Двухканальный микрокоммутатор

(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 Котова Инна Федоровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Двухканальный микрокоммутатор, содержащий прямоугольные диэлектрические основание, жесткий якорь с упругими консольными деформированными держателями, расположенными попарно на коротких сторонах параллельно его продольной осии направленными от его центра в противоположные стороны, над якорем жесткую крышку с выступами на внутренней стороне, на внутренних плоскостях основания и якоря соответственно неподвижный и подвижный тонкопленочные электроды с исходным межэлектродным расстояниеми рабочим 10,20,65, нормально разомкнутые контакты управляемой цепи, токопроводящие тонкопленочные дорожки, отличающийся тем, что на коротких сторонах внутренней плоскости основания сформированы буртики, на которые опираются свободные концы деформированных держателей, выступы на крышке расположены по схеме равнобедренного треугольника с одним опорным выступом на осикрышки и двумя контактными выступами симметрично оси , основание и крышка соединены параллельными вертикальной осиметаллическими штырьками диаметром ,имеющими конические верхние концы, расположенными в два ряда симметрично осии проходящими через соосные штырьковые отверстия в основании и крышке, при этом штырьки образуют два канала, в которых параллельно поперечной осирасположены штырьки неподвижного и подвижного электродов, вдоль осиустановлены штырьки 84252012.08.30 нормально замкнутой цепи и базовые штырьки, причем штырьки нормально замкнутой цепи длиннее остальных на 35 толщин крышки, а в якоре они размещены между упругими металлизированными направленными вдоль оси - лепестками с закругленными концами клемм, отделенных от якоря щелью, причем на уровне концов лепестков расположен центр клеммного отверстия диаметром 122,где- толщина лепестка- ширина щели,в штырьковых отверстиях основания закреплены также ограничивающие конечное положение якоря опорный штырек и два штырька нормально разомкнутой цепи с плоскими торцами, выступающими над основанием на 0,10,2, причем выступы крышки расположены над этими штырьками, а на штырьках неподвижного и подвижного электродов и штырьках базовых между основанием и крышкой размещены цилиндрические спейсеры из пластичного металла расчетной высоты , зависящей от 1 и напряжения срабатыванияпо соотношениям 1,2 1 (1 ) где- толщина напыленного якоря- высота выступов крышки 0 - электрическая постоянная- площадь электрода- жесткость держателей,и в которых для штырьков предусмотрено двухступенчатое отверстие с направляющим и контактирующим участками, причем последний расположен со стороны крышки и соединен со штырьком по прессовой посадке, а в якоре выполнены спейсерные отверстия с диаметром по широкоходовой посадке, при этом штырьки неподвижного и подвижного электродов вместе с неподвижным и подвижным электродами образуют цепь управления,а штырьки нормально замкнутой цепи и базовые, а также штырьки нормально разомкнутой цепи и базовые образуют четыре коммутируемые управляемые цепи, элементы которых в каналах соединены токоведущими тонкопленочными дорожками, сформированными на плоскостях основания и якоря, держателях, буртиках, выступах, над и под спейсерами.. - 2000. - . 9. - . 3. - . 321-328. 4. Кухлинг Х. Справочник по физике. - Москва Мир, 1983. - 519 с. Полезная модель относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может использоваться в управляющих, регулирующих, коммутирующих системах, в частности в автоматических телефонных устройствах. Известно микромеханическое реле 1, содержащее кремниевую подложку с нанесенными на ее верхнюю плоскость тонкопленочными токопроводящими неподвижными электродом и контактом. Над ней расположен якорь, на нижней поверхности которого сформированы выступы, опирающиеся на подложку, подвижные электрод и контакт, ме 2 84252012.08.30 ханически соединенные с выступами упругими держателями. Сверху реле закрыто стеклянной крышкой. При подаче на электроды напряжения под действием электростатической силы подвижный электрод смещается к неподвижному, деформируя держатели,уменьшая межэлектродное расстояние и замыкая нормально разомкнутые подвижный и неподвижный контакты. При отключении напряжения якорь держателями возвращается в исходное положение, размыкая контакты. Микромеханическое реле имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. управляет только одной нормально разомкнутой цепью. Наиболее близким по технической сущности является микромеханическое электрореле 2. Оно содержит прямоугольные диэлектрические основание, расположенную над ним крышку с выступами, а между ними жесткий якорь с соединенными с ним упругими консольными держателями. В верхней плоскости основания выполнена двухступенчатая полость, на первую ступень которой опираются свободные концы держателей, сформированных попарно на коротких сторонах якоря и направленных вдоль от его центра в противоположные стороны. На внутренней стороне крышки над короткими сторонами якоря размещены выступы. На дне полости размещен неподвижный тонкопленочный электрод,на внутренней стороне якоря - подвижный. При сборке крышка упирается в основание,выступы смещают якорь и деформируют держатели, которые реактивной силойплотно прижимаются к первой ступеньке. Исходное межэлектродное расстояниеуменьшается до рабочего 1, равного одному конкретному значению в диапазоне 0,20,65. Токопроводящие дорожки на первой ступеньке и держателях соединяют подвижный электрод с управляющей цепью. Между держателями на якоре и под ними на второй ступеньке расположены нормально разомкнутые контакты управляемой цепи. Микромеханическое электрореле содержит только нормально разомкнутые контакты и способно срабатывать лишь при одних конкретных значенияхи 1. Переход на другие параметры требует изменения конструктивных размеров основания и крышки. Это существенно ограничивает его функциональные возможности. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей. Решение технической задачи достигается тем, что в двухканальном микрокоммутаторе, содержащем прямоугольные диэлектрические основание, жесткий якорь с упругими консольными деформированными держателями, расположенными попарно на коротких сторонах параллельно его продольной осии направленными от его центра в противоположные стороны, над якорем жесткую крышку с выступами на внутренней стороне, на внутренних плоскостях основания и якоря соответственно неподвижный и подвижный тонкопленочные электроды с исходным межэлектродным расстояниеми рабочим 10,20,65, нормально разомкнутые контакты управляемой цепи, токопроводящие тонкопленочные дорожки, на коротких сторонах внутренней плоскости основания сформированы буртики, на которые опираются свободные концы деформированных держателей,выступы на крышке расположены по схеме равнобедренного треугольника с одним опорным выступом на осикрышки и двумя контактными выступами симметрично оси , основание и крышка соединены параллельными вертикальной осиметаллическими штырьками диаметром , имеющими конические верхние концы, расположенными в два ряда симметрично осии проходящими через соосные штырьковые отверстия в основании и крышке, при этом штырьки образуют два канала, в которых параллельно поперечной осирасположены штырьки неподвижного и подвижного электродов, вдоль осиустановлены штырьки нормально замкнутой цепи и базовые штырьки, причем штырьки нормально замкнутой цепи длиннее остальных на 35 толщин крышки, а в якоре они размещены между упругими металлизированными направленными вдоль оси - лепестками с закругленными концами клемм, отделенных от якоря щелью, причем на уровне концов лепестков расположен центр клеммного отверстия диаметром 3 84252012.08.30 122, где- толщина лепестка, - ширина щели,в штырьковых отверстиях основания закреплены ограничивающие конечное положение якоря опорный штырек и два штырька нормально разомкнутой цепи с плоскими торцами,выступающими над основанием на 0,10,2, причем выступы крышки расположены над этими штырьками, а на штырьках неподвижного и подвижного электродов и штырьках базовых между основанием и крышкой размещены цилиндрические спейсеры из пластичного металла расчетной высоты , зависящей от 1 и напряжения срабатыванияпо соотношениям 1,2 1 (1 ) где- толщина напыленного якоря- высота выступов крышки 0 - электрическая постоянная- площадь электрода- жесткость держателей,и в которых для штырьков предусмотрено двухступенчатое отверстие с направляющим и контактирующим участками, причем последний расположен со стороны крышки и соединен со штырьком по прессовой посадке, а в якоре выполнены спейсерные отверстия с диаметром по широкоходовой посадке, при этом штырьки неподвижного и подвижного электродов вместе с неподвижным и подвижным электродами образуют цепь управления,а штырьки нормально замкнутой цепи и базовые, а также штырьки нормально разомкнутой цепи и базовые образуют четыре коммутируемые управляемые цепи, элементы которых в каналах соединены токоведущими тонкопленочными дорожками, сформированными на плоскостях основания и якоря, держателях, буртиках, выступах, над и под спейсерами. Совокупность указанных признаков обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет введения нормально замкнутых контактов, увеличения количества управляемых цепей, изменения напряжения срабатыванияпутем установки спейсеров соответствующей расчетной высоты . Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 представлено продольное сечение по оси симметриидвухканального микрокоммутатора со схемой координатных осей , , , на котором 1 - основание,2 - якорь,3 - крышка,4 - буртик,5 - межэлектродное расстояние,6 - держатель,7 - конец держателя,8 - контактный выступ,9 - опорный выступ,27 - неподвижный электрод,28 - подвижный электрод. На фиг. 2 представлен вид сверху на двухканальный микрокоммутатор со снятой крышкой 3, на котором 10 - штырек неподвижного электрода (НЭ),11 - штырек подвижного электрода (ПЭ),12 - штырек опорный (О),4 84252012.08.30 13 - штырек нормально замкнутой цепи (НЗЦ),14 - штырек нормально разомкнутой цепи (НРЦ),15 - штырек базовый (Б),17 - клемма,18 - лепесток,19 - скругленный конец,20 - клеммное отверстие,21 - щель,ЦУ - цепь управляющая,ЦЗ - цепь замкнутая,ЦР - цепь разомкнутая. На фиг. 3 представлено сечение АА по осям штырьков, на котором 16 - отверстие штырьковое,22 - спейсер,23 - двухступенчатое отверстие,24 - направляющий участок,25 - контактный участок,26 - спейсерное отверстие,29 - дорожка. Двухканальный микрокоммутатор содержит прямоугольные диэлектрические основание 1, якорь 2, крышку 3 (фиг. 1), располагающиеся в плоскостях с центральными горизонтальными осями ,и вертикальной осью . На внутренней плоскости основания 1 вдоль коротких сторон сформированы буртики 4 высотой , равной исходному расчетному межэлектродному расстоянию 5. Якорь 2 выполнен жестким, на его коротких сторонах параллельно осипопарно выполнены упругие консольные держатели 6. Свободные концы держателей 7 размещены над буртиками 4. Упругость держателей 6 достигается за счет уменьшения их толщины относительно толщины якоря 2. На внутренней плоскости крышки 3 имеются два контактных выступа 8 и один опорный выступ 9, расположенные по схеме равнобедренного треугольника с опорным выступом 9 на осии контактными выступами 8 симметрично этой оси (фиг. 2). Вдоль осипараллельно вертикальной осисимметрично, образуя два канала, установлены цилиндрические металлические штырьки диаметромпараллельно оси- штырек 10 неподвижного электрода (НЭ), штырек 11 подвижного электрода (ПЭ), штырек опорный 12 (О), затем в следующей последовательности симметрично осипо два штырька 13 нормально замкнутой цепи (НЗЦ), 14 - нормально разомкнутой цепи (НРЦ), 15 - базовых(Б). Штырьки 10 НЭ, 11 ПЭ, 13 НЗЦ, 15 Б выполнены с коническими верхними концами,облегчающими сборку, причем штырьки 13 НЗЦ выше других на 35 толщин крышки 3. Концы штырьков 12 О и 14 НРЦ плоские, выступающие над основанием 1 на 0,10,2, что обеспечивает точность положения включенного якоря 2. В основании 1 и крышке 2 для штырьков 10 НЭ, 11 ПЭ, 13 НЗЦ и 15 Б предусмотрены соосные штырьковые отверстия 16 диаметром, обеспечивающим стандартную ходовую посадку. Аналогичные штырьковые отверстия 16 выполнены в основании 1 для штырька 12 О и двух штырьков 14 НРЦ. В якоре 2 для обеспечения надежного скользящего электрического контакта со штырьками 13 НЗЦ сформированы клеммы 17 с упругими металлизированными лепестками 18, расположенными вдоль осив обратном направлении и имеющими скругленные концы 19. На уровне последних находится центр клеммного отверстия 20 диаметром 12 где- толщина лепестка 18,- ширина щели 21 между лепестком 18 и якорем 2. Между основанием 1 и крышкой 3 на штырьках 10 НЭ, 11 ПЭ, 15 Б установлены цилиндрические спейсеры 22 из пластичного металла высотой , зависящей от 1 и напряжения срабатыванияпо соотношениям 1,(1) 5,2 где 1 - рабочее межэлектродное расстояние- толщина напыленного якоря- высота выступов крышки 0 - электрическая постоянная- площадь электрода- жесткость держателей (фиг. 3). Выбранный диапазон 10,20,65 обусловлен тем, что верхний предел учитывает влияние коллапса якоря, который в плоскопараллельных системах наступает при 10,67 3, нижний предел ограничивает влияние на 1 погрешностей выполнения элементов размерной цепи. По расчетам реализация 1 в данном интервале дает двукратное изменение напряжения срабатывания . По оси спейсеров 22 выполнено двухступенчатое отверстие 23, состоящее из направляющего участка 24 высотой 0,9, диаметр которого выполнен по широкоходовой посадке, и контактного участка 25 высотой 0,1 с диаметром по прессовой посадке. В якоре 2 для спейсеров 22 предусмотрены спейсерные отверстия 26 с диаметром по широкоходовой посадке. На внутренних поверхностях основания 1 и якоря 2 в центральной части сформированы соответственно неподвижный 27 и подвижный 28 электроды (фиг. 1). Вокруг них, на контактных выступах 8, над и под спейсерами 22, на буртиках 4, на держателях 6 сформированы коммутирующие тонкопленочные токопроводящие дорожки 29, по толщине равные электродам, при этом расположение лепестков 18 в клеммах 17 значительно упрощает дорожку. При сборке штырьки устанавливаются в основание 1 в технологическом устройстве,обеспечивающем заданную высоту верхних концов, и закрепляются нанесением на нижнюю плоскость основания 1 диэлектрического клея, не требующего подогрева, например эпоксидного. Затем на штырьки 10 НЭ, 11 ПЭ, два штырька 15 Б направляющим участком 24 надеваются спейсеры 22 требующейся высоты . При этом контактный участок 25 пластически деформируется, плотно обжимая штырьки с усилием, гарантирующим надежный и долговечный электрический контакт. На удлиненные штырьки 13 НЗЦ клеммными отверстиями 20 устанавливается якорь 2, сдвигается в горизонтальной плоскости ,настолько, чтобы они вошли в клемму 17, при этом скругленные концы 19 лепестков 18 совместно с гладкой цилиндрической поверхностью штырьков гарантируют простоту сборки и исключают поломку лепестков 18, которая нередко случается при осевой сборке в связи с острыми углами прямоугольного сечения лепестков. Затем якорь 2 надевают на остальные остроконечные штырьки, сдвигают по осик основанию 1 до прикосновения держателей 6 к буртикам 4, создавая исходное межэлектродное расстояние 5, равное . На штырьки 10 НЭ, 11 ПЭ, 13 НЗЦ, 15 Б надевается крышка 3, вертикально сдвигается к основанию 1 до упора в спейсеры 22, прижимается к ним внешним усилием, обеспечивающим электрический контакт. При этом держатели 6 упруго деформируются, их концы 7 упираются в буртики 4 с реактивной силой , электрически соединяя подвижный электрод 28 со штырьком 11 ПЭ, а штырьки 15 Б - с дорожками на якоре 2. Одновременно с этим замыкаются контактные выступы 8 с дорожками на якоре 2. В таком прижатом положении крышка 3 закрепляется теми же клеями (эпоксидными) при комнатной температуре. В собранном виде обеспечивается надежный электрический контакт штырьков со спейсерами, спейсеров с электродами и держателями. В итоге в двухканальном микрокоммутаторе формируются электрические схемы (фиг. 2), включающие следующие основные элементы цепь управляющая (ЦУ), содержащая штырек 10 НЭ, спейсер 22, неподвижный электрод 27, подвижный электрод 28, спейсер 22, штырек 11 ПЭ две цепи управляемых, содержащих нормально замкнутую цепь (ЦЗ), состоящую из штырьков 13 НЗЦ, клемм 17, контактных выступов 8, спейсеров 22, штырьков 15 Б, и нормально разомкнутую цепь ЦР, состоящую из штырьков 14 НРЦ, спейсеров 22, штырьков 15 Б. 2 1 (1 ) 84252012.08.30 В процессе сборки не используются высокотемпературные операции (сварка, пайка и др.), которые обусловливают возникновение термомеханически напряженных зон, приводящих к разрушению деталей при сборке и впоследствии, особенно при термических и динамических внешних воздействиях, что также способствует расширению функциональных возможностей двухканальных микрокоммутаторов. Диэлектрические детали могут быть изготовлены методом электрохимического окисления алюминия и формирования анодного оксида алюминия (23) с последующим нанесением тонкопленочной металлизации посредством вакуумного напыления через маски. Толщина напыленной пленки не превышает 0,3 мкм. Спейсеры 22 высотой , рассчитанной на требующееся напряжение срабатывания , изготавливаются из тонких лент пластичных металлов (, ) гальваническим способом. Двухканальный микрокоммутатор работает следующим образом. Работа начинается с подачи выполняющих первую стадию рабочего цикла электрических сигналов на штырьки 13 НЗЦ. Затем подается напряжениена неподвижный 27 и подвижный 28 электроды через штырьки 10 НЭ и 11 ПЭ, спейсеры 22, токопроводящие дорожки 29 и начинается вторая стадия. Под действием электростатической силы 42200 2 ,(3) 2 2 2 1 где- прогиб якоря,якорь 2 приближается к основанию 1, дополнительно прогибая держатели 6, размыкая дорожки 29 на якоре 2, контактных выступах 8 крышки 3, прерывая электрическую связь штырьков 13 НЗЦ и 15 Б. При этом лепестки 18 клемм 17 скользят по цилиндрическим штырькам 13 НЗЦ практически без трения в связи с ничтожной шероховатостью поверхностей, т.е. не увеличивают сопротивление силе . Заканчивается вторая стадия рабочего цикла остановкой якоря 2 на торцах расположенных по треугольной схеме штырьков 12 О и 14 НРЦ, обеспечивающих параллельность неподвижного 27 и подвижного 28 электродов при минимальном межэлектродном расстоянии 5 и исключении КЗ между ними в связи с жесткостью якоря 2. С замыкания штырьков 14 НРЦ и 15 Б начинается третья стадия рабочего цикла, которая заключается в функционировании устройств нормально разомкнутой цепи. Замыкание штырьков 14 НРЦ и 15 Б осуществляется через спейсеры 22, дорожки 29 на основании 1, буртиках 4, упругих держателях 6, нижних боковых плоскостях якоря 2. Завершение рабочего цикла происходит при отключении напряжения , возврате якоря 2 и электрических цепей в исходное положение. В результате применения спейсеров 22 и сборки деталей в сжатом состоянии обеспечивается надежный постоянный механический и электрический контакт со штырьками и дорожками, исключающий износ и искрение в подвижных соединениях. Расчетная высота спейсеров 22 позволяет в широком диапазоне обеспечивать требуемые эксплуатационные параметры при неизменности размеров остальных деталей. Конструкция удваивает количество управляемых цепей, и каждый канал в одном цикле осуществляет коммутацию аппаратуры с различными электрическими характеристиками. Эти особенности существенно расширяют функциональные возможности полезной модели. Пример использования двухканального микрокоммутатора, например, в сетях автоматических телефонных станций (АТС) 1) звонит телефон, зажигается световое табло позвонил абонент (срабатывают замкнутые цепи) 2) владелец телефона снимает трубку подается напряжениена электроды, якорь опускается, замкнутые цепи и сигнализация (звуковая и световая) отключаются, замыкаются нормально разомкнутые цепи, обеспечивается разговор и индикация времени 3) разговор окончен, трубка положена напряжение на электродах отключено, якорь вернулся в исходное положение. Двухканальный микрокоммутатор в режиме ожидания следующего звонка. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.