DE10145071A1 - Miniaturschalter zur Schaltung elektrischer Ströme in Mikrosystemen - Google Patents

Abstract

Bei einem Miniaturschalter zur Schaltung elektrischer Ströme in Mikrosystemen mit einem Grundkörper, mindestens zwei voneinander getrennten elektrisch leitenden Kontaktflächen auf diesem Grundkörper und einem Schaltorgan zur mechanischen Verbindung und Trennung der Kontaktflächen beim Schaltvorgang ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zunächst mit dem schichtweisen Aufbau des Grundkörpers begonnen wird, wobei sukzessive dünne Schichten eines lichtaushärtbaren Kunststoffs gemäß den Schichten einer 3-D-Vorlage des Schalters belichtet und ausgehärtet werden, auf den nicht vollständig vollendeten Grundkörper die Kontaktflächen aufgebracht werden, der Körper durch weiteren schichtweisen Aufbau - die Kontaktflächen freilassend - vollendet wird, wobei zwischen den Kontaktflächen eine Aussparung verbleibt, die im letzten Verfahrensschritt mittels einer elastischen, als Schaltorgan dienenden Folie abgedeckt wird, an der sich auf ihrer zum Körper weisenden Seite in Abstand zu den Kontaktflächen ein metallischer Kontaktbereich befindet, der bei Ausübung einer Kraft (F) auf die elastische Folie zur Verbindung der beiden Kontaktflächen beim Schaltvorgang dient.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Miniaturschalter zur Schaltung elektrischer Ströme in Mikrosystemen mit einem Grundkörper, mindestens zwei voneinander getrennten elektrisch leitenden Kontaktflächen auf diesem Grundkörper und einem Schaltorgan zur mechanischen Verbindung und Trennung der Kontaktflächen beim Schaltvorgang.
• In der Mikrotechnologie sind zwar seit langem extrem miniaturisierte elektronische Schalter (Transistoren etc.) bekannt, die in integrierten Schaltungen verwirklicht sind.
• Aber nicht nur elektronische Bauteile müssen immer kleinere Dimensionen annehmen, auch mechanische Bauelemente müssen mittlerweile diesem Trend folgen. In der Mikrotechnologie geht es u. a. darum, dreidimensional angeordnete Leiter- und Verbindungsstrukturen für Volumen- und Energieströme zu entwickeln und zu verwirklichen, d. h., daß in einem System elektronische und mechanische Bauteile miteinander kombiniert werden.
• Bei diesen Systemen werden für den Transport elektromagnetischer Energien Hohlleiter und auch Glasfasern bzw. metallische Leiterbahnen eingesetzt. Volumenströme realisiert man durch Kanäle, Schläuche und Rohrleitungen.
• Die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Miniaturschalter werden beispielsweise in diesen Mikrosystemen eingesetzt, um durch mechanische Kräfte bzw. hydraulischen Druck initiierte Schaltvorgänge auszulösen.
• Die Abmessungen derartiger Schalter liegen beispielsweise bei einer Kantenlänge von 1 mm.
• Zur Herstellung derartiger Schalter schlägt die Erfindung nun vor, daß zunächst mit dem schichtweisen Aufbau des Grundkörpers begonnen wird, wobei sukzessive dünne Schichten eines lichtaushärtbaren Kunststoffs gemäß den Schichten einer 3-D-Vorlage des Schalters belichtet und aushärtet werden, auf den nicht vollständig vollendeten Grundkörper die Kontaktflächen aufgebracht werden, der Körper durch weiteren schichtweisen Aufbau - die Kontaktflächen freilassend - vollendet wird, wobei zwischen den Kontaktflächen eine Aussparung verbleibt, die im letzten Verfahrensschritt mittels einer elastischen, als Schaltorgan dienenden Folie abgedeckt wird, an der sich auf ihrer zum Körper weisenden Seite in Abstand zu den Kontaktflächen ein metallischer Kontaktbereich befindet, der bei Ausübung einer Kraft auf die elastische Folie zur Verbindung der beiden Kontaktflächen beim Schaltvorgang dient.
• Ein derartiges Verfahren ist als RMPD bekannt. So beschreibt die DE-PS 44 20 996 ein Verfahren, bei dem zwischen zwei einander parallelen Platten, von denen mindestens eine für elektromagnetische Welle durchlässig ist, eine geringe Menge des lichtaushärtbaren Kunststoffs aufgrund der Oberflächenspannung gehalten ist. Die Oberfläche der Kunststoffflüssigkeit unterhalb der für elektromagnetische Wellen durchlässigen Platte wird beispielsweise mittels Laserstrahl, der nach Maßgabe eines in einem angeschlossenen Rechner gespeicherten 3-D-Schichtmodells der zu generierenden Struktur über die Oberfläche geführt wird, ausgehärtet. Es können jedoch auch statt Laserlichtführung den einzelnen Schichttopographien entsprechende Masken zur Belichtung eingesetzt werden. Schicht für Schicht härtet das Licht die Kunststoffflüssigkeit entsprechend dem 3-D-Schichtmodell, wobei der Abstand der Platten jeweils um eine Schichtdicke vergrößert wird, so daß frisches Kunststoffmaterial allein aufgrund seiner Oberflächenspannung in den entstehenden Zwischenraum zwischen der ausgehärteten Schicht und der Platte nachfließen kann. Auf diese Weise können Strukturen im Mikrometerbereich sehr exakt erzeugt werden.
• Dieses Prinzip macht sich die Erfindung bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Schalter zunutze.
• Auf diese Weise kann der Schalter praktisch beliebig klein generiert werden.
• Bei dem aus der DE-PS 44 20 996 bekannten Verfahren ist es jedoch nur schwer möglich, größere Stückzahlen zu erzeugen.
• Daher sieht die Erfindung gemäß Anspruch 3 vor, daß die einzelnen Schichten zwischen jeweils einem Walzenpaar, das an die Stelle der parallelen Platten tritt, wobei eine der Walzen lichtdurchlässig ist, erzeugt und ausgehärtet werden und sowohl die Kontaktflächen als auch der die Kontaktflächen miteinander verbindende Kontaktbereich auf Folien angeordnet sind, die von jeweils einem Wickel einem ausgewählten Walzenpaar zugeführt werden.
• Bei diesem Verfahren nimmt der Abstand zwischen den Walzen der einzelnen Walzenpaare Schicht für Schicht um diese Schichtdicke zu. Entweder sind die zugehörigen Masken auf den jeweiligen lichtdurchlässigen Walzen aufgebracht oder aber es wird eine Maskenfolie synchron mit der Transportgeschwindigkeit der von Walzenpaar zu Walzenpaar aufwachsenden Strukturen zwischen Walzenoberfläche und Belichtungseinrichtung hindurchgeführt.
• Obwohl es möglich ist, die Kontaktflächen auf dem noch nicht vollständig vollendeten Grundkörper ebenfalls mittels der angesprochenen Technik zu realisieren, ist bei der ans Rotationsdruckverfahren erinnernden Technik des Anspruchs 3 aber bevorzugt vorgesehen, mit diesen metallischen Kontaktflächen versehene Folien synchron zuzuführen und auf dem Grundkörper zu verkleben. Auf dieser Folie wird dann der weitere schichtweise Aufbau des Grundkörpers fortgesetzt. Die entstehende Ausnehmung im Grundkörper, die sich zwischen den Kontaktflächen befindet, dient als Abstandhalter zwischen den aufeinander zuweisenden Enden der Kontaktflächen und dem Kontaktbereich auf der elastischen Folie, die die Ausnehmung luftdicht verschließen soll. Wird die Folie von außen (durch eine mechanische Kraft oder durch hydraulischen Druck) belastet und nach innen verformt, kommt der Kontaktbereich mit den Kontaktflächen in Berührung und der Stromkreis ist geschlossen. Endet die äußere Kraftwirkung auf die Folie, bewegt sie sich aufgrund ihrer Elastizität selbsttätig von den Kontaktflächen weg, und der Stromkreis ist unterbrochen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die aufeinander zuweisenden Enden der Kontaktflächen so geformt, daß zwischen ihnen ein mäanderförmig verlaufender isolierender Bereich vorgesehen ist.
• Die Aussparung, die durch die den Kontaktbereich tragende Folie abgedeckt ist, ist gemäß Anspruch 6 bevorzugterweise kreisförmig ausgebildet.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung dargestellt und näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 Miniaturschalter in Aufsicht,
• Fig. 2 Miniaturschalter im Längsschnitt.
• In den Figuren ist ein erfindungsgemäßer Minischalter dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Er besteht aus einem im RMPD-Verfahren erzeugten Grundkörper 2, der schichtweise aus einem lichtaushärtbaren Kunststoff aufgebaut ist. Der Grundkörper 2 weist auf seiner Oberfläche drei Ausnehmungen auf, von denen die mittlere kreisförmig ausgebildet ist und das Bezugszeichen 3 trägt.
• In Längsrichtung auf beiden Seiten der kreisförmigen Aussparung 3 befinden sich seitlich und nach oben offene Aussparungen 4 und 5, deren Boden mit einer eine elektrisch leitende Schicht tragenden Folie 6 abgedeckt ist. Die Folie 6 ist auf der entsprechenden Schicht des Grundkörpers 2 verklebt. An die leitenden Schichten werden elektrische Leiter angelötet.
• Die elektrisch leitenden Schichten bilden zwei aufeinander zulaufende Laschen 7 und 8, die durch einen mäanderförmig verlaufenden, nichtleitenden Bereich 9 voneinander getrennt sind.
• Wie insbesondere aus der Fig. 2 hervorgeht, ist die Aussparung 3 mittels einer elastischen, membranartigen Folie 10 abgedeckt, die ebenfalls mit dem Grundkörper 2 verklebt ist. An der Unterseite der Folie 10, die auf die Laschen 7 und 8 weist, ist ein elektrisch leitender Kontaktbereich 11 vorgesehen.
• Wird die Folie 10 durch eine Kraft F belastet, erreicht der elektrisch leitende Kontaktbereich 11 die Kontaktzungen 7 und 8, wodurch eine elektrische Verbindung hergestellt wird, der Stromkreis ist geschlossen.
• Endet die Kraftwirkung, federt die Folie 10 aufgrund ihrer Elastizität wieder in die dargestellte Ausgangsstellung zurück, der Stromkreis ist unterbrochen.

Claims (6)

1. Miniaturschalter zur Schaltung elektrischer Ströme in Mikrosystemen mit einem Grundkörper, mindestens zwei voneinander getrennten elektrisch leitenden Kontaktflächen auf diesem Grundkörper und einem Schaltorgan zur mechanischen Verbindung und Trennung der Kontaktflächen beim Schaltvorgang, gekennzeichnet durch seine Herstellung, bei der zunächst mit dem schichtweisen Aufbau des Grundkörpers (2) begonnen wird, wobei suksessive dünne Schichten eines lichtaushärtbaren Kunststoffs gemäß den Schichten einer 3-D-Vorlage des Schalters (1) belichtet und ausgehärtet werden, auf den nicht vollständig vollendeten Grundkörper (2) die Kontaktflächen (4, 5) aufgebracht werden, der Körper durch weiteren schichtweisen Aufbau - die Kontaktflächen (4, 5) freilassend - vollendet wird, wobei zwischen den Kontaktflächen (4, 5) eine (3) Aussparung verbleibt, die im letzten Verfahrensschritt mittels einer elastischen, als Schaltorgan dienenden Folie (10) abgedeckt wird, an der sich auf ihrer zum Körper (2) weisenden Seite in Abstand zu den Kontaktflächen (4, 7; 5, 8) ein metallischer Kontaktbereich (11) befindet, der bei Ausübung einer Kraft (F) auf die elastische Folie (10) zur Verbindung der beiden Kontaktflächen (4, 5) beim Schaltvorgang dient.

2. Miniaturschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten durch der jeweiligen Schicht- Topographie entsprechende Masken hindurch belichtet werden.

3. Miniaturschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten zwischen jeweils einem Walzenpaar, wobei eine der Walzen lichtdurchlässig ist, erzeugt und ausgehärtet werden und sowohl die Kontaktflächen (4, 7; 5, 8) als auch der die Kontaktflächen verbindende Kontaktbereich (11) auf Folien (6, 10) angeordnet sind, die von jeweils einem Wickel einem ausgewählten Walzenpaar zugeführt werden.

4. Miniaturschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (6, 10) mit dem Grundkörper verklebt werden.

5. Miniaturschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinander zuweisenden Enden (7, 8) der Kontaktflächen (4, 5) so geformt sind, daß zwischen ihnen ein mäanderförmig verlaufender Isolationsbereich (9) verbleibt.

6. Miniaturschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (3) und der Kontaktbereich (10) kreisförmig ausgebildet sind.