微机械陀螺仪是一种基于哥氏效应来测量物体角速度的惯性传感器。它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低等优点,可广泛应用于军事和民用领域。随着微陀螺性能的不断提高,其应用对象越来越多,应用环境也越来越恶劣。由于微陀螺不可避免地受到耦合和外界振动的作用,导致微陀螺存在动力学耦合及振动灵敏度(外界振动引起的输出误差)问题。因此需要对微陀螺动力学耦合及振动灵敏度的抑制或消除进行深入的研究,以此来提高微陀螺的性能。基于以上背景,本文以自主设计的双质量块音叉式微机械陀螺为研究对象,通过理论研究、仿真分析、实验测试等手段,分别从结构和电学两个层面对音叉式微陀螺的动力学耦合特性及振动灵敏度进行了研究,为高性能微陀螺的优化设计提供重要的理论依据和参考价值。本文的主要研究工作和创新性研究成果简述如下:(1)考虑到微陀螺受到外界加速度引起的惯性力、耦合刚度力及耦合阻尼力的作用,分别建立了单质量块微陀螺的两自由度动力学一般方程、双质量块音叉式微陀螺的四自由度动力学一般方程和四质量块音叉式微陀螺的八自由度动力学一般方程,为微陀螺的动力学分析提供了理论前提。同时,着重分析了双质量块音叉式微陀螺存在的正交耦合、同相-反相耦合以及模态优化与振动灵敏度等问题,为后续问题的解决提供了理论基础。(2)为实现音叉式微机械陀螺正交耦合的解耦,提出了结构解耦和电学解耦两种解耦方法。首先,利用能量法首次推导出了梁长相等但梁宽不相等的单折叠梁刚度耦合系数,给出了降低弹性梁刚度耦合系数的关键参数,通过降低弹性梁的刚度耦合系数实现了正交耦合的结构解耦。同时,设计了用来消除正交耦合的电极,推导出了该电极产生的静电正交耦合刚度力,提出了通过控制一个质量块的正交耦合刚度来实现正交耦合的电学解耦,并通过静电-结构多场耦合仿真分析和实验测试验证了正交耦合电学解耦的有效性。(3)针对同相-反相耦合影响音叉式微陀螺的振动灵敏度与品质因数的问题,提出了结构解耦和电学解耦的方法来抑制或消除同相-反相耦合。首先,通过提高同相反相刚度差比和弹性梁的宽度实现了同相-反相耦合的结构解耦,并通过仿真分析和实验测试验证了同相-反相耦合的结构解耦可以有效降低音叉式微陀螺的振动灵敏度。其次,设计了刚度匹配电极,推导出了刚度匹配电极产生的静电负刚度力,提出了通过静电负刚度效应的刚度匹配来实现同相-反相耦合的电学解耦,并通过正弦扫描振动实验验证了同相-反相耦合的电学解耦降低振动灵敏度的有效性。另外,考虑到基底的能量损耗,又建立了理想和非理想音叉式微陀螺的三自由度振动模型,首次给出了考虑基底阻尼的非理想结构反相模态品质因数的表达式,并通过实验验证得到反相模态(工作模态)品质因数可以通过同相-反相耦合的电学解耦达到最大值。(4)为解决传统的直接耦合式音叉微陀螺的自身灵敏度与振动灵敏度之间的矛盾,设计了新式的锚点环形梁耦合式音叉微陀螺和锚点菱形梁耦合式音叉微陀螺,并首次构建了双质量块音叉式微陀螺的两自由度锚点耦合振动模型。首先,利用坐标变换法对模态优化和共模振动输出进行了理论计算,并通过有限元仿真分析验证了理论模型的正确性。同时,对比分析了锚点耦合式和直接耦合式音叉微陀螺的模态优化与振动灵敏度,得到锚点耦合式音叉微陀螺在不牺牲陀螺自身灵敏度的前提下,可以极大地优化模态顺序和降低振动灵敏度。(5)综合考虑了音叉式微机械陀螺的动力学耦合特性、振动灵敏度及模态优化等因素,设计了基于锚点杠杆梁耦合机制的音叉式微陀螺,并构建了双质量块音叉式微陀螺的四自由度耦合振动模型,理论分析了所设计微陀螺的动力学响应特性。采用SOG工艺加工了微陀螺,并利用LCC-44封装管壳对加工后的管芯进行气密性封装。最后设计了基于FPGA的音叉式微陀螺的数字化控制电路,采用基于CORDIC算法与LMS算法的闭环驱动和开环检测方式对音叉式微陀螺进行了性能测试。