Электростатическое микрореле

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Электростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, на первой ступени которого размещены контакты управляемой цепи, а на второй ступени - неподвижный электрод цепи управления, и закрепленную на диэлектрической подложке со стороны двухступенчатого углубления диэлектрическую пластину со сформированными в ней упругими балочными держателями и подвижным упругим якорем, на внутренней стороне которого над контактами управляемой цепи расположены контактные перемычки с размещенным между ними подвижным электродом цепи управления, отличающееся тем, что первая ступень углубления выполнена в виде замкнутого прямоугольного контура и на ней под упругими балочными держателями сформированы опоры с наклонной стороной, расположенной перпендикулярно упругим балочным держателям, причем между держателями и опорами предусмотрен зазор, а на боковых сторонах якоря, перпендикулярных контактным перемычкам, выполнены расположенные над первой ступенью углубления упругие выступы, расстояние между которыми меньше ширины второй ступени углубления. 2. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что наклонная сторона опор расположена под серединой длины держателей, а зазор между держателями и опорами составляет 0,3 межэлектродного расстояния.(56)2667 1, 1999.1575249 1, 1990.1403141 1, 1988.4327142 1, 1995.4008832 1, 1991.4113190 1, 1992.0520407 1, 1992.05002974 , 1993.03112032 , 1991. Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике и может быть использовано, например, в системах автоматики, контроля, измерительной технике. Известно микромеханическое электростатическое микрореле 1, содержащее диэлектрические базовую подложку и закрепленную на ней пластину. В базовой подложке сформировано углубление, в котором размещены неподвижные управляющий электрод и контакт управляемой цепи. В пластине выполнены сквозные пазы, образующие консольный упругий якорь, на стороне которого, обращенной к базовой подложке, расположены подвижные управляющий электрод и контакт управляемой цепи. Срабатывание микрореле происходит при подаче напряжения , создающем такую электростатическую силу ,которая на всем межэлектродном расстояниипревосходит реактивную механическую силу якоря Р. При известных зависимостяхи Р 1 такое требование выполняется, если в точке /3 соотношение сил равно или больше 1. В замкнутом состояниизначительно превышает силу реакции якоря и необходимую для замыкания цепи величину контактного давления Рк. При отключении источника питания управляющей цепи реактивные силы якоря должны преодолеть инерцию массы якоря, возможное в результате искрения в процессе замыкания и размыкания управляемой цепи залипание контактов и быстро вернуть якорь в исходное положение. При невысоких частотах переключения якорь успешно справляется с этой задачей, но в высокочастотном режиме он не успевает ее выполнить. Увеличивать же его жесткость, чтобы получить больше реактивную силу Р 1 и увеличить скорость возврата якоря нельзя, т.к. это повлечет за собой необходимость увеличения силы 1 и, следовательно, рабочего напряжения 1, что в большинстве электрических систем недопустимо. Данное микрореле не может работать в высокочастотном режиме при низких значениях управляющего напряжения. Известен чувствительный элемент 2, реагирующий на изменение силы, выполненный в виде плоской квадратной рамки, внутри которой сформирован квадратный подвижный элемент, стороны которого повернуты на заданный угол по отношению к сторонам рамки. Подвижный элемент связан с рамкой четырьмя Г-образными держателями, которые выходят под прямым углом из стенок рамки, а затем изгибаются под тупым углом и соединяются со стороной подвижного элемента. Все части устройства выполнены из единой пластины монокристаллического полупроводникового материала, но держатели формируются толщиной меньшей, чем рамка и подвижный элемент, имеющие равную толщину. В этой конструкции функции компонента, воспринимающего активную силу ,и компонента, в котором создаются реактивные силы возврата, разделены между подвижным элементом и держателями. Это создает некоторые условия для оптимизации соотношения рабочего напряжения и частотного режима, но принципиально задачи не решает,т.к. функциональные зависимостии Р 1 остаются прежними, как в предыдущем аналоге. 5411 1 Данный чувствительный элемент не может работать в высокочастотном режиме при низких значениях управляющего напряжения. Наиболее близким по технической сущности является электростатическое микрореле 3, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением и закрепленную на ней диэлектрическую пластину, в которой сформированы упругие балочные держатели и упругий подвижный элемент - якорь. В двухступенчатом углублении подложки первая ступень расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены контакты управляемой цепи, вторая ступень расположена между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод. На стороне якоря, обращенной к углублению, нанесены подвижные электрод и контактные перемычки. Якорь выполнен упругим за счет уменьшения его толщины, определяемой из соотношения его длины, высоты второй ступени и рабочего напряжения. Упругость якоря обеспечивает замыкание всех контактов, а снижение толщины уменьшает его инерционность. В этом микрореле, также как и в предыдущем, держатели выполняют роль только упругих элементов и выбор их геометрических параметров не зависит от размеров якоря. Но и в этой конструкции необходимость обеспечения срабатывания микрореле при низких значениях управляющего напряжения вынуждает формировать держатели малой жесткости,т.е. с незначительной реактивной силой, что, несмотря на сниженную инерционность якоря, ограничивает использование микрореле в высокочастотных электрических системах. Микрореле не может работать в высокочастотном режиме при низких значениях управляющего напряжения. Технической задачей изобретения является повышение рабочих частот микрореле при низких значениях управляющего напряжения. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрореле, содержащем диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, на первой ступени которого размещены контакты управляемой цепи, а на второй ступени - неподвижный электрод цепи управления, и закрепленную на диэлектрической подложке со стороны двухступенчатого углубления диэлектрическую пластину со сформированными в ней упругими балочными держателями и подвижным упругим якорем, на внутренней стороне которого над контактами управляемой цепи расположены контактные перемычки с размещенным между ними подвижным электродом цепи управления, первая ступень углубления выполнена в виде замкнутого прямоугольного контура и на ней под упругими балочными держателями сформированы опоры с наклонной стороной, расположенной перпендикулярно упругим балочным держателям, причем между держателями и опорами предусмотрен зазор, а на боковых сторонах якоря, перпендикулярных контактным перемычкам, выполнены расположенные над первой ступенью углубления упругие выступы, расстояние между которыми меньше ширины второй ступени углубления. Оптимальный эффект в электростатическом микрореле достигается при расположении наклонной стороны опор под серединой длины держателя и зазором между держателями и опорами, составляющим 0,3 межэлектродного расстояния. Предлагаемая конструкция электростатического микрореле создает в замкнутом состоянии повышенную жесткость держателей и дополнительные реактивные силы за счет выступов, устраняет коробление якоря, что обеспечивает при низком рабочем напряжении повышение допустимой частоты переключения микрореле при высокой стабильности электромеханических параметров и долговечности. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлено продольное сечение АА микрореле с видом на выступ, на котором 1 - подложка,2 - пластина,3 - двухступенчатое углубление,3 5411 1 4 - первая ступень углубления,5 - вторая ступень углубления,6 - держатель,7 - якорь,8 - выступ,9 - опора,10 - наклонная сторона опоры,11 - зазор,12 - контакт,13 - неподвижный электрод,14 - контактная перемычка,15 - подвижный электрод,16 - боковая сторона якоря. На фиг. 2 представлен вид на микрореле сверху, с видом на контакт. Электростатическое микрореле (фиг. 1, 2) содержит выполненные из диэлектрика подложку 1 и пластину 2, жестко соединенные между собой. В подложке 1 сформировано двухступенчатое углубление 3, причем первая ступень углубления 4 выполнена в виде прямоугольного замкнутого контура, а вторая ступень углубления 5 расположена внутри первой ступени. В пластине 2 сформированы упругие балочные держатели 6, якорь 7 и выступы 8, при этом ширина якоря 7 между выступами 8 выполнена меньше ширины второй ступени углубления 5. Якорь 7 и выступы 8 выполнены упругими. Под участками держателей 6, примыкающими к пластине 2, расположены опоры 9, сформированные на первой ступени углубления 4. Опоры 9 содержат наклонные стороны опоры 10, которые расположены перпендикулярно держателям 6. Между опорами 9 и держателями 6 предусмотрен зазор 11, равный . На противоположных сторонах первой ступени углубления 4 расположены контакты 12 управляемой цепи, на второй ступени углубления 5 размещен неподвижный электрод 13 цепи управления. На внутренней стороне якоря 7 напротив контактов 12 расположены контактные перемычки 14, а между ними размещен подвижный электрод 15 цепи управления. Выступы 8 расположены на боковых сторонах якоря 16, перпендикулярных контактным перемычкам 14. Они нависают над сторонами первой ступени углубления 4, не содержащими контакты 12. Наклонные стороны опор 10, расположенные перпендикулярно держателям 6, могут размещаться под различными точками держателей 6, также как зазорможет быть различной величины, но оптимальный эффект предлагаемой конструкции достигается при расположении наклонной стороны опоры 10 под серединой длины держателя и зазоре 0,3. Электростатическое микрореле работает следующим образом. При подаче достаточного по величине управляющего напряжениямежду подвижным электродом 15 и неподвижным электродом 13 электростатические силыначинают приближать якорь 7 ко второй ступени углубления 5, на которой расположен неподвижный электрод 13. Величина электростатических силобратно пропорциональна квадрату межэлектродного расстояния 20,(1) 2 2 где 0 - электрическая постоянная, Ф/м- площадь электрода, м 2 у - перемещение якоря, м. В изгибаемых держателях 6 возникают и нарастают прямо пропорционально увеличению их прогиба реактивные силы,(2) 3 где Е - модуль упругости, Н/м 2- момент инерции, м 4- длина держателя, м. Когда держатель 6 коснется опоры 9, изгибаемая часть его длиныуменьшится, т.е.,согласно (2), возрастет жесткость держателей 6 и интенсивность увеличения реактивной силы Р 3 при дальнейшем уменьшении межэлектродного расстояния повысится. Это увеличение сопротивления при том же рабочем напряжении 4 будет преодолено электростатическими силами , которые, согласно (1), при малых значениях (-) возрастают еще быстрее. Далее держатель 6 перегибается через наклонную сторону опоры 10, оставаясь в той же плоскости деформации, т.к. эта сторона расположена перпендикулярно держателю.(Положение держателя 6 в замкнутом состоянии показано штриховой линией на фиг. 1). В результате обеспечивается сохранение плоскостности якоря, несмотря на изменение условий деформации держателей. При замыкании якорь 7 ложится контактными перемычками 14 на контакты 12 и замыкает управляемую цепь. Глубина второй ступениимеет относительно малую величину, поэтому соотношение сил ,и Рк практически незначительно отличается от того,которое было бы при размещении контактов на одном уровне с неподвижным электродом. Выступы 8 якоря 7 опираются на первую ступень углубления 4. Поскольку ширина якоря 7 меньше ширины второй ступени углубления 5, то под действием электростатических силон вследствие своей упругости немного при этом еще прогибается в сторону неподвижного электрода 13, что сопровождается изгибом выступов 8 и появлением в них дополнительных реактивных сил. При отключении напряжения держатели 6, обладающие благодаря опорам 9 повышенной реактивной силой, вначале совместно с деформированными выступами 8 мгновенно преодолевают инерционность якоря 7 и возможное залипание контактов, а затем уже одни держатели 6 с повышенной скоростью возвращают якорь 7 в исходное положение. Наибольший эффект предлагаемая конструкция обеспечивает при зазоре 0,3 и расположении наклонной стороны опоры 10 под серединой держателей 6. В этом случае зависимость 1 максимально сдвигается к зависимости, но не пересекает ее,т.е. в любой точкеостается выполненным требование . Такое положение 1 обеспечивает максимальную величину Р в замкнутом состоянии микрореле. При указанных соотношениях, если середина держателей 6 прошла путь 0,3 , то якорь 7, по проведенным расчетам, сместится на/2 и реактивная сила 2 в этой точке составит 1 2,(3) 2 где Р - реактивная сила держателя 6 в конструкциях микрореле без опор 9 при прогибе. При дальнейшем смещении якоря 7 от/2 до у(без учета из-за малой по величине высоты второй ступени углубления ) реактивная сила увеличивается на 16 3.(4) 7 В итоге при замыкании реактивная сила держателей 6 составит 39 423,14 т.е. в 2,8 раза превысит реактивную силу держателей в аналогах и прототипе, не содержащих дополнительных опор. При 0,3 реактивная сила держателей 6 уменьшится, при 0,3 напряжения в держателе резко возрастут. т.е. время возврата сокращается в 1,7 раза, что позволяет повысить частоту переключения микрореле. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6