中北大學(xué)：PμSL微納級(jí)3D打印助力MEMS仿生矢量水聽(tīng)器的制備

近日，受水母聽(tīng)石結(jié)構(gòu)對(duì)超低頻聲信號(hào)響應(yīng)靈敏的啟發(fā)，中北大學(xué)王任鑫副教授、張文棟教授課題組開(kāi)發(fā)了一種新穎的壓阻式仿生矢量水聽(tīng)器（OVH），其核心敏感結(jié)構(gòu)為頂端集成空心球體的仿生纖毛（密閉中空球外徑1mm，內(nèi)徑530μm，直桿粗350μm，高3.5mm），基于摩方精密PμSL 3D打印技術(shù)（nanoArch P130，光學(xué)精度2μm)制備而成。

OVH接收靈敏度達(dá)-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(dá)到-173.8 dB，能耐10 MPa靜水壓力，顯示出OVH在低頻水聲探測(cè)的應(yīng)用潛力。該成果以“Design and implementation of a jellyfish otolith-inspired MEMS vector hydrophone for low-frequency detection”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering上。

https://doi.org/10.1038/s41378-020-00227-w

圖1 工作示意圖

仿真分析OVH敏感微結(jié)構(gòu)梁上的應(yīng)力分布，OVH的最大應(yīng)力高于之前研制的LVH、CuVH和WIVH。

圖2 敏感微結(jié)構(gòu)梁上應(yīng)力的仿真

圖3 OVH十字梁敏感微結(jié)構(gòu)的MEMS工藝流程圖

MEMS工藝流程如下：

• SOI上熱氧化
• 第1次光刻，刻蝕氧化硅，剩余40nm
• 離子注入B，形成輕摻雜壓阻區(qū)
• 第2次光刻，離子注入B，形成重?fù)诫s區(qū)
• 去除表層氧化硅，退火，修復(fù)晶格，激活雜質(zhì)
• 濺射金屬，第3次光刻，腐蝕，合金退火，形成歐姆接觸
• 第4次光刻，正面淺刻蝕，形成纖毛粘接槽
• 第5次光刻，正面刻蝕硅器件層，直至埋氧層，得到十字梁結(jié)構(gòu)
• 第6次背面光刻，背面刻蝕氧化層、硅襯底層及埋氧層，釋放十字梁結(jié)構(gòu)
  

圖4 OVH的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖4.a-4.c可以清楚看到十字梁微結(jié)構(gòu)以及與聽(tīng)石狀纖毛。3D打印的聽(tīng)石狀纖毛形狀完好，可以與十字梁微結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)集成。圖4.d-4.e為MEMS水聽(tīng)器的接收靈敏度-頻率響應(yīng)曲線和OVH的100 Hz指向性圖。圖4.f-4.h為對(duì)OVH進(jìn)行的耐靜水壓力測(cè)試，驗(yàn)證了OVH能在10MPa水壓力環(huán)境下正常工作。

需要指出的是，基于摩方精密公司PμSL 3D打印技術(shù)制備的聽(tīng)石狀纖毛形狀和參數(shù)可調(diào)控，且制備的密閉中空球可承受10MPa靜水壓力，這一結(jié)果有望進(jìn)一步將PμSL 3D打印技術(shù)拓展至其他水下傳感器的應(yīng)用。