高精度微机械陀螺是无人系统、自主导航、智能装备等领域的核心器件,具有迫切的需求和广阔的应用前景。嵌套环MEMS陀螺是一种基于科里奥利效应的振动陀螺,该陀螺除具有微陀螺所共有的体积小、成本低、可批量生产等优势外,还具有全对称的谐振结构、中心固定的锚点以及大量的内部孔洞,使其具有更强的加工鲁棒性、更好的温度稳定性以及更为灵活的电极配置和更大的电容面积,因此该陀螺是目前最具性能潜力的微陀螺方案。目前嵌套环MEMS陀螺的性能仍有待提高,在性能提升等方面尚缺乏系统的研究。本文针对嵌套环MEMS陀螺开展提升其零偏稳定性的相关理论和关键技术研究,实现高精度的陀螺样机。本文主要的研究内容如下:1.建立了嵌套环MEMS陀螺的基础理论模型,为陀螺的优化设计奠定了理论基础。根据嵌套环MEMS陀螺的结构特性与工作原理,利用综合模态法建立了陀螺的分布参数动力学模型,解决了复杂嵌套环谐振结构振动模态理论分析的难题,同时基于集中参数等效方法建立了该陀螺理想情况以及带结构误差的集中参数动力学模型,并对陀螺结构误差以及电路相位误差的影响进行了研究。2.提出了嵌套环MEMS陀螺零偏稳定性提升的基本理论以及需要实现的关键技术,为高性能陀螺的研究提供了具体方向。噪声和零偏漂移是零偏稳定性的主要影响因素,通过噪声分析和零偏漂移机理分析分别建立了陀螺噪声模型和零偏漂移模型,并依据该模型提出了抑制陀螺噪声和零偏漂移的基本理论以及有效位移比提升、品质因数提升、频率和阻尼匹配等关键技术。3.开展了嵌套环MEMS陀螺零偏稳定性提升关键技术的研究,实现了陀螺性能的有效提升。在有效位移比提升方面,建立了嵌套环MEMS陀螺非线性理论模型,基于振动放大效应提出了内环驱动与外环检测相结合的电极配置方案,突破了非线性效应对陀螺有效位移比的限制,实现了陀螺有效位移比的大幅提升;在品质因数提升方面,完善了陀螺的品质因数提升理论和基于质量刚度解耦的品质因数提升方法,有效提高了陀螺的品质因数;在频率和阻尼匹配方面,推导了频率修调与匹配理论,针对电极误差的影响提出了多电极同步修调的误差抑制方法,并采用干扰法实现了频率的精确修调,同时推导并验证了基于能量损耗的阻尼修调理论与方法。4.研制了高性能嵌套环MEMS陀螺样机,其性能达到国际先进水平。在本文提出的相关理论与技术的基础上,通过优化改进得到了高性能陀螺样机,并进行了全面的性能测试。测试表明,该陀螺量程达到±300o/s,分辨率达到0.0002o/s,在七次重复测试中,室温零偏不稳定性平均水平为0.077o/h,角度随机游走为0.013o/√h。根据国内外公开报道,该性能在嵌套环MEMS陀螺中达到了国际先进水平。且该陀螺具有较高的精度和良好的重复性,展现出极大的性能潜力。