基于质量块翻转的MEMS万向惯性开关

李晓杰，牛兰杰，翟 蓉，殷 群，田中旺

（1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

引信惯性开关利用载体碰击目标时的反作用力或前冲惯性力而闭合，接通引信发火控制电路，是机电引信实现触发起爆或落地自毁功能的重要部件，武器弹药中有广泛的需求。

传统惯性开关受加工工艺的限制，存在体积较大、阈值散布大、万向性能差等缺点，难以满足引信微小型化、灵巧化及多功能化发展的要求。在一些引信研制中曾出现引信弹道炸和碰目标迟滞炸等现象，只能采用加严筛选的方法来保证开关的灵敏度，批成品率不到50%，大幅度增加了研制成本和生产周期。

相对于传统惯性开关，基于MEMS技术的惯性开关，采用MEMS工艺将质量－弹簧系统制作成一体，可减小弹簧刚度散布，同时采用多弹簧系统，可较好解决不同方向上灵敏度基本一致的问题。将处理电路与微机械融合，使开关闭合时间与过载持续时间相关，则可大幅提高惯性开关一致性、可靠性。

美国 Robinson［1］、国内吝海锋［2］研制的 MEMS万向惯性开关，实现了径向360°以及轴向碰撞触发，但灵敏度相差较大。陈光焱［3－4］设计了一种悬臂梁式微惯性开关，杨卓青［5－6］设计了基于非硅表面工艺的微惯性开关，两者均为单向开关，不具备万向功能。

针对现有惯性开关万向性能差的缺点，本文设计了一种基于质量块翻转的MEMS万向惯性开关。

1 典型万向惯性开关

引信MEMS惯性开关结构是典型的“弹簧－质量－阻尼”系统，如图1所示，即质量块经弹簧与阻尼器与壳体相连，当惯性力达到一定阈值时与触点接触，开关闭合电路接通。在惯性激励a（t）作用下，系统可简化为单自由度碰撞振动系统，其力学平衡方程为：

式中，m为质量块质量；x为质量块位移；c为阻尼系数；k为弹性系数。

图1 弹簧－质量－阻尼系统示意图Fig.1 Mass－spring－damper model

MEMS惯性开关主要由动电极和固定电极组成。动电极采用弹簧悬挂质量块的结构，固定电极位于其上方或者侧方，两电极间距根据阈值大小设定。为实现惯性开关多个方向的触发闭合，可以设计多个固定电极，分别位于质量块的不同方向。参考文献［1—2］就是采用在质量块径向以及轴向分别设计固定电极的方式，实现了惯性开关径向360°以及轴向触发闭合。

在MEMS惯性开关中，系统的惯性力、阻尼力等多种物理场耦合作用结果直接决定开关的响应特性。为准确预测惯性开关在实际工作中的响应特性，需要对开关结构进行静态、模态、瞬态等仿真，分析其响应阈值、响应时间、闭合时间、响应角度及抗高过载能力等，目前常采用ANSYS作为仿真软件。

2 基于质量块翻转的MEMS万向惯性开关

惯性开关采用图2所示的结构，由盖板、质量块、锚点、限位柱、微弹簧和基板组成，图中X轴正向为弹丸飞行方向。质量块为动电极，由均布的弹簧悬挂，弹簧厚度远小于质量块厚度；开关盖板为固定电极，与质量块平行并保持一定的间距。在加速度作用下，质量块克服弹簧拉力运动，当其运动位移达到设定间距时，与开关盖板接触，开关闭合。为约束质量块因离心力的作用在YZ平面内的平动以及绕X轴的转动，在基板上设计有限位柱。

当惯性开关受到X轴正向惯性力的作用时，质量块直接与固定电极表面接触提供导通信号；当受到其他方向的加速度冲击时（X轴分量为正），将惯性力分解到X轴方向以及YZ平面内：惯性力在X轴的分量使得质量块沿X方向运动。由于质量块质心高于悬挂弹簧，惯性力在YZ平面的分量会产生翻转力矩，质量块会产生翻转。借助于质量块的翻转，较小的X向惯性力即可使得质量块节点的位移达到设定间距，与固定电极接触，电路导通，实现惯性开关大着角碰撞触发。

图2 惯性开关结构图Fig.2 Structural drawing of inertial switch

3 惯性开关动态响应特性分析

3.1 可动结构模态分析

惯性开关设计加速度阈值为100 g，质量块和弹簧材料为镍，其弹性模量为210GPa［7］，泊松比为0.31，密度为8.91×103kg／m3，屈服应力为317 MPa。惯性开关结构参数见表1，B为弹簧宽度，H为弹簧厚度，D为弹簧相邻圆弧段之间的距离，R为弹簧圆弧段的最小半径，α为弹簧张开角度，n为弹簧节数，Φ为质量块直径，H0为质量块厚度，h为质量块与开关盖板质量之间的间距。

表1 惯性开关结构参数Tab.1 Material parameters of the switch

按结构参数，建立实体模型，导入ANSYS，对 惯性开关可动结构进行模态分析，结果如图3所示。

图3 模态仿真结果Fig.3 Simulation results of modal analysis

相对于器件结构，一阶模态振型沿X方向运动，二阶、三阶模态振型沿Y、Z方向运动，两者振动频率相同，四阶、五阶模态为绕Y、Z方向的转动，即质量块产生翻转，与YZ平面形成角度。由于安装时惯性开关质量块质心可能偏离弹丸轴线，在弹丸高速旋转时会受到的YZ平面内离心力，因此，在基板上设计有限位柱（见图2），以约束质量块在YZ平面内的运动，使惯性开关工作于一阶模态、四阶模态以及五阶模态。

3.2 加速度响应阈值

选取半正弦曲线作为惯性开关载荷曲线［5－6］，加载方向为X轴正向，持续时间为400μs，改变加载曲线幅值的大小，通过ANSYS瞬态动力学仿真分析惯性开关可动结构的运动情况（如图4），得出开关的响应阈值。

图4 瞬态动力学分析结果Fig.4 Simulation results of transient analysis

当加速度达到93 g时，质量块X向的位移约为25μm，达到与固定电极接触的临界状态，故惯性开关闭合阈值为93 g。这与设计阈值100 g存在一定误差，误差主要来源于设计中对弹簧弹性系数及压膜阻尼的近似。运动过程中，器件承受的最大应力为244MPa，小于镍的屈服应力，表明开关结构安全。

惯性开关加工工艺采用准LIGA技术［8］。加工过程中电镀液条件、杂质以及电流密度会显著影响电镀镍的材料特性，而镍的弹性模量会直接影响弹簧弹性系数，进而影响开关的动态特性［9］。国内外研究表明，LIGA电镀镍的弹性模量散布为205～228MPa［7］。为估算镍的弹性模量对开关性能的影响，计算在极限情况下惯性开关的闭合阈值，得到结果：当电铸镍弹性模量最小时，惯性开关闭合所需的惯性载荷最小，约85 g；反之，开关闭合所需载荷最大，约102 g。因此，惯性开关理论闭合阈值为85～102 g，误差约15%。

3.3 响应角度及持续时间

要使惯性开关响应角度达到预定值，惯性开关必须工作在四阶或五阶模态，即质量块必须翻转以保证其边缘能与固定电极接触。改变载荷（半正弦曲线，持续时间为400μs，幅值为100 g）加载方向，分析载荷角度对惯性开关闭合特性的影响，每个角度选取质量块上包括位移最大、最小在内的4个节点，得到图5所示仿真结果，图中标注角度为载荷与弹轴方向的夹角。

图5 质量块节点位移－时间曲线Fig.5 Displacement－time curves

从图5质量块节点位移－时间曲线可以看出，在载荷为100 g的情况下，加载角度小于70°时，质量块节点位移可达到25μm，惯性开关均可以闭合；当角度达到70°时，开关处于临界闭合状态。对比同一角度下节点位移－时间曲线可知，除0°以外，质量块均发生翻转，与固定电极的接触点为其边缘。因此，质量块的翻转可实现惯性开关大于120°的触发闭合。

在此基础上，进一步分析各角度下惯性开关的响应阈值。结合图5，归纳得到各角度开关的动态特性，见表2。从表中可以看出，载荷加载角度小于70°时，惯性开关的响应阈值为92～112 g，灵敏度误差为22%，响应时间0.3～0.41ms，闭合持续时间10～15μs。

表2 惯性开关各角度响应时间、接通时间及阈值Tab.2 Dynamic response characteristics of the switch

3.4 抗高过载能力

按照图6中榴弹发射后坐过载曲线［10］施加惯性载荷，得到仿真结果如图7所示。图7（a）为在后坐力作用下质量块节点位移－时间曲线，图7（b）为最大应力云图。在30 000 g的载荷下，器件所受的最大应力位于弹簧的弯角处为232MPa，小于镍的屈服应力，表明该结构抗高过载能力超过30 000 g。

图6 发射后坐过载曲线Fig.6 Recoil force of launch

图7 抗高过载仿真结果Fig.7 Simulation results of high－shock－resistant

同时，质量块在碰撞到基板后的反弹位移约为10μm，小于质量块与固定电极间的固定间隙25μm，即惯性开关不会因后坐力而导致惯性开关误闭合。

4 结论

本文设计了一种基于质量块翻转的MEMS万向惯性开关。开关选取弹簧悬挂质量块作为动电极，开关盖板作为固定电极，利用质量块的翻转，实现了大着角碰撞触发。仿真验证了：惯性开关可以实现大于120°的触发闭合，阈值散布小于15%，灵敏度散布约22%，并具有一定的抗高过载能力，为后续工作奠定了理论基础。

［1］Robinson.Omnidirectional microscale impact switch：US，6765160［P］.2004.

［2］吝海锋，何洪涛，卞玉民，等.一种新型无源 MEMS万向碰撞开关［J］.微纳电子技术，2009，46（6）：358－361.LIN Haifeng，HE Hongtao，BIAN Yumin，et al.Novel passive MEMS universal crash switch［J］.Micronanoelectronic Technology，2009，46（6）：358－361.

［3］陈光焱，王超.微惯性开关设计技术综述［J］.信息与电子工程，2009，7（5）：439－442.CHEN Guangyan，WANG Chao.Review of the design of micro inertial switch［J］.Information and Electronic Engineering，2009，7（5）：439－442.

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