close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2491

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2491
(13)
C1
6
(51) H 01H 59/00
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ МИКРОРЕЛЕ
(21) Номер заявки: 970143
(22) 18.03.1997
(46) 30.12.1998
(71) Заявитель: Институт электроники Национальной
академии наук Беларуси (BY)
(72) Авторы: Ефремов Г.И., Мухуров Н.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт
электроники
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(57)
1. Электростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую базовую подложку с неподвижными
управляющим электродом и контактом, подвижный диэлектрический якорь с подвижными управляющим электродом и контактом, диэлектрическую рамку, жестко закрепленную на диэлектрической подложке, отличающееся тем, что якорь выполнен в виде упругодеформированной прямоугольной пластины, упирающейся
двумя противоположными сторонами в опоры на подложке, причем стрела прогиба якоря направлена от
плоскости диэлектрической подложки, а опорные концы якоря защемлены между рамкой и подложкой, в которой под концами якоря выполнены пазы, шириной больше толщины стенок рамки.
2. Электростатическое микрореле по п. 1, отличающееся тем, что опоры на подложке выполнены в виде
упругих консольных балок.
3. Электростатическое микрореле по п. 1, отличающееся тем, что на опорных концах якоря выполнены
упругие консольные держатели.
(56)
1. Патент США 5367136, МПК Н03К 17/975.
2. А.с. СССР 506078, МПК Н01Н 59/00, 1973.
3. Патент ФРГ 4305033, МПК Н01Н 59/00, 1993.
Фиг. 1
Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике и может быть использовано, например, в
системах автоматики, контроля, связи, телеметрии, вычислительной и измерительной техники.
Известен микроэлектростатический переключатель [1], содержащий основание, на котором размещены неподвижная контактная площадка и управляющий электрод, и подвижный элемент в виде консольной пластины,
одним концом закрепленной на основании. Другой конец элемента расположен над неподвижным контактом и
электродом. Основание выполнено из диэлектрика, пластина - из проводящего материала и заземлена. При подаче на электрод положительного потенциала пластина притягивается к контакту и замыкает управляющую
цепь. Между пластиной и электродом при этом остается зазор.
Реле имеет низкую надежность в режиме медленного повышения управляющего напряжения, т.к. между контактом и пластиной при микронном зазоре, а также в результате нулевого или очень слабого прижимного контактного усилия, сохраняющихся в продолжении длительного времени, возникает интенсивное искрение, приводящее
BY 2491 C1
к эрозии или точечной сварке контактов и выходу реле из строя. Этот процесс имеет место даже при низких напряжениях в управляемой цепи.
Известно электростатическое реле [2], состоящее из диэлектрической подложки, на которой расположены неподвижные контакт и управляющий электрод, а также закреплена противоположными концами подвижная пластина в виде гибкой мембраны переменной ширины, средняя часть которой проходит над неподвижными
электродом и контактом. При подаче разноименных потенциалов подвижная пластина притягивается к подложке и
контакты управляемой цепи замыкаются.
Реле также, как и предыдущее, не может использоваться при медленном нарастании управляющего напряжения из-за низкой надежности.
Наиболее близким по технической сущности является микромеханическое реле с гибридным приводом [3],
которое содержит диэлектрическую базовую подложку с неподвижными управляющим электродом и контактом и жестко соединенную с подложкой диэлектрическую рамку, внутри которой размещен подвижный диэлектрический плоский якорь, соединенный с рамкой гибкими держателями. На стороне якоря, обращенной к
подложке, расположены подвижные управляющий электрод и контакт. На этой же стороне якоря и гибких держателей нанесен слой пьезоматериала. При подаче напряжения под действием электростатических сил якорь
притягивается к подложке, при этом якорь и держатели изгибаются и заряд, возникающий в деформированном
пьезослое. увеличивает силу притяжения.
Однако, эта добавочная сила очень мала и она не ускоряет процесс замыкания контактов. В режиме медленного нарастания управляющего напряжения, другими словами, в пороговом режиме, надежность реле
очень низка в связи с быстрым выгоранием контактов.
Технической задачей изобретения является повышение надежности функционирования микрореле в условиях медленного увеличения управляющего напряжения.
Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрореле, содержащем диэлектрическую базовую подложку с неподвижными управляющим электродом и контактом, подвижный якорь с
подвижными управляющим электродом и контактом, рамку, жестко закрепленную на подложке. Якорь выполнен в виде упругодеформированной прямоугольной пластины, упирающейся двумя противоположными
сторонами в опоры на подложке, причем стрела прогиба якоря направлена от плоскости подложки, а опоры
выполнены жесткими или в виде упругих балок на подложке или держателей на якоре, при этом опорные
концы якоря защемлены между рамкой и подложкой и в последней под концами якоря выполнены пазы, шириной больше толщины стенок рамки.
Выполнение якоря в виде упругодеформированной изогнутой пластины обеспечивает при медленном нарастании напряжения ее постепенное выпрямление, затем мгновенное перебрасывание в сторону подложки и замыкание контактов. Усилие сжатия контактов сразу достигает большой величины за счет, во-первых, резкого
возрастания электростатической силы в результате скачкообразного уменьшения расстояния между электродами и, во-вторых, механических продольных сил, сжимающих якорь. Для выполнения якоря в виде упругодеформированной изогнутой пластины предусмотрены опорные элементы, которые также выполняются
упругими. Это дает также возможность снизить величину управляющего напряжения. Защемление концов якоря в опорных элементах и выполнение под концами в подложке пазов, ширина которых больше толщины стенок рамки, обеспечивает возврат якоря в исходное положение после снятия управляющего напряжения. В
результате мгновенного замыкания контактов с большим усилием сжатия, исключающего искрение и эрозию
контактов, возможности снижения управляющего напряжения, обеспечения возврата якоря в исходное положение, достигается высокая надежность срабатывания реле в условиях медленного повышения управляющих (пороговых) напряжений, причем величина напряжения срабатывания может выбираться в широком интервале.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено продольное сечение микрореле, и где:
1 - диэлектрическая базовая подложка,
2 - неподвижный управляющий электрод,
3 - неподвижный контакт,
4 -диэлектрический якорь,
5 - подвижный управляющий электрод,
6 -подвижный контакт,
7 - диэлектрическая рамка,
8 - дно полости подложки,
9 - опора,
10 - углубление,
11 - паз,
12 - стенка рамки.
2
BY 2491 C1
На фиг. 2 представлен вид на микрореле сверху и часть базовой подложки с неподвижными электродом и
контактами.
На фиг. 3 представлен вид сверху на микрореле и упругие элементы на подложке и где:
13 - упругая балка.
На фиг. 4 представлен вид на микрореле и упругие элементы на якоре сверху, и где:
14 - упругий держатель.
Электростатическое микрореле содержит диэлектрическую базовую подложку 1 с неподвижными управляющим электродом 2 и контактами 3, подвижный диэлектрический якорь 4 с подвижными управляющим
электродом 5 и контактом (контактной перемычкой) 6, диэлектрическую рамку 7. Якорь 4 размещен на дне 8
полости подложки 1 в упругодеформированном состоянии, два его противоположных конца упираются в
стенки 9 полости, выполняющие роль опор, при этом стрела прогиба якоря направлена в сторону от неподвижного электрода 2. В дне полости выполнено углубление 10, глубиной меньше стрелы прогиба якоря.
Кроме того, в дне полости предусмотрены пазы 11, расположенные под опорными концами якоря. Над якорем
размещена и закреплена рамка 7, фиксирующая его положение в полости базовой подложки. Ширина окна рамки больше ширины якоря, что предоставляет якорю возможность свободного перемещения в направлении стрелы прогиба, а стенки 12 рамки, примыкающие к опорам 9 подложки, защемляют опорные концы якоря и имеют
толщину меньше ширины пазов 11.
Для малых значений управляющего напряжения с целью снижения необходимого для сближения контактов усилия, опорные стенки подложки выполнены в виде упругих балок 13 (фиг. 3), или опорные концы якоря выполняются в виде упругих держателей 14 (фиг. 4). Упругие элементы размещены симметрично
относительно продольной оси якоря и перпендикулярно к ней. С целью полного использования длины упругих элементов в подложке сформированы соответствующие выступы и выемки. Размеры упругих элементов:
длину и сечение определяют из условия обеспечения необходимого усилия для сжатия якоря до получения
нужной величины его стрелы прогиба и из условия прочности элемента.
Детали микрореле могут быть выполнены из анодного оксида алюминия путем локального анодирования и
прецизионного травления оксида по заданной топологии, обеспечиваемой фотолитографическими методами.
Электроды, контакты, коммутационные дорожки формируют вакуумным напылением через маски. Технология
позволяет изготовить конструктивные элементы в миниатюрном исполнении и с высокой точностью. Для примера
приведем следующие параметры: размеры якоря - 0,015 х 1 х 2 мм3 (здесь и далее толщина х ширина х длина), упругих балок - 0,07 х 0,1 х 1,25 мм3, упругих держателей - 0,03 х 0,04 х 1 мм3, реле - 1 х 2 х 4 мм3 (без корпуса).
Стрела прогиба якоря, в зависимости от конкретных условий эксплуатации, может быть в пределах 0,01-0,10 мм.
Электростатическое микрореле работает следующим образом.
Упругодеформированный изогнутый диэлектрический якорь 4 электростатического микрореле (фиг. 1,2) в
исходном состоянии находится под воздействием реактивных сил Р, действующих со стороны опор 9 полости
диэлектрической базовой подложки 1. Изгиб диэлектрического якоря 4 осуществляется при сборке путем его
продольного сжатия с усилием Р, превышающим его критическую силу Ркр., что сопровождается потерей якорем устойчивости и нарастанием его кривизны. Известно, что в этом случае весьма малое увеличение силы
сверх Ркр приводит к резкому увеличению стрелы прогиба. Таким образом, в реле якорь длиной l сжимается силой Р, которая в зависимости от выбранной величины стрелы прогиба h составляет:
·
§ π2 h2
(1)
P = ¨¨ 2 + 1¸¸ Pkp, H.
¹
© 8l
При подаче на управляющие электроды: неподвижный 2 и подвижный 5 разноименного потенциала U(B)
электростатическая сила F начинает деформировать диэлектрический якорь 4:
ε U2S
(2)
F = 0 2 , H,
2h
где ε 0 - диэлектрическая постоянная, равная 8,85⋅10-12 Ф/м, S - площадь управляющих электродов, м2, h
- расстояние между электродами, м.
Увеличение напряжения до заданного значения "щелчком" переводит диэлектрический якорь 4 через
прямолинейное положение и изгибает в противоположную сторону, мгновенно замыкая неподвижный контакт 3 и подвижный контакт 6. В этом положении большая величина контактного усилия обеспечивается, вопервых, резко возросшей за счет значительного сокращения h поперечной электростатической силой F, вовторых, за счет дополнительного сжатия диэлектрического якоря 4 продольными реактивными силами P, поскольку глубина углубления 10 меньше стрелы прогиба диэлектрического якоря 4-h. В защемленных концах
диэлектрического якоря 4 при изгибе его в сторону диэлектрической базовой подложки 1 возникает реактивный момент, который после отключения управляющего напряжения, преодолевая сопротивление реактив3
BY 2491 C1
ных сил Р, "выпрямляет" диэлектрический якорь 4, а затем последние возвращают его в исходное состояние,
при этом опорные концы диэлектрического якоря 4 опускаются в пазы 11 и не препятствуют изгибу диэлектрического якоря 4 благодаря тому, что ширина пазов 11 больше толщины стенки рамки 12 диэлектрической
рамки 7.
В электростатическом микрореле с упругими опорами диэлектрический якорь 4 и упругая балка 13, упругий держатель 14 (фиг. 3,4) в исходном положении находятся в равновесном состоянии, т.е. усилие, деформирующее диэлектрический якорь 4, равно усилию, деформирующему упругие балку 13 и держатель 14. При
приложении напряжения электростатическая сила нарушает равновесие, увеличивая воздействие диэлектрического якоря на упругие балку 13 и держатель 14 и, дополнительно деформируя последние, помогает диэлектрическому якорю 4 выпрямиться. Разность длины хорды изогнутого в исходном состоянии якоря и его
длины в выпрямленном положении, учитывая малую величину стрелы прогиба (10-100 мкм), ничтожна, а
дополнительная деформация упругих балки 13 и держателя 14, расположенных с обоих концов диэлектрического якоря 4, вдвое меньше. Поэтому реакция упругих балки 13 и держателя 14 возрастает лишь на очень
малую величину ∆P1, которая по расчетам составляет тысячные доли Ркр. Поскольку исходная величина равновесной силы Р не имеет значения, то электростатическое напряжение малой величины преодолевает это
дополнительное усилие ∆P1 упругих балки 13 и держателя 14 и компенсирует уменьшение действия на них
силы ∆P2 ñî стороны выпрямляемого якоря, причем ∆P2<<∆P1. Величина электростатического усилия F, полученного из допустимого для инженерных расчетов предположения, что суммарная электростатическая сила приложена в центре изогнутого диэлектрического якоря 4 и действует на упругие балку 13 и держатель 14
по законам клина, составляет:
4h( ∆P1 + ∆P2 )
, H , (3)
F=
l
т.е. клиновой эффект, учитывая малые исходные значения h и дальнейшее уменьшение стрелы прогиба
до нуля, позволяет в десятки и сотни раз снизить величину электростатической силы F по отношению к силе,
необходимой для дополнительного деформирования упругих опор. Пропорционально F cнижается напряжение (см. формулу 2).
Приложенная сила F выпрямляет диэлектрический якорь 4 и начинает прогибать его в сторону диэлектрической базовой подложки 1. В этот момент под действием сжимающих реактивных сил упругих балки 13 и держателя 14 и возрастающей, согласно формуле (2), электростатической силы диэлектрический якорь 4 теряет
устойчивость и мгновенно прогибается, с большим усилием замыкая контакты цепи управления. Реактивные
моменты защемленных концов после снятия напряжения возвращают диэлектрический якорь 4 в исходное положение.
Конструкция электростатического микрореле предоставляет исключительно широкие возможности выбора требуемой величины управляющего напряжения срабатывания. За счет изменения размеров диэлектрического якоря 4 и упругих элементов, стрелы прогиба диэлектрического якоря 4, площади электродов, места
расположения их на диэлектрическом якоре 4, рабочее напряжение может изменяться от единиц до сотен
Вольт.
Предлагаемая конструкция электростатического микрореле за счет мгновенного замыкания контактов и
сжатия их с большим усилием в результате совместного действия электростатических и дополнительных механических сил, исключает искрение и эрозию контактов, обеспечивает
4
BY 2491 C1
высокую надежность срабатывания реле в условиях медленного нарастания управляющего напряжения. Реле
способно успешно функционировать в широком диапазоне напряжений.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Cоставитель В.А. Тугбаев
Редактор В.Н. Позняк
Корректор Т.Н. Никитина
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
180 Кб
Теги
by2491, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа