陀螺是一种实现角速度或角位移测量的传感器,是惯性测量单元(IMU)的重要组成部分。微机械陀螺相对于传统的刚体转子陀螺与光学陀螺而言,具有体积小,低成本,低功耗,可批量生产等特点,成为近几十年的研究热点。其应用领域包括消费电子,汽车工业,导航系统等。栅结构微机械陀螺采用变面积电容结构,其平面内运动模态使其在大气环境下具有较小的阻尼,且其硅玻璃结构使其具有较大的可动质量块,从而具有较小的机械热噪声。传统的栅结构微机械陀螺由于采用变面积电容进行驱动及检测,无法在驱动或检测模态上对陀螺的谐振频率进行调整,驱动与检测模态不能实现完全匹配,导致陀螺的性能不能得到有效的提升；另外,由于加工工艺误差导致的离散性较大,器件性能不一。本论文在传统的栅结构微机械陀螺的基础上,对器件结构与电路进行改进,实现陀螺驱动与检测谐振频率的匹配,使陀螺性能得到优化。主要工作内容以及创新点如下：1)针对传统栅结构微机械陀螺无法对驱动及检测模态的谐振频率进行调整的问题,提出并实现了一种新型的可调谐栅电容结构。该结构中可动电极仍为矩形,而固定电极改为三角形,三角形固定电极的一边与可动电极的长边交叠。当可动电极与固定电极间有一固定直流电压时,此栅电容结构即可产生一等效的静电弹性系数,改变陀螺相应方向上总的弹性系数,从而调整驱动或检测模态的谐振频率使其达到匹配。将三角形固定电极的位置水平翻转可得到符号相反的静电弹性系数。实际加工的陀螺器件样品的测试结果表明,检测模态谐振频率与调谐直流电压呈二次曲线型关系,当调谐电压为15V时,检测模态的谐振频率改变13.5Hz,与理论分析结果基本一致。2)针对MEMS陀螺带宽,已有文献指出,当驱动与检测模态频率差△f较大时,带宽为0.54|△f|,当模态匹配时为fo/2Q,其中fo为器件工作频率,但对于谐振频率差较小但不等于零的情况则没有相关结论。且一般认为,陀螺的灵敏度与带宽是相互制约的两个性能,灵敏度越大,带宽越小。本文通过建立仿真模型进行分析,发现频率差较小时,陀螺带宽与驱动检测模态的谐振频率差关系曲线中存在一个断点,断点外带宽约为0.54|△f|,断点内带宽可明显高于断点外带宽。断点对应的频率差约为fo/Q,断点处的带宽为极大值,约为1.52fo/Q。由于断点处灵敏度比断点外大,可利用该特性优化带宽和灵敏度综合性能。利用具有调谐结构的陀螺器件测试在不同谐振频率差情况下的带宽,验证了上述发现。3)本文设计的调谐电极在对陀螺的驱动与检测模态进行匹配的同时,可用于对陀螺中的耦合进行力平衡反馈。在差分调谐电极上分别施加一具有相同直流及反相交流的电信号,可以同时实现频率匹配与力平衡两种功能。对处于匹配状态下的检测环路进行分析,指出在环路参数选取适当的情况下,检测闭环可以提高陀螺系统输出带宽,且不改变输出的噪声基底。在适当的参数下对系统的性能进行测试,闭环情况下的系统输出带宽为12.5Hz,相对开环情况下的3.5Hz有较大的提高。闭环情况下的噪声等效角速度为8.467°/hr/√Hz,与开环情况下的9.218’/hr/√Hz基本一致。在±500°/s范围内测试系统输出响应，其非线性度为0.0175%,即175ppm。其二次拟合结果中二次项与一次项比例系数为0.395ppm。在检测闭环情况下对系统的输出稳定性进行测试,1小时的最佳测试结果为标准差15.65°/hr, Allan方差2.7。/hr。根据现有文献,此结果是大气环境下工作的MEMS陀螺中测得的最好结果。