微型热膨胀式流体陀螺是一种新型工作原理的微流体惯性器件,其具有结构简单、加工工艺简便、成本极低、可靠性高、抗振动和冲击特性优秀等特点。以提高热膨胀式流体陀螺性能为研究目标,针对热膨胀式流体陀螺的关键技术进行了研究。为解决目前流体数值分析计算软件无法直接进行流体哥氏效应分析的问题,根据热流体基本理论,建立了包含哥氏加速度项的微型热膨胀式流体陀螺的理论模型。根据上述陀螺理论模型方程组,建立了热膨胀式流体陀螺COMSOL二维仿真简化模型,数值求解出了气体的流场和温度场。热膨胀式流体陀螺的灵敏度远远小于传统的微机械振动陀螺,为了提高热膨胀式流体陀螺的灵敏度,研究分析了气体热容、热导率、粘滞系数、压强、温度传感器位置、加热源驱动信号频率以及加热源功率对陀螺灵敏度的影响。综合考虑,给出了热膨胀式流体陀螺的优化设计参数。研制了一种以铂为结构层材料的新型热膨胀式流体陀螺微加工工艺,重点研究了加工铂结构和结构低应力释放两个关键工艺。采用双层光刻胶剥离工艺加工出了100nm厚的铂电阻丝结构。设计采用530nm厚度的二氧化硅支撑桥克服了原有加工中热应力造成铂电阻丝断裂问题。研究利用二氟化氙气体刻蚀单晶硅的同时也刻蚀二氧化硅的特性,设计采用30nm厚的二氧化硅替代光刻胶作为二氟化氙刻蚀硅腔体的掩膜层,不仅解决了二氟化氙过刻蚀腔体侧壁造成铂电阻丝变形的问题,同时也避免了二氟化氙刻蚀完成后不能湿法除去光刻胶的问题。完成了热膨胀式流体陀螺的制备。研究搭建了陀螺测试系统。实验结果表明加工出的热膨胀式流体陀螺在加热源驱动方波信号频率为12.50Hz,占空比为37.5%时具有最大灵敏度,且陀螺的灵敏度以加热源功率的二次函数形式增大。当方波驱动信号频率为12.50Hz,占空比为37.5%,功率为4mW时,加工出的热膨胀式流体陀螺的标度因数(灵敏度)均值为0.406mV/°/s,标度因数非线性度小于0.3%,标度因数重复性小于0.2%。热膨胀式流体陀螺的结构灵敏度约为47μV/°/s。陀螺的零偏稳定性为5.59°/s,角度随机游走为0.3°/√s,带宽约为18Hz。由于热膨胀式流体陀螺存在较大的线加速度效应,首先分析了产生热膨胀式流体陀螺线加速度误差信号的机理。提出通过降低陀螺加热源驱动信号频率,使得陀螺腔体内气体工作在瞬态阶段和稳态阶段。温度传感器在气体瞬态阶段检测到的温度差中包含角速度信号和线加速度信号,而温度传感器在气体稳态阶段检测到的温度差仅包含线加速度信号。采用数字信号处理的方式,根据稳态阶段的温度差补偿瞬态阶段的温度差中的线加速度误差信号。实验结果表明在相同驱动信号条件下,热膨胀式流体陀螺的加速度效应由补偿前的3.35rps/g减低到了0.39rps/g,陀螺的加速度效应减低了八倍多。热膨胀式流体陀螺的线加速度效应得到了有效的抑制。首次实现了无附加加速度计条件下的热流陀螺加速度效应自补偿技术。