close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2667

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2667
(13)
C1
6
(51) H 01H 59/00
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ МИКРОРЕЛЕ
(21) Номер заявки: 961016
(22) 1996.10.24
(46) 1999.03.30
(71) Заявитель: Институт
электроники
Беларуси (BY)
(72) Авторы: Григоришин И.Л., Ефремов Г.И.,
Мухуров Н.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт электроники НАН
Беларуси (BY)
НАН
(57)
Электростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую подложку с углублением, на дне которого сформированы неподвижные управляющий электрод и контакты, и диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей подвижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакт, отличающееся тем, что диэлектрическая подложка выполнена с двухступенчатым углублением,
первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные
контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней
размещен неподвижный управляющий электрод, а подвижный элемент выполнен упругим, при этом его толщина, высота выступов первой ступени и расстояние между ними выбраны из соотношения:
h = 0,116
L 3 ε 0 U п2 L
,
t
E
где h - толщина подвижного элемента, м;
t - высота выступов первой ступени, м;
L - расстояние между выступами первой ступени, м;
ε 0 - электрическая постоянная, равная 8,85 ⋅10 -12 Ф/м;
Uп - напряжение срабатывания (пороговое), В;
Е - модуль упругости материала подвижного элемента, Н/м2, причем подвижные управляющий электрод
и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению.
Фиг. 1
BY 2667 C1
(56)
1. K.E.Petersen. «Silicon as a Mechanical Material», May, 1982, Proceedings of the IEEE, vol. 70, № 5. - Р.420457.
2. А.с. СССР 506078, МПК H 01H 59/00, 1973.
3. А.с. СССР 1575249, МПК H 01H 59/00, 1990 (прототип).
Изобретение относится к электротехнике и микроэлектронике и может быть использовано, например, в
системах автоматики, контроля, связи, телеметрии, вычислительной и измерительной техники.
Известны микромеханические переключатели [1], выполненные на кремниевой подложке с тонкопленочным консольным подвижным элементом, полученным травлением. На подложке расположены неподвижные
управляющий электрод и контакт внешней управляемой цепи, на консоли - подвижные управляющий электрод и замыкающий контакт. При подаче разноименного потенциала на электроды консольный элемент прогибается за счет электростатических сил и замыкающий контакт коммутирует внешнюю цепь. Реле имеет
низкую надежность вследствие сильного коробления консоли, обусловленного большой разностью рабочих
и технологических температур и коэффициентов термического расширения его материалов.
Известно электростатическое реле, в котором подвижный элемент выполнен в виде гибкой мембраны переменной ширины [2]. Для срабатывания реле необходимо приложить к его управляющим электродам достаточно
высокое напряжение, т.к. для получения необходимого смещения подвижного контакта жесткозакрепленная концами мембрана электростатическими силами должна быть не только изогнута, но и растянута. Вместе с этим известно, что деформации растяжения (при прочих равных условиях) требуют усилия во много раз большего, чем
деформации изгиба.
Электростатическое реле [3], выбранное в качестве прототипа, выполнено на двух жестко соединенных
между собой диэлектрических подложках. В неподвижной подложке предусмотрено углубление с плоским
дном, в середине которого расположены контакты внешней цепи, а по обеим сторонам от них - тонкопленочный управляющий неподвижный электрод. Во второй подложке выполнены сквозные пазы, образующие
в середине подложки подвижный элемент в виде жесткой пластины, соединенной с каркасной частью подложки четырьмя упругими балочными держателями. Они расположены симметрично по отношению к одной
из осей пластины и под углом к этой оси, причем углы вершинами направлены в одну сторону. На внутренней стороне подвижного элемента, обращенного к неподвижной подложке, расположен подвижный контакт,
на внешней - подвижный управляющий электрод.
При подаче управляющего напряжения распределенная электростатическая сила притягивает подвижный элемент, контакты соединяются и внешняя управляемая цепь замыкается. При этом держатели прогибаются, их концы, соединенные с подвижным центром, перемещаются по дугам, расположенным в параллельных плоскостях, поэтому в них возникают только напряжения изгиба. В результате достигается значительное снижение напряжения
срабатывания. Во включенном микрореле управляющие электроды разделены слоем диэлектрического материала
подвижного центра. Это исключает короткое замыкание между управляющими электродами. Но при этом в диэлектрическом материале индуцируется двойной слой электрических зарядов, создающих дополнительное электростатическое поле, в результате действия которого дополнительная электростатическая сила между управляющими электродами удерживает их в «притянутом» состоянии. Процесс разрядки двойного электрического слоя
зависит от электрофизических свойств диэлектрика и состояния окружающей среды и может продолжаться длительное время. В частности, при высокой разности потенциалов между управляющими электродами и герметизации реле в вакууме время нахождения управляющих пластин в «притянутом» состоянии может составлять несколько часов после отключения напряжения управления. Задержка размыкания управляемой цепи после
отключения управляющего напряжения, зависимость длительности этого процесса от многих факторов существенно снижают надежность работы реле, а также частоту его срабатывания. Выполнение подвижного элемента жестким также снижает надежность реле, т.к. в случае отклонения подложек от плоскостности высока вероятность
посадки подвижного центра точками диэлектрического слоя на участки неподвижного электрода, в результате чего
замыкание контактов управляемой цепи или получение требуемого усилия их сжатия не будут гарантированы.
Кроме того, необходимость жесткости элемента обусловливает его повышенную толщину, что увеличивает массу
подвижного элемента и при заданной величине управляющего напряжения приводит к снижению частоты срабатывания реле.
Технической задачей изобретения является повышение надежности и частоты срабатывания микрореле за
счет устранения задержки размыкания управляющих электродов посредством исключения значительного
диэлектрического слоя между ними и за счет обеспечения необходимого усилия сжатия всех контактов и
уменьшения подвижной массы реле посредством применения центра с определенной упругостью.
Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрореле, содержащем диэлектрическую подложку с углублением, на дне которого сформированы неподвижные управляющий электрод и
контакты, и диэлектрическую пластину с соединенным с ней посредством упругих балочных держателей под2
BY 2667 C1
вижным элементом, на котором размещены подвижные управляющий электрод и контакт, диэлектрическая
подложка выполнена с двухступенчатым углублением, первая ступень, верхняя, расположена на противоположных сторонах углубления и на ней размещены неподвижные контакты, вторая ступень, нижняя, расположена в середине углубления между выступами первой ступени и на ней размещен неподвижный управляющий
электрод, а подвижный элемент выполнен упругим, при этом его толщина, высота выступов первой ступени и
расстояние между ними выбраны из соотношения:
2
L 3 ε0UпL
,
(1)
t
E
где h - толщина подвижного элемента, м; L - расстояние между выступами, м; t - высота выступов, м; Е - модуль упругости материала элемента, Н/м2; ε0 - электрическая постоянная, 8,85⋅10-12 Ф/м; Uп - напряжение срабатывания
микрореле, В, причем подвижные управляющий электрод и контакты сформированы на стороне подвижного элемента, обращенной к углублению.
Выполнение неподвижной подложки с двухступенчатым углублением, расположение управляющих электродов на
плоскостях подложек, обращенных друг к другу, позволяют обеспечить зазор между управляющими электродами без
использования слоя диэлектрического материала, возникновение электростатических зарядов в котором приводило в
прототипе к задержке размыкания электродов. Приведенное соотношение размеров гарантирует равенство усилия
сжатия всех контактов и получение необходимого расстояния между электродами при пониженной массе элемента. В
результате устранения задержки размыкания электродов, обеспечения равенства сжатия контактов, уменьшения подвижной массы достигается повышение надежности и частоты срабатывания микрореле.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено продольное сечение микрореле и где:
1 - неподвижная подложка,
2 - неподвижная пластина,
3 - двухступенчатое углубление,
4 - первая ступень углубления,
5 - неподвижные контакты управляемой цепи,
6 - вторая ступень углубления,
7 - управляющий неподвижный электрод,
8 - подвижный элемент,
9 - балочные держатели,
10 - управляющий подвижный электрод,
11 - замыкающий контакт,
12 - замыкающая перемычка.
На фиг. 2 представлен вид сверху на микрореле и часть неподвижной подложки.
Электростатическое микрореле содержит диэлектрические неподвижные подложку 1 и пластину 2, жестко соединенные между собой (фиг. 1, 2). В подложке 1 выполнено двухступенчатое углубление 3. На первой
ступени 4, выполненной на противоположных сторонах углубления, расположены неподвижные контакты 5
управляемой цепи. На второй ступени 6, размещенной между выступами первой ступени, сформирован
управляющий неподвижный электрод 7. В пластине 2 расположен подвижный элемент 8, соединенный с
каркасом пластины эластичными балочными держателями 9, выполненными аналогично конструкции прототипа. На внутренней стороне центра 8, обращенной к подложке 1, находятся управляющий подвижный
электрод 10 и замыкающие контакты 11 или перемычки 12. Каркас пластины 2, держатели 9, элемент 8 могут иметь разную толщину, которая для каждого элемента определяется независимо в соответствии с его
функциональным назначением.
Подложки микрореле могут быть выполнены из анодного оксида алюминия путем локального анодирования и
травления алюминия по заданному топологическому рисунку. Тонкопленочные электроды и контакты формируются методом вакуумного напыления. Технология обеспечивает получение микрореле с габаритными размерами
порядка 3,0х4,0х0,07 мм3 и минимальным расстоянием между управляющими электродами в рабочем состоянии
до 2...5 мкм, весом 0,01...0,1 Н.
Микрореле работает следующим образом.
При подаче напряжения U(B) на управляющие электроды 7 и 10, площадь которых S(м2), между последними возникает электростатическая сила Fэ, равная
h = 0,116
ε U 2S
(2)
Fэ = 0
, H.
2t 2
Под действием электростатической силы Fэ подвижный элемент 8, на котором расположен подвижный
электрод 10, начинает смещаться к неподвижному электроду 7, изгибая балочные держатели 9. В последних
возникает реактивная сила сопротивления Fg, равная:
3
BY 2667 C1
a 3b tnE
(3)
Fg = 3 ⋅
,H ,
4
l
где a, b, l - толщина, ширина и длина держателей, м; n - количество держателей; Е - модуль упругости материала держателей, Н/м2.
В каждый момент этого перемещения соблюдается условие:
Fэ = Fg.
(4)
При достижении некоторого промежуточного напряжения U' произойдет соприкосновение замыкающих
контактов 11, 12 с неподвижными контактами 5. Однако управляемая электрическая цепь еще не будет замкнута, т.к. в этот момент усилие прижатия контактов Р равно нулю:
Р = Fэ - Fg = 0.
(5)
Согласно экспериментальным данным, надежное функционирование слаботочных контактов, выполненных из сплавов на основе серебра или золота, в данных конструкциях реле обеспечивается при силе сжатия
контактов не менее 2,5⋅10-4 Н.
Дальнейшее повышение напряжения на величину Uк, обеспечивающую получение нужной силы сжатия и
составляющую, согласно формуле (2):
0,0224t
,
(6)
Uђ =
ε 0S
приводит к замыканию управляемой электрической цепи, т.е. к срабатыванию микрореле. Пороговое напряжение Uп составит:
Uп = U' + UК.
(7)
Соответствующая пороговому напряжению Uп электростатическая сила Fп уравновешивается частично
реактивными силами держателей и частично реактивными силами контактных площадок и в полной величине воспринимается подвижным элементом, деформируя его так, что стрела прогиба f достигает примерно
половины высоты контактных выступов, т.е.
f ≈ 0,5t .
(8)
Увеличение жесткости снизит вероятность замыкания всех контактов микрореле, повысит массу и инерционность микрореле. При малой жесткости велика возможность замыкания управляющих электродов.
Условие (8) обеспечивается соответствующим соотношением толщины h элемента с другими его геометрическими параметрами и пороговым напряжением. Это соотношение согласно приемлемой для практических конструкторских работ известной зависимости прогиба f шарнирно опертой двухопорной балки от распределенной нагрузки:
5 Fп ⋅ L3
5 Fп ⋅ L3
,
=
(9)
384 E ⋅ I
32 sh 3 E
где I - момент инерции сечения элемента, м4; s,h - ширина, толщина элемента, м, и, согласно формулам (2),
(8), составляет:
f =
2
L 3 ε0UпL
.
(10)
t
E
Таким образом, при достижении напряжения срабатывания Uп под действием электростатических сил упругий элемент деформируется, обеспечивая получение нужного расстояния между управляющими электродами, т.е. соответствующей величины Fп, и достаточной силы сжатия контактов.
При снятии напряжения элемент свободно возвращается в исходное положение за счет своей упругости и
упругости держателей. Силы, препятствующие этому движению, в данной конструкции отсутствуют.
Микрореле одинаково успешно может функционировать как в пороговом режиме, так и в режиме экстренного включения.
h = 0,116
4
BY 2667 C1
Фиг. 2
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
153 Кб
Теги
by2667, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа