Документ описывает электростатический мини-манипулятор, предназначенный для применения в электронике и микромеханике, который включает систему токопроводящих дорожек, диэлектрическое основание и подвижные электроды. Он разработан для улучшения функциональности электростатических микропереключателей, обеспечивая механизм, который возвращает подвижные элементы в исходное положение после отключения. Основные новшества заключаются в использовании упругих манипуляторов и специфических геометрических параметров элементов для повышения надежности и эффективности работы устройства.

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6719
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
H 01H 59/00
(54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МИНИ-МАНИПУЛЯТОР
(21) Номер заявки: u 20100322
(22) 2010.03.29
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной 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)
1. Электростатический мини-манипулятор, содержащий соединенные между собой
токопроводящими штырьками диэлектрические прямоугольные жесткие основание с
углублением t1 и пластину с якорем толщиной d1 и упругими держателями, расположен-
ными на боковых сторонах якоря параллельно его длинной оси, неподвижный на дне
углубления и подвижный на якоре электроды управляющей цепи, образующие электро-
статический актюатор с межэлектродным расстоянием t, нормально разомкнутые контак-
ты в управляемой цепи, токопроводящие дорожки, отличающийся тем, что между
основанием и якорем под держателями размещены два упругих манипулятора толщиной
d2 и длиной L1, прогнутые в сторону якоря, сместившие якорь и изогнувшие держатели на
величину H, причем концы манипуляторов упираются в торцы выемок, выполненных на
верхней плоскости основания глубиной d2 и с расстоянием между противоположными
торцами выемок L2, при этом ∆L = L1 - L2 > 0, а в средней части манипуляторов и якоря
выполнены одинаковые щели, образующие на манипуляторах зубцы, на якоре - пальцы
одинаковой ширины, на которые надета рамка со стенками толщиной q и окном высотой
d3, при этом соотношения геометрических параметров при заданных t и q составляют:
Фиг. 1
BY6719U2010.10.30

2. BY 6719 U 2010.10.30
2
( )
( )
,d2dd
;qt
L64
9
L
;
2
qt
H
;qt
4
3
A
213
2
1
2
+=
−
π
=∆
−
=
−=
где A - амплитуда свободно прогнутых по синусоиде манипуляторов при их осевом сжа-
тии,
при этом токопроводящие дорожки нанесены в углублении, выемках, на одной половине
верхней плоскости манипуляторов и зубцов, на всех сторонах пальцев, на всех поверхно-
стях одной горизонтальной стороны рамки и на трех внешних боковых ее сторонах, нор-
мально разомкнутые контакты управляемой цепи содержат перемычки на выступах якоря,
выполненных упругими и размещенных между держателями, и контакты на ступеньках в
углублении, расположенных под выступами, нормально разомкнутые контакты управля-
ющей цепи состоят из дорожки на боковой нижней стороне рамки и неподвижного элек-
трода, нормально замкнутые контакты управляющей цепи сформированы из дорожек на
зубцах и пальцах.
2. Электростатический мини-манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что перифе-
рийные концы держателей соединены с гибкими упругими стенками, отделенными от
пластины сквозными пазами.
3. Электростатический мини-манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что в плоско-
сти манипуляторов напротив щелей и зубцов размещены выступы с токопроводящей до-
рожкой на верхней стороне.
(56)
1. Патент США 160549.
2. Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: Мир, 1983. - С. 519.
3. Патент РБ 9096, MПK7
H 01H 59/00.
4. Писаренко Г.С., Агарев В.А., Квитко А.Л. и др. Сопротивление материалов. - Киев:
Вища школа, 1973. - 667 с.
5. Мухуров Н.И., Ефремов Г.И. Концепция построения электростатических микропе-
реключателей. XIV МНТК. - М.: ОАО ЦНИТИ, "Техномаш", 2008. - С. 212-215.
Полезная модель относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и
может быть использована в системах управления, коммутирования, связи, регулировки.
Известно MEMS micro-relay with coupled electrostatic and electromagnetic actuation
(микроэлектромеханическое реле с объединенным электростатическим и электромагнит-
ным приводом) [1]. Микрореле содержит диэлектрическую подложку прямоугольной
формы, в которой по продольной оси выполнена канавка с плоским дном. На ее боковых
сторонах размещены выступы. В канавке и на обоих выступах нанесен электропроводя-
щий слой, из которого посредством локального травления сформированы в средней части
подложки неподвижный электрод электростатического актюатора и в нем два раздельных
изолированных контакта управляемой цепи, а за его пределами - токопроводящие дорож-
ки. Над подложкой расположена диэлектрическая перфорированная пластина. В ее центре
размещен якорь, соединенный двумя симметричными меандрообразными упругими дер-
жателями с площадками на обоих концах пластины, которые жестко закреплены на кон-
цах выступов подложки. Конструкция пластины не обладает формоустойчивостью из-за
малой жесткости держателей. На пластине сформированы токопроводящие элементы: на

3. BY 6719 U 2010.10.30
3
якоре снизу - подвижный электрод с пленочными выводами и изолированная от него пе-
ремычка управляемой цепи, размещенная в контуре электрода, сверху - токовая катушка.
С внешних боковых сторон напротив якоря расположены северный и южный полюса по-
стоянного магнита. Неподвижный и подвижный электроды образуют электростатический
привод (ЭСП), магнит с токовой катушкой - электромагнитный привод (ЭМП). В рабочем
цикле ЭМП предварительно приближает подвижный электрод к неподвижному, оконча-
тельное перемещение и замыкание контактов управляемой цепи перемычкой осуществля-
ет ЭСП. Такая последовательность несколько снижает требующееся напряжение U, но оно
остается высоким, т.к. электроды имеют малую площадь S из-за размещения на этих же
поверхностях подвижной перемычки, контактов и их выводов, а электростатическая сила
F [2] должна оставаться неизменной, чтобы преодолеть силу P сопротивления держателей,
деформируемых перемещающимся якорем:
( )
,P
yt2
SU
F 2
2
0 =
−
ε
= (1)
где ε0 - электрическая постоянная;
t - межэлектродное расстояние;
y - смещение якоря, прогиб держателей.
Возврат якоря в исходное положение осуществляется реактивными силами деформи-
рованных держателей, которые практически всегда в состоянии преодолеть реактивные
силы индуцированных зарядов, залипание контактов, инерционность масс, что в итоге на
неопределенное время задерживает отключение микрореле.
МЭМС микрореле с объединенными электромагнитным и электростатическим приво-
дами не может обеспечить надежность цикла срабатывания, т.е. имеет ограниченные
функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности является электростатическое микрореле
[3], состоящее из диэлектрических прямоугольных основания, пластины и фиксатора, со-
единенных штырьками. На длинных сторонах основания выполнены попарно 4 опоры
одинаковой высоты, образуя углубление, равное расчетному межэлектродному расстоя-
нию t0. В пластине сформированы жесткий якорь и четыре жесткие опорные площадки,
соединенные с якорем упругими держателями, размещенными по боковым сторонам яко-
ря вдоль оси пластины. Опорные площадки расположены соответственно опорам на осно-
вании. Держатели от всех опорных площадок направлены в одну сторону, чтобы избежать
их растяжения и снизить реактивную силу. Над пластиной расположен фиксатор, на его
внутренней стороне выполнены упоры высотой (0,55-0,80)t0 с металлизированными тор-
цами. На верхней плоскости пластины под упорами сформированы контактные площадки.
На внутренней поверхности якоря и в углублении размещены соответственно подвижный
и неподвижный электроды, образующие электростатический актюатор. На этих же по-
верхностях расположены контакты и перемычки. В собранном микрореле якорь упорами
фиксатора смещен до межэлектродного расстояния t = (0,45-0,20)t0, контакты на якоре и
перемычки образуют нормально разомкнутые (HP) контакты, а металлизация торцов и
контактные площадки - нормально замкнутые (HЗ) контакты управляемой цепи, причем
контактное усилие Pк в последних равно реактивной силе P1 механически прогнутых дер-
жателей.
Микрореле срабатывает при подаче на электроды разноименных зарядов по управля-
ющей цепи. Под действием электростатических сил F (1) якорь перемещается в конечное
положение, дополнительно прогибая держатели и увеличивая их реактивную силу P2, а
также размыкая HЗ- и замыкая HP-контакты в управляемой цепи.
Для последовательного преодоления сил P1, P2 при включении требуется значительное
рабочее напряжение U (1), которое инициирует возникновение паразитных емкостей с ре-
активными силами Fп. При отключении сила держателей P становится активной. Она

4. BY 6719 U 2010.10.30
4
должна превысить инерцию подвижных масс, сопротивление сил Fп, залипание контактов,
что на неопределенное время может задержать возврат якоря, т.е. отключение микрореле.
Электростатическое микрореле не может обеспечить надежность цикла срабатывания,
т.е. имеет ограниченные функциональные возможности.
Технической задачей является расширение функциональных возможностей электро-
статических микрореле за счет создания в момент отключения дополнительно к P силово-
го электрического импульса, возвращающего подвижные элементы в исходное
положение.
Электростатический мини-манипулятор содержит соединенные между собой токопро-
водящими штырьками диэлектрические прямоугольные жесткие основание с углублением
t1 и пластину толщиной d1 с якорем и упругими держателями, расположенными на боко-
вых сторонах якоря параллельно его длинной оси, неподвижный на дне углубления и по-
движный на якоре электроды управляющей цепи, образующие электростатический
актюатор с межэлектродным расстоянием t, нормально разомкнутые контакты в управля-
емой цепи, токопроводящие дорожки. Между основанием и якорем под держателями раз-
мещены два упругих манипулятора толщиной d2 и длиной L1, прогнутые в сторону якоря,
сместившие якорь и изогнувшие держатели на величину H. Причем концы манипуляторов
упираются в торцы выемок, выполненных на верхней плоскости основания глубиной d2 и
с расстоянием между противоположными торцами выемок L2, при этом ∆L = L1 - L2 > 0, а
в средней части манипуляторов и якоря выполнены одинаковые щели, образующие на ма-
нипуляторах зубцы, на якоре пальцы одинаковой ширины, на которые надета рамка со
стенками толщиной q и окном высотой d3, при этом соотношения геометрических пара-
метров при заданных t и q составляют:
( )
( )
,d2dd
;qt
L64
9
L
;
2
qt
H
;qt
4
3
A
213
2
1
2
+=
−
π
=∆
−
=
−=
где A - амплитуда свободно прогнутых по синусоиде манипуляторов при их осевом сжа-
тии,
при этом токопроводящие дорожки нанесены в углублении, выемках, на одной половине
верхней плоскости манипуляторов и зубцов, на всех сторонах пальцев, на всех поверхно-
стях одной горизонтальной стороны рамки и на трех внешних боковых ее сторонах, нор-
мально разомкнутые контакты управляемой цепи содержат перемычки на выступах якоря,
выполненных упругими и размещенных между держателями, и контакты на ступеньках в
углублении, расположенных под выступами, нормально разомкнутые контакты управля-
ющей цепи состоят из дорожки на боковой нижней стороне рамки и неподвижного элек-
трода, нормально замкнутые контакты управляющей цепи сформированы из дорожек на
зубцах и пальцах. Периферийные концы держателей соединены с гибкими упругими стен-
ками, отделенными от пластины сквозными пазами, в плоскости манипуляторов напротив
щелей и зубцов размещены выступы с токопроводящей дорожкой на верхней стороне.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлено продольное сечение электростатического мини-манипулятора
(ЭСМ) по плоскости AA.
На фиг. 2 представлен вид на ЭСМ сверху со снятой половиной пластины.
На фиг. 3 представлено продольное сечение ЭСМ по плоскости AA во включенном
состоянии.

5. BY 6719 U 2010.10.30
5
Электростатический манипулятор содержит прямоугольные диэлектрические основа-
ние 1, пластину 2, два плоских манипулятора 3, две рамки 4.
В центральной части верхней поверхности основания 1 выполнено (фиг. 1-2) прямо-
угольное углубление 5 глубиной t1, в котором на противолежащих коротких сторонах
предусмотрены ступеньки 6. Над основанием 1 расположена жесткая пластина 2 толщи-
ной d1, выполненная в виде четырехсторонней рамки. В ее средней части сформирован
жесткий якорь 7 толщиной d1 с четырьмя упругими держателями 8, расположенными
вдоль двух боковых сторон якоря 7 и направленными попарно к коротким сторонам пла-
стины 2. Концы держателей 8 соединены с тонкими стенками 9, выполняющими роль тор-
сионов. Стенки 9 отделены от коротких сторон пластины 2 сквозными пазами 10. Между
держателями 8 на обеих сторонах якоря 7 на его нижней плоскости сформированы упру-
гие выступы 11, ширина которых определяет длину ступенек 6. В середине боковых сто-
рон якоря 7 с держателями 8 выполнены по две поперечные щели 12, образующие пальцы
13. Манипуляторы 3 длиной L1 расположены под держателями 8. Под концами манипуля-
торов 3 в основании 1 сформированы выемки 14 глубиной, равной толщине d2 манипуля-
торов 3, одинаковой с ними ширины и с расстоянием L2 между торцевыми стенками
противоположных выемок 14, меньшим длины манипуляторов L1 на
∆L = L1 - L2 > 0. (2)
В середине манипуляторов 3 расположены зубец 15, аналогичный пальцу 13, и попе-
речные щели 12. С другой стороны в плоскости манипулятора 3 размещены полочки 16,
обеспечивающие постоянную жесткость поперечных сечений по длине. Рамки 4 с толщи-
ной стенок d надеты на пальцы 13 и зубцы 15 и соединяют якорь 7 и манипуляторы 3. В
них выполнены окна 17 шириной, равной ширине пальцев 13, и высотой d3, равной сумме
d3 = d1+d2+s=d1+2d2, (3)
где зазор s = d2 обеспечивает возможность перемещения зубца 15 манипулятора 3 в окне
17. По периферии основания 1 и пластины 2 расположены сквозные соосные отверстия 18,
в которые установлены центрирующие и коммутирующие штырьки 19. На противолежа-
щих плоскостях основания 1 и якоря 7 с выступами 11, а также на всей боковой поверхно-
сти пальцев 13 сформированы неподвижный 20 и подвижный 21 электроды, образующие
электростатический актюатор 22, входящий в управляющую цепь. На ступеньках 6 и вы-
ступах 11 расположены соответственно неподвижные контакты 23 и подвижные пере-
мычки 24. Коммутирующие дорожки размещены: 25 - на поверхности углубления 5, 26 -
на концах и половине одной из верхних сторон манипулятора 3 и на той же стороне зуб-
цов 15, располагаемых при металлизации в противоположные стороны, 27 - на внешних
боковых сторонах рамок 4, 28 - на всех сторонах верхней горизонтали рамок 4, 29 - на дне
выемок 14. Контакты 23 и перемычки 24 образуют HP-контакты управляемой цепи 30, до-
рожка 26 и подвижный электрод 21 формируют HЗ-контакт управляющей цепи 31, а не-
подвижный электрод 20 и дорожка 27 - HP-контакт управляющей цепи 32.
При сборке пластина 2 располагается подвижным электродом 21 вниз. Под ее боковые
стороны устанавливаются манипуляторы 3 дорожкой 26 вверх и влево. На совмещенные
пальцы 13 и зубцы 15 надеваются рамки 4 дорожкой 28 вверх. Затем металлизированные
концы манипуляторов 3 помещаются в выемки 14 до упора в их торцы. Манипуляторы 3
оказываются в изогнутом состоянии, т.к. L1 > L2. Разница определяется соотношением
,
L4
A
L
2
22
π
=∆ (4)
где A (согласно теории устойчивости [4]) - амплитуда изогнутой по синусоиде оси пружи-
ны. Она является функцией задаваемого техническими требованиями (TT) межэлектрод-
ного расстояния t. При установке пластины 2 на основание 1 якорь 7 нажимает на
манипуляторы 3, деформирует их, уменьшая амплитуду A до H (фиг. 1). Под действием
реактивной силы Pп манипуляторов 3 держатели 8 прогибаются наружу, в них возникает

6. BY 6719 U 2010.10.30
6
сила Pд = Pп, величину которой значительно снижают упругие стенки 9 за счет уменьше-
ния сил растяжения держателей 8 и реактивных моментов в заделке. Нужное соотношение
сил и прогиба H достигается расчетами по теории упругости [4] жесткостей манипулято-
ров 3 и держателей 8. Силы Pп = Рд создают нужное по TT контактное усилие Pк в HЗ-
контактах управляющей цепи 31. По расчетам электростатических F и упругих механиче-
ских сил P оптимальное значение для компромисса электрических и механических напря-
жений с учетом явления коллапса [5] достигается при
A
3
2
H ≈ (5)
в собранной конструкции ЭСМ. Геометрические параметры при заданных t, L2 и d опре-
деляются следующими (из 2-5) соотношениями. Так как (фиг. 1-3)
t = 2H+d, (6)
то
( );
4
dt3
A
−
= (7)
;
2
dt
H
−
= (8)
( ) ;dt
L64
9
L
2
2
2
−
π
=∆ (9)
d3 = d1 + 2d2. (10)
На этой стадии пластина 2 прижата к основанию 1, жестко зажимает металлизирован-
ные концы манипуляторов 3 и закреплена на штырьках 19.
Электрическая цепь неподвижного электрода 20 (фиг. 1) замкнута с одним из штырь-
ков 19 дорожкой 25, проходящей по основанию 1. Электрическая цепь подвижного элек-
трода 21 соединена с другим штырьком дорожкой 29, проходящей по выемке 14,
дорожкой 26 - на манипуляторе 3 и зубце 15, дорожкой 27 - на пальце 13. HP-контакты
управляемой цепи остаются открытыми.
Диэлектрические детали ЭСМ могут быть изготовлены из анодного оксида алюминия,
который обладает высокими электрофизическими и механическими свойствами. Алюмо-
оксидная технология, основанная на интегральных методах формирования, обеспечивает
прецизионность геометрии планарных и объемных структур. Токопроводящие тонкопле-
ночные элементы создаются вакуумным напылением.
ЭСМ работает следующим образом.
При подаче по управляющей цепи разноименных зарядов между неподвижным 20 и
подвижным 21 электродами возникнут согласно (1) электрические силы F притяжения.
Под действием их и сил Рд деформированных держателей 8 якорь 7 начнет перемещаться
в сторону основания 1, продолжая деформировать, т.е. выпрямлять, манипуляторы 3, при
этом активные силы F возрастают, Pд уменьшаются, реактивная сила Pп возрастает, кон-
тактное усилие Рк обеспечивается сжатием пальцев 13 и зубцов 15. При достижении плос-
кой формы манипуляторов 3 и пластины 2 усилие Рк сохраняется за счет действия сил F и
Pп и цепь подвижного электрода 21 остается замкнутой. Однако такое положение мгно-
венно изменяется. Силы F, Pп и инерционные Ри прогибают манипуляторы 3 и держатели
8 в другую сторону, к основанию 1. Функции сил изменяются: активными становятся F и
P, реактивными - Рд, причем F и Pд возрастают, a Pп уменьшается.
Манипуляторы 3, переместившись в окне 17, разомкнут цепь подвижного электрода
21, упрутся в нижнюю изолированную сторону рамки 4 и потянут за собой через рамку 4
якорь 7 до тех пор, пока рамка 4 не достигнет неподвижного электрода 20, замкнув при

7. BY 6719 U 2010.10.30
7
этом цепь подвижного электрода 21 через неподвижный электрод 20 и дорожки 27, 28 на
пальце 13. Таким образом, манипуляторы 3 выполняют роль переключателя разноимен-
ных зарядов электродов на одноименные. Одноименно заряженные электроды с учетом
малой величины t дают мощный отталкивающий импульс, который сопровождается раз-
мыканием цепи 21, но который существенно помогает силам Рд держателей 8, затем силам
Pп манипуляторов 3 преодолеть реактивную силу индуцированных зарядов, залипание
контактов, инерцию масс и ускорить возврат якоря 7 в исходное положение. В итоге обес-
печивается стабильность времени обратного хода.
Контакты 23 соединяются перемычкой 24 (замыкание HP контактов управляемой цепи
30) после перехода манипуляторов 3 из промежуточного прямолинейного положения в
криволинейное и расположения их в углублении 5. Дорожка 26 на зубцах 15 и подвижный
электрод 21 на пальцах 13 образуют HЗ-контакты 31, а дорожки 27 на рамке 4 и непо-
движный электрод 20 - HP-контакты управляющей цепи 32. Контактное давление в кон-
тактах 30 и 32 в сработавшем микрореле обеспечивается силами F и Pп и упругостью
выступов 11, в контактах 31 невключенного микрореле - силами Pп = Рд.
Следующий цикл начинается после подачи на электроды нового разноименного заряда.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.