硅微机械陀螺仪是一种微型惯性传感器，它是利用振动质量块在被物体带动旋转时产生的哥氏效应来测量物体的旋转角速度。高性能硅微机械陀螺仪的研制是一项复杂的系统工程，有很多的关键技术亟待研究解决。结构设计技术是硅微机械陀螺仪系统设计的关键技术之一，结构形式和参数设计的好坏在很大程度上决定了其整体性能的高低。本文深入地研究了结构设计的基本理论，详细地分析了硅微机械陀螺仪的各种误差，在此基础上，创新地设计了一种对称解耦双线振动式硅微机械陀螺仪。本文的主要工作如下:　　 (1)支承梁系统刚度研究　　 首先，研究了硅微机械陀螺仪具有四根支承梁和六根支承梁的系统刚度矩阵表达式。其次，采用卡氏定理，给出了支承梁的刚度计算公式。最后，推导了蟹角梁、U型梁和折叠梁刚度矩阵的各个刚度系数表达式。　　 (2)气体阻尼研究　　 在大气条件下，硅微机械陀螺仪振动过程中的能量损耗主要为气体粘滞阻尼损耗。研究了硅微机械陀螺仪的滑膜阻尼和压膜阻尼，推导了三种压力区域下的滑膜阻尼和压膜阻尼的估算公式。　　 (3)谐振频率偏移与不等弹性误差分析　　 分析了结构尺寸改变、加工残余应力和环境温度变化三个影响因素各自引起的谐振频率偏移，分析结果表明结构的支承梁宽度尺寸的改变是造成谐振频率偏移的主要因素。由不等弹性误差引起的结构正交耦合误差是影响硅微机械陀螺仪性能的主要误差。详细分析了有弹性耦合力存在时结构的实际运动形式，分析了梁宽不等、梁长不等及梁截面为梯形截面时U型梁的不等弹性刚度大小，结果表明长度误差造成的耦合刚度远远小于宽度误差引起的耦合刚度，优化短梁与长梁的宽度比值，可减小耦合刚度。推导了弹性刚度坐标相对几何坐标发生偏转及偏移后的刚度矩阵表达式。　　 (4)静电力与电容检测误差分析　　 分析了硅微机械陀螺仪驱动方向和敏感方向的静电力误差，推导得出存在静电力误差下的结构驱动模态的稳态振动表达式和敏感方向的静电力表达式，结果表明敏感方向的静电力误差对硅微机械陀螺仪的性能影响较大，提出了采用驱动模态与敏感模态完全解耦的结构形式来减小敏感方向的静电力误差的方法。以梳齿式电容检测结构形式为例，分析了变间距梳齿式电容检测误差和变重叠面积梳齿式电容检测误差。推导了硅微机械陀螺仪在有电容检测误差情况下的实际输出信号表达式。　　 (5)对称解耦硅微机械陀螺仪的结构设计与仿真研究　　 分析并设计了对称解耦硅微机械陀螺仪的驱动机构、检测机构及其支承梁。设计完成的对称解耦硅微机械陀螺仪驱动模态与检测模态的支承梁结构完全相同且空间平面对称分布，这使得各根梁的加工误差和所受的温度变化的影响近乎相同，因此驱动模态和检测模态谐振频率匹配性好。该陀螺仪的驱动机构和检测机构都做线性滑膜阻尼振动且完全解耦，所以驱动模态和敏感模态间的耦合小、品质因数高、结构振动平稳性好、灵敏度大大提高。对称解耦硅微机械陀螺仪的结构设计完成后，首先进行了模态分析，结果表明该陀螺仪的结构参数满足频率匹配以及工作模态与非工作模态之间的隔离要求。其次，进行了驱动模态和敏感模态的谐响应分析，结果表明驱动模态与检测模态的固有频率相接近，对结构灵敏度的提高至关重要。最后，进行了瞬态冲击响应分析，分析结果表明对称解耦硅微机械陀螺仪可以抵抗3000g的加速度冲击。　　 (6)实验与分析　　 首先，测试了对称解耦硅微机械陀螺仪的驱动模态和检测模态的频谱特性，得出了驱动模态和检测模态的固有谐振频率及其在大气条件下的品质因数，测试结果表明驱动模态与检测模态的谐振频率只相差6Hz，且检测模态的品质因数有了显著提高。测试了开环驱动和开环检测情况下的标度因数，结果表明该陀螺仪在输入角速率±330°/s范围内具有较好的线性度。其次，测试了对称解耦硅微机械陀螺仪的耦合误差，结果表明它的耦合误差得到了有效减小。最后测试了该陀螺仪在大气条件下，采用开环驱动和开环检测得到的零偏稳定性为0.15°/s，本实验室早期设计的半解耦双线振动式硅微机械陀螺仪在空气中采用闭环驱动和开环检测得到的零偏稳定性约为5°/s，结果表明对称解耦硅微机械陀螺仪的零偏稳定性得到了提高。