Электромеханическое микрореле

(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) Электромеханическое микрореле, содержащее диэлектрические подложку с двухступенчатым углублением, в котором первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, а вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, упругий подвижный элемент со сформированными на его стороне, обращенной к углублению, подвижными управляющим электродом и контактами, упругие балочные держатели, отличающееся тем, что упругий подвижный элемент размещен в углублении и выполнен в виде жесткой пластины, на коротких сторонах подвижного элемента сформированы металлизированные козырьки, ширина которых меньше коротких сторон подвижного элемента и которые свободно опираются на средние участки балочных держателей, выполненных в виде плоских металлизированных рессор, расположенных в канавках, сформированных во второй ступени параллельно неподвижным контактам, на дне канавок сформированы неподвижные управляющие электроды, общие с неподвижным управляющим электродом на второй ступени, а на верхней 11941 1 2009.06.30 плоскости подложки соосно с канавками выполнены пазы, в которых размещены крайние участки балочных держателей, свободные от контакта с козырьками, на свободных концах козырьков сформированы подвижные контакты в виде перемычек, изолированные от подвижного управляющего электрода на подвижном элементе, причем глубина пазов равна сумме толщин подвижного элемента и балочного держателя, расстояниеот дна пазов до дна канавки определено из выражения где- реактивная сила опоры, размещенной в углублении- длина крайних участков держателей- модуль упругости- момент инерции сечения держателя- ширина углубления- межэлектродное расстояниек - межконтактное расстояние,отношение / равно 35, а поверх всей плоскости подложки закреплен диэлектрический экран. Изобретение относится к электротехнике, микромеханике, микроэлектронике и может использоваться в управляющих, регулирующих, коммутирующих системах. Известно электростатическое реле 1, содержащее диэлектрическое основание с двумя выступами, высота которых равна межэлектродному расстоянию . На торцах выступов внешними концами жестко закреплен балочный якорь, сформированный из натянутой металлической ленты. На основании между выступами под якорем размещены неподвижные электрод и контакт. При подаче между электродом и якорем электрического напряженияякорь начинает прогибаться под действием распределенных электростатических сил где 0 - электрическая постоянная,- площадь электрода,- прогиб якоря. Силадолжна преодолеть реактивную силусопротивления изгибу балочного якоря,концы которого жестко закреплены, за счет чего значительно повышается жесткость якоря где- модуль упругости,- момент инерции,- длина балочного якоря,а также силу сопротивления Т якоря его дополнительному растяжению, являющемуся следствием изгиба где- площадь поперечного сечения якоря,- абсолютное удлинение. Срабатывание реле происходит при высоком значении напряжения 1. Данное электростатическое реле не может работать при низких величинах электрического напряжения. 2 11941 1 2009.06.30 Известен микромашинный переключатель 2, содержащий диэлектрическое основание с двумя выступами высотой большеи якорь. Якорь выполнен в виде диска, размещенного на расстоянииот основания, с двумя -образно изогнутыми балочными держателями,расположенными симметрично относительно центра диска и жестко закрепленными концами на диске и выступах основания. На обращенных друг к другу сторонах основания и диска сформированы электроды. При подаче на них напряжения электростатические силыизгибают параллельные основанию участки балочных держателей, которые в результате повышенной жесткости балочных держателей за счет жестко закрепленных обоих концов и двух угловых перегибов в средней части обусловливают возникновение значительной реактивной силы и увеличение вследствие этого значения рабочего электрического напряжения. Микромашинный переключатель не может работать при низких величинах электрического напряжения. Наиболее близким по технической сущности является электростатическое микрореле 3. Оно содержит диэлектрические подложку и закрепленную на ней пластину. В подложке выполнено двухступенчатое углубление. Первая ступень, верхняя, сформирована на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты,вторая ступень расположена между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод. В пластине сформирован упругий подвижный элемент,расположенный над углублением, на стороне которого, обращенной к углублению, размещены подвижные управляющий электрод и перемычки. Расстояние между электродами составляет межэлектродный промежуток величиной , между контактами и перемычками межконтактный промежуток величиной к. Подвижный элемент соединен с пластиной упругими балочными держателями, расположенными симметрично по отношению к одной из осей пластины и под углом к этой оси, причем углы вершинами направлены в одну сторону. Концы балочных держателей жестко закреплены как в пластине, так и в подвижном элементе. Малая толщина, плоскостность, обеспечение изгиба в направлении минимальной жесткости повышают гибкость балочных держателей. Это снижает величину рабочего напряжения, но и в этой конструкции она остается высокой, т.к. преобладающим компонентом в реактивной силе остается влияние жесткого закрепления обоих концов балочных держателей. Электростатическое микрореле не может работать при низких величинах электрического напряжения. Технической задачей изобретения является обеспечение срабатывания электромеханического микрореле при низких величинах электрического напряжения. Решение технической задачи достигается тем, что в электромеханическом микрореле,содержащем диэлектрические подложку с двухступенчатым углублением, в котором первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, а вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий электрод, упругий подвижный элемент со сформированными на его стороне, обращенной к углублению, подвижными управляющим электродом и контактами, упругие балочные держатели, упругий подвижный элемент размещен в углублении и выполнен в виде жесткой пластины, на коротких сторонах подвижного элемента сформированы металлизированные козырьки, ширина которых меньше коротких сторон подвижного элемента и которые свободно опираются на средние участки балочных держателей, выполненных в виде плоских металлизированных рессор, расположенных в канавках, сформированных во второй ступени параллельно неподвижным контактам, на дне канавок сформированы неподвижные управляющие электроды, общие с неподвижным управляющим электродом на второй ступени, а на верхней плоскости подложки соосно с канавками выполнены пазы, в которых размещены крайние участки балочных держателей, свободные от контакта с ко 3 11941 1 2009.06.30 зырьками, на свободных концах козырьков сформированы подвижные контакты в виде перемычек, изолированные от подвижного управляющего электрода на подвижном элементе, причем глубина пазов равна сумме толщин подвижного элемента и балочного держателя, расстояниеот дна пазов до дна канавки определено из выражения где- реактивная сила опоры, размещенной в углублении, - длина крайних участков держателей, - ширина углубления, - модуль упругости, - момент инерции сечения держателя, - межэлектродное расстояние,к - межконтактное расстояние,отношение / равно 35, а поверх всей плоскости подложки закреплен диэлектрический экран. Совокупность указанных признаков обеспечивает срабатывание электромеханического микрореле при низких величинах электрического напряжения. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 представлено продольное сечение электромеханического микрореле по плоскости АА, на котором 1 - подложка,2 - подвижный элемент,3 - держатель,4 - двухступенчатое углубление,5 - первая ступень углубления,6 - неподвижный контакт,7 - вторая ступень углубления,8 - неподвижный управляющий электрод,9 - канавка,10 - паз,11 - козырек,12 - подвижная перемычка,13 - подвижный управляющий электрод,14 - экран. На фиг. 2 представлен вид сверху на детали электромеханического микрореле со снятым экраном 14 и на котором 15 - крайний участок держателей,16 - средний участок держателей. На фиг. 3 представлено поперечное сечение по плоскости ББ электромеханического микрореле в исходном состоянии. На фиг. 4 представлено поперечное сечение по плоскости ББ электромеханического микрореле в рабочем состоянии. На фиг. 5 графически представлена зависимость относительной величины рабочих электрических напряжений (/з)100 от соотношения /. Электромеханическое микрореле содержит диэлектрические подложку 1, подвижный элемент 2, держатели 3, выполненные в виде отдельных плоских, узких, тонких, упругих рессор (фиг. 1, 2, 3). В подложке 1 сформировано двухступенчатое углубление 4, на противоположных сторонах которого в верхней, первой, ступени углубления 5 расположены неподвижные контакты 6, а нижняя, вторая, ступень 7 размещена между выступами первой ступени 6 и содержит канавки 9, размещенные параллельно неподвижным контактам 6, и 4 11941 1 2009.06.30 неподвижный управляющий электрод 8, сформированный на дне канавок 9 и между ними. На верхней плоскости подложки 1 соосно с канавками 9 выполнены пазы 10. В них размещены концы крайних участков держателей 15 длинойдержателей 3. На среднем участке держателей 16 свободно размещены козырьки 11 подвижного элемента 2, выполненного в виде жесткой пластины единой толщины. На концах козырьков 11 за держателями 3 на стороне, обращенной к дну двухступенчатого углубления 4, сформированы подвижные перемычки 12, а между ними и изолировано от них - подвижный электрод 13. Подвижный элемент 2, крайние участки держателей 15 и средние участки держателей 16 ширинойсвободно размещены в двухступенчатом углублении 4, пазах 10 и канавках 9 соответственно. Глубина пазов 10 равна суммарной толщине подвижного элемента 2 и держателя 3 канавок 9 - максимальной стреле прогиба держателей 3. Электрическая цепь подвижного управляющего электрода 13 содержит металлизацию на боковых сторонах козырьков 11,всестороннюю на автономных держателях 3, на дне и сторонах пазов 10. На верхней плоскости подложки 1 расположен диэлектрический экран 14. При сборке вначале в пазы 10 подложки 1 укладываются автономные держатели 3, при этом над ними остается зазор,равный толщине подвижного элемента 2, затем на их средний участок 16 козырьками 11 и стороной с подвижным электродом 13 помещается подвижный элемент 2. В результате формируются размеры межэлектродногои межконтактного красстояний. Сборка заканчивается установкой и закреплением экрана 14. Диэлектрические детали могут быть выполнены из анодного оксида алюминия, технология получения из которого деталей разнообразных 3- конфигураций обеспечивает прецизионность формирования всех элементов. Электропроводящие пленки могут быть сформированы методами вакуумного напыления и распыления. Электромеханическое микрореле работает следующим образом. При подаче разноименных зарядов на неподвижный 8 и подвижный 13 электроды подвижный элемент 2, оставаясь благодаря своей высокой жесткости плоским, опускается в двухступенчатом углублении 4, изгибая держатели 3 (фиг. 4). Схема нагрузки представляет собой шарнирно опертую балку с активными электростатическими силами /4 в точках контакта козырьков 11 подвижного элемента 2 с прогибающимися держателями 3 и реактивными механическими силамина кромке дна пазов 10. При этом в отличие от традиционных конструкций, в которых вместе с держателями изгибается и маложесткий подвижный элемент, межэлектродный промежуток сохраняет плоскопараллельную форму,что обусловливает равномерность всех распределенных на подвижном элементе электростатических сили снижает величину рабочего напряженияв микрореле с держателями 3, которое определяется по формуле где 3/12 - момент инерции, с, ,- ширина, толщина, длина (между опорами) автономного держателя,- длина его крайнего участка. Но основное снижениедостигается за счет обеспечения свободного поворота концов держателей 3, малой величиныи большой величины , т.е. конструктивных особенностей параметров держателей 3. В результатепо сравнению с з в реле, содержащих держатели с закрепленными концами, составляет всего лишь 3816 , причем наиболее эффективно снижение величины электрического напряжения происходит при 35(фиг. 5), при котором (/з) 1003221 . Уменьшение 3 кинематически практически нереализуемо, увеличение 5 существенного снижения величины напряжения не дает, но увеличивает габариты. 11941 1 2009.06.30 В рабочем положении подвижный элемент 2, опустившись до к, замыкает подвижными перемычками 12 неподвижные контакты 6 и останавливается. Межэлектродное расстояние составит 0- к при максимальной стреле прогиба автономных держателей Их свободное перемещение в канавках 9 обеспечивается за счет величины расстоянияот дна пазов 10 до дна канавок 9, равного 0 В промежутке между прогибающимся держателем 3 и дном канавки 9, так же как и между неподвижным 8 и подвижным 13 электродами возникают электростатические силы 1. В конечном положении величина промежутка согласно (8) составляет 0, что обеспечивает примерное равенство удельных значенийи 1. При фиксированном положении подвижного элемента 2 силы 1, приложенные к держателям 3, снижают реактивные силы держателей, действующие на подвижный элемент 2. В результате действие силна неподвижные контакты 6 увеличивается, контактное давление повышается, что обеспечивает возможность использования электромеханического микрореле при низких величинах напряжения. Концы держателей 3, размещенных в пазах 10, в рабочем положении отклоняются вверх. Их свободное перемещение, исключающее защемление, гарантирует зазор, равный толщине подвижного элемента 2. При отключении электрического напряжения держатели 3, выпрямляясь, размыкают управляемые цепи и возвращают подвижный элемент 2 в исходное положение, фиксируемое экраном 14. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.