Электростатический микроактюатор

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ефремов Георгий Игнатьевич Мухуров Николай Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Электростатический микроактюатор, содержащий плоское прямоугольное диэлектрическое основание, вдоль поперечной оси на противоположных краях которого сформированы выступы с пазами, плоский жесткий якорь прямоугольной формы, закрепленный в пазах с помощью упругих торсионов, расположенных на короткой оси симметрии якоря,подвижный электрод, сформированный по всей длине внутренней стороны якоря, два неподвижных электрода, расположенных на обращенной к якорю стороне основания между выступами и симметрично относительно поперечной оси основания, отличающийся тем,что неподвижные электроды выполнены в виде пятиугольников, состоящих из прямоугольной и треугольной частей, ось симметрии которых перпендикулярна поперечной оси симметрии основания, причем у пятиугольников короткие стороны прямоугольных частей расположены от поперечной оси основания на расстоянии 10,1, где- длина подвижного электрода, концы длинных сторон прямоугольных частей - на расстоянии 2(0,210,25), а вершины треугольных частей - на расстоянии 3(0,37-0,39). 10211 1 2008.02.28 Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике, оптике и может быть использовано в управляющих, регулирующих, коммутирующих системах. Известно электростатическое микрореле с упругим консольным подвижным электродом 1. Оно содержит жесткую диэлектрическую подложку, состоящую из плоской части и размещенного на ней выступа. На выступе одним концом закреплена упругая диэлектрическая пластина. На обращенных друг к другу плоскостях плоской части подложки и пластины сформированы соответственно неподвижные электрод и контакт и подвижные электрод и контакт. Электроды расположены напротив друг друга на расстояниии имеют прямоугольную форму. Электростатическое микрореле не обеспечивает управляемого перемещения изгибаемой пластины за пределами 0,36 (0,36), где- межэлектродное расстояние,- максимальный угол поворота пластины, допускаемый размерами микрореле, вследствие чего имеет ограниченные функциональные возможности. Наиболее близким по технической сущности является торсионный микроактюатор 2. Он содержит плоское диэлектрическое основание и плоский жесткий якорь прямоугольной формы, закрепленный с помощью двух соосных упругих торсионов на выступах основания. Ось торсионов совпадает с одной из осей симметрии якоря. На наружной плоскости якоря сформирован единый подвижный электрод прямоугольной формы. На внутренней плоскости основания под подвижным электродом нанесены два симметричных относительно оси торсионов неподвижных электрода прямоугольной формы, наружные края которых точно совпадают с соответствующими краями подвижного электрода на якоре. Между внутренними краями предусмотрен промежуток, величина которого определяется требуемым значением электрической изоляции между неподвижными электродами. Таким образом, наружные размеры подвижного электрода и неподвижных электродов равны друг другу, а все электроды имеют прямоугольную форму. На подвижный электрод подается заряд постоянного знака. На неподвижные электроды подается заряд противоположного знака, но не одновременно, а последовательно при подключении так названного тянущегоэлектрода якорь поворачивается по часовой стрелке. Затем напряжение снижают или отключают. Реактивный момент торсионов поворачивает якорь против часовой стрелки до исходного положения. После чего подают заряд того же знака на толкающийэлектрод, который обеспечивает дальнейший поворот якоря в обратном направлении, закручивая торсионы против часовой стрелки. Торсионный микроактюатор в результате может функционировать как в режиме переключателя, так и в режиме сканера. Процесс управляемого напряжением перемещения подвижных электрода и контакта продолжается до положения, при котором конец подвижного электрода пройдет часть межэлектродного расстояния , равную 0,43 (или, учитывая малую величину углов, не превышающую 3, до поворота на угол 0,43). При малейшем повышении напряжения пластина неуправляемо мгновенно изгибается дальше и положение ее конца у становится равнымили . Это объясняется тем, что с указанной части пути электростатические силы, возрастающие обратно пропорционально квадрату уменьшающегося межэлектродного расстояния, начинают превосходить реактивные механические силы торсионов, которые увеличиваются линейно прогибу (повороту). Основной вклад в увеличение электростатических сил вносит участок притягиваемого электрода, поскольку в этой зоне межэлектродного промежутка расстояние имеет наименьшее значение. Ограничение управляемого перемещения величиной 0,43 (углом поворота якоря 0,43) является константой для всех типоразмеров электростатических микрореле данной конструктивной схемы. Малая величинане удовлетворяет потребностям многих отраслей техники, в первую очередь оптоэлектроники. Торсионный микроактюатор не обеспечивает управляемого поворота якоря за пределами 0,43, вследствие чего имеет ограниченные функциональные возможности. 2 10211 1 2008.02.28 Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей электростатического микроактюатора за счет увеличения угла управляемого поворота якоря. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микроактюаторе, содержащем плоское прямоугольное диэлектрическое основание, вдоль поперечной оси на противоположных краях которого сформированы выступы с пазами, плоский жесткий якорь прямоугольной формы, закрепленный в пазах с помощью упругих торсионов,расположенных на короткой оси симметрии якоря, подвижный электрод, сформированный по всей длине внутренней стороны якоря, неподвижные электроды выполнены в виде пятиугольников, состоящих из прямоугольной и треугольной частей, ось симметрии которых перпендикулярна поперечной оси симметрии основания, причем у пятиугольников короткие стороны прямоугольных частей расположены от поперечной оси основания на расстоянии 10 где- длина подвижного электрода, концы длинных сторон прямоугольных частей - на расстоянии 2(0,210,25), а вершины треугольных частей - на расстоянии 3(0,370,39). Совокупность указанных признаков обеспечивает повышение управляемого поворота якоря до (0,750,8) за счет сохранения условият, где М - суммарный крутящий момент, Мт - реактивные механические моменты, в более широком диапазоне поворота якоря, что почти в два раза расширяет функциональные возможности электростатического микроактюатора. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлено поперечное сечение электростатического микроактюатора, на котором 1 - основание,2 - якорь,3 - выступ,4 - паз,5 - торсион,6 - подвижный электрод,7 - неподвижный электрод. На фиг. 2 представлен вид на электростатический микроактюатор и неподвижные электроды сверху. Электростатический микроактюатор содержит плоские, жесткие прямоугольные диэлектрические основание 1 и якорь 2 (фиг. 1, 2). На основании 1 выполнены два выступа 3, в которых сформированы соосные пазы 4. Якорь 2 представляет собой прямоугольную пластину длиной , на короткой оси симметрии которой предусмотрена соосная пара упругих торсионов 5. Торсионы 5 размещены и закреплены в пазах 4. На якоре 2 по всей его длине сформирован единый подвижный электрод 6 длиной . На плоскости основания 1,обращенной к якорю 2, сформированы два неподвижных электрода 7 в виде пятиугольников, выполненных симметричными и соосными, причем их ось перпендикулярна поперечной оси основания, и состоящих из прямоугольной и треугольной частей, с направленными вершинами к краям основания 1. Короткие стороны прямоугольных частей, концы длинных сторон прямоугольных частей, вершины треугольных частей расположены соответственно на расстояниях 10,1, 2(0,210,25) и 3(0,370,39) от поперечной оси основания. Диэлектрические детали электростатического микроактюатора могут быть выполнены из анодного оксида алюминия путем комбинирования операций локального анодирования и прецизионного травления оксида. Электроды и коммутирующие элементы формируют вакуумным напылением. Технология позволяет получать планарные и объемные конструктивные элементы в миниатюрном исполнении и с высокой точностью. 3 10211 1 2008.02.28 Электростатический микроактюатор работает следующим образом. В исходном состоянии якорь 2 и основание 1 параллельны. При одновременной подаче на подвижный электрод 6 и правый по фиг. 1 неподвижный электрод 7 разноименных зарядов (например, - исоответственно), а на левый по фиг. 1 неподвижный электрод 7 - заряда, одноименного с зарядом на подвижном электроде 6 (т.е. отрицательного заряда), в первой паре электродов возникнут притягивающие электростатические силы 1, а во второй паре электродов - отталкивающиеэлектростатические силы 2. Они создадут суммарный крутящий момент М, который начнет поворачивать якорь 2 по направлению движения часовой стрелки, деформируя упругие торсионы 5, что приводит к возникновению в последних реактивных механических моментов Мт. В предлагаемой конструкции уменьшение межэлектродного расстояния и обусловленное им увеличение электростатических сил в первой паре электродовкомпенсируется уменьшением площади треугольного участка неподвижного электрода, т.е. уменьшением сил 1 на конце электрода, что позволяет сохранить условиет в более широком диапазоне поворота якоря. При этом существенную роль оказывает распределение сил 2 во второй паре электродов , в которой межэлектродное расстояниевозрастает. В начальный момент при малом угле поворота ее электростатический момент составляет значительную долю суммарного электростатического момента , что обусловливает снижение напряжения, необходимого для начального смещения якоря. При дальнейшем повороте якоря и увеличении межэлектродного расстоянияво второй паре электродов в совокупности с уменьшающейся к концу электрода площадью влияние 2 уменьшается, обеспечивая выполнение условият в расширенном диапазоне. Совместное действие обоих неподвижных электродов и соответствующих им частей подвижного электрода, создающих электростатические силы 1 и 2, как показали результаты расчетов (см. табл.), является оптимальным при следующих расстояниях элементов неподвижных электродов от поперечной оси симметрии основания до коротких сторон прямоугольника - 10,1,до концов длинных сторон прямоугольных частей - 2(0,210,25),до вершин треугольных частей - 3(0,370,39). Эти соотношения обеспечивают расширение управляемого угла поворота якоря до 0(0,740,79) - (см. в табл. строки, выделенные серым цветом). Уменьшение указанных значений расстояний приводит к росту напряжений, увеличение - к снижению верхнего предела диапазона регулировки (см. табл., в которой 0 - относительная координата ) 3. При этом увеличение максимального значения электрического напряженияне превышает 1230 . Таким образом, предлагаемое изобретение существенно повышает функциональные возможности торсионных актюаторов за счет увеличения почти вдвое угла управляемого поворота якоря практически без повышения рабочего напряжения. 4 10211 1 2008.02.28 Источники информации 1.,,// .. - 2000. . 4019. - . 581-586. 2..,.,.-. -. - 2000. - . 48.12. - . 2540-2545. 3. Мухуров Н.И. Алюмооксидные микронаноструктуры для микроэлектромеханических систем. - Мн. УП Бестпринт. - 2004. - 166 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5