Электростатическое микрореле

(51)01 59/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич Котова Инна Федоровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Электростатическое микрореле, содержащее соединенные токопроводящими штырьками прямоугольные, выполненные из диэлектрика основание с выступами высотойи пластину со сформированными упругими держателями и жестким якорем, неподвижные и подвижные электроды и контакты, размещенные, соответственно, на внутренних поверхностях основания и якоря и разделенные межэлектродным расстояниеми межконтактным расстоянием к, меньшим межэлектродного расстояния, отличающееся тем, что выступы попарно размещены раздельно вдоль длинных сторон основания, а на пластине над выступами сформированы четыре жесткие опорные площадки, соединенные с жестким якорем упругими держателями, расположенными параллельно длинной оси якоря и направленными в одну сторону, опорные площадки и держатели отделены от якоря сквозными пазами, на внешней плоскости пластины размещен диэлектрический фиксатор, жестко присоединяемый токопроводящими штырьками, на внутренней стороне которого по всей его ширине предусмотрены два контактирующих с якорем в местах его соединения с упругими держателями упора высотой (0,550,80), на основании между выступами и на якоре между опорными площадками сформированы дополнительные участки неподвижных и подвижных электродов соответственно, причем после смещения жесткого якоря упорами фиксатора межэлектродное расстояние составляет (0,200,45). 9096 1 2007.04.30 Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может быть использовано в управляющих, коммутирующих, регулирующих схемах. Известно электростатическое микрореле 1, в котором на жестком прямоугольном основании сформировано два выступа, расположенных вдоль двух противоположных коротких сторон основания. На выступах в натянутом состоянии закреплена гибкая упругая металлическая мембрана прямоугольной формы. На обращенной к мембране плоскости основания размещены изолированные друг от друга электроды и контакт. При подаче на электрод и мембрану разноименных зарядов электростатические силы притягивают мембрану к основанию и она замыкается с контактом. Связь напряженияс электростатическимии реактивными Р силами описывается соотношениями 2 С, 0 2 2 где 0 - электрическая постоянная,- площадь электрода,- межэлектродное расстояние,у - прогиб, С - жесткость упругого элемента. Микрореле не может работать при низких электрических напряжениях, т.к. металлическую мембрану необходимо не только изогнуть, но и растянуть, для чего требуется достаточно большая величина электростатических сил, а следовательно, и напряжения. Известно электростатическое микрореле 2, в котором между выступами основания неподвижный электрод расположен на наклонной плоскости, а подвижный электрод выполнен на горизонтальной консоли, что уменьшает межэлектродное расстояние оту свободного конца консоли до 0 у места ее закрепления на основании. При подаче между электродами разности потенциалов консоль прогибается и контакты замыкаются. Микрореле не может работать при низких электрических напряжениях, т.к. площади электродов малы, жесткость консоли высока и для ее прогиба необходимо высокое напряжение. Наиболее близким по технической сущности является микромеханическое электростатическое реле с гибридным приводом 3, которое содержит прямоугольные диэлектрические основание и пластину. На плоскости основания, обращенной к пластине,сформирован по его контуру единый выступ высотой, равной межэлектродному расстоянию , а в средней части - неподвижные управляющий электрод и контакт. Пластина состоит из каркаса в виде рамки, внутри которого размещен четырехугольный якорь,соединенный с каркасом четырьмя упругими держателями, каждый из которых идет от угла якоря параллельно его стороне, примыкающей к углу. Все держатели относительно центра якоря располагаются в одном круговом направлении (например по часовой стрелке). На якоре и держателях сформированы подвижные управляющий электрод и контакт, а также слой пьезоматериала. Межконтактное расстояние выполнено меньше межэлектродного. Каркас пластины жестко закреплен на выступе основания. Токоподвод осуществляется с помощью соединительных токопроводящих штырьков, для которых в основании и пластине предусмотрены отверстия. Микромеханическое электростатическое реле не может работать при низких напряжениях, т.к. его срабатывание происходит при большом межэлектродном расстоянии, равном 0,67, держатели изгибаются в двух плоскостях, что в итоге требует дополнительного электрического напряжения и в целом высоких значений напряжения. Технической задачей изобретения является снижение напряжения срабатыванияэлектростатического микрореле. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрореле,содержащем соединенные токопроводящими штырьками прямоугольные, выполненные из диэлектрика основание с выступами высотойи пластину со сформированными упругими держателями и жестким якорем, неподвижные и подвижные электроды и контакты, размещенные, соответственно, на внутренних поверхностях основания и якоря и разделенные межэлектродным расстояниеми межконтактным расстоянием к, меньшим межэлектрод 2 9096 1 2007.04.30 ного расстояния, выступы попарно размещены раздельно вдоль длинных сторон основания, а на пластине над выступами сформированы четыре жесткие опорные площадки, соединенные с жестким якорем упругими держателями, расположенными параллельно длинной оси якоря и направленными в одну сторону, опорные площадки и держатели отделены от якоря сквозными пазами, на внешней плоскости пластины размещен диэлектрический фиксатор, жестко присоединенный токопроводящими штырьками, на внутренней стороне которого по всей его ширине предусмотрены два контактирующих с якорем в местах его соединения с упругими держателями упора высотой (0,550,80), на основании между выступами и на якоре между опорными площадками сформированы дополнительные участки неподвижных и подвижных электродов соответственно, причем после смещения жесткого якоря упорами фиксатора межэлектродное расстояние составляет (0,200,45). В совокупности указанные признаки обеспечивают снижение напряжения срабатывания, а также повышают виброударопрочность микрореле за счет предварительного упругого смещения якоря, уменьшающего исходное межэлектродное расстояние до(0,200,45), и увеличения площади электродов. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 представлена функциональная схема срабатывания микрореле. На фиг. 2 представлено продольное сечение микрореле по АА, на котором 1 - основание,2 - пластина,3 - фиксатор,4 - выступ,5 - опорная площадка,6 - якорь,7 - держатель,8 - паз,9 - упор,10 - неподвижный электрод,11 - подвижный электрод,12 - неподвижный контакт,13 - подвижный контакт,14 - штырек. На фиг. 3 представлен вид сверху на пластину и основание. Электростатическое микрореле состоит из жестко соединенных между собой основания 1, пластины 2, фиксатора 3 (фиг. 1, 2), имеющих прямоугольную форму. В основании 1 на плоскости, обращенной к пластине 2, выполнены выступы 4, размещенные попарно вдоль длинных сторон основания. Высота выступов 4 одинакова и равна исходному межэлектродному расстоянию . В плоской пластине 2 сформированы опорные площадки 5, якорь 6, выполненные такими толстыми, чтобы обеспечить повышенную жесткость, и соединяющие опорные площадки 5 с якорем 6 тонкие упругие держатели 7. Опорные площадки 5 и держатели 7 отделены от якоря 6 сквозными пазами 8. Держатели 7 размещены по краю двух длинных сторон пластины 2 и направлены от опорных площадок в одном направлении, параллельно этим сторонам. Наружная поверхность фиксатора 3 выполнена плоской, на внутренней плоскости сформированы упоры 9 одинаковой высоты, величина которой составляет (0,55-0,80). Упоры 9 сформированы на внутренней поверхности фиксатора 3 по всей ширине и размещены в местах соединения держателей 7 с якорем 6. На внутренних поверхностях основания 1 и пластины 2 сформированы соответственно неподвижный 10 и подвижный 11 электроды, расположенные по всей площади якоря 6 и основания 1, в том числе между выступами 4. На этих же поверхностях размещены неподвижный 12 и подвижный 13 контакты, расстояниемежду которыми меньше,3 9096 1 2007.04.30 чем межэлектродное расстояние . Между собой детали микрореле соединяются токопроводящими штырьками 14, для которых в деталях предусмотрены соответствующие отверстия. При сборке в выступы 4 ставят штырьки 14 и укладывают пластину 2. Затем на пластину 2 укладывают фиксатор 3 и прижимают его к опорным площадкам 5. При этом держатели 7 изгибаются, в них возникает реактивная механическая сила. Якорь 6 параллельно исходному положению перемещается к основанию на (0,550,80), а механические силы достигают значения Ро (фиг. 1). В результате межэлектродное расстояние становится равным (0,200,45). Детали с помощью штырьков и, например, пайки соединяют в единый узел. Пластина 2 изготавливается из диэлектрика, обладающего упругими свойствами, например из оксида алюминия, методами фотолитографии и локального электрохимического травления. Основание 1 и фиксатор 3 могут быть изготовлены таким же способом или из керамики методом отливки, а также из металла с последующим нанесением или образованием на его поверхностях изолирующего слоя. Электроды и контакты формируются методом вакуумного напыления через маски. Электростатическое микрореле работает следующим образом. При подаче напряженияна неподвижный 10 и подвижный 11 электроды между ними возникает и нарастает электростатическая сила , которая для отделения якоря 6 от упоров 9 должна достичь величиныРо (фиг. 1). Этому условию соответствует напряжение , которое меньше, чемнесмещенного якоря (1 икоторого представлено на фиг. 1 штриховыми линиями), т.к. межэлектродное расстояние уменьшилось с 0,67 до (0,20,45). Приякорь 6 мгновенно перекидывается в нижнее положение, замыкая неподвижный 12 и подвижный 13 контакты. Реакция держателей 7 возрастает, но якорь 6 остается плоским, т.к. имеет большую толщину и, следовательно, жесткость. Снижение напряжения срабатывания в этом диапазоне составляет (1,162,15) раз. Увеличение межэлектродного расстояния свыше 0,45 нецелесообразно, т.к. снижает напряжение лишь в пределах от 1 до 1,15. Межэлектродное расстояние менее 0,2 приведет к повышенному разбросу , т.к. возрастет влияние погрешностей абсолютных размеров,составляющих размерную цепь . Увеличение площади электродов за счет использования площадей между выступами 4 и опорными площадками 5 составляет примерно 20 , что снижаетеще на 10 . В целом предлагаемая конструкция уменьшает ср в (1,32,4) раза. Замыкание электродов в сработавшем микрореле исключается выполнением межконтактного расстояния по размеру меньше межэлектродного. При отключении напряжения держатели 7 возвращают якорь в прежнее положение. Независимое положение якоря 6 и опорных площадок 5 обеспечивается сквозными пазами 8. Источники информации 1. А.с. СССР 204440, 1968. 2. Патент ФРГ 4302204 1, 1993. 3. Патент ФРГ 4305033 1, 1993. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5