KR101648730B1 - 구배를 감지하기 위한 자유 전하 캐리어 확산 응답 트랜스듀서 - Google Patents

구배를 감지하기 위한 자유 전하 캐리어 확산 응답 트랜스듀서 Download PDF

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엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

구배를 감지하기 위한 디바이스는 그 특성이 구배에 응답하여 변화하는 재료로부터 구성된다. 디바이스의 일 실시예는 재료(210) 및 재료에 결합된 2개 이상의 전극(240, 270)을 포함하는 구배를 감지하기 위한 트랜스듀서(200)이다. 일 실시예에서, 주위 매체(110) 내의 구배는 확산 전류 밀도(150)를 생성하는 트랜스듀서(130) 내의 재료의 에너지 갭을 변경한다. 재료는 전류 또는 전압 측정 디바이스(520, 530, 540)에 접속하도록 구성되고, 여기서 측정은 매체(160) 내의 구배를 결정하는데 사용된다. 디바이스는 압력, 온도 및/또는 다른 특성을 측정하는데 사용될 수 있다. 트랜스듀서는 상보형 회로로서 동일한 기판 상에 형성될 수 있다. 인듐 안티모나이드로 제조된 트랜스듀서가 압력 구배를 측정하기 위해 해양 지진학에서 사용된다.

Description

구배를 감지하기 위한 자유 전하 캐리어 확산 응답 트랜스듀서{FREE CHARGE CARRIER DIFFUSION RESPONSE TRANSDUCER FOR SENSING GRADIENTS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2008년 11월 21일 출원된 미국 가출원 제 61/117,026호의 이득을 청구한다.
기술 분야
본 발명은 구배를 감지하기 위한 트랜스듀서에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 해양 환경에서 지진 데이터를 수집하기 위해 사용될 수 있는 것과 같은 압력 구배 및 다른 구배를 감지하기 위한 트랜스듀서에 관한 것이다.
트랜스듀서는 방대한 상황들에서 사용되어 왔다. 일반적으로, 트랜스듀서는 일 유형의 에너지를 다른 유형의 에너지로 변환하는 디바이스이다. 물리적 특성의 직접적인 측정은 어려울 수 있기 때문에, 트랜스듀서는 측정하기가 어려운 물리적 특성의 측정을 측정이 더 용이한 물리적 특성으로 변환하기 위해 유용하다.
트랜스듀서의 일 용례는 해양 지진학이다. 해양 지진학은 광대한 물(bodies of water) 아래의 지구의 지하면(subsurface)의 연구이다. 통상의 측정은 지구의 지하면에 조준된 압력파를 생성하는 표면 또는 표면 부근의 파동 발생을 위한 디바이스를 포함한다. 파동은 지구의 내부를 통해 이동하고, 파동은 이들이 지하면을 통해 전진함에 따라 반사되고 굴절된다. 지하면으로부터 반사되는 압력파는 수면 또는 수면 부근에서 제 2 디바이스에서 측정된다. 제 2 디바이스는 트랜스듀서를 포함한다. 통상적으로, 트랜스듀서는 압력파를 전기 신호로 변환하는 적어도 하나의 수중 청음기(hydrophone)이다. 압력파를 측정하기 위해 이용 가능한 몇몇 트랜스듀서는 음파와 관련된 압력 구배를 결정하기 위한 수단으로서 음향 입자 속도 또는 가속도를 측정하는 움직임 센서를 포함한다. 이들 센서는 이들이 음파 또는 다른 현상과 관련되는지에 무관하게 임의의 유형의 움직임을 측정하기 때문에 불리하다. 다른 움직임 소스는 센서로부터 얻어진 측정에 노이즈 및 에러를 추가한다.
측정 프로세스는 수신된 신호가 수면에서 공기-물 계면으로부터 반사된 압력파와 지구의 지하면으로부터 반사된 압력파의 조합이기 때문에 복잡하다. 이들 신호를 분리하는 것은 압력 및 압력 구배의 모두가 주어진 위치에 대해 인지되면 성취될 수 있다. 수중 청음기와 같은 통상의 트랜스듀서는 압력을 감지한다. 그러나, 압력 구배를 감지하기 위한 센서는 더 어렵다.
트랜스듀서는 물리적 특성에 응답하고 출력을 발생시키기 위해 특정량의 시간을 필요로 한다. 매우 신속하게 응답하는 트랜스듀서는 "고속 응답" 트랜스듀서라 칭한다. 다수의 수중 청음기는 이들이 지진파에 의해 발생되는 압력의 변화의 시간보다 훨씬 짧은 시간량에서 압력파에 응답한다는 점에서 고속 응답 트랜스듀서이다. 따라서, 수중 청음기는 종종 수중 청음기의 위치에서 시간 경과에 따른 압력 변화를 측정하는데 사용된다. 수중 청음기는 시간의 함수로서 압력을 측정하는 것으로 설명되는 측정을 제공한다. 시간에 따른 압력의 변화는 압력의 일시적인 도함수 또는 압력의 일시적인 구배라 칭할 수 있다. 그러나, 용어 "압력 구배"는 본 명세서에 사용될 때 위치의 변화에 따른 압력의 변화를 설명하기 위해 배타적으로 유지된다. 이 사용은 당 기술 분야에서 광범위하게 사용되는 것과 일치하고, 이 경우 수중 청음기는 압력 센서이고, 압력 구배 센서는 아니다. 압력 구배 센서는 센서의 위치에서 위치에 따른 압력의 변화를 측정한다. 더욱이, 압력 구배 센서는 고속 응답을 가질 수 있고, 이 경우 이는 시간의 함수로서 센서의 위치에서 위치에 따른 압력의 변화를 측정한다.
특성의 구배를 측정하는 것은 특히 과제가 된다. 구배를 측정하는 하나의 해법은 다수의 위치에서 원하는 특성을 측정하기 위해 다수의 트랜스듀서를 사용하는 것이다. 트랜스듀서들에 의해 수행된 측정치들의 차이는 트랜스듀서들의 위치들 사이의 거리로 나누어질 수 있다. 일정한 구배를 가정하면, 이 해법은 하나의 트랜스듀서로부터 다른 트랜스듀서로 향하는 방향을 따라 특성의 변화의 비율을 생성한다. 간단하기는 하지만, 이 해법은 다수의 문제점을 갖는다. 첫째로, 구배가 2개의 트랜스듀서의 위치 사이에서 변하면(즉, 제 1 도함수가 일정하지 않음), 측정은 충분히 정확하지 않을 수도 있다. 둘째로, 2개의 트랜스듀서로부터의 차이 측정은 이들에 한정되는 것은 아니지만 상대 위치 에러, 공통 모드 제거(CMR) 문제점 및 개별 트랜스듀서 요소에 비하여 대역폭 및 동적 범위의 제한을 포함하는 문제점을 도입할 수 있다.
다른 관련 재료는 적어도 미국 특허 제 7,239,577호, 제 7,295,494호, 제 7,245,954호, 제 6,775,618호, 제 3,715,713호, 미국 특허 출원 공개 제 20050194201호, 미국 SIR 공개 번호 H1524호 및 음향 입자 속도 센서: 디자인, 성능 및 응용( Acoustic Particle Sensors : Design , Performance , and Applications ), 편집자 엠. 제이. 버라이너(M. J. Berliner) 및 제이. 에프. 린드버그(J. F. Lindberg), AIP 회의록 368, 1995년 9월, 뉴욕 우드베리, 미국 물리학회 1996년, 싱 제스프리트(Singh, Jasprit)(2003)년 "반도체 구조체의 전자 및 광전 특성(Electronic and Optoelectronic Properties of Semiconductor Structures)", 뉴욕, 캠브리지 대학 출판사, 첸 에프. 에프.(Chen, F. F.)(1984년) "플라즈마 물리학 및 제어된 융합의 소개(Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion)", 뉴욕: 플레넘 출판사(Plenum Press), 스미스 알. 에이.(Smith R. A.)(1961년) "반도체" 뉴욕: 캠브리지 대학 출판사, 반 캠프, 피. 이.(Van Camp P. E.), 반 도렌 브이. 이.(Van Doren V. E.), 데브리스 제이. 티.(Devreese J. T.)(1990년) "입방형 III-IV족 In 화합물의 전자 특성의 압력 의존성(Pressure dependence of the electronic properties of cubic III-IV In compounds)" 물리적 고찰 비, 1990년 1월, pp. 1598-1602 및 과학 및 기술의 데이터( Data in Science and Technology ), 편집자 알. 포에르쉬케(R. Poerschke), 오 마데렁(O. Madelung)에 의해 편집된 반도체, 4족 원소 및 III -V족 화합물( Semiconductors , Group IV Elements and III -V Compounds )(스프링어-베라그, 뉴욕, 1991년)에서 발견될 수 있다.
본 발명의 기술의 하나 이상의 실시예는 구배를 직접 측정하기 위한 하나 이상의 트랜스듀서를 제공하는 장치, 시스템 및 방법에 관련된다. 본 발명의 기술의 하나 이상의 실시예에 따른 트랜스듀서는 트랜스듀서를 둘러싸는 매체 내의 특성의 구배에 응답하는 재료를 이용한다. 일 실시예에 따르면, 트랜스듀서의 출력이 적어도 부분적으로는 구배에 응답성이 있는 트랜스듀서가 생성될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 트랜스듀서는 트랜스듀서의 주위 매체의 특성의 구배를 측정하기 위해 재료 내의 자유 전하 캐리어의 확산을 이용한다. 본 발명의 기술의 실시예에 따른 트랜스듀서는 측정이 요구되는 물리적 특성에 민감한 "에너지 갭"(종종 "금지된 에너지 갭", "전자 밴드 갭", "에너지 밴드 갭", "밴드 갭" 또는 "밴드갭"이라 칭함)을 갖는 재료로 실질적으로 구성된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 단일의 트랜스듀서가 적어도 일 방향을 따라 구배를 측정하는데 사용된다. 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따르면, 다수의 트랜스듀서가 다수의 위치 및/또는 다수의 방향에서 구배를 측정하기 위해 조합된다.
일 실시예에서, 반도체 재료는 트랜스듀서 내에 사용된다. 사용된 반도체 재료의 에너지 갭은 예를 들어 압력에 의존한다. 압력의 구배는 대응 에너지 갭의 구배를 생성한다. 에너지 갭의 구배는 전자 및 정공과 같은 자유 전하 캐리어의 구배를 생성한다. 더 높은 개수 밀도(number density)의 영역으로부터 더 낮은 개수 밀도의 영역으로 전자 및 정공의 확산이 발생한다. 전자 및 정공의 확산 속도가 서로 상이하면, 전류 또는 전위와 같은 전기 응답이 생성된다. 전기 응답이 측정되어 주위 매체의 압력의 구배를 결정하는데 사용된다. 일 실시예에서, 재료를 통한 전류(예를 들어, 확산 전류)는 주위 매체 내의 압력 구배와 상관된다. 다른 실시예에서, 재료를 가로지르는 전압은 주위 매체 내의 압력 구배와 상관된다.
다수의 특성이 반도체 및 다른 재료 내의 에너지 갭에 영향을 미친다. 따라서, 또 다른 실시예에서, 트랜스듀서를 가로질러 측정된 전압 또는 트랜스듀서를 통한 전류는 주위 매체 내의 온도 구배와 상관된다. 압력, 온도 및/또는 기타 등등과 유사하게 특성이 본 명세서의 실시예의 트랜스듀서에 의해 측정될 수 있다.
구배를 측정하는 것이 가능한 단일의 트랜스듀서의 장점은 무수히 많다. 2개의 통상의 트랜스듀서를 사용하는 측정은 디바이스 구성 및 얻어진 측정치의 분석을 복잡하게 한다. 2개 이상의 통상의 센서가 상이한 측정에 사용될 때, 공통 모드 제거 문제점이 발생한다. 추가로, 하나의 센서로부터 다른 센서로의 제조 편차는 비교시에 측정을 왜곡할 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 단일의 트랜스듀서는 국부적인 구배를 측정하는 것이 가능하고 통상의 차등 센서 측정과 관련된 문제점을 배제한다. 측정된 특성의 공간적 의존성 구배는 트랜스듀서의 에너지 갭 및 결과적인 측정치에 직접적인 영향을 갖고, 2개의 고유 센서를 사용하는 차등 측정은 일정한 구배의 가정을 요구한다.
더욱이, 본 명세서에 개시된 트랜스듀서의 콤팩트한 크기 및 구성은 지금까지 이용 가능하지 않은 트랜스듀서 구성을 용이하게 한다. 예를 들어, 다수의 위치에서의 단일 방향, 단일 위치에서의 다수의 방향 또는 다수의 위치에서의 다수의 방향에서의 구배의 측정을 허용하는 예를 들어, 다수의 트랜스듀서의 배열(arrangement)이 제공될 수 있다. 본 발명의 기술의 일 실시예에 따르면, 추가의 전극이 다수의 방향에서 구배들의 측정을 허용하는 단일 트랜스듀서에 추가될 수 있다. 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따르면, 적어도 2개의 트랜스듀서가 다수의 방향을 따라 상기 구배의 측정을 허용하기 위해 상이한 정렬로 배치될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 2개의 트랜스듀서는 상기 구배의 구배(a gradient of the gradient)를 얻기 위해 다수의 위치에서 구배가 측정될 수 있도록 실질적으로 동일한 방향에 배치될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 본 발명의 기술의 실시예는 구배 트랜스듀서를 제공하는데 사용된 동일한 집적 회로 기판 상에 증폭기, 프로세서, 필터 등과 같은 추가의 회로를 배치할 수 있다.
상기에는 이어지는 상세한 설명이 더 양호하게 이해될 수 있게 하기 위해 본 발명의 기술의 특징 및 기술적 장점을 다소 광범위하게 개략 설명하였다. 본 발명의 청구범위의 요지를 형성하는 추가의 특징 및 장점이 이하에 설명될 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시예가 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 즉시 이해될 수 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있을 것이다. 이러한 등가의 구성은 첨부된 청구범위에 설명된 바와 같은 본 발명의 기술로부터 벗어나지 않는다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 또한 이해될 수 있을 것이다. 그 구성 및 작동 방법의 모두에 대해 본 발명의 기술의 특징으로 고려되는 신규한 특징은 다른 목적 및 장점과 함께 첨부 도면과 연계하여 고려될 때 이하의 설명으로부터 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 도시 및 설명의 목적으로 제공된 것이고, 본 발명의 기술의 한정의 정의로서 의도된 것은 아니라는 것이 명시적으로 이해되어야 한다.
본 발명의 더 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 취한 이하의 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명의 기술의 실시예에 따라 매체 내의 압력 구배를 재료의 측정 가능한 특성으로 변환을 도시하는 흐름도.
도 2는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 트랜스듀서의 단락 회로 작동을 도시하는 다이어그램.
도 3은 본 발명의 기술의 실시예에 따른 트랜스듀서의 개방 회로 작동을 도시하는 다이어그램.
도 4는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 3개의 상호 직교 압력 구배를 측정하도록 구성된 트랜스듀서를 도시하는 다이어그램.
도 5는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 3개의 상호 직교 방향에서의 압력 구배를 측정하도록 구성된 트랜스듀서를 도시하는 다이어그램.
도 6은 본 발명의 기술의 실시예에 따른 다수의 위치에서 구배를 측정하도록 구성된 트랜스듀서를 도시하는 다이어그램.
도 7은 본 발명의 기술의 실시예에 따른 구배 트랜스듀서를 포함하는 집적 회로를 도시하는 다이어그램.
도 8은 대양 스트리머(streamer) 케이블 해양 지진 획득 시스템의 실시예에 따른 개략도.
도 9는 본 발명의 기술의 해저 케이블 해양 지진 획득 시스템의 실시예에 따른 개략도.
처음에, 용이한 참조를 위해, 본 발명의 상세한 설명에 사용된 특정 용어 및 이러한 관계에 있어서 사용된 바와 같은 이들의 의미가 설명된다. 어느 정도로는 청구항에 사용된 용어는 이하에 정의되지 않고, 가장 광범위한 정의가 주어지면 당 기술 분야의 숙련자들은 적어도 하나의 인쇄된 공보 또는 허여된 특허에 반영된 바와 같은 용어가 제공되어야 한다.
본 명세서에 사용될 때, "구배"는 위치에 따른 압력 및 온도와 같은 특성의 변화의 비율이다.
본 명세서에 사용될 때, "수중 청음기"는 트랜스듀서를 둘러싸는 물의 압력의 일시적인 편차를 검출하기 위한 압력 트랜스듀서이다.
본 명세서에 사용될 때, "밴드갭"이라 또한 칭하는 "에너지 갭"은 어떠한 전자 상태도 존재하지 않는 고체 내의 에너지 범위이다. 반도체에 있어서, 에너지 갭은 가전자대(valence band)의 상부와 전도대의 하부 사이의 에너지 차이를 칭하고, 전자는 일 밴드로부터 다른 밴드로 점프하는 것이 가능하다. 전자가 일 가전자대로부터 전도대로 점프하게 하기 위해, 전이를 위한 특정량의 에너지를 필요로 한다. 필요한 에너지는 이종재료마다 상이하다.
본 명세서에 사용될 때, 매체의 "물리적 특성"은 매체의 압력, 온도, 스트레인 파라미터, 자기 플럭스 밀도 및 임의의 다른 측정 가능한 속성을 포함한다.
본 명세서에 사용될 때, "매체"는 트랜스듀서가 그 내부의 구배를 측정하게 할 수 있는 본 명세서에 개시된 트랜스듀서에 의해 변위 가능한 해수, 강물, 호수, 늪지 물, 진흙, 해저 진흙, 점성 유체, 기체, 고체 및 임의의 다른 물질을 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에 사용될 때, "결합", "결합하는" 및 "결합된"은 부착, 고정, 정합 등을 의미하고 칭한다.
본 명세서에 사용될 때, "자유 전하 캐리어"는 전하, 예를 들어 전자 또는 정공을 운반하는 자유(이동, 비구속) 입자이다.
본 명세서에 사용될 때, "정공"은 반도체 결정의 원자가 전자가 없는 것을 칭한다.
본 명세서에 사용될 때, "반도체"는 중간 레벨의 전기 전도도를 갖는 절연체도 또한 완전 전도체도 아니고 전도가 정공 및 전자에 의해 발생하는 재료이다.
본 명세서에 사용될 때, "도핑된 반도체"는 도핑제가 도입되어 진성(순수한) 반도체와는 상이한 전기 특성을 제공하는 반도체이다. 도핑은 진성 반도체에 도펀트 원자를 첨가하는 것을 수반하고, 이는 열 평형에서 반도체의 전자 및 정공 캐리어 농도를 변화한다.
본 명세서에 사용될 때, 미도핑 반도체라 또한 칭하는 "진성 반도체"는 존재하는 임의의 중요한 도펀트 종이 없는 순수 반도체이다. 따라서, 자유 전하 캐리어의 수는 불순물의 양 대신에 재료 자체의 특성에 의해 결정된다.
본 명세서에 사용될 때, "자유 전하 캐리어 밀도"는 단위 체적당 자유 전하 캐리어의 수를 나타낸다.
본 명세서에 사용될 대, "확산 전류"는 확산에 의해, 즉 높은 캐리어 농도의 영역으로부터 낮은 캐리어 농도의 영역으로 반도체 내에서의 자유 전하 캐리어의 움직임을 나타낸다.
본 출원에 인용된 모든 특허, 테스트 절차 및 다른 문헌은 이러한 합체가 허용되는 모든 권한에 대해 이러한 개시 내용이 본 출원에 불일치하지 않는 정도로 참조로서 완전히 합체되어 있다.
이하의 상세한 설명 섹션에서, 본 발명의 특정 실시예는 바람직한 실시예와 관련하여 설명된다. 그러나, 이하의 설명이 본 발명의 특정 실시예 또는 특정 사용에 특정한 정도로, 단지 그리고 간단히 예시적인 목적으로 예시적인 실시예의 설명을 제공하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 이하에 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니고, 오히려 첨부된 청구범위의 진정한 사상 및 범주 내에 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함한다.
본 출원에 개시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 실시예에 따라 적용된 트랜스듀서는 트랜스듀서를 둘러싸는 매체의 특성의 구배를 직접 감지하는 것이 가능하다. 예를 들어, 구배 트랜스듀서는 재료의 적어도 하나의 특성이 본체를 둘러싸는 매체의 구배에 응답성인 재료를 포함하는 본체를 갖는다. 따라서, 이러한 재료로 구성된 구배 트랜스듀서 본체는 트랜스듀서의 출력이 주위 매체 내의 구배에 직접 응답하도록 제공될 수 있다.
특성의 국부적인 구배에 직접 민감한 단일의 트랜스듀서는 특히 압력 구배 또는 온도 구배를 측정하기 위해 다수의 장점을 가질 수 있다. 일 예는 반자성 전류 응답 트랜스듀서(Diamagnetic Current Response Transducer), 미국 특허 제 7,295,494호이다. 트랜스듀서는 주위 유체 매체 내의 압력 구배에 응답한다. 그러나, 디바이스는 자기 플럭스 밀도와 이동도를 곱한 값이 1보다 크게 되도록 높은 이동도를 갖는 자유 전하 캐리어로 이루어진 재료와 강한 자기 플럭스 밀도의 적용을 요구한다. 본 발명은 강한 자기 플럭스 밀도의 적용을 요구하지 않지만, 외부 자기장의 적용 없이 특성 구배를 감지하기 위해 특정 재료의 고유의 거동에 의존한다. 재료는 바람직하게는 반대 전하를 갖는 자유 전하 캐리어들의 이동도들에서 큰 차이를 갖는다.
압력 및 온도와 같은 특성의 구배를 측정하는 다른 방법이 존재한다. 각각은 다양한 정도의 성공을 갖고 측정 목적을 성취한다. 예를 들어, 유체 매체 내의 음향파와 관련된 압력 구배를 측정하는 문제점은 다수의 방식으로 접근되어 왔다. 예를 들어, "음향 입자 속도 센서: 디자인, 성능 및 응용, 편집자 엠. 제이. 버라이너 및 제이. 에프. 린드버그, AIP 회의록 368, 1995년 9월, 뉴욕 우드베리, 미국 물리학회 1996년을 참조하라. 다수의 이들 해법은 대용물(proxy)로서 음향 입자 속도 또는 가속도를 측정하는 것을 수반한다. 그러나, 다수의 문제점이 전술된 바와 같이 동작 센서(변위, 속도, 가속도)의 사용과 관련된다.
본 명세서에서 가르치는 바와 같이, 자유 전하 캐리어 확산을 사용하는 하나 이상의 재료로 구성된 트랜스듀서 본체는 단일 트랜스듀서로 구배를 측정하는데 사용하기 위한 하나의 예이다. 이러한 트랜스듀서 본체를 위한 재료는 측정되어야 할 필요한 특성이 재료의 에너지 갭을 공간적으로 변경하도록 선택된다. 예는 문헌에서 발견될 수 있는데, 예를 들어 다수의 반도체에 대한 온도에 대한 에너지 갭 의존성은 싱 제스프리트(Singh, Jasprit)(2003)년 "반도체 구조체의 전자 및 광전 특성", 뉴욕, 캠브리지 대학 출판사, 테이블 D.1, 페이지 517에 제공되고, 반 캠프, 피. 이., 반 도렌 브이. 이., 데브리스 제이. 티. "입방형 III-IV족 In 화합물의 전자 특성의 압력 의존성" 물리적 고찰 비, 1990년 1월, pp. 1598-1602는 다수의 반도체에 대한 압력에 대한 에너지 갭 의존성을 제공한다. 오 마데렁에 의해 편집된 반도체, 4족 원소 및 III-V족 화합물(스프링어-베라그, 뉴욕, 1991년)은 주기율표의 다수의 IV족 원소 및 III-V족 화합물을 위한 에너지 갭 및 다른 전자 특성을 제공한다.
추가로, 자유 전자 및 정공 이동도가 실질적으로 상이한 재료들이 선택된다. 나타낼 수 있는 바와 같이, 이동도의 큰 차이는 더 큰 전기 응답을 허용한다. 하나 이상의 실시예는 압력, 온도 및/또는 기타 등등과 같은 구배의 측정을 제공한다. 이하에 설명되는 실시예는 압력 구배의 측정을 제공한다. 그러나, 본 발명의 교시는 다양한 구배를 측정하는 실시예에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 기술의 실시예에 따라 매체 내의 압력 구배로부터 재료의 측정 가능한 전기 특성으로의 변환을 도시하는 예시적인 흐름도(100)이다. 압력 구배를 측정하기 위한 트랜스듀서의 하나의 유리한 용례는 해양 지진학이다. 블록(105)에서, 트랜스듀서는 매체 내에 제공된다. 블록(110)에서, 반사된 파동은 트랜스듀서를 둘러싸는 매체 내의 압력 구배를 생성한다. 이 압력 구배는 트랜스듀서와 직접 상호 작용할 수 있고 또는 트랜스듀서에 기계적으로 결합될 수 있다. 블록(120)에서, 매체 내의 압력 구배는 트랜스듀서의 재료 내의 압력 구배를 생성한다. 블록(130)에서, 재료 내의 압력 구배는 트랜스듀서 내의 재료의 에너지 갭을 공간적으로 변경한다. 블록(140)에서, 에너지 갭의 변화는 트랜스듀서 내의 자유 전하 캐리어 밀도의 구배를 생성한다. 블록(150)에서, 자유 전하 캐리어 밀도의 구배는 트랜스듀서 내의 확산 전류 밀도를 생성한다. 블록(160)에서, 확산 전류 밀도가 측정된다. 이는 트랜스듀서를 통한 전류 흐름으로서 또는 트랜스듀서를 가로지르는 전압 전위로서 측정될 수 있다. 변환은 이하에 더 설명된다.
예시적인 목적으로, 관계가 유도되어, 측정되어야 할 필요한 특성이 압력의 구배인 하나의 가능한 예에 대한 도 1의 이벤트에 상관된다. 해양 지진학에서, 트랜스듀서는 일 실시예에서 설명된 바와 같이 광대한 물(매체) 내에 배치될 수 있다. 압력의 공간 편차는 블록(130)에서와 같이 재료의 에너지 갭의 공간 편차를 발생시킨다. 변경된 에너지 갭은 수학식 1에 의해 제공된 입자 플럭스를 초래하는 블록(140)에서와 같은 자유 전자 및 정공의 공간 구배, 전하 캐리어, 밀도를 발생시키고, 이는 이하와 같다.
[수학식 1]
Figure 112011045905515-pct00001
여기서,
Figure 112014081497390-pct00002
는 입자 플럭스이고, Ds는 확산 계수이고, ns는 밀도이고, 하첨자 "s"는 전자 또는 정공과 같은 특정 자유 전하 캐리어 종을 나타낸다. 블록(150)으로서 표현된 확산 전류 밀도는 수학식 2 및 3에 의해 제공된 기본 전하와 입자 플럭스를 곱한 값이고, 이는 이하와 같다.
[수학식 2]
Figure 112011045905515-pct00003
여기서, 하첨자 "e"는 전자를 칭한다.
[수학식 3]
Figure 112011045905515-pct00004
여기서, 하첨자 "h"는 정공을 칭하고, 여기서
Figure 112011045905515-pct00005
는 전자 확산 전류 밀도이고,
Figure 112011045905515-pct00006
는 정공 확산 전류 밀도이고, e는 기본 전하이다. 총 확산 전류 밀도는 전자 및 정공 확산 전류 밀도의 합이다.
[수학식 3.5]
Figure 112011045905515-pct00007
따라서, 블록(160)에서와 같은 확산 전류는 수학식 4에 의해 제공된 전류가 흐르는 단면적과 총 확산 전류 밀도를 곱한 값이고, 이는 이하와 같다.
[수학식 4]
Figure 112011045905515-pct00008
여기서,
Figure 112011045905515-pct00009
는 전류가 흐르는 단면적과 동일한 크기 및 전류가 흐르는 단면적의 표면에 수직인 방향을 갖는 벡터이고, θ는 표면에 수직인 방향과 총 확산 전류 밀도의 방향 사이의 각도이고, 총 확산 전류 밀도는 단면적에 걸쳐 대략 일정하다.
Figure 112011045905515-pct00010
가 제공되면, 확산 전류 밀도 및 확산 전류가 존재한다. 아인슈타인의 관계를 사용하여, 이하의 수학식 4.5에 의해 제공된 총 확산 전류 밀도와
[수학식 4.5]
Figure 112011045905515-pct00011
이하의 수학식에 의해 제공되는 확산 전류를 얻기 위해 치환이 이루어진다.
[수학식 5]
Figure 112011045905515-pct00012
여기서, kB는 볼츠만 상수이고, T는 온도이고, μe는 전자 이동도이고, μh는 정공 이동도이다. 이 형태에서, 총 확산 전류 밀도 및 확산 전류는
Figure 112011045905515-pct00013
가 제공되면 존재하는 것으로 나타난다.
2개의 유형의 이용 가능한 반도체는 진성 반도체 및 도핑된 반도체이다. 일 실시예에서, 진성 반도체가 사용된다. 진성 반도체에서, 전자 및 정공 개수 밀도는 이하의 수학식 5.5에 의해 제공된 바와 같이 동일하다.
[수학식 5.5]
Figure 112011045905515-pct00014
전자 및 정공 개수 밀도 구배는 수학식 6에 의해 제공된 바와 같이 동일하고, 이는 이하와 같다.
[수학식 6]
Figure 112011045905515-pct00015
다른 실시예에서, 도핑된 반도체가 사용된다. 도핑은 수학식 6.5 및 7에 의해 제공된 바와 같은 자유 전하 캐리어 밀도 사이의 관계를 변경한다.
[수학식 6.5]
Figure 112011045905515-pct00016
수학식 7은 이하와 같다.
[수학식 7]
Figure 112011045905515-pct00017
Na는 수용체 개수 밀도이고, Nd는 공여자 개수 밀도이고, nd는 비이온화된 공여자의 개수 밀도이고, na는 비이온화된 수용체의 개수 밀도이다. 반도체를 도핑하는 것은 재료의 개수 밀도의 변화를 초래한다. 압력 구배로부터의 에너지 갭의 변화는 도핑된 반도체 뿐만 아니라 진성 반도체에 영향을 미친다. 조합된 효과는 도핑의 결과로서 자유 전하 캐리어 밀도의 고정된 변화 및 주위 매체의 압력 변화의 결과로서 자유 전하 캐리어 밀도의 변조를 초래한다. 당 기술 분야의 숙련자는 도핑의 고정된 효과가 계산을 통해 인수 분해되고 상기에 제공된 수학식 5에서 보충될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
불순물의 균일한 분포를 갖는 도핑된 반도체가 또한 고려될 수 있다. 다음에, 불순물에 기인하는 구배는 0이다.
Figure 112011045905515-pct00018
이 경우, 전자 및 정공 개수 밀도가 영향을 받고, 일반적으로 동일하지 않은데, 즉
Figure 112014081497390-pct00019
이고, 전자 및 정공 개수 밀도 구배는 동일한데, 즉
Figure 112014081497390-pct00020
이다.
상기에 나타낸 수학식 5는 자유 캐리어 밀도 구배의 견지에서 측정 가능한 특성을 정의한다. 자유 전하 캐리어 밀도 구배는 주위 매체 내의 압력 구배에 응답하여 공간적으로 변하는 물리적 특성의 함수이다. 수학식 3.5 내지 6은 진성 반도체 내의 확산 전류 밀도 및 확산 전류에 대한 간단화된 표현을 얻도록 조합될 수 있다.
[수학식 7.1]
Figure 112011045905515-pct00021
[수학식 7.2]
Figure 112011045905515-pct00022
[수학식 7.3]
Figure 112011045905515-pct00023
[수학식 7.4]
Figure 112011045905515-pct00024
Figure 112011045905515-pct00025
또는 대응적으로
Figure 112011045905515-pct00026
이면, 확산 전류 밀도 및 확산 전류가 존재할 수 있다. 전자 및 정공 이동도의 더 큰 차이를 갖는 진성 반도체는 주어진 자유 전하 캐리어 밀도 구배를 위한 더 큰 확산 전류를 생성할 것이다.
주위 매체 내의 압력 구배에 응답하여 자유 전하 캐리어 밀도 구배를 갖는 조건을 나타내는 재료의 한 종류는 진성 반도체이다. 진성 반도체의 자유 전하 캐리어 밀도는 수학식 8에 의해 지배되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 8]
Figure 112011045905515-pct00027
여기서 h는 플랭크 상수이고, me 및 mh는 각각 전자 및 정공 유효 질량이고, Eg는 에너지 갭이다. [예를 들어, 싱 제스프리트(2003)년 "반도체 구조체의 전자 및 광전 특성", 뉴욕, 캠브리지 대학 출판사, 페이지 89 및 스미스 알. 에이.(1961년) "반도체" 뉴욕, 캠브리지 대학 출판사, 페이지 78을 참조하라.] 등온 경우에, 본질적인 자유 전하 캐리어 밀도의 구배는 수학식 9에 의해 에너지 갭의 구배에 관련되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 9]
Figure 112011045905515-pct00028
이용 가능한 하나의 진성 반도체는 인듐 안티모나이드(InSb)이다. 진성 인듐 안티모나이드의 에너지 갭은 반 캠프, 피. 이., 반 도렌 브이. 이., 데브리스 제이. 티.(1990년) "입방형 III-IV족 In 화합물의 전자 특성의 압력 의존성" 물리적 고찰 비, 1990년 1월, pp. 1598 내지 1602에 이하의 수학식으로서 제공되어 있다.
[수학식 9.5]
Figure 112011045905515-pct00029
여기서 p는 압력이다.
Figure 112011045905515-pct00030
가 되도록 일 차원에서 구배를 가정하면, 에너지 갭의 구배는 수학식 10에 의해 제공되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 10]
Figure 112011045905515-pct00031
여기서(및 이후에) 상수는 MKS 단위계(미터-킬로그램-초 단위계)와 일치한다. p << 1.88×1010 파스칼이 제공되면, 수학식 10의 우측의 두 번째 항은 무시할만할 수 있다(0에 상응함). 일 차원의 자유 전하 캐리어 밀도 구배는 수학식 11에 의해 제공되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 11]
Figure 112011045905515-pct00032
여기서, ni는 전자 밀도(ne) 및 정공 밀도(nh)의 모두이다. 300 K의 실온에서, InSb는 2.05×1022/m3의 본질적인 개수 밀도와, 각각 800 m2/V/s 및 0.125 m2/V/s의 전자 및 정공 이동도를 갖는다. 다음에, 확산 전류 밀도는 수학식 12에 의해 제공되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 12]
Figure 112011045905515-pct00033
수학식 5와 유사한 수학식은 센서가 1 cm×1 cm×1 cm의 크기가 되도록 가정하는 인듐 안티모나이드의 경우에 대해 결정되고 수학식 13에 의해 제공되고, 이하와 같다.
[수학식 13]
Figure 112011045905515-pct00034
예를 들어, 미터당 1 파스칼의 압력 구배가 -1.77×10-10 암페어의 확산 전류를 생성한다.
이전의 단락은 압력 구배 트랜스듀서를 위한 트랜스듀서 재료로서 인듐 안티모나이드를 설명하였다. 인듐 안티모나이드는 에너지 갭이 압력에 의존하기 때문에 그리고 전자 및 정공 이동도의 차이가 크기 때문에, 즉 300 K에서 7.875 m2/V/s이기 때문에 유용한 압력 구배 트랜스듀서 재료이다. 다수의 재료는 0.1 내지 10 m2/V/s의 범위의 이동도의 큰 차이를 갖는다. 0.1 미만의 이동도의 차이를 갖는 재료는 훨씬 더 약한 전기 응답을 제공할 수 있다. 10을 초과하는 이동도의 차이를 갖는 재료가 훨씬 더 강한 응답을 제공할 수 있지만, 300 K(실온)에서 10을 초과하는 이동도의 차이를 갖는 재료는 쉽게 구할 수가 없다. 그러나, 몇몇 재료를 냉각 또는 과냉하는 것은 실질적으로 이동도의 차이를 증가시킨다. 300 K(실온) 이외의 온도에서 작동은 증폭된 전기 응답을 제공하는데 사용될 수 있다.
측정 가능한 전기 특성으로 압력 구배를 변환하는 것이 이전의 단락에 개시되어 있지만, 감지를 위해 선택된 재료의 에너지 갭을 변경하는 임의의 특성이 실질적으로 유사한 방식으로 변환될 수 있다. 이들 특성의 부분적인 리스트는 예를 들어 압력, 온도 및 스트레인을 포함한다.
도 2는 본 발명의 기술의 실시예의 구배 트랜스듀서(200)의 단락 회로 작동을 도시하는 다이어그램이다. 트랜스듀서(200)의 단락 회로 작동은 수학식 5에서 상기에 제공된 바와 같이 파라미터(iD)를 통해 단일의 트랜스듀서로 압력 구배를 측정하기 위한 일 실시예이다. 구배 트랜스듀서(200)는 트랜스듀서 하우징 또는 트랜스듀서 본체(290)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 하우징은 재료(210) 및 전극(240, 270)을 에워싸지만, 전류 측정 디바이스(260)에 전기 접속성을 제공한다. 대안적으로, 트랜스듀서 하우징은 재료(210), 전극(240, 270) 및 전류 측정 디바이스(260)를 에워쌀 수 있고, 또는 트랜스듀서(200)의 부품을 위한 적합한 패키징의 임의의 구성일 수 있다. 재료(210)의 형상 및 크기는 특정 디자인 요건에 부합하도록 선택될 수 있고, 당 기술 분야의 숙련자는 앞에서 수립된 관계를 다른 형상 및 크기에 적응할 수 있을 것이다. 이 실시예에서, 재료(210)는 1 cm의 측면 길이를 갖는 튜브이다. 재료(210)는 주위 매체 내의 압력 구배에 응답하여 자유 전하 캐리어 밀도 구배(230)의 결과로서 형성하기 위해 확산 전류 밀도(JD)(220)에 대한 특성을 나타내는 하나 이상의 재료(비한정적인 예는 인듐 안티모나이드와 같은 반도체임)로 제조된다. 전도성 재료로 구성된 전극(240) 및 전극(270)은 확산 전류 밀도(220)를 포획하기 위해 재료(210)에 결합된다. 여기에 도시된 전극(240) 및 전극(270)은 정사각형 형상이고 트랜스듀서의 서로 반패편을 향하는 측면 상에 있지만, 임의의 형상 또는 크기가 유사한 방식으로 기능할 수 있다. 전도체(250)가 양 단부에서 전극(240) 및 전극(270)에 결합된다. 전류 측정 디바이스(260)가 전도체(250)에 또한 결합된다. 전류 측정 디바이스(260)는 전류를 측정하는 것이 가능한 전류계 또는 다른 디바이스 또는 집적 회로 또는 다른 유사한 측정 디바이스일 수 있다. 트랜스듀서 하우징(290)은 트랜스듀서 재료 및 부속 다른 디바이스를 해로운 환경 조건으로부터 보호하기 위한 방수 패키지 및/또는 전기 절연성 패키지일 수 있다.
본 발명의 기술의 실시예의 일 장점은, 트랜스듀서(200)가 어떠한 외부 자기장도 적용되지 않아도 매체 내의 구배에 수동으로 응답하는 것이다. 그 결과, 상기 트랜스듀서 실시예는 매체 내의 구배에 응답하여 트랜스듀서의 변화를 유도하기 위해 인가된 전기 또는 자기장을 사용하는 유사한 디자인보다 설계하고, 작동하고, 제조하는 것이 더 용이하다.
트랜스듀서는 트랜스듀서로부터 수집된 데이터를 측정하고, 저장하고, 해석하고, 표시하기 위한 시스템을 생성하기 위해 추가의 디바이스에 결합될 수 있다. 예를 들어, 메모리 디바이스는 실시예에 따른 트랜스듀서로부터 얻어진 측정값을 버퍼링하거나 저장하기 위해 측정 디바이스에 결합될 수 있다. 더욱이, 프로세서는 실시예에 따라 수집된 데이터를 분석하고 측정 프로세스를 제어하기 위해 트랜스듀서 및 메모리에 결합될 수 있다. 마이크로프로세서일 수 있는 프로세서는 알고리즘, 룩업 테이블 또는 당 기술 분야의 숙련자에 공지된 다른 수단을 통해 측정된 값으로부터 압력 구배를 계산할 수 있다. 추가로, 디스플레이가 시스템에 부착될 수 있어 트랜스듀서로부터 수집된 데이터의 판독 및 실시예에 따른 프로세스에 의해 수행된 다른 분석을 허용할 수 있다.
다른 실시예에서, 트랜스듀서는 상이한 전기 파라미터, 전위차(또는 전압)(V)를 사용한다. 실시예에서, 트랜스듀서의 2개의 전극 사이의 고임피던스는 전류를 방해한다. 전기장은 저항 전류 밀도에 의해 균형화된 확산 전류 밀도로부터 발생하고, 저항 전류 밀도는 수학식 14에 의해 제공되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 14]
Figure 112011045905515-pct00035
여기서,
Figure 112011045905515-pct00036
는 전기장이다. 고임피던스에 기인하여, 확산 및 저항 전류 밀도는 0으로 합산되어야 하는데, 즉
Figure 112011045905515-pct00037
이다. 전기장에 대한 해결책은 수학식 15에 의해 제공되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 15]
Figure 112011045905515-pct00038
2개의 전극 사이의 전위차는 이어서 수학식 16에 의해 제공되고, 이는 이하와 같다.
[수학식 16]
Figure 112011045905515-pct00039
여기서, V는 전극 사이의 전압이고,
Figure 112011045905515-pct00040
은 차이 길이 크기를 갖고 양 전극 사이의 경로를 따라 접선으로 지향하는 벡터이다. 수학식 15에서 이전에 얻어진
Figure 112011045905515-pct00041
에 대해 수학식을 사용하여 적분을 평가하는 것은 수학식 17에 의해 제공된 전압을 생성하고, 이는 이하와 같다.
[수학식 17]
Figure 112011045905515-pct00042
여기서, d는 2개의 전극 사이의 거리이고, θ는 전기장(
Figure 112011045905515-pct00043
)의 방향과 2개의 전극을 연결하는 직선 사이의 각도이다.
일 실시예에서, 진성 반도체가 사용된다. 수학식 5.5 및 6은 진성 반도체에 대한 전기장 및 전압을 위한 표현을 간단화하는데 사용될 수 있다.
[수학식 17.1]
Figure 112011045905515-pct00044
[수학식 17.2]
Figure 112011045905515-pct00045
Figure 112011045905515-pct00046
이면, 전기장 및 전압이 존재할 수 있다. 전자 및 정공 이동도의 더 큰 차이를 갖는 진성 반도체가 소정의 자유 전하 캐리어 밀도 및 구배에 대해 더 큰 전압을 생성할 수 있다. 2개의 이동도 중 더 작은 것이 가능한 한 제로에 근접하여, 이에 의해 분모의 이동도의 합을 최소화하면 또한 유리하다.
단락 회로예와 유사하게, 개방 회로예는 재료가 인듐 안티모나이드인 경우에 대해 계산되고, 수학식 18에 의해 제공되고, 이하와 같다.
[수학식 18]
Figure 112011045905515-pct00047
전압을 위한 수학식은 센서가 1 cm×1 cm×1 cm의 크기가 되도록 가정하는 인듐 안티모나이드의 경우에 대해 결정되고 수학식 19에 의해 제공될 수 있고, 이하와 같다.
[수학식 19]
Figure 112011045905515-pct00048
예를 들어, 미터당 1 파스칼의 압력 구배는 6.62×10-13 볼트의 전압을 생성한다. 수학식 18 및 19는 수학식 12 및 13에 제공된 단락 회로 해결책에 유사한 개방 회로이다.
도 3은 본 발명의 기술의 실시예의 구배 트랜스듀서의 개방 회로 작동을 도시하는 다이어그램이다. 개방 회로 작동은 수학식 19에서 상기에 제공된 바와 같이 파라미터 V를 통해 단일의 트랜스듀서로 압력 구배를 측정하기 위해 센서 내에서 사용될 수 있는 트랜스듀서의 일 실시예이다. 구배 트랜스듀서(300)는 트랜스듀서 재료(310)를 포함한다. 트랜스듀서 재료(310)는 주위 매체 내의 압력 구배에 응답하여 자유 전하 캐리어 밀도 구배(330)의 결과로서 형성하기 위해 확산 전류 밀도(JD)(320)를 위해 필요한 특성을 나타내는 하나 이상의 재료(예를 들어, 인듐 안티모나이드와 같은 반도체)일 수 있다. 전도성 재료로 구성된 전극(360) 및 전극(370)은 트랜스듀서 재료(310)에 결합된다. 고임피던스 접속부(380)가 양 단부에서 전극(360) 및 전극(370)에 결합된다. 고임피던스 접속부(380)는 전기장(340)이 강제로 형성되어 고임피던스 접속부(380)에 결합된 전압 측정 디바이스(390)에 의해 측정될 수 있는 전극(360)과 전극(370) 사이의 전위차를 생성하게 한다. 전압 측정 디바이스(390)는 전압을 측정하는 것이 가능한 전압계 또는 다른 디바이스 또는 집적 회로일 수 있다. 트랜스듀서 및 부속 디바이스는 트랜스듀서 하우징(290)과 관련한 상기 설명과 유사하게, 트랜스듀서(300) 및 부속 디바이스를 해로운 환경 조건으로부터 보호하기 위해 방수 및 전기 절연성 패키지 또는 하우징(350) 내에 패키징될 수 있다.
도 2에 설명된 바와 같은 단락 회로 작동 또는 도 3에 설명된 바와 같은 개방 회로 작동은 디바이스 임피던스 및 회로 노이즈 특징에 따라 사용될 수 있다. 도 2의 단락 회로 작동 및 도 3의 개방 회로 작동으로서 도시된 구성은 배타적인 구성으로 의도된 것은 아니다. 당 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 기술에 따라 구배를 측정하는 추가의 구성이 존재한다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 정합된 임피던스 구성은 공지의 회로 디자인 방법으로부터 유도될 수 있다.
도 4는 3개의 서로 직교하는 압력 구배를 측정하도록 구성된 트랜스듀서를 도시하는 다이어그램이다. 다중 구배 트랜스듀서의 구성은 해저 및 스트리머 해양 지진 용례에서 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치 또는 구성은 통상의 센서 측정을 완료하거나 대체하기 위해 2-부품(2C) 또는 4-부품(4C) 해저 해양 지진 용례로 통합될 수 있다. 다중 트랜스듀서 구성은 또한 견인된 스트리머 해양 지진 용례에서 2C 능력을 가능하게 하는데 사용될 수 있다. 예시적인 구성으로서, 트랜스듀서의 장치(400)는 구배 트랜스듀서(410, 420, 430)를 포함한다. 구배 트랜스듀서(410)는 제 1 방향에서 iD 및 V를 측정하기 위해 전극(414, 416)을 경유하여 재료(418)에 결합된 측정 디바이스(412)를 포함한다. 트랜스듀서(410)에 직교하여 정렬된 구배 트랜스듀서(420)는 제 2 방향에서 iD 및 V를 측정하기 위해 전극(424, 426)을 경유하여 재료(428)에 결합된 측정 디바이스(422)를 포함한다. 트랜스듀서(410) 및 트랜스듀서(420)에 직교하여 정렬된 구배 트랜스듀서(430)는 제 3 방향에서 iD 및 V를 측정하기 위해 전극(434, 436)을 경유하여 재료(438)에 결합된 측정 디바이스(432)를 포함한다. 트랜스듀서(418, 428, 438)는 동일한 재료 또는 상이한 재료일 수 있다.
장치(400)의 대안은 트랜스듀서(410), 트랜스듀서(420) 및 트랜스듀서(430)를 위한 단일의 측정 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위치는 단일의 측정 디바이스에 트랜스듀서를 결합하는데 사용될 수 있다. 트랜스듀서(410), 트랜스듀서(420) 및 트랜스듀서(430)는 본 발명의 실시예 또는 대안 구성에 개시된 바와 같은 구배 트랜스듀서일 수 있다.
도 5는 3개의 서로 직교하는 압력 구배를 측정하도록 구성된 트랜스듀서를 도시하는 다이어그램이다. 구배 트랜스듀서(500)는 트랜스듀서 재료(510)를 포함한다. 3개의 세트의 전극(522, 524, 532, 534, 542, 544)이 트랜스듀서 재료(510)에 결합된다. 전극(522, 524)은 제 1 방향을 따라 재료(510)의 iD 및 V를 측정하기 위해 측정 디바이스(520)에 결합된다. 전극(532, 534)은 제 2 방향을 따라 재료(510)의 iD 및 V를 측정하기 위해 측정 디바이스(530)에 결합된다. 전극(542, 544)은 제 3 방향을 따라 재료(510)의 iD 및 V를 측정하기 위해 측정 디바이스(540)에 결합된다. 전극은 전기 전도성 재료(예를 들어, 구리)로 구성되고 임의의 크기 또는 형상일 수 있다.
도 6은 본 발명의 기술의 실시예에 따른 다수의 위치에서의 구배를 측정하도록 구성된 트랜스듀서를 도시하는 다이어그램이다. 이 구성은 측정된 특성의 제 2 도함수(즉, 구배의 구배)를 측정하는데 사용될 수 있다. 트랜스듀서의 구성 또는 장치(600)는 구배 재료(610)와 재료(610)의 iD 또는 V를 측정하기 위한 측정 디바이스(612)를 포함한다. 장치(600)는 구배 트랜스듀서(620)와 트랜스듀서(620)의 iD 또는 V를 측정하기 위한 측정 디바이스(622)를 또한 포함한다. 트랜스듀서(610)는 측정 디바이스(612)에 결합된 전극(614) 및 전극(616)을 갖는다. 전극(616)은 트랜스듀서(620)에 의해 공유된다. 트랜스듀서(620)는 측정 디바이스(622)에 결합된 전극(624) 뿐만 아니라 전극(616)을 갖는다. 대안적으로, 트랜스듀서는 각각의 트랜스듀서가 장치 내의 다른 트랜스듀서에 실질적으로 평행하게 정렬되지만 각각의 트랜스듀서가 2개의 개별 전극을 갖도록 분리될 수 있다. 트랜스듀서(610) 및 트랜스듀서(620)는 본 발명의 기술의 실시예 또는 대안적인 구성에 개시된 바와 같은 구배 트랜스듀서일 수 있다.
도 7은 본 발명의 기술의 실시예에 따른 구배 트랜스듀서를 포함하는 집적 회로를 도시하는 다이어그램이다. 집적 회로(700)는 패키지(710)를 포함한다. 패키지(710)는 구배 트랜스듀서(720)의 장치를 포함한다. 증폭기(730)가 패키지(710) 내에 또한 포함된다. 증폭기(730)는 구배 트랜스듀서(720)로부터 수신된 신호의 크기를 증가시킨다. 메모리(740)가 패키지(710) 내에 또한 포함된다. 메모리(740)는 측정값에 대한 일시적인 버퍼 또는 측정값에 대한 영구 저장 위치일 수 있다. 마이크로프로세서(750)가 패키지(710) 내에 또한 포함된다. 마이크로프로세서(750)는 메모리(740) 내에 저장된 측정값을 분석하고 구배 트랜스듀서(720), 증폭기(730) 및 메모리(740)를 제어하는데 사용될 수 있다. 이들 디바이스는 당 기술 분야의 숙련자들에게 공지된 방법을 사용하여 단일 기판 상에 구성될 수 있다.
도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 장치는 배타적인 장치로 의도된 것은 아니다. 당 기술 분야의 숙련자는 추가의 장치가 공지의 회로 설계 방법으로부터 유도될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 2개 이상의 전극쌍이 상기 본 발명의 기술에 따른 재료에 대한 측정을 제공하기 위해 재료 상에 배치될 수 있다. 이들 전극쌍은 특정 방향에 대한 구배에 대한 정보를 제공하기 위해 상이한 각도로 서로에 대해 상이한 방향으로 배향될 수 있다. 즉, 2개, 3개 또는 4개 이상의 전극쌍은 상이한 축을 따른 상이한 구배를 제공하도록 재료 상에 배향될 수 있다.
1 cm×1 cm×1 cm의 트랜스듀서 재료 크기가 디바이스 작동을 위한 계산을 증명하는데 사용되었지만, 크기는 구배 트랜스듀서의 작동을 위해 요구되지 않는다. 트랜스듀서 재료의 크기는 측정될 수 있는 파장에 영향을 미친다. 해양 지진학을 위한 파장은 대략 10 m 내지 1000 m의 범위 내에 있다. 일반적으로, 구배의 방향의 트랜스듀서의 치수는 파장보다 훨씬 작아야 한다. 더 작은 트랜스듀서는 더 작은 파장을 측정할 수 있고, 반면 더 큰 트랜스듀서는 더 많은 신호를 산출한다. 더 작은 파장과 관련된 고주파수 신호가 대양 내의 더 큰 감쇠를 경험한다. 따라서, 주파수는 원하는 측정에 기초하여 선택될 수 있다. 트랜스듀서의 일 유리한 실시예는 1 cm×1 cm×1 cm의 치수를 갖는 큐브로서 상기에 나타내었다.
큐브가 상기 예에 대해 이용되고 있지만, 구배 트랜스듀서의 형상은 트랜스듀서의 기능성을 제한하는 것은 아니다. 예를 들어, 트랜스듀서의 추가의 유리한 실시예는 불균일한 측면을 갖는 것이다. 즉, 일 치수는 작은 파장을 측정하기 위해 작을 수 있고, 다른 2개의 치수는 전극의 단면적이 크도록 크고 이는 수학식 5의 총 전류 흐름을 증가시킨다. 또한, 원통 또는 구를 포함하는 다른 형상이 대안 실시예에서 또한 이용될 수 있다. 당 기술 분야의 숙련자는 트랜스듀서의 전기 특성과 압력 구배를 상관시키기 위해 이전에 이용된 수학식을 적응시키는 것이 가능할 것이다.
트랜스듀서 특징은 트랜스듀서에 의해 측정될 트랜스듀서의 출력과 원하는 특성 사이의 관계를 설명한다. 측정된 특성에 대한 트랜스듀서 출력의 비가 일정할 때, 이 비는 트랜스듀서 특징을 제공하고 변환 상수라 칭한다. 예를 들어, 변환 상수는 -1.77×10-10 A/P/m이고, 수학식 19로부터 결정된 변환 상수는 6.62×10-13 V/P/m이다. 이들 경우에, 트랜스듀서 특징은 트랜스듀서 재료의 공지의 특성으로부터 결정된다. 그러나, 다른 수단은 예를 들어 교정의 프로세스에 의해 트랜스듀서 특징을 결정하는데 이용될 수 있다. 이 프로세스에 의해, 트랜스듀서는 공지의 압력 구배와 같은 공지의 조건, 이어서 측정된 그 전기 응답을 받게 될 수 있다. 프로세스는 공지의 또는 제어된 압력 구배의 다수의 값에 대해 반복될 수 있고, 이에 의해 트랜스듀서의 출력과 압력 구배 사이의 관계를 실험적으로 결정한다. 유사한 방식으로, 트랜스듀서 특징은 에너지 갭에 영향을 미치는 온도, 스트레인 및 다른 특성의 구배의 측정을 위해 실험적으로 결정될 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 상기 실시예들에서의 트랜스듀서는 다양한 상이한 시스템에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서의 출력은 구배를 표시하는 출력을 기록하고 메모리 내에 저장하는 것과, 구배를 표시하는 출력을 표시하는 것과, 피드백 제어 회로를 포함하는 다른 회로로의 입력으로서 구배를 표시하는 출력을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 트랜스듀서는 지진 용례, 수중 음향 용례, 유체 유동 용례, 열 유동 용례, 의료 진단 및 촬영 용례 등에서 센서 또는 수신기의 부품으로서 사용될 수 있다.
구배 트랜스듀서의 가능한 사용의 예시적인 실시예로서, 도 8 및 도 9는 해양 지진 측량을 수반하는 예시적인 시스템이다. 도 8에서, 선박(801)은 대양의 표면(803)에서 수 미터 아래에 있는 음원(seismic source)(802)을 예인(tow)한다. 음원(802)은 해저의 표면 아래의 바다속 계면 또는 경계(805)에 의해 적어도 부분적으로 반사되는 하향 지진파(804d)를 생성하도록 활성화된다. 상향 반사된 지진파(804u)는 이어서 그에 부착된 압력 구배 트랜스듀서를 포함하는 하나 이상의 수신기(806)를 갖는 플랫폼, 케이블 또는 스트리머(807)를 향해 이동한다. 도시되지는 않았지만, 스트리머(807)는 그에 부착된 압력 구배 트랜스듀서를 갖는 수신기를 구비하는 스트리머의 어레이를 포함할 수 있다. 센서 또는 수신기(806)는 단지 압력 구배 트랜스듀서만을 포함할 수 있고, 또는 하나 이상의 수중 청음기 또는 하나 이상의 지중 청음기와 같은 다른 측정 디바이스를 또한 포함할 수 있다. 수신기(806)는 내부 메모리를 갖는 개별 스테이션일 수 있고 또는 용기에 전달된 측정 디바이스의 출력을 수신하기 위해 통상적으로 용기 상의 기록 시스템에 접속될 수 있다. 수신기 내의 각각의 압력 구배 트랜스듀서는 구배 트랜스듀서가 배치되어 있는 물 내의 압력 구배에 수동 응답성이다. 각각의 압력 구배 트랜스듀서는 압력 구배를 표시하는 출력을 생성하도록 적용된다. 도 8에는 도시되지 않았지만, 스트리머(807)는 압력의 측정을 제공하기 위한 수중 청음기를 또한 포함할 수 있다. 지진파가 압력 구배 트랜스듀서 및 수중 청음기에 의해 기록되면, 상향 및 하향 파동의 분리가 결정될 수 있다.
해저에 배치된 수중 청음기 및 지중 청음기는 통상적으로 지진 데이터를 수집할 때 쌍으로 사용된다. 그러나, 압력 구배 트랜스듀서는, 지중 청음기와는 달리 물기둥 내의 임의의 장소의 지진 데이터를 측정할 수 있다. 본 발명의 기술은 해저 또는 표면을 포함하는 물기둥 내의 임의의 장소에 위치된 압력 구배 트랜스듀서에 적용된다.
도 9는 구배 트랜스듀서에 의한 해양 지진 측량(marine seismic surveying)의 대안적인 예시적인 실시예이다. 도 9에서, 제 1 선박(901)은 대양의 표면(903)에서 수 미터 아래에 있는 음원(902)을 예인한다. 음원(902)은 해저의 표면 아래의 바다속 계면 또는 경계(905)에 의해 적어도 부분적으로 반사되는 하향 지진파(904d)를 생성하도록 활성화된다. 상향 반사된 지진파(904u)는 이어서 그에 부착된 압력 구배 트랜스듀서를 포함하는 하나 이상의 수신기(906)를 갖는 제 2 선박(908)에 부착된 플랫폼, 케이블 어레이 또는 케이블(907)을 향해 이동한다.
일 유형의 해양 지진 측량에서, 압력 구배 트랜스듀서를 갖는 수신기(906)는 해저(909) 상에 배열된 하나 이상의 해저 케이블일 수 있는 케이블(907)을 따라 규칙적인 간격으로 위치된다. 수신기(806)와 유사하게, 이들 수신기(906)는 단지 압력 구배 트랜스듀서를 포함할 수 있고, 또는 하나 이상의 수중 청음기 또는 하나 이상의 지중 청음기와 같은 다른 측정 디바이스를 또한 포함할 수 있다. 수신기(906)는 내부 메모리를 갖는 개별 스테이션일 수 있고, 또는 통상적으로 선박에 전달된 측정 디바이스의 출력을 수신하기 위한 선박 상의 기록 시스템에 접속될 수 있다. 도 9에는 도시되지 않았지만, 케이블(907)은 수중 청음기를 또한 포함할 수 있고, 지중 청음기를 또한 포함할 수 있다. 필요할 때, 제 2 선박(908)은 케이블(907)을 해저(909) 상의 새로운 위치로 이동하는데 사용된다. 수 마일의 케이블(907)이 통상적으로 해저(909)를 따라 전개되고, 다수의 케이블이 통상적으로 평행 배열로 전개된다. 케이블(907) 장치는 특정 구역(플랫폼으로 어지러워진 구역 또는 물이 매우 얕은 구역과 같은)에서 그리고 선박 예인된 수중 청음기 어레이[대양 표면(903)에 근접하여 위치되고 통상적으로 "스트리머"라 칭함]의 사용이 실용적이지 않은 경우에 사용을 위해 특히 양호하게 적합된다.
본 발명의 기술을 위한 일 유리한 실시예는 트랜스듀서로부터 신호의 품질 및/또는 크기를 증가하기 위해 증폭 회로, 프리 앰프 또는 필터에 구배 트랜스듀서를 결합한다. 본 발명의 기술을 위한 다른 유리한 실시예는 측정을 저장하기 위해 메모리 회로에 그리고 측정을 분석하기 위해 마이크로프로세서에 트랜스듀서 재료 및 측정 디바이스를 결합한다. 구배 트랜스듀서, 프리 앰프, 필터, 측정 디바이스, 메모리 및/또는 마이크로프로세서는 단일 집적 회로 내에 패키징될 수 있다. 이 집적 회로는 당 기술 분야의 숙련자에 인지 가능한 반도체 프로세스를 사용하여 제작될 수 있다.
본 발명 및 그 장점이 상세히 설명되었지만, 다양한 변경, 치환 및 대안이 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 여기에 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 본 출원의 범주는 본 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예에 한정되도록 의도된 것은 아니다. 당 기술 분야의 숙련자가 본 발명의 기술로부터 즉시 이해할 수 있는 바와 같이, 본 명세서에 설명된 대응 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 동일한 결과를 성취하는 현존하는 또는 이후에 개발될 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계는 본 발명의 기술에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계 및 이들의 등가물을 이들의 범주 내에 포함하도록 의도된다.
200: 구배 트랜스듀서 210: 재료
220: 확산 전류 밀도 230: 자유 전하 캐리어 밀도 구배
240: 전극 250: 전도체
260: 전류 측정 디바이스 270: 전극
300: 구배 트랜스듀서 310: 트랜스듀서 재료
320: 확산 전류 밀도 330: 자유 전하 캐리어 밀도 구배
340: 전기장 360, 370: 전극
380: 고임피던스 접속부 390: 전압 측정 디바이스
400: 트랜스듀서 장치 410, 420, 430: 구배 트랜스듀서
414, 416: 전극 418: 재료
424, 426: 전극 428: 재료
434, 436: 전극 438: 재료

Claims (34)

  1. 구배-감지 트랜스듀서로서,
    상기 트랜스듀서의 일부분이 배치되어 있는 매체의 특성의 구배에 수동으로 응답하는 트랜스듀서 재료로서, 상기 트랜스듀서 재료는 충전 캐리어 에너지 상태에서 에너지 갭을 가지고, 상기 에너지 갭은 상기 매체의 특성에 민감하며, 상기 매체의 특성에서의 구배는 상기 에너지 갭에서의 대응 구배를 생성하며, 상기 에너지 갭에서의 대응 구배는 다음에 전자들 및 정공들을 포함하는 자유 전하 캐리어들의 농도 구배를 생성하여, 보다 높은 농도의 영역으로부터 보다 낮은 농도의 영역으로 상기 자유 전하 캐리어들의 확산 유동을 발생시킴으로써, 순수 전기 확산 전류가 반대 전하의 자유 전하 캐리어들의 이동도 차이로 인해 발생하는, 상기 트랜스듀서 재료,
    상기 트랜스듀서 재료에 결합된 복수의 전극들, 및
    상기 복수의 전극들에 전기적으로 결합되는 측정 디바이스로서, 상기 트랜스듀서 재료 내의 상기 복수의 전극들 사이에의, 확산 전류 밀도 또는 상기 확산 전류 밀도와 관련된 전압에 기초하여 상기 구배를 표시하는 출력을 생성하도록 적용되는, 상기 측정 디바이스를 포함하고,
    상기 복수의 전극들을 연결하는 직선에 수직인 벡터장 성분을 가지는, 인가되는 자기장 소스 또는 외부 자기장 소스가 없는, 트랜스듀서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 디바이스는 상기 복수의 전극들 사이에 측정된 전류의 함수로서 상기 구배를 표시하는 상기 출력을 제공하는 전류 측정 디바이스인, 트랜스듀서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 디바이스는 상기 복수의 전극들 사이에 측정된 전압의 함수로서 상기 구배를 표시하는 상기 출력을 제공하는 전압 측정 디바이스인, 트랜스듀서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 디바이스는 상기 구배를 표시하는 출력을 제공하는 확산 전류 밀도 측정 디바이스인, 트랜스듀서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 재료는 반도체인, 트랜스듀서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 반도체는 진성 반도체 또는 도핑된 반도체인, 트랜스듀서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 재료는 인듐 안티모나이드로 구성되는, 트랜스듀서.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 재료 및 상기 복수의 전극들을 에워싸는 방수 및 전기 절연성 패키지를 추가로 포함하는 트랜스듀서.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스듀서의 일 부분은 집적 회로의 부품인, 트랜스듀서.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 전극들 중 적어도 2개 사이의 신호의 크기를 증가시키도록 적용된 증폭기 회로를 추가로 포함하는 트랜스듀서.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 전극들 중 적어도 2개 사이의 신호의 품질을 증가시키도록 적용된 필터를 추가로 포함하는 트랜스듀서.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 매체의 특성은 압력 및 온도 중 하나인, 트랜스듀서.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 전극들은 제 1 방향을 따라 상기 트랜스듀서 재료의 서로 반대편을 향하는 측면들 상에 배치된 2개의 전극들을 포함하는 트랜스듀서.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 전극들은,
    제 1 방향을 따라 상기 재료의 서로 반대편을 향하는 측면들 상에 배치된 제 1 쌍의 전극들을 포함하며,
    상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향을 따라 상기 재료의 서로 반대편을 향하는 측면들 상에 배치되는 제 2 쌍의 전극들, 및
    상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향과 상이한 제 3 방향을 따라 상기 재료의 서로 반대편을 향하는 측면들 상에 배치되는 제 3 쌍의 전극들을 포함하며,
    상기 측정 디바이스는 상기 제 2 쌍의 전극들 및 상기 제 3 쌍의 전극들에 전기적으로 결합되는 트랜스듀서.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 디바이스는 상기 에너지 갭의 변화들로부터 발생하는 상기 트랜스듀서 재료의 확산 전류 밀도의 변경들을 검출하는, 트랜스듀서.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 재료는 고체를 포함하고, 상기 고체는,
    전자 상태가 존재하지 않는 에너지 범위이고, 상기 매체 특성에 민감한 에너지 갭;
    자유 전하 캐리어들로서의 전자들 및 정공들; 및
    정공 이동도 μh 와 상이한 전자 이동도 μe를 갖는, 트랜스듀서.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 재료는 전자 이동도 및 정공 이동도의 차이 μe - μh 를 최대화하도록 선택되는, 트랜스듀서.
  18. 매체 내의 구배를 감지하기 위한 방법으로서,
    매체 내에 구배 트랜스듀서를 배치하는 단계로서, 상기 구배 트랜스듀서는 국부적인 구배의 단일의 트랜스듀서 측정을 할 수 있고, 상기 트랜스듀서는 충전 캐리어 에너지 상태에서 에너지 갭을 가지는 재료로 제조되며, 상기 에너지 갭은 상기 매체의 특성에 민감하며, 상기 매체의 특성에서의 구배는 상기 에너지 갭에서의 대응 구배를 생성하며, 상기 에너지 갭에서의 대응 구배는 다음에 전자들 및 정공들을 포함하는 자유 전하 캐리어들의 농도 구배를 생성하여, 보다 높은 농도의 영역으로부터 보다 낮은 농도의 영역으로 상기 자유 전하 캐리어들의 확산 유동을 발생시킴으로써, 순수 전기 확산 전류가 반대 전하의 자유 전하 캐리어들의 이동도 차이로 인해 발생하며, 상기 구배 트랜스듀서에 외부 자기장이 인가되지 않는, 상기 구배 트랜스듀서를 배치하는 단계,
    상기 트랜스듀서 내의 확산 전류 밀도 또는 상기 확산 전류 밀도와 관련된 전압을 측정하는 단계와,
    상기 측정된 확산 전류 밀도 또는 전압을 압력 구배 또는 온도 구배 또는 상기 매체내의 다른 물리적 특성의 구배와 관련시키는 단계를 포함하는 매체 내의 구배를 감지하기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 매체 내에 상기 구배 트랜스듀서를 배치하는 단계는, 상기 매체 내에 적어도 3개의 구배 트랜스듀서들을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 3개의 트랜스듀서들 각각은 상이한 방향들을 따라 구배를 표시하는 출력을 제공하는 매체 내의 구배를 감지하기 위한 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 측정된 확산 전류 밀도 또는 전압을 기록하는 단계와, 상기 측정된 확산 전류 밀도 또는 전압을 표시하는 단계와, 다른 회로에 대한 입력으로서 상기 측정된 확산 전류 밀도 또는 전압을 제공하는 단계 중 하나의 단계를 추가로 포함하는 매체 내의 구배를 감지하기 위한 방법.
  21. 해양 지진 측량을 위한 시스템으로서,
    선박(vessel),
    상기 선박에 의해 예인되도록 적용되며 물 아래 및 측량될 잠수 영역 위의, 예인 가능한 잠수식 플랫폼,
    상기 예인 가능한 잠수식 플랫폼에 작동 가능하게 결합된 적어도 하나의 수신기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 수신기는 구배 트랜스듀서를 갖고, 상기 구배 트랜스듀서는 인가되는 자기장 또는 외부 자기장이 없이, 상기 구배 트랜스듀서 내의 확산 전류 밀도에 기초하여 상기 구배 트랜스듀서가 배치되는 매체의 특성의 구배를 표시하는 출력을 생성하며,
    상기 구배 트랜스듀서는 충전 캐리어 에너지 상태에서 에너지 갭을 가지는 재료로 제조되며, 상기 에너지 갭은 상기 매체의 특성에 민감하며, 상기 매체의 특성에서의 구배는 상기 에너지 갭에서의 대응 구배를 생성하며, 상기 에너지 갭에서의 대응 구배는 다음에 전자들 및 정공들을 포함하는 자유 전하 캐리어들의 농도 구배를 생성하여, 보다 높은 농도의 영역으로부터 보다 낮은 농도의 영역으로 상기 자유 전하 캐리어들의 확산 유동을 발생시킴으로써, 순수 전기 확산 전류가 반대 전하의 자유 전하 캐리어들의 이동도 차이로 인해 발생하며,
    상기 구배 트랜스듀서는 상기 확산 전류를 수집하기 위한 적어도 복수의 전극들 및 상기 적어도 복수의 전극들에 전기적으로 결합된 측정 디바이스를 포함하며, 상기 측정 디바이스는 상기 구배 트랜스듀서 내의 상기 적어도 복수의 전극들 사이에의 상기 확산 전류 밀도 또는 확산 전류 밀도와 관련된 전압에 기초하여 상기 구배를 표시하는 출력을 생성하도록 적용되는, 해양 지진 측량을 위한 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수신기는 적어도 하나의 수중 청음기를 추가로 포함하는 해양 지진 측량을 위한 시스템.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 수신기는 상기 구배 트랜스듀서로부터 상기 출력을 저장하기 위한 메모리를 갖는, 해양 지진 측량을 위한 시스템.
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