Планарное электростатическое микрореле (варианты)

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ(72) Авторы Ефремов Георгий Игнатьевич Мухуров Николай ИвановичГалдецкий Александр Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ(57) 1. Планарное электростатическое микрореле, содержащее диэлектрические подложку и консольный упругий якорь, разделенные межэлектродным промежутком, неподвижные и подвижные управляющие тонкопленочные электроды, а также неподвижные и подвижные тонкопленочные контакты управляемой цепи с соответствующими тонкопленочными контактными площадками и тонкопленочную контактную дорожку, отличающееся тем,что диэлектрический консольный упругий якорь с выступом на свободном конце образован в диэлектрической подложке с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки сквозных пазов, один из длинных пазов по ширине равен межэлектродному промежутку, задаваемому с одной стороны поверхностью подложки с неподвижным 5486 1 управляющим тонкопленочным электродом и тонкопленочным контактом управляемой цепи на ней и с другой стороны поверхностью диэлектрического консольного упругого якоря с подвижным управляющим тонкопленочным электродом на нем и подвижным тонкопленочным контактом управляемой цепи на выступе на свободном конце якоря, тонкопленочная контактная дорожка от подвижного тонкопленочного контакта управляемой цепи расположена на другой поверхности диэлектрического консольного упругого якоря,ширина которого равна толщине диэлектрической подложки. 2. Микрореле по п. 1, отличающееся тем, что диэлектрический консольный упругий якорь выполнен в виде консольного стержня прямоугольного сечения, а высота выступа на его свободном конце равна 0,050,1 ширины межэлектродного промежутка, причем толщина консольного стержня меньше толщины диэлектрической подложки или равна ей. 3. Планарное электростатическое микрореле, содержащее диэлектрические подложку и консольный упругий якорь, разделенные межэлектродным промежутком, неподвижные и подвижные управляющие тонкопленочные электроды, а также неподвижные и подвижные тонкопленочные контакты управляемой цепи с соответствующими тонкопленочными контактными площадками и тонкопленочную контактную дорожку, отличающееся тем,что диэлектрический консольный упругий якорь с выступом на свободном конце образован в диэлектрической подложке с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки сквозных пазов, а также сквозного окна с образованием П-образной рамки,один из длинных пазов по ширине равен межэлектродному промежутку, задаваемому с одной стороны поверхностью подложки с неподвижным управляющим тонкопленочным электродом на нем и с другой стороны поверхностью первой длинной ветви рамки диэлектрического консольного упругого якоря с подвижным управляющим тонкопленочным электродом на ней, сформированным на всех ее четырех поверхностях, на второй длинной ветви рамки, отделенной от первой сквозным окном, на всех ее четырех поверхностях выполнена тонкопленочная контактная дорожка от подвижного тонкопленочного контакта управляемой цепи на выступе рамки, расположенном на ее короткой ветви с внешней стороны, а неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи размещен на выступе в диэлектрической подложке напротив выступа рамки. 4. Микрореле по п. 3, отличающееся тем, что дополнительно содержит третью длинную ветвь рамки со сформированным подвижным управляющим тонкопленочным электродом на всех ее четырех поверхностях с образованием диэлектрического консольного упругого якоря в виде П -образной рамки, а в диэлектрической подложке в промежутке П между второй средней длинной ветвью рамки с тонкопленочной контактной дорожкой и третьей длинной ветвью рамки с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости диэлектрической подложки сквозных пазов образована диэлектрическая площадка со вторым неподвижным управляющим тонкопленочным электродом. 5486 1 Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может быть использовано, например, в системах автоматики, контроля, измерительной техники. Известен микроэлектронный маятникообразный ключ 1, содержащий диэлектрическую подложку, на которой размещены управляющий неподвижный электрод (НЭ) и неподвижный контакт (НК) управляемой цепи, и закрепленную на поверхности подложки токопроводящую пластину толщиной(м), сформованную таким образом, что ее свободная часть длиной(м) располагается параллельно поверхности подложки над НЭ и НК. Расстояние между пластиной и НЭ образует межэлектродный промежуток (МП) шириной(м). Пластина заземлена. При подаче на НЭ положительного потенциала, создающего рабочее напряжение , свободный конец пластины притягивается к подложке, соединяется с НК и электрическая цепь замыкается. Величина рабочего напряжения составляет 1,87 105 где Е - модуль упругости материала пластины, Н/м 2, т.е. находится в сильной зависимости от геометрических параметров ключа длины электродной части пластины , ее толщиныи величины межэлектродного промежутка , являющегося замыкающим звеном сборочной размерной цепи, на котором суммируются погрешности всех остальных звеньев. Точность этих размеров и особенно МП низка, что является следствием сборной конструкции ключа, состоящего из деталей малой жесткости. Это в результате приводит к большому разбросу основного технического параметра ключа - рабочего напряжения . Ключ не обеспечивает надежности срабатывания при подаче на него заданного, фиксированного по величине, значения рабочего напряжения . Известно микромеханическое электростатическое реле 2 с базовой подложкой, в которой выполнено углубление с наклонным дном. Над базовой подложкой расположен держатель, в котором размещен плоский упругий консольный якорь. На дне углубления и на якоре предусмотрены изолированные друг от друга электропроводные слои, из которых сформированы электроды управляющей цепи и контакты управляемой. Выполнение конструкции сборной, коробление якоря при температурных операциях технологического процесса вносят существенные погрешности в размер межэлектродного расстояния , что согласно (1) оказывает большое влияние на величину рабочего напряжения . Реле не обеспечивает надежности срабатывания при подаче на него заданного, фиксированного по величине, значения рабочего напряжения . Наиболее близким по технической сущности является микромеханический переключатель 3, состоящий из кремниевой подложки с окисленной поверхностью, из которой методом анизотропного травления сформирован тонкий плоский окисный консольный якорь, а под ним - полость в подложке. На якоре размещены подвижные электрод и контакт, на дне полости расположены неподвижные электрод и контакт. Точность получения межэлектродного расстояния в таком микромеханическом переключателе невелика. К тому же в результате разности рабочих и технологических температур, различных по величине коэффициентов термического расширения кремния, его окисла и односторонне нанесенных металлических пленок возникает коробление якоря, которое дополнительно увеличивает разброс величины МП. Кроме того, близкое и теневое расположение элементов электрических цепей на одной непрерывной поверхности значительно усложняет технологию и резко снижает сопротивление между управляющей и управляемой цепями. В совокупности эти факторы существенно увеличивают разброс значений рабочего напряжения. Переключатель не обеспечивает надежности срабатывания при подаче на него заданного, фиксированного по величине значения рабочего напряжения . 3 5486 1 Технической задачей изобретения является повышение надежности срабатывания микрореле при подаче на него заданного, фиксированного по величине, значения рабочего напряжения . Решение технической задачи достигается тем, что в планарном электростатическом микрореле, содержащем диэлектрические подложку и консольный упругий якорь, разделенные межэлектродным промежутком, неподвижные и подвижные управляющие тонкопленочные электроды, а также неподвижные и подвижные тонкопленочные контакты управляемой цепи с соответствующими тонкопленочными контактными площадками и тонкопленочную контактную дорожку, диэлектрический консольный упругий якорь с выступом на свободном конце образован в диэлектрической подложке с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки сквозных пазов, один из длинных пазов по ширине равен межэлектродному промежутку, задаваемому с одной стороны поверхностью подложки с неподвижным управляющим тонкопленочным электродом и тонкопленочным контактом управляемой цепи на ней и с другой стороны поверхностью диэлектрического консольного упругого якоря с подвижным управляющим тонкопленочным электродом на нем и подвижным тонкопленочным контактом управляемой цепи на выступе на свободном конце якоря, тонкопленочная контактная дорожка от подвижного тонкопленочного контакта управляемой цепи расположена на другой поверхности диэлектрического консольного упругого якоря, ширина которого равна толщине диэлектрической подложки. Кроме того, диэлектрической консольный упругий якорь может быть выполнен в виде консольного стержня прямоугольного сечения, а высота выступа на его свободном конце равна 0,050,1 ширины межэлектродного промежутка, причем толщина консольного стержня меньше толщины диэлектрической подложки или равна ей. Решение технической задачи достигается тем, что в планарном электростатическом микрореле, содержащем диэлектрические подложку и консольный упругий якорь, разделенные межэлектродным промежутком, неподвижные и подвижные управляющие тонкопленочные электроды, а также неподвижные и подвижные тонкопленочные контакты управляемой цепи с соответствующими тонкопленочными контактными площадками и тонкопленочную контактную дорожку, диэлектрический консольный упругий якорь с выступом на свободном конце образован в диэлектрической подложке с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки сквозных пазов, а также сквозного окна с образованием П-образной рамки, один из длинных пазов по ширине равен межэлектродному промежутку, задаваемому с одной стороны поверхностью подложки с неподвижным управляющим тонкопленочным электродом на нем и с другой стороны поверхностью первой длинной ветви рамки диэлектрического консольного упругого якоря с подвижным управляющим тонкопленочным электродом на ней, сформированным на всех ее четырех поверхностях, на второй длинной ветви рамки, отделенной от первой сквозным окном, на всех ее четырех поверхностях выполнена тонкопленочная контактная дорожка от подвижного тонкопленочного контакта управляемой цепи на выступе рамки, расположенном на ее короткой ветви с внешней стороны, а неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи размещен на выступе в диэлектрической подложке напротив выступа рамки. Кроме того, микрореле дополнительно содержит третью длинную ветвь рамки со сформированным подвижным управляющим тонкопленочным электродом на всех ее четырех поверхностях с образованием диэлектрического консольного упругого якоря в виде П -образной рамки, а в диэлектрической подложке в промежутке между второй средней П длинной ветвью рамки с тонкопленочной контактной дорожкой и третьей длинной ветвью рамки с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости диэлектрической подложки сквозных пазов образована диэлектрическая площадка со вторым неподвижным управляющим тонкопленочным электродом. 4 5486 1 Планарная конструкция микрореле, в которой конфигурация неподвижных и подвижных элементов формируется из единой плоской диэлектрической подложки путем создания (причем за одну операцию) сквозных пазов, гарантирует прецизионную точность выполнения всех элементов и, что особенно важно, ширины межэлектродного промежутка ,толщиныи длиныдиэлектрического консольного упругого якоря, высоты выступа на свободном конце якоря с подвижным тонкопленочным контактом управляемой цепи. Нанесение токопроводящих металлических тонких пленок на две противоположные или на все четыре поверхности диэлектрического упругого консольного якоря обеспечивает в последнем при температурных перепадах симметричное распределение механических напряжений, что устраняет коробление подвижных элементов, а превышение ширины последних над толщиной предопределяет перемещение подвижных элементов при изгибе в плоскости подложки. Высокая точность геометрических размеров всех элементов, сохранение ее при температурных воздействиях, перемещение подвижных элементов только в плоскости подложки, исключение сборочных операций, согласно формуле (1), обеспечивают получение планарного микрореле с высокой надежностью срабатывания при подаче на него заданного, фиксированного по величине, значения рабочего напряжения . Исполнение диэлектрического консольного упругого якоря в виде П- и П -образных П рамок при малой толщине подвижного элемента гарантирует высокую изолированность управляющей и управляемой цепей друг от друга за счет разделения их сквозной щелью,причем П -образная рамка дополнительно к этому обеспечивает повышенное контактное П усилие за счет параллельного подключения второй пары подвижных и неподвижных управляющих тонкопленочных электродов, а наличие выступа рамки под подвижный тонкопленочный контакт и выступа в диэлектрической подложке под неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи исключает замыкание неподвижного и подвижного управляющих тонкопленочных электродов при практически несущественном уменьшении величины электростатической силы. Таким образом, для данной конструкции значения рассчитанных электрических параметров также гарантируют получение планарного микрореле с высокой надежностью срабатывания при подаче на него заданного, фиксированного по величине, значения рабочего напряжения . Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4. На фиг. 1 представлен вид сверху на планарное электростатическое микрореле с консольным упругим якорем в виде консольного стержня, на котором 1 - диэлектрическая подложка,2 - диэлектрический консольный упругий якорь,3 - межэлектродный промежуток,4 - неподвижный управляющий тонкопленочный электрод,5 - подвижный управляющий тонкопленочный электрод,6 - неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи,7 - подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи,8 - тонкопленочная контактная площадка к неподвижному управляющему тонкопленочному электроду,9 - тонкопленочная контактная площадка к подвижному управляющему тонкопленочному электроду,10 - тонкопленочная контактная площадка к неподвижному тонкопленочному контакту управляемой цепи,11 - тонкопленочная контактная площадка к подвижному тонкопленочному контакту управляемой цепи,12 - тонкопленочная контактная дорожка,13 - трехсторонние перпендикулярные к плоскости подложки сквозные пазы,14 - выступ на свободном конце. 5 5486 1 На фиг. 2 представлено сечение микрореле на фиг. 1 по межэлектродному промежутку 3. На фиг. 3 представлен вид сверху на планарное электростатическое микрореле с диэлектрическим консольным упругим якорем в виде П-образной рамки, на котором 15, 16 - первая и вторая длинные ветви рамки,17 - сквозное окно,18 - выступ рамки,19 - короткая ветвь рамки,20 - контактная тонкопленочная дорожка,21 - подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи,22 - выступ в диэлектрической подложке. На фиг. 4 представлен вид сверху на планарное электростатическое микрореле с диэлектрическим консольным упругим якорем в виде П -образной рамки, на котором П 23 - третья длинная ветвь рамки. 24, 25 - первый и второй четырехповерхностные подвижные управляющие тонкопленочные электроды,26 - диэлектрическая площадка,27 - второй неподвижный управляющий тонкопленочный электрод,28 - второй межэлектродный промежуток. Планарное электростатическое микрореле (фиг. 1, 2) состоит из плоской диэлектрической подложки 1, в которой сформирован диэлектрический консольный упругий якорь 2 шириной а, равной толщине подложки В, и толщиной , отделенный от диэлектрической подложки 1 трехсторонними перпендикулярными к ее плоскости сквозными пазами 13. У диэлектрического консольного упругого якоря 2 предусмотрен выступ на свободном конце 14 высотой 0,050,1 , направленный в сторону межэлектродного промежутка 2. На обращенных друг к другу поверхностях диэлектрической подложки 1 и диэлектрического консольного упругого якоря 2, разделенных межэлектродным промежутком 3 нанесены управляющие электроды неподвижный управляющий тонкопленочный электрод 4 на диэлектрической подложке 1 и подвижный управляющий тонкопленочный электрод 5 на диэлектрическом консольном упругом якоре 2, выведенные на соответствующие тонкопленочные контактные площадки 8 и 9. На выступе на свободном конце 14 и диэлектрической подложке 1 с межэлектродным промежутком 3 размещены неподвижный 6 и подвижный 7 тонкопленочные контакты управляемой цепи, соединенные с тонкопленочными контактными площадками к неподвижному тонкопленочному контакту управляемой цепи 10 и к подвижному тонкопленочному контакту управляемой цепи 11, причем тонкопленочная контактная дорожка 12 от подвижного тонкопленочного контакта управляемой цепи 7 расположена на другой поверхности диэлектрического консольного упругого якоря 2. При толщине диэлектрического консольного упругого якоря 2, не обеспечивающей получение требуемой развязки электрических цепей при больших рабочих величинах разности потенциалов, диэлектрический консольный упругий якорь 2 выполняется в виде Побразной (фиг. 3) или П -образной (фиг. 4) рамки. П У П-образной рамки одна ее длинная ветвь, например, первая длинная ветвь рамки 15,на всех поверхностях покрыта подвижным управляющим тонкопленочным электродом 5,а вторая длинная ветвь рамки 16 - контактной тонкопленочной дорожкой 20. На короткой ветви рамки 19 выполнен выступ рамки 18 с подвижным тонкопленочным контактом управляемой цепи 7. Первая и вторая длинные ветви рамки 15, 16 разделены сквозным окном 17, которое обеспечивает надежную развязку управляющей и управляемой цепей при больших рабочих величинах разности потенциалов и одновременном упрощении про 6 5486 1 цесса нанесения тонкопленочных элементов на боковые поверхности трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки сквозных пазов 13. У П -образной рамки наряду с первой и второй длинными ветвями рамки 15, 16 соП держится третья длинная ветвь рамки 23 со вторым четырехповерхностным подвижным управляющим тонкопленочным электродом 25, на второй длинной ветви рамки 16 расположена контактная тонкопленочная дорожка 20 и подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи 21 на выступе рамки 18, на первой и третьей длинных ветвях рамки 15,23 - первый и второй четырехповерхностные подвижные управляющие тонкопленочные электроды 24, 25. В диэлектрической подложке 1 между второй и третьей длинными ветвями рамки 16 и 23 с помощью трехсторонних перпендикулярных к плоскости подложки сквозных пазов 13 сформирована диэлектрическая площадка 26, на которой размещен второй неподвижный управляющий тонкопленочный электрод 27. Третья длинная ветвь рамки 23 со вторым четырехповерхностным подвижным управляющим тонкопленочным электродом 25 и второй неподвижный управляющий тонкопленочный электрод 27 образуют второй межэлектродный промежуток 28, равный межэлектродному промежутку 3. Аналогичные подвижные и неподвижные управляющие тонкопленочные электроды обоих межэлектродных промежутков подключены параллельно в электрическую цепь управления. Диэлектрическая подложка 1 с диэлектрическим консольным упругим якорем 2 может быть выполнена из толстых пленок и пластин анодного оксида алюминия путем локального травления оксида, например, через фоторезистивные маски. Анодный оксид алюминия имеет высокие значения прочности и упругости (40107 Н/м 2,141010 Н/м 2), а также поверхностного и объемного электросопротивления (11015 Ом/кв. и 51010 Ом/м). Способ позволяет получить толщину подложек от 0,5 до 800 мкм (соответственно и ширину стоек) при толщине ветвей от 0,4 мкм и выше с учетом выполнения соотношения В,обеспечивающего деформирование ветвей в плоскости подложки. Клин травления при формировании пазов благодаря пористому строению оксида не превышает 0,005. Способ гарантирует прецизионную точность одновременного изготовления за одну операцию травления всей конфигурации подложки, в том числе, межэлектродных промежутков и выступа, который в объемных конструкциях выполняется за счет повторных напылений. Токопроводящие элементы формируются вакуумным напылением через маски, причем нанесение в межэлектродном промежутке электродов и контактов на образующих один из длинных пазов поверхностях, перпендикулярных к плоскости подложки, выполняется на двух противоположных поверхностях подложки плазменным методом распыления, обеспечивающим равномерность покрытия поверхностей независимо от их пространственной ориентации. Высокое сопротивление изоляции между электрическими цепями управления и коммутации обеспечивается разделяющими пазами и окнами в подложке. Планарное электростатическое микрореле работает следующим образом. При подаче разноименных зарядов, создающих фиксированное по величине значение рабочего напряжения, на неподвижный управляющий тонкопленочный электрод 4 и подвижный управляющий тонкопленочный электрод 5 (фиг. 1, 2) за счет возникающей при этом в межэлектродном промежутке 3 электростатической силы диэлектрический консольный упругий якорь 2, изгибаясь, приближается к неподвижному управляющему тонкопленочному электроду 4 и замыкает неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи 6 и подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи 7, соединенные с тонкопленочной контактной площадкой к неподвижному тонкопленочному контакту управляемой цепи 10 и тонкопленочной контактной площадкой к подвижному тонкопленочному контакту управляемой цепи 11. Контактное давление достигает относительно большой величины, т.к. механическое сопротивление диэлектрического консольного упругого якоря 2 изгибу нарастает примерно пропорционально увеличивающейся стреле 7 5486 1 прогиба, а электростатическая сила возрастает обратно пропорционально квадрату уменьшающегося межэлектродного промежутка 3 и теоретически, при 0 становится равной бесконечности. Это обеспечивает замыкание контактов управляемой цепи и срабатывание внешней функциональной аппаратуры. Во включенном состоянии благодаря выступу на свободном конце 3 диэлектрического консольного упругого якоря 2 между неподвижным управляющим тонкопленочным электродом 4 и подвижным управляющим тонкопленочным электродом 5 остается зазор в пределах единиц микрон, который исключает их замыкание и залипание. При снятии разноименных зарядов электростатическая сила исчезает и упругие механические реактивные силы возвращают диэлектрический консольный упругий якорь 2 в исходное положение, размыкая неподвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи 6 и подвижный тонкопленочный контакт управляемой цепи 6. Изоляция управляющей цепи 4-5 от управляемой 6-7 в районе межэлектродного промежутка 3 обеспечивается торцевыми стенками диэлектрического консольного упругого якоря 2, лежащими в плоскости внешних поверхностей диэлектрической подложки 1, которые в процессе напыления были защищены маской от напыляемого металла. При малой толщине диэлектрического консольного упругого якоря 2 с целью исключения вероятности возникновения токов утечек в результате возможного подпыления металла на изолирующие стенки и обеспечения работоспособности при высоких значениях рабочих электрических напряжений подвижный элемент выполняется в виде П-образной или П -образП ной рамки, в которых роль изоляции выполняют сквозное окно 17 в диэлектрической подложке 1. Принцип действия таких микрореле аналогичен первому, но в П -образной П конструкции обеспечивается большее значение контактного усилия. Источники информации 1.5367136, 1994. 2.4302204, 1993. 3., 1982. -. - . 70.5. - . 420-457. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9