陀螺仪是测量物体旋转角速度的传感器,是惯性导航与制导系统的基础核心器件之一,广泛应用于消费电子、医疗电子、汽车电子、航空航天、兵器等领域。随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展,硅微机械陀螺已成为近二十年内的广泛研究和发展的主题。蝶翼式硅微陀螺是一种基于哥氏效应的角振动硅微机械陀螺,结构设计巧妙,工艺相对简单,具有灵敏度高、可批量生产等优点,具备成为高性能硅微陀螺的良好潜质。国外对高性能硅微陀螺的研究得到长足发展,但对我国实行产品和技术的严格封锁,并且我国目前硅微陀螺的整体水平还不能完全满足相关需求。因此开展蝶翼式硅微机械陀螺关键技术的研究,对于加速和促进我国新型惯性测量元件发展具有很重要的战略意义。蝶翼式硅微陀螺是一个非常复杂的机电耦合系统,其结构精度容易受设计水平、制造误差等条件限制,同时在工程应用中又会面临温度变化、固件振动、加速度冲击等复杂环境,性能提升受到诸多限制。本论文围绕蝶翼式微陀螺静电力控制关键技术开展研究,重点突破正交误差形成机理、静电力控制等关键科学问题,为我国发展高性能硅微机电陀螺提供新的控制理论和误差补偿方法。主要研究内容如下:1、介绍了蝶翼式硅微陀螺的总体结构和工作原理,推导了蝶翼式硅微陀螺的驱动力矩和哥氏力矩。根据蝶翼式硅微陀螺在驱动和检测轴向的受力情况分析,建立了理想情况下蝶翼式硅微陀螺基本动力学方程,得到了机械灵敏度解析表达式。针对蝶翼式硅微陀螺驱动模态和检测模态的稳态响应进行了分析,分别总结了驱动模态与检测模态的稳态响应特点。2、根据蝶翼式硅微陀螺的结构特点以及工作原理,采用静电驱动-电容检测的工作方式设计了微弱电容检测电路,并基于双正弦载波的微弱电容检测方法成功地实现了驱动信号和检测信号的分离。基于相位控制技术以及PID振动幅值控制技术设计了闭环驱动电路。介绍了检测开环控制电路与角速度解调电路。通过分析计算,最终得出了蝶翼式硅微陀螺角速度输出信号的理论模型。最后针对电路核心器件—解调器进行了设计。3、分别从原理性误差以及加工误差两个方面分析蝶翼式硅微陀螺零偏稳定性产生机理。从刚度矩阵角度研究了蝶翼式硅微陀螺弹性系统的变形误差以及支撑梁的加工误差等不等弹性运动误差。研究了蝶翼式硅微陀螺的正交误差对零偏输出的影响机理。正交误差在微陀螺运动方程中体现为驱动轴向与检测轴向直接耦合刚度系数Kyx。当微陀螺工作环境温度变化时,导致微陀螺弹性系统耦合刚度系数变化,最终引起微陀螺系统零偏输出信号发生变化,严重制约蝶翼式硅微陀螺性能的提升。4、根据耦合刚度系数对零偏输出的影响机理,针对系统刚度受工作环境温度等因素干扰的问题,在分析现有提升零偏稳定性方法优缺点的基础上,研究了静电刚度平衡控制技术,并设计了蝶翼式硅微陀螺检测环路半闭环控制方案。从而可有效避免包括温变在内的各种工作环境因素变化对耦合刚度的影响,有效提升蝶翼式硅微陀螺零偏稳定性以及其它相关性能指标。对改进前后的蝶翼式硅微陀螺标度因数以及零偏稳定性等性能参数进行了对比测试。结果表明,改进后的蝶翼式硅微陀螺整体性能得到明显提升。零偏稳定性从89°/h提升为17°/h,性能改进80.9%。5、针对正交误差幅值过大会严重影响前置运算放大器增益的问题,基于静电力平衡技术,设计了蝶翼式硅微陀螺检测环路全闭环控制方案,从而可有效避免包括正交误差在内的各种动态误差信号对前置运放增益的干扰,有效提升微陀螺检测模态输出信号中有用信号的信噪比,提升微陀螺各项性能指标。对改进前后的蝶翼式硅微陀螺标度因数以及零偏输出特性进行了对比测试。结果表明,改进后的蝶翼式硅微陀螺整体性能得到明显提升。零偏稳定性从136°/h提升为23.5°/h,性能改进82.7%。