Электростатический микродатчик

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Электростатический микродатчик, содержащий диэлектрическую подложку с углублением в центральной части, закрепленную на ней со стороны углубления диэлектрическую пластину с подвижным элементом и упругими балочными держателями, расположенными симметрично и под углом по отношению к одной из осей подвижного элемента, с вершинами углов, направленными в одну сторону, и неподвижные управляющий электрод и контакты, размещенные на диэлектрической подложке, подвижные управляющий электрод и контакт в виде перемычки, сформированные на подвижном элементе, отличающийся тем, что он снабжен второй, идентичной по форме с первой, диэлектрической подложкой, закрепленной с другой стороны диэлектрической пластины и расположенной зеркально по отношению к первой, а на обеих сторонах подвижного элемента диэлектрической пластины выполнены изолированные друг от друга контакты и сформирован единый двусторонний подвижный управляющий электрод. 4176 1 Известен микроэлектростатический переключатель 1, содержащий диэлектрическую подложку, на которой размещены неподвижные контакт и управляющий электрод, и подвижный элемент в виде консольной металлической пластины, одним концом закрепленной на диэлектрической подложке. Другой конец подвижного элемента расположен над неподвижными контактом и управляющим электродом. Пластина заземлена. При подаче на управляющий электрод заряда положительной полярности пластина притягивается к контакту и замыкает управляемую цепь. Переключатель не обеспечивает включения управляемой цепи при подаче отрицательного заряда, что существенно ограничивает область его применения. Известно микромеханическое реле с гибридным приводом 2, которое содержит диэлектрическую базовую подложку с неподвижными управляющим электродом и контактом и жестко соединенную с подложкой диэлектрическую рамку, внутри которой размещен подвижный диэлектрический якорь в виде плоской квадратной пластины, соединенный с рамкой гибкими прямолинейными держателями, окаймляющими контур якоря и расположенными в одном направлении, например по часовой стрелке. На стороне якоря, обращенной к базовой подложке, расположены подвижные управляющий электрод и контакт, а также слой пьезоматериала. При подаче на управляющие электроды зарядов разноименной полярности якорь под воздействием электростатических сил притягивается к подложке, при этом якорь и держатели изгибаются и заряд, возникающий в деформируемом пьезослое, несколько увеличивает силу притяжения, которая несмотря на это требует довольно значительной величины напряжения, обусловленной конструкцией держателей. В итоге контакты соединяются и управляемая цепь замыкается. Реле не обеспечивает замыкания управляемой цепи при подаче на подвижный и неподвижный управляющие электроды зарядов одноименной полярности, что существенно ограничивает область его применения. Наиболее близким по технической сущности является электростатическое реле 3, которое содержит диэлектрическую подложку с углублением в центральной части и закрепленную на ней со стороны углубления диэлектрическую пластину. В центральной зоне последней сформирован подвижный элемент, соединенный с диэлектрической пластиной упругими балочными держателями, расположенными симметрично по отношению к одной из осей подвижного элемента и под углом к этой оси, причем с вершинами углов, направленными в одну сторону. На дне углубления диэлектрической подложки размещены неподвижные управляющий электрод и контакты управляемой цепи. Подвижный управляющий электрод расположен на внешней стороне подвижного элемента, на внутренней стороне последнего сформирован подвижный контакт в виде перемычки. При подаче на управляющие электроды разноименных потенциалов от источника питания постоянного тока подвижный элемент под воздействием распределенных электростатических сил притягивается, перемычка соединяется с неподвижными контактами и управляемая цепь замыкается. При этом напряжение срабатывания реле значительно снижается за счет рационального расположения упругих балочных держателей. Реле не обеспечивает замыкания управляемой цепи при подаче на подвижный и неподвижный управляющие электроды зарядов одноименной полярности, что существенно ограничивает область его применения. Технической задачей изобретения является обеспечение замыкания управляемой цепи при подаче на подвижный управляющий электрод заряда любой полярности, что существенно расширяет область применения электростатического микродатчика. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микродатчике, содержащем диэлектрическую подложку с углублением в центральной части, закрепленную на ней со стороны углубления диэлектрическую пластину с подвижным элементом и упругими балочными держателями, расположенными симметрично и под углом по отношению к одной из осей подвижного элемента, с вершинами углов, направленными в одну сторону, и неподвижные управляющий электрод и контакты, размещенные на диэлектрической подложке, подвижные управляющий электрод и контакт в виде перемычки, сформированные на подвижном элементе, вводится вторая идентичная по форме с первой диэлектрическая подложка, закрепленная с другой стороны диэлектрической пластины, и расположенная зеркально по отношению к первой, а на обеих сторонах подвижного элемента диэлектрической пластины выполнены изолированные друг от друга контакты и сформирован единый двусторонний подвижный управляющий электрод. При этом неподвижные управляющие электроды предназначены для подачи разноименных электрических зарядов, создаваемых, например, источником постоянного тока, а подвижный управляющий электрод для регистрации заряда любой полярности, например, от контролируемого объекта. Введение в конструкцию электростатического микродатчика второй диэлектрической подложки с неподвижными управляющим электродом и контактами, размещение между диэлектрическими подложками диэлектрического подвижного элемента с подвижным управляющим электродом, расположенным на обеих сторонах подвижного элемента, предварительная разноименность зарядов неподвижных управляющих электродов обеспечивают срабатывание микродатчика при попадании на подвижный управляющий электрод заряда любой полярности, что позволяет ему наряду с выполнением функций порогового датчика быть анализатором знака полярности и величи 2 4176 1 ны наведенных зарядов, что очень важно для определения напряженностей электрических и электростатических полей отдаленных или труднодоступных объектов и их компонентов, в частности элементов космических кораблей, высоковольтных подстанций и т.п. Размещение на обеих сторонах подвижного элемента изолированных друг от друга подвижных контактов позволяет в зависимости от знака заряда, поданного на подвижный управляющий электрод, замыкать гальванически изолированные автономные цепи функционального управления. В зависимости от последовательности, величины и знака подачи зарядов на управляющие электроды электростатический микродатчик может функционировать в различных режимах, в частности в режиме переключателя, когда при заданной величине заряда на неподвижных управляющих электродах на подвижный управляющий электрод подается заряд, необходимый для срабатывания реле в пороговом режиме, когда при заданной величине заряда на неподвижных управляющих электродах на подвижном управляющем электроде заряд постепенно нарастает до величины срабатывания в режиме определения знака и величины неизвестного заряда, возникшего на отдаленном или труднодоступном контролируемом объекте в результате, например, аварии на атомных электростанциях, высоковольтных подстанциях, а также при эксплуатации техники, в частности космической, в условиях среды, чреватых возможностью непредсказуемого возникновения и нарастания электростатических зарядов на элементе конструкции, способных привести к выводу аппаратуры из строя и другим катастрофическим последствиям в режиме нейтрализации заряда установленной полярности путем включения соответствующей цепи управления. Таким образом, электростатический микродатчик существенно расширяет сферу применения электростатических реле, которая у известных конструкций, рассмотренных на примере аналогов, ограничивается первыми двумя режимами. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено продольное сечение электростатического микродатчика, и где 1 - первая диэлектрическая подложка,2 - углубление в первой диэлектрической подложке,3 - вторая диэлектрическая подложка,4 - углубление во второй диэлектрической подложке,5 - диэлектрическая пластина,6, 7 - неподвижные управляющие электроды на первой и второй диэлектрических подложках соответственно,8, 9 - неподвижные контакты на первой и второй диэлектрических подложках соответственно,10 -подвижный элемент,11 - упругие балочные держатели,12 - подвижный управляющий электрод,13, 14 - подвижные контакты. На фиг. 2 представлен вид на микродатчик сверху со снятой второй диэлектрической подложкой и часть первой диэлектрической подложки с неподвижными управляющим электродом и контактами. Электростатический микродатчик (фиг. 1) содержит первую диэлектрическую подложку 1 с углублением 2,вторую диэлектрическую подложку 3 с углублением 4 и диэлектрическую пластину 5. Диэлектрические подложки 1 и 3 идентичны между собой по форме, они расположены углублениями 2 и 4 друг к другу с обеих сторон диэлектрической пластины 5. На дне углублений 2 и 4 размещены предназначенные для подачи зарядов разноименной полярности неподвижные управляющие электроды 6 и 7, и неподвижные контакты 8 и 9 (фиг. 2). Диэлектрическая пластина 5 содержит подвижный элемент 10, закрепленный в ней с помощью упругих балочных держателей 11,расположенных симметрично и под углом по отношению к одной из осей подвижного элемента 10 с вершинами углов, направленными в одну сторону. На подвижном элементе 10 нанесены подвижный управляющий электрод 12 для подачи заряда любой полярности, расположенный с обеих сторон подвижного элемента 10, и изолированные друг от друга подвижные контакты 13 и 14, также расположенные на разных сторонах подвижного элемента 10, выполненные в виде перемычек. Диэлектрические подложки 1, 3 и диэлектрическая пластина 5 жестко соединены между собой. Подложки электростатического микродатчика могут быть выполнены из анодного оксида алюминия путем локального анодирования и травления алюминия по заданному топологическому рисунку. Тонкопленочные контакты и электроды наносятся методами вакуумного напыления. Технология обеспечивает получение минимальной толщины подвижного элемента и упругих балочных держателей до 35 мкм, минимального размера углубления практически от 0, что позволяет достичь малых межэлектродных расстояний и низких механических сопротивлений изгибу балочных держателей, и делает возможным использование электростатических микродатчиков различных размеров в широком интервале рабочих напряжений от единиц Вольт до килоВольт, т.к. получение больших размеров и усилий не составляет проблемы. Электростатический микродатчик работает следующим образом. При подаче на неподвижный управляющий электрод 6 на первой диэлектрической подложке 1 положительного заряда, а на неподвижный управляющий электрод 4176 1 7 на второй диэлектрической подложке 3 отрицательного заряда, например, от источника постоянного тока, подвижный элемент 10 остается в исходном состоянии. Если затем на подвижный управляющий электрод 12 подать возрастающий положительный заряд, например, от контролируемого объекта, то между неподвижным управляющим электродом 7 на второй диэлектрической подложке 3 и подвижным управляющим электродом 12, заряженными разноименно, возникнет распределенная электростатическая сила, притягивающая подвижный элемент 10 ко второй диэлектрической подложке 3, смещению которого будет способствовать также распределенная электростатическая сила, отталкивающая неподвижный управляющий электрод 6 на первой диэлектрической подложке 1 и подвижный управляющий электрод 12, поскольку они будут иметь одноименный заряд. При повышении заряда до требуемой величины подвижный контакт 14 соединится с неподвижным контактом 9 на второй диэлектрической подложке 3 и замкнет соответствующую цепь управления. Если на подвижный управляющий электрод 12 подан возрастающий отрицательный заряд, то идет аналогичный процесс смещения подвижного элемента 10 в обратную сторону, соединение подвижного контакта 13 с неподвижным контактом 8 на первой диэлектрической подложке 1 и замыкание другой цепи управления. При снятии заряда с подвижного управляющего электрода 12 подвижный элемент 10 возвращается упругими балочными держателями 11 в исходное положение и контакты цепи управления размыкаются. Таким образом электростатический микродатчик успешно функционирует при заряде любой полярности на подвижном управляющем электроде, что существенно расширяет сферу его применения. Источники информации 1. Пат США 5367136, МПК Н 03 К 17/975. 2. Пат. ФРГ 4305033, МПК 01 Н 59/00. 3. А.с. СССР 1575249, МПК 01 Н 59/00. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.