微机械陀螺是用于测量物体转动信息的一类传感器,由于其具有体积小、功耗低、可批量化生产等固有特点,因而存在广泛的市场应用前景,越来越受到学术和产业界的重视。近年来,微机械陀螺逐步向高精度方向发展,以模态匹配为代表的一系列新技术被有效采用,大幅提升了陀螺的检测精度。本论文以静电驱动电容检测型可调谐栅结构微机械陀螺为研究背景,从微机械陀螺的驱动、检测和静电调谐技术三大方面进行了较为全面的研究,并针对现有技术中尚存在的问题进行了新的探索,以期对现有微机械陀螺共有知识体系提供新的有益补充,论文的主要工作内容及贡献如下1)对微机械陀螺振动特性及其辨识技术的研究：a)从抑制寄生电容导致的电学耦合角度分别对微机械陀螺位移检测型和速度检测型电路进行了分析,提出了微机械陀螺速度检测型电路的去耦合设计方案。该方案通过将施加在陀螺上的致动信号与陀螺的振动输出信号在频域上相隔离来实现电学耦合的抑制,实验测试表明该方案有效去除了谐振曲线中由电学耦合所导致的反谐振峰及相应的相位变化；b)首次提出了一种基于CORDIC算法的微机械陀螺振动特性辨识技术。该技术可摆脱人工扫频效率和精度低下以及网络分析仪代价昂贵、操作繁琐的缺点,在精度与灵活性上找到了平衡点,适用于对陀螺振动特性进行辨识；2)对微机械陀螺驱动技术的研究：c)从改善微机械陀螺振动的暂态响应特性角度出发,针对广泛采用的PLL-AGC驱动技术进行了优化设计。对优化后的陀螺进行实验测试,表明起振稳定时间由闭环控制前的186毫秒改善到闭环控制后的42毫秒,驱动位移信号的幅度稳定性为52ppm,相位稳定性为2.80×10-4π rad(1σ),并在优化后的驱动技术下对一模态间谐振频率差为34.7Hz的陀螺在大气及室温条件下进行力平衡检测,测得其1小时零偏输出数据的标准差为48.7deg/h, Allan方差8deg/h；d)从改善微机械陀螺振动稳定性的角度出发,首次提出了恒频驱动概念。恒频驱动技术可保证陀螺振动输出信号的频率、幅度以及初始相位均保持稳定,并且由于频率的恒定,还可保证驱动位移(x)和驱动速度(v)的同时稳定(|v|=2πf·|x|)。实验测试结果表明恒频驱动控制下驱动位移信号的幅度和相位的稳定性分别达到22ppm和6.97×10-6πrad(1σ),并在恒频驱动技术下同样对一模态间谐振频率差为34.7Hz的陀螺在大气及室温条件下进行力平衡检测,测得其1小时零偏输出数据的标准差为32.3deg/h,Allan方差6deg/h,相关结果均优于相同条件下采用优化后PLL-AGC驱动技术测得的结果；3)对微机械陀螺检测技术的研究：e)借助于恒频驱动技术可有效减少系统变量的优势,首次得到了微机械陀螺力平衡检测系统的解析分析表达式,该表达式可进一步在模态匹配条件下实现化简,从而首次实现陀螺暂态响应的优化设计以及带宽的按需设计。基于解析分析的结果,以25Hz为目标对模态匹配陀螺力平衡检测系统进行带宽设计,测试结果表明其阶跃响应超调量为5%,响应稳定时间56毫秒,实际测试带宽24.5Hz。同时测得力平衡条件下陀螺实现了正交分离,输入±500deg/s时残余耦合系数约为150ppm,在±500deg/s范围内的陀螺输出非线性度为0.036%。为将模态匹配陀螺系统的检测性能与未匹配陀螺进行对比,进一步将带宽设计为10Hz后对陀螺系统进行大气及室温下零偏稳定性测试,其1小时零偏输出标准差为11.2deg/h, Allan方差1.2deg/h,相关结果均优于相同检测带宽下两模态频差为34.7Hz的陀螺测得的结果,该结果优于已有文献关于大气下工作微机械陀螺的最好结果；f)针对转台由于电机物理限制无法提供较高摆动频率,进而影响陀螺带宽测试的问题,基于力平衡检测系统提出了一种无转台标定技术,运用该技术,可在无转台转动的情况下实现对陀螺灵敏度、量程、线性度、带宽等指标的标定；4)对微机械陀螺静电调谐技术的研究：g)针对现有模态自动匹配方案匹配时间较长以及无法实时应用的不足,提出了模态快速自动初始匹配方案以及力平衡检测下陀螺模态实时自动匹配方案。基于陀螺处于静态(未受到角速度输入)时,科氏零偏远小于正交误差的客观事实,由正交误差的相位信息设计了陀螺模态初始自动匹配方案,该方案下测得匹配完成时间约为250毫秒,远小于现有其他技术方案；通过引入外加虚拟正交误差信号,提出了一种力平衡检测陀螺的模态自动实时匹配方案,该外加信号的频率高于陀螺测量带宽且与角速度信号正交,该方案可实时工作,不影响陀螺对角速度输入的检测；h)针对变面积可调谐电容结构的线性可控特性进行深入研究,首次于该结构上发现了弹性系数调制带来的放大效应。与现有文献中的参量谐振不同,弹性系数调制下实现的放大效应无需使弹性系数进入非线性区,仅需施加周期变化的调谐电压即可。当对该调谐结构施加交流成分的调谐电压,且其频率和初始相位满足一定关系时,弹性恢复力将与陀螺所受的外力同相,起到机械放大的效果,该放大效应得到仿真与实验的验证。