Планарный электростатический микрокоммутатор

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Планарный электростатический микрокоммутатор, содержащий плоскую диэлектрическую подложку со сквозным пазом, расположенный в ней якорь в виде консольной образной рамки с длинными упругими ветвями, крайняя из которых контактная, остальные - электродные, соединенными жесткой поперечной перемычкой с выступом над контактной ветвью, площадку между электродными ветвями и упор напротив одной стороны выступа, причем неподвижные электроды, сформированные на площадке и диэлектрической подложке образуют соответственно с подвижными электродами на электродных ветвях межэлектродный промежуток , а неподвижный контакт на упоре и подвижный на выступе поперечной перемычки образуют нормально разомкнутый контакт с межконтактным промежутком к, меньшим межэлектродного промежутка, коммутирующие дорожки, Фиг. 1 10530 1 2008.04.30 площадки управляющей и управляемой цепей, отличающийся тем, что на выступе поперечной перемычки сформирован дополнительный подвижный контакт, а напротив другой стороны выступа выполнено цилиндрическое металлизированное отверстие радиусом ,электрически соединенное с коммутирующей дорожкой, в которое плотно вставлен диэлектрический металлизированный вкладыш, образующий с дополнительным подвижным контактом нормально замкнутый контакт с соответствующим контактным усилием, при этом расстояниеот центра отверстия до упора определено по формулек ,где- ширина выступа,причем ширина сквозного паза между дополнительным подвижным контактом и подложкой составляет (0,20,5). Изобретение относится к микромеханике, электротехнике, микроэлектромеханике и может быть использовано, например, в системах связи, автоматики, регулирующей и измерительной техники. Известно электростатическое реле 1, содержащее две закрепленные в диэлектрическом основании жесткие параллельные диэлектрические пластины, разделенные промежутком, в котором параллельно пластинам размещен консольный электропроводящий якорь. На внутренних сторонах пластин сформированы неподвижные электроды, причем на одной из них (нижней) расположены электрически разделенные друг от друга контактные площадки управляемой цепи. Якорь одним концом закреплен в основании, на другом свободном конце со стороны нижней пластины размещена электропроводящая перемычка,изолированная от якоря и образующая с контактными площадками нормально разомкнутый контакт. При подаче разноименных зарядов на электроды и одноименных на верхний электрод и якорь последний прогибается и замыкает контакт. Электростатическое реле имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. содержит только нормально разомкнутый контакт и не может выполнять переключение управляемых цепей. Известно электростатическое реле 2, содержащее жесткий диэлектрический корпус с П-образным пазом. На параллельных сторонах паза размещены упругие металлические мембраны в виде невысоких цилиндрических крышек с плоским верхом. Цилиндрическая часть мембран закреплена на сторонах паза, а плоские части расположены в середине паза параллельно друг другу на некотором расстоянии . На внешние поверхности мембран нанесено изоляционное покрытие. Под мембранами сформированы неподвижные управляющие электроды. Между мембранами помещены наконечники двух концов управляемой цепи, каждый из которых механически закреплен на одной из мембран. Суммарная толщина наконечников Н, поэтому наконечники прогибают мембраны,и реактивная сила мембран, сжимая наконечники, образует нормально замкнутый контакт. При подаче на электроды и мембраны зарядов противоположных знаков прогиб мембран увеличивается и закрепленные на них наконечники расходятся, размыкая управляемую цепь. Электростатическое реле имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. содержит только нормально замкнутый контакт и не может выполнять переключение управляемых цепей. Наиболее близким по технической сущности является планарное электростатическое микрореле 3, содержащее плоскую диэлектрическую подложку. В ней с помощью перпендикулярных к поверхности подложки сквозных пазов сформированы якорь, площадка,упор. Якорь выполнен в виде -образной рамки с длинными упругими электродными и контактной ветвями и соединяющей их подвижные концы жесткой перемычкой, на внешней стороне которой расположен металлизированный выступ. Площадка подложки вы 2 10530 1 2008.04.30 полнена П-образной формы, она находится между электродными ветвями, которым параллельны ее боковые стороны. Металлизированный упор подложки размещен со стороны перемычки напротив выступа. Паз между электродами неподвижными на подложке, площадке и подвижными на электродных ветвях образует межэлектродный промежуток шириной . Паз между контактом неподвижным на упоре и подвижным на выступе образует межконтактный промежуток шириной ки создает нормально разомкнутый контакт. При подаче разноименных зарядов на электроды подложки и якоря последний притягивается к подложке, выступ прижимается к упору, нормально разомкнутый контакт замыкается и замыкает управляемую цепь. Планарное электростатическое микрореле имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. содержит только нормально разомкнутый контакт и не может выполнять переключение управляемых цепей. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей микрокоммутатора за счет переключения управляющих цепей. Решение технической задачи достигается тем, что в планарном электростатическом микрокоммутаторе, содержащем плоскую диэлектрическую подложку со сквозным пазом,расположенный в ней якорь в виде консольной -образной рамки с длинными упругими ветвями, крайняя из которых, контактная, остальные - электродные, соединенными жесткой поперечной перемычкой с выступом над контактной ветвью, площадку между электродными ветвями и упор напротив одной стороны выступа, причем неподвижные электроды, сформированные на площадке и диэлектрической подложке, образуют соответственно с подвижными электродами на электродных ветвях межэлектродный промежуток, а неподвижный контакт на упоре и подвижный на выступе поперечной перемычки образуют нормально разомкнутый контакт с межконтактным промежутком к, меньшим межэлектродного промежутка, коммутирующие дорожки, площадки управляющей и управляемой цепей, на выступе поперечной перемычки сформирован дополнительный подвижный контакт, а напротив другой стороны выступа выполнено цилиндрическое металлизированное отверстие радиусом , электрически соединенное с коммутирующей дорожкой, в которое плотно вставлен диэлектрический металлизированный вкладыш, образующий с дополнительным подвижным контактом нормально замкнутый контакт с соответствующим контактным усилием, при этом расстояниеот центра отверстия до упора определено по формулек ,где а - ширина выступа, причем ширина сквозного паза между дополнительным контактом и подложкой составляет (0,2-0,5). Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлен планарный электростатический микрокоммутатор, на котором 1 - подложка,12 - неподвижный электрод,2 - сквозной паз,13 - подвижный электрод,3 - якорь,14 - межэлектродный промежуток,4 - контактная ветвь,15 - коммутирующая площадка,5 - электродная ветвь,16 - подвижный контакт,6 - перемычка,17 - неподвижный контакт,7 - выступ,18 - межконтактный промежуток,8 - площадка,19 - нормально разомкнутый контакт,9 - упор,20 - нормально замкнутый контакт,10 - отверстие,21 - коммутирующая дорожка. 11 - вкладыш,На фиг. 2 представлено сечение планарного электростатического микрокоммутатора по плоскости АА. 10530 1 2008.04.30 Планарный электростатический микрокоммутатор содержит плоскую подложку 1, выполненную из диэлектрического материала (фиг. 1). В ней с помощью сквозного паза 2 сформирован якорь 3. Последний выполнен в виде -образной рамки, состоящей из длинных упругих ветвей, у которых одна из крайних - контактная 4, а остальные электродные 5. Количество электродных ветвей может быть две и более. Контактная 4 и электродные 5 ветви одними концами соединены с подложкой 1, другими концами закреплены в жесткой поперечной перемычке 6, на внешней стороне которой над контактной ветвью 4 расположен выступ 7 шириной а. В подложке 1 сформированы площадка 8, размещенная между электродными ветвями 5, упор 9, размещенный над поперечной перемычкой 6 напротив одной стороны выступа 7, сквозное отверстие 10 радиусом , выполненное с другой стороны выступа 7. В отверстие 10 плотно вставлен диэлектрический цилиндрический вкладыш 11 радиусом(фиг. 2). На контактной ветви 4, отверстии 10, вкладыше 11 сформирована тонкопленочная металлизация. Участки сквозного паза 2 между электродными ветвями 5 с одной стороны и соответствующими стенками подложки 1 и площадки 8 с другой стороны по ширине выполнены равными, а указанные элементы подложки 1 относительно сквозного паза 2 расположены в последовательности, идентичной расположению выступа 7 и упора 9. Неподвижные электроды 12 сформированы на площадке 8 и диэлектрической подложке 1 и образуют соответственно с подвижными электродами 13 на электродных ветвях 5 межэлектродный промежуток 14 шириной . Подвижные электроды 13, соединенные между собой, и неподвижные электроды 12, также соединенные между собой аналогичными изолированными одна от другой коммутирующими площадками 15, составляют управляющую цепь микрокоммутатора. На выступе 7 и упоре 9 сформированы соответственно подвижный 16 и неподвижный 17 контакты. Часть сквозного паза 2 между ними является межконтактным промежутком 18 шириной к. Подвижный 16 и неподвижный 17 контакты, межконтактный промежуток 18 образуют нормально разомкнутый контакт 19. Ширина части сквозного паза 2 между выступом и упором в исходном до сборочном состоянии и равна ик,где- прогиб якоря 3. Расстояниецентра отверстия 10 от упора 9 равнои-к. При сборке путем вставки вкладыша 11 в отверстие 10 реактивная сила Р деформируемого якоря 3 обеспечивает необходимое прижатие подвижного контакта 16 с металлизацией вкладыша 11 и создает нормально замкнутый контакт 20. Ширина части сквозного паза 2 в месте нормально замкнутого контакта 20 равна (0,2-0,5). При ширине части сквозного паза 2 менее 0,2 будет недостаточной прочность уголков, образованных в подложке, и они будут ломаться при сборке. При ширине части сквозного паза 2 более 0,5 существенно ослабнет прочность посадки вкладыша 11 в отверстие 10. Металлизация отверстия 10 и вкладыша 11 и коммутирующие дорожки 21 составляют управляемые цепи микрокоммутатора. Подложка 1 со сформированным в ней якорем 3, а также вкладыш 11 могут быть выполнены из анодного оксида алюминия, технология получения из которого деталей разнообразных объемных конфигураций обеспечивает прецизионность формирования всех элементов. Электроды, контакты, коммутирующие дорожки и металлизационные покрытия могут быть сформированы методами тонкопленочного вакуумного напыления и плазменного распыления. Планарный электростатический микрокоммутатор работает следующим образом. Ветви якоря 3 были деформированы при сборке планарного электростатического микрокоммутатора вкладышем 11 при нажатии на выступ 7, образуя нормально замкнутый контакт 20. Контактная 4 и электродные 5 ветви становятся параллельными соответствующим сторонам подложки 1 и частям сквозного паза 2, обеспечивая получение нужной 4 10530 1 2008.04.30 величины межэлектродногои межконтактного к расстояний. Величина прогибапод действием вкладыша 11 определяется из условия создания требуемого контактного усилия Р, имеющего известные значения для конкретных примененных в качестве контактов металлов и сплавов 4, 3,к где Е - модуль упругости,- момент инерции ветви,- количество ветвей,- длина ветви,к - коэффициент заделки концов ветвей. При подаче разноименных зарядов на неподвижные 12 и подвижные 13 электроды суммарная электростатическая силапритягивает якорь 3 к неподвижным электродам 12,размыкая нормально замкнутый контакт 20 и замыкая нормально разомкнутый контакт 19, осуществляет переключение управляемых цепей. Упор 9 ограничивает перемещение якоря 3, оставляя межэлектродный зазор -к, достаточный для исключения короткого замыкания между неподвижными 12 и подвижными 13 электродами. Вкладыш 11 остается в неизменном положении, т.к. ширина части сквозного паза 2 на этом участке, равная(0,20,5), обеспечивает и касание вкладыша 11 с выступом 7 и не допускает его смещения в часть сквозного паза 2, поскольку выход из отверстия 10 в сторону сквозного паза 2 по ширине меньше 2. Сборно-разборное соединение вкладыша 11 с подложкой 1 позволяет по мере необходимости выполнять реставрацию контактов. После снятия зарядов реактивные силы Р возвращают якорь 3 в исходное положение, размыкая при этом нормально разомкнутый контакт 19 и замыкая нормально замкнутый контакт 20. Таким образом, планарный электростатический коммутатор выполняет поочередное включение-выключение двух управляемых электрических цепей, что существенно расширяет его функциональные возможности. Источники информации 1. Патент ЕР 0520407 А 1, МПК 01 59/00, 1992. 2. А.с. СССР 312383, МПК Н 03 К 17/52, 1971. 3. Патент РБ 5486 С 1, МПК 01 59/00, 2000. 4. Справочник машиностроителя. Т.3 / Под ред. С.В. Серенсена. - М. Машгиз, 1955. С. 56. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5