中北大学:PμSL微纳级3D打印助力MEMS仿生矢量水听器的制备

3D打印科研前沿
2021
01/26
13:27
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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。
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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。

https://doi.org/10.1038/s41378-020-00227-w
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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。
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图2 敏感微结构梁上应力的仿真

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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

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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。


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