《智慧型高速工具機MEMS高頻加速度感測器研究》是依託西安交通大學，由趙玉龍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：智慧型高速工具機MEMS高頻加速度感測器研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙玉龍
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
智慧型製造裝備特別是智慧型高速工具機已成為先進制造技術競爭的一個制高點，是國家重點發展的新興行業之一。而智慧型裝備的關鍵功能感知需要高性能的感測器予以支持。本項目旨在解決智慧型工具機中高速、超高速主軸這一關鍵部件的高頻振動測試問題，研製一種高頻矽微壓阻式加速度感測器，以精確獲取主軸系統故障監測與診斷過程中的高頻振動信號。項目擬在感測器的理論分析與結構設計、晶片加工工藝、封裝技術、性能測試及實際振動測試實驗四個方面展開研究，通過解決加速度感測器中高頻回響與高測量靈敏度兼容的複合多梁結構設計與最佳化、結構尺寸高精度加工以及面向工業實際測試的感測器封裝等方面的科學與技術難點問題,進行高頻振動加速度感測器的研製，為高速、超高速主軸系統的振動測試提供高頻器件支持，推動工具機主軸系統乃至製造裝備的智慧型化發展。
結題摘要
本課題針對工具機主軸振動檢測，深入研究了基於微機電系統（MEMS）技術的高頻響加速度感測器的原理、設計、製作和測試等關鍵性技術問題，並以此為基礎研製了一種具有複合多梁結構的壓阻式高頻加速度感測器樣機。項目完成期間申請國家發明專利兩項，已發表和被錄用論文9篇。主要完成的工作如下： 研究了高頻加速度感測器的設計基礎。根據實際套用要求，考慮感測器固有頻率、測量靈敏度和橫向交叉干擾，建立了評價感測器綜合性能的性能因數，以此對壓阻式加速度感測器常用的懸臂樑結構、橋式結構和四梁結構等進行了分析對比，得到了結構支撐變化對感測器綜合性能影響的規律，為本文高頻加速度感測器設計提供參考。 提出了複合多梁敏感結構，基於力學原理建立了結構的理論分析模型，分析了結構的固有頻率和加速度作用下的應力分布規律；以傳統的雙橋結構為對比對象，分析了結構中敏感梁尺寸參數對感測器綜合性能提升的影響，確定了敏感梁有效長度範圍；根據設計目標確定了多梁結構的尺寸參數，並通過ANSYS軟體的有限元仿真進行了驗證；之後根據確定的感測器結構特點，確定了壓敏電阻的類型、排布位置和惠斯通電橋組橋方式。研究了複合多梁結構感測器晶片的微加工技術，根據協作單位工藝規程開發了一套適於感測器的工藝流程，繪製了加工版圖；分析了感測器工藝流程中的關鍵工藝步驟，包括：離子注入、背腔濕法腐蝕、金屬濺射、陽極鍵合等環節，確定了各步驟的關鍵工藝參數，完成了感測器晶片的流片過程；研究了多梁結構加速度感測器晶片的封裝方案，對加工所得感測器晶片進行了封裝。 進行了加速度感測器的一系列性能測試實驗，得到了所研製感測器樣機的靜態、動態和零位特性，並開展了實際主軸振動測試。實驗結果表明所研製的多梁結構高頻加速度感測器具有0.209 mV/(Vg)的測量靈敏度、13.31 kHz的固有頻率、0.28%的基本精度和最大不超過4%的橫向交叉干擾。與現有的同類加速度感測器相比，所設計的多梁結構感測器在綜合性能方面具有較為明顯的提升，具有了套用於進行工具機主軸等環境高頻加速度信號測試的潛力。
