微结构拓扑设计是结构设计中的难点和热点问题,也是结构设计领域的前沿研究方向。微结构拓扑设计是制约MEMS实用化的关键技术之一,设计和制作出高性能、高灵敏度的微器件结构是MEMS实用化的重要保证。从微结构拓扑出发,同时考虑其内部连接和工作环境,建立微器件高精度行为模型和结构拓扑优化设计方法,是MEMS性能设计和系统设计中的关键性难题。即在MEMS的微小尺度效应和复杂动力学机制下,存在微结构弹性变形同其输出性能(电信号)的高精度映射关系(微器件高精度行为模型)的难题,以及在追求高性能MEMS的评价下,其设计过程中结构拓扑的大自由变量度表征和大计算量(微器件结构拓扑优化设计方法)的难题。从解决此类高性能、高灵敏度微结构拓扑设计的关键性难题出发,本论文以一种体微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象,提出基于元胞自动机的结构拓扑自组织设计方法。将灵活地表征具有大自由度、复杂动力学机制特征的、自下而上的自组织理论引入微机械陀螺结构拓扑设计中,以提高微机械陀螺的灵敏度和带宽等性能参数为出发点,对微机械陀螺的结构拓扑设计方法进行了系统而深入的研究:(1)基于微机械陀螺的简化模型,分析了音叉振动式微机械陀螺的基本工作原理、空气阻尼特性、驱动与检测方法以及弹性梁的设计。总结了微机械陀螺简化模型在其原理性概念设计中的优点和问题,提出了基于弹性理论的高性能、高灵敏度的微器件结构拓扑设计模型的必要性。(2)为提高设计和解析过程中微机械陀螺检测电容的计算精度,解决高精度微机械陀螺结构解析和优化过程中的计算时间问题,利用弹性理论和多自由度动态有限元解析理论,首次提出了微机械陀螺检测电容的子结构化解析模型,建立了微陀螺结构的弹性变形同其输出性能(电信号)的高精度映射关系,确立了微器件的高精度行为模型,在实现微机械陀螺的高精度解析和分析的基础上,完成了面向微机械陀螺最终输出性能/检测电容的动力学特性与检测特性分析;考虑到工作环境对微机械陀螺的影响不可忽视,采用热-力耦合分析的非线性有限元方法,分析了环境温度对微机械陀螺的固有频率、检测电容输出和带宽等性能参数的影响。(3)为提高微机械陀螺的灵敏度(输出性能)和带宽等性能参数,提出适用于表征大自由度微结构设计的自组织拓扑设计流程,将元胞自动机应用于具有大自由度、非线性、复杂性的微结构拓扑的自组织设计模型表达中。从微机械陀螺的实际结构和动态特性出发,构建微机械陀螺拓扑演化的间接规则,用于驱动结构的自组织演化过程;基于最终输出性能,提出微机械陀螺的性能评价方法。基于微机械陀螺的子结构模型,建立高灵敏度的子结构化的微器件结构拓扑设计模型,解决了拓扑优化中的时间和效率问题。以弹性梁的拓扑优化为算例,将微机械陀螺的自组织拓扑演化规则应用于弹性梁的拓扑演化过程中,实现了微机械陀螺的自组织拓扑优化,优化后的数值计算表明微机械陀螺的整体性能有了大幅度提高,同时保持了很高的品质因子。(4)为实际验证优化后微机械陀螺的性能,根据优化后的结果,进行了改进后微机械陀螺器件的制作、封装和测试。测试结果表明,改进后的微机械陀螺在灵敏度和带宽等性能方面均有了大幅提高,证明了本文提出的自组织设计方法的有效性。微机械陀螺的自组织拓扑设计方法提供了一种缩短实际微机械陀螺研制周期、实现微机械陀螺高效设计的有效途径。