Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7290
(13) U
(46) 2011.06.30
(51) МПК
H 01H 59/00 (2006.01)
(54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ МИКРОРЕЛЕ
(21) Номер заявки: u 20100942
(22) 2010.11.11
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Мухуров Николай Иванович;
Ефремов Георгий Игнатьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Электростатическое микрореле, содержащее диэлектрическую прямоугольную под-
ложку с продольной канавкой с плоским дном и боковыми выступами, соединенную с
ними штырьками, диэлектрическую пластину в виде рамки с жесткими планками, разме-
щенными на выступах подложки, и площадками на коротких сторонах, в середине кото-
рой сформирован якорь, соединенный с площадками зигзагообразными пружинными
держателями, размещенный на внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки элек-
тромеханический привод управляющей цепи, точечные контакты управляемой цепи, по-
движные на концах поперечной оси внутренней стороны якоря и неподвижные напротив
них на дне канавки, подвижную перемычку на внешней стороне якоря, электрически
соединенную с его контактами, токопроводящие дорожки, отличающееся тем, что элект-
ромеханический привод выполнен электростатическим с подвижным электродом на внут-
ренней стороне якоря и идентичным неподвижным электродом, размещенным зеркально
под ним на дне канавки, в одной из площадок и соответствующем конце подложки за-
креплены штырьки подвижного и неподвижного электродов, при этом подвижный элек-
трод электрически постоянно через штырек подвижного электрода соединен с одним
выводом управляющей цепи, а неподвижный электрод через штырек неподвижного элек-
трода при прямом ходе соединен с другим выводом управляющей цепи, при обратном -
замкнут со штырьком подвижного электрода, обеспечивая изменение разноименных заря-
дов на электродах (притяжение) на одноименные (отталкивание).
Фиг. 1
BY7290U2011.06.30

2. BY 7290 U 2011.06.30
2
(56)
1. Chan Е.К., Kan E.G., Pinsky P.M. and Dutton R.W. // Nonlinear dynamic modeling of
micromachined microwave switches. Digest IEEE MTT-S Inter Microwave Symp., Denver, CO. -
June 1997. - P. 1511-1514.
2. Патент РБ 6714.
3. Кухлинг X. Справочник по физике. - М.: Мир, 1983. - 519 с.
Полезная модель относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и
может быть использована в высокочастотных управляющих, коммутирующих, регулиру-
ющих автоматических системах.
Известен микромашинный СВЧ переключатель [1], содержащий электростатический
актюатор. Переключатель выполнен из жесткого основания и подвижного якоря. В осно-
вании сформирован неподвижный электрод и два выступа равной высоты, размещенные
симметрично относительно вертикальной оси основания. На электрод нанесен слой ди-
электрика. Якорь выполнен из электропроводящего материала, имеет повышенную жест-
кость, расположен параллельно основанию и соединен гибкими упругими держателями z-
образной формы с верхней плоскостью выступов основания. Якорь и электрод при подаче
на них разноименных зарядов образуют электростатический актюатор, который, дефор-
мируя держатели электростатическими силами F1 и создавая в них реактивную силу Р,
притягивает якорь. Изменение электростатической силы F1 с изменением напряжения U и
смещением якоря у в электростатическом актюаторе связано соотношением (1)
,
y
t
t2
AU
F 2
2
1
2
0
1






−
ε
+
ε
=
(1)
где t1 - расстояние между якорем и слоем диэлектрика,
t2 - толщина диэлектрического слоя,
A - площадь электродов,
ε0 - электрическая постоянная,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость.
Изменение величины межэлектродной емкости, момент замыкания контактов фикси-
руются управляемой схемой. Погрешность размеров, формы и сборки z-образных держа-
телей оказывают существенное влияние на разброс размера t1 и, следовательно, на
величину рабочего напряжения Up. При малых значениях t1 и больших Up в диэлектриче-
ских элементах переключателя, в частности, в слое диэлектрика, индуцируются значи-
тельные реактивные заряды, силы которых, противодействуя реактивным силам держа-
телей, при отключении тормозят возврат якоря в исходное положение. В результате время
отключения существенно превышает время включения, а Uр имеет разброс.
Микромашинный переключатель имеет ограниченные возможности функционирова-
ния в СВЧ технике.
Наиболее близким по технической сущности является электротоковое микрореле, со-
держащее диэлектрическую прямоугольную подложку, на верхней стороне которой вы-
полнена продольная канавка с плоским дном и продольные боковые выступы. На
выступах закреплена пластина в виде рамки с широкими площадками на коротких сторо-
нах и узкими планками на длинных. В центре пластины расположены якорь, соединенный
с площадками двумя симметричными зигзагообразными пружинными упругими держате-
лями. На внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки сформирован электротоковый
привод, состоящий из неподвижного и подвижного меандровых участков управляющей
сети. На концах поперечной оси внутренней стороны якоря и напротив на дне канавки
выполнены точечные контакты управляемой цепи. На внешней стороне якоря размещена

3. BY 7290 U 2011.06.30
3
подвижная перемычка, электрически соединенная с контактами. В микрореле предусмот-
рены токопроводящие дорожки, штырьки управляющей и управляемой цепей. В исходном
состоянии меандровые участки электрически включены параллельно. При включении
электротокового привода в управляющую цепь по меандровым участкам пойдет ток I в
одном направлении. В результате возникновения электромагнитных полей и их взаимо-
действия возникает электромагнитная сила притяжения якоря F2
( )
,
yt2
lI
F
2
0
2
−π
µ
= (2)
где µ0 - магнитная постоянная,
l - длина выпрямленного меандрового участка,
t - исходное расстояние между меандровыми участками,
y - смещение якоря.
При увеличении тока I до рабочего значения Iр соединение меандровых участков пе-
реключается на последовательное, электромагнитные силы F2 преобразовываются в от-
талкивающие. Действуя совместно с реактивными силами держателей они ускоренно
возвращают якорь в исходное положение. При повышенных значениях I токопроводящие
дорожки, выполняемые в микротехнике с микронными сечениями, перегорают от высокой
удельной плотности тока.
Электротоковые микрореле в СВЧ-технике имеют ограниченные функциональные
возможности.
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных воз-
можностей.
Решение технической задачи достигается тем, что в электростатическом микрореле,
содержащем диэлектрическую прямоугольную подложку с продольной канавкой с плос-
ким дном и боковыми выступами, соединенную с ними штырьками диэлектрическую пла-
стину в виде рамки с жесткими планками, размещенными на выступах подложки, и
площадками на коротких сторонах, в середине которой сформирован якорь, соединенный
с площадками зигзагообразными пружинными держателями, размещенный на внутренней
стороне якоря и напротив на дне канавки электромеханический привод управляющей цепи,
точечные контакты управляемой цепи, подвижные на концах поперечной оси внутренней
стороны якоря и неподвижные напротив них на дне канавки, подвижную перемычку на
внешней стороне якоря, электрически соединенную с его контактами, токопроводящие
дорожки, электромеханический привод выполнен электростатическим с подвижным элек-
тродом на внутренней стороне якоря и идентичным неподвижным электродом, размещен-
ным зеркально под ним на дне канавки, в одной из площадок и соответствующем конце
подложки закреплены штырьки подвижного и неподвижного электродов, при этом по-
движный электрод электрически постоянно через штырек подвижного электрода соединен
с одним выводом управляющей цепи, а неподвижный электрод через штырек неподвижного
электрода при прямом ходе соединен с другим выводом управляющей цепи, при обратном -
замкнут со штырьком подвижного электрода, обеспечивая изменение разноименных заря-
дов на электродах (притяжение) на одноименные (отталкивание).
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлено продольное сечение электростатического микрореле по его
оси симметрии, на котором
1 - подложка,
2 - пластина,
3 - штырек,
4 - канавка,
5 - дно,
6 - выступ,
7 - площадка,

4. BY 7290 U 2011.06.30
4
8 - планка,
9 - отверстие,
10 - якорь,
11 - держатель,
12 - неподвижный электрод,
13 - подвижный электрод,
14 - электростатический привод,
15 - управляющая цепь.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение электростатического микрореле по его
оси симметрии, где
16 - подвижный контакт,
17 - перемычка,
18 - неподвижный контакт,
19 - управляемая цепь.
На фиг. 3 представлен вид сверху на электростатическое микрореле, где
20 - штырек подвижного электрода.
21 - штырек неподвижного электрода.
На фиг. 4 представлена электрическая схема прямого хода включенного электростати-
ческого микрореле, где
22 - электропроводящая дорожка,
23 - вывод,
Fп - притягивающая электростатическая сила прямого хода.
На фиг. 5 представлена электрическая схема обратного хода выключаемого электро-
статического микрореле, где
Fo - отталкивающая электростатическая сила обратного хода электрода.
Электростатическое микрореле состоит из диэлектрических прямоугольных подложки 1
и пластины 2, жестко соединенных между собой металлическими штырьками 3 (фиг. 1, 3).
Подложка 1 сверху содержит продольную канавку 4 с плоским дном 5 и продольными
боковыми выступами 6. Пластина 2 выполнена в виде рамки с широкими короткими сто-
ронами-площадками 7 и длинными сторонами - планками 8. В площадках 7 и подложке 1
выполнены соосные отверстия 9, в которых размещены штырьки 3. В центре пластины 2
сформирован подвижный элемент-якорь 10, соединенный с площадками 7 зигзагообразными
пружинными упругими держателями 11. Планки 8 обеспечивают стабильность геометрии
держателей 11 в процессе изготовления и сборки пластины 2. На дне 5 и внутренней сто-
роне якоря 10 сформированы идентичные зеркально расположенные неподвижный 12 и
подвижный 13 электроды электростатического привода 14, которые электропроводящими
дорожками (на фиг. 1 показаны условно) соединены с управляющей цепью 15. В осевом
поперечном сечении (фиг. 2) на краях внутренней стороны поперечной оси якоря 10 раз-
мещены точечные подвижные контакты 16, а на его внешней стороне - перемычка 17,
электрически соединенная с контактами 16. Точечные неподвижные контакты 18, сфор-
мированные на дне 5, расположены под подвижными контактами 16 и соединены с
управляемой цепью 19. Такое расположение обеспечивает получение максимальной пло-
щади электродов 12, 13. В одной из площадок 7 и соответствующем конце подложки 1 за-
креплены штырьки 20 подвижного и 21 неподвижного электродов, осуществляющие
коммутационную связь с электродами 12, 13 через электропроводящие дорожки 22.
Электростатическое микрореле работает следующим образом. При прямом ходе после
подключения микрореле к разноименным выводам 23 управляющей цепи 15 на непо-
движном электроде 12 и на подвижном электроде 13 электростатического привода 14
напряжением создаются заряды разноименного знака. Между электродами возникает и
нарастает сила притяжения Fп (фиг. 4), под действием которой якорь 10, деформируя дер-
жатели 11, приближается к дну 5

5. BY 7290 U 2011.06.30
5
( )
,
yt2
AU
F 2
3
0
о.п
−
ε
= (3)
где ε0 - электрическая постоянная,
A - площадь электродов,
U - напряжение,
t - исходное межэлектродное расстояние,
y - смещение якоря.
Конечное положение подвижного электрода 13 ограничивается высотой неподвижно-
го контакта 18, исключающего короткое замыкание между неподвижным 12 и подвижным
13 электродами. При Up неподвижный 18 и подвижный 16 контакты соединяются и через
перемычку 17 замыкают управляемую цепь 19. Перегорание электропроводящих дорожек
исключено, т.к. в электростатических приводах электрическая схема разомкнута и в ней
ток практически нулевой. Одновременно мгновенно микросхема в управляющей цепи 15
переключает штырек 21 неподвижного электрода 12 (фиг. 5) на соединение со штырьком 20
подвижного электрода 13. Электроды электростатического привода 14 через выводы 23
перезаряжаются на одноименный заряд. Сила отталкивания Fo дает мощный толчок по-
движным элементам, помогая реактивным силам держателей 11 при стабилизированном
значении Up преодолеть инерцию масс, залипание контактов 16-18, реактивные силы ин-
дуцированных зарядов. В результате расширяются функциональные возможности элек-
тростатического микрореле в диапазоне СВЧ, т.к. он может использоваться в устройствах
и малой, и большой мощности.
Подложка 1 и пластина 2 могут быть изготовлены из диэлектрика, обладающего высо-
кими механическими свойствами и анизотропностью структуры, например, из анодного
оксида алюминия, локальная электрохимическая обработка которого позволяет с преци-
зионной точностью получать размеры элементов различной конфигурации. Электропро-
водящие участки формируются методом вакуумного напыления через маски.
Фиг. 2 Фиг. 3
Фиг. 4 Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.