CN107359057A - 一种可识别载荷方位区间的mems万向惯性开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，包括绝缘衬底、轴向电极支撑座、径向电极支撑座、弹簧支撑座、轴向电极、环形惯性质量块电极、限位止挡柱、径向电极、蛇形支撑弹簧、径向电极连接条、轴向电极连接条和至少一个质量块电极连接条，不仅可以对来自衬底上方任一方向的加速度载荷都有良好的响应，起到开关通断的作用，而且能够有效识别出开关所受到加速度载荷的空间方位，解决了已有的MEMS万向惯性开关不具备识别载荷空间方位的问题，且开关闭合的轴向阈值大于径向阈值，实现了开关轴向钝感径向敏感。

Description

一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关

技术领域

本发明属于微机电惯性装置，具体涉及一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关。

背景技术

以微机电技术为基础的MEMS惯性开关具有体积小、重量轻、成本低和易集成等优点，在汽车安全气囊、货物运输、碰撞记录以及弹药发射、引信起爆等领域都有着迫切的应用需求和广泛的应用前景，如在弹药发射过程中感应后坐或离心加速度，在战斗部碰击目标时引信的万向触发等。近年来随着MEMS技术的发展，从单轴向敏感到多轴向敏感，从单阈值到多阈值发展，国内外研究人员设计了多种MEMS惯性开关结构，如上海交大的研究人员在延长开关的接触时间方面做了大量工作并设计出多种结构。Luke J.Currano等将阈值不同的五个开关集成在一起制造了一个能够区别x、y、z方向加速度的多阈值惯性开关。但这些均是只针对加速度幅值大小的开关，并不能识别出开关所受加速度载荷方位信息。然而物体所受冲击载荷的方位是一个重要的信息，在贵重物品运输，环境振动检测，定向起爆战斗部等方面，可识别载荷方位的MEMS万向惯性开关有巨大的应用潜力。

硕士学位论文(引信用MEMS万向惯性开关的结构设计与优化南京理工大学2015硕士学位论文余平新)设计并加工了一种MEMS万向惯性开关，通过引入圆形质量块、柔性电极结构以及十字止挡柱，使得开关对来自衬底上方任一方向的加速度都有良好的响应并具有较好的抗高过载性能。但是该开关只能感应加速度载荷并起到开关通断的作用，却不具备识别开关接通时各个电极的闭合状态以及闭合顺序的能力，因此没有感知加速度载荷方位的能力。

美国专利US 6765160 B1公开了一种万向微机械冲击开关，由蛇形弹簧支撑方形质量块组成弹簧质量系统，开关能响应水平方向与垂直方向的加速度冲击。专利中指出当打断矩形环式径向电极，将其分为四个相互独立的径向电极时，可根据惯性质量块与径向电极接触的先后顺序来实现加速度载荷方位的识别，但是该开关只能识别载荷的平面方位，不能识别载荷的空间方位。此外，质量块与电极均为刚性结构，开关闭合时间短，后续电路处理困难，且没有过载保护机构。

美国专利US 7159442 B1公开了一种平面万向微机械冲击开关，由C型弹簧支撑圆形质量块组成弹簧质量系统，开关能响应平面内各个方向的加速度冲击，并且配备了专有的电路，使得开关感受到加速度载荷后，电路中的指示灯会变亮并指示出加速度载荷的方位。但是该开关由16个独立的闭锁开关组成，结构复杂，一旦开关闭合之后无法自动恢复，并且此发明为平面开关只能响应平面内加速度载荷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，不仅可以对来自衬底上方任一方向的加速度载荷都有良好的响应，起到开关通断的作用，而且能够有效识别出开关所受到加速度载荷的空间方位，解决了已有的MEMS万向惯性开关不具备识别载荷空间方位的问题，且开关闭合的轴向阈值大于径向阈值，实现了开关轴向钝感径向敏感。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，包括绝缘衬底、轴向电极支撑座、径向电极支撑座、弹簧支撑座、轴向电极、环形惯性质量块电极、限位止挡柱、径向电极、蛇形支撑弹簧、径向电极连接条、轴向电极连接条和至少一个质量块电极连接条，轴向电极支撑座、径向电极支撑座、弹簧支撑座、限位止挡柱、质量块电极连接条、径向电极连接条和轴向电极连接条均设置在绝缘衬底上；限位止挡柱位于环形惯性质量块电极中心，环形惯性质量块电极外壁周向均匀分布四个凸起，四个轴向电极支撑座以限位止挡柱为中心环形分布；四个径向电极支撑座以限位止挡柱为中心环形分布，且径向电极支撑座位于轴向电极支撑座和环形惯性质量块电极之间；相邻的两个轴向电极支撑座之间的绝缘衬底上设有弹簧支撑座；轴向电极连接条与任意一个轴向电极支撑座连接，每个径向电极支撑座上连接一个径向电极连接条，每个径向电极支撑座上设有一个径向电极，径向电极与环形惯性质量块电极凸起位置对应，当环形惯性质量块电极发生运动时，径向电极的触点与环形惯性质量块电极凸起接触；蛇形支撑弹簧一端与弹簧支撑座连接，另一端与环形惯性质量块电极连接，四根蛇形支撑弹簧将环形惯性质量块电极托起；轴向电极包括环形电极和连接电极，四根连接电极均匀分布在环形电极的外壁，环形电极通过四根连接电极与四个轴向电极支撑座连接，环形电极位于环形惯性质量块电极上方，两者同心设置，且环形电极的外径小于环形惯性质量块电极的外径；质量块电极连接条设置在任意的弹簧支撑座上。

所述轴向电极支撑座、径向电极支撑座、弹簧支撑座、轴向电极、环形惯性质量块电极、限位止挡柱、径向电极、蛇形支撑弹簧、质量块电极连接条、径向电极连接条和轴向电极连接条材料均为导电金属。

所述蛇形支撑弹簧为平面S型锥形弹簧，其深宽比为1:4～1:6，线宽为15～25微米，厚度为80～120微米，平面S型锥形弹簧的直梁增量为30～50微米。

所述轴向电极位于限位止挡柱的上方；轴向电极厚度为20～30微米，与环形惯性质量块电极之间存在轴向间隙为70～100微米。

所述径向电极为悬臂梁触点式径向电极，线宽为15～25微米，厚度为30～50微米，触点直径20～30微米，且与环形惯性质量块电极之间的径向间隙为30～60微米；限位止挡柱直径小于环形惯性质量块电极的内径，两者径向间隙为径向电极与环形惯性质量块电极之间的径向间隙的1.6～1.8倍；限位止挡柱顶面的高度不小于环形惯性质量块电极顶面的高度。

所述环形惯性质量块电极的内径为400～800微米，外径为1000～1600微米，凸起的长为120～200微米，宽为50～90微米。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)通过采用环形惯性质量块电极以及在空间上合理布置四个相互独立且绝缘的径向电极和一个轴向电极，使得其开关不仅可以对来自衬底上方任一方向的加速度载荷都有良好的响应，而且能够识别开关所受到加速度载荷的空间方位。

(2)通过引入深宽比较大的蛇形支撑弹簧以及设置较大的环形惯性质量块电极与轴向电极之间的轴向电极间隙，开关可以实现轴向钝感，径向敏感(开关闭合的轴向阈值大于径向阈值)。

(3)径向电极采用悬臂梁触点式的柔性结构，轴向电极采用连接电极支撑环形电极的柔性结构。当环形惯性质量块电极与径向电极以及轴向电极碰撞接触时，不会被立即弹回，而是推动电极保持紧密接触状态继续向前运动，不仅延长了开关的闭合时间，也增强了接触效果。

(4)在环形惯性质量块电极的内环中心设置了限位止挡柱，当开关受到过载加速度时，限位止挡柱可以起到止挡的作用，防止环形惯性质量块电极产生过大的位移，对结构在过载情况下起到有效的保护作用。

(5)本发明采用了四个蛇形支撑弹簧从环形惯性质量块电极的外部支撑起环形惯性质量块电极的结构形式，这样使得弹簧质量系统的低阶振型均平动，避免环形惯性质量块电极在工作过程中出现旋转或翻转，增加了开关工作的可靠性。平面S型锥形弹簧的采用形式不仅保证质量块可以有较大的位移响应，也使得结构具有良好的拉伸压缩稳定性。

(6)本发明采用了环形惯性质量块电极的厚度大于蛇形支撑弹簧的厚度的结构设计，提高了开关的万向敏感性。

(7)本发明采用电阻网络的形式设计了一种电极闭合状态检测电路，不仅可以检测开关在加速度载荷作用下各个电极的闭合状态，而且电路只需要两个输出端，简单且易于连接。

附图说明

图1为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的整体结构示意图。

图2为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的底层(锚点与连接条)结构示意图。

图3为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的中间层(蛇形支撑弹簧、环形惯性质量块电极、限位止挡柱)结构示意图。

图4为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的局部结构示意图。

图5为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的轴向电极、轴向电极支撑座结构示意图。

图6为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的电极闭合状态检测电路。

图7为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的电路连接图。

图8为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的径向电极闭合状态以及径向平面内方位区间划分示意图，其中(a)为环形惯性质量块电极与单一径向电极接触示意图(b)为环形惯性质量块电极与两个相邻电极接触示意图。

图9为载荷的平面角θ和空间角δ示意图

图10为本发明可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关的结构模型图。

图11为δ₁角、δ₂角的空间示意图。

图12为空间角δ的区位划分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图5，一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，包括绝缘衬底1、轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3、弹簧支撑座4、轴向电极5、环形惯性质量块电极6、限位止挡柱7、径向电极8、蛇形支撑弹簧9、径向电极连接条11、轴向电极连接条12和至少一个质量块电极连接条10，轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3、弹簧支撑座4、限位止挡柱7、质量块电极连接条10、径向电极连接条11和轴向电极连接条12均设置在绝缘衬底1上，轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3以及弹簧支撑座4均作为锚点；限位止挡柱7位于环形惯性质量块电极6中心，环形惯性质量块电极6外壁周向均匀分布四个凸起，四个轴向电极支撑座2以限位止挡柱7为中心环形分布，四个径向电极8是相互独立且绝缘的；四个径向电极支撑座3以限位止挡柱7为中心环形分布，且径向电极支撑座3位于轴向电极支撑座2和环形惯性质量块电极6之间。相邻的两个轴向电极支撑座2之间的绝缘衬底1上设有弹簧支撑座4。轴向电极连接条12与任意一个轴向电极支撑座2连接，每个径向电极支撑座3上连接一个径向电极连接条11。每个径向电极支撑座3上设有一个径向电极8，径向电极8与环形惯性质量块电极6凸起位置对应，当环形惯性质量块电极6发生运动时，径向电极8的触点与环形惯性质量块电极6凸起接触。蛇形支撑弹簧9一端与弹簧支撑座4连接，另一端与环形惯性质量块电极6连接，四根蛇形支撑弹簧9将环形惯性质量块电极6托起，从而构成蛇形支撑弹簧9支撑起环形惯性质量块电极6的悬空结构。轴向电极5包括环形电极和连接电极，四根连接电极均匀分布在环形电极的外壁，环形电极通过四根连接电极与四个轴向电极支撑座2连接，环形电极位于环形惯性质量块电极6上方，两者同心设置，且环形电极的外径小于环形惯性质量块电极6的外径。质量块电极连接条10设置在任意的弹簧支撑座4上。

所述轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3、弹簧支撑座4、轴向电极5、环形惯性质量块电极6、限位止挡柱7、径向电极8、蛇形支撑弹簧9、质量块电极连接条10、径向电极连接条11和轴向电极连接条12材料均为导电金属。

本发明中将高度方向设定为轴向，水平方向设定为径向。绝缘衬底1的长为2000～4000微米、宽为2000～4000微米，整体厚度(即绝缘衬底1底面到轴向电极5顶面的高度)为180～350微米。

所述蛇形支撑弹簧(9)为平面S型锥形弹簧，其深宽比为1:4～1:6，线宽为15～25微米，厚度为80～120微米，平面S型锥形弹簧的直梁增量为30～50微米。

所述轴向电极5位于限位止挡柱7的上方；轴向电极5厚度为20～30微米，与环形惯性质量块电极6之间存在轴向间隙为70～100微米。

所述径向电极8为悬臂梁触点式径向电极，线宽为15～25微米，厚度为30～50微米，触点直径为20～30微米，且与环形惯性质量块电极6之间的径向间隙为30～60微米；限位止挡柱7直径小于环形惯性质量块电极6的内径，两者径向间隙为径向电极8与环形惯性质量块电极6之间的径向间隙的1.6～1.8倍；限位止挡柱7顶面的高度不小于环形惯性质量块电极6顶面的高度。

当开关受到沿径向方向的过载加速度时，环形惯性质量块电极6沿径向运动，撞击径向电极8，并推动径向电极8继续运动直至环形惯性质量块电极6与限位止挡柱7接触，实现限位作用，防止蛇形支撑弹簧9和径向电极8因变形过大引起损坏。

实施例1

结合图1至图5，一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，包括绝缘衬底1、轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3、弹簧支撑座4、轴向电极5、环形惯性质量块电极6、限位止挡柱7、径向电极8、蛇形支撑弹簧9、径向电极连接条11、轴向电极连接条12和两个质量块电极连接条10，轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3、弹簧支撑座4、限位止挡柱7、质量块电极连接条10、径向电极连接条11和轴向电极连接条12均设置在绝缘衬底1上，轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3以及弹簧支撑座4均作为锚点；限位止挡柱7位于环形惯性质量块电极6中心，环形惯性质量块电极6外壁周向均匀分布四个凸起，四个轴向电极支撑座2以限位止挡柱7为中心环形分布，四个径向电极8是相互独立且绝缘的；四个径向电极支撑座3以限位止挡柱7为中心环形分布，且径向电极支撑座3位于轴向电极支撑座2和环形惯性质量块电极6之间。相邻的两个轴向电极支撑座2之间的绝缘衬底1上设有弹簧支撑座4。轴向电极连接条12与任意一个轴向电极支撑座2连接，四个径向电极连接条11分别与四个径向电极支撑座3连接。每个径向电极支撑座3上设有一个径向电极8，径向电极8与环形惯性质量块电极6凸起位置对应，当环形惯性质量块电极6发生运动时，径向电极8的触点与环形惯性质量块电极6凸起接触。蛇形支撑弹簧9一端与弹簧支撑座4连接，另一端与环形惯性质量块电极6连接，四根蛇形支撑弹簧9将环形惯性质量块电极6托起，从而构成蛇形支撑弹簧9支撑起环形惯性质量块电极6的悬空结构。轴向电极5包括环形电极和连接电极，四根连接电极均匀分布在环形电极的外壁，环形电极通过四根连接电极与四个轴向电极支撑座2连接，环形电极位于环形惯性质量块电极6上方，两者同心设置，且环形电极的外径小于环形惯性质量块电极6的外径。质量块电极连接条10分别设置在同一侧的两个弹簧支撑座4上。

所述轴向电极支撑座2、径向电极支撑座3、弹簧支撑座4、轴向电极5、环形惯性质量块电极6、限位止挡柱7、径向电极8、蛇形支撑弹簧9、质量块电极连接条10、径向电极连接条11和轴向电极连接条12材料均为导电金属。

本发明中将高度方向设定为轴向，水平方向设定为径向。

所述蛇形支撑弹簧9为平面S型锥形弹簧，其深宽比为1:4.4，线宽为18微米，厚度为80微米，平面S型锥形弹簧的直梁增量为40微米。

所述轴向电极5位于限位止挡柱7的上方；轴向电极5厚度为20微米，与环形惯性质量块电极6之间存在轴向间隙为90微米。

所述径向电极8为悬臂梁触点式径向电极，线宽为20微米，厚度为40微米，触点直径为20微米，且与环形惯性质量块电极6之间的径向间隙为50微米；限位止挡柱7直径小于环形惯性质量块电极6的内径，两者径向间隙为80微米。限位止挡柱7顶面的高度不小于环形惯性质量块电极6顶面的高度。

结合图6和图7，环形惯性质量块电极6分别与四个径向电极8及轴向电极5之间接触分离，相当于五个开关(K1、K2、K3、K4、K5)的通断。为了便于布线，将质量块电极连接条10、径向电极连接条11和轴向电极连接条12的接头均设置在绝缘底板1的同一侧，环形惯性质量块电极6对应的任意一个质量块电极连接条10接电源负极，四个径向电极8对应的径向电极连接条11分别与1kΩ、2kΩ、4kΩ、6kΩ的电阻串联，四条串联电路并联为第一并联电路，第一并联电路串联一个2kΩ第一电阻后接电源正极，轴向电极5对应的轴向电极连接条12与4kΩ的第二电阻串联后，接上述电源正极。从第一电阻的两端引出两条导线用来与电压采集装置连接，并将其电压输出记作V_O1，从第二电阻的两端引出两条导线用来与上述电压采集装置连接，并将其电压输出记作V_O2。

本发明所述的可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关工作过程如下：

当受到径向的加速度载荷作用时，悬空的环形惯性质量块电极6会在惯性力的作用下拉伸或者压缩蛇形支撑弹簧9并沿径向运动，如果加速度载荷超过本发明所述开关的径向阈值且不过载，环形惯性质量块电极6会沿着惯性力的方向运动，直至与径向电极8接触，此时开关处于“接通”状态(即电源正负极连通)，此后由于径向电极8的柔性设计，环形惯性质量块电极6不会被立即弹回，而是随着径向电极8的变形，环形惯性质量块电极6推动着径向电极8继续向前运动，并保持紧密接触运动到最大位移处，当载荷减小或消失后，在蛇形支撑弹簧9回复力、惯性力以及电极反力的共同作用下，径向电极8将推动环形惯性质量块电极6向平衡位置运动，直至两个电极分离，此后开关处于“断开”状态，两个电极的接触时间即为开关的闭合时间。

当有沿轴向且超过本发明所述开关的轴向阈值的加速度载荷作用于开关时，环形惯性质量块电极6沿轴向运动与轴向电极5接触，环形惯性质量块电极6运动过程以及与轴向电极5的接触作用与径向类似；当加速度方向与轴向方向成一定角度且加速度大小超过本发明所述开关的阈值时，将惯性力分解到轴向方向以及径向平面内，轴向方向的分量使环形惯性质量块电极6沿轴向运动与轴向电极5接触，径向平面的分量使环形惯性质量块电极6沿径向运动与径向电极8接触。

当开关受到径向过载的加速度载荷时，环形惯性质量块电极6推动着径向电极8运动至到环形惯性质量块电极6与限位止挡7柱接触，由于与限位止挡柱7的刚性碰撞，强迫环形惯性质量块电极6运动停止，从而实现制动作用，保护开关结构不被破坏。

本发明所述的可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关对载荷方位识别的原理如下：

如图8所示载荷的空间方位是由平面角θ(载荷在XOY平面的分量与X轴夹角)和空间角δ(载荷与XOY平面的夹角)共同决定的。因此载荷的空间方位识别可视为对θ，δ两个角度的识别。对应的图7中，右侧方向为X轴正向，上侧方向为Y轴正向，从绝缘衬底1到限位止挡柱7的高度方向为Z轴正向。

开关对平面角θ的识别是依靠开关在工作过程中四个径向电极8的闭合状态不同来实现的。如图9(a)所示在冲击载荷作用下环形惯性质量块电极6只与四个径向电极8中的一个电极接触(例如径向电极8-1)并形成闭合通路时，可判断平面角θ处于Ⅰ和Ⅷ区内。当环形惯性质量块电极6与径向电极8-2、径向电极8-3、径向电极8-4单独接触时，情况与之类似。同理，如图9(b)所示冲击载荷作用下环形惯性质量块电极6与四个径向电极8中的两个电极(例如径向电极8-1和径向电极8-2)同时接触，并形成两个闭合通路时，可判断平面角θ处于Ⅰ和Ⅱ区范围内，当环形惯性质量块电极6与径向电极8-2和径向电极8-3、径向电极8-3和径向电极8-4、径向电极8-4和径向电极8-1同时接触时，情况与之类似。

因为电极闭合状态的不同会引起电阻网络接通电阻发生变化，从而引起输出电压改变。因此通过V_O1和V_O2的输出电压分别来检测径向电极8和轴向电极5的闭合状态是可行的。因为开关的结构设计使得环形惯性质量块电极6在运动时至多与两个径向电极8同时碰撞接触，所以径向电极8只可能有下述的8种状态。具体的径向电极8闭合状态与输出电压V_O1以及载荷平面角θ所处区间对应关系如表1所示。

表1径向电极8的闭合状态与电路输出V_O1、以及载荷平面角θ所处区间的对应关系

开关对空间角δ的识别是依靠开关在工作过程中轴、径向电极闭合顺序的不同来实现的。开关结构的模型如图10(其中r方向代表XOY平面即开关的径向平面)所示，在轴向方向上环形惯性质量块电极6与轴向电极5距离为d₁。在径向平面内，当环形惯性质量块电极6沿着X轴方向运动时，与径向电极8间距最小，为r_min，当环形惯性质量块电极6沿着与X轴夹角为45°方向运动时，与径向电极8间距最大，为r_max(图11为空间示意图)。限位止挡柱7与环形惯性质量块电极6止挡间距为R_max，当开关受到过载的径向加速度载荷时环形惯性质量块电极6与径向电极8碰撞，并推动着径向电极8一起运动到与限位止挡柱7接触，此时达到径向电极止挡位置。轴向电极5、径向电极8的闭合顺序与电路输出情况以及载荷空间角δ所处区间的对应关系如表2所示。

表2轴向电极5、径向电极8的闭合顺序与电路输出情况以及空间角δ所处区间的对应关系

其中δ₁＝tan^-1(d₁/r_min)＝60.95°，δ₂＝tan^-1(d₁/r_max)＝48.37°，表1中8种径向电极闭合状态都可视作“径向闭合”；“轴向闭合”只有一种状态，此时V_O2的输出电压为V_I，空间角分区见图12。

因此通过载荷平面角θ的8个区位的识别和在空间角的δ的3个区位的识别，我们可以在整个半球面内实现载荷方向的24个方位区间识别。

结合图7，将本发明的开关连接在电路之中。当所受加速度载荷在径向或轴向分量达到或超过阈值时，环形惯性质量块电极6与径向电极8或轴向电极5发生碰撞接触。由输出的电压值V_O1和V_O2分别确定径向、轴向电极的闭合状态，根据表1可以识别载荷平面角θ方位区间；由V_O1、V_O2输出的先后顺序确定轴、径向电极的闭合顺序，根据表2可以识别载荷空间角δ(载荷与径向平面的夹角)的方位区间；两者结合便可确定开关所受载荷的空间方位区间。并且在接触过程中，径向电极8和轴向电极5的柔性设计，有效延长了电极接触时间并增强了接触效果。当受到过载的径向加速度冲击时，环形惯性质量块6将推动径向电极8运动较大位移直至与限位止挡柱7接触，实现制动作用。

Claims (6)

1.一种可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关其特征在于：包括绝缘衬底（1）、轴向电极支撑座（2）、径向电极支撑座（3）、弹簧支撑座（4）、轴向电极（5）、环形惯性质量块电极（6）、限位止挡柱（7）、径向电极（8）、蛇形支撑弹簧（9）、径向电极连接条（11）、轴向电极连接条（12）和至少一个质量块电极连接条（10），轴向电极支撑座（2）、径向电极支撑座（3）、弹簧支撑座（4）、限位止挡柱（7）、质量块电极连接条（10）、径向电极连接条（11）和轴向电极连接条（12）均设置在绝缘衬底（1）上；限位止挡柱（7）位于环形惯性质量块电极（6）中心，环形惯性质量块电极（6）外壁周向均匀分布四个凸起，四个轴向电极支撑座（2）以限位止挡柱（7）为中心环形分布；四个径向电极支撑座（3）以限位止挡柱（7）为中心环形分布，且径向电极支撑座（3）位于轴向电极支撑座（2）和环形惯性质量块电极（6）之间；相邻的两个轴向电极支撑座（2）之间的绝缘衬底（1）上设有弹簧支撑座（4）；轴向电极连接条（12）与任意一个轴向电极支撑座（2）连接，每个径向电极支撑座（3）上连接一个径向电极连接条（11），每个径向电极支撑座（3）上设有一个径向电极（8），径向电极（8）与环形惯性质量块电极（6）凸起位置对应，当环形惯性质量块电极（6）发生运动时，径向电极（8）的触点与环形惯性质量块电极（6）凸起接触；蛇形支撑弹簧（9）一端与弹簧支撑座（4）连接，另一端与环形惯性质量块电极（6）连接，四根蛇形支撑弹簧（9）将环形惯性质量块电极（6）托起；轴向电极（5）包括环形电极和连接电极，四根连接电极均匀分布在环形电极的外壁，环形电极通过四根连接电极与四个轴向电极支撑座（2）连接，环形电极位于环形惯性质量块电极（6）上方，两者同心设置，且环形电极的外径小于环形惯性质量块电极（6）的外径；质量块电极连接条（10）设置在任意的弹簧支撑座（4）上。

2.根据权利要求1所述的可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，其特征在于：所述轴向电极支撑座（2）、径向电极支撑座（3）、弹簧支撑座（4）、轴向电极（5）、环形惯性质量块电极（6）、限位止挡柱（7）、径向电极（8）、蛇形支撑弹簧（9）、质量块电极连接条（10）、径向电极连接条（11）和轴向电极连接条（12）材料均为导电金属。

3.根据权利要求1所述的可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，其特征在于：所述蛇形支撑弹簧（9）为平面S型锥形弹簧，其深宽比为1:4~1:6，线宽为15~25微米，厚度为80~120微米，平面S型锥形弹簧的直梁增量为30~50微米。

4.根据权利要求1所述的可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，其特征在于：所述轴向电极（5）位于限位止挡柱（7）的上方；轴向电极（5）厚度为20~30微米，与环形惯性质量块电极（6）之间存在轴向间隙为70~100微米。

5.根据权利要求1所述的可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，其特征在于：所述径向电极（8）为悬臂梁触点式径向电极，线宽为15~25微米，厚度为30~50微米，触点直径20~30微米，且与环形惯性质量块电极（6）之间的径向间隙为30~60微米；限位止挡柱（7）直径小于环形惯性质量块电极（6）的内径，两者径向间隙为径向电极（8）与环形惯性质量块电极（6）之间的径向间隙的1.6~1.8倍；限位止挡柱（7）顶面的高度不小于环形惯性质量块电极（6）顶面的高度。

6.根据权利要求1所述的可识别载荷方位区间的MEMS万向惯性开关，其特征在于：所述环形惯性质量块电极（6）的内径为400~800微米，外径为1000~1600微米，凸起的长为120~200微米，宽为50~90微米。