Электростатическое микрореле

(51) МПК 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) Электростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую прямоугольную подложку с продольной канавкой с плоским дном и боковыми выступами, соединенную с ними штырьками, диэлектрическую пластину в виде рамки с жесткими планками, размещенными на выступах подложки, и площадками на коротких сторонах, в середине которой сформирован якорь, соединенный с площадками зигзагообразными пружинными держателями, размещенный на внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки электромеханический привод управляющей цепи, точечные контакты управляемой цепи, подвижные на концах поперечной оси внутренней стороны якоря и неподвижные напротив них на дне канавки, подвижную перемычку на внешней стороне якоря, электрически соединенную с его контактами, токопроводящие дорожки, отличающееся тем, что электромеханический привод выполнен электростатическим с подвижным электродом на внутренней стороне якоря и идентичным неподвижным электродом, размещенным зеркально под ним на дне канавки, в одной из площадок и соответствующем конце подложки закреплены штырьки подвижного и неподвижного электродов, при этом подвижный электрод электрически постоянно через штырек подвижного электрода соединен с одним выводом управляющей цепи, а неподвижный электрод через штырек неподвижного электрода при прямом ходе соединен с другим выводом управляющей цепи, при обратном замкнут со штырьком подвижного электрода, обеспечивая изменение разноименных зарядов на электродах (притяжение) на одноименные (отталкивание).(56) 1.Е.К.,, //.-., , .1997. - . 1511-1514. 2. Патент РБ 6714. 3. Кухлинг . 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 сформирован 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 Р,притягивает якорь. Изменение электростатической силы 1 с изменением напряженияи смещением якоря у в электростатическом актюаторе связано соотношением (1)02 где 1 - расстояние между якорем и слоем диэлектрика,2 - толщина диэлектрического слоя, - площадь электродов,0 - электрическая постоянная, - относительная диэлектрическая проницаемость. Изменение величины межэлектродной емкости, момент замыкания контактов фиксируются управляемой схемой. Погрешность размеров, формы и сборки -образных держателей оказывают существенное влияние на разброс размера 1 и, следовательно, на величину рабочего напряжения . При малых значениях 1 и большихв диэлектрических элементах переключателя, в частности, в слое диэлектрика, индуцируются значительные реактивные заряды, силы которых, противодействуя реактивным силам держателей, при отключении тормозят возврат якоря в исходное положение. В результате время отключения существенно превышает время включения, а р имеет разброс. Микромашинный переключатель имеет ограниченные возможности функционирования в СВЧ технике. Наиболее близким по технической сущности является электротоковое микрореле, содержащее диэлектрическую прямоугольную подложку, на верхней стороне которой выполнена продольная канавка с плоским дном и продольные боковые выступы. На выступах закреплена пластина в виде рамки с широкими площадками на коротких сторонах и узкими планками на длинных. В центре пластины расположены якорь, соединенный с площадками двумя симметричными зигзагообразными пружинными упругими держателями. На внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки сформирован электротоковый привод, состоящий из неподвижного и подвижного меандровых участков управляющей сети. На концах поперечной оси внутренней стороны якоря и напротив на дне канавки выполнены точечные контакты управляемой цепи. На внешней стороне якоря размещена 2 72902011.06.30 подвижная перемычка, электрически соединенная с контактами. В микрореле предусмотрены токопроводящие дорожки, штырьки управляющей и управляемой цепей. В исходном состоянии меандровые участки электрически включены параллельно. При включении электротокового привода в управляющую цепь по меандровым участкам пойдет токв одном направлении. В результате возникновения электромагнитных полей и их взаимодействия возникает электромагнитная сила притяжения якоря 202 2,(2) 2 где 0 - магнитная постоянная, - длина выпрямленного меандрового участка, - исходное расстояние между меандровыми участками, - смещение якоря. При увеличении токадо рабочего значения р соединение меандровых участков переключается на последовательное, электромагнитные силы 2 преобразовываются в отталкивающие. Действуя совместно с реактивными силами держателей они ускоренно возвращают якорь в исходное положение. При повышенных значенияхтокопроводящие дорожки, выполняемые в микротехнике с микронными сечениями, перегорают от высокой удельной плотности тока. Электротоковые микрореле в СВЧ-технике имеют ограниченные функциональные возможности. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрореле,содержащем диэлектрическую прямоугольную подложку с продольной канавкой с плоским дном и боковыми выступами, соединенную с ними штырьками диэлектрическую пластину в виде рамки с жесткими планками, размещенными на выступах подложки, и площадками на коротких сторонах, в середине которой сформирован якорь, соединенный с площадками зигзагообразными пружинными держателями, размещенный на внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки электромеханический привод управляющей цепи,точечные контакты управляемой цепи, подвижные на концах поперечной оси внутренней стороны якоря и неподвижные напротив них на дне канавки, подвижную перемычку на внешней стороне якоря, электрически соединенную с его контактами, токопроводящие дорожки, электромеханический привод выполнен электростатическим с подвижным электродом на внутренней стороне якоря и идентичным неподвижным электродом, размещенным зеркально под ним на дне канавки, в одной из площадок и соответствующем конце подложки закреплены штырьки подвижного и неподвижного электродов, при этом подвижный электрод электрически постоянно через штырек подвижного электрода соединен с одним выводом управляющей цепи, а неподвижный электрод через штырек неподвижного электрода при прямом ходе соединен с другим выводом управляющей цепи, при обратном замкнут со штырьком подвижного электрода, обеспечивая изменение разноименных зарядов на электродах (притяжение) на одноименные (отталкивание). Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 представлено продольное сечение электростатического микрореле по его оси симметрии, на котором 1 - подложка,2 - пластина,3 - штырек,4 - канавка,5 - дно,6 - выступ,7 - площадка,3 72902011.06.30 8 - планка,9 - отверстие,10 - якорь,11 - держатель,12 - неподвижный электрод,13 - подвижный электрод,14 - электростатический привод,15 - управляющая цепь. На фиг. 2 представлено поперечное сечение электростатического микрореле по его оси симметрии, где 16 - подвижный контакт,17 - перемычка,18 - неподвижный контакт,19 - управляемая цепь. На фиг. 3 представлен вид сверху на электростатическое микрореле, где 20 - штырек подвижного электрода. 21 - штырек неподвижного электрода. На фиг. 4 представлена электрическая схема прямого хода включенного электростатического микрореле, где 22 - электропроводящая дорожка,23 - вывод,п - притягивающая электростатическая сила прямого хода. На фиг. 5 представлена электрическая схема обратного хода выключаемого электростатического микрореле, где- отталкивающая электростатическая сила обратного хода электрода. Электростатическое микрореле состоит из диэлектрических прямоугольных подложки 1 и пластины 2, жестко соединенных между собой металлическими штырьками 3 (фиг. 1, 3). 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 электроды электростатического привода 14, которые электропроводящими дорожками (на фиг. 1 показаны условно) соединены с управляющей цепью 15. В осевом поперечном сечении (фиг. 2) на краях внутренней стороны поперечной оси якоря 10 размещены точечные подвижные контакты 16, а на его внешней стороне - перемычка 17,электрически соединенная с контактами 16. Точечные неподвижные контакты 18, сформированные на дне 5, расположены под подвижными контактами 16 и соединены с управляемой цепью 19. Такое расположение обеспечивает получение максимальной площади электродов 12, 13. В одной из площадок 7 и соответствующем конце подложки 1 закреплены штырьки 20 подвижного и 21 неподвижного электродов, осуществляющие коммутационную связь с электродами 12, 13 через электропроводящие дорожки 22. Электростатическое микрореле работает следующим образом. При прямом ходе после подключения микрореле к разноименным выводам 23 управляющей цепи 15 на неподвижном электроде 12 и на подвижном электроде 13 электростатического привода 14 напряжением создаются заряды разноименного знака. Между электродами возникает и нарастает сила притяжения п (фиг. 4), под действием которой якорь 10, деформируя держатели 11, приближается к дну 5 4 где 0 - электрическая постоянная, - площадь электродов, - напряжение, - исходное межэлектродное расстояние, - смещение якоря. Конечное положение подвижного электрода 13 ограничивается высотой неподвижного контакта 18, исключающего короткое замыкание между неподвижным 12 и подвижным 13 электродами. Принеподвижный 18 и подвижный 16 контакты соединяются и через перемычку 17 замыкают управляемую цепь 19. Перегорание электропроводящих дорожек исключено, т.к. в электростатических приводах электрическая схема разомкнута и в ней ток практически нулевой. Одновременно мгновенно микросхема в управляющей цепи 15 переключает штырек 21 неподвижного электрода 12 (фиг. 5) на соединение со штырьком 20 подвижного электрода 13. Электроды электростатического привода 14 через выводы 23 перезаряжаются на одноименный заряд. Сила отталкиваниядает мощный толчок подвижным элементам, помогая реактивным силам держателей 11 при стабилизированном значениипреодолеть инерцию масс, залипание контактов 16-18, реактивные силы индуцированных зарядов. В результате расширяются функциональные возможности электростатического микрореле в диапазоне СВЧ, т.к. он может использоваться в устройствах и малой, и большой мощности. 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.