Низковольтное электростатическое микрореле

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(72) Авторы Ефремов Георгий Игнатьевич Мухуров Николай Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси(57) Низковольтное электростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую подложку с упругими консольными держателями и неподвижными электродом и контактами, подвижный диэлектрический якорь, выполненный в виде дугообразно изогнутой упругодеформированной пластины, который размещен между концами держателей и стрела прогиба которого направлена от неподвижного электрода, подвижные перемычку и управляющие электроды,размещенные в середине и на концах якоря соответственно, отличающееся тем, что подложка выполнена плоской, в ее средней части сформирован выступ П-образной формы, на торце которого по краям расположены выступающие опоры, а в центре - две разделенные щелью симметричные ступеньки, высота которых меньше высоты опор, упругие консольные держатели расположены вдоль боковых сторон выступа, причем на конце держателей выполнены пазы, обращенные к оси симметрии подложки, ширина которых равна толщине якоря, при этом в недеформированном состоянии держателей нижняя сторона пазов расположена на уровне опор, а между концом держателей и подложкой предусмотрен зазор , равный 1,5(2/)доп,где- толщина держателя- длина держателя- модуль упругости материала подложки доп - допустимые механические напряжения, Фиг. 1 5737 1 при этом на концах якоря, контактирующих с упругими консольными держателями, выполнены пазы, ширина которых равна толщине подложки, неподвижные контакты нанесены на ступеньки, неподвижный электрод размещен между ступеньками и опорами, а на поверхности упругих консольных держателей выполнены электропроводящие дорожки к подвижному управляющему электроду.(56)2491 1, 1998.2667 1, 1999.506078, 1976.11176307 , 1999.2001052587 1, 2001.4327142 1, 1995.0520407 1, 1992. Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может быть использовано в низковольтных электрических схемах систем автоматики, контроля,связи, вычислительной и измерительной техники. Известно электростатическое реле 1, содержащее диэлектрическую подложку с неподвижными электродом и контактом. Над ними на расстоянии, равном требуемому межэлектродному промежутку, размещен якорь. Он сформирован из электропроводящей тонкой упругой пластины, концы которой жестко соединены с подложкой, а контур средней части ограничен линиями минимальной деформации. При подаче на неподвижный электрод и якорь разноименных потенциалов якорь под действием электростатических сил прогибается и замыкает управляемую цепь. Реле не может использоваться в низковольтных системах с малым разбросом параметров, т.к. прогиб якоря связан с увеличением его длины, а это требует достаточно большого усилия, т.е. высокого напряжения. Известно микромеханическое реле с гибридным приводом 2, состоящее из жестко соединенных между собой подложки и рамки, выполненных из диэлектрического материала. На внутренней стороне подложки размещены неподвижные управляющий электрод и контакт управляемой цепи, а также электропроводящая разводка. В рамке сформирован якорь, соединяющийся с ней упругими держателями, расположенными параллельно сторонам якоря и направленными от вершин углов якоря в одном направлении относительно оси, проходящей через центр якоря, перпендикулярно его плоскости. На плоскости якоря,обращенной к подложке, нанесены подвижные электрод и контакт. На участках держателей сформирован слой пьезоматериала. При включении реле якорь притягивается к подложке,изгибая держатели и деформируя пьезослой, в котором возникает электростатический заряд одноименного знака с зарядом на подвижном электроде. Реле не обеспечивает работоспособность в низковольтных системах с малым разбросом параметров. Наиболее близким по технической сущности является электростатическое микрореле 3, содержащее диэлектрическую базовую подложку с неподвижными управляющим электродом и контактами, подвижный диэлектрический якорь с подвижными управляющим электродом и перемычкой, диэлектрическую рамку, жестко закрепленную на подложке. В подложке выполнена полость. Между ее двумя противоположными сторонами,выполняющими роль опор, в упругодеформированном состоянии размещен якорь, при этом стрела его прогиба направлена в сторону от дна полости. Якорь выполнен из тонкой упругой пластины. Положение якоря в полости зафиксировано рамкой, в которой сформировано окно, позволяющее выступать наружу изогнутой части якоря. Предусмотрено 2 5737 1 два варианта конструкции контактирующих сторон якоря и стенок полости первый - стороны якоря жесткие, стенки полости выполнены в виде двух пар упругих держателей,второй - упругие держатели размещены на сторонах якоря, а стенки полости жесткие. При включении микрореле электростатические силы притягивают якорь к подложке и выпрямляют его, раздвигая держатели. Благодаря малой кривизне якоря электростатические силы трансформируются в механические силы на концах якоря с большим передаточным отношением, достигающим в начальном состоянии 50 кратного и более увеличения. Включение микрореле осуществляются при малом рабочем напряжении. Возврат якоря в исходное положение после отключения напряжения происходит вначале за счет реактивных моментов на его защемленных концах, затем под действием сил сжатия держателями. Таким образом, данное электростатическое микрореле может быть использовано в низковольтных системах. Однако из-за объемной конфигурации подложки, многослойности, трудоемкости сборки микрореле не обеспечивает малый разброс параметров в низковольтных системах. Технической задачей изобретения является уменьшение разброса параметров низковольтного электростатического микрореле. Решение технической задачи достигается тем, что в низковольтном электростатическом микрореле, содержащем диэлектрическую подложку с упругими консольными держателями и неподвижными электродом и контактами, подвижный диэлектрический якорь,выполненный в виде дугообразно изогнутой упругодеформированной пластины, который размещен между концами держателей и стрела прогиба которого направлена от неподвижного электрода, подвижные перемычку и управляющие электроды, размещенные в середине и на концах якоря, соответственно, подложка выполнена плоской, в ее средней части сформирован выступ П-образной формы, на торце которого по краям расположены выступающие опоры, а в центре - две разделенные щелью симметричные ступеньки, высота которых меньше высоты опор, упругие консольные держатели расположены вдоль боковых сторон выступа, причем на конце держателей выполнены пазы, обращенные к оси симметрии подложки, ширина которых равна толщине якоря, при этом в недеформированном состоянии держателей нижняя сторона пазов расположена на уровне опор, а между концом держателей и подложкой предусмотрен зазор , равный(1)1,5(2/Е)доп,где- толщина держателя,- длина держателя, Е - модуль упругости материала подложки, доп - допустимые механические напряжения, при этом на концах якоря, контактирующих с упругими консольными держателями, выполнены пазы, ширина которых равна толщине подложки, неподвижные контакты нанесены на ступеньки, неподвижный электрод размещен между ступеньками и опорами, а на поверхности упругих консольных держателей выполнены электропроводящие дорожки к подвижному управляющему электроду. Совокупность указанных признаков за счет исключения формирования объемных полостей, упрощения конфигурации и уменьшения количества деталей уменьшает разброс параметров, повышает точность межэлектродного расстояния, сокращает технологический процесс, облегчает сборку и контроль межэлектродного расстояния, позволяет сократить трудоемкость, повысить процент выхода годных. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлен вид на низковольтное электростатическое микрореле сверху, на которой штриховой линией показано положение недеформированного держателя и на которой 1 - подложка,2 - якорь,3 - выступ,3 5737 1 4 - опора,5 - ступенька,6 - щель,7 - держатель,8 - паз держателя,9 - нижняя сторона паза держателя,10 - зазор,11 - паз якоря,12 - неподвижный электрод,13 - неподвижный контакт,14 - подвижный электрод,15 - подвижная перемычка,16 - электропроводящая дорожка. На фиг. 2 представлен вид сверху на якорь. Низковольтное электростатическое микрореле (фиг. 1) содержит подложку 1 и якорь 2, выполненные из плоских диэлектрических пластин. В подложке 1 сформирован П-образный выступ 3. На его торцевой части по краям размещены опоры 4, а в центре расположены симметрично две ступеньки 5, разделенные щелью 6. Высота ступенек 5 меньше высоты опор 4. Вдоль боковых сторон выступа 3 расположены упругие консольные держатели 7. На их концах выполнены обращенные к оси микрореле пазы держателя 8, ширина которых равна толщине якоря 2. В исходном(недеформированном) состоянии держатели 7 расположены параллельно боковым сторонам выступа 3, нижняя сторона паза держателя 9 совпадает с плоскостью опор 4, а держатели 7 отделены от подложки 1 зазором 10. Якорь 2 (фиг. 1, 2) выполнен прямоугольной формы. На его узких концах предусмотрены пазы якоря 11 шириной, равной толщине подложки 1. Неподвижный электрод 12 и неподвижные контакты 13 нанесены на торцевую часть выступа 3 и ступеньки 5, а подвижные электрод 14 и перемычка 15 расположены на концах и в середине якоря 2 соответственно. Электропроводящие дорожки 16 к подвижному электроду 14 проходят по поверхности держателей 7. Изоляция неподвижных контактов 13 и относящихся к ним электропроводящих дорожек 16 друг от друга обеспечивается щелью 6. При сборке держатели 7 отклоняются от своего первоначального положения к подложке и сжимают якорь 2 с усилием, превышающим критическое. Якорь 2 и держатели 7 остаются в упругодеформированном равновесном состоянии. Максимальное отклонение держателей 7, исключающее их поломку при сборке, ограничивается зазором 10. Точная фиксация положения якоря 2 в подложке 1, обеспечивающая точность межэлектродного расстояния, благодаря конструкции замкового соединения якоря 2 с держателями 7, гарантированное направление стрелы прогиба якоря 2, обеспечиваемое взаимным расположением опор 4 и пазов держателей 8, исключение поломки держателей 7 ограничением их максимального отклонения упрощают сборку и повышают ее качество. Измерение получившегося межэлектродного расстояния в связи с планарностью конструкции не представляет каких-либо затруднений ни для ручного, ни для автоматизированного контроля. Подложка 1 и якорь 2 могут быть выполнены из анодного оксида алюминия, алюмооксидная технология которого, основанная на электрохимических операциях и фотолитографических процессах микроэлектроники, обеспечивает получение требуемой конфигурации деталей с прецизионной точностью. Контакты, электроды, электропроводящие дорожки могут быть сформированы методами вакуумного напыления и плазменного распыления. Низковольтное электростатическое микрореле работает следующим образом. 5737 1 Приложение малейшей разности потенциалов между неподвижным электродом 12 и подвижным электродом 14 выводит систему из равновесия. Электростатические силы ,действуя на якорь 2, преобразуются в механические силы Р на концах якоря 2 и в соответствии с законами клина увеличиваются в десятки и сотни раз благодаря малой кривизне якоря 2. Таким образом, осуществляется интенсификация действия электростатических сил при приложении электрического напряжения. Силы Р совместно с силами сжатого якоря 2 по мере нарастания напряжения постепенно раздвигают держатели 7 и выпрямляют якорь 2. Как показывают расчеты, при прохождении якорем 2 примерно 1/3 межэлектродного расстояния рост электростатических сил начинает резко опережать увеличение реактивных сил держателей 7, что приводит к преодолению якорем 2 оставшегося межэлектродного промежутка мгновенным броском и замыканию неподвижных контактов 13 через подвижную перемычку 15. Якорь 2 при этом прогибается уже в сторону выступа 3,т.к. высота ступенек 5 меньше, чем высота опор 4. Усилие держателей 7, по-прежнему превышающее критическое, продолжает изгибать якорь 2, увеличивая контактное давление подвижной перемычки 15 на неподвижные контакты 13. На концах якоря 2, защемленного между пазами держателей 8 и опорами 4, возникают реактивные моменты,поскольку нижние стороны пазов держателей 9 после деформирования держателей 7 расположены ниже опор 4. Ступеньки 5 и опоры 4 исключают замыкание неподвижного электрода 12 и подвижного электрода 14. После снятия напряжения реактивные моменты на защемленных концах якоря 2 переводят якорь 2 через прямолинейное положение, а далее реактивные силы держателей 7 возвращают якорь 2 в исходное положение. Источники информации 1. А.с. СССР 506078, МПК Н 01 59/00. 2.4305033, МПК Н 01 59/00. 3. Патент РБ 2491, МПК 701 59/00. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5