DD148424A1 - Beruehrungsschalter mit integrierter lichtemitter-ansteuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen elektronischen Schalter, in dem zur optischen Anzeige der Schalterbetaetigung bzw. des Schaltzustandes eine LED mit entsprechender Ansteuerschaltung integriert ist. Es war das Ziel der Erfindung, auf der Basis der Technologie fuer Lichtemitterdioden solche Beruehrungsschalter zu entwickeln, die als komplexes Bauelement Kontaktflaechen, Lichtemitterdiode und Ansteuerschaltung enthalten. Dadurch koennen Verbindungsleitungen und Raum eingespart, sowie feinmechanische Arbeiten an der Bedienfront reduziert werden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz in einem Gehaeuse, das zumindest einseitig transparent ist, LED und Ansteuerschaltung nebeneinander bzw. uebereinander auf einem Traegerstreifen befestigt werden,der in zwei Richtungen abgebogen wird.Nach einer Seite sind Beruehrungskontaktflaechen ausgebildet,nach der anderen Seite Anschluszstifte, die mittels Schwalloeten in einer Leiterplatte befestigt werden koennen. Die nach dem erfind. Loesungsprinzip gestalteten Beruehrungsschalter koennen in Eingabevorrichtungen von Datenverarbeitungsanlagen, in elektronischen Konsumguetern sowie in der Mesz-, Steuer- und Regelungstechnik eingesetzt werden.

Description

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Titel der Erfindung

Berührungsschalter mit integrierter Lichtemitter-Ansteuerung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen elektronischen Schalter mit integrierter Informationsanzeige, der in Eingabevorrichtungen von Datenverarbeitungsanlagen, elektronischen Konsumgütern, sowie in der Meß-, Steuer- und Regelungstechnik eingesetzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Reihe von Möglichkeiten bekannt, um ohne direkte Kontaktgabe einen Schaltvorgang auszulösen. Diese bekannten Systeme sprechen auf die Änderung einer physikalischen Größe, beispielsweise Temperatur, Druck, Strahlung oder speziell einer elektrischen Größe wie Induktivität, Kapazität oder Impedanz an.

So kann das Bedienungspersonal an einem elektrischen Gerät einen kontaktlosen Schaltvorgang auslösen, indem die dem menschlichen Körper anhaftende Kapazität bzw. Impedanz in ein entsprechendes System eingekoppelt wird. Wie ^"Funktechnik" Heft 9/1971 So 532 beschrieben, müssen beispielsweise dicht benachbarte Kontakte mit dem Finger überbrückt werden, wobei über den endlichen Hautwiderstand von ca. 20 k-fZr-100 k-Q-der Basis des Eingangsstuf entransis-. tors eine Spannung zugeführt wird.

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Nach diesem Prinzip der Sensorschalter sind auch integrierte Schaltstufen entwickelt worden, die die sehr hohe Eingangsimpedanz von MOS-Transistoren ausnutzen.

Ein weiteres integrationsfähiges Konzept ist aus der DE-OS 2654575 bekannt. Hierbei wird die bei Berührung der Kontaktflächen zusätzlich angeschlossene Kapazität des menschlichen Körpers zu einem Schaltvorgang verarbeitet.

Für eine sichere Funktion des elektronischen Schalters ist die Gestaltung der Kontaktflächen wesentlich. Sie können beliebig gestaltet sein, doch darf es durch ungünstige klimatische Verhältnisse sowie Schmutz- und Staubablagerungen nicht zu einem Feinschluß kommen« Als isolierende Unterlagen haben sich schmutz- und feuchteabweisende Kunststoffe beispielsweise Piacrylglas oder Polystyrol bewährt.

Andere Ausführungen von Berührungsschaltern sind in der DS-AS 2158172 und DE-OS 2256337 beschrieben. Ein Sensorschalter (DE-AS 21J8172) besitzt senkrecht zu den Kontaktflächen einen zylindrischen Hohlraum, der für die Aufnahme eines Gleichstromverstärkers und entsprechender Verbindungsleitungen vorgesehen ist.

, In vielen Anwendungsfällen für Berührungsschalter ist jedoch eine optische Anzeige des Schaltzustandes gewünscht. Kontrollämpchen bzw. Licht emitterdioden werden deshalb hinter oder neben den Kontaktflächen angeordnet. Nachteilig ist dabei, daß zusätzlich feinmechanische Arbeiten an der Bedienfront erforderlich sind und gegenüber herkömmlichen Schaltern keine Raumeinsparung erreicht wird. Außerdem müssen zusätzliche Verbindungsleitungen von der Schaltung zur optischen Anzeige hergestellt werden.

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Berührungsschalter, der als komplexes Bauelement Berührungskontaktflächen, lichtemittierendes Bauelement und Ansteuerschaltung enthält, so daß im Anwendungsfall Verbindungsleitungen und

Raum eingespart, sowie feinmechanische Arbeiten an der Bedienfront reduziert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Schalter auf der Basis der Technologie für Lichtemitterdioden herzustellen, der eine integrierte Informationsanzeige und beliebige für den Schaltvorgang notwendige Logik enthält·

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in einem Gehäuse, das zumindest einseitig transparent ist, ein lichtemittierendes Bauelement und eine Ansteuerschaltung auf einen Trägerstreifen angeordnet sind. Der Trägerstreifen ist dabei so konstruiert, daß eine Doppelfunktion desselben als Schaltelement also als Berührungskontakt und als Träger für die Ansteuerelemente und den Lichtemitter gewährleistet ist. Das lichtemittierende Bauelement und die Ansteuerschaltung werden nebeneinander bzw«, übereinander auf einem Träger streif en befestigt, der in zwei Richtungen abgebogen wird. Nach einer Seite sind Berührungskontaktflächen ausgebildet, nach der anderen Seite Anschlußstifte, die mittels Schwallöten in einer Leiterplatte befestigt werden können·

' Die elektrischen Verbindungen zwischen Trägerstreifen, Schaltkreis und LichtemitterdiodB werden durch Bonden

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und Kleben mit leitfähigem Kleber und/oder Löten realisiert.Sofern Lichteraitterdiode und Ansteuerschaltung nicht monolithisch beispielsweise auf GaAs hergestellt werden, kann die Lichteraitterdiode mit dem rückseitigen n-Gebiet direkt auf η-leitende Silizium- oder Polysiliziumflächen

des Ansteuerchips geklebt werden, so daß ein Bondschritt eingespart wird.

Erfindungsgemäß bestehen die Berührungskontaktflächen ganz oder teilweise aus transparenten leitenden Schichten, beispielsweise aus SiO oder SnOp oder Ti O₂ In einer weiteren Ausgestaltung können die Berührungskontakte als Lichtleiter ausgebildet sein, wobei das Licht vom Lichtemitter im Inneren zur Oberfläche geleitet wird. Erfindugsgemäß ist der elektronische Schalter so gestaltet, • . daß er einzeln bzw. in Zeilen- oder Matrizenform angeordnet werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Bauelement lassen sich je nach erwünschtem Schaltvorgang und Anordnung der Kontaktflächen die verschiedensten Berührungsschalter mit Hilfe der Technologie für Lichtemitterdioden realisieren.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen näher * erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1-5 verschiedene integrationsfähige Möglichkeiten zur Auslösung eines Schaltvorganges. Fig. 6 die technologische Realisierung des Schaltungsbeispiels gemäß Fig. 1, Fig. ? u.

8 die Verkappung des Bauelementes.

In Fig. 1 ist eine Kaskadenschalung zweier Emitterfolger (Darlington-Schaltung) dargestellt.

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Die Stromverstärkungen "beider npn-Transistoren multiplizieren sich. Ein minimaler Strompfad über die Kontaktflächen 1 und 2 reicht aus, um den Folgetransistor aufzusteuern, so daß die LED aufleuchtet. Damit ist die Kontrolle gegeben, ob bei Berührung tatsächlich ein Schaltvorgang stattgefunden hat, der am Anschluß 3 als Potentialsprung einer Auswerteschaltung zugeführt werden kann.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer integrierten Halbleiterstruktur aus npn-Bipolartransistor und p-Kanal-Feldeffekttransistoren. Dabei ist die Senkenzone des Feldeffekttransistors 4- gleichzeitig der Basisraum des

y|c Bipolartransistors. Diese Schaltanordnung hat durch die Feldeffekttransistoren einen sehr hohen Eingangswiderstand und wegen des als Emitterfolger geschalteten Bipolartransistors einen für die LED ausreichend hohen Ausgangsstrom. Werden die Kontaktflächen 1 und 2 ähnlich einem Schiebeschalter mechanischer Art überstrichen, verharrt die Schaltung in der Stellung, deren Kontaktflächen zuletzt überbrückt wurden. Sie kann demnach zwei stabile Zustände einnehmen. Die LED leuchtet auf, wenn die Kontaktflächen von 1 und 2 überstrichen wurden. Am An-Schluß. 3 kann der Pegel an eine Auswerteschaltung weitergeleitet werden. Um ein Einkoppeln von Wechselspannungen, die zu einer Fehlschaltung führen können, zu vermeiden, muß der Eingangsfeldeffekttransistor bei der Dimensionierung kapazitiv gegen Masse belastet werden. Gleichzeitig wird dabei ein Zwangszustand beim Einschalten der Betriebsspannung erreicht.

Fig. 3 zeigt eine vollständig aus Feldeffekttransistoren aufgebaute LED-Ansteuerschaltung. Sie wird nach einer LSI-Schaltkreistechnologie, beispielsweise η-Kanal Silicon Gate . mit Verarmungslastransistoren und Anreicherungsschalttransistoren, hergestellt.

Bei diesem Schaltungsbeispiel verlischt die LED, wenn - . die Kontaktflächen 1 und 2 überbrückt werden. Der End- Stufentransistor 5 ^uß eine dem Strom durch die LED ent- t- sprechend große Kanalweite besitzen. Diese Variante ist ausgezeichnet geeignet, die Schaltung entsprechend den Anwenderforderungen beliebig zu erweitern, um beispielsweise eine gegenseitige Verkoppelung oder Verriegelung einzelner Schaltstellen zu erreichen.

Ein weiteres Schaltungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Um eine Schieberegisterselle (D-Flip-Flop) als Speicher- oder Teiler-Flip-Flop betreiben zu können, muß der negierte Ausgang auf den Eingang zurückgeführt werden. Das negierte Ausgangssignal steht am für LED angebtpaßten Parallelausgang A zur Verfügung. Wird dieses Signal auf den D-Eingang zurückgeführt, muß der Low-Pegel kleiner 0,? V sein. Das ist nur bei ohmscher, nicht aber bei Belastung mit einer LED gewährleistete Deswegen wird der ersten. Schieberegisterzelle, die als Teiler wirkt, eine zweite, die die LED ansteuert, nachgeschaltet. Die Schaltung nimmt nach hochohmiger Überbrückung der Kontaktflächen 1 und 2 stabile Zustände entsprechend der Wahrheitstabelle ein. pur eine sichere Funktion der Schaltung sollte der Sensor durch einen Kondensator 6 gegen Prellerscheinungen geschützt werden und ein Trigger 7 die für die Taktaufbereitung 8 benötigten steilen Flanken Hefern.

Durch Verdoppelung der Anzahl der Schieberegisterzelien kann ein aufeinanderfolgendes Ein- und Ausschalten von 2 LED's erreicht werden (Fig. 5). Eine weitere Ausdehnung 2Q der LED-Anzahl erfordert Maßnahmen für ein definiertes Setzen des Schieberegisters. In Fig. 6 ist die technologische Realisierung des Schaltungsbeispiels gemäß Figo 1 dargestellt.

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Auf einem hochdotierten η-leitenden Siliziumplättchen 9 wird eine η-leitende Epitaxieschicht 10 aufgebaut. Anschließend werden p-Gebiete 11 und n-Gebiete 12 diffundiert, so daß die beiden Transistoren entstehen. An der Stelle, wo später die LED 15 aus GaAsP oder GaP aufgeklebt werden soll, wird ein hochdotiertes n-Gebiet 14 erzeugt.

Entsprechend des Schaltungsbeispiels werden die Verbindungsleitungen zwischen den Bauelementen, Anschlußklemmen und Kontaktflächen gebondet oder als Aluminium aufgedampft.

Die Anschlüsse 1 und 2 sind Kontaktflächen, der Emitter des Folgetransistors liegt auf Masse und die Betriebsspannung wird an die LED-Anode gelegt. An die Kontaktfläche 1 kann gleichzeitig die Auswerteschaltung angeschlossen werden. Fig. 7 und 8 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für die Verkappung der Anordnung. Die Kontaktflächen 1,2 können entweder das Bauelementseitlich begrenzen (Fig. 7), oder vollständig in die Vergußmasse eingebettet sein. Das von der LED I5 ausgesandte Licht kann so gestreut werden, daß es auch seitlich aus dem Bauelement austritt.

Es ist im Bedarfsfall möglich, die Berührungskontakte in oder um den Kunststoff als Lichtleiter auszubilden

Weiterhin ist es möglich, die Berührungskontakte in transparenten aufgedampften leitenden Schichten beispielsweise aus Zinnoxid auslaufen zu lassen.

Claims (1)

1. -β - 2 18220"

   Erfindungsanspruch

   · 1· Berührungsschalter mit integrierter Lichtemitter-Ansteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse, das zumindest einseitig transparent ist, ein lichtemittierendes Bauelement und eine Ansteuerschaltung auf einem Trägerstreifen angeordnet sind, wobei der Trägerstreifen so konstruiert ist, daß er sowohl als Berührungskontakt als auch als Träger für die Ansteuerelemente und das lichtemittierende Bauelement dient.

   Berührungsschalter nach Punkt 1, dadurch gekennzeich-

   „r- net, daß das lichtemittierende Bauelement und die Anip »

   steuerschaltung neben- oder übereinanander auf den Trägersfeeifen angeordnet sind·

   5e Berührungsschalter nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Bauelement mit mindestens einer Kontaktfläche elektrisch leitend auf dem Ansteuerchip befestigt ist.

   4-, Berührungsschalter nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung monolithisch im lichtemittierenden Bauelement integriert ist.

   p". Berührungsschalter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungskontakte ganz oder teilweise aus transparenten leitenden Schichten bestehen.

   6. Berührungsschalter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungskontakte als Lichtleiter ausgebildet sind.

   __Selten Zeichnungen