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中北大學(xué):PμSL 3D打印助力MEMS仿生矢量水聽器的制備

更新時間:2022-07-27點擊次數(shù):772



近日,受水母聽石結(jié)構(gòu)對超低頻聲信號響應(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發(fā)了一種新穎的壓阻式仿生矢量水聽器(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。


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的實驗測試結(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(jié)構(gòu)對準(zhǔn)集成。圖4.d-4.e為MEMS水聽器的接收靈敏度-頻率響應(yīng)曲線和OVH的100 Hz指向性圖。圖4.f-4.h為對OVH進(jìn)行的耐靜水壓力測試,驗證了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。