通过优化薄膜分布提高微半球谐振器的Q因子

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Q-Factor Enhancement of Micro Hemispherical Resonators via Optimization of Film Distribution

微半球谐振器（mHRG）的高精度惯性测量应用受薄膜阻尼限制。本研究采用3D掩模冶金工艺，将铂薄膜厚度从13nm减至7nm（降低46.5%），在满足电阻<500Ω前提下，通过调控薄膜厚度分布有效降低热弹性和内摩擦损耗，使Q因子提升8.4个百分点至419万，平均Q损耗率32.2%。分隔符：

　　

摘要：

微半球谐振器陀螺仪（mHRG）在惯性测量应用中具有显著的优势，如高精度和良好的可靠性。谐振器的薄膜阻尼是限制mHRG性能提升的关键因素。在本文中，我们提出了一种基于3D掩模的金属化工艺，通过精确控制膜厚分布，在谐振器上实现了超薄的7纳米金属化。该方法全面分析了膜厚分布和谐振器的能量分布，并通过掩模调节谐振器内表面的膜厚分布来减少膜阻尼。实验结果表明，该方法将膜厚从13纳米减少到7纳米（减少了46.5%），同时保持了电导率，并将Q因子提高了8.4个百分点。7纳米薄膜微半球谐振器的最高测量Q因子为419万，平均Q损耗率为32.2%。实验验证表明，7纳米铂膜不仅满足了低电阻（≤500 Ω）的要求，还通过最小化热弹性阻尼和内部摩擦减少了谐振器的能量损耗。这种方法为mHRG提供了一种高效的膜厚调节策略。[2025-0079]

引言

近年来，微半球谐振器陀螺仪（mHRG）展现了显著的性能潜力，已成为惯性器件研究的热点[1]、[2]。作为mHRG的核心组件，微半球谐振器主要采用熔融石英作为制造材料[3]。品质因子（Q因子）定义为每个振荡周期内的能量存储与能量损耗之比，是表征mHRG性能的关键指标[4]、[5]。mHRG的Q因子越高，其性能越好[6]。提高mHRG的Q因子可以降低运行能耗，并通过减少机械噪声来改善信噪比（SNR）。这种SNR的提升直接减轻了陀螺仪运行过程中的角度依赖性偏差（ADB）和角度随机游走（ARW）[7]。熔融石英具有低热膨胀系数和高机械强度，尽管其绝缘性能，但仍是一种理想的谐振器材料。对熔融石英谐振器进行金属化处理对于实现电导率至关重要，从而便于振动激励和信号传输[8]、[9]。因此，谐振器的金属化处理是mHRG生产中的关键步骤[10]。