惯性开关用于感应外界环境特定方向一定范围内加速度的变化,是一种集传感器与执行器功能于一体的无源器件。MEMS惯性开关因其结构与外部信号处理电路简单、功耗低、可批量制作、体积小、成本低和性能可靠等优点,被广泛应用于汽车工业,航空航天,振动检测以及物联网等诸多领域。接触时间是衡量惯性开关性能的重要参数,如果惯性开关的接触时间太短,则需提高外部信号处理电路对接触信号识别的精度,增加了对信号处理电路设计的难度,并且信号处理电路对信号干扰的处理性能将大幅下降。因此,延长接触时间,增强接触效果,能够有效提高惯性开关的性能。在惯性开关的实际应用中,由于工作环境的复杂性,惯性开关不可避免地会受到多个方向加速度的冲击,低的轴向敏感特性将会降低器件的稳定性,缩短其使用寿命。本文基于MEMS微细加工技术,提出了增强接触效果和提升轴向敏感特性的单轴MEMS惯性开关的创新设计。设计的器件结构主要由三部分组成:质量块以及与质量块连接的双阶梯型悬臂梁组成移动电极;双阶梯型悬臂梁前方的块状固定电极;由侧向限位柱、反向限位块以及上方限位板组成的紧密约束结构。并在上述基础上提出了优化设计,把蛇形弹簧和双阶梯型悬臂梁设计为对称分布的上下两层,以增强轴向敏感特性。对设计的两种结构进行理论分析和有限元仿真,对惯性开关的关键性能参数进行分析和仿真,包括阈值加速度、接触时间、非轴向敏感性以及抗过载和抗干扰性能,确定惯性开关的结构参数。基于MEMS微细加工技术,对单轴MEMS惯性开关进行了工艺优化和流片制造。对制备的惯性开关通过落锤系统进行测试,得到设计结构和优化结构的单轴MEMS惯性开关的阈值加速度分别为165g、272g,在过载加速度作用下最大接触时间可达220μs,与仿真结果符合较好。当非轴向的干扰加速度幅值较小时,双层对称分布的蛇形弹簧结构能够有效抑制非轴向的干扰以提升轴向敏感特性;当非轴向干扰加速度较大时,紧密约束结构能够限制质量块在非轴向的位移,在提升轴向敏感特性上发挥重要作用。分别在非轴向的y向、z向和敏感方向反向加载1192g、1154g、1185g过载加速度时,惯性开关均不出现误触发。并在非轴向过载测试后,惯性开关保持了原来稳定的阈值水平和接触效果。