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中北大學╃│•✘:PμSL 3D列印助力MEMS仿生向量水聽器的製備

釋出時間╃│•✘:2022-07-27      點選次數╃│•✘:84



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·◕☁。





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