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。
(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
(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。
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