基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计

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1、http://www.paper.edu.cn1基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计122222张文栋，张斌珍,熊继军，薛晨阳，谢斌，陈尚1中北大学信息与通信工程学院，太原（030051）2中北大学电子与计算机科学技术学院，太原（030051）E-mail：wdzhang@nuc.edu.cn摘要：提出了一种基于共振隧穿二极管（RTD）的矢量水声传感器，传感器采用共振隧穿二极管作为敏感元件，共振隧穿二极管布置在传感器结构中柱体的四周边缘。两个反方向变化的基于共振隧穿二极管的振荡器的输出信号通过信号处理

2、电路预处理后输入微处理器，计算出声源水平方位角和声压。本文分析并设计了基于共振隧穿二极管的振荡电路、矢量水声传感器物理结构以及制作工艺，讨论了传感器信号处理方法。关键词：共振遂穿二极管振荡器；矢量水声传感器；GaAs微结构；纳机电器件中图分类号：TB565+.1；TN753.921.引言矢量水声传感器是用来测量声场矢量信息的水下换能器，它可以同时测得声场中的声压[1]和质点振速信息，单个传感器就具有矢量指向性，所以具有独特的优点和广泛的应用前景。NEMS(或称纳系统)是继MEMS之后在系统特征尺寸和效应

3、上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米至数百纳米，以纳米级结构所产生的新[2]效应(量子效应、界面效应和尺度效应)为工作特征的器件和系统。这类器件具有体积小，灵敏度高、功耗低等优点。共振隧穿二极管是当前纳米电子学中最有希望的器件之一，它是[3][4]一种基于共振隧穿薄膜隧穿效应的负阻型器件，具有速度快、频率高、低压低功耗的特[5]点，使得它在微波振荡和高速数字电路等方面有着广阔的应用前景。此外,介观压阻理论研究表明，共振隧穿薄膜在力学信号的作用下，隧穿电流发生变化，图形上表

4、现为IV曲线发生变化漂移。而IV曲线的漂移又会引起基于共振隧穿二极管的共振隧穿二极管振荡器输出频率的变化。所以共振隧穿二极管振荡器可以应用于力学信号检测，且由于直接频率输出，容易实现数字化。本文设计出矢量水声传感器结构。通过实验验证了共振隧穿薄膜的介观压阻特性和共振隧穿二极管振荡器的压敏特性；设计出基于纳米薄膜外延生长和MEMS微结构加工工艺相结合的传感器微结构加工方法；讨论了传感器输出信号解算方案。2.理论依据2.1声学理论流体中的声场是一种很特殊的物理场，它兼有标量场和矢量场的特性。声场中，任意一点

5、附近的物质状态可用声压P、密度ρ和介质质点速度v来表示。声场中的声压是标量，但介质质点位移、振速及振动加速度则是矢量。通过测量声场中的矢量信息，就可确定声源方向。声学理论研究表明:声学刚硬柱体的几何尺寸如果远小于声波波长且KL<<1(K为波数，L为柱体的最大几何尺寸),则柱体在声波作用下作自由运动时，其振动速度的幅值V1本文得到高等学校博士学科点专项科研基金资助课题，国家自然科学基金(50405025,50535030)和新世纪优秀人才支持计划（NCET）的资助。-1-http://www.paper.

6、edu.cn[6]与其周围声介质质点振动幅值V0之间存在以下关系：2ρ0V=V（1）0ρ+ρ0ρ为介质密度，ρ为柱体密度，由上式可知：要使柱体的振动与介质质点的振动完全同步，0必须使柱体的密度与介质的密度相同。2.2共振隧穿二极管介观压阻效应介观压阻理论研究表明，共振隧穿薄膜的IV特性在应力作用下会发生显著变化：即在力学信号作用下,纳米结构中的应力分布将发生变化;一定条件下应力变化可引起内建电场的产生;内建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化;量子能级变化会引起共振隧穿电流变化,在IV特性上表现为IV

7、曲线的漂移。简言之,在共振隧穿电压附近,通过上述四个物理过程,可将一个微弱力学信号转化为一个较强的电学信号。笔者通过具体实验研究，证实了量子阱有显著的压阻效应，即量子阱薄膜的IV曲线随着外加压力值的变化会发生偏移,测试结果如图1所示。0.10A:stress=0MPaB:stress=48MpaC:stress=138MPaD:stress=249MPa0.09ABCD0.08current/A0.070.060.050.81.01.21.41.6Voltage/V图1不同晶向压力作用的IV特性曲线。2

8、.3RTD振荡器及其压力效果RTD振荡器包括稳压电源、串联电阻、串联电感、并联电容和RTD器件，图2给出了RTD振荡电路的电路原理图和输出波形。图中稳压电源用来给RTD器件施加偏置电压使之工作于微分负阻区。当RTD自身的寄生电阻、电感和电容足够大时，无需外加电阻、电感和电容也可构成振荡回路，加上偏压后便可直接输出频率信号。RTD振荡器的振荡频率由[7]电感值、RTD的I/V特性曲线和电容共同决定。所以当电感和电容值一定时，振荡频率随着共振隧