智能高速机床MEMS高频加速度传感器研究

Intelligent manufacturing equipment，specifically high-speed machine tool, has become one of the commanding points in the advanced manufacturing competition, which is a new industry our country will emphatically develop. The "feeling" is one of the key functions for the intelligent manufacturing equipment and needs high-performance sensor to realize. This project mainly focuses on the problems in the high/ultra-high speed spindle vibration measurement and will develop a high-frequency silicon micro-accelerometer to accurately detect the vibration signals in the spindle system's fault monitoring and diagnosis. The studies will be carried out on the theoretic analysis, structure design, fabrication process, packaging technique, vibration measurement. The high-frequency accelerometer could be developed through solving the problems in the compatibility between the high response frequency and high measurement sensitivity, accurately controlling of the structural dimensions during the fabrication and the effectively packaging for the vibration measurement in practice. The developed sensor could act as a supporter for the high/ultra-high speed spindle vibration measurement, and promote the intellectualization of the spindle system and then the manufacturing equipment.

智能制造装备特别是智能高速机床已成为先进制造技术竞争的一个制高点，是国家重点发展的新兴行业之一。而智能装备的关键功能"感知"需要高性能的传感器予以支持。本项目旨在解决智能机床中高速、超高速主轴这一关键部件的高频振动测试问题，研制一种高频硅微压阻式加速度传感器，以精确获取主轴系统故障监测与诊断过程中的高频振动信号。项目拟在传感器的理论分析与结构设计、芯片加工工艺、封装技术、性能测试及实际振动测试实验四个方面展开研究，通过解决加速度传感器中高频响应与高测量灵敏度兼容的复合多梁结构设计与优化、结构尺寸高精度加工以及面向工业实际测试的传感器封装等方面的科学与技术难点问题,进行高频振动加速度传感器的研制，为高速、超高速主轴系统的振动测试提供高频器件支持，推动机床主轴系统乃至制造装备的智能化发展。

本课题针对机床主轴振动检测，深入研究了基于微机电系统（MEMS）技术的高频响加速度传感器的原理、设计、制作和测试等关键性技术问题，并以此为基础研制了一种具有复合多梁结构的压阻式高频加速度传感器样机。项目完成期间申请国家发明专利两项，已发表和被录用论文9篇。主要完成的工作如下：.研究了高频加速度传感器的设计基础。根据实际应用要求，考虑传感器固有频率、测量灵敏度和横向交叉干扰，建立了评价传感器综合性能的性能因数，以此对压阻式加速度传感器常用的悬臂梁结构、桥式结构和四梁结构等进行了分析对比，得到了结构支撑变化对传感器综合性能影响的规律，为本文高频加速度传感器设计提供参考。. 提出了复合多梁敏感结构，基于力学原理建立了结构的理论分析模型，分析了结构的固有频率和加速度作用下的应力分布规律；以传统的双桥结构为对比对象，分析了结构中敏感梁尺寸参数对传感器综合性能提升的影响，确定了敏感梁有效长度范围；根据设计目标确定了多梁结构的尺寸参数，并通过ANSYS软件的有限元仿真进行了验证；之后根据确定的传感器结构特点，确定了压敏电阻的类型、排布位置和惠斯通电桥组桥方式。研究了复合多梁结构传感器芯片的微加工技术，根据协作单位工艺规程开发了一套适于传感器的工艺流程，绘制了加工版图；分析了传感器工艺流程中的关键工艺步骤，包括：离子注入、背腔湿法腐蚀、金属溅射、阳极键合等环节，确定了各步骤的关键工艺参数，完成了传感器芯片的流片过程；研究了多梁结构加速度传感器芯片的封装方案，对加工所得传感器芯片进行了封装。. 进行了加速度传感器的一系列性能测试实验，得到了所研制传感器样机的静态、动态和零位特性，并开展了实际主轴振动测试。实验结果表明所研制的多梁结构高频加速度传感器具有0.209 mV/(Vg)的测量灵敏度、13.31 kHz的固有频率、0.28%的基本精度和最大不超过4%的横向交叉干扰。与现有的同类加速度传感器相比，所设计的多梁结构传感器在综合性能方面具有较为明显的提升，具有了应用于进行机床主轴等环境高频加速度信号测试的潜力。