Переключатель и коммутатор



Переключатель и коммутатор
Переключатель и коммутатор

 

G02B26/00 - Оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых оптических элементов для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, например, переключение, стробирование, модуляция (механически управляемые конструктивные элементы осветительных устройств для управления направлением света F21V; специально предназначенные для измерения характеристик света G01J; устройства или приспособления, оптические функции которых изменяются при изменении оптических свойств среды в этих устройствах или приспособлениях, G02F 1/00; управление светом вообще G05D 25/00; управление источниками света H01S 3/10,H05B 37/00-H05B 43/00)

Владельцы патента RU 2532684:

Общество с ограниченной ответственностью "СПИНТЕК" (RU)

Изобретение касается переключателя или коммутатора, содержащего хотя бы один такой переключатель, который содержит бистабильный элемент в МЭМС-исполнении, средства переключения и коммутационный узел. В качестве коммутационного узла использован МДП-транзистор, подвижным затвором которого служит подвижная подпружиненная мембрана с хотя бы одним проводящим элементом над областью канала МДП-транзистора и с включением из магнитного материала. Магнитное включение на мембране может быть выполнено из магнитомягкого или магнитотвердого материала. Для перевода мембраны из одного стабильного состояния в другое на магнитное включение на мембране воздействуют внешним (внешними) или выполненным (выполненными) заодно с переключателем одним или несколькими источниками магнитного поля. Технический результат - создание обладающего высокой надежностью простого в изготовлении и универсального в применении МЭМС-переключателя с фиксированными состояниями, с сохранением состояния в отсутствие питания, не требующего больших напряжений для переключения и не имеющего магнитных контактов. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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.

1. Переключатель или коммутатор, включающий хотя бы один переключатель, содержащий бистабильный элемент в МЭМС-исполнении, средства переключения и коммутационный узел, отличающийся тем, что бистабильный элемент выполнен в виде плоской электропроводной или с электропроводными частями мембраны, подвешенной над поверхностью подложки на упругих элементах (или на одном охватывающем 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 одной МДП-структуры, для которой (которых) затвором служит (служат) электропроводная часть (электропроводные части) описанной подвижной мембраны.

2. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что коммутационный узел содержит комплементарные МДП-структуры.

3. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что магнитный слой на мембране выполнен из магнитомягкого материала, а источник магнитного поля выполнен в виде одного или нескольких электро- или/и постоянных магнитов с возможностью позиционирования его (или их) с противоположных сторон мембраны в составе переключателя или вне его.

4. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что магнитный слой на мембране выполнен из магнитомягкого материала, а источником магнитного поля являются электромагниты, выполненные заодно с переключателем с двух сторон мембраны за пределами области ее возможных перемещений.

5. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что магнитный слой на мембране выполнен из магнитотвердого материала (постоянного магнита), а источником знакопеременного магнитного поля является внешний или выполненный заодно с переключателем электромагнит.

6. Переключатель по п.5, отличающийся тем, что электромагнит выполнен в виде плоской или многослойной спирали, нанесенной вокруг МДП-структуры (или МДП-структур).

7. Переключатель по п.6, отличающийся тем, что переключатель содержит слой магнитомягкого материала, расположенный или внутри спирали, или под спиралью, или над спиралью.

8. Переключатель по п.7, отличающийся тем, что мембрана или слой магнитомягкого материала содержат конструктивные элементы, задающие расстояние их максимального сближения.

9. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены заодно с мембраной из того же материала или из другого материала волнистыми или дугообразными расходящимися в направлении от мембраны 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления электростатического силового микроэлектромеханического ключа, в котором формируется плоскопараллельное соединение поверхности кремниевого кристалла и печатной платы за счет сформированного микрорельефа на соединяемой поверхности кремниевого кристалла с использованием проводящего клеевого соединения.

Изобретение относится к микросистемной технике для создания электростатически управляемых микромеханических резонаторов для датчикопреобразующей аппаратуры и микрореле для коммутации СВЧ и НЧ аналоговых электрических цепей.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиочастотных коммуникационных системах. .

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электростатическим реле. .

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для построения коммутирукхцих цепей s автоматике , вычислительной и измери: тельной технике, телеметрии, телефонии и т.п.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для коммутирования электрических цепей в аппаратуре автоматики, сигнализации и связи в различных областях народного хозяйства.

Изобретение относится к области аппаратуры, применяемой для астрофизических исследований, и может быть использовано при наблюдении за звездным небом с помощью телескопа.

Изобретение относится к оптической технике. Устройство для модуляции монохроматического оптического излучения содержит оптически прозрачную среду, в которой установлены разделитель монохроматического оптического излучения на первый и второй каналы распространения, отражающий элемент во втором канале, участок когерентного суммирования для формирования модулированного монохроматического оптического излучения.

Изобретение относится к лазерной технике. Оптико-механический модулятор добротности с функцией коммутатора представляет собой устройство, включающее оптико-механический блок, блок питания и процессор управления, а также сборную призму, которая устанавливается на вращающемся роторе электромотора, состоящую из двух прямоугольных призм Ap90, закрепленных гипотенузными гранями на наклонных гранях ромб-призмы с зазором между гранями.

Изобретение относится к области квантовой криптографии - системам квантового распределения криптографических ключей, а более конкретно способу кодирования и передачи криптографических ключей.

Дисплей содержит множество пикселей, включающих красный, зеленый и синий интерференционный модуляторы. Каждый из пикселей выполнен с возможностью вывода более высокой интенсивности зеленого света, чем красного и синего света.

Изобретение относится к электрооптическим полимерным материалам, изменяющим коэффициент преломления при приложении электрического поля. .

Изобретение относится к микроэлектромеханическим системам и может быть использовано в дисплеях, содержащих интерференционные модуляторы. .

Изобретение относится к оптической интерферометрии, в частности к спектральной рефлектометрии, и может быть использовано для одновременного наблюдения интерференционных картин с различными фазовыми соотношениями между интерферирующими волнами.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано, например, в тепловизионных приборах и системах, построенных на основе матричных фотоприемников теплового излучения (МФПУ).

Изобретение относится к области оптики и касается устройства управления параметрами лазерного излучения. Устройство включает в себя источник лазерного излучения, поляризатор, вращающийся оптический элемент и цепь обратной связи. Цепь обратной связи состоит из светоделительной пластины, дополнительного поляризатора, фотодетектора, усилителя, блока управления скоростью вращения оптического элемента и поворотного блока, на котором установлен датчик угла поворота плоскости поляризации. Технический результат заключается в обеспечении возможности управления степенью и углом поворота поляризации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх