一种具有高抗侧向过载的垂直敏感弹载MEMS惯性开关

任 超，武 强，付 博，刘峰华，戴旭涵，杨卓青

（1.上海交通大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240；2.淮海工业集团有限公司MEMS 中心， 长治 046012；3.西安机电信息技术研究所，西安 710065）

1 引 言

Zhang 等[15]提出了一种具有多方向约束结构的横向驱动惯性开关，其在开关中采用了约束套筒和反向阻挡块结构，降低了器件的离轴灵敏度，避免了设备在高冲击载荷下的损坏。Yang等[16]则同时引入双层弹簧和约束结构以限制质量块在离轴敏感方向上的位移，其中，对称分布的双层蛇形弹簧对于抵抗侧向的小加速度扰动具有重要作用，而约束结构能够抵抗大的侧向冲击。这些研究都很好地解决了侧向冲击可能引起的器件误触发和失效等问题，但复杂的微型结构设计给其工艺加工带来一定的难度。

本文则提出了一种结构简单的具有高抗侧向过载能力的MEMS 惯性开关，其可感知垂直方向上的加速度冲击。器件的弹簧设计为阿基米德螺旋线式，COMSOL 仿真结果显示，在高侧向冲击下，质量块发生极小幅度的旋转。设计的惯性开关通过简单的微加工工艺制作而成，并通过落锤系统对样品进行功能测试。实验结果证明该MEMS惯性开关具有较好的抗侧向冲击过载性能。

2 物理模型

该MEMS 惯性开关的物理模型为典型的弹簧-质量块系统。当有加速度作用在器件的敏感方向上时，开关的动态平衡方程可以表达为[17-18]

其中，c代表阻尼系数，k代表垂直方向上弹簧-质量块系统的整体刚度。……