DE102009051829A1

DE102009051829A1 - Elektrischer Schalter

Info

Publication number: DE102009051829A1
Application number: DE200910051829
Authority: DE
Inventors: Karl Haberger; Dieter Bollmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2029-11-05
Also published as: DE102009051829B4

Abstract

Ein Schalter (100) mit zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104), die in einem offenen Zustand des Schalters durch einen mit einem isolierenden Fluid (106) gefüllten Zwischenraum (108) getrennt sind und mit einem mit dem Zwischenraum (108) fluidisch verbundenen Fluidreservoir (110) zum Aufnehmen des isolierenden Fluids (106) in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanisches Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen (102; 104) aus dem Zwischenraum, wodurch der Schalter von dem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand wechselt, und zum Abgeben des isolierenden Fluids (106) in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanischen Druck auf das Fluidreservoir (110) an deem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand wechselt, wobei der Schalter derart ausgebildet ist, dass eine Berührung der gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104) in dem geschlossenen Zustand einen energetisch stabilen Zustand darstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flachen elektrischen Schalter, wie er beispielsweise in Chipkarten, Smart-Labels oder Folientastaturen eingesetzt werden kann.
Ein elektrischer Schalter ist eine Baugruppe, die mit einem oder mehreren Schaltkontakten eine elektrisch leitende Verbindung herstellt oder trennt. Idealerweise führt eine Betätigung des Schalters immer eindeutig zu einem Schaltzustand „offen” („aus”) oder „geschlossen” („an”). Zudem sollte der Schaltzustand für einen Benutzer optisch, also ohne technische Hilfsmittel, erkennbar sein. Elektrische Schalter sind gekennzeichnet durch Kontaktwiderstand, Isolationswiderstand, Abstand von elektrischen Kontakten und die mechanische Kraft, die die Kontakte im Schließfall zusammenpresst (Kontaktkraft). Daneben sind für den praktischen Gebrauch der Isolationswiderstand nach außen und auch haptische Eigenschaften des Schaltvorgangs wichtig.
Übliche Schalter pressen mittels Federkraft zwei Kontakte, wie z. B. Metallteile, teilweise mit einer geringen Kontaktfläche, aufeinander und stellen so eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontakten her. Die mechanische Betätigung erfolgt entweder manuell oder über Betätigungsvorrichtungen. Des Weiteren können Schalter sowohl direkt als auch indirekt betätigt werden. Bei mechanisch direkt betätigten Schaltern erfolgt die Betatigung beispielsweise mittels Fingerdruck, bei mechanisch indirekt betätigten Schaltern über Hebel, Schieber, Drehelemente, etc.
Herkömmliche mechanisch betätigte Schalter weisen oft relativ große räumliche Abmessungen auf, weshalb sie für bestimmte Anwendungen, wie z. B. Anwendungen in flachen Chipkarten, Smart Labels oder Folientastaturen, ungeeignet sind.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Konzept für einen elektrischen, mechanisch betätigten Schalter mit kleinen bzw. flachen Abmessungen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Schalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben gestellte Aufgabe zu lösen mittels eines Schalters mit zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen, die in einem offenen bzw. „Aus”-Zustand des Schalters durch einen mit einem isolierenden Fluid gefüllten Zwischenraum getrennt sind. Der Schalter weist ein mit dem Zwischenraum fluidisch verbundenen Fluidreservoir zum Aufnehmen des isolierenden Fluids in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanisches Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen aus dem Zwischenraum auf, wodurch der Schalter von dem offenen bzw. „Aus”-Zustand in einen geschlossenen bzw. „An”-Zustand wechselt. Das Fluidreservoir dient auch zum Abgeben des isolierenden Fluids in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanischen Druck auf das Fluidreservoir an den Zwischenraum, wodurch der Schalter von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand wechselt. Dabei ist der Schalter derart ausgebildet, dass eine Berührung der gegenüberliegenden Kontaktflächen in dem geschlossenen Zustand einen energetisch stabilen Zustand darstellt.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Schalter durch einen Schichtstapel von Substratschichten gebildet sein, wobei die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen auf einer obersten und einer untersten Substratschicht des Schichtstapels gebildet sind, und wobei der Zwischenraum und das Fluidreservoir durch Aussparungen in einer zwischen der obersten und untersten Substratschicht angeordneten Substratschicht gebildet werden. Dabei liegen gemäß Ausführungsbeispielen Substratschichtdicken in einem Bereich von 10 μm bis 100 μm, bevorzugt 25 μm, so dass eine vertikale Gesamtdicke des Schichtstapels und damit des Schalters von 30 μm bis 300 μm, bevorzugt 100 μm, resultiert. Die einzelnen Schichten des Schichtstapels können beispielsweise zu einer Sandwich-Struktur verklebt werden. Horizontal ist ein Schalter beispielsweise etwa so groß wie eine Fingerkuppe, d. h. ca. 10 mm.
Obwohl generell als isolierende Fluide sowohl isolierende Gase als auch isolierende Flüssigkeiten verwendet werden können, werden gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen isolierende Flüssigkeiten eingesetzt. Der energetisch stabile geschlossene Schalterzustand kann auf verschiedenste Weise erreicht werden. Vorstellbar ist beispielsweise ein in dem Zwischenraum gegenüber der Atmosphäre außerhalb des Schalters vorherrschender Unterdruck, wodurch die beiden gegenüberliegenden Kontaktflächen aneinandergepresst werden. Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Kontaktflächen jedoch mit magnetischem Material versehen, um eine ausreichend hohe Kontaktkraft für den geschlossenen Schalterzustand bereitzustellen.
Durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird ein flacher, weniger als 100 μm dicker Schalter zum Einbau vorzugsweise in Chipkarten, Smart Labels, usw., ermöglicht. Ausführungsbeispiele weisen typischerweise eine Dicke unter 100 μm bei einer Gesamtfläche von typischerweise 1–5 cm² auf. Schalterausführungsformen „Normal-On”, „Normal-Off” Taster, verzögerter Taster sind möglich.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Nachfolgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine schematische Darstellung eines Übergangs von einem offenen in einen geschlossenen Zustand eines Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b eine schematische Darstellung eines Übergangs von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand eines Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Wechselschalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 Drauf- und Seitenansichten einzelner Substratschichten eines Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung zur Erläuterung einer Bistabilität eines erfindungsgemäßen Schalters; und
6 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schalters mit geprägten Strukturen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Schalter 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Schalter 100 weist zwei gegenüberliegende Kontaktflächen 102, 104 auf, die in einem offenen Zustand des Schalters (d. h. Kontaktflächen 102, 104 berühren sich nicht) durch einen mit einem isolierenden Fluid 106 gefüllten Zwischenraum 108 getrennt sind. Außerdem weist der Schalter 100 einen mit dem Zwischenraum 108 fluidisch verbundenes Fluidreservoir 110 zum Aufnehmen des isolierenden Fluids 106 in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanisches Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen 102, 104 aus dem Zwischenraum 108 auf, wodurch der Schalter 100 von dem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand wechselt (d. h. Kontaktflächen 102, 104 berühren sich). Das Fluidreservoir 110 dient außerdem zum Abgeben des isolierenden Fluids 106 in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanischen Druck auf das Fluidreservoir 110 an den Zwischenraum 108, wodurch der Schalter 110 von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand wechselt. Dabei ist der Schalter 100 derart ausgebildet, dass eine Berührung der gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 in dem geschlossenen Schalterzustand einen energetisch stabilen Zustand darstellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schalter 100 durch einen Schichtstapel von Substratschichten 112, 114, 116 gebildet, wobei die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 jeweils auf einer obersten Substratschicht 112 und einer untersten Substratschicht 116 des Schichtstapels gebildet sind, und wobei der Zwischenraum 108 und das Flüssigkeitsreservoir 110 durch Aussparungen in einer zwischen der obersten und der untersten Substratschicht angeordneten Substratschicht 114 gebildet werden.
Die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 können jeweils streifen- oder mäanderförmig ausgebildet sein, wobei sich eine Ausrichtung von Streifen der ersten Kontaktfläche 102 von einer Ausrichtung der zweiten Kontaktfläche 104 unterscheidet. Die Längsrichtungen der Streifen können beispielsweise 90° zueinander versetzt sein. Dieser Zusammenhang ist zur besseren Übersicht in den Drauf- und Seitenansichten der einzelnen Substratschichten 112, 114, 116 in 4 gezeigt.
Die unterschiedliche Ausrichtung der Streifenstrukturen der ersten Kontaktfläche 102 und der zweiten Kontaktfläche 104 werden anhand von 4 (oben) und 4 (unten) deutlich. Die streifenförmigen Strukturen der Kontaktflächen 102, 104 können eine dauerhafte Haftung des Metalls auf beispielsweise einer Kunststofffolie verbessern, wenn diese flexibel ist und häufig gebogen wird. Außerdem ergeben strukturierte Kontaktflächen 102, 104 beim Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen 102, 104 eine Vielzahl von Kontaktpunkten mit jeweils hohem Druck (Kraft/Fläche) und damit einen sicheren Kontakt. Zudem ermöglicht eine Streifenstruktur optische Transparenz des Schalters 100, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird. Statt streifenförmig können die Kontaktflächen 102, 104 netzförmig, wabenförmig oder dendritisch ausgebildet sein.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können der Zwischenraum 108 und das Fluidreservoir 110 durch einen Kanal 118 verbunden sein, durch den das Fluid 106 bei mechanischem Druck auf den Zwischenraum 108 oder das Fluidreservoir 110 hin und her strömen kann.
Um mit dem erfindungsgemäßen Schalterkonzept einen Wechselschalter zu realisieren, können zwei weitere gegenüberliegende Kontaktflächen 122 und 124 vorgesehen sein, die an gegenüberliegenden Seiten des Fluidreservoirs 110 jeweils auf der obersten Substratschicht 112 und der untersten Substratschicht 116 des Schichtstapels gebildet sind, so dass sich die zwei weiteren gegenüberliegenden Kontaktflächen 122, 124 in einem geschlossenen Zustand befinden, wenn sich die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 in dem offenen Zustand befinden, und umgekehrt. Ein entsprechender Wechselschalter 300 ist in einer Seitenansicht schematisch in 3 gezeigt.
Um einen erfindungsgemäßen Schalter 100, 300 zu implementieren, wird also gemäß einem Ausführungsbeispiel auf einem Substrat 112 eine streifenförmige Kontaktstruktur realisiert, die eine Kontaktfläche 102 darstellt. Eine zweite, ähnliche Kontaktstruktur, bestehend aus Substratschicht 116 und streifenförmiger Struktur 104, die sich zweckmäßigerweise in der Ausrichtung der Streifen unterscheidet, wird der Substratschicht 112 gegenüber angeordnet, und zwar so, dass sich die beiden gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 ggf. berühren können. Die beiden Substratschichten 112, 116 sind durch eine dritte Substratschicht 114 getrennt, die an den Positionen, an denen ein Kontakt zwischen den beiden gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 herstellbar sein soll, flächige Aussparungen für den Zwischenraum 108 und das Fluidreservoir 110 aufweist. Entsprechendes gilt für die weiteren gegenüberliegenden Kontaktflächen 122, 124 an gegenüberliegenden Seiten des Fluidreservoirs 110. Typische Substratschichtdicken liegen bei ca. 25 μm, so dass mit Kontaktflächen einer Dicke von ca. 3 μm eine Gesamtdicke der verklebten Sandwichstruktur bzw. des Schalters 100, 300 von weniger als 100 μm resultiert. Die Gesamtdicke genügt somit den Anforderungen der Norm von Chipkarten (ISO 7816) als auch den zukünftigen, wesentlich dünneren „Smart Labels”. Die Dicke ist einerseits durch eine notwendige mechanische Stabilität des Schalters gegen Beschädigung und andererseits durch eine notwendige Flexibilität der Substratschichten, wie z. B. Folien, für ein manuelles Bedienen begrenzt.
In die Aussparungen der Substratschicht 114 entsprechend dem Zwischenraum 108 und dem Fluidreservoir 110 wird ein isolierendes Fluid 106 eingebracht. Dieses Fluid soll die beiden Kontaktflächen 102, 104 bei offenem Schalter trennen. Allgemein kann es sich bei dem isolierenden Fluid 106 um ein isolierendes Gas oder eine isolierende Flüssigkeit handeln. Durch einen mechanischen Druck, beispielsweise durch manuelles Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen 102, 104 kann das Fluid 106 durch den Kanal 118 in das Fluidreservoir 110 verbracht werden, so wie es in 2a schematisch gezeigt ist. Die beiden Kontaktflächen 102, 104 berühren sich und stellen dadurch gemäß dem geschlossenen Schalterzustand bzw. dem „An”-Zustand eine leitende elektrische Verbindung her. Der Schalter 100 ist derart ausgebildet, dass die Berührung der gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 in dem geschlossenen Schalterzustand einen energetisch stabilen Zustand darstellt. Dies kann beispielsweise durch Unterdruck in dem Zwischenraum 108 gegenüber einer außerhalb des Schalters 100 vorherrschenden Atmosphäre bewerkstelligt werden. Dazu ist allerdings in dem Kanal 118 ein Ventil vorzusehen. Des Weiteren kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der energetisch stabile Zustand bzw. die Kontaktkraft zwischen den beiden Kontaktflächen 102, 104 durch Verwendung eines magnetischen, insbesondere ferromagnetischen Materials für die elektrischen Kontaktflächen 102, 104 erreicht werden.
Befindet sich der Schalter 100 nun in dem geschlossenen Zustand, so kann durch mechanischen Druck auf das Fluidreservoir 110 das Fluid 106 wieder zwischen die beiden gegenüberliegenden Kontaktflächen 102 und 104 befördert werden, um der Kontaktkraft entgegen zu wirken und den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Kontaktflächen 102, 104 unterbrechen, so wie es schematisch in 2b gezeigt ist. Dadurch geht der Schalter 100 vom geschlossenen Schalterzustand wieder zurück in den offenen Schalterzustand bzw. in den „Aus”-Zustand.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können zwei derartige Schalterflächen bzw. Schalterteile kombiniert werden, so dass ein Wechselschalter erhalten wird, der schematisch in 3 dargestellt ist. Durch das „Umpumpen” des Fluids 106 vom Zwischenraum 108 in das Fluidreservoir 110 und umgekehrt, wird jeweils einer der beiden Schalterteile geöffnet oder geschlossen. D. h., der Wechselschalter 300 weist zwei weitere gegenüberliegende Kontaktflächen 122, 124 auf, die an gegenüberliegenden Seiten des Fluidreservoirs 110 angebracht sind, so dass sich die zwei weiteren gegenüberliegenden Kontaktflächen 122, 124 in einem geschlossenen Zustand befinden, wenn sich die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 in dem offenen Zustand befinden, und umgekehrt.
Vorteilhafterweise kann die Schalterstruktur 100, 300 transparent oder zumindest einseitig transparent ausgeführt werden. Durch Anfärben des Arbeitsfluids 106 kann dann in den jeweiligen Reservoirs 108, 110 der Schaltzustand ohne optische und/oder elektrische Hilfsmittel erkannt werden. Durch An- oder Abwesenheit eines gefärbten Fluids 106 kann beispielsweise durch eine Formgebung der Kontaktfläche 102 und/oder der Kontaktfläche 104 ein Symbol, ein Buchstabe, eine Zahl oder ein Piktogramm erkennbar oder unsichtbar werden. Eine streifenförmige Metallisierung der Kontaktflächen 102, 104 ermöglicht auch einen Kontrast ohne eingefärbtes Fluid 106, weil zwei nahe aneinander liegende Streifenmuster ein auffälliges Moiré-Muster erzeugen. Dieses Muster wird jedoch unsichtbar, sobald die Streifen ein Abstand haben, der größer ist als das Rastermaß der Streifen.
Die Transparenz ist vorteilhaft, weil dadurch der Status des Schalters 100 ohne technische Hilfsmittel unmittelbar ablesbar ist, was für den praktischen Einsatz wichtig ist. Dünne Folien sind meist durchsichtig, dünne Metallbeläge ab nur einigen nm Dicke nicht mehr – darum auch die streifen- oder gitterförmige Metallisierung der Kontaktflächen 102, 104. Man kann die Schalterflächen, also die manuell zu drückenden Schalter-Positionen auf einer Chipkarte entsprechend grafisch gestalten, beispielsweise mit Piktogrammen, Positionsmarkierungen bis hin zu alphanumerischen Zeichen.
Eine geometrische Form bzw. Breite des Fluidkanals 118 bestimmt zusammen mit einer Viskosität des Fluids 106 eine mögliche Austauschgeschwindigkeit des Fluids und somit in gewissen Grenzen sowohl ein haptisches Gefühl beim manuellen Schalten der Schalteranordnung 100, 300 als auch deren Bistabilität. D. h., sowohl der offene als auch der geschlossene Schalterzustand sollen für sich energetisch stabile Zustände darstellen. Unter bistabil versteht man einen Schalter, der seine Position (offen oder geschlossen) auch ohne Strom so lange beibehält, bis er ein zweites Mal betätigt wird. D. h., ein bistabiler Schalter sollte zweimal geschaltet werden, damit er wieder in seiner Ausgangsstellung steht. Für den geschlossenen Schalterzustand kann die Kontaktkraft der beiden Kontaktflächen 102, 104 beispielsweise durch Verwendung eines magnetischen bzw. ferromagnetischen Materials für die elektrischen Kontaktflächen 102, 104 erzeugt werden, wie es oben bereits erwähnt wurde. Als Beispiel für ein Kontaktflächenmaterial soll hier Nickel angeführt werden. Eine Ausführungsform stellt die Kontaktflächen 102, 104 mittels „stromlos-Nickel” her, das bei geeigneter Prozessführung ferromagnetisch ist. Damit lassen sich Kontaktkräfte von typisch 1 mN/mm² realisieren. Das ist für einen zuverlässigen elektrischen Kontakt im geschlossenen Schalterzustand ausreichend. Außerdem ist Nickel bezüglich seiner Oberflächeneigenschaft durch Fehlen einer nichtleitenden Oxidschicht als Kontaktmetall für die Kontaktflächen 102, 104 (ebenso 122, 124) geeignet.
Aufgrund des magnetischen Materials der Kontaktflächen 102, 104 hält die magnetische Kontaktkraft den Schalter 100, 300 auch ohne manuelles Drücken geschlossen. Durch eine Ausführung entsprechend 5 kann eine Bistabilität des Schalters erreicht werden, da eine Haltekraft des geschlossenen Schalters (5, unten) eine Stellkraft des geöffneten Schalters (5, Mitte) übertrifft. Unterstützt werden kann dies durch eine Verwendung einer magnetischen Flüssigkeit als Fluid 106, die in Zwischenräumen zwischen den Streifen (z. B. Nickelstreifen) der Kontaktflächen 102, 104 beider Substrate 112, 116 reversibel fixiert werden kann. Derartige magnetische Flüssigkeiten weisen beispielsweise Suspensionen von ferromagnetischen Nanoteilchen in Öl auf. Solche magnetischen Flüssigkeiten sorgen für einen guten magnetischen Schluss, sind elektrisch isolierend, nicht transparent und zudem frostsicher.
Die Bistabilität des Schalters 100, 300 kann gemäß anderen Ausführungsbeispielen beispielsweise auch durch Verwendung einer tixotropen Flüssigkeit erreicht werden. Tixotropie bezeichnet bei nicht-Newtonschen Fluiden eine Abhängigkeit der Viskosität (Zähflüssigkeit) von einer mechanischen Krafteinwirkung und deren Dauer (Zeit). Manche nicht-Newtonschen Fluide bauen bei einer konstanten Scherung mit der Zeit die Viskosität ab. Nach Aussetzung der Scherbeanspruchung wird die Ausgangsviskosität wieder aufgebaut. Vereinfacht heißt das, je länger man eine tixotrope Flüssigkeit umrührt, desto dünnflüssiger wird sie. Nach Beendung der Scherbelastung steigt die Viskosität zeitabhängig wieder an. Tixotrope Flüssigkeiten zeigen also eine niedrige Viskosität solange sie durch eine ausreichend große äußere Kraft von einer Kammer 108 bzw. 110 in die andere 110 bzw. 108 bewegt werden und eine hohe Viskosität (z. B. wie ein Gel), sobald sie in Ruhe sind.
Das erfindungsgemäße Schalterkonzept kann beispielsweise auch zur Realisierung eines Relais, insbesondere eines magnetisch betätigten, hermetisch dichten Reed-Relais, eingesetzt werden. Ein Reed-Relais ist ein Relais zum Schalten eines Stromkreises, welches mit einem Reed-Kontakt arbeitet. Reed-Schaltkontakte sind unter Vakuum oder Schutzgas in einen Glaskolben eingeschmolzene Kontaktzungen, die zugleich Kontaktfeder und Magnetanker bilden. Die Kontaktzungen werden herkömmlich aus mit Edelmetall beschichtetem ferromagnetischem Material (z. B. Weicheisen) hergestellt. Die Kontaktbetätigung erfolgt durch ein von außen einwirkendes Magnetfeld, das von einem in die Nähe gebrachten Dauermagneten (Reed-Kontakt) oder in einer zugehörigen Magnetspule elektrisch erzeugt wird (Reed-Relais). Durch das Magnetfeld ziehen sich die beiden Kontaktzungen an und schließen somit die Schaltung. Sobald das Magnetfeld abfällt oder eine bestimmte Feldstärke im Relais unterschritten wird, öffnet sich der Kontakt aufgrund der Federwirkung wieder.
Ein erfindungsgemäßer Schalter 100, 300 kann beispielsweise auch in Chipkarten, z. B. mit einer Dicke von 700 μm nach ISO 7816, oder auch Smart Labels einsetzbar sein. Seine Funktion kann dabei zum einen eine galvanische Verbindung oder Trennung von einer in der Chipkarte zum Betrieb integrierten Batterie sein. Solche Batterien sind aufgrund des geringen Energieinhalts nur beschränkt zum Betrieb einer CMOS-Standby-Schaltung in der Lage. Ein erfindungsgemäßer Schalter 100, 300 kann durch seinen extrem hohen Off-Widerstand, d. h. sein Widerstand in offenem Zustand, die Batterie vollkommen galvanisch von einer elektronischen Komponente, wie beispielsweise einer integrierten Schaltung, der Chipkarte trennen.
Ein erfindungsgemäßer Schalter kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in Laminiertechnik, etwa durch das Zusammenführen von zwei oder drei Teilbahnen entsprechend den Substratschichten 112, 114, 116 hergestellt werden. Besonders gut geeignet dafür kann die sogenannte Rolle-zu-Rolle-Technologie sein, die seit einiger Zeit für die Fertigung von flachen, preiswerten elektronischen Geräten entwickelt wird. Gemäß dieser Technologie sind große Mengen zu günstigen Preisen mittels Druckverfahren zu erreichen. Dafür sind die meisten Polymere ideal. Sie lassen sich gut in Lösung bringen. So können Elektroden oder Schaltungen auf die Substratschichten einfach aufgedruckt werden – sogar mit Strukturbreiten von lediglich einigen 10 μm. Als Substrate können Folien verwendet werden, die durch mehrere Beschichtungs- und Strukturierungsschritte laufen und am Ende wieder aufgerollt werden. Eine Folienrolle kann so an weiteren Stationen bearbeitet werden, bis alle benötigten Schichten inklusive Verkapselung aufgebracht sind. D. h., gemäß der Rolle-zu-Rolle-Technologie ist ein damit gefertigter Schalter 100, 300 flexibel bzw. biegsam. Entsprechend seiner Flexibilität muss das sichere Kontaktverhalten (off und on) auch beim Biegen gewährleistet sein. Dies lässt sich durch die Strukturierung der beiden Kontaktflächen 102, 104 erreichen.
Insbesondere bei dicken Substraten 112 und/oder 116 ist eine Modifikation dahingehend möglich, dass in einem oder beiden Substraten 112, 116 mittels eines Prägeprozesses Vertiefungen hergestellt werden, die als Aufnahmeraum 108, 110 für das Fluid 106 und als Verbindungskanal 118 der Zwischenräume 108, 110 dienen. Ein derartiger Schalter 600 ist schematisch in 6 gezeigt. Dadurch kann die Zwischenschicht 114 eingespart werden. Die Fertigung der Kontaktflächen 102, 104 wird auf dem geprägten Substrat 116 und/oder 112 wie oben beschrieben durchgeführt. Unebenheiten spielen für den Fertigungsprozess (Kanten-Bedeckung, Fokus der Strukturdefinition/Lithographie) keine einschränkende Rolle.
Ein erfindungsgemäßer Schalter 100, 300, 600 weist typisch eine Fläche von 1–5 cm² auf. Schaltspannungen bis 10 V, Schaltströme bis zu einigen mA, Off-Widerstände von mehr als 100 MOhm und On-Widerstände von weniger als 1 Ohm sind mit dem erfindungsgemäßen Schaltkonzept realisierbar. Damit eröffnen sich mit einem derartigen Schalter auch weitere Chipkarten-relevante Anwendungen. Ein viel diskutiertes Problem im Zusammenhang mit Chipkarten, Smart Labels, Electronic Data Paper, E-Tickets und ähnlichem, ist eine unbefugte Datenkommunikation mit diesen elektronischen Datenträgern. Prinzipiell sind die in den Smart Labels etc. gespeicherten Daten verschlüsselbar. Dies ist aber bei der sehr begrenzten Energiemenge, der sehr preiswerten und damit auch ultimativ kleinen ICs und auch aufgrund der Hacker-Problematik in den meisten Fällen unzureichend. Auswege sind etwa ein Verbringen der Smart Labels in Faraday'sche Käfige (RFID-Blocking Envelope), Abdecken mit Leitfolien und einiges mehr.
Ein weiterer, sehr wirkungsvoller Abschaltmechanismus, insbesondere für eine passive Chipkarte, ist das Abtrennen der Antenne bzw. Antennenspule.
Ein erfindungsgemäßer Schalter 100, 300, 600 kann als Öffner oder Schließer in einen Stromkreis der Antennenspule einer Chipkarte bzw. eines RFID-Labels integriert werden. Ein Benutzer hat dann die Möglichkeit, bei einem gerechtfertigten Lesevorgang die Antenne bewusst zuzuschalten oder sie abzuschalten. Diese bewusste Aktion ermöglicht es, die Chipkarte in einem juristisch einwandfreien Kaufvorgang zu benutzen, weil sie ein unbemerktes Abbuchen durch versteckte Lesegeräte verhindert. Dazu kann auf der Chipkarte beispielsweise eine zusätzliche Bestätigungstaste vorgesehen werden. Eine Anwendung dafür kann beispielsweise der Ticket-Bereich sein. Bei UHF- (Ultra high frequency) oder noch höherfrequenten Labels oder Chipkarten wäre eine Umkehrung des Prinzips (manuelles Kurzschließen des offenen Dipols) eine Möglichkeit, eine unerwünschte Kommunikation zu unterdrücken.
Zusammenfassend kann ein erfindungsgemäßer Schalter 100, 300, 600 durch Substrate bzw. Folien mit gegenüberliegenden Kontaktstrecken 102, 104 realisiert werden, wobei diese durch ein weiteres Substrat 114 bzw. eine Folie mit einer Dicke von ca. 10–50 μm getrennt sind. Die strukturierten Folienschichten 112, 114, 116 können beispielsweise mittels einer Rolle-zu-Rolle-Technologie zusammengeführt und hermetisch abgedichtet werden. Dabei wird ein Arbeitsfluid 106 in ein Fluidreservoir 110 gedrückt, wobei das Fluidreservoir 110 auch als zweite Schaltstruktur, gemäß einem Wechselschalter (siehe 3) fungieren kann. Gemäß Ausführungsbeispielen kann das Fluidreservoir 110 durch das Fluid 106 aufgebläht, d. h. mechanisch vorgespannt sein. Die Verbindung 118 zwischen Reservoir 110 und Zwischenraum 108 wirkt als eine Art Fluidbremse. Gemäß Ausführungsbeispielen kann wenigstens eines der Substrate 112, 116 transparent oder opak ausgebildet sein, wobei die Gegenseite gefärbt ist. Das Fluid 106 ist ein nichtleitendes, organisches Medium, wie beispielsweise Glyzerin oder Öl. Die Elektroden bzw. Kontaktflächen 102, 104 sind gemäß Ausführungsbeispielen aus einem Ferromagnetikum gefertigt und können zumindest teilweise vormagnetisiert sein. Nach der Herstellung können die Elektroden 102, 104 permanentisiert werden. Als Kontaktflächen- bzw. Elektrodenmaterial kommen beispielsweise Nickel, Eisen mit einer Goldoberfläche oder Kobalt in Frage. Um die magnetische Kontaktkraft zu unterstützen, kann das Arbeitsfluid 106 gemäß Ausführungsbeispielen ein Ferro-Fluid sein.
Wird der Schalter 100, 300, 600 als manueller Schalter eingesetzt, so wird das Arbeitsfluid 106 manuell durch mechanische Druckkraft bewegt. Wird das erfindungsgemäße Schalterkonzept bei einem Relais angesetzt, so kann das Arbeitsfluid 106 auch magnetisch bewegt werden, ähnlich wie bei einem Reed-Relais.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Schalters ist ein Taster oder ein verzögerter Taster, beispielsweise für eine Tastatur. Dabei ergibt sich ein verzögertes Schließen der Kontaktflächen durch die Viskosität des Fluids 106. Das Fluid ist in diesem Fall viskositätskompensiert.
Für die Anwendung des Schalters 100, 300, 600 zum Abtrennen einer Spannungsversorgung oder einer Antenne von einer integrierten Schaltung einer Chipkarte ist ein erfindungsgemäßer Schalter beispielsweise mit einer Spule eines 13,56 MHz-Chips in Serie oder parallel geschaltet. Ebenso könnte ein erfindungsgemäßer Schalter mit einem Dipol eines UHF-Chips oder eines EAS-Etiketts (Electronical Article Surveillance) zum elektronischen Diebstahlschutz parallel oder in Serie geschaltet sein.
Natürlich kann eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Schaltern auf einem gemeinsamen Substrat auch als Schaltungs-Array verschaltet sein. Dadurch lassen sich, im Zusammenhang mit Symbolen und äquivalenten graphischen Ausgestaltungen, logische Verknüpfungen zwischen einzelnen Schaltern darstellen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung bzw. einem Schalter beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Verfahrens zum Herstellen eines Schalters darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmal zu einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Ausführungsbeispiele umfassen also auch ein Verfahren zum Herstellen eines Schalters 100, 300, 600. Dazu werden zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen 102, 104 angeordnet, die in einem offenen Zustand des Schalters durch einen mit einem isolierenden Fluid 106 gefüllten Zwischenraum 108 getrennt sind. Ein mit dem Zwischenraum 108 fluidisch verbundenen Fluidreservoirs 110 wird vorgesehen zum Aufnehmen des isolierenden Fluids 106 in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanisches Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen 102, 104 aus dem Zwischenraum 108, wodurch der Schalter von dem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand wechselt, und zum Abgeben des isolierenden Fluids 106 in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanischen Druck auf das Fluidreservoir 110 an den Zwischenraum 108, wodurch der Schalter von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand wechselt, wobei eine Berührung der gegenüberliegenden Kontaktflächen in dem geschlossenen Zustand einen energetisch stabilen Zustand darstellt.
Ein bevorzugter Fertigungsprozess lässt sich wie folgt skizzieren: Substrate 116 und 112 werden mit lateral strukturierten Metallbahnen versehen, die später die beiden Kontaktflächen 102, 104 darstellen. Dies kann nach im wesentlichen aus Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten (PCBs) bekannten Strukturierungsverfahren geschehen. D. h., ganzflächiges Metallisieren, Beschichten mit Fotolack, Fotolithographie, Ätzen und Lack entfernen. Die erwähnte ferromagnetische Schicht kann mittels Elektrolyse oder auch stromlos Galvanisieren (Ionenaustausch) aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Prozessierung mittels Endlos-Prozessen (Rolle-zu-Rolle) durchgeführt. Dies wird durch die Flexibilität des Substrates 116 oder 112 erleichtert. In der Zwischenschicht 114 können durch Schneiden oder Stanzen die Aussparungen 108, 110, 118 erzeugt werden. Das Substrat 116, welches auch beliebig dick sein kann, kann mit der Zwischenschicht 114 zusammengefügt und flächig verklebt (laminiert) werden. Alternativ können die Aussparungen 108, 110, 118 durch Prägen des Substrates 116 erzeugt werden. Nach dem mengenmäßig definierten Befüllen der Struktur mit dem Fluid 106, beispielsweise mittels eines Dispenser-Nadel, kann das Decksubstrat 112 aufgeklebt werden. Danach können einzelne Schalter 100 durch Schneiden oder Stanzen vereinzelt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 7816 [0027]
ISO 7816 [0037]

Claims

Schalter (100; 300, 600), mit: zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104), die in einem offenen Zustand des Schalters durch einen mit einem isolierenden Fluid (106) gefüllten Zwischenraum (108) getrennt sind; und einem mit dem Zwischenraum (108) fluidisch verbundenen Fluidreservoir (110) zum Aufnehmen des isolierenden Fluids (106) in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanisches Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen (102; 104) aus dem Zwischenraum, wodurch der Schalter von dem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand wechselt, und zum Abgeben des isolierenden Fluids (106) in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanischen Druck auf das Fluidreservoir (110) an den Zwischenräumen (108), wodurch der Schalter von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand wechselt, wobei der Schalter derart ausgebildet ist, dass eine Berührung der gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104) in dem geschlossenen Zustand einen energetisch stabilen Zustand darstellt.
Schalter gemäß Anspruch 1, wobei der Schalter durch einen Schichtstapel von Substratschichten (112; 114; 116) gebildet ist, wobei die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104) auf einer obersten (112) und einer untersten Substratschicht (116) des Schichtstapels gebildet sind, und wobei der Zwischenraum (108) und das Flüssigkeitsreservoir (110) durch Aussparungen in einer zwischen der obersten und der untersten Substratschicht angeordneten Substratschicht (114) gebildet werden.
Schalter gemäß Anspruch 1, wobei der Schalter durch einen Schichtstapel von Substratschichten (112; 116) gebildet ist, wobei die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104) auf einer obersten (112) und einer untersten Substratschicht (116) des Schichtstapels gebildet sind, und wobei der Zwischenraum (108) und das Flüssigkeitsreservoir (110) durch eingeprägte Vertiefungen in der obersten und/oder der untersten Substratschicht gebildet werden.
Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104) jeweils streifenförmig ausgebildet sind, wobei sich eine Ausrichtung von benachbarten Streifen der ersten Kontaktfläche (102) von einer Ausrichtung benachbarter Streifen einer zweiten Kontaktfläche (104) der beiden gegenüberliegenden Kontaktflächen unterscheidet.
Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenraum (108) und das Fluidreservoir (110) durch einen Kanal (118) verbunden sind, durch den das Fluid (106) bei mechanischem Druck auf den Zwischenraum (108) oder das Fluidreservoir (110) strömen kann.
Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der zwei weitere gegenüberliegende Kontaktflächen (122; 124) aufweist, die an den gegenüberliegenden Seiten des Fluidreservoirs (110) angebracht sind, so dass sich die zwei weiteren gegenüberliegenden Kontaktflächen (122; 124) in einem geschlossenen Zustand befinden, wenn sich die zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104) in dem offenen Zustand befinden, und umgekehrt.
Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der zumindest teilweise transparent ausgeführt ist, um einen Schaltzustand zu erkennen.
Schalter gemäß Anspruch 7, bei dem das Fluid (106) gefärbt ist, um den Schaltzustand zu erkennen.
Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104) jeweils magnetisches Material aufweisen, um den energetisch stabilen geschlossenen Zustand herzustellen.
Schalter gemäß Anspruch 9, wobei die Kontaktflächen (102; 104) aus einem ferromagnetischen Material gebildet sind.
Schalter gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Kontaktflächen (102; 104) aus Nickel gebildet sind.
Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das isolierende Fluid (106) eine isolierende Flüssigkeit ist.
Schalter gemäß Anspruch 12, wobei die isolierende Flüssigkeit eine magnetische Flüssigkeit ist.
Schalter gemäß Anspruch 13, wobei die magnetische Flüssigkeit eine Suspension von ferromagnetischen Nanoteilchen in Öl aufweist.
Schalter gemäß Anspruch 12, wobei die isolierende Flüssigkeit eine tixotrope Flüssigkeit ist.
Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Dicke von weniger als 100 μm aufweist.
Chipkarte, mit einem Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum Abtrennen einer Spannungsversorgung oder einer Antenne von einer integrierten Schaltung der Chipkarte.
Verfahren zum Herstellen eines Schalters (100; 300, 600), mit folgenden Schritten: Anordnen von zwei gegenüberliegenden Kontaktflächen (102; 104), die in einem offenen Zustand des Schalters durch einen mit einem isolierenden Fluid (106) gefüllten Zwischenraum (108) getrennt sind; und Vorsehen eines mit dem Zwischenraum (108) fluidisch verbundenen Fluidreservoirs (110) zum Aufnehmen des isolierenden Fluids (106) in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanisches Zusammendrücken der beiden Kontaktflächen (102; 104) aus dem Zwischenraum (108), wodurch der Schalter von dem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand wechselt, und zum Abgeben des isolierenden Fluids (106) in einem Fall der Verdrängung desselben durch mechanischen Druck auf das Fluidreservoir (110) an den Zwischenraum (108), wodurch der Schalter von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand wechselt, wobei eine Berührung der gegenüberliegenden Kontaktflächen in dem geschlossenen Zustand einen energetisch stabilen Zustand darstellt.