طراحی هیدروفون حساسیت بالا با بهره‌گیری از لایه نازک پیزوالکتریک بر روی ترانزیستور ماسفت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مجتمع دانشگاهی هوادریا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در مقاله پیش رو یک سنسور هیدروفون در ابعاد میکرومتر با حساسیت بالا معرفی، طراحی و مدل سازی شده است. ساختار پیشنهادی با استفاده تکنولوژی مرسوم MEMS به طور کامل قابل پیاده سازی است. ساختار مکانیکی این سنسور از دو بازو در ابعاد میکرومتر بهره می‌گیرد که یک صفحه را معلق نگه می‌دارند. در طول هر یک از بازو‌ها با ایجاد ناخالصی بر روی سیلیکون ترانزیستور ماسفت جا‌سازی شده است که بر روی گیت آنها لایه بسیار نازک از ماده پیزوالکتریک PZT-5A قرار داده شده است. استرس ناشی از موج آکوستیکی برخوردی باعث ایجاد بارهای سطحی بر روی لبه لایه پیزوالکتریک شده و به گیت ترانزیستورمنتقل می‌شود. این بارها به صورت مستقیم باعث تغییر مقاومت کانال ترانزینسور شده و در نهایت تغییرات جریان الکتریک توسط مبدل الکترونیکی به تغییرات ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌شود. طبق نتایج شبیه سازی به دست آمده حساسیت مبدل پیشنهادی dB 160- می‌باشد(در فرکانس‌های بسیار پایین‌تر از رزونانس).

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Design of high sensitivity hydrophone employing thin layer of piezoelectric integrated with Mosfet

نویسندگان [English]

  • Mohammad Zare Ehteshami
  • Hossein Shahmirzaee
Faculty of Naval Aviation, Malek-Ashtar University of Technology
چکیده [English]

In this article new micro-scale hydrophone sensor has been introduced, designed and modeled. Proposed structure is absolutely feasible by current MEMS technology. Mechanical structure consists of two micro-scale arms which together hang a plat. In length of each arms embedded Mosfet transistor placed which on its’ gate plate very thin layer of piezoelectric material, PZT-5A, has been placed. Incident acoustic wave cause mechanical stress which induce surface charge on the interface of piezoelectric and gate layer. These charges will modulate transistor’s channel resistance and finally with employing electronic circuit electric current variation transfers to voltage variation. Simulation results indicated sensitivity of -160 dB in frequencies well below first resonance.

In this article new micro-scale hydrophone sensor has been introduced, designed and modeled. Proposed structure is absolutely feasible by current MEMS technology. Mechanical structure consists of two micro-scale arms which together hang a plat. In length of each arms embedded Mosfet transistor placed which on its’ gate plate very thin layer of piezoelectric material, PZT-5A, has been placed. Incident acoustic wave cause mechanical stress which induce surface charge on the interface of piezoelectric and gate layer. These charges will modulate transistor’s channel resistance and finally with employing electronic circuit electric current variation transfers to voltage variation. Simulation results indicated sensitivity of -160 dB in frequencies well below first resonance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • sonar
  • hydrophone
  • sensor
  • micro-electromechanical-systems

مراجع

[1] Bai B, Ren Z, Ding J, Xu W, Zhang G, Liu J, Zhang W, Xue C, Zhang B, Wang R. Cross-supported planar MEMS vector hydrophone for high impact resistance. Sensors and Actuators A: Physical. 2017 Aug 15;263:563-70.
[2] Vivek K, Rajesh R, Sreehari CV, Santhanakrishnan T, Kumar SS, Praveen TV, Sundar RA, Moosad KP. An improved polymer shell encapsulated fiber laser hydrophone. IEEE Sensors Journal. 2017 Nov 27;18(2):589-95.
[3] Tan YN, Zhang Y, Guan BO. Hydrostatic pressure insensitive dual polarization fiber grating laser hydrophone. IEEE Sensors Journal. 2010 Oct 14;11(5):1169-72.
[4] 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.
[5] Arshad MR. Recent advancement in sensor technology for underwater applications. 2009;38(3);267-73.
[6] Leonard JJ, Bahr A. Autonomous underwater vehicle navigation. Springer handbook of ocean engineering. 2016:341-58.
[7] Wang D, Filoux E, Levassort F, Lethiecq M, Rocks SA, Dorey RA. Fabrication and characterization of annular-array, high-frequency, ultrasonic transducers based on PZT thick film. Sensors and Actuators A: Physical. 2014 Sep 1;216:207-13.
[8] Okada N, Takeuchi S. Robust hydrophone with hydrothermal PZT thick-film vibrator and titanium front layer for use in high-power ultrasound fields. In: 2015 Joint IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectric (ISAF), International Symposium on Integrated Functionalities (ISIF), and Piezoelectric Force Microscopy Workshop (PFM); 2015 May 24.
[9] Harikrishnan C, Kiran K, Malarkodi A. Finite Element Analysis of underwater acoustic vector sensor. In:2015 IEEE Underwater Technology (UT) ;2015 Feb 23.
 [10]        Chen S, Xue C, Zhang B, Qiao H. A novel MEMS based piezoresistive vector hydrophone for low frequency detection. In2007 International Conference on Mechatronics and Automation; 2007 Aug 5.
[11]         Mengran L, Guojun Z, Xiaopeng S, Yuan L, Wendong Z. Design of the monolithic integrated array MEMS hydrophone. IEEE Sensors Journal. 2015 Oct 30;16(4):989-95.
 [12]        Linxian L, Wendong Z, Guojun Z, Chenyang X. Package optimization of the cilium-type MEMS bionic vector hydrophone. IEEE Sensors Journal. 2013 Dec 5;14(4):1185-92.
[13]         Zhu B, Varadan VK. Integrated MOSFET-based hydrophone device for underwater applications. In: Smart Structures and Materials 2002: Smart Electronics, MEMS, and Nanotechnology; 2002 Jul 11. SPIE. Vol. 4700, p. 101-110 .
[14]         Sung M, Shin K, Moon W. A new transduction mechanism for hydrophones employing piezoelectricity and a field-effect transistor. Sensors and Actuators A: Physical. 2015 Sep 1;233:557-68.
[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]         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.
[17]         Razavi B. Basic MOS device physics. In: designe of analog CMOS integrated circuits, 2nd ed., New WORK, NY, USA: McGraw-Hill; 2016. ch. 2. p. 9-46.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار