Электростатическое микрореле

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Институт электроники Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники НАН Беларуси(57) Электростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую подложку с углублением, на дне которого сформированы неподвижные управляющий электрод и контакты, и диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей подвижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакт, отличающееся тем, что диэлектрическая подложка выполнена с двухступенчатым углублением,первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, а подвижный элемент выполнен упругим, при этом его толщина, высота выступов первой ступени и расстояние между ними выбраны из соотношения 0,116 где- толщина подвижного элемента, м- высота выступов первой ступени, м- расстояние между выступами первой ступени, м 0 - электрическая постоянная, равная 8,85 10 -12 Ф/м п - напряжение срабатывания (пороговое), В Е - модуль упругости материала подвижного элемента, Н/м 2, причем подвижные управляющий электрод и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению. Изобретение относится к электротехнике и микроэлектронике и может быть использовано, например, в системах автоматики, контроля, связи, телеметрии, вычислительной и измерительной техники. Известны микромеханические переключатели 1, выполненные на кремниевой подложке с тонкопленочным консольным подвижным элементом, полученным травлением. На подложке расположены неподвижные управляющий электрод и контакт внешней управляемой цепи, на консоли - подвижные управляющий электрод и замыкающий контакт. При подаче разноименного потенциала на электроды консольный элемент прогибается за счет электростатических сил и замыкающий контакт коммутирует внешнюю цепь. Реле имеет низкую надежность вследствие сильного коробления консоли, обусловленного большой разностью рабочих и технологических температур и коэффициентов термического расширения его материалов. Известно электростатическое реле, в котором подвижный элемент выполнен в виде гибкой мембраны переменной ширины 2. Для срабатывания реле необходимо приложить к его управляющим электродам достаточно высокое напряжение, т.к. для получения необходимого смещения подвижного контакта жесткозакрепленная концами мембрана электростатическими силами должна быть не только изогнута, но и растянута. Вместе с этим известно, что деформации растяжения (при прочих равных условиях) требуют усилия во много раз большего, чем деформации изгиба. Электростатическое реле 3, выбранное в качестве прототипа, выполнено на двух жестко соединенных между собой диэлектрических подложках. В неподвижной подложке предусмотрено углубление с плоским дном, в середине которого расположены контакты внешней цепи, а по обеим сторонам от них - тонкопленочный управляющий неподвижный электрод. Во второй подложке выполнены сквозные пазы, образующие в середине подложки подвижный элемент в виде жесткой пластины, соединенной с каркасной частью подложки четырьмя упругими балочными держателями. Они расположены симметрично по отношению к одной из осей пластины и под углом к этой оси, причем углы вершинами направлены в одну сторону. На внутренней стороне подвижного элемента, обращенного к неподвижной подложке, расположен подвижный контакт,на внешней - подвижный управляющий электрод. При подаче управляющего напряжения распределенная электростатическая сила притягивает подвижный элемент, контакты соединяются и внешняя управляемая цепь замыкается. При этом держатели прогибаются, их концы, соединенные с подвижным центром, перемещаются по дугам, расположенным в параллельных плоскостях, поэтому в них возникают только напряжения изгиба. В результате достигается значительное снижение напряжения срабатывания. Во включенном микрореле управляющие электроды разделены слоем диэлектрического материала подвижного центра. Это исключает короткое замыкание между управляющими электродами. Но при этом в диэлектрическом материале индуцируется двойной слой электрических зарядов, создающих дополнительное электростатическое поле, в результате действия которого дополнительная электростатическая сила между управляющими электродами удерживает их в притянутом состоянии. Процесс разрядки двойного электрического слоя зависит от электрофизических свойств диэлектрика и состояния окружающей среды и может продолжаться длительное время. В частности, при высокой разности потенциалов между управляющими электродами и герметизации реле в вакууме время нахождения управляющих пластин в притянутом состоянии может составлять несколько часов после отключения напряжения управления. Задержка размыкания управляемой цепи после отключения управляющего напряжения, зависимость длительности этого процесса от многих факторов существенно снижают надежность работы реле, а также частоту его срабатывания. Выполнение подвижного элемента жестким также снижает надежность реле, т.к. в случае отклонения подложек от плоскостности высока вероятность посадки подвижного центра точками диэлектрического слоя на участки неподвижного электрода, в результате чего замыкание контактов управляемой цепи или получение требуемого усилия их сжатия не будут гарантированы. Кроме того, необходимость жесткости элемента обусловливает его повышенную толщину, что увеличивает массу подвижного элемента и при заданной величине управляющего напряжения приводит к снижению частоты срабатывания реле. Технической задачей изобретения является повышение надежности и частоты срабатывания микрореле за счет устранения задержки размыкания управляющих электродов посредством исключения значительного диэлектрического слоя между ними и за счет обеспечения необходимого усилия сжатия всех контактов и уменьшения подвижной массы реле посредством применения центра с определенной упругостью. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрореле, содержащем диэлектрическую подложку с углублением, на дне которого сформированы неподвижные управляющий электрод и контакты, и диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей под 2 2667 1 вижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакт, диэлектрическая подложка выполнена с двухступенчатым углублением, первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, а подвижный элемент выполнен упругим, при этом его толщина, высота выступов первой ступени и расстояние между ними выбраны из соотношения 23 0 п где- толщина подвижного элемента, м- расстояние между выступами, м- высота выступов, м Е - модуль упругости материала элемента, Н/м 2 0 - электрическая постоянная, 8,8510-12 Ф/м п - напряжение срабатывания микрореле, В, причем подвижные управляющий электрод и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению. Выполнение неподвижной подложки с двухступенчатым углублением, расположение управляющих электродов на плоскостях подложек, обращенных друг к другу, позволяют обеспечить зазор между управляющими электродами без использования слоя диэлектрического материала, возникновение электростатических зарядов в котором приводило в прототипе к задержке размыкания электродов. Приведенное соотношение размеров гарантирует равенство усилия сжатия всех контактов и получение необходимого расстояния между электродами при пониженной массе элемента. В результате устранения задержки размыкания электродов, обеспечения равенства сжатия контактов, уменьшения подвижной массы достигается повышение надежности и частоты срабатывания микрореле. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено продольное сечение микрореле и где 1 - неподвижная подложка,2 - неподвижная пластина,3 - двухступенчатое углубление,4 - первая ступень углубления,5 - неподвижные контакты управляемой цепи,6 - вторая ступень углубления,7 - управляющий неподвижный электрод,8 - подвижный элемент,9 - балочные держатели,10 - управляющий подвижный электрод,11 - замыкающий контакт,12 - замыкающая перемычка. На фиг. 2 представлен вид сверху на микрореле и часть неподвижной подложки. Электростатическое микрореле содержит диэлектрические неподвижные подложку 1 и пластину 2, жестко соединенные между собой (фиг. 1, 2). В подложке 1 выполнено двухступенчатое углубление 3. На первой ступени 4, выполненной на противоположных сторонах углубления, расположены неподвижные контакты 5 управляемой цепи. На второй ступени 6, размещенной между выступами первой ступени, сформирован управляющий неподвижный электрод 7. В пластине 2 расположен подвижный элемент 8, соединенный с каркасом пластины эластичными балочными держателями 9, выполненными аналогично конструкции прототипа. На внутренней стороне центра 8, обращенной к подложке 1, находятся управляющий подвижный электрод 10 и замыкающие контакты 11 или перемычки 12. Каркас пластины 2, держатели 9, элемент 8 могут иметь разную толщину, которая для каждого элемента определяется независимо в соответствии с его функциональным назначением. Подложки микрореле могут быть выполнены из анодного оксида алюминия путем локального анодирования и травления алюминия по заданному топологическому рисунку. Тонкопленочные электроды и контакты формируются методом вакуумного напыления. Технология обеспечивает получение микрореле с габаритными размерами порядка 3,0 х 4,0 х 0,07 мм 3 и минимальным расстоянием между управляющими электродами в рабочем состоянии до 25 мкм, весом 0,010,1 Н. Микрореле работает следующим образом. При подаче напряженияна управляющие электроды 7 и 10, площадь которых (м 2), между последними возникает электростатическая сила э, равная, . 2 2 Под действием электростатической силы э подвижный элемент 8, на котором расположен подвижный электрод 10, начинает смещаться к неподвижному электроду 7, изгибая балочные держатели 9. В последних возникает реактивная сила сопротивления , равная где , ,- толщина, ширина и длина держателей, м- количество держателей Е - модуль упругости материала держателей, Н/м 2. В каждый момент этого перемещения соблюдается условие э.(4) При достижении некоторого промежуточного напряженияпроизойдет соприкосновение замыкающих контактов 11, 12 с неподвижными контактами 5. Однако управляемая электрическая цепь еще не будет замкнута, т.к. в этот момент усилие прижатия контактов Р равно нулю Рэ -0.(5) Согласно экспериментальным данным, надежное функционирование слаботочных контактов, выполненных из сплавов на основе серебра или золота, в данных конструкциях реле обеспечивается при силе сжатия контактов не менее 2,510-4 Н. Дальнейшее повышение напряжения на величину к, обеспечивающую получение нужной силы сжатия и составляющую, согласно формуле (2) 0,0224,(6)0 приводит к замыканию управляемой электрической цепи, т.е. к срабатыванию микрореле. Пороговое напряжение п составит пК.(7) Соответствующая пороговому напряжению п электростатическая сила п уравновешивается частично реактивными силами держателей и частично реактивными силами контактных площадок и в полной величине воспринимается подвижным элементом, деформируя его так, что стрела прогибадостигает примерно половины высоты контактных выступов, т.е.0,5 .(8) Увеличение жесткости снизит вероятность замыкания всех контактов микрореле, повысит массу и инерционность микрореле. При малой жесткости велика возможность замыкания управляющих электродов. Условие (8) обеспечивается соответствующим соотношением толщиныэлемента с другими его геометрическими параметрами и пороговым напряжением. Это соотношение согласно приемлемой для практических конструкторских работ известной зависимости прогибашарнирно опертой двухопорной балки от распределенной нагрузки 5 п 3 5 п 3(9) 384323 где- момент инерции сечения элемента, м 4 , - ширина, толщина элемента, м, и, согласно формулам (2),(8), составляет Таким образом, при достижении напряжения срабатывания п под действием электростатических сил упругий элемент деформируется, обеспечивая получение нужного расстояния между управляющими электродами, т.е. соответствующей величины п, и достаточной силы сжатия контактов. При снятии напряжения элемент свободно возвращается в исходное положение за счет своей упругости и упругости держателей. Силы, препятствующие этому движению, в данной конструкции отсутствуют. Микрореле одинаково успешно может функционировать как в пороговом режиме, так и в режиме экстренного включения.0,116 Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5