ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЙ МЭМС-КОММУТАТОР БАЛОЧНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области микроэлектроники и может быть использована для коммутирования электрических цепей при замыкании и размыкании контактной группы МЭМС-коммутаторов электростатическим способом в условиях повышенной радиации, например, в оборудовании атомных станций и космических аппаратов, а также в качестве элементов электромеханической памяти с подвижным механическим контактом.
Известно устройство, изготавливаемое в виде электростатического реле с резистивным соединением консольного типа [1].
Воздействие электростатического поля на консоль обеспечивает замыкание рабочих контактов и удержание их в замкнутом состоянии. Размыкание контактов происходит после снятия электростатического поля за счет самопроизвольного выпрямления консоли под действием упругих сил, возникающих в ней. Недостатком устройства является необходимость потребления энергии для поддержания замкнутого состояния.
Известен МЭМС-коммутатор консольного типа, управляемый внешним магнитным полем [2].
Его работа основана на перемещении постоянного магнита относительно контактной ферромагнитной пластины, за счет чего происходит замыкание и размыкание контактов. Такой МЭМС-коммутатор не требует энергопотребления для сохранения положения переключения. Но существенным недостатком такого коммутатора является низкая частота работы - до 1 кГц.
Известен МЭМС-коммутатор, содержащий основание, деформируемую балку, контактную пару, электростатический исполнительный механизм с упругими подвесами [3]. МЭМС-коммутатор включает одну контактную пару с консольным электростатическим исполнительным механизмом, выполненным из золота с двумя упругими подвесами, обеспечивающими равномерное распределение сил на двух сторонах контактной системы. Недостатком этого устройства является низкая радиационностойкость и энергозависимость. Так при воздействии импульса сверхжесткого рентгеновского излучения (СЖР-излучения) происходит изменение электростатического режима работы МЭМС-коммутатора - выход из строя из-за значительной температурной деформации. В частности температура элементов выполненных из золота после воздействия импульса СЖР-излучения длительностью 10 не достигает 1000°C. В результате возникают деформации элементов МЭМС-коммутатора, что приводит к временному выходу из строя этих элементов.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, являются обеспечение энергонезависимости, увеличение радиационной стойкости при высоком быстродействии.
Для достижения этого в МЭМС-коммутаторе, содержащем основание, деформируемую балку с электродом контактной группы, электростатический исполнительный механизм с электродами, балка сформирована двухопорной предварительно изогнутой.
Одна или обе опоры деформируемой балки имеет два или более механических соединений с основанием.
Деформируемая балка выполнена в виде многослойной структуры, включающей два или более электрода.
Признаком, отличающим предложенный МЭМС-коммутатор от известного является то, что балка сформирована двухопорной предварительно изогнутой.
Для коммутации в МЭМС-коммутаторе используется двухопорная предварительно изогнутая балка, имеющая два устойчивых положения. Переход из одного устойчивого положения в другое устойчивое положение осуществляется за счет кратковременного электростатического взаимодействия между электродом балки и неподвижными электродами электростатического исполнительного механизма. При этом на соответствующую пару электродов подается напряжение, необходимое для переключения балки. Подаваемое напряжение переключения обеспечивает электростатическое взаимодействие между двумя электродами, при котором сила воздействия на предварительно изогнутую балку превышает силу механических напряжений в данной балке, что обеспечивает переход балки из одного устойчивого положения в другое. Таким образом, для поддержания балки в состоянии устойчивого положения не требуется потребление энергии, и отсутствие постоянного приложенного электрического поля повышает устойчивость к электромагнитным воздействиям и радиационную стойкость.
МЭМС-коммутатор может быть выполнен с двухопорной предварительно изогнутой однослойной балкой или с двухопорной предварительно изогнутой многослойной балкой. В МЭМС-коммутаторе с многослойной балкой предварительно изогнутая балка выполнена в виде многослойной структуры, включающей два или более электрода, и электростатический исполнительный механизм выполнен в виде многослойных структур, включающих два или более электрода.
Формирование дополнительных электродов в структуре балки и в структуре электростатического исполнительного механизма позволяет повысить управляемость МЭМС-коммутаторов за счет обеспечения независимого замыкания и размыкания электродов контактной группы при использовании дополнительных электродов в структуре балки и в структуре электростатического исполнительного механизма.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1. МЭМС-коммутатор с однослойной балкой, имеющей два механических соединения с основанием.
Фиг. 2. МЭМС-коммутатор с многослойной балкой, имеющей два механических соединения с основанием.
Фиг. 3. МЭМС-коммутатор с однослойной балкой, имеющей четыре механических соединения с основанием.
Фиг. 4. МЭМС-коммутатор с многослойной балкой, имеющей четыре механических соединения с основанием. Обозначение элементов структуры на чертежах:
1 - основание,
2 - опоры,
3 - электрод - I,
4 - электрод - II,
5 - электрод - III,
6 - изоляционный диэлектрический слой неподвижных электродов,
7 - электрод - IV,
8 - электрод - V,
9 - электрод - VI,
10 - изоляционный диэлектрический слой балки.
МЭМС-коммутатор с однослойной балкой (фиг. 1, фиг. 3) содержит основание 1, на котором при помощи опоров 2 закреплена предварительно изогнутая балка 4. С обеих сторон предварительно изогнутой балки 4 через изоляционный диэлектрический слой 6 закреплен электростатический исполнительный механизм с неподвижными электродами: 3 «электрод - I» и 5 «электрод - III». Предварительно изогнутая балка включает один электрод 4 «электрод - II».
В МЭМС-коммутаторе с многослойной балкой (фиг. 2, фиг. 4) балка включает электрод контактной группы - «электрод - II» 4 и электрод исполнительного механизма - «электрод - V» 8, гальванически развязанные друг с другом. На поверхности электрода 4 «электрод - II» сформирован электрод 8 «электрод - V» через изоляционный диэлектрический слой балки 10. На поверхности неподвижного электрода 3 «электрод - I» сформирован неподвижный электрод 7 «электрод - IV» через изоляционный диэлектрический слой 6, на поверхности неподвижного электрода 5 «электрод - III» сформирован неподвижный электрод 9 «электрод - VI» через изоляционный диэлектрический слой 6.
МЭМС-коммутатор работает следующим образом. Первоначально «электрод - II» 4 предварительно изогнутой балки находится в замкнутом состоянии, например с «электродом - I» 3. При переключении МЭМС-коммутатора балка переходит из одного устойчивого положения в другое в результате этого электроды 3 и 4 - «электрод - I» и «электрод - II» размыкаются, а электроды 4 и 5 - «электрод - II» и «электрод - III» замыкаются. В МЭМС-коммутаторе с однослойной балкой переключение из одного положения в другое осуществляется за счет электростатического взаимодействия между «электродом - II» 4 предварительно изогнутой балки и соответственно «электродом - I» 3 или «электродом - III» 5.
В МЭМС-коммутаторе с многослойной балкой обеспечивается независимое управление переключением электродов контактной группы: «электрод - I» 3, «электрод - II» 4, «электрод - III» 5, при использовании дополнительных электродов исполнительного механизма: «электрод - IV» 7, «электрод - V» 8, «электрод - VI» 9. В МЭМС-коммутаторе с многослойной балкой переключение из одного положения в другое осуществляется за счет электростатического взаимодействия между «электродом - V» 8 предварительно изогнутой балки и соответственно «электродом - IV» 7 или «электродом - VI» 9. При этом на соответствующую пару электродов подается напряжение, величины которого обеспечивает силу электростатического взаимодействия, превышающую суммарную силу механических напряжений в изогнутой балке, что обеспечивает переход балки из одного устойчивого положения в другое.
Таким образом, для удержания предварительно изогнутой балки 4 (или 4, 8, 10) в одном из двух устойчивых положений не требуется дополнительного потребление энергии.
Источники информации:
1. И.А. Афиногенов, А.В. Конькин, П.Б. Эннс, А.Н. Капустин «Электростатические реле на базе МЭМС-технологий». Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, №4 с 18-23.
2. Карабанов С.М., Карабанов А.С., Суворов Д.В., Магнитоуправляемые МЭМС-коммутаторы // Сборник трудов третьей Международной научно-практической конференции «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе» г.Рязань, Россия, 27-30 сентября 2011 г.
3. MEMS Switches S. Majumder, J. Lampen, R. Morrison and J. Maciel; IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, pp. 12-15, March 2003 - прототип.