Оптоэлектростатическое микрореле

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич Гасенкова Ирина Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Оптоэлектростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей упругим подвижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакты, при этом толщина подвижного элемента, высота выступов первой ступени и расстояние между ними выбраны из соотношения где- толщина подвижного элемента, м- расстояние между выступами первой ступени, м- высота выступов первой ступени, м Е - модуль упругости материала элемента, Н/м 2 0 - электрическая постоянная, 8,8510-12 Ф/м П - напряжение срабатывания (пороговое), В,причем подвижные управляющий электрод и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению, на внешней стороне диэлектрической подложки выполнен тонкопленочный фоторезистивный элемент в виде спирали, Фиг. 1 54772009.08.30 электрически соединенный с неподвижным управляющим электродом через металлизированное в центре диэлектрической подложки отверстие, отличающееся тем, что на внешней стороне диэлектрической пластины выполнен тонкопленочный терморезистор в виде меандра, электрически соединенный с подвижным управляющим электродом через выполненное на одной из его противоположных сторон второе металлизированное отверстие, и над тонкопленочным терморезистором выполнен чувствительный к ИК-излучению элемент, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем. Полезная модель относится к электротехнике и микроэлектронике и может быть использована, например, в системах автоматики, контроля, связи, телеметрии, вычислительной и измерительной техники и т.п. Известно электростатическое микрореле 1, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей подвижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакт, при этом толщина подвижного элемента, высота выступов первой ступени и расстояние между ними выбраны из соотношения где- толщина подвижного центра, м- расстояние между выступами, м- высота выступов, м Е - модуль упругости материала элемента, Н/м 2 0 - электрическая постоянная,8,8510-12 Ф/м П - напряжение срабатывания микрореле, В, причем подвижные управляющий электрод и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению. При подаче электрического напряжения на управляющие электроды между ними возникает электростатическое взаимодействие (ЭС), что приводит к перемещению якоря и замыканию электродов контактной цепи. Различные конструктивные исполнения обеспечивают надежное соединение контактных и предотвращают замыкание управляющих электродов. При снятии электрического напряжения с управляющих электродов, под действием упругих сил (УПР) в держателях, якорь возвращается в исходное состояние, и электроды контактной цепи размыкаются. Микрореле имеет ограниченные функциональные возможности, так как управляется только электрически и не обеспечивает срабатывания при изменении уровня оптического и инфракрасного (ИК) излучения. Известно оптоэлектростатическое микрореле 2, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей упругим подвижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакты, при этом 0,116 54772009.08.30 толщина подвижного элемента, высота выступов первой ступени и расстояние между ними выбраны из соотношения причем подвижные управляющий электрод и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению, а на внешней стороне диэлектрической подложки выполнен тонкопленочный фоторезистивный элемент в виде спирали, электрически соединенный с неподвижным управляющим электродом через металлизированное в центре диэлектрической подложки отверстие. Микрореле имеет ограниченные функциональные возможности, так как управляется только электрически и оптически и не обеспечивает срабатывания при изменении уровня ИК-излучения. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет управления срабатыванием микрореле как электрическим сигналом и уровнем оптического излучения, так и уровнем ИК-излучения. Решение технической задачи достигается тем, что в оптоэлектростатическом микрореле, содержащем диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей упругим подвижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакты, при этом толщина подвижного элемента, высота выступов первой ступени и расстояние между ними выбраны из соотношения 0,116 где- толщина подвижного элемента, м- расстояние между выступами первой ступени, м- высота выступов первой ступени, м Е - модуль упругости материала элемента, Н/м 2 0 - электрическая постоянная, 8,8510-12 Ф/м П - напряжение срабатывания (пороговое), В,причем подвижные управляющий электрод и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению, на внешней стороне диэлектрической подложки выполнен тонкопленочный фоторезистивный элемент в виде спирали,электрически соединенный с неподвижным управляющим электродом через металлизированное в центре диэлектрической подложки отверстие, на внешней стороне диэлектрической пластины выполнен тонкопленочный терморезистор в виде меандра, электрически соединенный с подвижным управляющим электродом через выполненное на одной из его противоположных сторон второе металлизированное отверстие, и над тонкопленочным терморезистором выполнен чувствительный к ИК-излучению элемент, изолированные друг от друга диэлектрическим слоем. Совокупность указанных признаков обеспечивает расширение функциональных возможностей оптоэлектростатических микрореле за счет включения в цепь управления их срабатыванием чувствительного к ИК-излучению элемента. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлено продольное сечение оптоэлектростатического микрореле, на котором 1 - диэлектрическая подложка,2 - двухступенчатое углубление, 3 54772009.08.30 3 - первая ступень углубления,4 - вторая ступень углубления,5 - неподвижные контакты управляемой цепи,6 - неподвижный управляющий электрод,7 - диэлектрическая пластина,8 - подвижный элемент,9 - балочные держатели,10 - подвижный управляющий электрод,11 - подвижный контакт,12 - тонкопленочный фоторезистивный элемент,13 - металлизированное отверстие,14 - тонкопленочный терморезистор,15 - второе металлизированное отверстие,16 - чувствительный к ИК-излучению элемент,17 - диэлектрический слой. На фиг. 2 представлен вид сверху на диэлектрическую подложку, на фиг. 3 - вид снизу на диэлектрическую подложку, на фиг. 4 - вид сверху на диэлектрическую пластину. Оптоэлектростатическое микрореле содержит неподвижную диэлектрическую подложку 1, в которой выполнено двухступенчатое углубление 2, содержащее первую ступень 3, выполненную на противоположных сторонах углубления 2, и вторую ступень 4,размещенную между выступами первой ступени 3 (фиг. 1, 2). На первой ступени 3 расположены неподвижные контакты управляемой цепи 5. На второй ступени 4 сформирован неподвижный управляющий электрод 6. Диэлектрическая пластина 7 жестко соединена с диэлектрической подложкой 1. В диэлектрической пластине 7 расположен подвижный элемент 8, соединенный с каркасом диэлектрической пластины 7 эластичными балочными держателями 9. На внутренней стороне подвижного элемента 8, обращенной к углублению 2, находятся подвижный управляющий электрод 10 и подвижные контакты 11. На внешней стороне диэлектрической подложки 1 выполнен тонкопленочный фоторезистивный элемент 12 в виде спирали, электрически соединенный с неподвижным управляющим электродом 6 через металлизированное отверстие 13 в центре диэлектрической подложки 1 (фиг. 3). На внешней стороне диэлектрической пластины 7 выполнен тонкопленочный терморезистор 14 в виде меандра, электрически соединенный через второе металлизированное отверстие 15 с подвижным управляющим электродом 10, и над тонкопленочным терморезистором 14 выполнен чувствительный к ИК-излучению элемент 16,изолированные друг от друга диэлектрическим слоем 17 (фиг. 4). Подложки оптоэлектростатического микрореле могут быть выполнены из анодного оксида алюминия путем локального анодирования и травления алюминия по заданному топологическому рисунку. Тонкопленочные фоторезистивный элемент 12, терморезистор 14, диэлектрический слой 17, чувствительный к ИК-излучению элемент 16, электроды и контакты формируются методом вакуумного напыления через маски. Технология обеспечивает получение оптоэлектростатического микрореле с габаритными размерами порядка 3,04,00,07 мм 3 и минимальным расстоянием между управляющими электродами в рабочем состоянии до 25 мкм, весом 0,010,1 Н. Оптоэлектростатическое микрореле работает следующим образом. Так как принципиальная электрическая схема устройства представляет собой делитель напряжения, содержащий сопротивление изоляции между управляющими электродами неподвижным 6 и неподвижным 10 (ИЗ), сопротивление тонкопленочного фоторезистивного элемента 12 (ФР), сопротивление тонкопленочного терморезистора 14 (ТР) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то рабочее электрическое напряжение (напряжение срабатывания) оптоэлектростатического микрорелескладывается из электрического напряжения, необходимого для обеспечения срабатывания за счет элек 4 54772009.08.30 тростатических сили падения напряжения на тонкопленочных фоторезистивном элементе 12 и терморезисторе 14 . Тогда, согласно закону Ома(ИЗФРТР). Если ТРФРИЗ (в случае отсутствия оптического излучения), тогда 1/3 , и срабатывание происходит при достижении величины рабочего электрического напряжения. При значительном уменьшении ФР (ФРИЗ) (в случае увеличения уровня освещенности тонкопленочного фоторезистивного элемента 12), 0, ТР (ТРИЗ) (в случае увеличения уровня ИК-излучения на тонкопленочном терморезисторе 14), 0, и напряжение срабатывания, т.е. рабочее напряжение определяется величиной, необходимой для срабатывания за счет только электростатических сил. Таким образом, управление работой оптоэлектростатического микрореле осуществляется как электрическим сигналом и уровнем оптического излучения, так и уровнем ИК-излучения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.