Электростатическое регулируемое микрореле

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Ефремов Георгий Игнатьевич Мухуров Николай Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Электростатическое регулируемое микрореле, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, на первой ступени которого размещены неподвижные контакты, а на второй ступени - неподвижный электрод, жестко соединенную с ней диэлектрическую пластину, в которой сформированы подвижный элемент - якорьразмещенными на его внутренней стороне подвижными электродом и контактами и упругие балочные держатели якоря, расположенные попарно симметрично по отношению к одной из осей пластины и под углом к этой оси, направленным вершиной у всех держателей якоря в одну сторону, отличающееся тем, что вторая ступень углубления выполнена с регулируемым дном, соединенным с подложкой упругими балочными держателями дна, а также соединенным с реверсивным электромеханическим микроприводом, при этом держатели дна торсионно соединены с подложкой и дном второй ступени углубления и расположены попарно симметрично относительно оси держателей якоря, параллельны этой оси и направлены противоположно держателям якоря, а первая ступень углубления расположена на торцах выступов, сформированных на держателях дна на расстоянии 0,350,40 их длины от места соединения с подложкой, при этом торцы удалены от якоря на 0,350,40 межэлектродного промежутка, а неподвижные контакты и неподвижный электрод размещены на торцах выступов и внутренней стороне дна соответственно.(56)2667 1, 1999.1575249 1, 1990.1403141 1, 1988.4327142 1, 1995.4113190 1, 1992.0520407 1, 1992.05002974 , 1993. Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микроэлектромеханике и может быть использовано в системах автоматики, контроля, измерительной техники для регулировки и стабилизации режимов технологических процессов. Известен микроэлектростатический переключатель 1, содержащий диэлектрическое основание, на котором размещены неподвижные управляющий электрод и контакт, и заземленный подвижный элемент из проводящего материала в виде консольной пластины,одним концом закрепленной на основании. Другой конец пластины расположен над неподвижными электродом и контактом. При подаче на электрод положительного потенциала расчетной величинымежду пластиной и электродом возникает электростатическая сила, ,2 где 08,8510-12 Ф/м - электрическая постоянная- площадь электрода, м 2- межэлектродный промежуток, м,которая преодолевает реактивную механическую силу пластины Р(2) 33 ,, где у -прогиб пластины, м- момент инерции сечения пластины, м 4- длина нависающей части пластины, м Е - модуль упругости материала пластины, Н/м 2,изгибая ее до замыкания с контактом на основании. В соотношениях (1), (2) физикогеометрические параметры каждого типоразмера данной конструкции микроэлектростатического переключателя в исходном состоянии являются постоянными величинами, поэтому управляющее напряжение включения ограничивается тоже только одним постоянным значением . Поскольку в замкнутом состоянии, согласно (1), (2), , т.к. 0,у равен исходному межэлектродному промежутку, отключение реле происходит при электрическом напряжении выкл значительно меньшем, чем напряжение включения вкл,т.е. при большой разнице напряжений, которая позволяет изменить соотношение электростатических и механических сил, обеспечив . Переключатель не обеспечивает надежность срабатывания при переменных значениях близких по величине электрических напряжений включения и выключения, что существенно сокращает его функциональные возможности. Известно микромеханическое реле с гибридным приводом 2, которое содержит диэлектрическую базовую подложку с неподвижными управляющим электродом и контактом и жестко соединенную с подложкой диэлектрическую рамку, внутри которой размещен подвижный диэлектрический плоский якорь, соединенный с рамкой упругими держателями. На стороне якоря, обращенной к подложке, расположены подвижные управляющий электрод, контакт и участки тонкопленочного пьезоматериала. При подаче на электроды разноименных потенциалови - под действием электростатических силякорь и держатели изгибаются и заряд, возникающий в деформируемом пьезослое, увеличивает силу притяжения. 2 5412 1 Реле не обеспечивает надежность срабатывания при переменных значениях близких по величине электрических напряжений включения и выключения, что существенно сокращает его функциональные возможности, т.к. у него, как и у предыдущего в соотношениях (1), (2) физико-геометрические параметры в исходном положении остаются постоянными. Наиболее близким по технической сущности является электростатическое микрореле 3, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, в котором первая ступень расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты управляемой цепи, вторая ступень расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод. На подложке жестко закреплена диэлектрическая пластина, в которой сформирован подвижный элемент-якорь и упругие балочные держатели якоря, расположенные симметрично по отношению к одной из осей пластины и под углом к этой оси,направленным вершиной у всех держателей в одну сторону. На внутренней стороне якоря размещены подвижные управляющий электрод и контакты (перемычка) управляемой цепи. При подаче на электроды заданного электрического напряженияподвижный электрод притягивается к неподвижному, и, деформируя держатели, якорь эквидистантно смещается ко второй ступени и замыкает контакты на первой ступени. Микрореле не обеспечивает надежность срабатывания при переменных значениях близких по величине электрических напряжений включения и выключения, что существенно сокращает его функциональные возможности, т.к. у него, как и у предыдущих, постоянство физико-геометрических параметров в исходном состоянии, согласно (1), (2),предопределяет его срабатывание только при одном значении напряжения вкл и отключение при выкл, величина которого намного меньше, чем вкл. Технической задачей изобретения является повышение надежности срабатывания электростатического регулируемого микрореле при переменных значениях близких по величине электрических напряжений включения и выключения и расширение его функциональных возможностей. Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом регулируемом микрореле, содержащем диэлектрическую подложку с двухступенчатым углублением, на первой ступени которого размещены неподвижные контакты, а на второй ступени неподвижный электрод, жестко соединенную с ней диэлектрическую пластину, в которой сформированы подвижный элемент - якорь с размещенными на его внутренней стороне подвижными электродом и контактами и упругие балочные держатели якоря, расположенные попарно симметрично по отношению к одной из осей пластины и под углом к этой оси, направленным вершиной у всех держателей якоря в одну сторону, вторая ступень углубления выполнена с регулируемым дном, соединенным с подложкой упругими балочными держателями дна, а также соединенным с реверсивным электромеханическим микроприводом, при этом держатели дна торсионно соединены с подложкой и дном второй ступени углубления и расположены попарно симметрично относительно оси держателей якоря, параллельны этой оси и направлены противоположно держателям якоря, а первая ступень углубления расположена на торцах выступов, сформированных на держателях дна на расстоянии 0,350,40 их длины от места соединения с подложкой, при этом торцы удалены от якоря на 0,350,40 межэлектродного промежутка, а неподвижные контакты и неподвижный электрод размещены на торцах выступов и внутренней стороне дна соответственно. Предлагаемые конструктивные особенности за счет возможности плавного изменения межэлектродного промежутка на величинув результате регулировки положения дна подложки и постоянства соотношения размеров межконтактного и межэлектродного промежутков, обусловленного высотой и расположением выступов на держателях дна, обеспечивают настройку электростатического регулируемого микрореле на надежное срабатывание 3 5412 1 при любых значениях электрического напряжения в диапазоне (0,032,80)и при минимальной разности напряжения включения и выключения микрореле, что существенно расширяет его функциональные возможности. Эти качества электростатического регулируемого микрореле особенно важны в устройствах, предназначенных для оптимизации параметров рабочих процессов, их корректировки и стабилизации, переключении режимов и т.п. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлено продольное сечение микрореле по АА, на котором 1 - подложка,2 - пластина,3 - углубление,4 - дно,5 - держатель дна,6 - выступ,7 - микропривод,8 - корпус,9 - якорь,10 - держатель якоря,11 - неподвижный электрод,12 - подвижный электрод,13 - торец,14 - неподвижный контакт,15 - подвижный контакт. На фиг. 2 представлен вид на микрореле и часть подложки сверху. Электростатическое регулируемое микрореле состоит из жестко соединенных между собой подложки 1 и пластины 2, выполненных из диэлектрического материала (фиг. 1, 2). В подложке 1 сформировано углубление 3, содержащее две ступени. Дно 4 второй ступени углубления 3 выполнено регулируемым и соединено с подложкой 1 упругими балочными держателями дна 5. Они расположены попарно симметрично одной из осей подложки 1, параллельны ей и сориентированы от мест закрепления на подложке 1 в одном направлении. Соединение держателей дна 5 с подложкой 1 и дном 4 выполнено по торсионному варианту. На держателях дна 5 сформирована первая ступень углубления в виде направленных в сторону пластины 2 выступов 6, размещенных на расстоянии 0,350,4 длины держателя дна 5 от места закрепления его на подложке 1. Дно 4 подложки 1 соединено с реверсивным электромеханическим микроприводом 7. Подложка 1 и микропривод 7 закреплены в корпусе 8. Пластина 2 содержит подвижный якорь 9, соединенный с пластиной 2 упругими балочными держателями якоря 10, расположенными попарно симметрично той же оси, что и держатели дна 5, но под углом к ней, направленным вершиной у всех держателей якоря 10 в сторону, противоположную направлению держателей дна 5. На внутренних сторонах дна 4 и якоря 9 сформированы соответственно управляющие электроды неподвижный электрод 11 и подвижный электрод 12, а на торцах 13 выступов 6 и противолежащих участках якоря 9 - неподвижные контакты 14 и подвижные контакты 15. Диэлектрические детали электростатического регулируемого микрореле могут быть выполнены из анодного оксида алюминия, интегральная технология получения и обработка которого, основанная на электрохимических операциях и использовании процессов и оборудования микроэлектронной промышленности, обеспечивает формирование планарных и объемных структур деталей с прецизионной точностью. Электропроводящие тонкопленочные элементы могут быть получены методами вакуумного напыления. Электростатическое регулируемое микрореле работает следующим образом. 5412 1 Для подготовки микрореле к работе при заданном напряжении , величина которого находится в допустимом диапазоне рабочих электрических напряжений, указанном в технической документации, с помощью реверсивного электромеханического микропривода 7 устанавливают дно 4 с неподвижным электродом 11 на необходимое межэлектродное расстояние, которое может быть меньше или больше исходного, т.е. на расстояние, при котором микрореле включается при подаче на него напряжения . Соединенные с дном 4 держатели дна 5 при перемещении дна 4 поворачиваются относительно места соединения их с подложкой 1, оставаясь прямолинейными благодаря торсионной связи их с дном 4 и подложкой 1. Торец 13 выступов 6, размещенных на держателях дна 5, также перемещается, но на расстояние в 2,92,5 раза меньше, т.к. он удален от неподвижной оси вращения держателей дна 5 на 0,350,40 их длины. В результате обеспечивается постоянство отношения расстояния между неподвижным контактом 14 и подвижным контактом 15 к величине межэлектродного промежутка, равного 0,350,40. В рабочем цикле при подаче на микрореле электрического напряжения , под действием возникающей согласно (1) электростатической силыякорь 9 начинает приближаться к дну 4 подложки 1, изгибая при этом держатели якоря 10, в которых соответственно увеличивается реактивная механическая сила Р согласно зависимости (2). Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, после прохождения якорем 9 пути,равного 0,33 межэлектродного промежутка, активная электростатическая силаначинает резко опережать возрастание реактивной силы Р держателей якоря 10 при том же напряжении вкл. В результате происходит стремительный бросок якоря 9 на расстояние(0,020,07) межэлектродного промежутка и мгновенное замыкание подвижного контакта 15 и неподвижного контакта 14. Якорь 9 ложится на выступы 6, которые ограничивают его дальнейшее движение, останавливая его на расстоянии (0,60,65) межэлектродного промежутка от неподвижного электрода 11. Якорь проходит путь, равный расстоянию в (0,350,40) межэлектродного промежутка, которое гарантирует возможность мгновенного замыкания контактов, при котором исключается искрение, получение достаточной величины контактного усилия и одновременно компенсирует возможные погрешности технологического процесса изготовления деталей. Соприкосновение выступов 6 с якорем 9 обеспечивается противоположностью направления держателей дна 5 и держателей якоря 10. При одностороннем направлении выступы 6 взаимодействовали бы с держателями якоря 10, которые проходили бы путь, не равный пути якоря 9, что привело бы к непостоянству соотношения межконтактного и межэлектродного расстояния и, следовательно, к погрешности в отношении вкл/выкл и снижению точности регулировки процесса. Замыкание управляемой цепи, обеспечивающей отслеживание динамики изменения параметра контролируемого процесса через обратную связь, обусловливает прекращение увеличения напряжения, а затем его снижение. Поскольку величина межэлектродного промежутка благодаря расположению выступов 6 осталась той же, какая была на момент включения, и силалишь незначительно превосходит силу Р, то даже малое снижение напряженияприводит к тому, что реактивные силы Р начинают превосходить электростатические силыи происходит размыкание неподвижного контакта 14 и подвижного контакта 15. В результате перепад напряженийвклвыкл в рабочем цикле мирореле существенно уменьшается от максимального 1 при у, составляющего значительную часть вкл, до минимального 2 при у(0,350,40), которое не превышает сотых долей вкл. Аналогичным образом работает микрореле в условиях изменяющейся величины управляющего электрического напряжения, например, при необходимости увеличения,выдержки, затем снижения контролируемого параметра процесса (в частности, температуры, измеряемой с помощью термопары). В этом режиме после установки исходного 5 5412 1 значения электрического напряженияреверсивный микропривод 7 по заданной программе изменяет межэлектродный промежуток, перемещая неподвижный электрод 11 и неподвижный контакт 14, сохраняя при этом высокую точность переключения микрореле. Изменение межэлектродного промежутка за счет смещения регулируемого дна 4 (при соответствующем расчете размеров держателей дна 5) в пределахобеспечит получение диапазона регулировки управляющего электрического напряжения в пределах (0,032,80) от электрического напряжения при исходной величине межэлектродного промежутка. Таким образом, в отличие от аналогов и прототипа, у которых межэлектродный промежуток сокращается до величин близких к нулю, что сопровождается увеличением электростатических сил теоретически до бесконечности и необходимостью большого снижения напряжения, для того, чтобы электростатические силыстали меньше реактивных сил держателей, т.е. чтобы получить , и произошло отключение микрореле, в предлагаемой конструкции перепад напряжений замыкания и размыкания сокращается до минимума и петля гистерезиса напряжения практически исчезает, что обеспечивает высокую точность регулировки контролируемого параметра в широком диапазоне управляющих напряжений. Отметим также, что предлагаемое электростатическое регулируемое микрореле не только конструктивно, но и принципиально отличается от прототипа и аналогов, у которых кинематически казалось бы можно менять положение подвижного электрода, используя его уже имеющуюся упругую подвеску. Однако в действительности это не приведет к желаемому результату, т.к. принудительное смещение якоря 9 в пределах 0,33 межэлектродного промежутка создаст в держателях якоря 10 реактивную силу Р, для преодоления которой потребуется прежнее рабочее напряжение. Источники информации 1. Пат США 5367136, МПК Н 03 К 17/975. 2. Заявка ФРГ 4305033, МПК 0159/00. 3. Пат. РБ 2667, МПК 0159/00. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6