Электростатический микрокоммутатор

(51)01 59/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ефремов Георгий Игнатьевич Мухуров Николай Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Электростатический микрокоммутатор, содержащий диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением высотой , в котором первая ступень высотой п расположена на противоположных сторонах углубления и содержит неподвижные контакты, вторая ступень расположена в середине углубления между выступами первой ступени и 8453 1 2006.08.30 содержит неподвижный управляющий электрод диэлектрическую пластину, жестко соединенную с диэлектрической подложкой, и содержащую рамку и подвижный элемент якорь, соединенный с рамкой упругими балочными держателями, на котором размещены подвижные контакты и подвижный управляющий электрод, отличающийся тем, что расстояниемежду неподвижным и подвижным управляющими электродами составляет от 0,5 до 0,6, держатели упруго прогнуты так, что подвижный элемент смещен на расстояние от 0,4 до 0,5 и выполнен жестким, а в местах размещения подвижных и неподвижных контактов в подвижном элементе и в первой ступени углубления выполнены соосно между собой отверстия, в которые вставлены цилиндрические токопроводящие штифты с головками, плотно закрепленные в отверстиях первой ступени и входящие с зазором в отверстия подвижного элемента, при этом диаметр головок штифтов больше диаметра отверстий в подвижном элементе, а головки штифтов выполнены контактирующими с подвижными контактами, сформированными вокруг отверстий подвижного элемента на обеих его поверхностях, и соединенными между собой проводящим слоем по стенкам отверстий, а между неподвижными контактами и штифтом выполнен промежуток, обеспечивающий электрическую изоляцию. Изобретение относится к электротехнике, микромеханике, связи, автоматике и может использоваться в управляющих, регулирующих, коммутирующих системах. Известен электростатический микрокоммутатор в виде электростатического микрореле 1, содержащего диэлектрическое основание в форме скобы, на противоположных внутренних сторонах которой сформированы электроды, а над ними закреплены упругие токопроводящие мембраны. К сторонам мембран, обращенным друг к другу, через диэлектрический слой присоединены контакты электрической управляемой цепи, которые замыкаются между собой, образуя нормально замкнутую пару. Они прогибают мембраны с усилием, обеспечивающим получение достаточного контактного давления. Когда на электроды и мембраны подаются разноименные заряды, мембраны под действием электростатических сил притягиваются к электродам. При этом контакты раздвигаются, и управляемая цепь размыкается. После отключения электродов от источника питания реактивные механические силы упругих мембран возвращают мембраны в исходное положение, снова замыкая контакты, т.е. реле включает и выключает одну цепь. Электростатическое реле не может выполнять переключение управляемых цепей, что ограничивает его функциональные возможности. Известен электростатический микрокоммутатор в виде электростатического микрореле 2, содержащего диэлектрическое основание, на котором сформирован электрод с напыленным на его внешнюю поверхность диэлектрическим слоем. На выступах основания над электродом закреплена в натянутом положении упругая токопроводящая мембрана, а выше мембраны размещена также присоединенная к основанию диэлектрическая пластина. На пластине размещен нормально замкнутый контакт, который упирается в мембрану и прогибает ее, создавая требуемое контактное давление. Мембрана, контакт и электрод предусмотренными токопроводящими дорожками соединены с контактными площадками,размещенными на основании, причем цепь мембраны входит и в управляющую, и в управляемую схему. При подаче необходимого для отключения управляющего напряжения на электрод и мембрану последняя, притягиваясь к основанию, размыкает нормально замкнутый контакт, разрывая управляемую цепь. Замыкание контактов происходит после отключения напряжения за счет упругих реактивных сил мембраны. Электростатическое реле не может выполнять переключение управляемых цепей, что ограничивает его функциональные возможности. Наиболее близким по технической сущности является электростатический микрокоммутатор 3 в виде электростатического микрореле, содержащего диэлектрическую под 2 8453 1 2006.08.30 ложку с двухступенчатым углублением глубиной , в котором первая ступень высотой п расположена на противоположных сторонах углубления, и на ней размещены неподвижные контакты, на второй ступени, выполненной между выступами первой ступени, размещен неподвижный электрод. На подложке закреплена диэлектрическая пластина, в которой снаружи сформирована рамка, в центре предусмотрен подвижный элемент - упругий якорь толщиной , соединенный с рамкой упругими держателями. Они расположены симметрично по отношению к одной из осей пластины и под углом к этой оси, причем углы вершинами направлены в одну сторону (т.н. елочная схема). На стороне якоря, обращенной к подложке, сформированы подвижные электрод и контакты, размещенные над соответствующими элементами подложки. Подвижный и неподвижный контакты образуют нормально разомкнутые пары. По периферии подложка и пластина между собой соединены штырьками, которые одновременно являются электрическими выводами. При подключении электродов к разноименным полюсам источника постоянного тока якорь,изгибая держатели, притягивается к подложке и, прогибаясь, замыкает контакты. При отключении источника питания якорь возвращается в исходное положение за счет реактивных сил упругих держателей, и контакты размыкаются. Реле осуществляет включение разомкнутой управляемой цепи. Электростатическое микрореле не может выполнять переключение управляемых цепей, что ограничивает его функциональные возможности. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей за счет осуществления переключения управляемых цепей. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрокоммутаторе, содержащем диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением высотой, в котором первая ступень высотой п расположена на противоположных сторонах углубления и содержит неподвижные контакты, вторая ступень расположена в середине углубления между выступами первой ступени и содержит неподвижный управляющий электрод, диэлектрическую пластину, жестко соединенную с диэлектрической подложкой,и содержащую рамку и подвижный элемент - якорь, соединенный с рамкой упругими балочными держателями, на котором размещены подвижные контакты и подвижный управляющий электрод, расстояниемежду неподвижным и подвижным управляющими электродами составляет от 0,5 до 0,6, держатели упруго прогнуты так, что подвижный элемент смещен на расстояние от 0,4 до 0,5 и выполнен жестким, а в местах размещения подвижных и неподвижных контактов в подвижном элементе и в первой ступени углубления выполнены соосно между собой отверстия, в которые вставлены цилиндрические токопроводящие штифты с головками, плотно закрепленные в отверстиях первой ступени и входящие с зазором в отверстия подвижного элемента, при этом диаметр головок штифтов больше диаметра отверстий в подвижном элементе, а головки штифтов выполнены контактирующими с подвижными контактами, сформированными вокруг отверстий подвижного элемента на обеих его поверхностях, и соединенными между собой проводящим слоем по стенкам отверстий, а между неподвижными контактами и штифтом выполнен промежуток, обеспечивающий электрическую изоляцию. Совокупность указанных конструктивных признаков обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет фиксации якоря в нормально разомкнутых и нормально замкнутых положениях контактов. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлено продольное сечение электростатического микрокоммутатора,на котором 1 - подложка 2 - пластина 3 - углубление 4 - первая ступень 3 8453 1 2006.08.30 5 - отверстие в первой ступени 6 - отверстие в подложке 7 - рамка 8 - подвижный элемент 9 - держатель 10 - отверстие в якоре 11 - штырек 12 - штифт 13 - головка 14 - неподвижный электрод 15 - подвижный электрод 16 - неподвижный контакт 17 - подвижный контакт. На фиг. 2 представлен вид сверху на электростатический микрокоммутатор и на подложку 1. Электростатический микрокоммутатор состоит из жестко соединенных между собой подложки 1 и пластины 2, выполненных из диэлектрического материала (фиг. 1, 2). В подложке 1 выполнено двухступенчатое углубление 3 высотой . Первая ступень 4 глубиной п расположена на противоположных сторонах углубления 3, и в ней предусмотрены отверстия 5. По периферии подложки 1 выполнены отверстия 6. Пластина 2 состоит из рамки 7 и жесткого подвижного элемента 8 толщиной , соединенного с рамкой 7 упругими держателями 9, расположенными по елочной схеме. В рамке 7 и подвижном элементе 8 выполнены отверстия 6 и 10, соосные с соответствующими отверстиями в подложке 1,при этом по диаметру отверстия в подвижном элементе 10 больше отверстий в первой ступени 5. Пластина 2 соединена с подложкой 1 токопроводящими штырьками 11, вставленными в отверстия в подложке 6. В отверстиях в якоре 10 и отверстиях первой ступени 5 размещены цилиндрические токопроводящие штифты 12 с головками 13, свободно с зазором расположенные в отверстиях в якоре 10 и плотно вставленные в отверстия в первой ступени 5. Диаметр головок 13 больше диаметра отверстий в якоре 10. На дне углубления 3 и внутренней стороне подвижного элемента 8 сформированы управляющие электроды неподвижный 14 и подвижный 15 соответственно. Рабочее межэлектродное расстояние составляет(0,50,6). На первой ступени 4 вокруг отверстий в первой ступени 5 размещены неподвижные контакты 16 с промежутком, диаметр которого больше диаметров отверстий в первой ступени 5. Подвижные контакты 17 расположены вокруг отверстий в подвижном элементе 10. Они состоят из токопроводящей пленки, размещенной на обеих сторонах подвижного элемента 8 и цилиндрической стенке отверстий в якоре 10. Неподвижный контакт 16 и подвижный контакт 17 токопроводящими дорожками соединены со штырьками 11. Сборка осуществляется в следующем порядке. На подложку 1 укладывается плоская пластина 2, устанавливаются и закрепляются, например, пайкой или токопроводящими клеями штырьки 11. Затем устанавливаются и закрепляются в подложке 1 штифты 12,смещая головкой 13 подвижный элемент 8 с исходного расстояниядо рабочего межэлектродного промежутка(0,50,6). При этом держатели 9 прогибаются на у(0,50,4),в них возникает реактивная сила Р, создающая между подвижными контактами 17 и головками 13 требуемое контактное давление. Величинаобеспечивается либо сборочным устройством, либо в случае большой величины , позволяющей изготовить ступенчатый штифт, установкой штифтов 12 с фиксатором до упора в подложку 1. Штифты с фиксатором выполнены с увеличенным со стороны головки диаметром и имеют длинуп-(0,40,5),где- толщина подвижного элемента 8. Таким образом, в собранном микрокоммутаторе сформированы нормально разомкнутые контакты 16 и 17 и нормально замкнутые с усилием Р контакты 17 и 13. Электрические цепи контактов 16 и 17 выведены на штырьки 11,4 8453 1 2006.08.30 головок 13 - на штифты 12. Управляемые цепи в исходном состоянии микрокоммутатора могут быть в различных комбинациях подключены как к нормально разомкнутым, так и нормально замкнутым контактам. Подложка 1 и пластина 2 могут быть сформированы с прецизионной точностью, например, из анодного оксида алюминия методами групповой фотолитографии и последовательной электрохимической локальной обработки. Электропроводящие дорожки и контакты наносят распылением металлов в вакууме через маски. Электростатический микрокоммутатор работает следующим образом. При подаче на неподвижный 14 и подвижный 15 электроды разноименного нарастающего потенциала между ними возникает электростатическая притягивающая сила . При увеличении напряжения до рабочей величинысиласравнивается с величиной реактивной механической силы Р прогнутых держателей 9 и начинает перемещаться подвижный элемент 8 к углублению 3. Параллельность перемещения подвижного элемента 8 и его плоскостность обеспечиваются жесткостью подвижного элемента. Как известно, в плоскопараллельных электростатических системах неуправляемое перемещение подвижного элемента, т.е. мгновенное проскакивание подвижным элементом оставшегося межэлектродного промежутка при постоянной величине напряжения, начинается после прохождения им одной трети . Поэтому выбранная величина рабочего межэлектродного расстояния, равная(0,50,6), обеспечивает мгновенное отделение подвижных контактов 17 от головки 13, т.е. разрыв нормально замкнутых контактов, при сохранении мгновенного замыкания подвижных контактов 17 с неподвижными контактами 16, т.е. замыкания нормально разомкнутых контактов. Такая динамика срабатывания контактов исключает их искрение. Выбранный размерявляется оптимальным, т.к. его увеличение 0,6 существенно снизит величину контактного усилия Р, создаваемого держателями 9. Уменьшение размера 0,5, учитывая малую величину , увеличит опасность возникновения пробоя в межэлектродном промежутке. При перемещении подвижного элемента 8 увеличенные размеры отверстий якоря 10 и промежутка в неподвижном контакте 16 исключают соединение этих элементов со штифтами 12, т.е. короткое замыкание переключаемых цепей. Одновременно зазор между подвижным элементом 8 и штифтами 12 обеспечивает возможность свободного, без заклинивания, перемещения подвижного элемента 8. При снижении напряжения до напряжения возврата в, т.е. когда силы Р станут больше чем , якорь также мгновенно вернется в исходное положение, обеспечив переключение цепей и нужное контактное усилие. Источники информации 1. А.с. СССР 312383, МПК Н 03 К 17/52 // БИ. - 1971. -25. 2. В.Н. Воронин, В.А. Стрелюхин, Е.И. Черепов. Вычислительные системы. - Новосибирск ИМСО АН СССР. 1971. - Вып. 46. - С. 42-44. 3. Пат. РБ 2667, МПК 01 59/00. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5