惯性开关是引信中常用的一种开关形式，依靠的是战斗部或弹丸碰到目标时的减速运动或振动产生的惯性力动作，因其结构简单、价格低廉，在很多引信产品中都有使用。具体到侵彻弹药引信，触发延时型侵彻引信通常需要类似的开关器件进行着靶条件判断，智能型侵彻引信也可利用这种器件为起爆控制系统提供高级加速度信号处理算法的起始信号。

1966年，哈里·戴蒙德实验室的Apstein博士发明了如图14-6所示的“万向”惯性着发开关。在通常情况下，弹药总是沿其飞行方向与目标相碰。因此，“万向”是指180°半球内，开关应对任意方向的惯性力都能响应。这种开关最初用于非旋火箭弹引信FMU-98以及M429，后又用于炮弹引信M514A1及XM732。以上几种引信都是无线电近炸引信，这些引信中惯性冲击开关的作用是，在近炸失效但仍能保证炮弹或火箭弹与目标相碰时，可靠地闭合起爆电路，使引信爆炸。火箭弹引信开关的惯性灵敏度约为600g；炮弹引信开关的惯性灵敏度约为300g。

图14-6　Apstein博士发明的“万向”惯性着发开关

图14-7所示的是用于XM732引信的惯性着发开关。可以注意到，它比较粗短，与图14-6相比，惯性触杆的大端也不尽相同。这类开关不会因火箭发动机的振动而出现安全问题，其价格相当便宜。M734、M728引信则使用了类似的但经过改进的触发开关，其结构更为简单，参见图14-8，由于采用了锥形惯性头，其结构稳定性好、抗振能力强、可靠性更高、体积小，可沿引信纵轴或其他位置安放，接电可靠。

图14-7　XM732引信用惯性着发开关

图14-8　M734引信用惯性着发开关

侵彻弹药引信采用这类开关进行战斗部与目标发生碰撞时刻的识别，由于战斗部质量较大，着速较低，导致其实际感受过载较炮弹引信更低，因而通常要求更高的灵敏度。以FMU-143系列引信为例，其触发条件为±160g，而法国FMB21引信的触发过载仅为±20g。

值得注意的是，在弹体与目标碰撞的过程中，惯性着发开关对着发姿态应具有较强的适应性，对“万向”惯性着发开关最不利于其触发的方向应重点予以关注。2005年美国引信年会上，美国装备研究发展工程中心的Marc Bobak展示了该中心利用模拟炮发射迫弹侵彻软目标过程中惯性触发开关的动态试验结果，其所测试的对象正是图14-9所示的惯性着发开关。该试验中，惯性着发开关被横向安装于试验引信中，撞击目标时的加速度方向垂直于惯性开关中心轴线。

图14-9　美国装备研究发展中心开展测试的M732A1引信用惯性着发开关

该试验装置采用数字化测试与存储装置对加速度传感器测得的动态加速度信号、惯性着发开关动态响应信号进行了同步记录，试验结果如图14-10所示。试验记录的数据显示：在横过载较高的情况下，惯性着发开关将以较高的频率重复触发；过载较低时，则单位时间内的触发次数显著降低。惯性着发开关这种动态特性在利用其响应信号进行碰撞识别时应予以重视。

图14-10　美国装备研究发展工程中心对M734A1引信用惯性着发开关进行动态试验的结果(www.daowen.com)

惯性着发开关属于典型的弹簧-质量块系统，其动态特性高度依赖弹簧参数，从实际工艺控制角度来看，弹簧加工过程中的个体差异是不可避免的，因此也造成了同一设计与加工工艺下的同一批次产品实测参数浮动较大的情况。另外，由于弹簧的刚度系数、惯性子质量均不能无限制地降低，要获得具有较低的稳定作用阈值的惯性着发开关实际上并不容易，必须考虑新的设计与实现途径。随着微电子技术的发展，以MEMS技术为代表的微惯性器件设计与加工方式日益成熟，许多研究机构开始研发基于MEMS工艺的惯性开关与触发传感器。近年来，在美国引信年会上多次展示过MEMS惯性开关的设计和应用。

2004年，美国海军水面作战中心（Naval Surface Warfare Center）展示了一种集成的MEMS冲击开关，可用作引信安保机构中的集成冲击传感器，也可单独作为冲击与碰撞检测开关。该开关不需电源驱动，当感受的冲击加速度高于预设值时即可可靠锁定在闭合状态下。

该中心采用深硅刻蚀（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）工艺对绝缘体上的硅（Silicon on Insulator，SOI）晶圆进行加工，在形成全部结构零件形状后，对可运动件下方的氧化层进行酸性刻蚀，从而释放这些可运动件，并保留必要的大型结构件下的氧化层，使其可靠地锚定在底层基板上。图14-11是该开关原理示意图和工艺过程的示意图，图14-12为已制备完成的器件内核电镜照片。

图14-11　美国海军水面作战中心研制的一种集成MEMS冲击开关深硅刻蚀工艺示意图

图14-12　双冲击传感器的芯片电镜照片

美国海军水面作战中心2004年展示了尺寸为5.2 mm×5.7 mm的双传感器芯片，分别可在360g和720g下可靠闭合。2009年该中心展示了另一种可抗50 000g冲击的碰撞检测开关，该结构不带锁定装置，闭合阈值为150 g，过载消失后开关恢复断开状态（原理示意见图14-13）。2012年，该中心提出了低于100g作用阈值的碰撞开关和低于5g的超低阈值传感器设计方案（结构示意见图14-14）。

图14-13　2009年提出的抗高冲击MEMS碰撞开关

图14-14　2012年提出的MEMS碰撞开关结构示意

MEMS惯性闭合开关元件最大的优点在于其较高的生产效率和潜在的低成本特性，且由于其尺寸微小（图14-15），可作为标准电子元器件方便地在引信中进行应用，从而简化该类开关器件的加工、制造、运用的一系列工艺流程，甚至可以作为MEMS引信、全固态引信中的一个功能模块，进行全引信系统的集成。

图14-15　尺寸紧凑、可批量生产的MEMS磁撞开关