ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ И КОММУТАТОР
SWITCH AND COMMUTATOR SWITCH

Изобретение относится к электронным переключателям и коммутаторам, а именно к микроэлектромеханическим переключателям (МЭМС-переключатели) с фиксированными состояниями, а также к коммутаторам, построенным с их использованием.
Известны МЭМС-переключатели, содержащие выполненные по планарной технологии упругие элементы, выполненные с возможностью замыкания электрических контактов с использованием различных средств для перемещения подвижных элементов: электростатические [US 5578976, US 6744338 (резонанс)], магнитные [US 20090302981], электромагнитные [US 20120013423], биметаллические [US 7619289], пьезоэлектрические [US 8022599] и иные приводы (актуаторы).
Недостатком МЭМС-переключателей с электростатическим приводом является также необходимость использования относительно больших напряжений, как для начала переключения, так и при поддержании в переключенном состоянии. Недостатком МЭМС-переключателей с пьезоэлектрическим приводом также является необходимость высоких напряжений и, кроме того, деградация материала пьезоэлектрика. Недостатком МЭМС-переключателей на постоянных магнитах является необходимость.
Общим недостатком этих МЭМС-переключателей является необходимость сохранения переключающего воздействия и соответствующего расхода энергии для сохранения состояния переключателя (включенное или выключенное).
Известен МЭМС-переключатель, который для перемещения упругого элемента в переключенное состояние и обратно содержит электромагнитный привод, а для удержания в одном из этих состояний содержит постоянный магнит [US 7420447]. Недостатком этого МЭМС-переключателя является использование дополнительных элементов для обеспечения фиксации в одном из состояний, а также связанные с этим сложность изготовления и невысокая надежность.
Известен МЭМС-переключатель, содержащий бистабильные гибкие элементы [US 6303885] и электростатический гребенчатый привод. Недостатком его является необходимость приложения большого напряжения и большая площадь привода.
Другим недостатком перечисленных переключателей является наличие у них электромеханических контактов.
Известны электронные МЭМС-вентили на основе МДП-транзисторов с подвижным затвором, приводимым в действие термочувствительными элементами и/или электростатическим приводом [http://center.gipress.ru/demo_ren_result_vah.html, http://center.gipress.ru/demo_ren_result_sensor.html]. Их недостатком является необходимость нагрева и/или использование большого напряжения и необходимость сохранения этого воздействия для сохранения состояния.
Задачей предлагаемого изобретения является создание МЭМС-переключателя с фиксированными состояниями, с сохранением состояния в отсутствие питания, не требующего больших напряжений для переключения, не имеющего механических контактов, с высокой развязкой управляющих и управляемых цепей, обладающего высокой надежностью, простого в изготовлении и универсального по применению.
Для решения поставленной задачи переключатель (или коммутатор, включающий хотя бы один такой переключатель или множество таких переключателей) содержит бистабильный элемент в МЭМС-исполнении, средства переключения и коммутационный узел, причем бистабильный элемент выполнен в виде плоской электропроводной мембраны или мембраны с электропроводной частью или с электропроводными частями, подвешенной над поверхностью подложки на упругих элементах (или на одном охватывающим мембрану упругом элементе), сжимающих ее в положении неустойчивого равновесия, с возможностью поступательного перемещения ее в обе стороны от положения неустойчивого равновесия и с возможностью подачи на электропроводную часть мембраны электрического смещения или таких же или иных смещений на разные электропроводные части мембраны, средства переключения выполнены в виде магнитного слоя на мембране и источника или источников магнитного поля вне мембраны, а коммутационный узел выполнен в виде по меньшей мере одного МДП-транзистора, для которого (которых) затвором служит (служат) электропроводная часть (электропроводные части) описанной подвижной мембраны.
От положения мембраны относительно МДП-структуры зависит, при подаче на электропроводную часть мембраны определенного электрического смещения, наличие или отсутствие проводимости между областями стока и истока МДП-структуры, то есть состояние переключателя. Способы расчета управляющих напряжений в зависимости от параметров МДП-структур хорошо известны. Механические электрические контакты в предлагаемом устройстве отсутствуют, а роль вентиля выполняет МДП-транзистор с описанным подвижным затвором.
В варианте изобретения подвижный затвор может быть общим для двух и более МДП-транзисторов переключателя. В этом случае одновременно могут переключаться несколько электрических цепей, в том числе и электрически развязанных между собой или изолированных друг от друга. Емкостная связь между отдельными цепями через общий затвор также может быть исключена путем выполнения мембраны с несколькими отдельными, электрически не связанными друг с другом, проводящими областями, служащими подвижными затворами для отдельных коммутационных узлов - МДП-вентилей, одинаковых или отличающихся друг от друга.
Предлагаемый переключатель может содержать в качестве коммутационных узлов комплементарные МДП-вентили с общим бистабильным элементом с одной или несколькими проводящими частями.
В варианте изобретения магнитный слой на мембране выполнен из магнитомягкого материала, а источник магнитного поля может быть при этом выполнен в виде одного или нескольких электро- или постоянных магнитов с возможностью позиционирования его (или их) с противоположных сторон мембраны в составе переключателя или вне его. При воздействии источника магнитного поля на магнитный слой бистабильного элемента последний смещается с сторону этого источника и занимает одно из фиксированных положений, а при воздействии источника магнитного поля с другой стороны занимает второе из возможных фиксированных положений, переводя таким образом переключатель из одного состояния в другое. Источниками магнитного поля при этом могут быть как постоянные магниты, так и электромагниты, сформированные в составе переключателя или расположенные вне переключателя, а также их сочетания. В частности, один из вариантов изобретения предусматривает наличие в составе переключателя двух электромагнитов, сформированных с разных сторон мембраны вне пределов ее возможных перемещений.
Вариантом изобретения является описанный переключатель, у которого магнитный слой на мембране выполнен из магнитотвердого материала (постоянного магнита), а источником знакопеременного магнитного поля является внешний или выполненный заодно с переключателем электромагнит. Этот электромагнит может быть выполнен в виде плоской или многослойной спирали, нанесенной вокруг МДП-структуры (или МДП-структур), подвижным затвором которой (которых) является данная мембрана. Для увеличения эффективности электромагнита переключатель может содержать слой магнитомягкого материала, расположенный или внутри спирали, или под спиралью, или над спиралью, выполняющий роль сердечника. При этом для исключения залипания мембрана или слой магнитомягкого материала содержат конструктивные элементы, задающие расстояние их максимального сближения.
Упругие элементы предлагаемого переключателя могут быть выполнены заодно с мембраной из того же материала, что и мембрана, или из другого материала волнистыми или дугообразными в направлении от мембраны (расходящимися) и с нанесенным с одной или обеих стороны покрытием или покрытиями из материалов, обеспечивающих внутренние напряжения на границе раздела: стягивающие - на выпуклых сторонах, растягивающие - на вогнутых. Поверхностные напряжения, возникающие в многослойных структурах, состоящих из различных материалов и сформированных в различных режимах, хорошо исследованы и обеспечивают, при изготовлении, воспроизводимость свойств подобных структур.
На фиг.1 и фиг.2 изображен в разрезе (схематично, без указания общеизвестных вспомогательных слоев и элементов и с условным обозначением электрических соединений) в двух фиксированных состояниях вариант предлагаемого переключателя с магнитотвердым слоем на мембране и встроенным электромагнитом. Цифрами обозначены:
1 - полупроводниковая подложка,
2 - мембрана,
3 - проводящий слой,
4 - слой магнитотвердого материала,
5 - плоская спираль электромагнита,
6 - плоский сердечник,
7 - исток МДП-транзистора,
8 - сток МДП-транзистора,
9 - диэлектрик,
10 - упругие элементы.
Примером конкретного исполнения может служить переключатель на базе кремниевой МДП-структуры размером 5×15 мкм с диэлектрическими слоями из оксида кремния, мембраной, выполненной из кремния толщиной 0,5 мкм прямоугольной формы размерами 5×10 мкм, расположенной от поверхности МДП-структуры на расстоянии 2 мкм, упругими элементами в виде четырех выгнутых от поверхности структуры кремниевых дуг толщиной 0,5 мкм и шириной 2 мкм. Слой твердого магнитного материала из кобальта и редкоземельных элементов толщиной 0,5 мкм на мембране выполнен по всей ее поверхности, плоская катушка выполнена в виде однослойной прямоугольной в плане спирали из 5 витков алюминия толщиной 1,0 мкм и шириной витка 1,0 мкм, расположенной под мембраной и частично выступающей из-под нее, с сердечником из пермаллоя в виде слоя толщиной 1,0 мкм по всей поверхности плоской катушки с промежуточным диэлектрическим слоем из оксида алюминия.
Предлагаемый переключатель не требует питания для сохранения заданного состояния, матрицы таких переключателей способны работать в качестве быстродействующих коммутаторов с сохранением состояния (например, в составе информационных табло или логических схем, выполняя, в частности, функции долговременной памяти), переключатель обеспечивает электрическую развязку цепей (как управляющих от управляемых, так и коммутируемых друг от друга), конструкция переключателя проста и надежна, а технология изготовления подобных структур широко известна и хорошо освоена.