underwater vehicle navigation. Springer handbook of ocean engineering. 2016:341-58.
[7] Liu W, Wang J, Zhu J, Wu Y, Ma L, Hu Z. An experimental sonobuoy system based on fiber optic vector hydrophone. Proceedings Volume 10156, Hyperspectral Remote Sensing Applications and Environmental Monitoring and Safety Testing Technology; 2016; Beijing, China. SPIE: 2016 Oct 25;10156: 49-54.
[8] Kopp L, Cano D, Dubois E, Wang L, Smith B, Coates RF. Potential performance of parametric communications. IEEE Journal of oceanic engineering. 2000 Jul;25(3):282-95.
[9] Henriquez TA, Ivey LE. Standard Hydrophone for the Infrasonic and Audio‐Frequency Range at Hydrostatic Pressure to 10 000 psig. The Journal of the Acoustical Society of America. 1970 Jan;47(1B):276-80.
[10] Necsoiu T, Chilibon I, Robu M, Cåtuneanu V, Stan A. Some aspects of the piezoceramic materials utilized in sensitive hydrophones. Sensors and Actuators A: Physical. 1997 May 1;60(1-3):139-41.
[11] Ito M, Okada N, Takabe M, Otonari M, Akai D, Sawada K, Ishida M. High sensitivity ultrasonic sensor for hydrophone applications, using an epitaxial Pb (Zr, Ti) O3 film grown on SrRuO3/Pt/γ-Al2O3/Si. Sensors and Actuators A: Physical. 2008 Jul 1;145:278-82.
[12] Choi S, Lee H, Moon W. A micro-machined piezoelectric hydrophone with hydrostatically balanced air backing. Sensors and Actuators A: Physical. 2010 Mar 1;158(1):60-71.
[13] Ando Y, Fletcher NH, Schroeder MR. Modern Acoustics and Signal Processing.2007
[14] 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.
[15] Amiri P, Kordrostami Z. Sensitivity enhancement of MEMS diaphragm hydrophones using an integrated ring MOSFET transducer. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2018 Sep 12;65(11):2121-30.
[16] میرعشقی علی. مبانی الکترونیک. تهران: نشر شیخ بهایی؛ 1387. جلد اول.
[17] Application Notes: Introduction to Underwater    Acoustic. Demark: B&K: 1986
[18] 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.
[19] نگهداری روزبه، زارع احتشامی محمد، شاهمیرزایی حسین. بهبود حساسیت هیدروفن با استفاده از ترانزیستور گیت معلق دندانه شانه‌ای در فرکانس‌های پایین. هیدروفیزیک.1398؛5(2):51-58.
[20] 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.
[21] Liu C. Foundations of MEMS. Pearson Education India; 2012.