MEMS惯性开关可以同时实现传感和执行的功能,其工作原理是:当它感应到超过阈值的加速度时,可动电极(通常是悬空质量块)向固定电极运动并和它接触,来实现外接电路的闭合和断开功能。在绝大多数情况下MEMS惯性开关可以代替由加速度计和控制执行单元组成的复杂检测系统,并且它可以弥补使用传统加速度计过程中易受电磁干扰引起的误触发、信号处理电路复杂等不足。MEMS惯性开关作为一种集传感和执行功能于一体的无源器件,具有尺寸小、质量轻、响应速度快、大规模制造成本低等许多种优点。因而,在国防引信系统、汽车安全气囊以及振动检测中有着广泛的应用,近年来已受到国内外MEMS领域众多学者的关注。特别地,随着物联网(IoT)技术的发展,MEMS惯性开关具有零功耗优点而被广泛应用在那些功耗控制严格、二次充电困难或者更换供能设备困难的无人区的偏远监控系统中。接触时间是衡量MEMS惯性开关的性能好坏的关键指标之一,传统的MEMS惯性开关的固定电极和可动电极往往都是刚性结构,两电极间刚性碰撞易损坏器件,并且电极之间反弹严重,接触时间短(通常小于10μs)这将会增加惯性开关工作系统的信号处理的困难,严重制约了系统的集成化发展。针对上述不足,本文基于表面微加工技术提出了具有增强接触效果的垂直驱动和水平驱动MEMS惯性开关两种设计方案。方案一,采用多孔十字交叉型梁作为垂直驱动惯性开关的固定电极,十字交叉型梁受到敏感质量块的碰撞后能够发生弹性形变,从而延长了两电极的接触时间;为了进一步增强惯性开关的接触效果,采用“口”字型多孔十字交叉梁充当固定电极来降低固定电极的刚度。利用ANSYS软件对设计的惯性开关进行了仿真和结构优化,研究了固定电极的形状、十字交叉梁的宽度、长度以及厚度对固定电极刚度和惯性开关接触时间的影响。仿真结果表明,为了确保器件微型化,最方便延长接触时间的办法是减小固定电极的厚度,并且采用“口”字型多孔十字交叉梁充当固定电极的MEMS惯性开关接触效果更好。方案二,设计了具有同步跟随电极水平驱动的MEMS惯性开关:将惯性开关的固定电极和可动电极都进行优化,使得两电极的接触变为柔性接触来延长接触时间。通过惯性开关的基本物理模型,分析了两电极的接触过程,并且使用ANSYS软件对该模型动态接触过程进行仿真。仿真表明,柔性设计的固定电极在接触过程中能够发生弹性形变,并且随柔性的可动电极一起向敏感方向运动,特别地,可动电极和固定电极也能够一起向敏感反方向反弹,所以两电极能够保持长时间的接触来实现延长惯性开关的接触时间。对具有L型的弹性悬臂梁当作可动电极惯性开关建立有限元模型仿真分析其动态响应过程,表明这种优化的设计结构不但能够如预期那样能够延长接触时间,而且这种优化的设计结构在比较高加速度冲击下能够避免形变应力集中发生,同时最大应力相应地减小,L型悬臂梁不容易断裂,提高了器件的可靠性。此外,为了提高惯性开关反向抗过载性能,对惯性开关的各个参数进行了合理的设计和仿真。仿真结果表明,惯性开关抗过载性能随着质量块和反向阻挡块的间距以及质量块的重量增大而减弱,但随着惯性开关系统的刚度增加而增强.限位紧密约束结构能够提高惯性开关的抗过载性和阻止误触发发生。本文首先对烘胶、电镀、光刻、释放等单项工艺进行深入研究,在确定合适的工艺方案和工艺参数之后,以非硅表面微加工技术为基础,利用多次叠层电镀工艺,成功制作出了具有高深宽比结构各种MEMS惯性开关。制备的器件的体积为1.4×1.4×0.12mm~3,实现了小型化的目标,充分发挥了MEMS表面微加工的优势。采用落锤实验装置对制备好的惯性开关器件在~1ms脉宽半正弦波形载荷作用下进行了动态响应测试(包括阈值加速度,接触时间,接触电阻,抗过载性等)。测试结果表明,带有多孔十字交叉梁当作固定电极的惯性开关接触时间随着梁的宽度和厚度增加而减少,但是随着梁的长度增加而增加。水平驱动优化可动电极的惯性开关,在288g加速度冲击下,惯性开关测试接触时间为150μs,并且测试阈值加速度和测试接触时间随着加速度脉宽的增加而增加。为了进一步延长接触时间,对两电极都进行优化,设计了具有同步跟随电极的惯性开关进行测试,其接触时间约为390μs,同样优于仅仅可动电极被优化的MEMS惯性开关的接触效果。测试反向阈值加速度随着质量块与反向阻挡块之间间距增加而减少。上述测试结果与仿真分析结果基本一致,偏差来源主要是测试冲击波形与理想半正弦波的差异,以及电镀沉积器件结构的杨氏模量低于仿真中块体镍材料所致。