Механоэлектрический торсионный микропереключатель

(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 Жвавый Сергей Павлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Механоэлектрический торсионный микропереключатель, содержащий актюатор, диэлектрические прямоугольные основание и якорь с торсионами на его короткой оси симметрии, два неподвижных изолированных один от другого электрода на дне основания и подвижный электрод на якоре, образующие исходное межэлектродное расстояние , подвижный и неподвижный контакт нормально разомкнутых контактов под концом якоря и на основании, токопроводящие дорожки, отличающийся тем, что актюатор выполнен механоэлектрическим, состоящим из основания с пазом и продольными выступами высотой(1030)106 м, наклонного якоря, частично расположенного нижним концом с нормально разомкнутым контактом в пазе и с упруго деформированными торсионами с пластинами на их внешних концах, и регулируемым вдоль оси якоря фиксатором, электрически контактирующим с якорем, создавая нормально замкнутый контакт, установленный над нижним концом якоря и выполненный П-образной формы с упорами на нижней его стороне, опирающимися на выступы основания, при этом высота упоров постоянна и составляет 5,4106 м, причем токопроводящее покрытие нанесено в углублении фиксатора, а контактирующие с ним металлизированные участки сформированы на якоре и выступе основания, имеют длину 10,68, расположены на расстоянии 20,1 от конца якоря, где- длина половины якоря, 1 - длина металлизированных участков, 2 расстояние от конца якоря, а межэлектродное рабочее расстояниепод нижним концом 97622013.12.30 якоря составляет(0,40,2), причем пластины и фиксатор базируются на обоих выступах основания, а контактные площадки управляющих и функционирующих цепей расположены раздельно на разных выступах основания.(56) 1. Патент 4113190, МПК 101 59/00. 2. Патент 20020000364, МПК 01 057/00. 3. Мухуров Н.И., Ефремов Г.И. Анализ взаимосвязи электромеханических характеристик электростатических торсионных микросистем // Нано- и микросистемная техника. 2007. -5. - С. 52-59. Полезная модель относится к электротехнике, микромеханике, микроэлектронике и может быть использована в управляющих, регулирующих, контролирующих системах широкого диапазона частот. Известен электростатический управляющий микровключатель (ЭУМ) 1, использующий электромеханический актюатор (ЭМА), который осуществляет взаимодействие активных электрических и реактивных механических сил в течение всего рабочего цикла и замыкает нормально разомкнутый контакт (НРК). Он содержит диэлектрическое плоское основание с расположенными на его верхней плоскости двумя изолированными один от другого неподвижными электродами и контактной группой. Над основанием параллельно ему размещен диэлектрический якорь, на нижней поверхности которого сформирован единый подвижный электрод, расположенный над неподвижными. Якорь закреплен на основании посредством упругих торсионов, которые выполнены заодно с якорем на двух его длинных сторонах на оси симметрии якоря. Оба торсиона имеют П-образную форму. На нижних концах торсионов предусмотрены плоские прокладки, которые жестко закреплены на основании. Высота торсионов и прокладок образует суммарное межэлектродное расстояние . На конце якоря на упругих перемычках сформирован подвижный контакт. При подаче на электроды знакопеременного потенциала якорь на деформируемых торсионах поворачивается в ту или иную сторону и замыкает, затем при переключении заряда размыкает нормально разомкнутые контакты (НРК). В исходном положен ЭУМ содержит лишь НРК. Размещение только НРК, большие погрешности суммарного межэлектродного расстоянияиз-за сложной и неустойчивой формы торсионов, необходимость полностью заменять конструкцию якоря при изменении выходных параметров существенно ограничивают функциональные возможности ЭУМ. Наиболее близким по технической сущности является двухтактный микромеханический микроволновой выключатель (ММВ) 2. Он содержит жесткое диэлектрическое основание с плоской верхней поверхностью, над которой параллельно расположен плоский диэлектрический якорь прямоугольной формы. На одной из сторон якоря сформирован рычажок, на двух других параллельных сторонах выполнены соосные симметричные упругие торсионы. На их внешних концах со стороны основания имеются выступы, они закреплены на основании и составляют часть межэлектродного расстояния . На основании расположены два изолированных один от другого неподвижных электрода, на верхней поверхности якоря над ними сформирован единый поворотный электрод. Основание,якорь и электроды образуют ЭМА. На конце рычажка и под ним на основании нанесены контакты НРК. Выполнены соответствующие токопроводящие дорожки, в том числе на торсионах. При подаче постоянного заряда на поворотный электрод и знакопеременных зарядов на неподвижные электроды якорь деформирует торсионы, поворачиваясь в одну сторону, рычажком замыкает контакты НРК, которые размыкает при повороте в обратную 2 97622013.12.30 сторону. Нормально замкнутых контактов в конструкции нет. Таким образом, выключатель работает только в режиме замыкания разомкнутой цепи. Содержание только НРК, большой разброс рабочих параметров из-за погрешностей составной размерной цепи межэлектродного расстояния , замена якоря для других рабочих режимов существенно сокращают функциональные возможности выключателя. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей. Решение технической задачи достигается тем, что в механоэлектрическом торсионном микропереключателе, содержащем актюатор, диэлектрические прямоугольные основание и якорь с торсионами на его короткой оси симметрии, два неподвижных изолированных один от другого электрода на дне основания и подвижный электрод на якоре, образующие исходное межэлектродное расстояние , подвижный и неподвижный контакт нормально разомкнутых контактов под концом якоря и на основании, токопроводящие дорожки, актюатор выполнен механоэлектрическим, состоящим из основания с пазом и продольными выступами высотой(1030)106 м, наклонного якоря, частично расположенного нижним концом с нормально разомкнутым контактом в пазе и с упруго деформированными торсионами с пластинами на их внешних концах, и регулируемым вдоль оси якоря фиксатором, электрически контактирующим с якорем, создавая нормально замкнутый контакт,установленный над нижним концом якоря и выполненным П-образной формы с упорами на нижней его стороне, опирающимися на выступы основания, при этом высота упоров постоянна и составляет 5,4106 м, причем токопроводящее покрытие нанесено в углублении фиксатора, а контактирующие с ним металлизированные участки сформированы на якоре и выступе основания, имеют длину 10,68, расположены на расстоянии 20,1 от конца якоря, где- длина половины якоря, 1 - длина металлизированных участков, 2 - расстояние от конца якоря, а межэлектродное рабочее расстояниепод нижним концом якоря составляет(0,40,2), причем пластины и фиксатор базируются на обоих выступах основания, а контактные площадки управляющих и функционирующих цепей расположены раздельно на разных выступах основания. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 представлено продольное сечение по оси симметрии механоэлектрического торсионного микропереключателя (МТМ) с фиксатором над нижним концом якоря. На фиг. 2 представлен вид сверху на МТМ с фиксатором 3 и часть основания 1. На фиг. 3 представлена кинематика поворота якоря 2 с фиксатором 3. МТМ содержит прямоугольные диэлектрические основание 1, плоский якорь 2, фиксатор 3 (фиг. 1). В центральной части основания 1 (фиг. 1) выполнен паз 4 с плоским дном 5, на двух продольных сторонах которого расположены выступы 6 высотой, равной исходному межэлектродному расстоянию . Якорь 2 в наклонном положении размещен над основанием 1 и частично одним концом в пазу 4. На его короткой оси симметрии с двух сторон сформированы упругие торсионы 7 прямоугольного сечения. Их внешние концы заканчиваются опорными пластинами 8, закрепленными на выступах 6. Фиксатор 3 выполнен регулируемым вдоль оси основания 1 и содержит углубление 10 с нанесенным в нем токопроводящим покрытием. Фиксатор 3 расположен над нижним концом якоря 2, имеет П-образную форму и установлен упорами 9 тоже на выступах 6. Высотаупоров 9 составляет-, где- толщина якоря 2,- величина механического вертикального смещения конца якоря 2 для получения требуемого рабочего межэлектродного расстояния. На дне 5 расположены два неподвижных электрода (НЭ) 11, разделенные изолятором 12. На нижней плоскости якоря 2 над ними сформирован единый подвижный электрод(ПЭ) 13. В МТМ содержится замкнутый НЗК 16, расположенный на якоре 2 и фиксаторе 3, и разомкнутый НРК 17, токопроводящие дорожки 14 к электродам и контактам, металлизированные участки 15 к фиксатору. Позиции 2, 3, 7, 11, 13 образуют механоэлектриче 3 97622013.12.30 ский актюатор 18, который осуществляет функционирование МТМ. На выступах 6 с одной стороны МТМ выполнены (фиг. 2) контактные площадки управляющих цепей (КПУ) 19, соединенные с неподвижными 11 и подвижным 13 электродами, с другой - контактные площадки функциональных цепей (КПФ) 20, соединенные с НЗК 16 и НРК 17, что обеспечивает простоту коммутации с внешней аппаратурой. Фиксатор 3 применяется в диапазоне(1030)106 м. В торсионных системах с электромеханическим актюатором (ЭМА) критичной величиной параметров является координата 00,52, которая определяет значение рабочего напряженияи разделяет холостой и исполнительный участки цикла. Последний замыкает и размыкает НРК 3. Реализация НЗК достигается при механическом смещении нижнего конца якоря на 0,60, что соответствует получению рабочего межэлектродного расстояния(0,40,2). Диапазонза счет регулировки положения фиксатора 3 обеспечивает надежность работы МТМ. С учетом обеспечения в целях унификации МТМ постоянстваво всем диапазонеи создания контакта НЗК 16 при регулировании положения фиксатора длина металлизированных участковпри 20,1, где 2 - расстояние от конца якоря, определяется следующими соотношениями (фиг. 3) 5,41060,225,0,83010 6 1(0,90,225)0,675. Согласно расчетам,5,4106 м, 10,68, 20,1. При сборке МТМ якорь 2 укладывают пластинами 8 на выступы 6 параллельно дну 5,затем пластины 8 жестко закрепляют на выступах 6 (например, легкоплавкими токопроводящими припоями). Устанавливают над якорем 2 фиксатор 3, поворачивая якорь 2 (например, по часовой стрелке), создавая при этом активные механические моментыв деформируемых торсионах 7 и реактивные механические силы НЗК в НЗК 16, пропорциональные . Положение фиксатора в горизонтальной плоскости регулируют перемещением по металлизированным участкам 15 длиной 0,68, изменяя угол наклона якоря упорами 9 высотой 5,4106 м до получения заданного размерана нижнем конце якоря 2. Длина металлизированных участков 0,68 и высотаобеспечивают получение любого значенияв принятых диапазонахии соответствующего изменения электрического напряжения . Величинаконтролируется с помощью микроскопа, что гарантирует ее точность независимо от случайных погрешностей размеров элементов. В собранном МТМ реализована первая фаза механоэлектрического актюатора - создание НЗК и НЗК - как следствие взаимодействия механических активных и реактивных сил сформированы управляющие цепи КПУ подачи постоянных разноименных потенциалов на неподвижные электроды и подачи знакопеременных зарядов на подвижный электрод сформированы функциональные цепи КПФ включения и выключения НРК. В этом состоянии МТМ находится до тех пор, пока на него не будет подано рабочее электрическое напряжение. Диэлектрические детали МТМ могут быть изготовлены из анодного оксида алюминия,обладающего высокими электрохимическими характеристиками, путем комбинированных 2 97622013.12.30 операций объемного прецизионного анодирования и химического травления оксида. Электроды и коммутирующие элементы формируют вакуумным напылением. МТМ работает следующим образом. После подачи нарастающего электрического напряженияна электроды вступает в действие вторая фаза механоэлектрический актюатор 18 - взаимодействие активных электрических и реактивных механических сили моментов . В начале рабочего цикла на подвижный электрод 13 подается знакопеременный заряд, на неподвижный электрод 11 под опущенным концом якоря 2 подается притягивающий заряд, противоположный заряду на подвижном электроде 13, а на неподвижном электроде 11 с другого конца основания 1 - одноименный отталкивающий заряд. В результате взаимодействия электрических полей возникает суммарный момент Э, стремящийся увеличить угол поворота якоря 2. Но в начальной стадии Э снижает НЗК при неподвижном якоре 2. При Э, равном механическому моментув торсионах 7, что произойдет при 0,6, НЗК станет равным нулю и НЗК 16 разомкнется. При этом значение электрического напряжения останется постоянным, но за счет малого и интенсивно уменьшающегося межэлектродного расстояния момент Э станет нарастать быстрее, чем , угол наклона якоря 2 будет увеличиваться, что в результате закончится замыканием НРК 17 и возникновением в нем НК(Э)/. Конечное положение якоря 2 ограничивается межконтактным расстоянием НРК 17, равным(0,90,95), при котором НК достигает максимальной величины. Значение электрического напряжения переключения контактовпри увеличениии по расчетам согласно 3 снижается относительнопри 0,52 примерно в 2 раза. После отключенияили подаче на якорь заряда другого знака Э совместно с реактивным моментом торсионов 7 возвращают якорь 2 в исходное наклонное положение, размыкая НРК 17 и замыкая НЗК 16. Постоянное значениеобеспечивает при сборке за счет регулировки положения фиксатора бесступенчатое двукратное изменение рабочего электрического напряжения . Таким образом, МЭА существенно изменяет рабочий цикл и выходные параметры известных актюаторов. Реализация в конструкции последовательно срабатывающих НЗК 16 и НРК 17, высокая точность , получение выходных параметров в широком диапазоне без замены деталей, бесступенчатое двукратное снижение рабочего электрического напряжения существенно расширяют функциональные возможности МТМ. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.