一种新型全熔融石英微机电系统（MEMS）陀螺仪，其纵横比超过50:1

《Journal of Microelectromechanical Systems》：A Novel All-Fused Silica MEMS Gyroscope With an Aspect Ratio Exceeding 50:1

激光诱导辅助蚀刻技术成功制备了高宽比振动环光纤陀螺仪结构，真空环境下实现15.9kHz共振频率和200,000品质因数，为低成本高精度MEMS传感器制造提供新方案。

　　

摘要：

熔融石英以其优异的机械性能和热稳定性而闻名，已成为微机电系统（MEMS）陀螺仪的理想材料。然而，熔融石英的平面微制造一直是一个公认的挑战，这长期以来阻碍了相关设备的发展。在这项研究中，我们提出了一种基于激光诱导辅助蚀刻（LIAE）的新型熔融石英MEMS陀螺仪平面加工技术。利用这种技术，我们成功制造了一种纵横比超过50:1的振动环陀螺仪（VRG）结构。测试结果表明，该设备在0.1 Pa的真空条件下具有约15.9 kHz的共振频率，并且品质因数超过200,000，显示出卓越的共振性能。这项技术使得高性能熔融石英MEMS陀螺仪的实现成为可能，并为需要超高纵横比结构的其他MEMS设备提供了有前景的制造途径。[2025-0101]

引言

由于体积小、成本低且集成度高，MEMS陀螺仪已被广泛应用于航空航天、国防、工业控制和消费电子等领域的高精度惯性导航系统中[1]、[2]、[3]、[4]。然而，传统的硅基MEMS陀螺仪的性能受到硅材料高热弹性阻尼和各向异性的限制。相比之下，熔融石英具有较低的热膨胀系数和低热弹性阻尼，使其成为实现高品质谐振器的理想材料[5]。先前的研究已经展示了高达1000万的品质因数，满足了导航级性能的要求[4]。尽管如此，目前大多数熔融石英陀螺仪仍采用微壳结构，这种结构制造工艺复杂且难以实现大规模生产，从而导致较高的制造成本[7]。因此，探索基于熔融石英的二维平面陀螺仪的制造技术具有重要意义。