基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计

　　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[1].

　　NEMS(或称纳系统)是继MEMS之后在系统特征尺寸和效应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[2].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,它是一种基于共振隧穿薄膜隧穿效应的负阻型器件[3],具有速度快、频率高、低压低功耗的特点,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[4]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振荡器输出频率的变化.所以共振隧穿二极管可以应用于力学信号检测.本文根据共振隧穿二极管的压敏效应和仿生学原理设计出GaAs基纳机电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.

　　1 理论依据

　　1.1 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,任意一点附近的物质状态可用声压P、密度Q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V与其周围声介质质点振动幅值V0之间存在以下关系[5]:

　　ρ0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同步,必须使柱体的密度与介质的密度相同.

　　1.2 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.