中北大學•▩：PμSL 3D列印助力MEMS仿生向量水聽器的製備

近日│₪，受水母聽石結構對超低頻聲訊號響應靈敏的啟發│₪，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向量水聽器（OVH）│₪，其核心敏感結構為頂端整合空心球體的仿生纖毛（密閉中空球外徑1mm│₪，內徑530μm│₪，直杆粗350μm│₪，高3.5mm）│₪，基於摩方精密PμSL 3D列印技術（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-inspired MEMS vector hydrophone for low-frequency detection"為題發表在Microsystems & Nanoengineering上☁╃╃。

圖1 工作示意圖

模擬分析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☁╃╃。

圖2 敏感微結構樑上應力的模擬

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│₪，刻蝕氧化矽│₪，剩餘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

去除表層氧化矽│₪，退火│₪，修復晶格│₪，啟用雜質

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│₪，正面刻蝕矽器件層│₪，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╃▩₪╃、矽襯底層及埋氧層│₪，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列印的聽石狀纖毛形狀完好│₪，可以與十字梁微結構對準整合☁╃╃。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│₪，基於摩方精密公司PμSL 3D列印技術製備的聽石狀纖毛形狀和引數可調控│₪，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列印技術拓展至其他水下感測器的應用☁╃╃。