陀螺是测量运动载体旋转角速度的仪器,是惯性导航系统中重要的组成部分,在军用与民用领域都有广泛的应用。微机械陀螺是一种很有发展潜力的陀螺,与传统的陀螺相比,具有体积小、功耗低、集成度高、易于批量化生产等优点,在航空航天、无人控制、消费电子等领域都有巨大的应用前景。国外对微机械陀螺研究起步较早,目前市面上已经有高性能的微机械陀螺产品。但国外在微机械陀螺的产品与相关技术方面对我国严格控制,迫使我们必需研发具有自主知识产权的高性能微机械陀螺产品,打破国外的垄断与封锁。因此,研制高性能的微机械陀螺具有重要的战略意义。本实验室针对蝶翼式硅微陀螺开展了多年的研究,取得了丰硕的成果。但目前所研制的蝶翼式硅微陀螺采用法向静电力驱动,陀螺驱动模态的振动存在法向分量,使得驱动振幅与电容间隙互相制约,限制了性能的进一步提升。基于这一问题,本文提出了一种切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺结构,并对其工作原理、结构设计、加工工艺与误差分析等开展了研究,主要研究内容如下:1、切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺的基本工作原理。介绍了法向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺结构,结合静电吸合效应,分析了驱动振幅与电容间隙的相互限制;研究了切向静电力产生机理,基于切向静电力的产生条件,设计了切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺结构,分析了矩形梁结构的力学特性;分析了切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺的动态特性,包括机械灵敏度与机械热噪声,分析了切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺在灵敏度提升与机械热噪声抑制方面的优势;介绍了基于自动增益控制的驱动回路恒幅控制与检测信号的微弱电容检测方法。2、切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺设计。设计了驱动梳齿,包括驱动梳齿的分布方式、驱动梳齿的长度与宽度,在结构尺寸一定的条件下最大限度的增大机械灵敏度,减小边缘效应的影响;仿真分析了不同结构参数条件下陀螺的模态频率,根据仿真结果确定了结构关键尺寸;结合结构尺寸与所需要的静电力大小,确定了陀螺所能达到的最大驱动振幅;在“硅结构-玻璃电极”两层结构的基础上,设计了基于玻璃回流工艺的“TGV衬底-硅-TGV衬底”三层全对称结构,并分析了所设计陀螺的理论性能。3、切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺关键加工工艺研究。根据所设计的陀螺结构,设计了加工工艺流程,并对其关键加工工艺开展了研究,通过硅敏感结构加工工艺的研究保证了敏感结构加工精度,通过TGV衬底加工工艺的研究保证了衬底的加工质量,通过圆片级真空封装工艺研究,保证了三层键合强度,实现了双面引线,为切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺提供了工艺保障。4、切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺误差分析。分析了硅敏感结构的厚度误差、矩形梁尺寸误差、矩形梁侧壁陡直度误差对模态频率的影响规律,确定了误差范围;分析了法向静电力误差来源,研究了三层全对称结构对法向静电力误差的抑制效果;分析了环境温度误差对陀螺灵敏度的影响,研究了静电负刚度效应对环境温度误差的抑制作用;研究了非线性误差对驱动振幅的影响规律,揭示了结构非线性对驱动振幅的主要抑制作用。5、切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺性能测试。测试了器件级封装切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺的性能,其驱动与检测模态频率分别为3268Hz与3477Hz,对应的Q值分别为14296与4084,与法向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺相对比,标度因数提升了19倍;测试了圆片级封装切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺的封装气密性,检测模态的Q值为53,经标定后气密性在200Pa到240Pa之间。