контактная система микроминиатюрного реле

Формула изобретения

КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА МИКРОМИНИАТЮРНОГО РЕЛЕ, содержащая основание с изолированными от него выводами, неподвижные контакты и по крайней мере один подвижный контакт, выполненный в виде плоской пружины, обращенной плоскостью к неподвижным контактам, отличающаяся тем, что подвижные и неподвижные контакты выполнены в виде пластин из монокристаллического материала, при этом подвижный контакт выполнен с тонкой средней частью и утолщениями на концах в плоскостях контактирования, на которые нанесено электропроводящее покрытие, изолированное от тела контакта и соединенное с выводами, причем все контакты прикреплены друг к другу через стеклянные пластины толщиной, обеспечивающей необходимый зазор в разомкнутом состоянии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для коммутации цепей постоянного и переменного тока в радиоэлектронной аппаратуре автоматики, связи и вычислительной техники, т.е. в устройствах, где требуется малое переходное сопротивление контактов в замкнутом состоянии и бесконечно большое сопротивление в разомкнутом состоянии.

Известны устройства реле, выключатели, содержащие контактные системы, например, по патенту Японии N 53-8901, кл. Н 01 Н 51/06, или по патенту США N 4052581, кл. Н 01 Н 50/56), содержащие неподвижные и подвижные контакты в виде плоских пружин, обращенные плоскостью друг к другу. Недостаток этих устройств относительно большие габариты. Это связано с физическими ограничениями, накладываемыми прочностными свойствами материалов, используемых для плоских пружин. Уменьшение габаритов вызывает необходимость уменьшать размеры поперечного сечения плоских пружин, что при требуемых для надежного замыкания контактов прогибах приводит к значительным напряжениям в материале, превышающим предел прочности. Кроме того, изготовление контактов из плоских пружин достаточно трудоемко, не позволяет использовать групповые методы обработки и сборки. Уменьшение габаритов контактов уменьшает точность выполнения размеров при изготовлении и сборке, что приводит к снижению надежности устройств на их основе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство [1] содержащее основание с изолированными от него выводами, на которых укреплены неподвижные контакты и по крайней мере один подвижный контакт, выполненный в виде плоской пружины, обращенной плоскостью к неподвижным контактам. Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: основание с изолированными от него выводами, неподвижные контакты и по крайней мере один подвижный контакт, выполненный в виде плоской пружины, обращенной плоскостью к неподвижным контактам.

Недостатками прототипа являются невозможность дальнейшей миниатюризации из-за ограничений по значению допускаемых напряжений в материале при изгибе плоской пружины контакта; сложность и нетехнологичность изготовления миниатюрных контактов, возрастающие требования по уменьшению допусков на линейные размеры, усложняющаяся сборка из-за малых размеров деталей и допусков на установочные размеры; значительная стоимость готового изделия из-за сложности механизации процесса изготовления и сборки.

Сущность изобретения заключается в усовершенствовании контактной системы микроминиатюрного реле, содержащей основание с изолированными от него выводами, неподвижные контакты и по крайней мере один подвижный контакт, выполненный в виде плоской пружины, обращенный плоскостью к неподвижным контактам.

Отличительными признаками контактной системы микроминиатюрного реле является то, что подвижные и неподвижные контакты выполнены в виде пластин из монокристаллического материала, при этом подвижный контакт имеет тонкую среднюю часть и утолщения на концах в плоскостях контактирования, на которые нанесено элекропроводящее покрытие, изолированное от тела контакта и соединенное с выводами, причем все контакты прикреплены друг к другу через стеклянные пластины толщиной, обеспечивающей необходимый зазор в разомкнутом состоянии.

Использование монокристаллического материала для пластин позволяет увеличить допускаемые напряжения при их изгибе. Кроме того, все элементы контактных пластин могут быть изготовлены на основе групповой технологии микроэлектроники. При этом повышается точность изготовления при микроминиатюрных размерах самих пластин. Групповая обработка пластин допускает использование и групповой сборки микроконтактных узлов, что совершенно исключено при существующих методах изготовления пружинных контактов, например, штамповкой.

На фиг. 1 изображена двухконтактная нормально разомкнутая система, состоящая из недеформируемого контакта 1, выполненного из монокристалла и содержащего диэлектрический слой 2 и слой 3 металлизации. Контакт 1 через стеклянную пластину 4 соединен с деформируемой контактной пружиной 5, содержащей тонкую среднюю часть 6 и утолщенные края 7. В области соединения контактов 1,5 через стекло 4 подсоединены электрические выводные проводники 8.

На фиг.2 изображена трехконтактная нормально замкнуто-разомкнутая система, состоящая из недеформируемого, нормально разомкнутого контакта 1, выполненного из монокристалла и содержащего диэлектрический слой 2 и слой 3 металлизации, деформируемую пружину 5, содержащую тонкую среднюю часть 6 и утолщенные края 7. С двух сторон контактной пружины 5 нанесены слои диэлектрика 2 и металлизации 3. Пружина 5 в свободном состоянии соприкасается нормально замкнутым контактом 9, имеющим аналогично диэлектрический слой 2 и металлизацию 3. Все три пластины 1, 5, 9 соединены друг с другом через стеклянные пластины 4. К металлизации всех контактов 1, 5, 9 присоединены электрические выводные проводники 8.

На фиг.3 показаны контакты, изображенные на фиг.1 с внутренней стороны. Подвижный контакт 1 содержит диэлектрический слой 2 и металлизацию 3. Металлизация 3 нанесена с внутренней стороны в виде металлизированных полос 10, разделенных полосами диэлектрика 2. К каждой металлизированной полосе присоединены электрические выводы 8. Деформируемая контактная пружина 5 имеет также диэлектрический слой 2, слой 3 металлизации, которая нанесена в виде полос 10, изолированных диэлектриком 2, и имеет присоединенные электрические выводы 8. В области изгиба имеется уточненная часть 6.

На фиг.4 показано конструктивное исполнение контактной системы микроминиатюрного реле. Оно содержит деформируемый контакт-пружину 5 с нанесенной на боковые плоскости металлизацией 3, недеформируемые контакты 1, 9, закрепленные в держателях 11, которые соединены с электрическими выводами 12, изолированными стеклом 13 от основания 14.

В исходном состоянии контакты 1 и 5 (фиг.1, 2) разомкнуты, контакты 5 и 9 (фиг.2) замкнуты. Все контакты выполнены из монокристаллического материала, например кремния.

Диэлектрический слой 2 формируется на основе двуокиси кремния SiO₂ путем окисления в атмосфере водяного пара.

Металлизация 3 наносится путем напыления металлов, например золота, с последующим гальваническим наращиванием в зоне контактирования, формообразование контактов пружин осуществляется, например, методом анизотропного травления кремния в растворе КОН по известной технологии микроэлектроники.

Металлизация 3 (фиг.3), наносимая на внутренние плоскости контактирования, выполнена в виде продольных полос 10, изолированных друг от друга промежутками 2 из SiO_2. Это реализуется при помощи стравливания слоя металлизации в области промежутков при выполнении процесса фотолитографии. Число полос определяется требованием к числу коммутируемых цепей. Зазор между нормально разомкнутыми контактами 1 и 5 (фиг.1, 2) устанавливается пластинами из стекла 4 (фиг.1 и фиг.2), которые соединяются с контактами электростатическим способом (например, по патенту США N 3397278). При этом эти пластины одновременно выполняют функцию изоляторов между подвижными и неподвижными контактами 1 и 5 (фиг. 1, 2). Нормально замкнутые контакты 5 и 9 (фиг.2) также соединены через стеклянную пластину 4 электростатическим методом. Ее толщина обеспечивает необходимый зазор при изгибании подвижного контакта 5 силой F, а также обеспечивает электрическую изоляцию контактов 5 и 9 (фиг.2) при срабатывании реле. Подвижный контакт, пружина 5 (фиг.1, 2), выполнен выступающим в области контактирования с неподвижными контактами 1 (фиг.1) и 1, 9 (фиг. 2) для приложения к нему изгибающей силы F от исполнительного механизма, например якоря электромагнита, не показанного на чертежах. В области закрепления контактов они выполнены разной длины для удобства присоединения тонких золотых проводников 8 (фиг.1-3).

Эти проводники могут быть присоединены, например, термокомпрессией, широко применяемой в технологии микроэлектроники при изготовлении интегральных микросхем. Предлагаемая конструкция подвижных 5 (фиг.2-4) и неподвижных 1, 9 (фиг. 1, 4) контактов позволяет использовать при изготовлении групповую технологию на кремниевой пластине. Эта технология аналогична используемой в микроэлектронике при изготовлении транзисторов и микросхем. При этом на одной плаcтине кремния может быть размещено большое количество тех или иных контактов.

После формирования формы контактов, нанесения диэлектрических и металлизированных слоев эти контакты могут быть соединены через стеклянные пластины 4 (фиг. 1, 2, 4) электростатическим методом и затем отделены друг от друга путем травления соединяющих перемычек. Технология травления широко известна и используется в микроэлектронике. Такая последовательность обеспечивает групповую сборку интегральной контактной системы. В отдельных случаях возможно разделение контактов-пружин путем скрайбирования, разрезки лучом лазера или электроэрозионным способом. Установка контактной системы (фиг.2) в микроминиатюрное реле показана на фиг.4. Неподвижные контакты 1, 9 закрепляются в держателе 11, с одной стороны они приварены к выводам 12 реле, а с другой приклеены или припаяны к контактам 1, 5, 9. Электрическое соединение контактов 1, 5, 9 с выводами 12 осуществляется приваркой тонких золотых проводников. Выводы 12 изолированы, например, стеклом 13 от основания 14. Основание 14 с контактной системой сочленяется с якорем электромагнита, осуществляющим перемещение контакта пружины 5 при срабатывании реле. Все реле может быть герметизировано.

В случае использования многоконтактной системы (фиг.3) расположение подвижного и неподвижных контактов может быть иное, например друг над другом, а электрические выводы расположены подобно, как это делается в корпусах микросхем.

Работа предлагаемого устройства не отличается от работы широко известных реле, т.е. предусматривается наличие катушки с сердечником, к которому притягивается подвешенный якорь. Перемещение якоря приводит к появлению силы F, которая воздействует на деформированную контактную пружину 5, которая прогибается и замыкает металлизацию 3 на неподвижном контакте 1.

Подобным образом происходит размыкание нормально замкнутого контакта 9 (фиг. 2, 4) с деформируемой контактной пружиной 5. Работа многоконтактной системы фиг.3 происходит аналогично. Передача перемещения якоря на подвижную контактную пружину 5 (фиг. 4) возможна по различной схеме, в том числе по схеме, принятой в конструкции по авт.св. N 619975. Перемещение деформированной пластины 1 приводит к размыканию нормально замкнутого контакта и замыканию нормально разомкнутого.

Технико-экономические преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом следующие: возможность дальнейшей микроминиатюризации и интеграции контактной системы; возможность использования групповых методов изготовления деталей контактной системы и групповой сборки; вследствие использования групповых методов изготовления и сборки возможно снижение стоимости изготовления реле и снижение материалоемкости; повышение надежности, устойчивости к механическим воздействиям вследствие уменьшения размеров и массы контактной системы; использование предлагаемого устройства в микроминиатюрных реле позволяет уменьшить габариты устройств на их основе и повысить их надежность.