Дилатометрическое микрореле

(71) Заявитель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(56) Ужанский Автоматизация холодильных машин и установок. - М. Пищепром, 1973. - С. 181-182, 1529311 А 1, 1989,2043673 1,1995,2091040 , 1982,2087978 1, 1997.(57) Изобретение относится к электротехнике, радиотехнике, электронике, в частности к дилатометрическим реле. Техническая задача изобретения - достижение высоких точности срабатывания и чувствительности в широком интервале температур, малой тепловой и механической инерционности. Дилатометрическое микрореле содержит плоский чувствительный элемент-держатель из материала с большим значением к.т.р. и закрепленный на нем преобразователь, выполненный из тонкой диэлектрической также плоской пластины, обладающей малым значением к.т.р., в которой сформированы миниатюрные образные перемычки сечением в сотые доли мм 2. На вершинах перемычек размещены ножевые контактные выступы. Электрическая цепь выполнена из тонкопленочного токопроводящего покрытия. При повышении или понижении температуры относительно нормальной -образные перемычки деформируются, вершины их сходятся и при заданной температуре контакты замыкаются. Специфическое соотношение размеров перемычек обеспечивает формоизменение последних в зоне максимальной чувствительности. Микрореле обладает высокой точностью срабатывания, малыми размерами (5110 мм 3), высокой устойчивостью к динамическим нагрузкам. Диапазон рабочих температур от -50 С до 150 С (при применении держателя из алюминия и преобразователя из анодного оксида алюминия). Изобретение относится к электротехнике, радиотехнике, электронике и может быть использовано, например, в системах регулирования, контроля и ограничения температуры микрообъектов или микрообъемов в технологических операциях производственных процессов. Известно управляемое температурой коммутирующее устройство 1, которое содержит базовую плату из диэлектрика с закрепленными на ней переключающей системой и чувствительным к температуре элементом. Переключающая система состоит из качающегося рычага, один конец которого закреплен на оси в базовой плате, а на другом конце расположен двухсторонний точечный контакт, двух токопроводов с точечными контактами на внутренних концах, расположенных по обе стороны контакта рычага, и с ножевыми контактами на внешних. Токопроводы, рычаг и остальные детали переключающей системы выполнены штамповкой из тонколистового металла и имеют весьма сложную пространственную форму и большие размеры. 4536 1 Чувствительный элемент выполнен из материала с большим коэффициентом термического расширения(к.т.р.) и преобразует изменения температуры в перемещение толкателя. В нормальном состоянии внешняя электрическая цепь управления замыкается через качающийся рычаг, точечные контакты и один из токопроводов, при изменении температуры качающийся рычаг под механическим воздействием толкателя перемещается в другое положение и, разрывая первую цепь, замыкается со вторым токопроводом. Реле не обеспечивает высокие точность срабатывания и чувствительность в широком интервале температур из-за большой тепловой и механической инерционности, низкой точности конструктивных элементов. Известен биметаллический датчик-реле температуры 2, содержащий корпус, в котором расположен чувствительный элемент в виде биметаллического диска, толкатель, размещенный между биметаллическим диском и подпружиненной переключающей системой контактов, и узел настройки срабатывания реле при заданной температуре. Электрическая схема подключения реле однопроводная. При изменении температуры биметаллический диск прогибается и, перемещая толкатель, замыкает контакты электрической цепи. Реле не обеспечивает высокие точность срабатывания и чувствительность в широком интервале температур из-за большой тепловой и механической инерционности, низкой точности конструктивных элементов. Наиболее близким по технической сущности является дилатометрическое реле 3, которое содержит чувствительный элемент, представляющий собой металлический держатель, выполненный из обладающей большой величиной к.т.р. латунной цилиндрической трубки (лат 1810-6 град-1), и размещенный в нем преобразователь в виде ленточной пружины из имеющего малое значение к.т.р. сплава инвар (инв 110-6 град-1), сформованной в вытянутый прямоугольник с -образно изогнутыми внутрь длинными сторонами. Переключающая система состоит из контактов, размещенных на изогнутых сторонах пружины, но изолированных от нее, и монтажных проводов, соединяющих контакты с внешними клеммами. Один конец трубки жестко закреплен в массивном корпусе, в котором размещен регулируемый узел соединения корпуса с короткой стороной сформированной пружины. Второй конец трубки оставлен незакрепленным, он соединен с другой короткой стороной пружины. При нагревании латунная трубка удлиняется, а пружина преобразователя практически не изменяет своей длины. Незакрепленный конец трубки растягивает длинные стороны преобразователя, они выпрямляются и размыкают электрическую цепь. Весьма большое отношение длины к высоте -образной стороны преобразователя, встречное движение двух вершин сторон повышают чувствительность реле по сравнению с аналогами. Данное реле не обеспечивает высокие точность срабатывания и чувствительность в широком интервале температур из-за большой тепловой и механической инерционности, низкой точности конструктивных элементов. Технической задачей изобретения является достижение высоких точности срабатывания и чувствительности в широком интервале температур, малой тепловой и механической инерционности. Решение технической задачи достигается тем, что в дилатометрическом микрореле, содержащем чувствительный элемент-держатель из материала с высоким значением коэффициента термического расширения(к.т.р.) 1, преобразователь из материала с более низким к.т.р. 2, закрепленный концами на чувствительном элементе-держателе, систему переключающих контактов и электропроводники с клеммами подключения к внешней электрической цепи, преобразователь сформирован из единой плоской диэлектрической пластины,в центральной части которой выполнены фигурные окна, образующие между ними тонкие упругие образные перемычки, высота биссектрисы тупого угла у которых 0 при исходной температуре Т 0 составляет где- длина перемычки, Т, Т - соответственно минимальная и максимальная температуры теплового цикла реле, причем для температур, равных и выше комнатной Т 0, а для температур, ниже комнатной,Т 0 Т, а крайние части диэлектрической пластины выполнены сплошными площадками и закреплены на чувствительном элементе-держателе, также выполненном в виде плоской пластины, снабженной прямоугольным окном, расположенным напротив -образных перемычек, при этом переключающие контакты,электропроводники и клеммы сформированы на преобразователе из тонкопленочного проводящего покрытия, причем переключающие контакты выполнены на ножевых контактных выступах, размещенных на вершинах -образных перемычек. При этом в микрореле чувствительный элемент-держатель выполнен из алюминиевой ленты, а преобразователь - из анодного оксида алюминия. При этом в микрореле преобразователь содержит вспомогательные площадки, выполненные с возможностью удаления,причем вспомогательные площадки отделены от преобразователя рядами перфорационных отверстий. При этом в микрореле преобразователь выполнен с -образными перемычками, вершины которых направлены наружу по отношению к продольной оси симметрии. При этом в микрореле преобразователь выполнен с -образными перемычками, вершины которых направлены внутрь по отношению к продольной оси симметрии,при этом в микрореле преобразователь содержит сочетания -образных перемычек, вершины которых направлены как наружу, так и внутрь по отношению к продольной оси симметрии,2 4536 1 причем преобразователь содержит, соответственно, такое количество пар -образных перемычек с вершинами, направленными наружу по отношению к продольной оси симметрии, и такое количество пар образных перемычек с вершинами, направленными внутрь по отношению к продольной оси симметрии, которое соответствует количеству значений температур, на которые реагирует микрореле,причем для -образных перемычек соотношение между высотой биссектрисы тупого угла и длиной перемычки определяется парой, рассчитанной на наибольшее значение температуры, на которую реагирует микрореле. Выполнение преобразователя из единой диэлектрической пластины, содержащей тонкие упругие миниатюрные -образные перемычки сечением (0,050,05)(0,150,15) мм 2 и длиной 36 мм с соотношением величины биссектрисы тупого угла и длины по формуле (1), обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования, и крепежные площадки, применение тонкопленочного проводящего покрытия на диэлектрике позволяют резко сократить размеры дилатометрического реле до сотен мкм и назвать последнее дилатометрическим микрореле. В таком дилатометрическом микрореле существенно снижены инерционность,повышены точность и чувствительность конструктивных элементов за счет миниатюризации, технологичности их изготовления и упрощения монтажно-сборочных операций. Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой представлен вид на дилатометрическое микрореле сверху, и где 1 - чувствительный элемент-держатель,2 - преобразователь,3 - фигурное окно,4, 5 - перемычки,6, 7 - крепежные площадки,8, 9 - ножевые контактные выступы,10, 11 - клеммы,12, 13 - коммутирующие дорожки,14, 15 - переключающие контакты,16, 17 - вспомогательные площадки,18 - перфорационные отверстия. Дилатометрическое микрореле содержит плоский чувствительный элемент - держатель 1 из материала с большим значением к.т.р. 1, на котором закреплен преобразователь 2 и в средней части которого предусмотрено фигурное окно 3. Преобразователь 2 сформирован из тонкой диэлектрической также плоской пластины, обладающей малым значением к.т.р. 2, и состоит из тонких сечением в сотые доли мм 2 упругих перемычек 4, 5 -образной формы и крепежных площадок 6, 7, расположенных с внешней стороны от концов перемычек. На вершинах перемычек 4, 5 размещены ножевые контактные выступы 8, 9. На крепежные площадки 6, 7, перемычки 4, 5 и ножевые контактные выступы 8, 9 нанесены тонкопленочные токопроводящие покрытия, состоящие из нескольких участков клемм 10, 11 для присоединения к внешней цепи, коммутирующих дорожек 12, 13, переключающих контактов 14, 15. Взаимосвязь исходных размеров перемычек 4, 5, т.е. величины биссектрисы тупого угла у перемычек 0 и длины перемычекпри исходной температуре Т 0, выражается соотношением (1). Соотношение (1) обеспечивает работу -образных перемычек 4, 5 в зоне максимального приближения к прямолинейной форме, т.е. при наибольшем коэффициенте преобразования, достигающем и момент замыкания 50150-ти кратного значения, и в то же время создает запас по температуре на 0,050,10 Т, что исключает вероятность растяжения и разрушения перемычек в рабочем диапазоне температур. Ножевая форма контактных выступов предохраняет перемычки от разрушения в случае ложного срабатывания внешней системы управления. Преобразователь 2 может быть выполнен с перемычками 4, 5 дугообразной формы, тогда коэффициент в формуле (1) будет равен 0,612. В дилатометрическом микрореле, предназначенном для работы в условиях повышенных (относительно исходной) температур, преобразователь 2 выполнен с вершинами -образных перемычек 4, 5, направленными наружу (фиг. 1), в условиях пониженных (относительно исходной) температур - направленными внутрь(фиг. 3). При рабочем диапазоне, рассчитанном на положительные и отрицательные температуры, преобразователь 2 содержит сочетания обеих форм перемычек 4, 5 (фиг. 4). Дилатометрическое микрореле, предназначенное для реагирования на несколько температур одного знака, содержит соответствующее количество пар перемычек 4, 5 (фиг. 5). Соотношение величины биссектрисы тупого угла у перемычек 4, 5 и длины перемычек 4, 5 в последнем случае определяется парой, рассчитанной на наибольшую величину температуры. Детали дилатометрического микрореле могут быть выполнены следующими методами чувствительный элемент - держатель 1 - штамповкой из металлической ленты (например, из алюминия, имеющего большой к.т.р. 12410-6 град-1 и высокую теплопроводность), преобразователь 2 - прецизионным локальным травлением анодного оксида алюминия к.т.р. 2610-6 град-1 с использованием фотолитографических процессов планарной микроэлектронной технологии, тонкопленочные токопроводящие элементы - вакуумным напылением через маски. Такая технология обеспечивает высокую точность изготовления, в особенно 3 4536 1 сти наиболее ответственной в дилатометрическом микрореле детали - преобразователя 2, точность выполнения размеров которого - несколько микрометров, и резко сократить инерционность дилатометрического микрореле, габариты которого могут быть получены в пределах 5110 мм 3 при размерах перемычек 4,5 от 0,050,053 мм 3 до 0,150,156 мм 3. Поскольку перемычки 4, 5 таких размеров обладают малой жесткостью, то для исключения искажения их формы при транспортировке преобразователь 2 изготавливается с вспомогательными площадками 16, 17. Сборка заключается в наложении и склейке термостойкими клеями чувствительного элемента - держателя 1 и крепежных площадок 6, 7 преобразователя 2. Плоская форма деталей и вспомогательные площадки 16, 17 преобразователя 2 позволяют избежать деформирования перемычек 4,5 при сборке. После скрепления вспомогательные площадки 16, 17 преобразователя 2 обламываются по специально для этой цели предусмотренному ряду перфорационных отверстий 18. Анодный оксид алюминия, используемый для изготовления преобразователя 2, наряду с высокими диэлектрическими свойствами имеет достаточно высокие механические параметры предел прочности практически равен пределу упругости и составляет 40 кг/мм 2, модуль упругости - 1104 кг/мм 2, что обеспечивает хорошую упругость перемычек 4, 5. Например, допустимый прогиб консольного микростержня из анодного оксида алюминия сечением 0,10,1 мм 2 и длиной 5 мм составляет 0,67 мм. Это дает возможность формоизменения -образных перемычек 4, 5 в достаточно широком интервале температур, охватывающем отрицательные и положительные значения от -50 до 150 С, не превышая предел упругих деформаций. Совпадение пределов упругости и прочности повышает точность функционирования дилатометрического микрореле, так как исключает появление пластического деформирования, искажающего исходную форму перемычек 4, 5. Пластины анодного оксида алюминия могут быть получены толщиной от долей микрона до сотен микрон, по площади - до 150150 мм 2. Последнее обеспечивает возможность в изготовлении преобразователя 2 широко использовать методы планарной интегральной технологии. Дилатометрическое микрореле работает следующим образом. При повышении температуры чувствительный элемент - держатель 1, изготовленный из металла с большим к.т.р. (например, из алюминия, имеющего 12410-6 град-1) увеличивается по длине и раздвигает закрепленные на нем крепежные площадки 6, 7 преобразователя 2, выполненного из материала с малым к.т.р.(например, анодного оксида, имеющего 2610-6 град-1). Последние растягивают -образные перемычки 4,5, что с большим коэффициентом преобразования трансформируется в уменьшение величины биссектрисы тупого угла -образных перемычек 4, 5 и встречное движение ножевых контактных выступов 8, 9 с переключающими контактами 14, 15. Величинабиссектрисы тупого угла -образных перемычек 4, 5 в процессе нагрева составляет согласно (1) где Т - текущая температура, изменяющаяся отТ 0 до . Аналогичный процесс измененияпроисходит при понижении температуры. В этом случае в формуле(2)Т 0, а Т изменяется отдо 0. Равномерность температуры по длине, малая тепловая инерционность и высокая чувствительность при нагреве -образных перемычек 4,5 крепежных площадок 6, 7, расположенных по боковым сторонам фигурного окна 3, обеспечиваются их малым по площади сечением, высокой теплопроводностью алюминия, наличием фигурного окна 3, способствующего свободному конвективному теплообмену деталей микрореле, образной формой перемычек 4, 5. При достижении заданной максимальной температуры величина биссектрисы тупого угла -образных перемычек 4, 5 составляет минимально допустимую величину переключающие контакты 14, 15 замыкаются и срабатывает подключенная к дилатометрическому микрореле внешняя электронная аппаратура, осуществляющая требуемый тепловой режим объекта. Значение остаточной величины биссектрисы тупого угла -образных перемычек 4, 5 исключает растяжение и возможное при этом разрушение перемычек. Источники информации 1. Заявка 0622819 ЕПВ, МПК 5 Н 01 Н 37/04. 2. А.с. СССР 1529311, МПК 4 Н 01 Н 37/40. 3. Ужанский Автоматизация холодильных машин и установок. - М. Пищепром, 1973. - С. 181-182. 4536 1 1. Дилатометрическое микрореле, содержащее чувствительный элемент-держатель из материала с высоким значением коэффициента термического расширения (к.т.р.) 1, преобразователь из материала с более низким значением к.т.р. 2, закрепленный концами на чувствительном элементе-держателе, систему переключающих контактов и электропроводники с клеммами подключения к внешней электрической цепи, отличающееся тем, что преобразователь сформирован из единой плоской диэлектрической пластины, в центральной части которой выполнены фигурные окна, образующие между собой тонкие упругие -образные перемычки,высота биссектрисы тупого угла у которых 0 при исходной температуре Т 0 составляет 00,707(12 )(1,051,2), где- длина перемычки,Т,- соответственно минимальная и максимальная температуры теплового цикла реле,причем для температур, равных и выше комнатной, Т 0,а для температур, ниже комнатной, Т 0,а крайние части диэлектрической пластины выполнены сплошными площадками и закреплены на чувствительном элементе-держателе, также выполненном в виде плоской пластины, снабженной прямоугольным окном, расположенным напротив -образных перемычек, при этом переключающие контакты, электропроводники и клеммы сформированы на преобразователе из тонкопленочного проводящего покрытия, причем переключающие контакты выполнены на ножевых контактных выступах, размещенных на вершинах образных перемычек. 2. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что чувствительный элемент-держатель выполнен из алюминиевой ленты, а преобразователь - из анодного оксида алюминия. 3. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь содержит вспомогательные площадки,выполненные с возможностью удаления. 4. Микрореле по п. 3, отличающееся тем, что вспомогательные площадки отделены от преобразователя рядами перфорационных отверстий. 5. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь выполнен с -образными перемычками,вершины которых направлены наружу по отношению к продольной оси симметрии. 6. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь выполнен с -образными перемычками,вершины которых направлены внутрь по отношению к продольной оси симметрии. 7. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь содержит сочетания -образных перемычек, вершины которых направлены как наружу, так и внутрь по отношению к продольной оси симметрии. 8. Микрореле по п. 5 или 6, отличающееся тем, что преобразователь содержит, соответственно, такое количество пар -образных перемычек с вершинами, направленными наружу по отношению к продольной оси симметрии, и такое количество пар -образных перемычек с вершинами, направленными внутрь по отношению к продольной оси симметрии, которое соответствует количеству значений температур, на которые реагирует микрореле. 9. Микрореле по п. 8, отличающееся тем, что для -образных перемычек соотношение между высотой биссектрисы тупого угла и длиной перемычки определяется парой, рассчитанной на наибольшее значение температуры, на которую реагирует микрореле. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5