微机械陀螺是一种测试角速度或角位移的惯性传感器,微机械陀螺基于硅微机械加工技术的特点使得其与传统的机械转子陀螺、光学陀螺相比,体积更小、功耗更低且可靠性高、可批量生产,在军事、消费电子等领域有着广泛的应用前景。本论文以微机械陀螺的双解耦结构为研究对象,通过理论分析,仿真计算、实验测试等手段,从机械结构和电学两个层面对微机械陀螺的正交误差抑制、转动误差抑制、工作模态优化等内容进行了研究。主要工作内容及创新点如下:1)搭建了微机械陀螺结构的有限元仿真模型,在陀螺模态分析仿真的基础上综合了静力学载荷求解分析、刚度非线性屈曲分析方式,为陀螺的结构设计和模态优化提供指导;通过仿真模型对陀螺进行了谐响应分析及动力学时域分析,完善了仿真模型阻尼环境设置,使得模型可以进行陀螺的瞬态冲击仿真、随机噪声振动仿真或频谱特性仿真;使用了 ANSYS多物理场耦合仿真“Multi-physics”模块搭建了陀螺的电学-物理场耦合仿真环境,研究在电学上施加控制信号对陀螺检测模态扭转的抑制情况和正交误差的抑制情况进行分析,该模型为陀螺的结构设计优化和电学上的控制提供理论基础和仿真平台。2)本论文从陀螺的动力学方程和有限元分析两方面出发,分别对研究小组先前使用的非解耦陀螺结构和新型设计的双解耦陀螺结构进行了理论分析和仿真实验,验证了双解耦结构对于检测方向耦合位移的抑制明显优于传统非解耦陀螺结构,有限元仿真实验表明在工作谐振频率和驱动位移近似相等的情况下双解耦结构的检测耦合位移相比非解耦陀螺减小了大约36.67倍。同时对双解耦陀螺结构的驱动及检测梁结构进行了优化处理,通过内外双锚区直梁连接以及耦合梁参数的优化将原本的低频XY平面耦合模态提高到了工作谐振频率7.66倍,Z方向干扰模态较非解耦结构也有了明显的优化,双解耦陀螺性能实测结果与非解耦陀螺相比,驱动谐振频率处耦合位移改善了 103.8倍,检测谐振频率处耦合位移改善了 26.733倍,性能指标的重复性和一致性更佳。另外,本论文对陀螺解耦架构进行了细致的静力学有限元分析,并创新性的提出了一种梯形的解耦合连接结构,这种结构会有效的降低转动应力对检测质量块扭摆的影响,有限元分析结果显示这种新型结构设计将会抑制71.3%的转动误差。更进一步的,进行了 一种双质量块音叉式陀螺的结构设计方案设计,为了消除微机械陀螺的低阶(低频)非工作模态对微机械陀环境适应性和抗冲击能力的影响,在检测方向上引入了中心锚点杠杆结构进行了音叉双解耦结构陀螺的工作模态优化,优化后微机械陀螺的第一模态即为驱动反向工作模态,第二模态即为检测反向工作模态,三阶模态为驱动同向振动模态,与最接近的检测工作模态的固有频率差为1174.8Hz。四阶振动模态为检测同向振动模态,与未进行杠杆结构设计时的同一模态相比,该模态谐振频率被显著拉高,使其远高于工作模态频率,保证了陀螺的最低两阶模态为驱动及检测工作模态,使得陀螺对低频随机振动的抗干扰能力更强。3)提出了一种新型用于栅电容结构的正交抑制电极设计方案,相比于一般的梳齿结构正交抑制电极,其对于检测方向静电刚度完全线性。同时为了进一步抑制双解耦陀螺的转动误差,本论文创新性的提出了一种新型的栅电容结果转动误差抑制电极,并通过ANSYS多物理场耦合仿真“Multi-physics”模块进行了电学-物理场耦合仿真,仿真结果显示通过合适的电极位置设置,可以在抑制电压为4V时实现对于转动误差近似14%的抑制。