Электротоковое микрореле

Номер патента: U 6714

Опубликовано: 30.10.2010

Авторы: Мухуров Николай Иванович, Ефремов Георгий Игнатьевич

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК (2009) 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(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Электротоковое микрореле, содержащее диэлектрическую прямоугольную подложку с продольными канавкой с плоским дном и боковыми выступами, диэлектрическую пластину с якорем в середине, соединенным зигзагообразными пружинными упругими держателями с площадками на концах пластины, жестко закрепленными на подложке,сформированный на внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки электромеханический привод управляющей цепи, подвижную перемычку на якоре, контакты управляемой цепи, токопроводящие дорожки, штырьки управляющей и управляемой цепей,отличающееся тем, что электромеханический привод выполнен электротоковым с неподвижным меандровым участком на дне канавки и идентичным подвижным меандровым участком, зеркально расположенным на якоре, при этом начала неподвижного и подвижного меандровых участков в исходном состоянии и при прямом ходе соединены токопроводящими дорожками соответственно с переключаемым штырьком и штырьком входа управляющей цепи, а концы меандровых участков соединены между собой и со штырьком выхода этой цепи, а при обратном ходе переключаемый штырек соединен с выходом управляющей цепи, площадки пластины соединены между собой жесткими планками,размещенными на выступах подложки, контакты выполнены точечными и расположены на концах поперечной оси внутренней стороны якоря и напротив их на дне канавки, а подвижная перемычка размещена на внешней стороне якоря и электрически соединена с его контактами.(56) 1.. К.,. С.,. . //.-., , , 1997.- Р. 1511-1514. 2. Патент США 160549. 3. Кухлинг Х. Справочник по физике.- М. Мир, 1983.- 519 с. Полезная модель относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может быть использована в высокочастотных управляющих, коммутирующих, регулирующих автоматических системах. Известен микромашинный СВЧ-переключатель 1, содержащий электростатический актюатор. Переключатель выполнен из жесткого основания и подвижного якоря. В основании сформированы неподвижный электрод и два выступа равной высоты, размещенные симметрично относительно вертикальной оси основания. На электрод нанесен слой диэлектрика. Якорь выполнен из электропроводящего материала, имеет повышенную жесткость, расположен параллельно основанию и соединен гибкими упругими держателями образной формы с верхней плоскостью выступов основания. Якорь и электрод при подаче на них разноименных зарядов образуют электростатический актюатор, который, деформируя держатели электростатическими силами 1 и создавая в них реактивную силу ,притягивает якорь. Изменение электростатической силы 1 с изменением потенциалаи смещением якоряв электростатическом актюаторе связано соотношением 02 где 1 - расстояние между якорем и слоем диэлектрика 2 - толщина диэлектрического слоя- площадь электродов 0 - электрическая постоянная- относительная диэлектрическая проницаемость. Величина межэлектродной емкости, момент замыкания контактов фиксируются управляемой схемой. Погрешность размеров, формы и сборки -образных держателей оказывает существенное влияние на разброс размера 1 и, следовательно, на величину рабочего напряжения . При малых значенияхи большихв диэлектрических элементах переключателя, и в частности в слое диэлектрика, индуцируются значительные реактивные заряды, силы которых, противодействуя реактивным силамдержателей, при отключении тормозят возврат якоря в исходное положение. В результате время отключения существенно превышает время включения, аимеет разброс. Микромашинный переключатель не обеспечивает надежность функционирования СВЧ-устройств. Наиболее близким по технической сущности является-(микроэлектромеханическое реле с объединенным электростатическим и электромагнитным приводом) 2. Микрореле содержит диэлектрическую подложку прямоугольной формы, в которой по продольной оси выполнена канавка с плоским дном. По ее обеим боковым сторонам на всей длине подложки размещены выступы. На дно канавки и оба выступа нанесен электропроводящий слой, из которого посредством локального травления сформированы в средней части канавки неподвижный электрод управляющей цепи, а в центре последнего изолированно от него два неподвижных контакта управляемой цепи с токопроводящими дорожками. Над подложкой расположена диэлектрическая перфорированная тонкая пластина. В ее середине сформирован 2 67142010.10.30 якорь, соединенный двумя симметричными зигзагообразными пружинными упругими держателями с площадками на обоих концах пластины, которые жестко закреплены на концах выступов подложки. Низкая жесткость держателей не обеспечивает при изготовлении и сборке плоскостности пластины и стабильности межэлектродного расстояния .пластине сформированы токопроводящие элементы на якоре снизу - подвижный электрод с изолированной от него перемычкой управляемой цепи, расположенной над неподвижными контактами, сверху - токовая катушка электромагнитного привода, на держателях и площадках - участки управляющей цепи. С внешних боковых сторон напротив якоря расположены северный и южный полюса постоянного магнита. Магнит с токовой катушкой, неподвижный и подвижный электроды образуют электромеханический привод. В рабочем цикле якорь вначале притягивают электромагнитные, а затем окончательно - электростатические силы 2, равные 2(2) 2 2 которые осуществляют замыкание контактов и перемычки управляемой цепи. Такая последовательность несколько снижает , но оно остается высоким, т.к. электроды имеют малую площадь А, поскольку в них расположены перемычка, контакты, выводы, сокращающие площадь электродов. Силы реактивных зарядов, индуцированных высоким напряжением , совместно с повышенной инерционной массой подвижных частей и нестабильностьюзначительно замедляют отключение микрореле и увеличивают время возвращения подвижного электрода реактивными силамидержателей в исходное состояние. МЭМС микрореле с электромеханическим приводом не обеспечивает надежности функционирования СВЧ-устройств. Технической задачей полезной модели является повышение надежности функционирования электротокового микрореле как СВЧ-устройства. Решение технической задачи достигается тем, что в электротоковом микрореле, содержащем диэлектрическую прямоугольную подложку с продольными канавкой с плоским дном и боковыми выступами, диэлектрическую пластину с якорем в середине,соединенным зигзагообразными пружинными упругими держателями с площадками на концах пластины, жестко закрепленными на подложке, сформированный на внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки электромеханический привод управляющей цепи, подвижную перемычку на якоре, контакты управляемой цепи, токопроводящие дорожки, штырьки управляющей и управляемой цепей, электромеханический привод выполнен электротоковым с неподвижным меандровым участком на дне канавки и идентичным подвижным меандровым участком, зеркально расположенным на якоре, при этом начала неподвижного и подвижного меандровых участков в исходном состоянии и при прямом ходе соединены токопроводящими дорожками соответственно с переключаемым штырьком и штырьком входа управляющей цепи, а концы меандровых участков соединены между собой и со штырьком выхода этой цепи, а при обратном ходе переключаемый штырек соединен с выходом управляющей цепи, площадки пластины соединены между собой жесткими планками, размещенными на выступах подложки, контакты выполнены точечными и расположены на концах поперечной оси внутренней стороны якоря и напротив их на дне канавки, а подвижная перемычка размещена на внешней стороне якоря и электрически соединена с его контактами. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 представлено продольное сечение электротокового микрореле по его оси симметрии. На фиг. 2 представлено поперечное сечение электротокового микрореле по его оси симметрии. 3 67142010.10.30 На фиг. 3 представлен вид сверху на электротоковое микрореле. На фиг. 4 представлена электрическая схема прямого хода включенного электротокового микрореле. На фиг. 5 представлена электрическая схема обратного хода выключаемого электротокового микрореле. Электротоковое микрореле состоит из диэлектрических прямоугольных подложки 1 и пластины 2, жестко соединенных между собой металлическими штырьками 3 (фиг. 1). Подложка 1 сверху содержит продольную канавку 4 с плоским дном 5 и продольными боковыми выступами 6. Пластина 2 выполнена в виде рамки с широкими короткими сторонами-площадками 7 и длинными сторонами-планками 8. В площадках 7 и подложке 1 выполнены соосные отверстия 9, в которых размещены штырьки 3. В центре пластины 2 сформирован подвижный элемент-якорь 10, соединенный с площадками 7 зигзагообразными пружинными упругими держателями 11. Планки 8 обеспечивают стабильность геометрии держателей 11 в процессе изготовления и сборки пластины 2. На дне 5 и внутренней стороне якоря 10 сформированы идентичные, зеркально расположенные неподвижный 12 и подвижный 13 меандровые участки электротокового привода 14. Они токопроводящими дорожками и штырьками (на фиг. 1 показаны условно) соединены с управляющей цепью 15. В осевом поперечном сечении (фиг. 2) на краях внутренней стороны якоря 10 размещены подвижные точечные контакты 16, а на его внешней стороне перемычка 17, электрически соединенная с контактами 16. Неподвижные точечные контакты 18, сформированные на дне 5, расположены под подвижными контактами 16 и соединены с управляемой цепью 19. Такое расположение обеспечивает получение максимальной площади для формирования меандровых участков 12, 13. На одной из площадок 7 размещены штырек входа 20, штырек выхода 21, переключаемый штырек 22. Такое компактное расположение штырьков обеспечивает простоту соединения с управляющей цепью 15 и повышает надежность функционирования микрореле. В исходном состоянии начала неподвижного 12 и подвижного 13 меандровых участков соединены токоведущими дорожками соответственно с переключаемым штырьком 22 и штырьком входа 20 (фиг. 4). Концы обоих меандровых участков 12, 13 соединены между собой и со штырьком выхода 21. Таким образом, меандровые участки 12, 13 включены в управляющую цепь 15 и геометрически, и электрически параллельно. Электротоковое микрореле работает следующим образом. При включении в управляющую цепь по меандровым участкам 12 и 13 пойдет токв одном направлении, а далее величиной 2 уйдет через штырек выхода 21. Сила 3 притяжения меандровых участков 12, 13 в результате взаимодействия электромагнитных полей составляет 302 3,(3) 2 где- длина выпрямленного меандра- исходное расстояние между меандровыми участками 0 - магнитная постоянная- смещение якоря. Меандрообразная форма участков 12, 13 увеличивает длинуи силу их взаимодействия 3. При увеличении тока до рабочегонеподвижный 18 и подвижный 16 контакты соединяются и перемычкой 17 замыкается управляемая цепь (на фигуре не показано). Перемещение якоря 10 на расстояние у сопровождается деформацией держателей 11, в которых нарастает реактивная сила . За срабатыванием традиционных электромеханических микрореле в устройствах СВЧ мгновенно следует отключение. В предлагаемом электротоковом в этот момент изменяются электрические соединения от управляющей цепи отключаются штырек выхода 21 и переключаемый штырек 22, но последний замыкается с выходом управляющей цепи. В результате неподвижный 12 и подвижный 13 меандровые участки включаются последовательно, а токв ветвях идет в противоположных направ 4 67142010.10.30 лениях (фиг. 5). Возникшие силы отталкивания дают (вследствие малой величины (мощный пинок, превосходящий по расчетам силув 3-5 раз, обратному ходу якоря 10. Совместное действие сил 3 иуспешно преодолевает реактивную силу индуцированных зарядов, инерцию массы подвижных частей и возможное запинание неподвижного 18 и подвижного 16 контактов. Это повышает надежность срабатывания микрореле, сокращает время возврата, увеличивает его высокочастотность, причем стабилизация исходной величиныв результате повышенной жесткости пластины 2 уменьшает разброс р. Подложка 1 и пластина 2 могут быть изготовлены из диэлектрика, обладающего высокими механическими свойствами и анизотропностью структуры, например из анодного оксида алюминия, локальная электрохимическая обработка которого позволяет с прецизионной точностью получать размеры элементов различной конфигурации. Электропроводящие участки формируются методом вакуумного напыления через маски. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

МПК / Метки

МПК: H01H 59/00

Метки: микрореле, электротоковое

Код ссылки

<a href="https://by.patents.su/5-u6714-elektrotokovoe-mikrorele.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Электротоковое микрореле</a>

Похожие патенты