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陀螺仪是智能系统的关键组成部分之一,它能够测量运动载体相对于惯性空间旋转角速度运动参数,被广泛的应用于军事和民用领域。MEMS微陀螺具有尺寸小、可靠性高、功耗低、成本低、易于批量制造等优势,特别适用于需求量大、追求成本低的应用领域,因而受到了各国的高度重视。本论文以蝶翼式微陀螺作为研究对象,为提高陀螺性能并适应大尺寸圆片级真空封装批量化工艺,对其结构尺寸进行小型化改进设计。论文从动力学理论分析、非线性振动系统理论建模、结构优化设计、容差能力分析、正交误差控制等方面开展了研究,主要研究内容如下:1、以圆片级真空封装蝶翼式微陀螺为研究对象,完成了蝶翼式微陀螺敏感结构的整体优化设计,阐述了蝶翼式微陀螺敏感结构的工作原理,建立了蝶翼式微陀螺关于驱动振动幅值和灵敏度等主要参数的理论模型;在此基础上,获得了蝶翼式微陀螺的理论性能参数,为后续结构优化设计建立了设计目标;介绍了陀螺非线性振动系统原理,并建立了蝶翼式微陀螺驱动模态和检测模态的非线性理论模型。2、对蝶翼式微陀螺的振动梁进行了优化设计和容差能力分析。蝶翼式微陀螺的整体尺寸缩减5.6倍,导致振动梁对工艺误差更加敏感。论文研究了蝶翼式微陀螺加工工艺误差对零偏不稳定性的影响机理,定量分析了振动斜梁主要误差与陀螺主要性能指标之间的内在关系;通过优化蝶翼式微陀螺振动梁截面形状,合理设计加工工艺方案,获得了具有较强工艺容差能力的蝶翼式敏感结构;并通过仿真分析确定了优化后的振动梁结构尺寸。3、提出了一种新型的折叠梁式应力释放结构,在显著改善结构对称性的同时获得了较好的应力释放效果。理论分析了驱动和检测模态频率与频差等陀螺的固有特性随环境温度变化而发生的变化,研究了热应力、结构应力、温度变化等因素对蝶翼式微陀螺性能的影响;对比分析了多种应力释放结构,提出了一种折叠梁式应力释放结构;通过仿真分析,确定了应力释放结构的最优尺寸参数。4、提出了采用静电修调抑制蝶翼式微陀螺正交误差的方法,有效提升了陀螺零偏不稳定性。正交误差信号导致的零偏输出信号与陀螺实际角速度检测输出信号混杂在一起,严重影响陀螺的信噪比,限制陀螺性能的提升。论文分析了蝶翼式微陀螺的正交误差的产生及其对陀螺零偏不稳定性的影响机理,建立了陀螺模态耦合误差模型;通过分析加工工艺对陀螺正交误差和灵敏度的影响程度,提出了基于正交误差静电修调的方法来实现对蝶翼式微陀螺的正交误差的抑制。5、完成了蝶翼式微陀螺敏感结构的制造,并对其主要特征参数进行了测试。对陀螺尺寸误差、谐振频率、Q值、正交误差量等敏感结构固有特征参数的重复性和一致性进行了测试与评估验证了工艺容差设计的合理性;对陀螺样机进行了热应力实验和静电修调实验,验证了折叠梁式应力释放结构和正交误差静电修调方法的有效性;对陀螺样机的非线性振动效应进行了测试,验证了蝶翼式陀螺非线性振动理论的准确性;最后,对陀螺样机整体性能进行了测试,蝶翼式微陀螺的零偏不稳定性达到了0.56o/h(Allan方差)。