Электростатический микропереключатель

(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 Котова Инна Федоровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Электростатический микропереключатель, содержащий жестко соединенные токопроводящими штырьками основание с выступами, попарно размещенными раздельно вдоль длинных сторон основания, пластину со сформированными упруго прогнутыми на величину (0,550,80) держателями и жестким якорем, расположенным на расстоянии(0,200,45) от основания, неподвижный и подвижный электроды и контакты, размещенные, соответственно, на внутренней поверхности основания и якоре и разделенные рабочим межэлектродным расстояниеми межконтактным расстоянием к, меньшим исходного межэлектродного расстояния , фиксатор, на внутренней стороне которого по всей его ширине предусмотрены два контактирующих с якорем в местах его соединения с упругими держателями упора одинаковой высоты, при этом основание, пластина и фиксатор выполнены прямоугольными, из диэлектрика, отличающийся тем, что жесткое соединение 11940 1 2009.06.30 выполнено двумя периферийными токопроводящими штырьками между упорами фиксатора введены три токопроводящих штырька, первый и второй из которых выполнены с возможностью соединения основания и пластины при этом эти два токопроводящих штырька и ближний к ним периферийный соединены с токопроводящими дорожками металлизированными консольными лепестками, расположенными в якоре параллельно его длинной оси, упругими в плоскости якоря и жесткими в перпендикулярной плоскости и обеспечивающими сжатие размещенных между ними токопроводящих штырьков за счет пазов в якоре держатели выполнены консольными и соединены с якорем двумя симметричными относительно осей держателя упругими торсионами а на периферийных токопроводящих штырьках, в местах взаимодействия с держателями, сформированы кольцевые упоры на расстоянииот основания держатели направлены в противоположные стороны и расположены симметрично относительно короткой оси фиксатора а на упоре фиксатора, расположенном со стороны первого токопроводящего штырька, выполнена токопроводящая перемычка, соединенная со сформированными напротив на плоскости якоря токопроводящими участками, разделенными сквозной щелью, образуя нормально замкнутый контакт, механически отделенный от якоря сквозными пазами со стороны упора с токопроводящей перемычкой на основании на стороне, перпендикулярной его длинной оси, между выступами сформирована ступенька высотой 3-5 мкм а над торцом третьего токопроводящего штырька, выступающим над плоскостью основания на высоту, равную высоте ступеньки, на якоре сформирован подвижный контакт, образуя с неподвижным торцом нормально разомкнутый контакт отверстия в основании для токопроводящих штырьков расположены на длинной оси основания а высота упоров фиксатора 1-- (0,200,45), где- высота выступов основания- толщина пластины. Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может использоваться в системах управления, коммутирования, связи, регулировки, переключения. Известен микромеханический переключатель 1, в котором над жестким основанием с неподвижными электродом и контактной площадкой параллельно расположена пластина, содержащая балочные держатели и якорь с подвижными электродом и контактной площадкой. Промежуток между электродами образует рабочее межэлектродное расстояние , контактные площадки образуют нормально разомкнутыйконтакт с межконтактным расстоянием к. Микромеханический переключатель имеет ограниченные коммутационные возможности и не может выполнять переключение управляемых цепей. Наиболее близким по технической сущности является электростатическое микрореле 2, содержащее жестко соединенные штырьками диэлектрические основание, пластину и фиксатор. На верхней плоскости основания предусмотрены выступы высотой, равной расчетному исходному межэлектродному расстоянию . На выступах расположены жесткие опорные площадки пластины, соединенные с жестким якорем упругими балочными держателями. На опорных площадках размещен фиксатор, соединенный с пластиной и основанием штырьками. Нижняя плоскость фиксатора содержит упоры одинаковой высоты(0,55-0,80), размещенные в местах соединения балочных держателей с якорем. Эти упоры при сборке деформируют балочные держатели, создавая в них реактивную силу Р, и смещают якорь к основанию, формируя рабочее межэлектродное расстояние-(0,200,45). На внутренних сторонах основания и якоря выполнены соответственно неподвижный и подвижный электроды, расположенные друг против друга, а также контактные площадкиконтактов с межконтактным расстоянием к. Электроды и контактные площадки отдельными изолированными токопроводящими дорожками,проходящими по выступам основания, якорю, его держателям и опорным площадкам, соединены со штырьками. 2 11940 1 2009.06.30 Электростатическое микрореле имеет ограниченные коммутационные возможности и не может выполнять переключение управляемых цепей. Технической задачей изобретения является расширение коммутационных возможностей электростатического микропереключателя за счет переключения управляемых цепей. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микропереключателе, содержащем жестко соединенные токопроводящими штырьками основание с выступами, попарно размещенными раздельно вдоль длинных сторон основания, пластину со сформированными упруго прогнутыми на величину (0,55-0,80) держателями и жестким якорем, расположенным на расстоянии(0,20-0,45) от основания, неподвижный и подвижный электроды и контакты, размещенные, соответственно, на внутренней поверхности основания и якоре и разделенные рабочим межэлектродным расстояниеми межконтактным расстоянием к, меньшим исходного межэлектродного расстояния , фиксатор, на внутренней стороне которого по всей его ширине предусмотрены два контактирующих с якорем в местах его соединения с упругими держателями упора одинаковой высоты, при этом основание, пластина и фиксатор выполнены прямоугольными, из диэлектрика, жесткое соединение выполнено двумя периферийными токопроводящими штырьками между упорами фиксатора введены три токопроводящих штырька, первый и второй из которых выполнены с возможностью соединения основания и пластины, при этом эти два токопроводящих штырька и ближний к ним периферийный соединены с токопроводящими дорожками металлизированными консольными лепестками, расположенными в якоре параллельно его длинной оси, упругими в плоскости якоря и жесткими в перпендикулярной плоскости и обеспечивающими сжатие размещенных между ними токопроводящих штырьков за счет пазов в якоре держатели выполнены консольными и соединены с якорем двумя симметричными относительно осей держателя упругими торсионами а на периферийных токопроводящих штырьках, в местах взаимодействия с держателями, сформированы кольцевые упоры на расстоянииот основания держатели направлены в противоположные стороны и расположены симметрично относительно короткой оси фиксатора а на упоре фиксатора, расположенном со стороны первого токопроводящего штырька, выполнена токопроводящая перемычка, соединенная со сформированными напротив на плоскости якоря токопроводящими участками, разделенными сквозной щелью, образуя нормально замкнутый контакт, механически отделенный от якоря сквозными пазами со стороны упора с токопроводящей перемычкой на основании на стороне, перпендикулярной его длинной оси, между выступами сформирована ступенька высотой 3-5 мкм а над торцом третьего токопроводящего штырька, выступающим над плоскостью основания на высоту, равную высоте ступеньки, на якоре сформирован подвижный контакт,образуя с неподвижным торцом нормально разомкнутый контакт отверстия в основании для токопроводящих штырьков расположены на длинной оси основания, а высота упоров фиксатора Н 1 Н- (0,200,45), где Н - высота выступов основания,- толщина пластины. Совокупность указанных признаков обеспечивает расширение коммутационных возможностей за счет переключения управляемых электрических цепей. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлено поперечное сечение электростатического микропереключателя, на котором 1 - основание,2 - пластина,3 - фиксатор,4 - выступ,5 - отверстие,6 - периферийный токопроводящий штырек,7 - первый, второй токопроводящие штырьки,3 11940 1 2009.06.30 8 - ступенька,9 - якорь,10 - консольный лепесток,11 - держатель,12 - торсион,13 - упор,14 - кольцевой упор,15 - третий токопроводящий штырек,16 -контакт,17 - неподвижный электрод,18 - подвижный электрод,19 - щель,20 - НЗ контакт,21 - токопроводящая перемычка,22 - паз,23 - токопроводящая дорожка. На фиг. 2 представлен вид сверху на электростатический микропереключатель со снятым фиксатором 3 и схема выводов управления и коммутации а) включение электрического напряжения в управляющей цепи, б) управляемая цепь коммутации нормально разомкнутая, в) управляемая цепь коммутации нормально замкнутая. Электростатический микропереключатель содержит прямоугольные основание 1, пластину 2, фиксатор 3, выполненные из диэлектрического материала (фиг. 1, 2). На основании 1 сформированы выступы 4 высотой , обеспечивающей свободное размещение всех внутренних элементов микропереключателя, отверстия 5 для периферийных токопроводящих штырьков 6 и первого, второго токопроводящих штырьков 7, расположенные на длинной оси основания 1, ступенька 8 высотой 35 мкм между двумя выступами 4 на одной из перпендикулярных длинной оси основания 1 сторон. В пластине 2 толщинойсформирован плоский жесткий якорь 9 с консольными лепестками 10 и держателями 11. Консольные лепестки 10 выполнены в виде двух расположенных в плоскости якоря 9 металлизированных параллельных консолей прямоугольного сечения с одним концом, закрепленным в якоре 9, и свободными другими концами. В плоскости якоря 9 консольные лепестки 10 обладают упругостью, в перпендикулярной плоскости выполнены жесткими. Эти соотношения обеспечиваются выбором моментов инерции поперечного сечения консольных лепестков 10. Держатели 11 также сформированы консольными. Они расположены в плоскости якоря 9, содержат аналогичные консольные лепестки 10 и соединяются с якорем 9 симметричными относительно осей якоря 9 упругими торсионами 12. На внутренней стороне фиксатора 3 сформировано два упора 13 высотой 1-- (0,200,45),расположенные напротив мест соединения якоря 9 с держателями 11. В отверстия 5 по плотной посадке вставлены периферийные токопроводящие штырьки 6 и первый, второй токопроводящие штырьки 7 с заостренными концами. Периферийные токопроводящие штырьки 6, контактирующие с держателями 11, выполнены ступенчатыми с уменьшенным диаметром верхней части и содержат кольцевой упор 14, расположенный на расстоянииот основания 1. Третий токопроводящий штырек 14, входящий в управляемую цепь сконтактом 16, выполнен с плоским торцом. Он вставлен в отверстие 5, размещенное у стороны основания 1, противоположной стороне со ступенькой 8, при этом длина выступающего участка третьего токопроводящего штырька 15 равна высоте ступеньки 8. На внутренние относительно друг друга стороны основания 1 и якоря 9 нанесены соответственно неподвижный 17 и подвижный 18 электроды цепи управления. На верхней стороне якоря 9 и частично на нижней сформированы токопроводящие дорожки 23, металлизированные покрытия выполнены на всех сторонах консольных лепестков 10, держателей 11,торсионов 12. На упоре 13, расположенном над прерывающим цепь НЗ контакта 20 щелью 19 4 11940 1 2009.06.30 в якоре 9, размещена токопроводящая перемычка 21. Держатели 11 и консольные лепестки 10 отделены от пластины 2 сквозными пазами 22. При сборке на первый, второй токопроводящие штырьки 7, вставленные в отверстия 5 основания 1, надевается пластина 2 и смещается до кольцевых упоров 14. Первый, второй токопроводящие штырьки 7 входят в консольные лепестки 10, раздвигая заостренными концами консольные лепестки 10, которые, прогибаясь в плоскости якоря 9, создают контактное усилие Р. Требуемая величина усилия Р обеспечивается расчетом габаритных размеров консольных лепестков 10 с учетом стандартного запаса прочности по механическим напряжениям и не зависит от величины электростатической силы . Затем на периферийные токопроводящие штырьки 6 с кольцевыми упорами 14 насаживается фиксатор 3, упорами 13 опускается якорь 9 на (0,550,80) до рабочего межэлектродного расстояния(0,200,45) и токопроводящей перемычкой 21 замыкает прерванную щелью 19 цепь НЗ контакта 20. При этом консольные лепестки 10 легко проскальзывают по цилиндрическим периферийным токопроводящим штырькам 6, т.к. коэффициент трения в паре периферийный токопроводящий штырек 6 - консольный лепесток 10, благодаря малой шероховатости их поверхностей, не превышает 0,01, что исключает разрушение консольных лепестков 10 при сборке. Свободные концы держателей 11 остаются на кольцевых упорах 14, а перемещение концов, соединенных с якорем 9, осуществляется за счет деформирования упругих торсионов 12. Прогиб у держателей 11 составляет (0,550,80). Собранный электростатический микропереключатель содержит управляющую цепь а) периферийный токопроводящий штырек 6, консольный лепесток 10, токопроводящая дорожка 23 на держателе 11 и торсионах 12, подвижный электрод 18 - неподвижный электрод 17, второй периферийный токопроводящий штырек 6 управляемую цепь б) второй токопроводящий штырек 7, консольный лепесток 10,токопроводящая дорожка 23 на внутренней стороне якоря 9 -контакт 16, третий токопроводящий штырек 15 НЗ управляемую цепь в) первый токопроводящий штырек 7, консольный лепесток 10 токопроводящая дорожка 23 на наружной стороне якоря 9 - НЗ контакт 20 с токопроводящей перемычкой 21, консольный лепесток 10, второй токопроводящий штырек 7. Основание 1, пластина 2, фиксатор 3 могут быть изготовлены, например, из керамического шликера методами литья и обжига, из анодного оксида алюминия путем последовательной электрохимической локальной обработки, штамповкой пластичного металла с последующим созданием на его поверхности диэлектрического слоя. Возможно также комбинирование этих вариантов. Токопроводящие элементы могут быть сформированы распылением металлов в вакууме через маски. Электростатический микропереключатель функционирует следующим образом. При подаче нарастающего управляющего напряженияразноименного знака в управляющую цепь между неподвижным 17 и подвижным 18 электродами возникает электростатическая сила притяжения . Якорь 9 остается неподвижным до тех пор, пока силане превысит суммарную реактивную силу Р деформированных при сборке держателей 11. Это соотношение будет достигнуто при напряжении срабатывания р где- количество держателей,- модуль сдвига, к - момент инерции при кручении,длина держателя,- длина торсиона. Далее наступает явление коллапса, т.е. неуправляемое мгновенное перемещение якоря 9 в сторону основания 1 под действием электростатических сил , превосходящих реактивные силы Р держателей 11. Также моментально происходит размыкание НЗ контакта 20 в результате отделения якоря 9 с токопроводящей дорожкой 23 на верхней стороне от упора 13 с токопроводящей перемычкой 21 и замыка 5 11940 1 2009.06.30 ниеконтакта 16 в результате остановки якоря 9 с токопроводящей дорожкой 23 на внутренней стороне торцом третьего токопроводящего штырька 15. Таким образом происходит переключение управляемых цепей. В крайнем рабочем положении якорь 9 опирается на равновысокие ступеньку 8 и торец третьего токопроводящего штырька 15,оставаясь параллельным неподвижному электроду 17 при межэлектродном расстоянии,равном от 3 до 5 мкм, которое одновременно обеспечивает высокое контактное усилие вконтакте 16 и исключает возможность короткого замыкания и искрения контактов. Стабильность положения якоря 9 в этом состоянии обеспечивается трехточечной схемой расположения опор и удалением третьего токопроводящего штырька 15 от ступеньки 8. Последнее существенно повышает контактное усилие вконтакте 16. При отключении электрического напряжения возросшая при дополнительном деформировании держателей 11 в процессе рабочего перемещения якоря 9 реактивная сила Р,возвращая якорь 9 в исходное состояние, размыкаетконтакт 16 и токопроводящей перемычкой 21 замыкает НЗ контакт 20. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.