Микромеханическая система
Владельцы патента RU 2522878:
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") (RU)
Изобретение относится к микросистемной технике для создания электростатически управляемых микромеханических резонаторов для датчикопреобразующей аппаратуры и микрореле для коммутации СВЧ и НЧ аналоговых электрических цепей. Система содержит микромеханический исполнительный элемент, микроэлектронный преобразователь постоянного тока, вибрирующий элемент в виде миниатюрного пьезоэлектрического резонатора, автоколебательную резонансную схему, обратную связь, фазовращатель, емкость (конденсатор), интегральные логические КМОП-элементы, жесткую пластину и упругие подвесы. Технический результат заключается в создании микромеханической системы, отличающейся простотой конструкции и устойчивыми воспроизводимыми эксплуатационными характеристиками. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в микросистемной технике для создания электростатически управляемых микромеханических резонаторов для датчико-преобразующей аппаратуры и микрореле для коммутации СВЧ и НЧ аналоговых электрических цепей.
В известном техническом решении [1] представлены источник питания с пьезоэлектрическим трансформатором и способ преобразования энергии. Источник питания содержит в одном из вариантов внешний низковольтный источник постоянного тока, пьезотрансформатор, питающий его генератор, обеспечивающий получение на входе пьезотрансформатора синусоидального напряжения. В соответствии с другим вариантом для обеспечения режима низковольтного управления питанием предусмотрена схема, в которой пьезоэлектрический трансформатор включают в цепь обратной связи. Режим низковольтной коммутации дополнительно включает в себя операционный усилитель и фазосдвигающую цепь, подключенную к входу пьезоэлектрического трансформатора. При этом из напряжения постоянного тока формируются автоколебания синусоидального напряжения на входе пьезотрансформатора. Таким образом обеспечивается высоковольтное управление МЭМС переключателем, подключенным к выходу пьезоэлектрического трансформатора, низковольтным управляющим сигналом.
К недостаткам известного технического решения относится сложность конструкции: пьезотрансформатор является очень сложным изделием, пьезотрансформатор имеет существенно большую по сравнению с выходной емкость, что и приводит к увеличению генерируемых импульсных помех, снижение помех возможно только при уменьшении мощности и, как следствие, КПД.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту решением (прототипом) является микромеханическая система, содержащая микроэлектронный преобразователь постоянного тока, включающий, по крайней мере, один вибрирующий элемент и, по крайней мере, один микромеханический исполнительный элемент, управляемый электростатическим полем, индуцированным сигналом с выхода преобразователя постоянного тока [2].
К недостаткам известного технического решения относится сложность конструкции и неустойчивость эксплуатационных характеристик, вызванных разбросом электрических емкостей вибрирующего и микромеханического исполнительного элементов.
Технический результат заявленного изобретения состоит в создании микромеханической системы, отличающейся простотой конструкции и устойчивыми воспроизводимыми эксплуатационными характеристиками.
Технический результат достигается тем, что микромеханическая система, содержащая микроэлектронный преобразователь постоянного тока, вход которого является входом системы для подачи подлежащего преобразованию постоянного тока, включающая, по крайней мере, один вибрирующий элемент и, по крайней мере, один микромеханический исполнительный элемент, управляемый электростатическим полем, индуцированным сигналом с выхода микроэлектронного преобразователя постоянного тока, отличается тем, что микроэлектронный преобразователь постоянного тока выполнен на основе автоколебательной резонансной схемы, первый вход которой является входом микроэлектронного преобразователя постоянного тока, причем выход автоколебательной резонансной схемы соединен с входом вибрирующего элемента, автоматически возбуждающегося на резонансной частоте контура, общий выход вибрирующего элемента соединен через конденсатор с фазовращателем сигнала, выход фазовращателя сигнала соединен со вторым входом автоколебательной резонансной схемы, общий выход вибрирующего элемента является выходом микроэлектронного преобразователя постоянного тока. Вибрирующий элемент микроэлектронного преобразователя постоянного тока выполнен на основе миниатюрного пьезоэлектрического резонатора. Автоколебательная резонансная схема выполнена на основе логических КМОП-элементов в количестве от 1 до N штук, последовательно соединенных друг с другом, начиная с первого логического КМОП-элемента, через вторые входы интегральных логических КМОП-элементов, первые входы которых являются входом питания микромеханической системы, второй вход первого логического КМОП-элемента является вторым входом автоколебательной резонансной схемы, выход N-го интегрального логического КМОП-элемента является выходом автоколебательной резонансной схемы. Микромеханическая система отличается тем, что для получения напряжения индуцирующего сигнала с выхода микроэлектронного преобразователя постоянного тока, большего, чем напряжение питания микроэлектронного преобразователя постоянного тока, используют автоколебательную резонансную схему с эквивалентной добротностью Q, связанной с механической добротностью пьезоэлектрического резонатора QM соотношением
Q=QM∗C/(C0+CH),
где QM - механическая добротность пьезоэлектрического резонатора, С -динамическая емкость пьезоэлектрического резонатора, СH - емкость нагрузки, С0 - параллельная емкость пьезоэлектрического резонатора. Микромеханическая система по п.1, отличающаяся тем, что фазовращатель сигнала выполнен активным или пассивным. Микромеханический исполнительный элемент выполнен из жесткой пластины и упругих подвесов с коэффициентом жесткости не менее 180 Н/м.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, представленными на фиг.1, 2, 3.
На фиг.1 схематично представлена микромеханическая система, содержащая микроэлектронный преобразователь постоянного тока, включающий, по крайней мере, один вибрирующий элемент и, по крайней мере, один микромеханический исполнительный элемент, управляемый электростатическим полем, индуцированным сигналом с выхода преобразователя постоянного тока.
На фиг.2 изображен микроэлектронный преобразователь постоянного тока включающий, по крайней мере, один вибрирующий элемент.
На фиг.3 (а, б) изображен вид сверху и поперечное сечение соответственно микромеханического исполнительного элемента, управляемого электростатическим полем.
На фигурах 1-3 обозначено следующее:
1 - микромеханический исполнительный элемент;
2 - микроэлектронный преобразователь постоянного тока;
3 - вибрирующий элемент - миниатюрный пьезоэлектрический резонатор;
4 - автоколебательная резонансная схема;
5 - контур обратной связи;
6 - фазовращатель;
7 - емкость (конденсатор);
8 - интегральные логические КМОП-элементы;
9 - жесткая пластина;
10 - упругие подвесы;
11 - управляющий электрод;
12 - изолятор;
13 - коммутируемая линия.
Заявленная микромеханическая система содержит микроэлектронный преобразователь постоянного тока (2), включающий, по крайней мере, один вибрирующий элемент (3), электрически соединенный с, по крайней мере, одним микромеханическим исполнительным элементом (1), управляемым электростатическим полем, индуцированным сигналом с выхода микроэлектронного преобразователя постоянного тока (2), выполненным на одной или разных подложках. Микроэлектронный преобразователь постоянного тока (2) выполнен на основе автоколебательной резонансной схемы (4) с контуром обратной связи (5), автоматически возбуждающейся на резонансной частоте контура. Контур обратной связи микроэлектронного преобразователя постоянного тока (5) содержит вибрирующий элемент (3), представляющий собой миниатюрный пьезоэлектрический резонатор, содержащий только две обкладки, конденсатор (7) и фазовращатель (6). Миниатюрный пьезоэлектрический резонатор (3) имеет один общий выход, являющийся вторым выходом контура обратной связи, также общий выход миниатюрного пьезоэлектрического резонатора (3) соединен с входом конденсатора, выход конденсатора соединен с входом фазовращателем сигнала (6), выход которого является первым выходом контура обратной связи (5), соединенным с вторым входом автоколебательной резонансной схемы (4), входом которой является второй вход логического КМОП-элемента, логические КМОП-элементы соединены друг с другом последовательно через их вторые входы, выход крайнего логического КМОП-элемента является выходом автоколебательной резонансной схемы (4). Количество логических КМОП-элементов (8) от 1 до N штук. Выход автоколебательной резонансной схемы (4) соединен с входом обратной связи (5), вход которой является входом пьезоэлектрического резонатора (3). Общий выход пьезоэлектрического резонатора (3) соединен также со вторым выходом контура обратной связи (5), который в свою очередь является выходом микроэлектронного преобразователя постоянного тока (2). Автоколебательная резонансная схема (4), выполненная на интегральных логических КМОП-элементах (8), например логических инверторах, служит для возбуждения электрических колебаний в пьезоэлектрическом резонаторе (3) на его резонансной частоте (пьезоэлектрический резонатор увеличивает выходное напряжение за счет пьезоэффекта). Для получения напряжения индуцирующего сигнала с выхода преобразователя постоянного тока (2), большего, чем напряжение питания преобразователя постоянного тока, используют резонансный контур с эквивалентной добротностью Q, связанной с механической добротностью пьезоэлектрического резонатора QM соотношением
Q=QM*С/(С0+СH),
где QM - механическая добротность пьезоэлектрического резонатора, С -динамическая емкость пьезоэлектрического резонатора, СH - емкость нагрузки. Напряжение индуцирующего сигнала с выхода микроэлектронного преобразователя постоянного тока (2) регулируют изменением фазы сигнала фазовращателя (6) обратной связи (5), поступающего на вход автоколебательной резонансной схемы (4). Фазовращатель (6) может быть образован, например, форсирующим или интегрирующим звеном, полученным внутренним сопротивлением входа логического КМОП-элемента (8) и конденсатором (7) равной параллельной емкости пьезоэлектрического резонатора (3), включенной последовательно в цепь пьезоэлектрического резонатора (3). Микромеханический исполнительный элемент (1), управляемый электростатическим полем с выхода микроэлектронного преобразователя постоянного тока (2), выполнен из жесткой пластины (9), например, на основе слоистой структуры и упругих подвесов (10) с коэффициентом конструкционной жесткости не менее 180 Н/м, содержащий коммутируемую линию (13), замыкаемую пластиной (9) под действием электрического поля, подключенного к управляющему электроду (11) и защищенному от замыкания на пластину (9) с помощью изолятора (12).
Заявляемое изобретение было использовано при создании микромеханической системы высокочастотного микропереключателя, в состав которого входили микроэлектронный преобразователь постоянного тока, конструктивно выполненный на печатной плате, и один микромеханический исполнительный элемент, управляемый электростатическим полем и обеспечивающий переключение высокочастотной линии (9 ГГц). Микроэлектронный преобразователь постоянного тока был построен на основе автоколебательной резонансной схемы, выполненной в виде специализированной КМОП СБИС и внешних SMD компонентов. Пьезоэлектрический резонатор представлял собой выполненный из пьезокерамики параллелепипед размером 1×1×4 мм с металлизацией по торцам. Резонатор был закреплен непосредственно на печатной плате с помощью ленточных выводов. Напряжение индуцирующего сигнала с выхода преобразователя постоянного тока регулировалось изменением фазового соотношения сигналов обратной связи, образованной нагрузочным резистором, реализованным во входной цепи специализированной КМОП СБИС и собственной емкостью пьезоэлектрического резонатора. Величина напряжения, подаваемого на микромеханический исполнительный элемент, составляла от 65 до 350 В, в диапазоне питающих напряжений от 2.5 В до 10 В. Микромеханический исполнительный элемент, изготовленный по технологии поверхностной микрообработки с применением «жертвенных» слоев, представляет собой прямоугольную мембрану размером 500×750 мкм, вывешенную на четырех упругих элементах шириной 50 мкм в форме меандров. В качестве материала упругих элементов использовали структуру «ванадий термовакуумный-никель термовакуумный-золото гальваническое-никель гальванический-золото гальваническое». Толщина слоя ванадия термовакуумного составляла приблизительно 0.05 мкм, никеля термовакуумного - 0.25 мкм, первого слоя золота - 1 мкм, никеля гальванического - 6 мкм, второго слоя золота - 1 мкм. В качестве материала для упрочнения мембраны использовали золото гальваническое толщиной 3 мкм. В таблице приведены подтвержденные испытаниями технические характеристики работоспособности микромеханического исполнительного элемента.
| Характеристики работоспособности микромеханического исполнительного элемента | |
| Жесткость исполнительного элемента, Н/м | Работоспособность исполнительного элемента |
| 160 | Наличие эффекта «залипания» |
| 170 | Наличие эффекта «залипания» |
| 180 | Эффект «залипания» отсутствует |
| 190 | Эффект «залипания» отсутствует |
| 200 | Эффект «залипания» отсутствует |
При коэффициенте жесткости, меньшем 180 Н/м, при замыкании электростатического исполнительного элемента возникает эффект «залипания», приводящий к дальнейшей неработоспособности исполнительного элемента. Таким образом, созданная согласно заявляемому техническому решению микромеханическая система продемонстрировала следующие технические характеристики:
| - рабочая частота, МГц | 9 000 |
| - диапазон питающих напряжений, В | 2.5-10 |
| - диапазон напряжений индуцирующего сигнала, В | 16-350 |
| - напряжение срабатывания микромеханического | |
| исполнительного элемента, В | 130-150 |
| - резонансная частота пьезоэлектрического | |
| резонатора, МГц | 0.76 |
| - сопротивление контакта микромеханического | |
| исполнительного элемента, Ом | менее 5 |
| - механическая добротность пьезоэлектрического | |
| резонатора | более 200 |
| - коэффициент жесткости микромеханического | |
| исполнительного элемента, Н/м | не менее 180 |
| - габаритные размеры специализированной КМОП СБИС, мм | 2.2×2.7 |
| - габаритные размеры пьезоэлектрического резонатора, мм | 1×1×4 |
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создавать микромеханические системы, отличающиеся простотой конструкции и устойчивыми воспроизводимыми эксплуатационными характеристиками.
Источники информации
1. - US 20110051461A1 «Power supply with piezoelectric transformer and method for power conversion». 03.03.2011.
2. - US 6058027 «Micromachined circuit elements driven by micromachined DC-to-DC converter on a common substrate». 2.05.2000.
1. Микромеханическая система, содержащая микроэлектронный преобразователь постоянного тока, вход которого является входом системы для подачи подлежащего преобразованию постоянного тока, включающая, по крайней мере, один вибрирующий элемент и, по крайней мере, один микромеханический исполнительный элемент, управляемый электростатическим полем, индуцированным сигналом с выхода микроэлектронного преобразователя постоянного тока, отличающаяся тем, что микроэлектронный преобразователь постоянного тока выполнен на основе автоколебательной резонансной схемы, первый вход которой является входом микроэлектронного преобразователя постоянного тока, причем выход автоколебательной резонансной схемы соединен с входом вибрирующего элемента, автоматически возбуждающегося на резонансной частоте контура, общий выход вибрирующего элемента соединен через конденсатор с фазовращателем сигнала, выход фазовращателя сигнала соединен со вторым входом автоколебательной резонансной схемы, общий выход вибрирующего элемента является выходом микроэлектронного преобразователя постоянного тока.
2. Микромеханическая система по п.1, отличающаяся тем, что вибрирующий элемент микроэлектронного преобразователя постоянного тока выполнен на основе миниатюрного пьезоэлектрического резонатора.
3. Микромеханическая система по п.1, отличающаяся тем, что автоколебательная резонансная схема выполнена на основе логических КМОП-элементов в количестве от 1 до N штук, последовательно соединенных друг с другом, начиная с первого логического КМОП-элемента, через вторые входы интегральных логических КМОП-элементов, первые входы которых являются входом питания микромеханической системы, второй вход первого логического КМОП-элемента является вторым входом автоколебательной резонансной схемы, выход N-го интегрального логического КМОП-элемента является выходом автоколебательной резонансной схемы.
4. Микромеханическая система по п.1, отличающаяся тем, что для получения напряжения индуцирующего сигнала с выхода микроэлектронного преобразователя постоянного тока, большего, чем напряжение микроэлектронного преобразователя постоянного тока, используют автоколебательную резонансную схему с эквивалентной добротностью Q, связанной с механической добротностью пьезоэлектрического резонатора QM соотношением
Q=QM∗C/(C0+CH),
где QM - механическая добротность пьезоэлектрического резонатора, С - динамическая емкость пьезоэлектрического резонатора, CH - емкость нагрузки, С0 - параллельная емкость пьезоэлектрического резонатора.
5. Микромеханическая система по п.1, отличающаяся тем, что фазовращатель сигнала выполнен активным или пассивным.
6. Микромеханическая система по п.1, отличающаяся тем, что микромеханический исполнительный элемент, выполнен из жесткой пластины и упругих подвесов с коэффициентом жесткости не менее 180 Н/м.
