Электротоковое микрореле

(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(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Электротоковое микрореле, содержащее диэлектрическую подложку с двухступенчатым прямоугольным углублением, первая ступень которого, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты управляемой цепи, а вторая ступень, нижняя, расположена между выступами первой ступени диэлектрическую пластину, жестко соединенную с подложкой, с подвижным элементом-якорем, расположенным в середине пластины и соединенным с ней упругими балочными держателями, на внутренней стороне которого, обращенной к углублению,сформированы подвижные перемычки управляемой цепи напротив неподвижных контактов на межконтактном расстоянии к токопроводящие дорожки, отличающееся тем, что на второй ступени и на внутренней стороне подвижного элемента-якоря размещены напротив друг друга на межэлектродном расстояниисоответственно идентичные неподвижная и подвижная ветви электротокового привода, выполненные в форме меандра,участки которого разделены параллельными прямоугольными сквозными пазами, выполненными в дне углубления и в подвижном элементе-якоре шириной 1 и расстоянием 2 15184 1 2011.12.30 между ними, при этом пазы выполнены одинаковой длины и со взаимным смещением нечетных и четных пазов в противоположных направлениях относительно продольной оси подвижного элемента-якоря на расстояние , равное (3-5)2, причем длину ветвиопределяют из математического выражения 1 2 где Е - модуль упругости держателей 1 - момент инерции сечения держателей- коэффициент заделки концов держателей- количество держателей- абсолютная магнитная проницаемость- длина держателей- рабочий ток при этом токопроводящие дорожки, подвижная и неподвижная ветви электротокового привода выполнены шириной, равной 2, начала и концы обеих ветвей электрически соединены токопроводящими дорожками соответственно со штырьками входа и выхода управляющей цепи, к. 2. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что расстояние между пазами 2 равно(10-20), при этом 21. Изобретение относится к электротехнике и микроэлектронике и может быть использовано, например, в системах автоматики, контроля, связи, телеметрии, вычислительной и измерительной техники. Известно микромеханическое реле с гибридным приводом 1, состоящее из жестко соединенных между собой подложки и рамки, выполненных из диэлектрического материала. На внутренней стороне подложки размещены неподвижные управляющий электрод и контакт управляемой цепи, а также электропроводящие дорожки. В рамке сформирован якорь, соединяющийся с ней упругими держателями, расположенными параллельно сторонам якоря и направленными от вершин углов якоря в одном направлении относительно оси, проходящей через центр якоря, перпендикулярно его плоскости. На стороне якоря,обращенной к подложке, нанесены подвижные электрод и контакт. На участках держателей сформирован слой пьезоматериала. Неподвижный и подвижный электроды, пьезоматериал образуют электростатический привод. При включении реле в электрическую сеть и подаче на электроды зарядов разноименного знака от источника питания постоянного тока под действием электростатических силякорь, деформируя держатели и пьезоматериал, притягивается к подложке с силой, равной 22,(1) 2 2 где- абсолютная диэлектрическая проницаемость,- электрическое напряжение, - площадь электрода, - межэлектродное расстояние,и замыкает контакты управляемой цепи. При отключении управляющей цепи, якорь возвращается в исходное положение и размыкает контакты. В рабочем цикле пьезоматериал существенного влияния не оказывает, а значительная удельная плотность тока , являющаяся следствием повышенных, согласно (1), величини , а также малых сечений дорожек при высокочастотных импульсах, приводит к перегоранию токопроводящих дорожек, размыканию электрической цепи и выходу реле из строя. Вероятность перегорания повышается с возрастанием частоты, т.к. в единицу времени через сечение дорожек начинает проходить большая сила тока. 2 15184 1 2011.12.30 Реле не может работать в диапазоне высоких частот, т.е. имеет ограниченные функциональные возможности. Наиболее близким по технической сущности является электростатическое микрореле 3, содержащее плоские диэлектрические подложку с двухступенчатым углублением и закрепленную на ней пластину. Первые ступени, верхние, углубления выполнены на его противоположных сторонах, а между ними расположено дно второй ступени, нижней. В средней части пластины над углублением сформирован подвижный элемент-якорь. Он соединен с пластиной упругими держателями, расположенными по елочной схеме. На дне второй ступени и на стороне якоря, обращенной к подложке, сформированы соответственно неподвижный и подвижный электроды, электрически изолированные друг от друга. Они образуют электростатический привод и управляющую цепь. На первых ступеньках и противолежащих им участках якоря размещены неподвижные контакты и подвижные перемычки управляемой цепи. Электроды и контакты токопроводящими дорожками электрически соединены с металлическими штырьками, закрепленными в подложке. При подаче на электроды управляющей цепи разноименных зарядов от источника питания постоянного тока электростатическая сила , согласно (1), сближает электроды,деформируя держатели и якорь, и замыкает управляемую цепь. При импульсной подаче зарядов на электроды по токопроводящим дорожкам, так же как в аналоге, проходит довольно значительный ток, удельная плотностькоторого на дорожках малого сечения, располагаемых на тонких и узких держателях, может достигать критических значений и приводить к перегоранию токопроводящих дорожек, размыканию электрической цепи и выходу реле из строя. Электростатическое микрореле не обеспечивает надежной работы в высокочастотном диапазоне, т.е. имеет ограниченные функциональные возможности. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения работоспособности в области высоких частот. Решение технической задачи достигается тем, что в электротоковом микрореле, содержащем диэлектрическую подложку с двухступенчатым прямоугольным углублением,первая ступень которого, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты управляемой цепи, а вторая ступень,нижняя, расположена между выступами первой ступени диэлектрическую пластину,жестко соединенную с подложкой, с подвижным элементом-якорем, расположенным в середине пластины и соединенным с ней упругими балочными держателями, на внутренней стороне которого, обращенной к углублению, сформированы подвижные перемычки управляемой цепи напротив неподвижных контактов на межконтактным расстояниитокопроводящие дорожки, на второй ступени и на внутренней стороне подвижного элемента-якоря размещены напротив друг друга на межэлектродном расстояниисоответственно идентичные неподвижная и подвижная ветви электротокового привода,выполненные в форме меандра, участки которого разделены параллельными прямоугольными сквозными пазами, выполненными в дне углубления и в подвижном элементе-якоре шириной 1 и расстоянием 2 между ними, при этом пазы выполнены одинаковой длины и со взаимным смещением нечетных и четных пазов в противоположных направлениях относительно продольной оси подвижного элемента-якоря на расстояние , равное (3-5) 2,причем длину ветвиопределяют из математического выражения 1 2 где- модуль упругости держателей,1 - момент инерции сечения держателей, - коэффициент заделки концов держателей, - количество держателей, - межэлектродное расстояние,3 15184 1 2011.12.30- абсолютная магнитная проницаемость, - длина держателей, - рабочий ток,при этом токопроводящие дорожки, подвижная и неподвижная ветви электротокового привода выполнены шириной, равной расстоянию 2, начала и концы обеих ветвей электрически соединены токопроводящими дорожками соответственно со штырьками входа и выхода управляющей цепи, . Эффективное решение технической задачи достигается при расстоянии между пазами 2,равном (10-20) , при этом 21. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлено продольное сечение электротокового микрореле, где 1 - подложка,2 - пластина,3 - углубление,4 - первая ступень,5 - вторая ступень,6 - подвижный элемент-якорь,7 - держатель,8 - дно,9 - нечетный паз,10 - четный паз,13 - неподвижная ветвь,14 - подвижная ветвь,19 - контакт,20 -перемычка,21 - межэлектродное расстояние,22 - межконтактное расстояние,23 - электротоковый привод. На фиг. 2 представлен вид сверху на электротоковое микрореле и часть подложки 1, где 11 - дальний конец,12 - ближний конец,15 - управляющая цепь,16 -дорожка,17 - штырек входа,18 - штырек выхода. На фиг. 3 представлена электрическая схема электротокового привода микрореле с указанием стрелками направления прохождения тока. На фиг. 4 представлена схема электромагнитных силовых полей в рабочем промежутке. Знаксоответствует направлению тока в плоскость чертежа, знак- из плоскости. Электротоковое микрореле содержит диэлектрические подложку 1 и пластину 2,жестко соединенные между собой (фиг. 1, 2). В подложке 1 выполнено двухступенчатое прямоугольное углубление 3, первая ступень 4, верхняя, размещена на противоположных сторонах углубления, а вторая ступень 5, нижняя, - между первыми ступенями 4. В середине пластины 2 сформирован жесткий подвижный элемент-якорь 6, соединенный с пластиной 2 упругими гибкими держателями 7, расположенными по елочной схеме. В дне 8 второй ступени 4 и в подвижном элементе-якоре 6 напротив друг друга выполнены параллельные сквозные прямоугольные пазы, шириной 1 и одинаковым расстоянием 2 между ними. Все пазы по длине равны между собой, но нечетные пазы 9 относительно продольной оси якоря 6 смещены в одну сторону, а четные 10 - в другую. Величина смещения от оси дальних концов 11 относительно ближних концов 12 составляет(3-5) 2. Между нечетными 9 и четными 10 пазами, а также между дальними концами 11 сформированы 15184 1 2011.12.30 идентичные неподвижная 13 и подвижная 14 ветви электротокового привода, электрически соединенные с управляющей цепью 15. Неподвижная 13 и подвижная 14 ветви выполнены в форме меандра и имеют одинаковую ширину на всем протяжении, равную 2. Пазы и увеличенное до (3-5) 2 смещение дальних 11 и ближних 12 концов обеспечивает надежную изоляцию всех участков ветвей при их формировании и достаточную прочность подвижного элемента-якоря 6. Неподвижная 13 и подвижная 14 ветви токопроводящими дорожками 16 и штырьками входа 17 и выхода 18 соединены между собой, что обеспечивает параллельное электрическое включение неподвижной 13 и подвижной 14 ветвей в управляющую цепь 15 (фиг. 3). На первых ступенях 4 сформированы неподвижные контакты 19, а на противолежащей им стороне подвижного элемента-якоря 6 на межконтактном расстоянии 22, величиной , - подвижные перемычки 20 управляемой цепи. Неподвижная 13 и подвижная 14 ветви расположены на межэлектродном расстоянии 21 величиной. Неподвижная 13 и подвижная 14 ветви образуют электротоковый привод 23. Детали электротокового микрореле могут быть выполнены из анодного оксида алюминия, технология формирования на основе которого конструктивных элементов обеспечивает высокую точность размеров. Ветви, контакты, токопроводящие дорожки выполняются методами вакуумного напыления. Конфигурация пазов и их взаимное расположение обеспечивают высокую изоляцию участков каждой ветви и выполнение операций напыления через маску с прямоугольным окном по габаритам ветвей. Электротоковое микрореле работает следующим образом. В исходном состоянии подвижная ветвь 14 расположена на подвижном элементеякоре 6 и на межэлектродном расстоянии 21 величинойот нее на дне 8 второй ступени 5 расположена неподвижная ветвь 13. На первых ступенях 4 сформированы неподвижные контакты 19, а на противолежащей им стороне подвижного элемента-якоря 6 на межконтактном расстоянии 22, величиной , - подвижные перемычки 20 управляемой цепи(фиг. 1, 2). При включении электротокового привода 23 в управляющую цепь 15 по штырьку входа 17, токопроводящим дорожкам 16, неподвижной 13 и подвижной 14 ветвям, штырьку выхода 18 пойдет электрический ток. В неподвижной 13 и подвижной 14 ветвях, включенных и расположенных параллельно, ток силойпойдет в одном направлении (фиг. 3). Поэтому силовые линии электромагнитного поля в обеих ветвях вдоль привода будут иметь одно круговое направление и при некоторой величине силы тока объединятся попарно (фиг. 4). В результате начинает функционировать электротоковый привод 23 подвижная ветвь 14 приближается к неподвижной ветви 13 под действием силы м, равной 2 м,(2) 2 где- сила тока, протекающего в электротоковом приводе, - смещение якоря за счет прогиба держателей. В деформируемых держателях 7 возникает и возрастает по мере увеличения прогиба у реактивная сила , равная 13 ,(3) где 1 момент инерции сечения держателей. В процессе управляемого перемещения сохраняется равновесное состояние(4) м,При увеличении токадо тока , т.е. рабочего тока, обеспечивающего срабатывание электротокового микрореле, из (2-4) следует 1 2 15184 1 2011.12.30 Величиныизадаются техническими требованиями. Длина ветви электротокового приводаопределяется следующим соотношением 1 2 Размеропределяет габариты подвижного элемента-якоря 6 и ширину нечетных 9 и четных 10 пазов. В плоскости ветвей между участками с противоположным направлением тока возникнут поперечные электромагнитные поля, силы ф которых положительно повлияют на фокусировку полей между неподвижной 13 и подвижной 14 ветвями (фиг. 4). Оптимальные условия для возникновения сил м и ф достигаются при соотношениях 2/1020, 1. При других значениях существенно ухудшается фокусировка полей. Поскольку токопроводящее сечение постоянно по всей длине ветвей, то плотность тока тоже постоянна, что обеспечивает в них равномерность температурного режима и исключает перегрев отдельных участков. Исполнение ветвей электротокового привода 23 в форме меандра позволяет получить большую длинупри малых габаритах подвижного элемента-якоря 6, а также улучшить фокусировку электромагнитного поля. При увеличении тока до рабочего значенияперемычки 20 замыкаются с неподвижными контактами 19 и включают управляемую цепь. При отключении управляющей цепи 15, подвижный элемент-якорь 6 под действием реактивных силдержателей 7 возвращается в исходное положение, перемычки 20 размыкаются с неподвижными контактами 19 и возвращаются в исходное положение с межконтактным расстоянием . Длительность цикла включено-выключено не ограничивается. Источники информации 1. Патент Германии 4305033, МПК 01 59/00. 2. Кухлинг . Справочник по физике Пер. с нем. - М. Мир, 1983. - 519 с. 3. Патент РБ 2667, МПК 01 59/00. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7