На рис. 3.42 показаны экспериментальная и расчетная зависимости деформации пружины под действием силы, приложенной к ее центральной части. Для разработки спиральных пружин использовалась линейная теория пластин, а для крестообразных пружин наряду с этой теорией применялись нелинейные теории балок, поскольку здесь поперечные отклонения и продольные напряжения влияют друг на друга.

Taylor и его коллеги (Taylor, Allen, 1997, Taylor, Brand, Allen, 1998) изготовили и протестировали полностью интегрированное микрореле. Такой чип микрореле обладает минимальными размерами, и при его производстве не требуется никаких операций по монтажу катушек, что дает максимальные преимущества при применении групповых технологий.

400 -X 300 -200 100

л

экспериментальные точки

о о о анализ

линейный

нелинейный \

деформация, мкм

Рис. 3.42. Экспериментальная и расчетная зависимости деформации пружины от контактных усилий для: а - крестообразной пружины, б - спиральной пружины. Репродукция из книги Н. Hosaka, Н. Kuwano, К. Yanagisawa, 1993, ((Electromagnetic micro relays: concepts and fundamental characteristics)), Proceedings of IEEE Symposium on Microelectromechanieal Systems MEMS 93, IEEE, Piscataway, NJ, USA:12-15 с разрешения IEEE, ©1993 IEEE

экспериментальные точки ~ о

5 10 15

деформация, мкм (б)

Однослойная конструкция катушки упрощает процесс изготовления и устраняет межслойные соединения, необходимые при применении многослойных катушек. Меандровая форма катушки и исключение промежуточных соединений позволяют получить катуш-

ку, обладающую низким сопротивлением. На рис. 3.43 показана схема микрореле консольного типа с нормально открытыми контактами. В микрореле такого вида магнитный поток распределяется иначе, чем в большинстве традиционных реле. Здесь реле срабатывает при протекании через катушку тока достаточной амплитуды. При этом возникает магнитный поток, концентрируемый на нижней стороне магнитных сердечников, который приводит к возникновению силы, действующей на верхнюю магнитную пластину. Эта сила заставляет верхнюю пластину опуститься вниз к электромагниту, замыкая при этом контакты А и В, как показано на рис. 3.43, в результате чего реле переходит во включенное состояние.

магнитная сторона

сердечника

катушка

Рис. 3.43. Схема микрореле с однослойной катушкой. Репродукция из книги W.P. Taylor, О. Brand, M.G. .Allen, 1998, Fully integrated magnetically actuated mieromaehined relays . Journal of Microelec- > tromechanical systems 7(2): 181-191 с разрешения IEEE, ©1988

IEEE

Поскольку верхняя пластина изготовлена из проводящего материала, ток через нее может протекать от одного контакта к другому. Когда по катушке перестает протекать ток, восстанавливающие силы подвесного крепления верхней пластины возвращают ее в исходное положение, контакты размыкаются, и реле переходит в выключенное состояние. Измерения показали, что максимальное со-

противление контактов микрореле равно 38.6 миллиом, а минимальное - 22.4 миллиом. На рис. 3.44 приведена фотография микрореле, которое может работать с нагрузкой до 1.2 А по постоянному току.

Рис. 3.44. Фотография микрореле консольного типа рядом с 10-ти центовой монетой. Репродукция из книги W.P. Taylor, О. Brand, M.G. Allen, 1998, F\illy integrated magnetically actuated micromachined relays*, Journal of Microelectromechanical systems 7(2): 181-191 с разрешения IEEE, ©1988 IEEE

Изготовление микрореле основывается на стандартном методе формования полиимида электролитическим способом. Сначала изготавливаются планарная катушка в форме меандра и контактная пара реле, размещаемая над катушкой. После этого методом поверхностной технологии над контактами формируется подвижная магнитная пластина.

3.6.2. Контактные усилия и материалы в микрореле

В традиционных реле для обеспечения надежного электрического соединения контактные усилия в замкнутом состоянии должны быть порядка 20мН (Реек, Wager, 1955). Преимущество кремниевых микрореле - всегда чистая среда в зоне электрических контактов, расположенных внутри микроустройства. Отсутствие диэлектриче-

ских пленок на поверхности контактов уменьшает сопротивление в замкнутом состоянии и позволяет обеспечивать постоянный электрический контакт при очень маленьких контактных усилиях.

Недавние исследования показали, что для надежного контакта в кремниевых микрореле достаточно приложить усилия в диапазоне 0.1.. .О.бмН, в зависимости от материала контактов (Hosaka et al, 1994). Если реализовать микрореле с сопротивлением контактов 1 Ом, для его срабатывания будет достаточно силы ЮмкН (Majumdar et al, 1997). Однако пока контактные усилия составляют порядка миллиньютон, характеристики контактов изучать очень сложно из-за недостатка точных методов измерения. Прецизионная техника, разработанная Schimakt (1998), позволяет измерять контактные усилия в диапазоне 0.1... ЮмН. Было обнаружено, что для изготовления контактов микрореле очень хорошо подходит родий (Rh) и AuNis, в то время как золото годится меньше из-за высокого сцепления контактов. Усилия порядка 0.6 мН для контактов из таких материалов достаточны для получения постоянного и надежного контакта. Контактное сопротивление для Rh составляет около 1 Ома, а для AuNis - 100 миллиом.

В таблице 3.6 приведены экспериментально определенные характеристики контактов из разных материалов. Из таблицы видно, что чистое золото обладает значительной диспропорцией между силами замыкания и размыкания контактов, что неминуемо ведет к увеличению размеров микрореле.

Таблица 3.6. Экспериментально определенные характеристики контактов из разных материалов

Здесь.те, - минимальная сила для стабильного контакта, R{Fmin) - сопротивление при Fmin, Гсцепл - минимальная сила расцепления контактов. Источник: Schimak, 1998

3.7. Динамика работы переключателей

Консольная конструкция состоит из тонкой полоски металла и ди-злектрика, зафиксированных на одном конце и свободно подвешенных на другом. Если тонкий металл и диэлектрик фиксируются на

Глава 3. Высокочастотные микропереключатели и микрореле

двух концах и имеют подвешенное состояние в середине, получается мостовая структура. В диафрагменных конструкциях тонкая мембрана из металла и диэлектрика фиксируется по окружности и имеет подвешенное состояние в центре. Во всех этих конфигурациях структуры нависают над нижним металлическим электродом, формируя тем самым конденсатор. Когда к контактам прикладывается управляющее напряжение, происходит перераспределение зарядов, приводящее к появлению электростатических сил между ними, независящих от полярности напряжения. Эти силы заставляют верхний электрод опускаться на нижний, и, поскольку структура изгибается, в ней возникают силы растяжения, стремящиеся вернуть ее в исходное состояние. Когда приложенное напряжение достигает определенное пороговое значение, силы растяжения перестают уравновешивать электростатические силы, и консоль резко падает на нижний контакт. На рис. 3.45 показана модель емкостного ВЧ микропереключателя мостового типа, где он представлен в виде балки с закрепленными концами. Эта модель позволяет получить приблизительное решение нелинейного дифференциального уравнения, которое очень трудно решить в общем виде.

диэлектрический слой центр проводника

Рис. 3.45. Модель емкостного ВЧ микропереключателя мостового типа. Здесь Ре(х) - эквивалент нагрузки на консоль в результате действия приложенного электрического поля

>ы 3.7,1. Время переключения и время отклика ;

3.7.1.1. Скорость переключения В электростатическом приводе с параллельными пластинами срабатывание устройства происходит резко, что вносит некоторую неопределенность. Силы растяжения не могут длительное время уравновешивать электростатические силы, и переключатель замыкается, как только будет достигнут уровень порогового напряжения.

3.7. Динамика работы переключателей

Время, необходимое для замыкания контактов, зависит от приложенного напряжения, эффективной жесткости балки и зазора между контактами. Трехмерная модель, построенная на основе метода конечных элементов, учитывающая геометрические свойства структур, требует очень много времени для вычислений, поэто.му часто ограничиваются рассмотрением статической модели (Chan, Кап, Button, 1997). Для изучения механических характеристик, таких как эффективного коэффициента жесткости и статической деформации контактов, используют статическую модель, а для вычисления скорости переключений и быстродействия применяют динамическую модель (Huang et al, 2001). Емкостную микроструктуру мостового типа можно смоделировать в виде упругой балки, на которую действуют электростатическая сила и сила, демпфирующая давление на пленку, что описывается следующим дифференциальным уравнением (Huang et al, 2001):

(3.15)

где выражение для электростатической силы имеет вид:

eoVw 2/г2

1+0.65-

(3.16)

h{x,t)=g{x,t) + ,

z(x,t) = ho- h{x,t). Здесь 6{x) - единичная функция, определяемая выражением:

1, х>0.

5{х) =

О, X < 0.

(3.17) (3.18)

(3.19)

Считается, что демпфирующая сила пропорциональна скорости балки в соответствующей точке и может быть записана в виде:

Fd = KgWT]-

L\ dz

gx,t) dt

(3.20)