Микромеханическое электрореле

(51)701 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) Микромеханическое электрореле, содержащее диэлектрические основание с полостью на внутренней поверхности, расположенные над ним крышку, а между ними якорь с жестко соединенными с ним внутренними концами упругими держателями, поперечное сечение которых имеет малый момент инерции в направлении перемещения, неподвижные на дне полости и подвижные на внутренней стороне якоря тонкопленочные электроды, контакты и контактные дорожки, отличающееся тем, что полость выполнена прямоугольной,на коротких сторонах которой сформированы две ступеньки, якорь размещен в ней по ходовой посадке габаритных размеров, а упругие держатели сформированы на противоположных сторонах якоря попарно и параллельно его продольной оси в виде направленных от его центра в противоположные стороны консолей, свободные наружные концы которых размещены на углах первых ступеней, высота которых равна исходному межэлектродному расстоянию , на которых нанесены контактные площадки и к которым прижаты наружные концы держателей сформированными на внутренней стороне крышки выступами, обеспечивающими размер рабочего межэлектродного промежутка 1 равным от 0,2 до 0,65, при этом на сторонах якоря между держателями короче их по длине выполнены полочки, на которых сформированы подвижные контакты, расположенные над сформированными на вторых ступенях неподвижными контактами. 9702 1 2007.08.30 Изобретение относится к электротехнике, микромеханике и может использоваться в управляющих, регулирующих, коммутирующих системах. Известно электростатическое реле 1, содержащее диэлектрическое основание с двумя опорами в виде выступов, высота которых равна межэлектродному расстоянию . На торцах опор внешними концами жестко закреплен балочный якорь, сформированный из натянутой металлической ленты. На основании между опорами под якорем размещены неподвижные электрод и контакт. При подаче на электрод и якорь разноименных электрических зарядов напряжениемякорь начинает прогибаться под действием распределенных электростатических сил 20,(1) 2 2 где 0 - электрическая постоянная,- площадь электрода, у - прогиб якоря. Силадолжна преодолеть реактивную силу Р сопротивления изгибу балочного якоря с жестко закрепленными концами, значительно повышающими жесткость якоря 384,(2) 3 где Е - модуль упругости,- момент инерции,- длина балочного якоря, а также силу сопротивления Т якоря его дополнительному растяжению, являющемуся следствием изгиба где- площадь поперечного сечения якоря,- абсолютное удлинение. Срабатывание реле происходит при высоком напряжении 1 .(4) Данное электростатическое реле не может работать при низких электрических напряжениях. Известен микромашинный переключатель 2, в котором сформирован якорь двухопорной балочной конструкции. Он содержит центральную часть-диск, расположенную на межэлектродном расстоянииот основания, и изогнутые в наружную от диска сторону держатели. Внутренние концы держателей жестко соединены с диском, внешние жестко закреплены на торцах опор, сформированных на основании. На внутренних сторонах основания и диска размещены электроды. При их подключении к полюсам источника постоянного тока и повышении напряжениядиск притягивается к основанию, дополнительно изгибая, но не растягивая, уже изогнутые держатели. Это несколько снижает рабочее напряжение, но оно продолжает оставаться высоким, т.к. жесткое закрепление концов балочного якоря согласно (2) резко повышает его сопротивление прогибу. Микромашинный переключатель не может работать при низких напряжениях. Наиболее близким по технической сущности является микромеханическое реле с гибридным приводом 3. Оно содержит диэлектрическое основание с полостью, на дне которой расположены неподвижные электрод и контакт. На размещенной по периферии основания опоре закреплена каркасная рамка, в которой сформирован плоский балочный якорь, упругие держатели которого внешними концами жестко соединены с рамкой, а внутренние тоже жестко с якорем. Держатели расположены параллельно сторонам якоря, выполненного квадратной формы, так, что начинаются у вершины каждого угла якоря и располагаются относительно его центра в одном направлении. Сечение держателей выполнено с малым моментом инерциив направлении перемещения якоря, перпендикулярном его плоскости. На якоре предусмотрены подвижные электрод и контакт, а также слой пьезоматериала. Сверху якорь закрыт крышкой, на внутренней поверхности которой также расположены неподвижные электрод и контакт, электрически изолированные от соответствующих элементов на основании. При подаче напряженияна подвижный и один из неподвижных электродов якорь начинает перемещаться под действием электростатиче 2 9702 1 2007.08.30 ских силв заданном направлении, преодолевая силы сопротивления жестко закрепленных обоими концами держателей длиной . Держатели при этом изгибаются в двух направлениях в направлении действия силыпо оси малой величины момента инерции 1,создавая реактивную силу Р 1, равную 12 13 1,(5) и в направлении, совпадающем с плоскостью якоря, т.к. последний при перемещении по осиначинает поворачиваться за счет перехода точек крепления держателей к углам якоря на координату х большего размера. В итоге держатели вынуждены прогибаться также по оси большой величины момента инерции 2, что приводит к возникновению второй реактивной силы Р 2, равной 12 23 2. Преодоление этих реактивных сил, большая величина которых обусловлена жестким закреплением обоих концов держателей, требует высокого напряженияж 1 (12 ) .(7) Требующееся высокое напряжение ж не компенсируется действием зарядов деформируемого пьезослоя на якоре. Микромеханическое реле с гибридным приводом не может работать при низких напряжениях. Технической задачей изобретения является снижение рабочего напряжения микромеханических электрореле. Решение технической задачи достигается тем, что в микромеханическом электрореле,содержащем диэлектрические основание с полостью на внутренней поверхности, расположенные над ним крышку, а между ними якорь с жестко соединенными с ним внутренними концами упругими держателями, поперечное сечение которых имеет малый момент инерции в направлении перемещения, неподвижные на дне полости и подвижные на внутренней стороне якоря тонкопленочные электроды, контакты и контактные дорожки, полость выполнена прямоугольной, на коротких сторонах которой сформированы две ступеньки, якорь размещен в ней по ходовой посадке габаритных размеров, а упругие держатели сформированы на противоположных сторонах якоря попарно и параллельно его продольной оси в виде направленных от его центра в противоположные стороны консолей, свободные наружные концы которых размещены на углах первых ступеней, высота которых равна исходному межэлектродному расстоянию , на которых нанесены контактные площадки и к которым прижаты наружные концы держателей сформированными на внутренней стороне крышки выступами, обеспечивающими размер рабочего межэлектродного промежутка 1 равным от 0,2 до 0,65, при этом на сторонах якоря между держателями короче их по длине выполнены полочки, на которых сформированы подвижные контакты, расположенные над сформированными на вторых ступенях неподвижными контактами. Совокупность указанных признаков обеспечивает снижение рабочего напряжениямикромеханических электрореле за счет уменьшения реактивной силы якоря. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлено продольное сечение по А-А микромеханического электрореле,на котором 1 - основание, 2 - якорь, 3 - крышка, 4 - полость, 5 - первая ступень, 6 - вторая ступень, 7 - держатель, 8 - полочка, 9 - выступ, 10 - неподвижный электрод, 11 - подвижный электрод, 12 - контактные площадки, 13 - неподвижный контакт, 14 - подвижный контакт, 15 - контактная дорожка. На фиг. 2 представлен вид на микромеханическое электрореле, часть балочного якоря и основания сверху. 9702 1 2007.08.30 Микромеханическое электрореле содержит диэлектрические основание 1, якорь 2,крышку 3. Основание 1 выполнено прямоугольной формы. В нем сформирована прямоугольная полость 4, на противоположных коротких сторонах которой сформированы первые ступени 5 и вторые ступени 6. С якорем 2 жестко соединены упругие держатели 7, выполненные в виде консолей со свободными внешними концами. Упругие держатели 7 расположены на противоположных сторонах якоря 2 параллельно его продольной оси и направлены от его центра к первым ступеням 5, углы которых выполняют роль шарнирных опор. На этих же сторонах якоря 2 между держателями 7 сформированы полочки 8,длина которых меньше, чем у держателей 7. Якорь 2 центрируется в полости 4 по габаритным размерам ширине и расстоянию между внешними сторонами полочек 8 и вторыми ступенями 6, выполненными по ходовой посадке. Это исключает поломку держателей 7 при сборке и перекос якоря 2 в полости 4. Якорь 2 размещен в полости 4 так, что внешние концы держателей 7 свободно, без защемления лежат на углах первых ступеней 5. Крышка 3 по периферии жестко соединена с основанием 1, на ее внутренней стороне сформированы два выступа 9, расположенные напротив участков якоря 2, соединяющихся с держателями 7. На дне полости 4 и внутренней плоскости якоря 2 нанесены неподвижный 10 и подвижный 11 электроды. На углах первых ступеней 5 сформированы контактные площадки 12, а на вторых ступенях 6 и на полочках 8 соответственно неподвижный контакт 13 и подвижный контакт 14, на держателях 7 - контактные дорожки 15. При сборке якорь 2 свободно укладывается держателями 7 на первые ступени 5. Расстояние между подвижным 11 и неподвижным 10 электродами в этом положении является исходным межэлектродным расстояниеми определяется при проектировании электрореле. Затем устанавливается и закрепляется на основании 1 крышка 3, которая выступами 9 принудительно смещает якорь 2 до требуемого рабочего межэлектродного расстояния 1. При этом держатели 7, упруго изгибаясь, свободно поворачиваются на углах первых ступеней 5, не создавая реактивных моментов на опоре. Реактивная сила Р обеспечит требуемое контактное давление между контактными площадками 12и контактными дорожками 15. В зависимости от функционального назначения электрореле величина 1 составляет 0,200,65 . При 10,2 контактное давление будет недостаточно надежным, при 10,65, возрастает влияние погрешности размеров элементов размерной цепи на разброс величины рабочего напряжения. Диэлектрические детали микромеханического электрореле могут быть изготовлены из анодного оксида алюминия, который обладает высокими электрофизическими и механическими свойствами, а алюмооксидная технология, основанная на интегральных методах формирования, обеспечивает прецизионность геометрии объемных и планарных структур. Токопроводящие тонкопленочные элементы формируются вакуумным напылением. Микромеханическое электрореле работает следующим образом. При подаче напряжениямежду неподвижным 10 и подвижным 11 электродами электростатическая силаначинает тянуть якорь 2 к основанию 1, но не смещая его и не отсоединяя от выступов 9 до тех пор, пока напряжение не увеличится до значения, при котором силыи Р станут равными. Дальнейшее повышение напряженияприводит к уменьшению рабочего межэлектродного расстояния 1 и увеличению упругого прогиба держателей 7, размещенных на углах первых ступеней 5. Величина реактивных сил Рш,связанных с упругим прогибом у держателей 7 по известному соотношению составляет 3 ш,(8) 3 т.е. конструкция балочного якоря с углами, выполняющими роль шарнирных опор для держателей 7 вместо жесткой заделки их концов, минимум в 4 раза уменьшает величину суммарной реактивной силы и, значит, обеспечивает более чем двукратное снижение напряжения ш(9) 2 При рабочем напряжении якорь 2 коллапсирует до вторых ступеней 6 и замыкает неподвижный контакт 13 и подвижный контакт 14, включая внешнюю цепь управляемой аппаратуры. После отключения напряжения реактивные силы Рш изогнутых держателей 7 возвращают якорь 2 до упора в выступы 9, размыкая неподвижный контакт 13 и подвижный контакт 14 управляемых цепей и сохраняя замкнутой цепь управления подвижный электрод 11 - контактные дорожки 15 - контактные площадки 12. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.