DE69326381T2

DE69326381T2 - Innerlich verbundene dreidimensionelle Schaltungsstruktur höherer Dichte

Info

Publication number: DE69326381T2
Application number: DE69326381T
Authority: DE
Inventors: Stephen Jacobsen
Original assignee: Sarcos Group
Current assignee: Sterling Investments LC
Priority date: 1992-04-21
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2013-04-21
Also published as: ATE184730T1; EP0571756A2; EP0571756B1; EP0571756A3; DE69326381D1; CA2094234A1; CA2094234C; JPH06342991A; US5270485A

Description

Diese Erfindung betrifft ein System zur Konstruktion integrierter Schaltungen auf einer Mehrzahl, dreidimensionaler Gegenstände und zur Anordnung der Gegenstände derart, daß die Schaltungen selektiv miteinander gekoppelt werden können und alles dies in einer Ausgestaltung hoher Dichte.
Das Packen von Schaltungsbauteile mit hoher Dichte auf einer ebenen Leiterplatte oder einem Chip ist heute allgemeine Praxis. Solche Leiterplatten oder Chips können auf verschiedene Weise unter Einschluß der Verwendung lithographischer Techniken gebildet werden, was die genaue Herstellung und Bildung sehr kleiner Einzelheiten auf der Leiterplatte oder dem Chip erlaubt. Jedoch sind solche lithographischen Techniken in der Vergangenheit allgemein durch die Bildung von Schaltungsstrukturen auf ebenen Flächen, wie sie auf Karten oder Chips gefunden werden, begrenzt gewesen.
Mit der obigen herkömmlichen Methode, Schaltungen zu konstruieren, um das Schaltkreisvolumen in bezug auf die Menge der Bauteile zu erhöhen, ist es typische Praxis gewesen, Leiterkarten oder Chips in Stapeln übereinander anzuordnen, und dann die Schaltungen unterschiedlicher Karten, sowie die Schaltungen auf der gleichen Karte miteinander zu verbinden. Vergleiche z. B. die Patente der Vereinigten Staaten Nr. 4,771,366, 5,016,138, 5,006,925 und 4,884,167. Wie es zumindest in einigen dieser genannten Patente angegeben ist, ist es, da die Anzahl und Dichte der Bauteile auf einer Schaltungskarte zugenommen hat und da die Anzahl der Karten zunimmt, schwieriger geworden, wirksame Verbindungen, insbesondere zwischen den Karten, herzustellen. Auch wird bei der erhöhten Dichte die Erwärmung ein größeres Problem, und es müssen Möglichkeiten zum Kühlen der Schaltungen gefunden werden, um einen genauen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Wie es in einer Anzahl der oben genannten Patente angegeben ist, gibt es verschiedene Methoden, die verlangte Kühlung bei Stapeln von Schaltungskarten bereitzustellen, wobei aber solche Methoden typischerweise mühsam sind, komplizierte Konstruktionen verlangen und eine begrenzte Wirksamkeit haben.
Eine jüngere Entwicklung der Schaltungskonstruktion ermöglicht die Herstellung von Schaltungen auf dreidimensionalen Gegenständen, wie Zylindern, wie es in dem nachveröffentlichten US-A-5 269 882 beschrieben ist. Nun können statt lediglich der Bereitstellung von Schaltungen auf allgemein flachen Schaltungskarten und Chips, was die Dichte elektrischer Bauteile, die in einem gewissen Volumen vorgesehen werden können, sowie die Verbindbarkeit von Bauteilen beschränkt, die sich auf unterschiedlichen Karten oder Chips befinden, Schaltungsstrukturen vorgesehen werden, in denen elektrische Bauteile um einen vollständig dreidimensionalen Träger herum angeordnet werden können, um eine erhöhte Dichte der Bauteile für ein gewisses Volumen und eine größere Zugänglichkeit der Bauteile zu ermöglichen, um diese Bauteile mit Bauteile auf anderen Trägern zu verbinden.
Eine dreidimensionale, elektrische Schaltungsstruktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 27, Nr. 9, Februar 1985, Seiten 5286-5287 bekannt.
Es ist eine Zielsetzung der Erfindung, eine dreidimensionale, elektrische Schaltungsstruktur zu schaffen, die eine Packung hoher Dichte von elektrischen Bauteile erlaubt.
Es ist eine weitere Zielsetzung der Erfindung, eine solche Struktur zu schaffen, wobei dreidimensionale Hauptträger zum Halten elektrischer Bauteile verwendet werden, bei denen die Bauteile ohne weiteres miteinander verbunden werden können, sowohl auf dem selben Träger als auch zwischen den Trägern.
Es ist eine weitere Zielsetzung der Erfindung, eine solche Struktur zu schaffen, die eine Mehrzahl dreidimensionaler Träger aufweist, wobei die einzelnen Träger ohne weiteres entfernt und durch andere Träger ersetzt werden können, während die erwünschte Verbindung der elektrischen Bauteile zwischen den Substraten beibehalten wird.
Es ist eine weitere Zielsetzung der Erfindung, eine solche Struktur zu schaffen, bei der Hauptsubstrate gebildet werden, um sie in große Nähe zueinander zu verschachteln oder zu stapeln.
Es ist auch eine Zielsetzung der Erfindung, eine Struktur zu schaffen, die ausgebildet sein kann, elektronische Systeme, wie Anzeigesysteme und Ähnliches, zu schaffen.
Diese Zielsetzungen werden durch eine dreidimensionale Schaltungsstruktur mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 erreicht.
Besondere Ausführungsformen sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung sind die elektrischen Leiter der länglichen, stabartigen Träger als Muster ausgebildet, so daß, wenn die Träger miteinander in Berührung angeordnet werden, wie nebeneinander und parallel, elektrische Leiter auf jedem Träger einen elektrischen Kontakt mit elektrischen Leitern zumindest eines anderen Trägers herstellen, um die Übertragung elektrischer Signale dazwischen zu ermöglichen.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung sind Kanäle, um ein Kühlfluid zu führen, in den länglichen Trägerkörpern parallel zu deren Längsachse oder zwischen den länglichen, stabartigen Trägern gebildet, wenn die Träger in einer berührenden Ausgestaltung nebeneinander und parallel zueinander angeordnet oder gebündelt sind.
Die länglichen, stabartigen Träger können eine Vielzahl Querschnitte aufweisen, wie einen kreisförmigen, ovalen, dreieckigen, rechteckigen, sechseckigen, usw., wie es erwünscht sein mag, um die Schaltung zu tragen und elektrischen Leitern an einem Träger zu ermöglichen, ausgewählte, elektrische Leiter an den anderen Trägern zu berühren, wenn die Träger gebündelt oder zusammen angeordnet sind.
Bei der beschriebenen Ausgestaltung und Struktur kann eine Blockbaumethode zur Konstruktion von Schaltungen eingesetzt werden, bei der Träger bspw. ohne weiteres der Gesamtzusammensetzung hinzugefügt oder von ihr entfernt werden können, um einen Speicher, hinzuzufügen oder zu entfernen, Rechenleistung hinzuzufügen oder zu entfernen, usw.. Dies könnte ausgeführt werden, indem zusätzliche Träger einem Bündel hinzugefügt werden, Träger entfernt werden und diese durch andere Träger ersetzt werden, usw., wobei eine elektrische Verbindung mit hinzugefügten Trägern durch Kontakt von Oberflächenleitern ausgeführt wird. Auch können ausgewählte Verbindungen zwischen Trägern erhalten werden, indem die Träger in dem Bündel relativ zueinander richtig positioniert werden, wie durch Drehen eines Trägers und/oder durch dessen Bewegung in Längsrichtung relativ zu den anderen Trägern.
Die obigen und andere Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden, ausführlichen Beschreibung offensichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgelegt wird, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Schaltungsstruktur hoher Dichte ist, die aus einer Mehrzahl zylinderförmiger Träger, die zusammen in Kontakt mit benachbarten Substraten angeordnet sind, entsprechend den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt ist;
Fig. 2A und 2B eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht einer Schaltungsstruktur sind, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt und aus einer Mehrzahl zylindrischer Träger zusammengesetzt ist;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Schaltungsstruktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der längliche Träger mit einem dreieckigen Querschnittsbereich gebildet sind, damit sie zusammen verschachtelt oder gestapelt werden können, wie es gezeigt ist;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Schaltungsstruktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der längliche Träger mit einem sechseckigen Querschnittsbereich gebildet sind, damit sie zusammen verschachtelt oder gestapelt werden können, wie es gezeigt ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Schaltungsstruktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der längliche Träger mit einem rechteckigen Quer schnittsbereich gebildet sind, damit sie zusammen verschachtelt oder gestapelt werden können, wie es gezeigt ist;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Schaltungsstruktur der vorliegenden Erfindung ist, bei der längliche Träger mit einem achteckigen Querschnittsbereich gebildet sind, damit sie zusammen verschachtelt oder gestapelt werden können, wie es gezeigt ist;
Fig. 7a und 7B jeweils eine perspektivische Ansicht einer Schaltungsstruktur sind, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, wobei zylindrischer Träger in ihrer Lage durch Verbindungs- und Halteelemente gehalten sind, bzw. eine Endansicht einer anderen Ausführungsform der Verbindungs- und Halteelemente;
Fig. 8 eine seitliche Teilquerschnittsansicht einer Schaltungsstruktur ist, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, wobei ein Element in ein anderes Element gesteckt ist;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Schaltungsstruktur ist, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung zweckmäßig ist und eine Schaltungsanordnung auf zwei zylindrischen Trägern zeigt, die zur Signalübertragung zwischen ihnen entweder durch Licht, ein elektrisches Feld oder Funksignale gekoppelt sind;
Fig. 10 eine Seitenansicht eines Paars zylindrischer Träger ist, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung zweckmäßig ist und auf einem Träger eine Sensorschaltung und auf dem anderen Träger eine Senderschaltung enthält.
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer Mehrfachanordnung von Substraten ist, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung zweckmäßig und geeig net ist, entweder eine optische Anzeige oder die Erfassung optischer Bilder herzustellen; und
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer anderen Mehrfachanordnung zur Erzeugung einer optischen Anzeigeeinheit ist, die zum Verständnis der Erfindung zweckmäßig ist.
Die Strukturen in den Fig. 9-12 bilden keinen Teil der Erfindung.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung sind besondere Ausführungsformen und zweckmäßige Anwendungen der Erfindung beschrieben.
Bezugnehmend auf Fig. 1 ist dort eine beispielhafte Ausführungsform einer dreidimensionalen, gekoppelten Schaltungsstruktur gezeigt, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Diese Struktur umfaßt eine Mehrzahl Zylinder 4, die z. B. aus einem Isoliermaterial, wie Quarz, Silica, Saphir, usw. hergestellt sind, wobei einige der Zylinder axial angeordnete Bohrungen oder Löcher 6 enthalten. Auf den Zylindern 4 sind verschiedene, integrierte Schaltungsbauteile 8 hergestellt, z. B. unter Verwendung einer nichtplanaren Belichtungsstrahllithographie, wie es in dem vorgenannten US-A-5 269 882 beschrieben ist. Eine solche Lithographie ermöglicht die Bildung verschiedener, integrierter Schaltungen auf der Oberfläche dreidimensionaler Gegenstände und Körper, die sonst herkömmlicherweise auf ebenen Platten, Chips oder Karten gebildet werden. Die besondere Art der integrierten Schaltungsbauteile ist kein Teil der vorliegenden Erfindung, und solche Bauteile könnten sowohl aktive als auch passive elektrische Bauteile sein, wie im ersteren Fall Transistoren, Dioden, Halbleiter, usw., und im letzteren Fall Widerstände, Kondensatoren, Induktoren, usw.. Diese Bauteile wiederum könnten in Schaltungen hergestellt werden, wie Verstärkern, Stromversorgungen, Modulatoren und Demodulatoren, usw..
Die Schaltungsbauteile 8 sind mit elektrischen Leitern oder Zuführungen 12 gekoppelt, die so gebildet sind, daß sie sich in Längsrichtung der Oberfläche der Zylinder und auch umfangsmäßig dort herum fortsetzen, wie es gezeigt ist. Die Leiter auf jedem Zylinder 4 sind so gebildet und angeordnet, daß sie selektiv einen elektrischen Kontakt mit Leitern auf benachbarten Zylindern herstellen, mit denen jeder Zylinder in Berührung ist. Somit können Längsleiter mit Schaltungsbauteilen 8 gekoppelt werden, damit sie sich eine Strecke in Längsrichtung von dem Bauteil fortsetzen, damit sie einen Ring oder einen Umfangsleiter auf einem benachbarten Zylinder berühren, wenn die zwei Zylinder nebeneinander angeordnet sind. Alternativ können die Längsleiter einfach angeordnet werden, damit sie mit Ringleitern verbunden sind, die den Zylinder umgeben, wobei die Ringleiter wiederum selektiv Ringleiter benachbarter Zylinder berühren. Auf diese Weise können elektrische Signale nicht nur zwischen Schaltungsbauteilen 8 auf demselben Zylinder, sondern auch zwischen Schaltungsbauteilen übertragen werden, die sich auf unterschiedlichen Zylindern befinden. Des weiteren könnten die Zylinder 4 und die Leiter 12 angeordnet werden, damit elektrische Signale von Schaltungsbauteilen 8 auf einem gewissen Zylinder über Leiter eines benachbarten Zylinders zu Schaltungsbauteile übertragen werden, die sich auf einem nichtbenachbarten Zylinder befinden.
Wegen der mit der Struktur der Fig. 1 erreichbaren Schaltungsbauteiledichte kann es notwendig sein, eine Kühlung der Schaltungsbauteile vorzusehen, und dies ist erreichbar, indem entweder ein Kühlfluid durch die zwischen den Zylindern gebildeten Zwischenräume gelenkt wird, wenn die Zylinder zusammengestapelt sind, oder durch die Hohlräume 6, die in den Zylindern gebildet sind. Ein solches Kühlfluid würde auf ein Ende, einen Einlaßverteiler (nicht gezeigt), und durch entweder die Zwischenräume oder Hohlräume 6 zu einem Ende hindurch, einem Auslaßverteiler 20, angewendet. Die Verwendung eines solchen Kühlfluids wäre, eine geeignete Temperatur für die Schaltungsstruktur und die Packung beizubehalten, um einen richtigen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.
Die Fig. 2A bzw. 2B zeigen eine Seitenansicht und eine Endansicht einer Mehrzahl zylindrischer Träger 24, wobei auf zwei von ihnen schraubenförmige Leiter 28 gebildet sind, einer von ihnen mit Schaltungsbauteilen 32 verbunden ist, und einer von ihnen mit Ring- oder Umfangsleitern 36 gebildet ist. Bei der in Fig. 2A gezeigten Ausbildung sind die zwei schraubenförmigen Leiter 28 auf den zwei Zylindern 24 so angeordnet, daß sie einen Kontakt zwischen Zylindern herstellen und die Übertragung elektrischer Signale von den Bauteilen 32 eines Zylinders zu den Bauteilen 32 auf dem anderen Zylinder ermöglichen. Dies ist auch in Fig. 2B durch die Punkte zwischen den Zylindern darge stellt. Ähnlich sind die Ringleiter 36 so gebildet, daß sie eine Berührung mit zumindest einigen der schraubenförmigen Leiter 28 auf dem benachbarten Zylinder herstellen.
Wie man in Fig. 2A erkennen kann, würde die Drehung von einem oder mehreren Zylindern 24 ergeben, daß sich die Leiter 28 und 36 möglicherweise miteinander außer Kontakt bewegen. Auch würde möglicherweise, einen oder mehrere der Zylinder 24 in Längsrichtung zu bewegen, die Leiter 28 und 36 miteinander außer Kontakt bewegen. Natürlich stellt dies einfach dar, daß bei geeigneter Drehung und/oder Längsbewegung und Positionierung der Zylinder geeignete Verbindungen zwischen den Zylindern ausgeführt werden können.
Es ist aus den Fig. 1, 2A und 2B auch offensichtlich, daß zusätzliche Schaltungsmittel dem bestehenden Bündel von Zylindern hinzugefügt und auf ihm und den Schaltungen aufgebaut (oder entfernt) werden können, indem geeignete zusätzliche Zylinder mit Schaltungsmitteln mit dem bestehenden Bündel in Berührung gebracht wird. Wenn bspw. zusätzlicher Speicher einem Bündel von Zylindern hinzugefügt werden soll, dann würde ein Zylinder mit einem solchen zusätzlichen Speicher in Berührung mit den geeigneten, bestehenden Zylindern in dem Bündel angeordnet.
Die Anordnung von Leitern auf den zylindrischen Trägern in Fig. 1, 2A und 2B dient der Erläuterung, daß eine Vielzahl Leiterausbildungen vorgesehen werden könnte, um sowohl Schaltungsbauteile auf dem selben zylindrischen Träger als auch Schaltungsbauteile auf unterschiedlichen zylindrischen Trägern zu verbinden.
Die Fig. 3-6 zeigen perspektivische Ansichten länglicher Träger mit alternativen Querschnitten, um alternative Möglichkeiten zur Stapelung der Träger zu gestatten. Es sind keine Schaltungsbauteile oder Leiter auf den länglichen Trägern der Fig. 3-6 gezeigt, wären aber in der gleichen Weise so gebildet, wie es für die zylindrischen Träger der Fig. 1 und 2 gemäß dem Verfahren der vorgenannten, anhängigen Patentanmeldung gemacht wird.
Fig. 3 zeigt längliche Träger mit dreieckigen Querschnitten und mittig angeordneten Bohrungen 40, die sich über die Länge der Träger zur Führung eines Kühlfluids erstrec ken. Bei dieser Ausgestaltung umfaßt jeder Träger flache Abschnitte (Seitenwände) 44, von denen zumindest einige an jedem Träger einen Kontakt mit den flachen Abschnitten anderer Träger herstellen.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht von vier länglichen Trägern 48 mit mittig angeordneten Bohrungen 52, die sich über deren Länge zur Führung eines Kühlfluids erstrecken. Bei der sechseckigen Querschnittsausgestaltung können die Träger 48 mit den flachen Seitenwänden gestapelt oder verschachtelt werden, wobei sie eine enge Berührung mit den Seitenwänden benachbarter Träger herstellen.
Fig. 5 zeigt längliche Träger 56 mit rechteckigen (quadratischen) Querschnitten, wiederum mit mittig angeordneten Bohrungen oder Hohlräumen 60, die sich über deren Länge erstrecken.
Schließlich zeigt Fig. 6 einen länglichen Träger 64 mit achteckigem Querschnitt, ebenfalls mit mittig angeordneter Bohrung 68 und des weiteren mit einem Zwischenraum oder einer Öffnung, die sich mittig der vier Träger 64 befindet, die auch zur Führung eines Kühlfluids verwendet werden könnte. Natürlich könnten andere Trägerformen vorgesehen werden, um das Zusammenstapeln der Träger zur Packung hoher Dichte von Schaltungsbauteilen mit der Möglichkeit eines elektrischen Signalaustausches zwischen den Trägern zu ermöglichen.
Fig. 7A ist eine perspektivische Ansicht, die vier zylindrische Träger 76 zeigt, die in einer verschachtelten Beziehung durch ein Gitter von Stäben 80 gehalten sind. Die Stäbe 80 sind vorteilhafterweise aus einem elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt, damit sie auch dazu dienen, einen Kontakt mit Leitern 84 auf den Zylindern 76 herzustellen, damit elektrische Signale geführt und Verbindungen zwischen den Zylindern bereitgestellt werden. Die Stangen sind als eine Gruppe 80a voneinander beabstandeter, allgemein paralleler Stangen gebildet, die in einer Ebene angeordnet sind, und von einer anderen Gruppe 80b voneinander beabstandeter, allgemein paralleler Stangen, die in einer Ebene nahe der und im wesentlichen parallel zu der ersten Ebene angeordnet sind, so daß die eine Gruppe 80a die andere 80b unter einem spitzen oder rechten Winkel schneidet, um rechteckige Öffnungen 88 in dem Gitter zu definieren, von denen jede einen ver schiedenen der Zylinder 76 aufnimmt und hält. Die Stäbe 80 sind zur Seite elastisch, so daß sie sich biegen, damit sie das Aufnehmen und Halten der Zylinder ermöglichen und einen elektrischen Kontakt mit Leitern 84 auf den Zylindern ermöglichen. Natürlich könnte mehr als ein Gitter verwendet werden, die Zylinder besser zu halten und zu tragen. Zum Beispiel könnte ein solches Gitter an dem Ende der Zylinder 46 vorgesehen sein, das demjenigen gegenüberliegt, an dem sich die Gitterstäbe 80 befinden.
Fig. 7B zeigt ein Endansicht einer alternativen Anordnung zum Halten von zylindrischen Trägern mit einem Gitter. Bei dieser Anordnung werden drei parallele Gruppen von Stäben 91 verwendet, dreieckige Öffnungen 92 zu bilden, um die Zylinder zu halten. Die Gitterstäbe 91 würden, wie bei der Anordnung der Fig. 7A, sowohl eine Halterung als auch eine elektrische Verbindung zwischen den Zylindern schaffen.
Fig. 8 zeigt eine seitliche Teilquerschnittsansicht eines allgemein zylinderförmigen Trägers 94, der in einer Öffnung 96 eines zylinderförmigen Trägers 100 entfernbar angeordnet ist. Schaltungsbauteile sind auf der Außenseite des Trägers 94 angeordnet und umfassen ein Paar Sensoren 104, die z. B. geeignet sind, chemische Stoffe (eine chemische Verbindung, der die Sensoren ausgesetzt sind), Wärme, Licht, elektrische Felder, usw. zu erfassen. Die besondere Konstruktion solcher Sensoren 104 ist kein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sondern vielmehr die Art der Anordnung der Sensoren auf einem länglichen Träger, der herausnehmbar in den Hohlraum eines zweiten Trägers eingesetzt werden kann, um den Austausch elektrischer Signale dazwischen zu gestatten. Die Sensoren 104 sind mit einer Verarbeitungsschaltung 108 verbunden, die z. B. Signale verarbeiten könnte, die von den Sensoren 104 erhalten werden, um jene zur Übertragung auf Leiter 112, die auch auf dem Träger 94 gebildet sind, zu verstärken, zu formen, usw.. Die Leiter 112 wiederum sind mit Ringleitern 16 gekoppelt, die das Ende der Träger 94 in Gegenüberlage zu dem Ende umlaufen, an dem sich die Sensoren 104 befinden. Wenn der Träger 94 in den Träger 100 eingeführt ist, bilden die Ringleiter 116 Kontakt mit einer zweiten Gruppe Ringleiter 120, die auf der Innenwand des Hohlraum 96 gebildet sind und den Hohlraum umlaufen. Diese Ringleiter 120 wiederum sind mit Leitern 124 gekoppelt, die sich durch den Hohlraum zu einer Anwendungsschaltung (nicht gezeigt) erstrecken, wie z. B. einer Anzeigeeinrichtung, um einen Wert anzuzeigen, der den durch die Sensoren 104 erfaßten Parameter darstellt.
Bei der Ausgestaltung der Fig. 4 könnten verschiedene Sensorträger vorgesehen werden, so daß, wenn ein bestimmter physikalischer Parameter erfaßt werden soll, ein geeigneter Sensorträger in das Ende des Trägers 100 eingesteckt werden könnte, so daß die Ringleiter 116 einen Kontakt mit den Ringleitern 120 herstellen und der Erfassungsvorgang dann ablaufen könnte. Wenn es erwünscht ist, einen verschiedenen physikalischen Parameter zu erfassen oder zu bestimmen, dann könnte der geeignete Erfassungsträger 92 für diesen physikalischen Parameter ausgewählt und in den Träger 100 eingesteckt werden, wie es früher beschrieben wurde. Obgleich die Träger 94 und 100 gezeigt sind, als daß sie ziemlich groß in Fig. 8 sind, könnten unter Verwendung der nichtplanaren Lithographie, die in der vorhergehend genannten, mitanhängigen Patentanmeldung beschrieben ist, sehr kleine, feingegliederte Schaltungsbauteile auf sehr kleinen Trägern mit z. B. einem Durchmesser bis herab zu 100 Mikron gebildet werden.
Fig. 9, die zum Verständnis der Erfindung zweckmäßig ist zeigt ein Paar zylindrischer Träger 130 und 132, die voneinander beabstandet aber parallel zueinander angeordnet sind. Wiederum ist eine elektrische Schaltung auf der Außenfläche von jedem Träger gebildet, um in diesem Fall Elemente einzuschließen, die eine Signalübertragung zwischen den Trägern mittels Licht, kapazitiver Kopplung oder HF-Signalen erlauben. In dem Fall der Lichtkopplung wäre das Element 136 auf dem Träger 132 bspw. ein Lichtsender, wie eine Photodiode, und ein Element 140 auf dem Träger 130 wäre ein Lichtempfänger, wie eine Photozelle. Dann würde, wenn Signale von dem Träger 132 zu dem Träger 130 gebracht werden sollen, das lichtaussendende Element 136 erregt werden, ein Lichtsignal zu erzeugen, das von dem Lichtempfangselement 140 empfangen würde, das ein Signal erzeugen würde, das das Lichtsignal darstellt, das z. B. zur Übertragung zu einem Schaltungsbauteil 144 erhalten wurde.
In dem Fall kapazitiver, elektrischer Feldkopplung könnte das Element 136 auf dem Träger 132 einfach ein Kondensatorbelag sein, wie es das Element 140 auf dem Träger 130 wäre. Dann würde, wenn elektrische Ladungen dem Element 136 zugeführt werden, um ein zu dem Element 140 gerichtetes, elektrisches Feld zu erzeugen, das Element 140 entsprechende Ladungen und somit Signale erzeugen, die die Intensität des elektrischen Feldes darstellen. Diese Information wiederum würde zu dem Schaltungs bauteil 144 z. B. zur weiteren Verarbeitung übergeben. Alternativ zu dem sich ändernden elektrischen Feld, das zwischen den Kondensatorbelägen 136 und 140 erzeugt wird, könnte ein dielektrisches Medium, das durch Pfeile 146 wiedergegeben ist, zwischen den Platten 136 und 140 vorgesehen sein, und dann könnte die dielektrische Konstante so geändert werden, daß sie die von der Platte 140 erfaßte elektrische Feldstärke ändert. Eine Änderung der dielektrischen Konstante würde ausgeführt werden, indem einfach die Zusammensetzung des dielektrischen Mediums geändert wird, wenn es zwischen die Platten 136 und 140 bewegt wird.
Zur HF-Signalübertragung zwischen den Trägern 130 und 132 wäre das Element 136 ausgebildet, eine Sendeantenne zu sein, und das Element 140 wäre gebildet, eine Empfangsantenne zu sein, und dann wäre die Schaltung auf den Träger 132 ausgebildet, eine HF-Signalübertragungsschaltung zu umfassen, und die Schaltung auf den Träger 130 wäre gebildet, eine HF-Signalempfangsschaltung zu umfassen.
Natürlich könnten zusätzliche Träger, die in einer Mehrfachanordnung gebildet sind, mit den zwei Trägern 130 und 132 ebenfalls vorgesehen werden, damit eine Kommunikation zwischen einer großen Anzahl Träger ermöglicht wird.
Die zylindrischen Träger 130 und 132 der Fig. 9 könnten z. B. aus optischen Fasersträngen, aus Quarz, Silica, Saphir, usw. gebildet sein. Lieht, das durch die Pfeile 148 angegeben ist, könnte den optischen Fasersträngen 130 und 132 zugeführt und durch die übertragen werden, und die Stränge könnten auf ihnen gebildete Lichterfassungselemente, wie Photozellen, aufweisen, um die Lichtintensität aufzunehmen oder zu erfassen, die durch den Strang übertragen wird. Signale, die diese erfaßte Intensität darstellen, könnte anderen Schaltungen, die auf den Strängen gebildet sind, geliefert und durch sie verarbeitet werden, wie es erwünscht ist.
Aus der obigen Beschreibung der Fig. 9 kann man sehen, daß die Signalübertragung zwischen Trägern in vielfältiger Weise durchgeführt werden kann, auch ohne daß sich die Träger miteinander berühren, und auch, daß Signale entlang der, d. h., innerhalb der Träger durch die Verwendung von Licht übertragen werden können.
Fig. 10, die zum Verständnis der Erfindung zweckmäßig ist, ist eine Seitenansicht eines Paars von zylindrischen Trägern 154 und 158, von denen einer (Träger 154) zur Erfassung eines physikalischen Parameters angepaßt ist, und der andere (Träger 158) zum Aussenden eines Signals angepaßt ist, das den Wert des durch den ersten Träger erfaßten Parameters kennzeichnet. Eine Schaltungsanordnung ist auf beiden Trägern in einer bereits beschriebenen Weise gebildet, um die entsprechenden Funktionen der Träger auszuführen. Eine Kommunikation zwischen dem Träger 154 und dem Träger 158 kann durch eine elektromagnetische Signalübertragung, wie ein Licht- oder HF- Signal erhalten werden.
Die Sensorschaltungsanordnung auf den Träger 154, an dessen linken Ende in Fig. 10, kann bspw. eine Schaltungsanordnung zur Erfassung verschiedener chemischer Stoffe sein, wie es in dem US Patent Nr. BI 4,020,830 beschrieben ist, eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Lichtintensität, wie durch eine Photozelle, eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Temperatur eines Fluids, dem der Träger 154 ausgesetzt ist, usw.. Signale, die durch die Erfassungsschaltung erzeugt werden und den Wert des erfaßten physikalischen Parameters darstellen, würden durch eine andere Schaltungsanordnung auf dem Träger 154 verarbeitet, und dann würden Signale, die wiederum den Wert des erfaßten physikalischen Parameters darstellen, durch den Träger 154 zu dem Träger 158 übertragen, wie es vorhergehend erwähnt wurde. Eine Schaltungsanordnung auf dem Substrat 158 würde diese übertragenen Signale erhalten und ihrerseits die Signalerzeugung zur Ausgabe nach außerhalb des Trägers hervorrufen oder bewirken, wie Lichtsignale oder HF-Signale, die den Wert des erfaßten physikalischen Parameters angeben.
Die Anordnung entsprechend Fig. 10 zeigt einfach, wie ein Wandler zur Erfassung oder Bestimmung physikalischer Parameter konstruiert werden kann und dann ein Signal aussendet, das den Wert des erfaßten Parameters darstellt. Natürlich könnte eine Kommunikation zwischen den Trägern 154 und 158 einfach dadurch erfolgen, daß die zwei Träger durch einen elektrischen Leiter statt der berührungsfreien Kommunikation verbunden sind, die früher beschrieben wurde.
Die Fig. 11 und 12 sind perspektivische Ansichten von Mehrfachanordnungen von Trägern, die zur Erzeugung optischer Anzeigen geeignet und zum Verständnis der Erfindung zweckmäßig sind. Fig. 11 zeigt eine Mehrzahl zylindrischer Träger 164, die parallel in einem Stapel angeordnet sind und eine allgemein ebene Vorderfläche darstellen. Auf der Vorderfläche der Träger 164 sind lichtaussendende Elemente 168 gebildet, wie Leuchtdioden oder ähnliches. Auf der Rückseite der Träger 164 (in Fig. 11 nicht zu sehen) ist eine Mehrzahl Elementtreiberschaltungen angeordnet, von denen jede mit einem entsprechenden der Elemente 168 und mit einem horizontalen Leiter der Leiter 172 und einem vertikalen Leiter der Leiter 176 verbunden ist. Somit gibt es insgesamt sieben (Spalten) · neun (Reihen) lichtaussendender Elemente, und die gleiche Anzahl Treiberschaltungen, die mit den entsprechenden lichtaussendenden Elementen verbunden sind.
Optische Anzeigen werden erzeugt, indem elektrische Signale (von einer Signalquelle 180) ausgewählten horizontalen Leitern 172 und vertikalen Leitern 176 zugeführt werden, so daß jede Schaltung auf der Rückseite der Träger 164, die mit einem horizontalen Leiter und einem vertikalen Leiter verbunden ist, die beide ein elektrisches Signal erhalten, ein entsprechendes lichtaussendendes Element 168 erregen. Die Schaltungen auf der Rückseite des Trägers könnten eine einfache Logik mit UND-Gliedern verwenden, um zu bestimmen, wenn ein horizontaler und ein vertikaler Leiter, mit denen sie verbunden sind, elektrische Signale erhalten. Auf diese Weise können verschiedene optische Muster auf der optischen Anzeigestruktur der Fig. 11 erzeugt werden.
Die Struktur der Fig. 11 könnte auch angepaßt werden, eine optische Erfassung von Lichtmustern zu ermöglichen, indem Lichterfassungselemente, wie Photozellen, statt der lichtaussendenden Elemente 168 vorgesehen werden. Dann würden, wenn die Vorderfläche des Stapels von Trägern 164 einem bestimmten Lichtmuster ausgesetzt wäre, gewisse Photozellen an der Vorderfläche der Träger Licht erfassen, oder zumindest gewisse Lichtpegel, während andere es nicht würden, und die Schaltungsanordnung auf der Rückseite der Träger 164 würde Signale auf dem horizontalen Leiter sowie dem vertikalen Leiter erzeugen, mit denen sie verbunden sind. Diese Signale würden einer Anwendungsschaltung (statt einer Signalquelle 180) zugeführt, die mit den horizontalen Leitern 172 sowie den vertikalen Leitern 176 verbunden ist, die bestimmen würden, wel che Photozellen Licht erfaßten, und somit das Lichtmuster bestimmen würden, mit dem der Trägerstapel belichtet wurde. Die Anwendungseinrichtung 180 zur Verarbeitung der Signale auf den horizontalen Leitern 172 und den vertikalen Leitern 176, um somit das erfaßte Lichtmuster zu bestimmen, könnten einfach ein Mikroprozessor oder ein anderes Datenverarbeitungssystem sein.
Fig. 12 ist eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung zweckmäßige, perspektivische Ansicht einer anderen Mehrfachanordnung von Trägern zur Erzeugung einer optischen Anzeige, die eine Mehrzahl transparenter Rohre umfaßt, die aus Glas und durchsichtigem Kunststoff hergestellt und allgemein nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind, wie es gezeigt ist. Jedes Rohr 184 ist mit einem anregbaren Inertgas, wie Neon gefüllt (die Rohre 184 wären an den Enden geschlossen, um das Entweichen von Inertgas zu verhindern, obgleich sie in Fig. 12 zum Zweck der Darstellung offen gezeigt sind). Durch jedes Rohr 184 ist ein unterschiedlicher einer Mehrzahl horizontaler, elektrischer Leiter 188 gezogen. Auf der Rückseite eines jeden Rohrs 184 sind längliche Leiterstreifen 192 angeordnet. Eine Mehrzahl vertikaler, elektrischer Leiter 196 erstreckt sich vertikal parallel zueinander, um jeden der leitenden Streifen 192 an unterschiedlich beabstandeten Orten der Streifen zu kontaktieren.
Wiederum wird, indem elektrische Signale (von einer Signalquelle 104) ausgewählten der horizontalen Leiter 188 und der vertikalen Leiter 196 zugeführt werden, das sich in dem allgemeinen Bereich des Schnittpunkts eines horizontalen Leiters und eines vertikalen Leiters befindende Gas erregt, an die elektrische Signale abgelegt werden, um Licht auszusenden. Erregte Gasbereiche in den Rohren 184 sind durch die Flecken 200 in Fig. 12 dargestellt. Die elektrischen Signale, die nur einem Leiter zugeführt werden, sind unzureichend, das Gas zu erregen, wobei aber die elektrischen Signale, die zwei sich kreuzenden Leitern zugeführt werden, ausreichend sind. Das Gas wird durch die elektrischen Felder erregt, die durch den Stromfluß durch die Leiter erzeugt werden, wobei die Felder, wenn sie einen gewissen Wert überschreiten, das Inertgas in großer Nähe solcher Felder anregen oder erregen.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen nur beispielhaft für die Anwendung der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung sind. Zahlreiche Abänderun gen und alternative Anordnungen können von dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ausgedacht werden, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Dreidimensionale elektrische Schaltungsstruktur, die wenigstens zwei längliche, stabartige Träger (4, 24, 48, 56, 64, 76, 94, 100) umfaßt, die jeweils enthalten:

eines oder mehrere elektrische Bauteile (8, 32, 104, 108), die auf der Längsfläche jedes der Träger angeordnet sind, und

einen oder mehrere elektrische Leiter (12, 28, 36, 84, 120, 124), die an der Längsfläche jedes der Träger angeordnet sind und mit wenigstens einem der elektrischen Bauteile auf jedem der Träger verbunden sind, um elektrische Signale zu ihnen hin und/oder von von ihnen weg zu leiten,

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Träger (4, 24, 48, 56, 64, 76, 94, 100) so angeordnet sind, daß wenigstens ein elektrischer Leiter (12, 28, 36, 84, 120, 124), der auf der Längsfläche eines der Träger angeordnet ist, mit wenigstens einem der elektrischen Leiter (12, 28, 36, 84, 120, 124), der auf der Längsfläche eines anderen Trägers angeordnet ist, in Kontakt kommt, so daß die Übertragung von elektrischen Signalen zwischen elektrischen Bauteilen (8, 32, 104, 108) auf unterschiedlichen Trägern möglich ist.

2. Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Träger (4, 24, 48, 56, 64) im allgemeinen axial angeordnete Hohlräume (6, 40, 52, 60, 68) enthalten, die den Fluß von Kühlfluid durch sie hindurch ermöglichen.

3. Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Träger (100) im allgemeinen axial angeordnete Hohlräume (96) enthalten und die Struktur des weiteren einen oder mehrere innere elektrische Leiter (124) enthält, die so angeordnet sind, daß sie sich durch die Hohlräume (96) eines oder mehrerer Träger hindurch erstrecken, um elektrische Signale von dem Träger zu einem anderen Träger zu leiten, der in den Hohlraum eingeführt ist.

4. Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Träger /12, 24, 76, 94, 100) im allgemeinen zylindrisch sind.

5. Schaltungsstruktur nach Anspruch 4, wobei die Querschnitte der Träger (12, 24, 76) im wesentlichen die gleiche Größe haben.

6. Schaltungsstruktur nach Anspruch 4, wobei die elektrischen Leiter (28) in im allgemeinen schraubenförmiger Weise um entsprechende Träger (24) herum angeordnet sind, so daß wenigstens ein Leiter auf einem Träger mit wenigstens einem Leiter auf einem anderen Träger in Kontakt kommt, wenn der eine und der andere Träger nebeneinander angeordnet sind.

7. Schaltungsstruktur nach Anspruch 4, wobei die elektrischen Leiter jeweils so angeordnet sind, daß sie einen Abschnitt enthalten, der den Zylinder umschließt, sowie einen linearen Abschnitt auf entsprechenden Trägern, so daß wenigstens ein Leiter auf einem Träger mit wenigstens einem Leiter auf einem anderen Träger in Kontakt kommt, wenn der eine und der andere Träger nebeneinander angeordnet sind.

8. Schaltungsstruktur nach Anspruch 4, wobei wenigstens ein Träger (100) eine Aussparung (96) an wenigstens einem Ende enthält und die Aussparung (96) Innenseitenwände hat, wobei die Schaltungsstruktur des weiteren elektrische Leiter (120) enthält, die an den Innenseitenwänden der Aussparung (96) angeordnet und mit einer Lasteinrichtung verbunden sind, wobei wenigstens ein elektrischer Leiter (116), der sich auf einem weiteren Träger (94) befindet, an einem Ende desselben angeordnet ist, und wobei das eine Ende des anderen Trägers (94) so bemessen ist, daß es in die Aussparung (96) des einen Trägers (100) eingeführt werden kann, so daß der Leiter (116), der an dem einen Ende angeordnet ist, mit dem Leiter (120), der sich an den Innenseitenwänden der Aussparung (96) befindet, in Kontakt kommt, um die Übertragung von elektrischen Signalen zwischen ihnen zu ermöglichen.

9. Schaltungsstruktur nach Anspruch 8, die des weiteren eine Meßeinrichtung (104) enthält, die am anderen Ende des anderen Trägers (94) angeordnet ist und eine physikalische Eigenschaft der Umgebung mißt, der die Meßeinrichtung (104) ausgesetzt ist, und ein elektrisches Signal erzeugt, das für die physikalische Eigenschaft steht, sowie eine Leitereinrichtung (112), die die Meßeinrichtung (104) mit dem Leiter (116) verbindet, der sich an dem einen Ende des anderen Trägers (94) befindet.

10. Schaltungsstruktur nach Anspruch 3, die des weiteren eine erste Gruppe beabstandeter, im allgemeinen paralleler, elektrisch leitender Stäbe (80, 91) enthält, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, sowie eine zweite Gruppe beabstandeter, im wesentlichen paralleler, elektrisch leitender Stäbe, die in einer zweiten Ebene an die erste Ebene angrenzend und parallel dazu angeordnet sind, so daß ein Gitter entsteht, in dem die Stäbe der ersten Gruppe einen spitzen oder rechten Winkel zu den Stäben der zweiten Gruppe bilden, so daß eine Vielzahl verschachtelter viereckiger Öffnungen in dem Gitter entsteht, die jeweils einen anderen der Träger aufnehmen, deren Längsachsen im allgemeinen senkrecht zu den Ebenen sind, wobei die Gruppen von Stäben damit die Träger stützen und elektrische Verbindung zwischen Bauteilen auf verschiedenen Trägern herstellen.

11. Schaltungsstruktur nach Anspruch 10, wobei die Stäbe seitlich elastisch sind und sich biegen können, um die stabartigen Träger aufnehmen und halten zu können.

12. Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Träger im allgemeinen dreieckige Querschnitte (44) mit drei Seitenwandabflachungen (44) und mittig angeordneten Löchern (40), die sich durch die Träger von einem Ende zum anderen hindurcherstrecken, um Kühlfluid zu transportieren, haben, und wobei die Träger so nebeneinander gebündelt sind, daß wenigstens eine Seitenwandabflachung eines Trägers mit einer Seitenwandabflachung eines anderen Trägers in Kontakt ist.

13. Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Träger (56) im allgemeinen viereckige Querschnitte mit vier Seitenwandabflachungen und mittig angeordneten Löcher (60), die sich durch die Träger (56) vom einen Ende zum anderen hindurcherstrecken, um Kühlfluid zu transportieren, haben, und wobei die Träger (56) so nebeneinander gebündelt sind, daß wenigstens eine Seitenwandabflachung eines Trägers mit einer Seitenwandabflachung eines anderen Trägers in Kontakt ist.

14. Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Träger (48) im allgemeinen sechseckige Querschnitte mit sechs Seitenwandabflachungen und mittig angeordneten Löcher (52), die sich durch die Träger vom einen Ende zum anderen hindurcherstrecken, um Kühlfluid zu transportieren, haben, und wobei die Träger (48) so nebeneinander gebündelt sind, daß wenigstens eine Seitenwandabflachung eines Trägers mit einer Seitenwandabflachung eines anderen Trägers in Kontakt ist.

15. Schaltungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Träger (64) im allgemeinen achteckige Querschnitte mit acht Seitenwandabflachungen haben und wobei die Träger (64) so nebeneinander gebündelt sind, daß wenigstens eine Seitenwandabflachung eines Trägers mit einer Seitenwandabflachung eines anderen Trägers in Kontakt ist und Löcher zwischen den Trägern gebildet werden, die sich von einem Ende zum anderen erstrecken, um Kühlfluid zu transportieren.