中北大學：PμSL 3D打印助力MEMS仿生矢量水聽器的制備

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530μm，直桿粗350μm，高3.5mm），基于摩方精密PμSL 3D打印技術（nanoArch P130，光學精度2μm)制備而成。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-inspired MEMS vector hydrophone for low-frequency detection"為題發表在Microsystems & Nanoengineering上。

圖1 工作示意圖

仿真分析OVH敏感微結構梁上的應力分布，OVH的最大應力高于之前研制的LVH、CuVH和WIVH。

圖2 敏感微結構梁上應力的仿真

圖3 OVH十字梁敏感微結構的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

第2次光刻，離子注入B，形成重摻雜區

去除表層氧化硅，退火，修復晶格，激活雜質

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，得到十字梁結構

第6次背面光刻，背面刻蝕氧化層、硅襯底層及埋氧層，釋放十字梁結構

圖4 OVH的實驗測試結果

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，基于摩方精密公司PμSL 3D打印技術制備的聽石狀纖毛形狀和參數可調控，且制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。