Планарное электростатическое микрореле

(51) МПК (2006) 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) Планарное электростатическое микрореле, содержащее плоскую диэлектрическую подложку со сформированным в ней диэлектрическим консольным упругим П-образным якорем с подвижными управляющими тонкопленочными электродами на параллельных его сторонах, содержащим выступ с подвижным тонкопленочным контактом управляемой цепи, образованным с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки пазов, первую диэлектрическую площадку с неподвижным управляющим тонкопленочным электродом, расположенную на межэлектродном расстоянииот одной из параллельных сторон якоря, неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи, тонкопленочные контактные площадки и дорожки на подложке, отличающееся тем, что содержит вторую диэлектрическую площадку с неподвижным управляющим тонкопленочным электродом, расположенную между диэлектрической подложкой и второй параллельной стороной П-образного якоря на межэлектродном расстояниитаким образом, что параллельные стороны якоря расположены по одну и ту же сторону относительно каждой 9717 1 2007.08.30 диэлектрической площадки, и встречно-штыревую систему, расположенную между второй параллельной стороной П-образного якоря и первой диэлектрической площадкой,включающую от 2 до 6 пар плоскопараллельных неподвижных, выполненных на подложке, и подвижных, выполненных на поперечной стороне якоря, выступов, с соответственно сформированными на них неподвижными и подвижными управляющими тонкопленочными электродами и расположенных на межэлектродном расстоянии , при этом расстояние между парой выступов и диэлектрической площадкой, парой выступов и параллельной стороной якоря и между парами выступов составляет от 5 до 10, при этом все неподвижные и подвижные управляющие тонкопленочные электроды электрически соединены соответственно между собой и с соответствующей тонкопленочной площадкой на подложке, тонкопленочный контакт управляемой цепи выполнен в виде лепестков на подложке напротив выступа якоря, сформированного на торце поперечной стороны якоря. Изобретение относится к электротехнике, микроэлектромеханике, релейной связи, автоматике и может использоваться в управляющих, регулирующих, коммутирующих системах. Известно электростатическое микрореле 1, содержащее диэлектрическую подложку,в которой выполнено углубление с наклонным к плоскости подложки дном. На этом дне размещены тонкопленочные неподвижные электрод и изолированный от него контакт,входящие соответственно в управляющую и управляемую электрические цепи. На подложке жестко закреплена пластина, в которой сформирован консольный якорь, расположенный над углублением в подложке. На внутренней поверхности якоря размещены соответственно неподвижным тонкопленочные подвижные электрод и контакт. Данное электростатическое микрореле не может работать при низких напряжениях,т.к. ширина электродов равна ширине якоря и площадь электродов мала. Наиболее близким по технической сущности является планарное электростатическое микрореле 2, содержащее плоскую диэлектрическую подложку, в которой сформирован якорь в виде рамки, состоящий из нескольких консольных упругих держателей, закрепленных неподвижными концами в подложке, и пластины, соединяющей подвижные концы держателей. В подложке параллельно держателям выполнены базовые выступы. Якорь отделен от подложки сквозным фигурным пазом с перпендикулярными плоскости подложки стенками. На одном из держателей сформированы контактная дорожка и подвижный контакт, а в подложке - неподвижный контакт управляемой электрической цепи. Между остальными держателями и соответствующими базовыми выступами, располагаемыми по одну сторону от держателей, ширина паза равна межэлектродному расстоянию. На базовых выступах и этих держателях сформированы четырехсторонние тонкопленочные токопроводящие покрытия, образующие неподвижные и подвижные электроды, которые соответствующими контактными дорожками и площадками объединены в два изолированных друг от друга звена управляющей электрической цепи. Планарное электростатическое микрореле не может работать при низких напряжениях в связи с малыми электростатическими силами консольных электродов и необходимостью изгибать контактный держатель. Технической задачей изобретения является снижение рабочего напряжения микрореле планарной конструкции. Решение технической задачи достигается тем, что планарное электростатическое микрореле, содержащее плоскую диэлектрическую подложку со сформированным в ней диэлектрическим консольным упругим П-образным якорем с подвижными управляющими тонкопленочными электродами на параллельных его сторонах, содержащим выступ с подвижным тонкопленочным контактом управляемой цепи, образованным с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки пазов, первую диэлектрическую пло 2 9717 1 2007.08.30 щадку с неподвижным управляющим тонкопленочным электродом, расположенную на межэлектродном расстоянииот одной из параллельных сторон якоря, неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи, тонкопленочные контактные площадки и дорожки на подложке, содержит вторую диэлектрическую площадку с неподвижным управляющим тонкопленочным электродом, расположенную между диэлектрической подложкой и второй параллельной стороной П-образного якоря сформирована на междуэлектродном расстояниитаким образом, что параллельные стороны якоря расположены по одну и ту же сторону относительно каждой диэлектрической площадки, и встречноштыревую систему, расположенную между второй параллельной стороной П-образного якоря и первой диэлектрической площадкой, включающую от 2 до 6 пар плоскопараллельных неподвижных, выполненных на подложке, и подвижных, выполненных на поперечной стороне якоря, выступов, с соответственно сформированными на них неподвижными и подвижными управляющими тонкопленочными электродами и расположенных на межэлектродном расстоянии , при этом расстояние между парой выступов и диэлектрической площадкой, парой выступов и параллельной стороной якоря и между парами выступов составляет от 5 до 10, при этом все неподвижные и подвижные управляющие тонкопленочные электроды электрически соединены соответственно между собой и с соответствующей тонкопленочной площадкой на подложке, а тонкопленочный контакт управляемой цепи выполнен в виде лепестков на подложке напротив выступа якоря,сформированного на торце поперечной стороны якоря. При этом количество идентичных узлов суммы консольной и плоскопараллельной систем может быть увеличено в зависимости от рабочих характеристик микрореле. Совокупность указанных конструктивных элементов обеспечивает снижение рабочего напряжения в 23,2 раза. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен вид сверху на планарное электростатическое микрореле, на котором 1 - диэлектрическая подложка,2 - диэлектрический якорь,3 - паз,4 - диэлектрическая площадка,5 - неподвижный выступ,6 - параллельная сторона якоря,7 - поперечная сторона якоря,8 - подвижный выступ,9 - выступ,10 - лепесток,11 - неподвижный управляющий тонкопленочный электрод,12 - подвижный управляющий тонкопленочный электрод,13 - тонкопленочная контактная дорожка,14 - тонкопленочная контактная площадка,15 - подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи. На фиг. 2 представлен вид сверху на планарное электростатическое микрореле, состоящее из двух идентичных узлов суммы консольной и плоскопараллельной систем. Планарное электростатическое микрореле состоит из плоской диэлектрической подложки 1 и сформированного в ней подвижного диэлектрического якоря 2, отделенных друг от друга сквозными фигурными пазами 3 с перпендикулярными плоскости диэлектрической подложки 1 стенками. На диэлектрической подложке 1 размещены параллельные между собой диэлектрические площадки 4 и неподвижные выступы 5. Диэлектрический якорь 2 выполнен в виде П-образной рамки, содержащей параллельные стороны якоря 6, которые расположены по 3 9717 1 2007.08.30 одну и ту же сторону относительно каждой диэлектрической площадки 4 параллельно им и соединены неподвижными концами с диэлектрической подложкой 1, поперечную сторону якоря 7. На поперечной стороне якоря 7 сформированы подвижные выступы 8, параллельные диэлектрическим площадкам 4 и выступу 9, расположенному на торце поперечной стороны якоря 7. Подвижные 8 и неподвижные 5 выступы размещены парами между первой диэлектрической площадкой 4 и второй параллельной стороной якоря 6. Ширина пазов между подвижным 8 и неподвижным 5 выступами в паре, а также между диэлектрическими площадками 4 и параллельными сторонами якоря 6 равна межэлектродному расстоянию . Расстояние между отдельными парами, как выступов, так и диэлектрическими площадками 4 и параллельными сторонами якоря 6, равно (510) . На торце поперечной стороны якоря 7 сформирован выступ 9, напротив которого в диэлектрической подложке 1 сформированы упругие контактные лепестки 10. На диэлектрические площадки 4 и параллельные стороны якоря 6, неподвижные 5, подвижные 8 выступы нанесено токопроводящее четырехстороннее тонкопленочное покрытие, образующее на стенках межэлектродных промежутков неподвижные 11 и подвижные 12 управляющие тонкопленочные электроды, которые электрически соединены тонкопленочными контактными дорожками 13 с соответствующими тонкопленочными контактными площадками 14 в две изолированные друг от друга электрические цепи управления. Аналогичное покрытие на торце выступа 9 образует подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи 15. Подложка с якорем может быть изготовлена из анодного оксида алюминия методами электрохимического локального микротравления через фоторезистивные маски по интегральной технологии. Неподвижные и подвижные тонкопленочные электроды, а также все остальные элементы электрической цепи могут быть сформированы плазменным распылением металлов в вакууме. Четырехстороннее напыление на тонкостенные элементы подложки и якоря металлов с близким к оксиду по величине коэффициентом термического расширения обеспечивает сохранение точности геометрических размеров. Планарное электростатическое микрореле работает следующим образом. При подаче разноименных зарядов на неподвижные 11 и подвижные 12 управляющие тонкопленочные электроды между последними возникают нарастающие электростатические силы , которые благодаря последовательности расположения притягивают параллельные стороны якоря 6 и подвижные выступы 8 в одну сторону к диэлектрическим площадкам 4 и неподвижным выступам 5 соответственно. Параллельные стороны якоря 6 изгибаются, и в них появляется и увеличивается пропорционально прогибу суммарная механическая реактивная сила Р. В изогнутых подвижных управляющих тонкопленочных электродах 12, сформированных на параллельных сторонах якоря 6, сила 1 складывается в основном из распределенных сил, действующих на одной трети длины электрода, расположенной у его подвижного конца. Доля сил на остальной части электрода относительно мала, т.к. у неподвижного конца держателя межэлектродное расстояниеуменьшается незначительно. Таким образом, в межэлектродных промежутках между параллельными сторонами якоря 6 и диэлектрическими площадками 4 электростатическая сила 1 мала и преодоление реактивной силы Р возможно лишь за счет существенного повышения напряжения. По-другому происходит процесс изменения межэлектродного расстояниямежду расположенными в исходном состоянии параллельно неподвижными 11 и подвижными 12 управляющими тонкопленочными электродами. Размещение подвижных управляющих тонкопленочных электродов 12 на подвижных выступах 8, закрепленных на поперечной стороне якоря 7, являющейся одной из сторон параллелограмма, обеспечивает параллельность их перемещения и равномерность распределения электростатических точечных сил по всей длине электрода, равных по величине точечной силе лишь на подвижном конце подвижного управляющего тонкопленочного электрода 12. Таким образом,электростатическая сила 2 в параллельных электродах значительно больше силы 1, но действие ее воспринимают все те же упругие параллельные стороны якоря 6. В результате 4 9717 1 2007.08.30 совместное действие электродных пар, создающих усилие 12, преодолевает реактивную силу Р параллельных сторон якоря 6 при значительно меньшем напряжении. Эффективность силы 2 зависит от количества пар неподвижных 5 и подвижных 8 выступов , приходящихся на одну параллельную сторону якоря 6, т.е. согласно (1), (2) увеличения ширины электродов при постоянной ширине якоря. По расчетам оптимальное соотношение находится в диапазоне 26, снижающем рабочее напряжениев 23,2 раза. При 2 снижение р незначительно, при 6 добавление новых пар неподвижных 11 и подвижных 12 управляющих тонкопленочных электродов уже не оказывает существенного влияния на увеличение 2, т.е. на снижение , но увеличивает размеры и массу диэлектрического якоря 2. Четырехстороннее нанесение токопроводящих пленок на выступы исключает коробление последних, т.е. искажение геометрии межэлектродных промежутков. Но это приводит к возникновению между соседними парами выступов электрического поля и электростатических сил, воздействующих на диэлектрический якорь 2 в противоположном рабочему смещению направлении. Расположение пар на расстоянии (510) друг от друга сводит эти силы до минимальных значений, не влияющих на величину . При меньших чем 5 расстояниях взаимное влияние соседних пар электродов еще достаточно заметно. Увеличение расстояний более 10 оказывается неэффективным, так как практически не уменьшает очень малое влияние электрического поля, но, вместе с тем, приводит к необоснованному увеличению габаритов и массы якоря. При смещении диэлектрического якоря 2 на 0,27, что соответствует рабочему напряжению, происходит нарушение равенстваР за счет резкого нарастания силв связи с уменьшившимся межэлектродным расстоянием, якорь мгновенно проскакивает оставшийся межконтактный промежуток и подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи 15 замыкает лепестки 10, включая управляемую электрическую цепь. При снятии напряжения параллельные стороны якоря 6 возвращают диэлектрический якорь 2 в исходное положение, размыкая управляемую цепь. Источники информации 1. Патент ФРГ 4302204, МПК 5 Н 01 Н 59/00, 1994. 2. Патент РБ 5486, МПК 6 Н 01 Н 59/00, 2003. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5