close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7919

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7919
(13) C1
(19)
(46) 2006.04.30
(12)
7
(51) H 01H 59/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР
BY 7919 C1 2006.04.30
(21) Номер заявки: a 20030106
(22) 2003.02.10
(43) 2004.09.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт электроники
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Мухуров Николай Иванович;
Ефремов Георгий Игнатьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное научное учреждение "Институт электроники Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(56) CHAN E.K., DUTTON R.W. - Electrostatic mikromechanical actuator with extended range of travel. Fellow. - IEEE. JMEMS. - 2000. - V. 9. - № 3. - Р. 321-328.
BY 2667 C1, 1999.
SU 1575249 A1, 1990.
JP 11120884 A, 1999.
(57)
1. Микроэлектромеханический актюатор, содержащий основание, закрепленную на
нем с помощью штырей в соосных отверстиях пластину с рамкой, упругими держателями
и жестким якорем, установленными параллельно основанию, основные неподвижный и
подвижный электроды, выполненные на основании и якоре соответственно, вспомогательные электроды, контактные площадки и дорожки, отличающийся тем, что основание
и пластина выполнены из диэлектрика, на внутренней стороне основания, обращенной к
якорю, выполнена полость, глубина которой равна межэлектродному расстоянию, и на
дне которой в средней части выполнен основной неподвижный электрод, симметрично
относительно одной из его осей выполнены два вспомогательных неподвижных электрода,
равных между собой по площади, а на обращенной к основанию стороне якоря над соответствующими неподвижными электродами выполнены основной и два вспомогательных
подвижных электрода, при этом суммарная площадь двух вспомогательных (подвижных
или неподвижных) электродов SB определяется соотношением
Фиг. 1
Фиг. 2
BY 7919 C1 2006.04.30
2( t − y) 2
[Fo ( y) − P( y)] ,
ε 0 U 2B ( y)
где t - исходное межэлектродное расстояние,
у - смещение якоря,
ε0 - электрическая постоянная,
Fo(y) - электростатическая сила притяжения основных электродов,
Р(у) - механическая реактивная сила держателей,
UB(y) - напряжение на вспомогательных электродах при конкретном значении y в пределах (0,33...0,95)t.
2. Микроэлектромеханический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что площадь
вспомогательных (подвижных или неподвижных) электродов SB равна (0,9…1,1)S0, где
S0 - площадь основных электродов.
SB =
Изобретение относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике, оптике
и может быть использовано в системах коммутации, телевидения, информатики, вычислительной и контрольной техники.
Известно электростатическое микрореле [1] с плоскопараллельной системой электродов, содержащее диэлектрическое основание с полостью, на дне которой размещен неподвижный электрод, и закрепленную на основании рамку с упругими держателями и якорем
с подвижным электродом. При подаче на электроды возрастающего разноименного потенциала якорь под действием электростатических сил F начинает плавно приближаться к
неподвижному электроду, изгибая держатели. В последних возникают реактивные механические силы Р. При повышении разности потенциала до некоторой определенной для
каждого типоразмера электростатического микрореле рабочей величины Up якорь проходит 0,33 межэлектродного расстояния t, после чего при том же потенциале стремительно
преодолевает оставшийся свободный промежуток, замыкая контакты управляемой электрической цепи. Это происходит в результате того, что с данного критического момента
электростатические силы F, возрастающие обратно пропорционально квадрату уменьшающегося межэлектродного расстояния, начинают превосходить реактивные силы Р, которые
линейно зависят от прогиба держателей. Рабочий диапазон межэлектродного расстояния t,
исключающий замыкание электродов, составляет 0,95. При снятии разности потенциалов
силы Р возвращают якорь в исходное положение.
Электростатическое микрореле не обеспечивает управляемое перемещение якоря во
всем рабочем диапазоне межэлектродного расстояния, вследствие чего имеет ограниченные функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности является микроэлектромеханический актюатор [2], включающий плоскопараллельную систему расположения электродов. На плоском
кремниевом основании актюатора расположен диэлектрический спейсер из нитрида кремния, на котором в средней части размещен основной неподвижный электрод из электропроводящего кремния POLY1, а над ним размещен основной подвижный электрод плоский жесткий якорь, соединенный упругими держателями с опорами, установленными
на контактные площадки, сформированные на крайних участках спейсера.
Данный микроэлектромеханический актюатор не обеспечивает управляемое перемещение якоря во всем рабочем диапазоне межэлектродного расстояния, вследствие чего
имеет ограниченные функциональные возможности.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей за счет увеличения управляемой части перемещения якоря.
Решение технической задачи достигается тем, что в микроэлектромеханическом актюаторе, содержащем основание, закрепленную на нем с помощью штырей в соосных от2
BY 7919 C1 2006.04.30
верстиях пластину с рамкой, упругими держателями и жестким якорем, установленными
параллельно основанию, основные неподвижный и подвижный электроды, выполненные
на основании и якоре соответственно, вспомогательные электроды, контактные площадки
и дорожки, основание и пластина выполнены из диэлектрика, на внутренней стороне основания, обращенной к якорю, выполнена полость, глубина которой равна межэлектродному расстоянию и на дне которой в средней части выполнен основной неподвижный
электрод, симметрично относительно одной из его осей выполнены два вспомогательных
неподвижных электрода, равных между собой по площади, а на обращенной к основанию
стороне якоря над соответствующими неподвижными электродами выполнены основной
и два вспомогательных подвижных электрода, при этом суммарная площадь двух вспомогательных (подвижных или неподвижных) электродов SB определяется соотношением
SB =
2( t − y ) 2
[FO ( y) − P( y)],
ε 0 U 2B ( y)
где t - исходное межэлектродное расстояние,
у - смещение якоря,
ε0 - электрическая постоянная,
FО(y) - электростатическая сила притяжения основных электродов,
Р(у) - механическая реактивная сила держателей,
UB(у) - напряжение на вспомогательных электродах при конкретном значении у в пределах (0,33...0,95)t,
при этом площадь вспомогательных (подвижных или неподвижных) электродов SB
равна (0,9... 1,1) SO, где SO - площадь основных электродов.
Совокупность указанных признаков исключает перекос якоря, который может спровоцировать неуправляемое перемещение якоря, и обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет увеличения управляемой части перемещения якоря до 0,95t.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение микроэлектромеханического актюатора,
на котором:
1 - основание,
2 - пластина,
3 - полость,
4 - основной неподвижный электрод,
5, 6- вспомогательные неподвижные электроды,
7 - рамка,
8 - держатель,
9 - якорь,
10 - основной подвижный электрод,
11, 12 - вспомогательные подвижные электроды,
13 - отверстие,
14 - контактная площадка,
15 - контактная дорожка,
16 - штырек.
На фиг. 2 представлен вид сверху на микроэлектромеханический актюатор и часть основания с неподвижными электродами.
На фиг. 3 приведена схема изменения напряжений и электромеханических сил в процессе срабатывания микроэлектромеханического актюатора, на которой для удобства сопоставления активные и реактивные силы отложены в одном направлении и на которой:
UO - напряжение, подаваемое на основные электроды,
UO1 - напряжение, подаваемое на основные электроды на первом участке пути якоря
при y ≤ 0,33t,
3
BY 7919 C1 2006.04.30
UO2 - напряжение, подаваемое на основные электроды на втором участке пути якоря
при y ≥ 0,33t,
UB - напряжение, подаваемое на вспомогательные электроды,
FO1 - электростатическая сила притяжения основных электродов на первом участке
пути,
FO2 - электростатическая сила притяжения основных электродов на втором участке пути,
FB - электростатическая сила отталкивания вспомогательных электродов,
Р - механическая реактивная сила держателей,
∆F- разность электростатических сил притяжения и механических реактивных сил на
втором участке пути.
Микроэлектромеханический актюатор (фиг. 1, 2) содержит диэлектрические основание 1 и закрепленную на нем пластину 2. В основании 1 выполнена полость 3 глубиной,
равной межэлектродному расстоянию t, на дне которой в средней части расположены основной неподвижный электрод 4 и два вспомогательных неподвижных электрода 5 и 6,
симметричных относительно одной из осей основного неподвижного электрода 4 и равных между собой по площади. В пластине 2 сформированы рамка 7, упругие держатели 8
и жесткий якорь 9. На внутренней стороне якоря 9, обращенной к основанию, нанесены
основной подвижный электрод 10 и два вспомогательных подвижных электрода 11 и 12,
расположенные над соответствующими неподвижными электродами 4, 5, 6, размещенными на дне полости 3. По периферии основания 1 и пластины 2 предусмотрены соосные отверстия 13, вокруг которых сформированы контактные площадки 14, соединенные
контактными дорожками 15 с соответствующими электродами. В отверстия 13 вставлены
штырьки 16, которые соединяют основание 1 и пластину 2 и являются выводами, подключающими электроды к внешним источникам питания.
Основание 1 и пластина 2 могут быть выполнены из анодного оксида алюминия, который
обладает высокими электромеханическими свойствами, а технология получения деталей,
основанная на интегральных методах формирования контуров и полостей с микронной
точностью, обеспечивает прецизионность геометрии диэлектрических элементов. Электроды 4, 6, 10, 11, 12, контактные дорожки 15, контактные площадки 13 выполняются из
тонких пленок металлов, близких по коэффициенту термического расширения α к диэлектрику, т.е. имеющих α~(6...10)⋅10-6град-1 (W, Мо, V), что обеспечивает снижение внутренних механических напряжений, искажающих геометрию деталей. Они формируются
путем вакуумного или плазменного напыления. Соединение штырьков 16 с основанием 1
и пластиной 2 осуществляется низкотемпературной пайкой или токопроводящими клеями.
Микроэлектромеханический актюатор работает следующим образом.
При подаче разности потенциалов UO на основные электроды 4, 10 между ними возникает электростатическая притягивающая сила FO (фиг. 3)
ε S U2
FO = 0 O O2 .
(1)
2( t − y)
Смещение якоря 9 сопровождается прогибом держателей 8 и появлением в них реактивной механической силы Р
kEIq
P = 3 ⋅ y,
(2)
l
где Е - модуль упругости материала держателей 8, I - момент инерции сечения держателя 8,
l - длина держателя 8, q - количество держателей 8, k - коэффициент заделки концов держателя 8.
Вначале при увеличении напряжения на первом участке пути UO1 электростатическая
сила FO1 уравновешивается реактивными силами Р
FO1 = Р
(3)
и подаваемое напряжение UO1 в пределах у = 0...0,33t выражается соотношением
4
BY 7919 C1 2006.04.30
U O1 =
2kEIq
( t − y) 2 y .
3
ε 0SO l
(4)
При смещении якоря на у = 0,33t электростатическая сила FO1 начинает превосходить
реактивные силы Р. Поэтому дальнейшее повышение UO1 по зависимости (4) приведет к
неуправляемому "мгновенному" смещению якоря до y = t. Этому критическому положению соответствует напряжение U *O :
U*O = 0,544
kEIq
.
ε 0 l3S1
(5)
Далее, т.е. на втором участке пути, в диапазоне (0,33...0,95)t, перемещение якоря по
данному изобретению обеспечивается линейно повышающимся напряжением по соотношению
y − 0,33t  *

UO ,
U O2 = 1 + (β − 1)
0,67 t 

(6)
где β - коэффициент, обеспечивающий требуемую точность перемещения якоря и равный
отношению U *O 2 max / U *O (фиг. 3). Оптимальная величина β составляет 1,2... 1,5. При β < 1,2
небольшие отклонения подаваемого напряжения от номинального значения приведут к
существенной погрешности положения якоря, выражающейся соотношением ∆t ≥ 3∆U, а
при β > 1,5 - потребуют значительного повышения напряжения в управляющих цепях в
1,5 и более раз. Верхний предел межэлектродного расстояния y = 0,95t определяется минимальным значением, исключающим замыкание электродов и обеспечивающим "беспробойность" межэлектродного промежутка при рабочем электрическом напряжении.
Увеличение напряжения UO2, соответствующее (6), вызовет еще большее превосходство электростатических сил FO2 над механическими Р
FO 2 =
ε 0SO U 22
.
2( t − y) 2
(7)
Сохранение равновесного состояния и управляемого перемещения якоря на этом участке обеспечивается подачей на пары вспомогательных электродов 5, 11 и 6, 12 разноименных зарядов переменной величины, соответствующей изменяющемуся расстоянию
между вспомогательными электродами. Их суммарная площадь, согласно (1), определяется соотношением
SB =
2( t − y ) 2
(FB − P).
ε 0 U 2B
(8)
Подаваемое напряжение составляет
UB =
SO 2
( t − y) 2
U O 2 − 2P
.
ε 0 SO
SB
(9)
Оно обеспечивает создание отталкивающих сил FB, действующих совместно с механическими Р и уравновешивающих силы FO2
FOB = FB + P.
(10)
Вспомогательные электроды 5, 6, 11, 12 обеспечивают управляемое перемещение основных электродов 4, 10 до конца второго участка.
5
BY 7919 C1 2006.04.30
Величина UB с целью упрощения электрической схемы управления не должна превышать UO. Снижение UB, как это следует из (8), повлечет увеличение площади электродов,
т.е. габаритов актюатора. Оптимальным соотношением, удовлетворяющим обоим требованиям, является
SB = 0,9...1,1SO.
(11)
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает управляемое перемещение
якоря во всем рабочем диапазоне межэлектродного расстояния, причем без существенного
увеличения управляющего напряжения, и в результате расширение функциональных возможностей. Зависимость перемещения якоря от напряжения остается неизменной как в
прямом, так и в обратном направлении, т.е. является полностью обратимой.
Источники информации:
1. Efremov G.I., Mukhurov N.I. Volumetric electrostatic microrelaus-static electricity sensors based on anodic alumina. Proc. 3nd International Conf. on Space Charge in Solid Dielectric.
Tours (France), 29 June-3 July, 1998/Ed. Gilles Damamme. SFV. - Paris, 1998. - P. 499-502.
2. Chan E.K., Dutton R.W. Electrostatic Micromechanical Actuator with Extended Range of
Travel. Fellow. IEEE, JMEMS, 2000. - V. 9. - N3. - P. 321-328 (прототип).
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
301 Кб
Теги
by7919, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа