中北大学：PμSL 3D打印助力MEMS仿生矢量水听器的制备

近日，受水母听石结构对超低频声信号响应灵敏的启发，中北大学王任鑫副教授、张文栋教授课题组开发了一种新颖的压阻式仿生矢量水听器（OVH），其核心敏感结构为顶端集成空心球体的仿生纤毛（密闭中空球外径1mm，内径530μm，直杆粗350μm，高3.5mm），基于摩方精密PμSL 3D打印技术（nanoArch P130，光学精度2μm)制备而成。OVH接收灵敏度达-202.1 dB@100 Hz(0 dB@1 V/μPa)，工作频带为20-200Hz，OVH的平均等效声压灵敏度达到-173.8 dB，能耐10 MPa静水压力，显示出OVH在低频水声探测的应用潜力。该成果以“Design and implementation of a jellyfish otolith-inspired MEMS vector hydrophone for low-frequency detection"为题发表在Microsystems & Nanoengineering上。

图1 工作示意图

仿真分析OVH敏感微结构梁上的应力分布，OVH的最大应力高于之前研制的LVH、CuVH和WIVH。

图2 敏感微结构梁上应力的仿真

图3 OVH十字梁敏感微结构的MEMS工艺流程图

MEMS工艺流程如下：

SOI上热氧化

第1次光刻，刻蚀氧化硅，剩余40nm

离子注入B，形成轻掺杂压阻区

第2次光刻，离子注入B，形成重掺杂区

去除表层氧化硅，退火，修复晶格，激活杂质

溅射金属，第3次光刻，腐蚀，合金退火，形成欧姆接触

第4次光刻，正面浅刻蚀，形成纤毛粘接槽

第5次光刻，正面刻蚀硅器件层，直至埋氧层，得到十字梁结构

第6次背面光刻，背面刻蚀氧化层、硅衬底层及埋氧层，释放十字梁结构

图4 OVH的实验测试结果

图4.a-4.c可以清楚看到十字梁微结构以及与听石状纤毛。3D打印的听石状纤毛形状完好，可以与十字梁微结构对准集成。图4.d-4.e为MEMS水听器的接收灵敏度-频率响应曲线和OVH的100 Hz指向性图。图4.f-4.h为对OVH进行的耐静水压力测试，验证了OVH能在10MPa水压力环境下正常工作。需要指出的是，基于摩方精密公司PμSL 3D打印技术制备的听石状纤毛形状和参数可调控，且制备的密闭中空球可承受10MPa静水压力，这一结果有望进一步将PμSL 3D打印技术拓展至其他水下传感器的应用。