近日,受水母聽石結構對超低頻聲信號響應靈敏的啟發,中北大學王任鑫副教授、張文棟教授課題組開發了一種新穎的壓阻式仿生矢量水聽器(OVH),其核心敏感結構為頂端集成空心球體的仿生纖毛(密閉中空球外徑1mm,內徑530 μm,直桿粗350μm,高3.5mm),基於摩方精密PμSL 3D打印技術(nanoArch P130,光學精度2μm)製備而成。OVH接收靈敏度達-202.1 dB@100 Hz(0 dB@1 V/μPa),工作頻帶為20-200Hz,OVH的平均等效聲壓靈敏度達到-173.8 dB,能耐10 MPa靜水壓力,顯示出OVH在低頻水聲探測的應用潛力。該成果以“Design and implementation of a jellyfish otolith-i nspired MEMS vector hydrophone for low-frequency detection”為題發表在Microsystems & Nanoengineering上。

仿真分析OVH敏感微結構樑上的應力分佈,OVH的最大應力高於之前研製的LVH、CuVH和WIVH。


MEMS 工藝流程如下:
(1) SOI上熱氧化
(2) 第1次光刻,刻蝕氧化矽,剩餘40nm
(3) 離子注入B,形成輕摻雜壓阻區
(4) 第2次光刻,離子注入B,形成重摻雜區
(5) 去除表層氧化矽,退火,修復晶格,激活雜質
(2) 第1次光刻,刻蝕氧化矽,剩餘40nm
(3) 離子注入B,形成輕摻雜壓阻區
(4) 第2次光刻,離子注入B,形成重摻雜區
(5) 去除表層氧化矽,退火,修復晶格,激活雜質
(6) 濺射金屬,第3次光刻,腐蝕,合金退火,形成歐姆接觸
(7) 第4次光刻,正面淺刻蝕,形成纖毛粘接槽
(8) 第5次光刻,正面刻蝕矽器件層,直至埋氧層,,得到十字梁結構
(9) 第6次背面光刻,背面刻蝕氧化層、矽襯底層及埋氧層,釋放十字梁結構
(7) 第4次光刻,正面淺刻蝕,形成纖毛粘接槽
(8) 第5次光刻,正面刻蝕矽器件層,直至埋氧層,,得到十字梁結構
(9) 第6次背面光刻,背面刻蝕氧化層、矽襯底層及埋氧層,釋放十字梁結構

圖4.a-4.c可以清楚看到十字梁微結構以及與聽石狀纖毛。3D打印的聽石狀纖毛形狀完好,可以與十字梁微結構對準集成。
圖4.d-4.e為MEMS水聽器的接收靈敏度-頻率響應曲線和OVH的100 Hz指向性圖。
圖4.f-4.h為對OVH進行的耐靜水壓力測試,驗證了OVH能在10MPa水壓力環境下正常工作。
需要指出的是,基於PμSL 3D打印技術製備的聽石狀纖毛形狀和參數可調控,且製備的密閉中空球可承受10MPa靜水壓力,這一結果有望進一步將PμSL 3D打印技術拓展至其他水下傳感器的應用。

董亦淞 Ted
數位成型部門 技術經理
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