Электростатический микроактюатор

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Белоус Анатолий Иванович Емельянов Виктор Андреевич Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич Котова Инна Федоровна(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) Электростатический микроактюатор, содержащий подложку, выполненную из диэлектрика, с неподвижным электродом, подвижный элемент с подвижным электродом, параллельным неподвижному, соединенный с подложкой двумя упругими Г-образными гибкими опорами, размещенными за противолежащими сторонами подвижного элемента,межконтактный промежуток, меньший межэлектродного промежутка, между неподвижными и подвижными контактами и электродами, соответственно, отличающийся тем, что подложка выполнена плоской и с прямоугольным подвижным элементом, выполненным посредством сквозных пазов, соотношение коротких и длинных сторон которого составляет 1(1020), соединенным серединами коротких сторон с подложкой посредством 11976 1 2009.06.30 Г-образных опор, расположенных симметрично относительно короткой оси симметрии подвижного элемента, при этом подложка выполнена с четырьмя симметричными выступами, направленными к длинным сторонам подвижного элемента напротив обоих его концов,неподвижные электроды сформированы трехсторонними на подложке между выступами симметрично подвижному электроду, который выполнен четырехсторонним и сформирован на плоскостях подвижного элемента подвижный и неподвижные контакты сформированы соответственно на одном из концов подвижного элемента и прилежащих выступах, коммутационные площадки контактов и электродов сформированы на стороне подложки в ряд,причем межконтактный промежуток составляет (0,20,6) межэлектродного промежутка. Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может быть использовано, например, в системах связи, автоматики, контроля, регулировочной техники. Известен электростатический микродатчик 1, содержащий две идентичные по форме диэлектрические подложки с углублением в средней части, выполненным на одной из сторон подложки. Подложки расположены зеркально одна над другой углублениями внутрь. Между подложками размещена и закреплена диэлектрическая пластина с подвижным элементом, соединенным с пластиной упругими держателями, расположенными симметрично и под углом по отношению к одной из осей подвижного элемента, с вершинами углов,направленными в одну строну. На дне обоих углублений сформированы неподвижные электроды и контактные перемычки, на подвижном элементе - единый двусторонний подвижный электрод и подвижные контакты. Расстояния между неподвижными и подвижными электродами и контактами образуют межэлектродные и межконтактные промежутки соответственно. Эти расстояния имеют большой разброс по величине, что обусловлено объемной сборной конструкцией, в которой промежутки являются замыкающими звеньями многозвенных размерных цепочек. При подаче напряжений разных переменных величин и знаков на электроды подвижные элемент, электрод, контакт перемещаются в ту или иную сторону. Соответствующие изменения передаются в исполнительную аппаратуру. Хорошая чувствительность реагирования обусловлена елочной схемой расположения держателей, которая обеспечивает получение чистого изгиба держателей в направлении малой жесткости сечения. Электростатический микродатчик имеет ограниченные функциональные возможности в связи со значительным разбросом выходных параметров, являющимся следствием отклонений размеров межэлектродных расстояний. Наиболее близким по технической сущности является линейный электростатический актюатор 2, содержащий диэлектрическую подложку с закрепленной на ней концами диэлектрической пластиной арочной конструкции. В пространстве между подложкой и средней частью пластины размещен подвижный элемент, поддерживаемый двумя гибкими опорами, в виде Г-образных держателей, расположенных кососимметрично и соединенных с противолежащими углами подвижного элемента. На подложке сформирован нижний электрод, на пластине - верхний электрод, на элементе - подвижный электрод. Объемная структура реализуется потехнологии, включающей значительное количество последовательных операций по выращиванию, осаждению, травлению активных и вспомогательных слоев из различных модификаций кремния и других материалов. В результате все межэлектродные расстояния имеют большой разброс, оказывая существенное влияние на погрешности выходных параметров. В процессе срабатывания подвижный электрод под действием электростатической силысмещается в зависимости от величины и знаков зарядов на электродах. Суммарное напряжение и смещение при этом линейно зависят от электростатической силы. Смещение подвижного элемента деформирует держатели, в результате в частях держателей, соединенных с подвижным элементом, возникает чистый 2 11976 1 2009.06.30 изгиб, в частях держателей, закрепленных на подложке, - сложное сочетание изгиба с кручением. Последнее увеличивает реактивную силу и напряжение активации. Линейный электростатический актюатор имеет ограниченные функциональные возможности в связи со значительным разбросом выходных параметров, являющихся следствием отклонений размеров межэлектродных расстояний и повышенным напряжением активации. Технической задачей изобретения является сокращение разброса выходных параметров и расширение функциональных возможностей за счет повышения точности выполнения межэлектродных расстояний и снижения напряжения активации. Поставленная цель достигается тем, что электростатический микроактюатор, содержащий подложку, выполненную из диэлектрика, с неподвижным электродом, подвижный элемент с подвижным электродом, параллельным неподвижному, соединенный с подложкой двумя упругими Г-образными гибкими опорами, размещенными за противолежащими сторонами подвижного элемента, межконтактный промежуток, меньший межэлектродного промежутка, между неподвижными и подвижными контактами и электродами, соответственно, подложка выполнена плоской и с прямоугольным подвижным элементом, выполненным посредством сквозных пазов, соотношение коротких и длинных сторон которого составляет 1(1020), соединенным серединами коротких сторон с подложкой посредством Г-образных опор, расположенных симметрично относительно короткой оси симметрии подвижного элемента, при этом подложка выполнена с четырьмя симметричными выступами, направленными к длинным сторонам подвижного элемента напротив обоих его концов, неподвижные электроды сформированы трехсторонними на подложке между выступами симметрично подвижному электроду, который выполнен четырехсторонним и сформирован на плоскостях подвижного элемента подвижный и неподвижные контакты сформированы соответственно на одном из концов подвижного элемента и прилежащих выступах, коммутационные площадки контактов и электродов сформированы на стороне подложки в ряд, причем межконтактный промежуток составляет (0,20,6) межэлектродного промежутка. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен вид в плане на электростатический микроактюатор, на котором 1 - подложка,2 - паз,3 - подвижный элемент,4 - короткая сторона,5 - опора,6 - выступ,7 - длинная сторона,8 - неподвижный электрод,9 - подвижный электрод,10 - коммутационная площадка электродов,11 - межэлектродный промежуток,12 - неподвижный контакт,13 - подвижный контакт,14 - коммутационная площадка контактов,15 - межконтактный промежуток. На фиг. 2 представлено поперечное сечение электростатического микроактюатора по оси АА. Электростатический микроактюатор (фиг. 1) содержит единую плоскую выполненную из диэлектрика подложку 1, в которой с помощью сквозных пазов 2 образован подвижный элемент 3 прямоугольной формы с соотношением коротких и длинных сторон, равным 1(10-20). Серединой коротких сторон 4 он соединен с подложкой 1 упругими Гобразными гибкими опорами 5, расположенными симметрично относительно короткой 3 11976 1 2009.06.30 оси. В подложке 1 напротив обоих концов подвижного элемента 3 предусмотрены четыре симметричных выступа 6, направленных к длинным сторонам 7 подвижного элемента 3. Между выступами 6 на плоскостях подложки 1 и подвижного элемента 3 сформированы соответственно трехсторонние неподвижные 8 и четырехсторонний подвижный 9 электроды(фиг. 1, 2). Гальванически они соединены с коммутационными площадками электродов 10 на подложке 1. Расстояние между неподвижными 8 и подвижным 9 электродами образует межэлектродный промежуток 11 величиной , определяемой из условия получения заданных выходных параметров. На другом конце подвижного элемента 3 и прилежащих выступах 6 сформированы соответственно неподвижные 12 и подвижный 13 контакты, гальванически соединенные с коммутационными площадками контактов 14. Расстояние между контактами неподвижным 12 и подвижными 13 является межконтактным промежутком 15, его величина к составляет (0,20,6). При меньшей величине возникает опасность искрения,при большей - ограничивается зона управляемого перемещения подвижного элемента 3. Коммутационные площадки электродов 10 и контактов 14 размещены на одной из длинных сторон подложки 1 в один ряд с шагом, соответствующим разъему внешних цепей. Это упрощает монтаж компонентов электрической схемы и замену вышедших из строя актюаторов. Подложка 1 может быть выполнена из алюминия путем его электрохимического окисления с последующим локальным прецизионным вытравливанием оксида по заданному топологическому рисунку. Метод с учетом исключения операции сборки обеспечивает высокую точность межэлектродных промежутков 11. Электропроводящие элементы формируются методами вакуумного напыления. Электростатический микроактюатор работает следующим образом. Вначале подается заряд на подвижный электрод 9, который остается неподвижным до подключения неподвижных электродов 8 к разноименным полюсам источника питания. При повышении величины электрического напряженияна этих электродах подвижный элемент 3 под действием электростатической силыначинает смещаться, изгибая опоры 5 в плоскости диэлектрической подложки 1. При этом благодаря симметричному расположению опор 5 в последних по всей их длине возникают механические напряжения только чистого изгиба, что обусловливает возникновение реактивной силы, а значит, и напряжениямалой величины. Это в итоге повышает чувствительность устройства. Соотношение сторон подвижного элемента 3 обеспечивает получение его минимально допустимого прогиба и приемлемой площади электродов. Симметричность расположения опор 5 и соединение их с серединой коротких сторон 4 обеспечивает параллельность перемещения подвижного элемента 3, что исключает возможность перекоса межэлектродных промежутков 11, чреватого коллапсом. В этом варианте подключения электродов связь перемещения х подвижного элемента 3 с напряжениемвыражается соотношением, полученным из 2 0,(1) 20 к 2 где 0 - электрическая постоянная,р - удельная плотность заряда на единицу площади подвижного электрода,к - жесткость опор 5,из которого следует, что конструкция обеспечивает линейную зависимость активированного смещения х подвижного элемента 3 от напряженияна неподвижных электродах 8. Окончание процесса активации, возврат подвижного элемента 3 в исходное положение или смещение его в другом направлении достигается замыканием неподвижных 12 и подвижного 13 контактов, включающих соответствующую управляемую электрическим напряжением на электродах аппаратуру. При подаче разноименных зарядов напряжениемна один из неподвижных электродов 8 и подвижный электрод 9 электростатическая силасмещает последний 3 на 4(2) 2 к В этом варианте связь х инелинейна. Электростатическая силас увеличением напряжениясмещает подвижный элемент 3 на 1/3 , после чего прион коллапсирует в сторону неподвижного электрода 8 и замыкает неподвижный 12 и подвижный 13 контакты при пониженных и точных значениях . Таким образом, высокая точность формирования в планарных системах межэлектродных расстоянийи пониженная жесткость опор 5 обеспечивают расширение функциональных возможностей данных электростатических микроактюаторов и применение их в прецизионных устройствах активации на основе алюмооксидной технологии.22 Источники информации 1. Патент РБ 4176, МПК 7 Н 01 59/00. 2.,,- . - ., 1997. 3. Ефремов Г.И., Мухуров Н.И. Функциональные возможности электростатических микрореле по результатам моделирования. НТК Кибернетика и технологиивека. Воронеж, Россия, 23-24 октября 2001. - С. 499-508. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5