Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6714
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
H 01H 59/00
(54) ЭЛЕКТРОТОКОВОЕ МИКРОРЕЛЕ
(21) Номер заявки: u 20100310
(22) 2010.03.25
(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)
Электротоковое микрореле, содержащее диэлектрическую прямоугольную подложку с
продольными канавкой с плоским дном и боковыми выступами, диэлектрическую пласти-
ну с якорем в середине, соединенным зигзагообразными пружинными упругими держате-
лями с площадками на концах пластины, жестко закрепленными на подложке,
сформированный на внутренней стороне якоря и напротив на дне канавки электромехани-
ческий привод управляющей цепи, подвижную перемычку на якоре, контакты управляе-
мой цепи, токопроводящие дорожки, штырьки управляющей и управляемой цепей,
отличающееся тем, что электромеханический привод выполнен электротоковым с непо-
движным меандровым участком на дне канавки и идентичным подвижным меандровым
участком, зеркально расположенным на якоре, при этом начала неподвижного и подвиж-
ного меандровых участков в исходном состоянии и при прямом ходе соединены токопро-
водящими дорожками соответственно с переключаемым штырьком и штырьком входа
управляющей цепи, а концы меандровых участков соединены между собой и со штырьком
выхода этой цепи, а при обратном ходе переключаемый штырек соединен с выходом
управляющей цепи, площадки пластины соединены между собой жесткими планками,
размещенными на выступах подложки, контакты выполнены точечными и расположены
на концах поперечной оси внутренней стороны якоря и напротив их на дне канавки, а по-
движная перемычка размещена на внешней стороне якоря и электрически соединена с его
контактами.
Фиг. 1
BY6714U2010.10.30

2. BY 6714 U 2010.10.30
2
(56)
1. Chan E. К., Kan E. С., Pinsky P. M. and Button R.W. // Nonlinear dynamic modeling of
micromachined microwave switches. Digest IEEE MTT-S Inter Microwave Symp., Denver, CO,
June 1997.- Р. 1511-1514.
2. Патент США 160549.
3. Кухлинг Х. 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 сформированы 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 P,
притягивает якорь. Изменение электростатической силы F1 с изменением потенциала U и
смещением якоря y в электростатическом актюаторе связано соотношением
,
)y
t
t(2
AU
F
22
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.
Величина межэлектродной емкости, момент замыкания контактов фиксируются
управляемой схемой. Погрешность размеров, формы и сборки z-образных держателей
оказывает существенное влияние на разброс размера t1 и, следовательно, на величину ра-
бочего напряжения Up. При малых значениях t и больших Up в диэлектрических элементах
переключателя, и в частности в слое диэлектрика, индуцируются значительные реактив-
ные заряды, силы которых, противодействуя реактивным силам P держателей, при отклю-
чении тормозят возврат якоря в исходное положение. В результате время отключения
существенно превышает время включения, а Up имеет разброс.
Микромашинный переключатель не обеспечивает надежность функционирования
СВЧ-устройств.
Наиболее близким по технической сущности является MEMS micro-relay with coupled
electrostatic and electromagnetic actuation (микроэлектромеханическое реле с объединенным
электростатическим и электромагнитным приводом) [2]. Микрореле содержит диэлектри-
ческую подложку прямоугольной формы, в которой по продольной оси выполнена канав-
ка с плоским дном. По ее обеим боковым сторонам на всей длине подложки размещены
выступы. На дно канавки и оба выступа нанесен электропроводящий слой, из которого
посредством локального травления сформированы в средней части канавки неподвижный
электрод управляющей цепи, а в центре последнего изолированно от него два неподвиж-
ных контакта управляемой цепи с токопроводящими дорожками. Над подложкой распо-
ложена диэлектрическая перфорированная тонкая пластина. В ее середине сформирован

3. BY 6714 U 2010.10.30
3
якорь, соединенный двумя симметричными зигзагообразными пружинными упругими
держателями с площадками на обоих концах пластины, которые жестко закреплены на
концах выступов подложки. Низкая жесткость держателей не обеспечивает при изготов-
лении и сборке плоскостности пластины и стабильности межэлектродного расстояния t.
Ha пластине сформированы токопроводящие элементы: на якоре снизу - подвижный элек-
трод с изолированной от него перемычкой управляемой цепи, расположенной над непо-
движными контактами, сверху - токовая катушка электромагнитного привода, на
держателях и площадках - участки управляющей цепи. С внешних боковых сторон напро-
тив якоря расположены северный и южный полюса постоянного магнита. Магнит с токо-
вой катушкой, неподвижный и подвижный электроды образуют электромеханический
привод. В рабочем цикле якорь вначале притягивают электромагнитные, а затем оконча-
тельно - электростатические силы F2, равные
,
)yt(2
AU
F 2
2
0
2
−
ε
= (2)
которые осуществляют замыкание контактов и перемычки управляемой цепи. Такая по-
следовательность несколько снижает U, но оно остается высоким, т.к. электроды имеют
малую площадь А, поскольку в них расположены перемычка, контакты, выводы, сокра-
щающие площадь электродов. Силы реактивных зарядов, индуцированных высоким
напряжением U, совместно с повышенной инерционной массой подвижных частей и не-
стабильностью t значительно замедляют отключение микрореле и увеличивают время воз-
вращения подвижного электрода реактивными силами P держателей в исходное
состояние.
МЭМС микрореле с электромеханическим приводом не обеспечивает надежности
функционирования СВЧ-устройств.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности функциони-
рования электротокового микрореле как СВЧ-устройства.
Решение технической задачи достигается тем, что в электротоковом микрореле, со-
держащем диэлектрическую прямоугольную подложку с продольными канавкой с плос-
ким дном и боковыми выступами, диэлектрическую пластину с якорем в середине,
соединенным зигзагообразными пружинными упругими держателями с площадками на
концах пластины, жестко закрепленными на подложке, сформированный на внутренней
стороне якоря и напротив на дне канавки электромеханический привод управляющей це-
пи, подвижную перемычку на якоре, контакты управляемой цепи, токопроводящие до-
рожки, штырьки управляющей и управляемой цепей, электромеханический привод
выполнен электротоковым с неподвижным меандровым участком на дне канавки и иден-
тичным подвижным меандровым участком, зеркально расположенным на якоре, при этом
начала неподвижного и подвижного меандровых участков в исходном состоянии и при
прямом ходе соединены токопроводящими дорожками соответственно с переключаемым
штырьком и штырьком входа управляющей цепи, а концы меандровых участков соедине-
ны между собой и со штырьком выхода этой цепи, а при обратном ходе переключаемый
штырек соединен с выходом управляющей цепи, площадки пластины соединены между
собой жесткими планками, размещенными на выступах подложки, контакты выполнены
точечными и расположены на концах поперечной оси внутренней стороны якоря и напро-
тив их на дне канавки, а подвижная перемычка размещена на внешней стороне якоря и
электрически соединена с его контактами.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлено продольное сечение электротокового микрореле по его оси
симметрии.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение электротокового микрореле по его оси
симметрии.

4. BY 6714 U 2010.10.30
4
На фиг. 3 представлен вид сверху на электротоковое микрореле.
На фиг. 4 представлена электрическая схема прямого хода включенного электротоко-
вого микрореле.
На фиг. 5 представлена электрическая схема обратного хода выключаемого электро-
токового микрореле.
Электротоковое микрореле состоит из диэлектрических прямоугольных подложки 1 и
пластины 2, жестко соединенных между собой металлическими штырьками 3 (фиг. 1).
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 зигзагообраз-
ными пружинными упругими держателями 11. Планки 8 обеспечивают стабильность гео-
метрии держателей 11 в процессе изготовления и сборки пластины 2. На дне 5 и
внутренней стороне якоря 10 сформированы идентичные, зеркально расположенные не-
подвижный 12 и подвижный 13 меандровые участки электротокового привода 14. Они то-
копроводящими дорожками и штырьками (на фиг. 1 показаны условно) соединены с
управляющей цепью 15. В осевом поперечном сечении (фиг. 2) на краях внутренней сто-
роны якоря 10 размещены подвижные точечные контакты 16, а на его внешней стороне -
перемычка 17, электрически соединенная с контактами 16. Неподвижные точечные кон-
такты 18, сформированные на дне 5, расположены под подвижными контактами 16 и со-
единены с управляемой цепью 19. Такое расположение обеспечивает получение
максимальной площади для формирования меандровых участков 12, 13. На одной из пло-
щадок 7 размещены штырек входа 20, штырек выхода 21, переключаемый штырек 22. Та-
кое компактное расположение штырьков обеспечивает простоту соединения с
управляющей цепью 15 и повышает надежность функционирования микрореле. В исход-
ном состоянии начала неподвижного 12 и подвижного 13 меандровых участков соединены
токоведущими дорожками соответственно с переключаемым штырьком 22 и штырьком
входа 20 (фиг. 4). Концы обоих меандровых участков 12, 13 соединены между собой и со
штырьком выхода 21. Таким образом, меандровые участки 12, 13 включены в управляю-
щую цепь 15 и геометрически, и электрически параллельно.
Электротоковое микрореле работает следующим образом. При включении в управля-
ющую цепь по меандровым участкам 12 и 13 пойдет ток I в одном направлении, а далее
величиной 2I уйдет через штырек выхода 21. Сила F3 притяжения меандровых участков
12, 13 в результате взаимодействия электромагнитных полей составляет [3]:
,
)yt(2
lI
F
2
0
3
−π
µ
= (3)
где l - длина выпрямленного меандра;
t - исходное расстояние между меандровыми участками;
µ0 - магнитная постоянная;
y - смещение якоря.
Меандрообразная форма участков 12, 13 увеличивает длину l и силу их взаимодей-
ствия F3. При увеличении тока до рабочего Ip неподвижный 18 и подвижный 16 контакты
соединяются и перемычкой 17 замыкается управляемая цепь (на фигуре не показано). Пе-
ремещение якоря 10 на расстояние у сопровождается деформацией держателей 11, в кото-
рых нарастает реактивная сила P. За срабатыванием традиционных электромеханических
микрореле в устройствах СВЧ мгновенно следует отключение. В предлагаемом электро-
токовом в этот момент изменяются электрические соединения: от управляющей цепи от-
ключаются штырек выхода 21 и переключаемый штырек 22, но последний замыкается с
выходом управляющей цепи. В результате неподвижный 12 и подвижный 13 меандровые
участки включаются последовательно, а ток I в ветвях идет в противоположных направ-

5. BY 6714 U 2010.10.30
5
лениях (фиг. 5). Возникшие силы отталкивания дают (вследствие малой величины (t-y))
мощный пинок, превосходящий по расчетам силу P в 3-5 раз, обратному ходу якоря 10.
Совместное действие сил F3 и P успешно преодолевает реактивную силу индуцированных
зарядов, инерцию массы подвижных частей и возможное запинание неподвижного 18 и
подвижного 16 контактов. Это повышает надежность срабатывания микрореле, сокращает
время возврата, увеличивает его высокочастотность, причем стабилизация исходной вели-
чины t в результате повышенной жесткости пластины 2 уменьшает разброс Iр.
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.