DE3703666C2 - Mikromechanischer Druckschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Druck­ knopfschalter, in welchem ein auf einem Siliziumchip geschaffener mikromechanischer Druckmeßwertwandler als Schaltelement dient, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Druckschalter werden die verschiedensten herkömm­ lichen mechanischen Druckknöpfe und neuerdings auch elektronische Berührungsknöpfe benutzt. Ein mechani­ scher Druckknopf besteht aus einem Knopf, einer Feder, die die Information des Drückens übermittelt, sowie aus metallischen Kontakten. Der Druckknopf kann entweder als Unterbrecher- oder Schließschalter wirken. Manch­ mal ist mit dem Druckknopf ein Lämpchen verbunden, um den Zustand des Schalters anzuzeigen. Bei diesen Lämp­ chen handelte es sich früher um Glühlämpchen, während heutzutage Leuchtdioden verwendet werden.

Elektronische Berührungsschalter messen üblicherweise die Kapazität zwischen dem Schalter und Erde. Bei einer Änderung dieser Kapazität wird der Schalter getriggert. Schalter dieser Art enthalten keine beweglichen Teile und sind deshalb grundsätzlich zuverlässiger als gleichwertige mechanische Druckschalter.

Der Nachteil mechanischer Druckknöpfe, wie der elektro­ mechanischer Schalter insgesamt besteht in ihrer gerin­ gen Dauerhaftigkeit bei fortgesetzter Benutzung. Außer­ dem erfordern mechanische Druckknopfschalter eine ziem­ lich große Drückbewegung. Die Zuverlässigkeit von Be­ rührungsschaltern wird durch ihre Empfindlichkeit gegen­ über Entladungen statischer Elektrizität beeinträchtigt. So geschieht es häufig, daß ein kapazitiver Berührungs­ knopf in Zimmern, die mit Teppichboden aus Kunstfaser­ material ausgelegt sind, spontan getriggert wird. Außerdem bestehen sowohl mechanische als auch elektroni­ sche Rufknöpfe aus einer Anzahl von Bauelementen, die einzeln zusammengesetzt werden müssen.

Unter Anwendung moderner Mikroschaltungstechniken kön­ nen sehr kleine Druckmeßwertwandler hergestellt werden, bei denen das Erkennen einer Druckänderung auf einer reversiblen Verformung des Materials beruht. Aufnehmer dieser Art sind im Betrieb höchst zuverlässig und ver­ läßlich.

Aus dem Aufsatz von Angell J.B. et al. "Mikromechanik aus Sili­ cium" in Spektrum der Wissenschaft, Juni 1983, S. 38-50, ist ein mikromechanischer Druckfühler auf Siliciumbasis beschrie­ ben, bei dem die elektronische Schaltung, die die Information des Druckfühlers auswertet, auf demselben Silicium-Chip inte­ griert ist. Bei einer Verwendung eines derartigen Druckfühlers in einem Aufzugsystem besteht die Gefahr, daß das Bauteil durch übermäßige Beanspruchung, insbesondere durch Vandalismus, be­ schädigt wird.

Die DE-A 29 12 049 zeigt einen Taschenrechner, bei dem der Chip zur Auswertung der Druckimpulse und die druckempfindliche Foli­ entastatur auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Bei einer derartigen Tastatur ist eine Zerstörung des Drucksensors durch übermäßige Beanspruchung weniger zu befürchten, da die Auswer­ teeinrichtung und die Drucksensoren nicht auf einem einzigen Chip integriert sind. Daher besteht bei einer übermäßigen Bean­ spruchung der Tastatur keine Gefahr der Zerstörung der Auswer­ teeinheit, andererseits ist die Vorrichtung voluminös und auf­ wendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckschalter zu schaffen, der leicht installiert werden kann, der klein und zuverlässig und unempfindlich gegen übermäßige Belastung ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung eines mikrome­ chanischen Schalters auf einem Silizium­ chip, auf dem die nötige elek­ tronische Schaltung integriert ist. Die elektronische Schaltung kann so­ wohl analoge als auch digitale Techniken umfassen und durch eine der bekannten Herstellungstechniken für in­ tegrierte Schaltungen verwirklicht werden (z. B. CMOS).

Der erhaltene integrierte Druckschalter ist klein und zuverlässig und kann gegebenenfalls so intelligent ge­ staltet werden, daß er den Einbau und die Wartungsarbei­ ten erleichtert und die Verwirklichung der Idee dezen­ tralisierter Steuerung ermöglicht. Der Druckknopf gemäß der Erfindung ist nicht empfindlich gegenüber Entla­ dungen statischer Elektrizität und eignet sich beson­ ders gut für die Massenfertigung. Was die Bequemlichkeit bei seiner Benutzung betrifft, so liegt der mikromecha­ nische Druckknopf gleichauf mit dem herkömmlichen Be­ rührungsknopf.

Erfindungsgemäß ist zur Aufnahme des Drucksignals eine elasti­ sche Druckmembran vorgesehen, die die Druckinformation an einen Meßwertwandler überträgt. Unter der Druckmembran ist ein Druck­ begrenzer vorgesehen, der verhindert, daß übermäßig starker Druck den Druckmeßwertwandler aus Silicium erreicht. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße mikromechanische Druckschalter gegen Vandalismus im Aufzugbereich abgesichert werden.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Druckschal­ ters gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Schaltelement aus einem an sich bekannten kondensa­ torartigen, kapazitiven Druckmeßwertwandler mit Vakuum- oder Luftisolierung besteht und in einem Siliziumchip durch Bearbeiten desselben hergestellt ist. Dabei ist mindestens das dünne Kondensatorplättchen, welches sich unter dem Drücken des Schalters biegt, Teil des glei­ chen Siliziumchips, auf dem integriert die elektronische Schaltung vorhanden ist. In diesem Fall beruht also die Arbeitsweise des Schalters auf der Überwachung der Änderung der Kapazität.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Druckschalters gemäß der Erfindung zeichnet sich da­ durch aus, daß das Schaltelement aus einem dünnen, durch Bearbeitung in an sich bekannter Weise in einem Stück Silizium hergestellten Bereich besteht, an des­ sen Rändern oder in der Mitte Fremdatome eingearbeitet wurden, um eine Dehnungsmeßbrücke zu bilden. Der sich unter dem Einfluß des Drückens des Schalters biegende Bereich bildet einen Teil des gleichen Siliziumchips, auf dem integriert die elektronische Schaltung vorhanden ist. Die Arbeitsweise der Dehnungsmeßbrücke kann auf der sogenannten piezoresistiven Erscheinung beruhen, und die Herstellung kann in bekannter Weise durch Eindiffundieren oder Implantieren von Ionen er­ folgen. In diesem Fall verursacht das Drücken des Schal­ ters, daß die Brücke ihren Gleichgewichtszustand aufgibt.

Der Schalter ist besonders gut geeignet zur Verwendung im Zusammenhang mit Aufzügen, bei denen ein Schalter, der auf dem Niveau eines Absatzes angeordnet ist, Rufe von außen verzeichnet und ein Schalter, der im Aufzug­ korb angeordnet ist, Rufe im Innern verzeichnet und beide die Informationen an das Aufzugsteuersystem wei­ tergeben und die den Zustand des Aufzugs anzeigenden Leuchtdioden kontrollieren.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus den Ansprüchen hervor.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaf­ ten Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Aus­ führungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 das Prinzip eines Druckschalters gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 das Prinzip eines Druckschalters gemäß einem wei­ teren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Druckschalters gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß ver­ wirklichten Rufknopfsystems für einen Aufzug;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des Rufknopfsystems gemäß Fig. 4 für die Praxis.

In Fig. 1a ist das Prinzip eines kapazitiven Druckmeß­ wertwandlers gezeigt. In ein Siliziumchip 1 ist ein von zwei Seiten geschwächter Bereich 2 eingearbeitet, der einem von zwei Kondensatorplättchen bildet. Das anderem ähnlich bearbeitete, aber nicht gezeigte oder glatte Kondensatorplättchen 3 ist mit dem zuerst genann­ ten Plättchen so verbunden, daß in dem Zwischenraum 4 zwischen beiden Luft oder ein Vakuum verbleibt. Die Plättchen 1 und 3 aus Silizium sind an der Stelle, an der der Kondensator gebildet ist, mit einer Schicht aus Isoliermaterial 5 isoliert. In dem so geschaffenen Kon­ densator werden die Kondensatorplättchen durch Druck­ änderungen näher zueinander oder weiter voneinander be­ wegt, wodurch sich die Kapazität des Kondensators ändert. In Fig. 1b ist die Ersatzschaltung für diesen Aufbau gezeigt.

Fig. 2a zeigt die Oberflächengestaltung einer piezore­ sistiven Widerstandsbrücke 6. Die Brücke ist auf einer Siliziumscheibe durch Eindiffundieren oder Einpflanzen von Ionen ausgearbeitet. Es ist von Vorteil, am Ort der Widerstandsbrücke 6 in der Siliziumscheibe einen ähnli­ chen geschwächten Bereich wie in Fig. 1a auszuarbeiten. Im Ruhezustand sind alle Widerstände R1-R4 der Brücke gleich. Wenn Druck auf die Siliziumscheibe wirkt, wer­ den in ihr Spannungen und Dehnungen hervorgerufen. In Übereinstimmung mit der piezoresistiven Erscheinung ändern sich dann die Kennwiderstandswerte der Widerstän­ de R1-R4 proportional zu den in ihnen vorhandenen mecha­ nischen Spannungen, wodurch die Widerstandsbrücke ihren Gleichgewichtszustand verliert. Das ist in bekannter Weise meßbar, um das Ausmaß des Drucks festzustellen. Fig. 2b zeigt die Ersatzschaltung für die Widerstands­ brücke 6.

In Fig. 3 ist ein Druckschalter gemäß der Erfindung dargestellt, der eine vordere Tafel 7 aufweist, an der eine elastische Druckmembran 8 befestigt ist. Unter der Druckmembran 8 ist ein Druckbegrenzer 9 vorgesehen, der verhindert, daß übermäßig starker Druck den Druckmeß­ wertwandler aus Silizium erreicht. Ferner ist unter der Membran eine am Druckbegrenzer 9 befestigte Hybrid­ schaltung 10 des Druckschalters befestigt. Der Schalter arbeitet wie folgt. Die Druckinformation wird über die Druckmembran 8 beispielsweise an einen kapazitiven Druckmeßwertwandler aus Silizium übertragen, der in der Hybridschaltung 10 angeordnet ist. Die vom Meßwertwandler gesteuerte Elektronik auf der Schaltungstafel führt dann die nötigen Aufgaben aus, um die Schalterfunktion zu verursachen und die Druckinformation weiterzuleiten, wie im nachfolgenden Beispiel noch näher erläutert wird.

In Fig. 4 ist in Form eines Blockschaltbildes ein Druck­ schaltersystem zur Anwendung bei einem Aufzug darge­ stellt, welches die folgenden hauptsächlichen Bauelemente aufweist: einen kapazitiven oder piezoresistiven Druck­ meßwertwandler 11 aus Silizium, Druckmeßelektronik 12, intelligente Halte- und Kommunikationslogik 13, einen Treiber 14 für Leuchtdioden 15 und eine Schnittstellen­ anpassung 16 für den Aufzug. Eine Druckänderung wird mit Hilfe der Druckmeßelektronik 12 festgestellt.

Die Halteschaltung 13 verzeichnet einen Ruf, und ihre Kommunikationslogikübermittelt die entsprechende Infor­ mation seriell oder parallel durch die Schnittstellen­ anpassung 16 an eine Aufzugsteuerung 17. Diese Steuerung nimmt daraufhin den Ruf an oder weist ihn zurück und überträgt eine Bestätigung zurück durch die Schnitt­ stellenanpassung 16 an die Halte- und Kommunikationslo­ gik 13. Wurde der Ruf von der Aufzugsteuerung angenom­ men, so leuchten auf dem Weg über den Treiber 14 die Leuchtdioden 15 auf. Nach Bedienung des Rufs überträgt die Aufzugsteuerung einen Ruflöschbefehl über die Schnittstellenanpassung 16 an die Halte- und Kommunika­ tionslogik 13.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für die Praxis der Druckschalteranlage gemäß Fig. 4 dargestellt. Die in fig. 5 gezeigte Einheit ist eine Rufknopfstation für einen Aufzug zur Anbringung auf einem Absatz. Sie be­ steht hauptsächlich aus zwei Druckschaltern 18 und zwei Pfeilen 19, welche die Richtung des aufgenommenen Rufs angeben. Die Einheit ist teilweise im Schnitt darge­ stellt, wobei im oberen Teil das äußere Gehäuse der Sta­ tion mit einer Druckmembran 20 des Druckschalters zu se­ hen ist. Unterhalb ist die ganze Druckknopfstation 18 erkennbar, die auf einer Basis 21 aus Keramik angebracht ist. Die Basis kann aber auch aus einer Platte aus einem anderen dauerhaften Spezialwerkstoff, beispielsweise Epoxyharz bestehen. Der Schalter selbst ist mit 22 be­ zeichnet und in seiner Mitte ist der Druckmeßwertwand­ ler 23 zu erkennen. Die auf dem gleichen Stück Silizium wie der Druckmeßwertwandler integrierte Elektronik ist ebenso wenig dargestellt wie der Druckbegrenzer des Schalters. Das aus Leuchtdioden zusammengesetzte Symbol des Pfeils 19 ist ebenso wie der Druckschalter 22 auf der gleichen Basis 21 aus Keramik angebracht. Mit 24 ist ein Speisespannungsfilter bezeichnet, dessen Aufgabe es ist, die dem Schalter zugeführte Spannung von Wel­ ligkeit und Störspitzen zu befreien. Bezugszeichen 25 bezeichnet die Schnittstelle, über die die Rufknopfsta­ tion mit der Aufzugsteuerung in Verbindung steht. Wenn einer der Druckknöpfe 20 betätigt wird, leuchtet der entsprechende Pfeil 19 aus Leuchtdioden auf, nachdem die Aufzugsteuerung zunächst den Ruf angenommen und die entsprechenden Schritte zu seiner Bedienung unternommen hat.

Claims (6)

1. Mikromechanischer Druckschalter, in dem ein auf einem Siliziumchip gebildeter mikromechanischer Druckmeßwertwandler als Schaltelement (2, 3, 6) dient, das zumindest teilweise auf demselben Siliziumchip (1) gebildet ist, auf welchem die elektronische Schaltung (12, 13, 16) integriert ist, die die Schaltinformationen empfängt und auswertet, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckschalter eine vordere Tafel (7) aufweist, an der eine elastische Druckmembran (8) befestigt ist, und
daß unter der Druckmembran (8) ein Druckbegrenzer (9) vorgesehen ist, der verhindert, daß der Druckmeßwertwandler mit übermäßig starkem Druck beaufschlagt wird.

2. Druckschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckmeßwertwandler in einer Hybridschaltung (10) angeordnet ist, und
daß die Hybridschaltung (10) am Druckbegrenzer (9) befestigt ist.

3. Druckschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das das Schaltelement (23) und die elektronische Schaltung (12, 13, 16) ent­ haltende Siliziumchip auf einer geeigneten Basis, z. B. einer Platte (21) aus Keramik oder Epoxyharz befestigt ist, an dem auch Leuchtdioden (19) angebracht sind, wel­ che den Zustand des Schalters anzeigen, und daß der Druckschalter als eine einzige, die genannten Bauele­ mente aufweisende Einheit ausgebildet ist.

4. Druckschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter zum Aufzeichnen der Außenrufe eines Aufzugs auf Absätzen und zum Aufzeichnen der Innenrufe in einem Aufzugkorb und zur Eingabe der Rufe in die Aufzugsteuerung ge­ staltet ist.

5. Druckschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalt­ element aus einem an sich bekannten kondensatorartigen, kapazitiven Druckmeßwertwandler mit Vakuum- oder Luft­ isolierung besteht, der in das Stück Silizium eingear­ beitet ist, und in dem mindestens das sich unter der Wirkung des Drückens des Schalters biegende dünne Kon­ densatorplättchen (2) Teil des gleichen Siliziumchips (1) ist, auf welchem die Elektronik (12, 13, 16) inte­ griert ist.

6. Druckschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalt­ element aus einem dünnen Bereich besteht, der in be­ kannter Weise in dem Stück Silizium ausgearbeitet ist, und an dessen Rändern oder in dessen Mitte Fremdatome zur Schaffung einer Dehnungsmeßbrücke (6) eingearbeitet sind, und daß der sich unter der Wirkung des Schalter­ drückens biegende Bereich Teil des gleichen Silizium­ chips (1) ist, auf dem die Elektronik (12, 13, 16) inte­ griert ist.