ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МИКРОРЕЛЕ

Настоящее полезная модель относится к области коммутационной техники и может быть использовано при разработке и изготовлении реле для коммутации малых токов и напряжений (микрореле).
Известно пьезореле, содержащее корпус, в котором консольно закреплен плоский биморфный пьезоэлемент с выводами для подключения к схеме управления и подвижный электрический контакт, установленный на свободном конце пьезоэлемента, для подключения к цепи коммутации сигналов (см. «Пьезоэлектрический СВЧ - выключатель» «Электронная техника», серия «Электроника СВЧ» вып.1 (405) 1988).
Недостатком такого реле является необходимость высокой точности сборки, обусловленная весьма малыми зазорами между электрическими контактами и отсутствие возможности регулировки зазоров.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является патент US 5.093.600.
В этом изобретении пьезоэлектрическое реле, содержит корпус и установленный в нем пьезоэлектрический механизм с консольно закрепленным пластинчатым биморфным пьезоэлементом, с контактами цепи управления на неподвижном конце и с электрическим контактом коммутационной цепи, установленным на свободном конце пьезоэлемента, взаимодействующим при подаче напряжения на контакты цепи управления пьезоэлемента с другим электрическим контактом коммутационной цепи, установленном в корпусе пьезореле.
Недостатки этого реле состоят в том, что оно не обеспечивает воспроизводимости параметров из-за неизбежного технологического разброса величены зазора и упругих характеристик пьезоэлектрического биморфа, а также высокой чувствительности реле к тепловым и упругим деформациям корпуса…
Задачей, на решение которой направлено настоящее полезная модель является достижение технического результата, заключающегося в упрощении технического процесса производства и повышении надежности и воспроизводимости параметров пьезоэлектрического микрореле.
Согласно полезной модели, указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом микрореле, содержащем корпус, пьезоэлектрический механизм, контакты цепи управления и коммутации, консольно закрепленный пластинчатый пьезоэлектрический биморф, упомянутые контакты цепи коммутации, выполнены в виде подвижного плоского электрода, установленного на свободном конце упомянутого биморфа, а второй контакт выполнен в виде неподвижного электрода, одним концом жестко установленного вместе с упомянутым пьезоэлектрическим биморфом на едином основании упомянутого пьезоэлектрического механизма, причем второй конец электрода заострен и установлен с зазором над упомянутым подвижным электродом с возможностью регулировки зазора путем поджатия неподвижного электрода, при этом упомянутый пьезоэлектрический механизм установлен в корпусе микрореле на эластичной прокладке, причем контакты цепи коммутации выполнены из материала с высокой электропроводностью, коррозионной и эрозионной стойкостью и малой упругостью, например, из отожженого сплава Cu-Ag,50%.
Таким образом, отличительные признаки полезной модели состоят в том, что:
контакты цепи коммутации, выполнены в виде одного подвижного плоского электрода, установленного на свободном конце упомянутого биморфа, а второй контакт выполнен в виде неподвижного электрода, одним концом жестко установленным вместе с упомянутым пьезоэлектрическим биморфом на едином основании упомянутого пьезоэлектрического механизма, причем второй конец электрода заострен и установлен с зазором над упомянутым подвижным электродом с возможностью регулировки зазора путем поджатия неподвижного электрода, при этом упомянутый пьезоэлектрический механизм установлен в корпусе микрореле на эластичной прокладке, причем контакты цепи коммутации выполнены из материала с высокой электропроводностью, коррозионной и эрозионной стойкостью и малой упругостью, например, из отожженого сплава Cu-Ag,50%.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в упрощении технического процесса производства и повышении надежности и воспроизводимости параметров реле.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежом на фиг.1, фиг.2., где:.
фиг.1 - пьезоэлектрический механизм в сборе;
фиг.2 - пьезоэлектрическое реле в сборе;
1 - основание корпуса; 2 - пьезоэлектрический механизм; 3 - крышка корпуса; 4 - пьезоэлектрический биморф; 5 - основание пьезоэлектрического механизма; 6 - клеевое соединение; 7 - проволочная перемычка; 8, 9 - проводники цепи управления; 10, 11 - выводы цепи управления; 12, 13 - электроды цепи коммутации; 14 - клеевое соединение; 15 - контактная площадка; 16 - паяное соединение; 17 - проводники цепи коммутации; 18, 19 - выводы цепи коммутации; 20 - пьеэокерамические пластины;21 - металлизация.
Основными элементами конструкции микрореле являются пьезоэлектрический механизм 2, установленный в корпусе, состоящем из основания 1 и крышки 3.
На основании 5 пьезоэлектрического механизма с помощью клея, поз.6, консольно закреплен биморфный пластинчатый пьезокерамический элемент 4, на свободном конце которого на изолирующей подкладке закреплен клеем 14 плоский электрод 12 коммутационной цепи микрореле. На этом же основании 5 с помощью пайки 16 к контактной площадке 15 жестко закреплен вставленный в отверстие основания Г-образный электрод 13, являющийся вторым контактом цепи коммутации. Противоположный конец его заострен и установлен над электродом 12 с зазором А, величину которого регулируют, поджимая электрод 13. Электроды 12, 13 цепи коммутации изготовлены из отожженого сплава Cu-Ag,50%, отличающегося высокой электропроводностью, эрозионной и коррозионной стойкостью, невысокой упругостью.
Конструкция биморфного пьезокерамического элемента поясняется видом Б на фиг.1. Он состоит из двух слоев пьезоэпектрика 20, покрытых слоями металла 21, образующих электроды. Верхние и нижние слои биморфа электрически соединены припаяной проволочной перемычкой 7. Проводниками 8, 9, пьезоэлектрический биморф 4 подсоединен к внешним выводам 10, 11 основания корпуса 1 микрореле, а проводниками 17 - к выводам 18, 19 основания корпуса.
Пьезоэлектрический биморф 1 изготовлен методом горячего спекания двух пластин из керамики ЦТС - 46 с внутренней металлизацией пастой Ag-Pd и с внешней металлизацией серебряной пастой ПП-17 толщиной ~ 6 мкм. Этим достигается большая изгибная деформация биморфа (более 5 мкм/v) и долговечность работы микрореле.
Пьезоэлектрический механизм 2 установлен на основании корпуса 1 на эластичной прокладке 22, выполненной, например, из силиконового, герметика. Описанное микрореле работает следующим образом.
При подаче на выводы 10, 11 управляющего напряжения пьезоэлектрический биморф 4 изгибается и зазор А между электродами 12, 13 коммутационной цепи уменьшается.
пор
При подаче на выводы 10, 11 порогового напряжения U зазор А становится равным нулю, А=0. При этом электрод 12 только касается конца электрода 13 практически без усилия прижатия.
рабэ
При подаче на выводы 10, 11 рабочего напряжения U электрод 12 прижимается к электроду 13 с определенным усилием, зависящем от прогиба пьезоэлектрического биморфа 4
пор
В связи с особенностями технологического процесса изготовления биморфного пьезоэлемента, при одном и том же значении напряжения Uдля разных образцов пьезореле зазор А будет различен. На разброс начальной величины зазора А влияют также технологические допуски на изготовление деталей и монтаж пьезокерамического реле.
Воспроизводимость параметров микрореле в настоящей полезной моделии обеспечивается возможностью регулировки величины зазора А между электродами 2, 3.. которая может быть проведена в следующем порядке. Первоначально, прижимая электрод 13 к электроду 12, добиваются замыкания контактов. Момент замыкания может быть проконтролирован, например, с помощью омметра, подключенного к выводам 18, 19 коммутационной цепи.
paб
пор
раб
пop
Затем на выводы 10, 11 цепи управления подается пороговое напряжение заданной величины и отжимают электрод 13 в сторону увеличения зазора А до момента разрыва цепи коммутации, определяемого также с помощью омметра. Для надежной работы пьезореле рабочее напряжение U цепи управления устанавливают больше порогового напряжения U в 1,5-2 раза U≈1,5-2 U.
пop
Минимальная величина U определяется свойствами керамики, жесткостью крепления неподвижного конца пьезоэлектрического биморфа 4 в основании 5 пьезоэлектрического механизма и гистерезисными свойствами пьезокерамики. Для микрореле оптимальная величина зазора А составляет 15-20 мкм. При этом пороговое напряжение составляет величину 5-8 В, а рабочее напряжение 10-16 В. При меньшей величине зазора микрореле становится очень чувствительным к вибрационным нагрузкам и тепловым деформациям. Эта чувствительность существенно снижается, благодаря тому, что пьезоэлектрический биморф 4 и неподвижный электрод 13 закреплены на одном основании 5 пьезоэлектрического механизма 2 и весь пьезоэлектрический механизм 2, устаовлен на эластичной прокладке 22 между основанием корпуса 1 микрореле.
Для надежной работы микрореле важно также обеспечить стабильность электрического контакта между электродами 12, 13 Выполнение одного контакта коммутационной цепи в виде плоского электрода 12, а второго контакта в виде заостренного конца электрода 13 обеспечивает получение достаточного стабильного и высокого контактного давления, необходимого для надежной работы микрореле, при относительно малом усилии, развиваемым биморфным пьезоэлементом 4, (100-150 мН).
Применение в качестве материала коммутационных контактов 12, 13 микрореле отожженого сплава Cu-Ag,50% обеспечивает простоту регулировкики зазора А путем поджима электрода 13 и высокую и стабильную эрозионную и коррозионную стойкость контактов.
Пример реализации полезной модели. В соответствии с настоящей полезной моделью изготовлены экспериментальные образцы пьезоэлектрических микрореле, со следующими параметрами:
1.Габаритные размеры, мм
- 14х19х4.5;
2. Размеры пьезоэлектрического элемента, мм
- 4х11х0.1;
3. Материал пьезокерамики
- ЦТС-46;
4. Изгибная жесткость пьезоэлемента, мкм/в
- 5;
5. Максимальный прогиб пьезоэлемента, мкм
- 40-70, (в партии 15 шт.)
6 Пороговое напряжение срабатывания, в.
- 5±1; (в партии15 шт.)
7. Рабочее напряжение, в
- 8 -;10
8. Цепь коммутации:
максимальное напряжение, в
- 30;
минимальное напряжение, в
- <0.01;
максимальный ток, А
- 20;
минимальный ток, мА
- <5;
9. Ресурс работы, циклы
- >10<sup>6</sup>
10. Рабочая частота, Гц
- 0-250.
В соответствии с полезной моделью изготовлены экспериментальные образцы пьезоэлектрических микрореле со следующими параметрами:
1. Габаритные размеры, мм
- 14х19х4.5;
2. Размеры пьезоэлектрического элемента, мм
- 4х11х0.1;
3. Материал пьезокерамики
- ЦТС-46;
4. Изгибная жесткость пьезоэлемента, мкм/в
- 5;
5. Максимальный прогиб пьезоэлемента, мкм
- 40-70, (в партии 15 шт.)
6 Пороговое напряжение срабатывания, в.
- 5±1; (в партии15 шт.)
7. Рабочее напряжение, в
- 8-;10
8. Цепь коммутации:
максимальное напряжение, в
- 30;
минимальное напряжение, в
- <0.01;
максимальный ток, А
- 20;
минимальный ток, мА
- <5;
9. Ресурс работы, циклы
- >10<sup>6;</sup>