ПЛАНАРНЫЙ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЙ КОММУТАТОР

Полезная модель относится к области управляемых внешним магнитным полем коммутаторов электрического тока: магнитоуправлемых контактов (герконов), микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов и переключателей, и может быть использована для улучшения эксплуатационных и потребительских характеристик данных устройств в частности увеличения чувствительности к магнитному полю.
Магнитоуправлемые контакты (герконы) и магнитоуправляемые MEMS-коммутаторы являются востребованными электронными устройствами, обладающими рядом преимуществ: отсутствие энергопотребления в ждущем режиме, возможность прямой коммутации нагрузки, малое контактное сопротивление, малые габариты (для МЭМС-коммутаторов). Указанные преимущества данного типа приборов определяют широту областей их использования: датчики положения для мобильных телефонов, бытовой техники, автомобиле- и авиастроения, робототехники, систем автоматики, медицинской техники, нажимные кнопки и клавиатуры.
В связи с тенденцией миниатюризации электронных устройств и их компонентов актуальными задачами являются повышение чувствительности коммутаторов к управляющему магнитному полю при условии сохранения стойкости к ударному воздействию (инерционной стойкости), при котором могут возникать ложные замыкания контактов прибора в отсутствии внешнего магнитного поля и увеличение силы контактного нажатия, определяющей величину контактного сопротивления.
По конструктивным особенностям различают два основных типа магнитоуправляемых коммутаторов. К первому типу относятся коммутаторы с двумя подвижными магниточувствительными контакт-деталями, представляющими собой гибкие пластины прямоугольной формы с торцевой фиксацией. Между контакт-деталями имеется зазор, обеспечивающий электрическую изоляцию. Под действием внешнего магнитного поля контакт-детали притягиваются между собой обеспечивая механический и электрический контакт. Этот принцип работы лежит в основе практически всех выпускающихся магнитоуправляемых герконов [1, 2].
Второй тип представляют коммутаторы с креплением подвижной магниточувствительной балки на торсионах [3, 4], принцип работы которых основан на переориентации протяженной магниточувствительной балки вдоль линий магнитного поля и замыкании с неподвижным контактом. Этот принцип лежит в основе маломощных микроэлектромеханических (МЭМС) магнитоуправляемых коммутаторов.
У каждого типа конструкции имеются свои преимущества и недостатки. Общим является то, что в большинстве устройств увеличение магнитной чувствительности осуществляется за счет уменьшения жесткости контакт-детали или ее крепления. Это в свою очередь неизбежно приводит к снижению вибрационной стойкости и стойкости к ударному воздействию, что существенно сокращает область использования магнитоуправляемых коммутаторов.
Известны конструкции герметизированных магнитоуправляемых герконов [5, 6], представляющих собой герметично заваренные в стеклянном баллоне ферромагнитные контакт-детали, свободные концы которых образуют зазор и контактное перекрытие в середине баллона. Конструкция, описанная в [6] имеет два или более таких герконов в одном корпусе, имеющих различную магнитную чувствительность. Использование таких коммутаторов в охранных устройствах позволяет зафиксировать попытку намеренного удержания основного геркона в замкнутом состоянии другим магнитом. Герконы способны коммутировать достаточно большие нагрузки, однако имеют недостаток, связанный с габаритами (более 10 мм), что ограничивает их применение в современных миниатюрных устройствах.
В патенте [7] описана конструкция, в которой для удержания магнитной контакт-детали в одном из состояний используется постоянный магнит, линии магнитного поля которого ориентированы перпендикулярно оси подвижной контакт-детали. Данный магнит встроен в подложку коммутатора. При переводе коммутатора из одного рабочего состояния в другое угол между осью подвижной контакт-детали и линиями постоянного магнитного поля меняется, в результате чего на подвижную магнитную контакт-деталь воздействует крутящий момент. В зависимости от начальной ориентации подвижной контакт-детали относительно магнитного поля, которая определяется одним из рабочих состояний коммутатора (замкнут или разомкнут), момент вращения имеет направление по часовой стрелке или против нее. Когда угол между осью подвижной контакт-детали и линиями внешнего магнитного поля меньше 90°, вращающий момент имеет направление против часовой стрелки, если же данный угол больше 90°, то вращающий момент - по часовой стрелке. Благодаря этому данный тип коммутаторов имеет устойчивые состояния, что обеспечивает повышенную инерционную и вибростойкость. Однако наличие внешнего удерживающего магнитного поля требует дополнительных затрат на перевод коммутатора из одного состояния в другое, связанное с преодолением сил удерживающего поля. Данная особенность снижает магнитную чувствительность устройства и не позволяет использовать его в системах с малой величиной коммутационного магнитного поля.
Известна конструкция магнитоуправляемого коммутатора, состоящего из металлического кантилевера в форме тонкой пластины, закрепленного на одном из двух электрически изолированных металлических оснований, действующих как усилитель магнитного поля, расположенных на керамической подложке. [8]. Важным принципиальным отличием данного типа коммутатора от планарных является технология его производства - HARM технология. Благодаря ей, коммутатор имеет вертикальную архитектуру, которая позволяет компактно разместить компоненты коммутатора и уменьшить его габариты. Достоинством такого коммутатора является высокая магнитная чувствительность и малые габариты, однако за счет сложной технологии производства, данный тип коммутатора имеет очень высокую стоимость, что ограничивает его доступность широкому кругу потребителей.
Представлена конструкция магнитного микровыключателя, состоящего из двух полосок, взаимное перекрытие которых образует воздушный зазор [9]. По меньшей мере, одна из полосок состоит из магнитного материала и является подвижной. Один из концов полоски закреплен на подложке. Средняя часть полоски выполнена с общим поперечным сечением меньшим, чем на краях. Это достигается методом перфорирования средней части подвижной балки. Таким образом, уменьшается сопротивление изгибу подвижной балки под действием внешнего магнитного поля, т.е. повышается магнитная чувствительность. Однако, такое решение влечет за собой другую проблему - снижение инерционной стойкости и увеличение вероятности ложных коммутаций.
В патенте [10] представлена конструкция реле-переключателя и метод его создания по технологии МЭМС. Устройство состоит из полупроводниковой подложки, на поверхности которой расположен электропроводящий металлический слой, в том числе магнитный. Выше в изоляционном слое расположена планарная токопроводящая катушка, которая при протекании через нее электрического тока формирует магнитное поле, причем центр катушки расположен под контактным перекрытием контакт-деталей. На поверхности изоляционного слоя расположена подвижная магнитная контакт-деталь, основание которой через межслоевые переходные штифты электрически соединена с полупроводниковой подложкой. Ответная контакт-деталь жестко закреплена на поверхности изоляционного слоя и также, как и основание подвижной магнитной балки электрически соединена с полупроводниковой подложкой через межслоевые переходные штифты. Таким образом, обе контакт-детали могут быть соединены с электрическими выводами интегрированных в полупроводниковую подложку элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Для повышения магнитной чувствительности МЭМС-переключателя непосредственно под контактным перекрытием контакт-деталей в центре токопроводящей катушки, а также по обоим краям от нее вдоль оси подвижной магнитной контакт-детали расположены дополнительные переходные штифты. Они выполнены из магнитного материала с большей магнитной проницаемостью, чем материал подвижной балки и магнитного слоя, расположенного под токопроводящей катушкой. Это обеспечивает повышенную магнитную чувствительность устройства. Достоинством такого магнитного переключателя является возможность его встраивания в интегральные микросхемы в процессе производства последних. Однако сложность и большое количество дополнительных технологических процессов непременно ведут к многократному удорожанию данного типа устройств, по сравнению с традиционными магнитными переключателями.
Известны патенты [11, 12, 13, 14, 15] в которых представлены различные конструкции магнитоуправляемых коммутаторов. Основным недостатком данных конструкций является необходимость затрачивания энергии для переключения коммутатора из одного состояния в другое с помощью токопроводящей катушки. Некоторые конструкции, описанные в перечисленных патентах, требуют затраты энергии для поддержания коммутатора в одном из рабочих состояний. В тех устройствах, где затрат энергии на поддержание стабильного рабочего состояния не требуется, т.е. используются иные удерживающие силы, необходимо прикладывать большее внешнее магнитное поле для преодоления этой силы и перевода коммутатора из одного рабочего состояния в другое.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является магнитоуправляемый коммутатор с повышенной чувствительностью, конструкция которого представлена в [16]. Данное устройство состоит из подвижной контакт-детали, выполненной из магниточувствительного материала, закрепленной на электропроводящей подложке с помощью крепежных элементов. Неподвижная контакт-деталь коммутатора жестко закреплена и электрически соединена с другой подложкой. При воздействии на коммутатор внешнего магнитного поля за счет переориентации линий магнитного поля внутри подвижного элемента появляется момент вращения, замыкающий подвижную и неподвижную контакт-детали. Повышение магнитной чувствительности коммутатора обеспечивается путем выбора оптимального количества и размера крепежных элементов подвижной контакт-детали, которые влияют на результирующие механические напряжения и деформации в подвижной контакт-детали в процессе изготовления коммутатора. Деформации в подвижной контакт-детали ведут к увеличению межконтактного зазора и снижению магнитной чувствительности. Недостатком данного устройства является громоздкость подвижной контакт-детали, что препятствует обеспечению высокой инерционной стойкости. Подобным недостатком обладает магнитоуправляемый МЭМС-коммутатор, представленный в [17]. При попытке повышения магнитной чувствительности за счет увеличения поперечного сечения подвижной магнитной балки неизбежно снижается инерционная стойкость устройства.
При создании заявляемой полезной модели решается задача увеличения магнитной чувствительности планарного магнитоуправляемого коммутатора без изменения механических характеристик и упругости подвижной контакт-детали (балки).
Сущность полезной модели заключается в использовании в качестве неподвижной контакт-детали магнитного концентратора, представляющего собой ферромагнитную пластину в форме равнобедренной трапеции, верхнее (узкое) основание которой направлено к области контактного перекрытия на котором расположена контактная площадка.
На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого магнитоуправляемого коммутатора с увеличенной магнитной чувствительностью.
Решение указанной задачи достигается тем, что планарный магнитоуправляемый коммутатор, состоящий из подвижной ферромагнитной контакт-детали 1 в форме пластины, закрепленной с узкого края на токопроводящей площадке 2, расположенной на диэлектрической подложке 3, и неподвижной ферромагнитной контакт-детали 4, расположенной на подложке 3, таким образом, что между подвижной 1 и неподвижной 4 контакт-деталями в области контактного перекрытия 5 образован зазор 6. Причем неподвижная контакт-деталь 4 выполнена в форме равнобедренной трапеции, в которой угол 7 между боковыми сторонами трапеции составляет 30-100°, что обеспечивает эффективное увеличение индукции магнитного поля в области контактного перекрытия 5 и повышает магнитную чувствительность коммутатора.
Устройство работает следующим образом. В отсутствии внешнего магнитного поля подвижная ферромагнитная контакт-деталь 1 за счет собственной жесткости находится в состоянии покоя, в результате чего между подвижной 1 и неподвижной 4 ферромагнитными контакт-деталями существует изолирующий зазор 6. При воздействии на коммутатор внешнего магнитного поля происходит переориентация подвижной ферромагнитной контакт-детали 1 вдоль линий магнитного поля и ее примыкание к неподвижной контакт-детали 4. Таким образом, происходит коммутация электрической цепи, подключенной к парам контактов 8а-8b и 9а-9b. При прекращении действия внешнего магнитного поля подвижная ферромагнитная контакт-деталь 1 под действием собственных упругих сил возвращается в исходное положение, размыкая контакт. Увеличение магнитной чувствительности в данной конструкции достигается за счет эффективной концентрации напряженности магнитного поля в области контактного перекрытия 5 и увеличение магнитной силы, действующей на подвижную ферромагнитную контакт-деталь 1. Следствием этого является увеличение магнитной чувствительности без изменения упругих характеристик подвижной балки.
Полезная модель осуществляется следующим образом. Для достижения максимальной магнитной чувствительности угол 7 между боковыми сторонами трапецеидальной неподвижной ферромагнитной контакт-детали 4 должен быть в пределах 30-100°. Это обусловлено тем, что при малых углах расхождения 7 уменьшается эффективность концентрации магнитного поля в области контактного перекрытия 5. При увеличении угла 7 ширина нижнего основания трапецеидальной неподвижной ферромагнитной контакт-детали 4 становится больше и магнитная чувствительность коммутатора растет, но при углах 7 больших 100° данный рост замедляется, ширина нижнего основания неподвижной ферромагнитной балки 4 становится слишком большой, что резко увеличивает габариты устройства. Кроме того, при большой степени концентрации магнитного поля в области контактного перекрытия 5 наблюдается режим насыщения индукции магнитного поля в неподвижной ферромагнитной контакт-детали 4, после которого дальнейшее увеличение степени концентрации не приводит к росту магнитной чувствительности. Ширина неподвижной ферромагнитной контакт-детали 4 в области контактного перекрытия 5 должна быть равна ширине подвижной ферромагнитной контакт-детали 1 для эффективного использования концентрации магнитного поля в межконтактном зазоре 6.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет решить проблему повышения магнитной чувствительности планарных магнитоуправляемых коммутаторов за счет использования неподвижной контакт-детали 4, выполненной в форме равнобедренной трапеции, в которой угол 7 между боковыми сторонами трапеции составляет 30-100°, что обеспечивает эффективное увеличение индукции магнитного поля в области контактного перекрытия 5 без изменения механических параметров подвижной ферромагнитной контакт-детали 1, определяющих допустимое ускорение ударного воздействия и вибрационную стойкость.
ЛИТЕРАТУРА
1. Patent US 2264746 Electromagnetic switch.
2. Карабанов, С.М., Майзельс, P.M., Шоффа, B.H. Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе: Монография / под. ред. д.т.н., профессора В.Н. Шоффы - Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2011. - 408 с.
3. Courier, С., Chiesi, L., Gamier, A., Fourrier, J.С., Lapiere, С., Trouillon, М., Grappe, В., Vincent, М., Samperio, A., Borel, S., Dieppedale, С., Lorent, E., Sibuet, H. A new magnetically actuated switch for precise position detection. Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009. International, pp. 861-864.
4. Magnetically controlled mems switches with nanoscale contact coatings. Karabanov S.M., Karabanov, A.S., Suvorov D.V., Grappe В., Coutier C., Sibuet H., Sazhin B.N. (2012) IET Conference Publications 2012 (605 CP) PP. 359-361. doi: 1049/cp.2012.0675.
5. Патент РФ №2391733 Магнитоуправляемый герметизированный контакт.
6. Patent US 7321282 MEM's reed switch array.
7. Patent US 7420447 Latching micro-magnetic switch with improved thermal reliability.
th
8. S. Day and T.R. Christenson A High Aspect Ratio Microfabricated Reed Switch Capable of Hot Switching. Proceedings of the 59 IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, pp. 336-343, Newport, Rhode Island, 22-25 September, 2013
9. Patent US 6040748 Magnetic microswitch.
10. Patent US 8446237 MEMS relay and method of forming the MEMS relay.
11. Patent US 8174343 Electromechanical relay and method of making same.
12. Patent US 6750745 Micro magnetic switching apparatus and method.
13. Patent US 6469603 Electronically switching latching micro-magnetic relay and method of operating same.
14. Patent EP 1168401 Bi-stable microswitch including magnetic latch.
15. Patent CN 1656644 Spring loaded bi-stable mems switch.
16. Patent US 8581679 Switch with increased magnetic sensitivity.
17. Patent CN 101794678 Microelectromechanical system.