由于微机电系统(MEMS)的发展,低成本、小体积的MEMS陀螺仪得到了广泛的应用,但是目前大多数的微机械陀螺仪依靠电容检测,易受到寄生效应干扰,精度和动态性能难以兼顾,无法用于高精度测量。而传统的光学陀螺仪具有精度高、抗电磁干扰等优势,但是集成度较低,价格较高,不易实现微型化。为了克服上述两类陀螺仪的缺点,得到高精度、低噪声的微机械陀螺仪,本文对MEMS陀螺仪的光学检测方法进行了深入的研究。设计了基于亚波长光栅的单质量陀螺仪和基于WGM谐振腔的圆盘谐振式陀螺仪,详细分析了两种微光机电(MOEMS)陀螺仪的特性并进行了优化。本文的主要研究内容为:(1)微光学元件的光学特性研究一方面,分析了亚波长的静态光学特性,推导出光波经过双光栅的调制和解调后的衍射波公式,得出了双光栅的场分布,研究了双层亚波长光栅结构的衍射光强与光栅位移之间的关系。另一方面,从几何光学以及电磁场分布两个角度分析了WGM光腔,得出了谐振腔的工作原理,并研究了谐振腔透射谱漂移与应变之间的关系。(2)MOEMS陀螺仪的机械特性与工作原理研究对单质量MEMS陀螺仪和圆盘谐振器的工作原理进行了深入研究,根据二者的动力学模型,分析了单质量陀螺仪的振动特性和圆盘谐振器的“酒杯”模式,得到了机械灵敏度公式;在此基础上,将单质量陀螺仪与亚波长光栅结合起来,分析了角速度-位移-衍射光强的转换过程;同理,将WGM谐振腔与圆盘谐振器结合,得出角速度-应变-谱线漂移的转化关系,从而论证了两种MOEMS陀螺仪的工作原理。(3)MOEMS陀螺仪的仿真优化本文介绍了一种常用的光学分析方法——有限时域差分法(FDTD),并借助FDTD Solutions软件对两种光学元件进行仿真:对亚波长光栅,研究了双光栅的周期、厚度、占空比、间隙等参数对一阶衍射的影响;对WGM谐振腔,利用仿真设计了光波导,并研究了谐振腔半径、波导与腔体间隙、波导宽度等参数对谐振腔的品质因数以及工作模式的影响;据此,对两种光学结构进行了参数优化。同时,通过ANSYS与COMSOL仿真,分析了MEMS圆盘谐振器的辐条和环结构参数对谐振器Q值与频率裂解的影响,对机械结构进行了参数优化;分析了交叉耦合对WGM谐振腔的MOEMS陀螺仪的影响,设计了一种信号处理方法提取和抑制正交信号,以提高陀螺仪的性能。(4)MOEMS陀螺仪工艺流程与测试方案设计首先,分别设计了基于亚波长光栅与基于WGM谐振腔的MOEMS陀螺仪的工艺流程;接着对部分工艺进行了合并简化,以降低加工成本;最后,分别设计了两种MOEMS陀螺仪的电路与光路。