微半球谐振陀螺是近十年出现的一种新型谐振陀螺,具有体积小、成本低、性能潜力大等优势,有望在小型制导武器装备、单兵导航系统中得到应用。该陀螺的核心元件是采用熔融石英制造的微半球谐振结构。品质因数用于描述能量损耗,是微半球谐振结构的重要参数。目前,微半球谐振结构品质因数较低,能量损耗机理与抑制方法缺乏系统性研究,是制约陀螺性能提升的主要因素之一。本文围绕提高微半球谐振结构的品质因数展开研究,重点解决结构优化设计、制造工艺等关键技术,主要研究了以下内容:1.提出了带齿形质量块的微半球谐振结构,对结构的尺寸参数进行了优化设计。根据平面电极微半球谐振陀螺的结构特征与工作原理,提出在微半球谐振结构的边缘增加齿形质量块。齿形质量块不仅能够增加电容面积和模态质量,并且在质量块上添加或去除质量几乎不会对模态刚度产生影响,显著降低了机械修调的难度。采用有限元方法对模态频率、机械灵敏度、热弹性损耗进行了分析计算,得到优化的结构参数。2.建立了形状误差对支撑损耗的影响模型,测量了微半球谐振结构的形状误差。建立了一次谐波误差与支撑损耗的理论模型,分析出激光对准误差是微半球谐振结构一次谐波误差的主要来源。通过实验验证了一次谐波误差对品质因数的影响模型。圆度误差是结构对称性的主要衡量指标,通过测量微半球谐振结构的圆度误差等参数,分析了形状误差的主要来源。以测量结果为依据,对谐振结构的成型加工工艺和电极装配方式提出了改进意见。3.分析了激光切割断面质量对谐振结构品质因数的影响,采用超快脉冲激光实现了高品质因数谐振结构的切割释放。分别采用紫外皮秒脉冲激光和紫外飞秒脉冲激光实现了微半球谐振结构的切割释放。对切割断面的微裂纹、附着物、崩边等缺陷进行了表征和测量。根据测量结果优化了工艺参数,保证了较高的切割质量和切割效率。首次采用激光切割制造出品质因数高于100万的机械谐振结构。4.提出了圆片级电极装配方法,实现了一致且可控的电极间隙。分析了基于平面电极的微半球谐振结构电极装配的主要误差,分析结果表明倾斜偏差是电极装配的主要误差来源。以降低电极倾斜偏差、提高电极间隙一致性为目的,提出了一种圆片级电极装配方案,通过装配基准转移实现圆片上多个谐振结构和电极的同时装配。测试结果表明这种装配方法能够实现15～20μm的电极间隙,有效降低电极间隙偏差,满足陀螺的应用需求,为陀螺样机的制造提供了技术支撑。5.开展了微半球谐振结构缺陷抑制后处理工艺研究,对完成封装的陀螺器件进行了性能测试。探索掌握了微半球谐振结构表面处理和退火处理工艺,品质因数得到普遍提升,最高品质因数达到162万。对封装后的陀螺样机性能进行了测试,谐振结构品质因数高于100万,陀螺的量程为±200°/s,零偏不稳定性0.133°/h。陀螺性能有了显著的提高,充分证明了提高品质因数对于提升陀螺性能的作用。