Микроэлектромеханическое электростатическое реле с несимметричными отказами

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ РЕЛЕ С НЕСИММЕТРИЧНЫМИ ОТКАЗАМИ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О.Сухого(72) Автор Комнатный Дмитрий Викторович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О.Сухого(57) Микроэлектромеханическое электростатическое реле с несимметричными отказами,содержащее корпус из двух диэлектрических деталей, электростатический привод, включающий неподвижную обкладку и подвижную обкладку - мембрану, якорь, управляющий общим контактом, контактную группу в составе фронтового и общего контактов, резистор для установки времени срабатывания реле, отличающееся тем, что подвижная обкладка,установлена прилегающей к нижней детали корпуса и закреплена двумя противоположными краями между деталями корпуса, якорь выполнен из диэлектрика и снабжен противовесом и конусовидными выступами для взаимодействия с мембраной, контактная группа дополнительно содержит тыловой контакт, а контакты выполнены из несваривающихся материалов, резистор соединен с подвижной и неподвижной обкладками электростатического привода.(56) 1. А.с. СССР 506078, 1976. 2. А.с. СССР 632005, 1977. 3. А.с. СССР 73651, 1948. 4. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников В.В. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики / Под ред. В.В. Сапожникова.- М. Транспорт,1995.- 320 с. 56452009.10.30 Полезная модель относится к области автоматики и телемеханики и может быть использована как элементная база систем управления ответственными технологическими процессами (ОТП) на транспорте, в промышленности и энергетике. Известны микроэлектромеханические реле с электростатическим приводом, основанные на явлении взаимного притяжения обкладок конденсатора. Эти реле включают в себя управляющую обкладку и близко расположенную к ней упругую натянутую мембрану. При подаче на обкладку и мембрану напряжения указанная мембрана деформируется под действием пондеромоторных сил и замыкает основной контакт реле. После снятия напряжения с управляющей обкладки мембрана под действием упругих сил восстанавливает форму и разрывает контакт коммутируемой цепи 1. К недостаткам описанных микроэлектромеханических реле следует отнести отсутствие мер против сваривания контактов реле, использование одного и того же напряжения и как управляющего для реле, и как сигнала в коммутируемой цепи, использование упруго деформируемых элементов, подверженных усталостному износу и изменению их упругих свойств в процессе эксплуатации. Также известно электростатическое реле с применением электретов и подвижных пластин в виде гибких мембран 2. В этом реле имеются гибкий подвижный элемент в виде закрепленной с предварительным натяжением мембраны и две неподвижные пластины со слоями электрета на них. К центру мембраны прикреплен посредством слоя изолятора подвижный контакт. При подаче напряжения на подвижный элемент и неподвижные пластины, подвижный элемент, в зависимости от полярности напряжения, под действием сил электростатического взаимодействия с полем электрета смещается до замыкания контактов реле. Описанное реле также имеет недостатки отсутствие мер против сваривания контактов реле, использование электретов, заряд которых ослабевает с течением времени, использование сил упругости закрепленной с натяжением мембраны для размыкания контактов реле, зависимость направления движения подвижного элемента от полярности напряжения,что при ошибке в монтаже может изменить алгоритм работы реле на противоположный. Из уровня техники наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство 3 содержащее корпус, выполненный из двух диэлектрических дисков с выточками для размещения электростатического привода,электростатический привод, состоящий из неподвижной полупроводящей обкладки, неподвижной проводящей обкладки и подвижной обкладки в виде закрепленной между краями дисков корпуса металлической мембраны контактную группу из общего и фронтового контактов, якорь, связанный с мембраной и управляющий общим контактом, резистор для установки времени срабатывания реле. В основе работы устройства лежит эффект Джонсона-Рабека. Под действием пондеромоторных сил подвижная обкладка отталкивается от проводящей неподвижной обкладки и притягивается к полупроводящей неподвижной обкладке. Связанный с мембраной якорь смещается и замыкает контактную группу коммутируемой цепи. При снятии напряжения с обкладок, мембрана под действием упругих сил возвращает якорь в исходное положение и размыкает контактную группу. Анализ конструкции устройства показывает, что в нем не предусмотрены меры против сваривания контактов. Также не исключена возможность слипания подвижной и неподвижной полупроводниковой обкладок электростатического привода. Размыкание контакта осуществляется под действием упругих сил мембраны, которая поэтому подвержена усталостному износу. Коммутируемый сигнал подается от общего контакта к фронтовому через проводящий якорь, который недостаточно надежно изолирован от несущей управляющее напряжение мембраны. Это может привести к короткому замыканию управляющей и коммутируемой цепей. Таким образом, в конструкции данного устройства не обеспечивается уровень безопасности, необходимый для систем управления ОТП. 56452009.10.30 Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение безопасности микроэлектромеханического реле, с целью использования в системах управления ОТП. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известном устройстве,содержащем корпус из двух диэлектрических деталей, электростатический привод, включающий неподвижную обкладку и подвижную обкладку - мембрану, якорь, управляющий общим контактом, контактную группу в составе фронтового и общего контактов, резистор для установки времени срабатывания реле, согласно полезной модели, подвижная обкладка установлена прилегающей к нижней детали корпуса и закреплена двумя противоположными краями между деталями корпуса, якорь выполнен из диэлектрика и снабжен противовесом и конусовидными выступами для взаимодействия с мембраной, контактная группа дополнительно содержит тыловой контакт, а контакты выполнены из несваривающихся материалов, резистор соединен с подвижной и неподвижной обкладками электростатического привода. Поскольку действующая на противовес сила тяжести не подвержена изменениям, то при снятии управляющего напряжения якорь опускается вниз и размыкает фронтовой контакт. Сваривание контактов под действием проходящего тока исключено подбором материалов. Такими материалами являются вольфрам, графито-серебряная смесь, палладий. Благодаря конструкции крепления, мембрана не находится в напряженном состоянии и поэтому не подвержена усталостному износу. Способ соединения якоря и мембраны через конусовидные выступы исключает возможность разрушения соединения под действием переменной нагрузки. Общий контакт реле изолирован диэлектрическим якорем с выступами от пластин электростатического привода, чем достигается надежная изоляция управляющей цепи от управляемой. Наличие в электростатическом приводе неподвижной обкладки из полупроводника позволяет, используя эффект Джонсона-Рабека, увеличить силу притяжения между неподвижной и подвижной обкладкой электростатического привода при использовании сравнительно невысокого напряжения питания. Это существенно снижает опасность пробоя воздушного промежутка между подвижной и неподвижной обкладками электростатического привода. Таким образом, в заявляемом реле вероятность ложного замыкания контактов реле гораздо меньше вероятности несрабатывания реле при подаче управляющего напряжения,то есть, конструкция реле имеет несимметричные отказы 4. На фигуре представлена конструкция микроэлектромеханического электростатического реле с несимметричными отказами. Заявляемое реле содержит корпус из двух диэлектрических деталей (1), электростатический привод, состоящий из подвижной проводящей обкладки - мембраны (2), закрепленной двумя противоположными краями между деталями корпуса, и неподвижной обкладки из полупроводника (3), контактную группу в составе фронтового (4), тылового(5) и общего (6) контактов, управляющий общим контактом якорь (7) с противовесом (8) и конусовидными выступами (9) для взаимодействия с мембраной, резистор для установки времени срабатывания реле (10), приклеенный к боковой стенке корпуса, клеммы для подачи управляющего напряжения (11). Устройство работает следующим образом. При подаче на обкладки привода (2) и (3) через клеммы (11) напряжения, проводящая обкладка - мембрана (2) изгибается и поднимается вверх под действием силы притяжения между проводящей мембраной (2) и полупроводящей обкладкой (3). При этом она приходит в соприкосновение с конусовидным выступом (9) якоря (7) и поднимает якорь вверх до замыкания фронтового (4) и общего (6) контактов контактной группы. После снятия напряжения с обкладок якорь (7) под действием противовеса (8) опускается, при этом конусовидный выступ (9) возвращает мембрану в исходное положение. Фронтовой контакт (4) принудительно размыкается, а тыловой 3(5) - замыкается. Время срабатывания реле зависит от времени протекания переходных процессов в цепи образованной емкостью обкладок (2) и (3) и резистором (10). Правильная работа реле обеспечивается, если при его монтаже противовес расположен под контактной группой. Таким образом, благодаря конструктивным решениям, предотвращающим ложное замыкание фронтового контакта при снятии напряжения с обкладок электростатического привода, достигается исключение опасного отказа реле. В свою очередь это обеспечивает высокую надежность схем, построенных на базе заявляемого реле. Микроэлектромеханическое исполнение обеспечивает простую интеграцию с микросхемами. Электростатический привод отличается низким энергопотреблением, так как через него не протекает ток. Вышеперечисленные достоинства микроэлектромеханического электростатического реле позволяют использовать реле для разработки и промышленного изготовления в виде микроэлектромеханического устройства элементной базы систем управления ОТП. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4