微机电加工技术(MEMT,Micro-Electro-Mechanical Technology)在近年来日益成熟,微机械陀螺结构集成度也随之不断增高、应用环境更加多样化,获得高性能指标所面临的问题越来越复杂。在微机械陀螺微小型化的过程中,电场的边缘效应和电容检测中的非线性特性对微机械陀螺的性能指标的影响也更加明显。目前,提高微机械陀螺性能指标的方法主要分为优化微陀螺系统结构设计和改良微陀螺检测方式两方面。本文从上述两方面入手研究提高微机械陀螺系统性能和稳定性的方法,提出微陀螺结构参数的选取原则和微陀螺的优化结构设计模型,并对提出的新型微陀螺设计进行仿真分析,针对微陀螺中的非线性问题,对微陀螺系统的检测方式进行优化改良和实验验证,主要内容安排如下:1、推导了多自由度微陀螺性能指标与结构参数间的数学关系,建立了多自由度微陀螺结构参数的设定原则。重点分析了微陀螺系统的带宽和增益等性能指标与微陀螺部件质量、弹性悬梁弹力值和空气阻尼等机械参数之间的耦合关系。仿真验证设计模型的可行性,并找到一种可以优化微陀螺系统性能的整体设计方案。实现微陀螺机械结构参数与最终陀螺输入指标形成更为具体的量化对应关系,为下一阶段设计更为复杂的微陀螺结构提供理论基础。2、针对陀螺共模干扰问题提出了一种具有两组对称结构感应模态振荡器的微陀螺设计方案。陀螺中激励模态和感应模态均采用二自由度振荡器,通过施加反向激励使得两感应单元在激励方向始终反向运动,以两感应模态的差动输出作为微陀螺系统的最终输出从而消除共模干扰。该结构中振动部件被设计成单自由度弹性悬梁,微陀螺整体结构形成双解耦结构消除机械耦合。3、针对单感应模态微陀螺系统中存在陀螺增益和带宽相互制约的不足进行微陀螺结构的组合设计。第一种设计形式采取单自由度与二自由度振荡器交替检测策略,充分利用了在激励频率稳定时,单自由度振荡器具有极高敏感度的优势。同时陀螺的感应模态可以切换为二自由度振荡器,从而有效拓展检测带宽;优化设计的第二种形式采用的是多组二自由度振荡器组合检测策略,该方法利用两组具有中心频率平移的二自由度振荡器作为感应单元。优化之后的微陀螺输出特性在带宽范围内更为稳定,在降低陀螺误差的同时提升了微陀螺系统的检测可靠性。4、针对单自由度微陀螺系统感应模态中心频率平移会造成陀螺性能剧烈降低的问题,将频率检测方式引入到微陀螺系统中,从而形成可以在多种振动模态间切换的微陀螺振动结构。该种微陀螺不仅具有传统陀螺频率匹配时高增益响应的特点,同时兼具频率检测与中心频率波动无关的优势。此外,这种微陀螺还可以切换为一种具有二自由度感应模态的微陀螺系统,为导航设备提供稳定的姿态输出。5、针对微陀螺电容检测中的非线性问题,分析了陀螺系统中的牵引效应并提出了一种新型斜尖端齿梳检测方式。研究了在不同情况下,牵引效应的描述形式及微陀螺系统工作时牵引效应产生的非线性影响。通过Conventor Ware中建模分析,验证了新型斜尖端齿梳检测方式在优化微陀螺系统电场和改良系统非线性检测方面的优势。最后利用高精度检测仪器Polytec PMA-500观测微陀螺梳齿结构并对其性能进行测量,得到微陀螺工作的稳定区域和牵引效应区域。实验结果证明了斜尖端齿梳在稳定工作区域具有较高的线性度输出,为提高电容式微陀螺检测信号的线性度奠定了基础。