受低頻檢測的水母耳石啟發，PuSL 3D列印MEMS仿生水聽器的設計與製作

受耳石啟發的向量水聽器（OVH）在低頻水聲探測中的應用與優勢

偵測低頻水下聲音訊號對於海洋應用來說是一個挑戰。受果膠水母聽覺器官對超低頻的強烈反應的啟發，一種受耳石啟發的向量水聽器（OVH）被開發出來，由纖毛頂部的空心浮球實現。進行全參數分析以優化纖毛結構，以平衡共振頻率和靈敏度。 OVH結構參數確定後，對各種向量水聽器的應力分佈進行模擬分析。也研究了 OVH 的抗衝擊性。最後，製作並校準 OVH。實測OVH的接收靈敏度高達-202.1 dB@100 Hz（0 dB@1 V/μPa），當OVH感興趣的頻率範圍內的平均等效壓力靈敏度達到-173.8 dB。 OVH 方向圖的 3 dB 極性寬度經測量為 87°。此外，OVH 被證明可以在 10 MPa 的靜水壓力下運作。這些結果顯示OVH在低頻水聲探測方面具有廣闊的前景。

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），透過PμSL 3D列印技術（microArch® P130 微米級3D列印，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

(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

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。

高靈敏度低頻水聲探測的耳石形向量水聽器（OVH）設計與測試結果

為了實現高靈敏度、低頻水聲探測，本文對纖毛結構進行了優化，形成耳石形微結構。纖毛結構的不同參數會影響應力分佈和共振頻率，並透過理論模型和模擬進行分析。透過模擬對比不同水聽器的應力分佈。抗衝擊分析表明，由於耳石形微結構，OVH 比 LVH 能抵抗更高的衝擊。然後，演示了 OVH 的製造過程。最後，OVH在駐波場進行測試。結果表明，OVH在感興趣頻率範圍內的平均等效壓力靈敏度S p達到-173.8 dB（0 dB@1 V/μPa），比LVH提高了3.2 dB，比LVH提高了7.5 dB。 WIVH 的噪音低13.6 dB。此外，OVH 具有 3 dB 極寬為 87° 的餘弦方向圖。

靜水壓力下的測量表明，由於開放結構和聚對二甲苯封裝，OVH 在 10 MPa 下是可行的。測試結果與理論和模擬分析相吻合，驗證了OVH在檢測弱低頻水聲訊號的可行性和先進性。

參考文獻：Design and implementation of a jellyfish otolith-inspired MEMS vector hydrophone for low-frequency detection
原文連結： https://www.nature.com/articles/s41378-020-00227-w