DE69813352T2

DE69813352T2 - Mikroelektronischer Positionssensor

Info

Publication number: DE69813352T2
Application number: DE69813352T
Authority: DE
Inventors: Pirmin Rombach; Lars J. Stenberg
Original assignee: SonionMems AS; Sonion Mems AS
Current assignee: Pulse Mems ApS
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2018-02-28
Also published as: DK173778B1; EP0861640A2; DK22797A; DE69813352D1; EP0861640B1; JPH116707A; US6012021A; EP0861640A3; DK0861640T3

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen mikroelektrischen Positionssensor zur Verwendung in mikroelektronischen Geräten. Der mikroelektrische Positionssensor gemäß der Erfindung entspricht der Bauart, die eine Anordnung von magnetfeldempfindlichen Elementen enthält, wie zum Beispiel Mikrominiatur-Reedschalter oder Halleffekt-Elemente, sowie eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, wie etwa einen Permanentmagnet zum selektiven Beeinflussen und Aktivieren der magnetfeldempfindlichen Elemente. Die magnetfeldempfindlichen Elemente haben jeweils eine Schaltfunktion und bilden auf diese Weise eine Anordnung von Schaltern, die durch den Magnet betätigt werden. In Analogschaltungen kann die Schalteranordnung mit einer Anordnung von beispielsweise Dünnfilmwiderständen verbunden werden, wodurch beispielsweise ein Potentiometer mit diskreten Positionen hergestellt werden kann. In digitalen Schaltungen kann die Schalteranordnung die Leistung und die Funktionen der digitalen Schaltung steuern.
Ein mikroelektrischer Positionssensor gemäß der Erfindung findet seine Hauptanwendung in mikroelektronischen Geräten, wie zum Beispiel Hörgeräten, wo er zur Steuerung der Verstärkung oder der Ausgabelautstärke und anderer Einstellungen des Hörgerätes verwendet werden kann. Hörgeräte unterliegen einer ständigen Miniaturisierung und insbesondere die elektronischen Schaltungen wurden miniaturisiert. Moderne analoge Hörgeräte enthalten typischerweise bis zu einhundert elektronische Bauteile oder Elemente, wohingegen moderne digitale Hörgeräte der vollständig im Ohr getragenen Bauart integrierte Schaltungen mit hunderttausenden elektronischen Elementen enthalten können. Ein mikroelektrischer Positionssensor gemäß der Endung ist für die Verwendung in analogen und auch in digitalen Hörgeräten geeignet.
Das stetig fortschreitende Integrationsniveau in digitalen Schaltungen einschließlich digitalen Hörgeräten erfordert eine hohe Auflösung in der Verstärkungsregelung, um die Bedürfnisse des Benutzers zu erfüllen.
Stand der Technik
Herkömmliche elektromechanische Widerstands-Schiebepotentiometer oder Trimmpotentiometer wandeln eine von Hand eingestellte Winkel- oder Linearposition in ein entsprechendes Widerstandsteilerverhältnis gemäß einer Abbildungsfunktion um, die im Prinzip kontinuierlich ist. Das Funktionsprinzip basiert auf einem elektrisch leitfähigen Kontaktarm, der von Hand entlang oder um eine verteilte Bahn aus Widerstandsmaterial, beispielsweise einem Material auf Kohlebasis, bewegt wird. Elektrische Kontakte mit geringem Widerstand werden an beiden Enden der Bahn und auch an dem Kontaktarm vorgesehen und derartige Potentiometer schaffen eine Widerstandsteilung einer an den Enden der Bahn angelegten Spannung durch Übertragung einer Linearposition oder Winkelposition des beweglichen Teils des Potentiometers.
Herkömmliche elektromechanische Schiebe- oder Drehschalter bedienen sich eines mechanischen Kontaktarms mit einer elektrisch leitfähigen Spitze oder Kante, die den elektrischen Kontakt zwischen zwei oder mehr Anschlüssen des Schalters öffnet oder schließt. Die Öffnungs- und Schließfunktion der Schalter kann dann zum Auswählen, Einschalten oder Ausschalten von verschiedenen Teilen der mit dem Schalter verbundenen elektrischen Schaltung verwendet werden.
Herkömmliche Potentiometer, Trimmpotentiometer und Schalter sind mechanische Vorrichtungen, die miteinander in Kontakt stehende bewegliche Teile haben, so dass Verschleiß unvermeidlich ist. Die elektrische Leistung derartiger Elemente wird durch den Verschleiß stark beeinträchtigt und oftmals treten größere Zuverlässigkeitsprobleme in miniaturisierten Elementen auf.
Die GB 2 128 027 zeigt eine Anordnung von Reedschaltern und einen Permanentmagnet zur jeweils einzelnen Betätigung der Reedschalter auf. Festgelegte Magnetkonzentratoren sind in Bezug zu jedem Reedschalter angeordnet.
Die WO 88/01433 zeigt ein Rad mit einer kreisförmigen Anordnung von Permanentmagneten zur abwechselnden Betätigung eines stationären Reedschalters auf. Das US-Patent Nr. 4,389,627 zeigt eine kreisförmige Anordnung von Reedschaltern und eines Permanentmagneten zur Betätigung der Schalter auf.
Das US-Patent Nr. 5,592,079 zeigt einen bekannten mikroelektrischen Positionssensor auf, der jedoch keine Fokussierung des Magnetfelds aufweist.
Das US-Patent Nr. 4,258,346 zeigt eine Anordnung auf, die eine Gruppe von magnetisch betätigten Relais enthält, die einer magnetischen Abschirmung benachbart angeordnet sind, die eine Anordnung von Löchern aufweist, die der Anordnung der Relais entsprechen. Die Abschirmung verhindert, dass magnetischer Fluss, der an eines der Relais angelegt wird, abgelenkt wird und unbeabsichtigt ein in der Nähe liegendes Relais betätigt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen mikroelektronischen Positionssensor zu schaffen, der zum Erfassen der Linear- oder Drehposition beispielsweise der Verstärkungsregelung in einem mikroelektronischen Gerät, beispielsweise einem Hörgerät, verwendet werden kann, bei dem die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht auftreten.
Diese Aufgabe wird durch den mikroelektronischen Positionssensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Magnet, der das Magnetfeld erzeugt, welches die magnetfeldempfindlichen Elemente aktiviert und deaktiviert, enthält eine Fokussiereinrichtung, die das Magnetfeld auf einen Bereich fokussiert, der im wesentlichen nur eines der magnetfeldempfindlichen Elemente enthält. Ein mikroelektronischer Positionssensor mit einer derartigen Fokussierungsanordnung kann beträchtlich kleiner und kompakter als jede der bekannten Vorrichtungen ausgeführt werden und kann als sehr wichtigen Vorteil eine wesentlich größere Anzahl von einzelnen magnetfeldempfindlichen Elementen enthalten, wodurch die gewünschte höhere Auflösung erzielt wird.
In der bevorzugten Ausführungform sind die magnetfeldempfindlichen Elemente Mikro-Reedschalter, es können jedoch auch Halleffekt-Elemente mit kleineren Abänderungen verwendet werden, die für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sind.
Die Verstärkungsregelung in Hörgeräten hat gewöhnlich einen Drehknopf und für diese Anwendung ist die Anordnung der magnetfeldempfindlichen Elemente in einer kreisförmigen Anordnung vorgesehen. Für andere Zwecke können die magnetfeldempfindlichen Elemente in einer linearen Anordnung angeordnet werden. Eine Anordnung der magnetfeldempfindlichen Elemente in einer zweidimensionalen Anordnung oder Matrix ist ebenfalls möglich. Diese Ausführungsform kann in näherungs- oder berührungsempfindlichen Oberflächen mit hoher Auflösung angewandt werden und kann in Joysticks und anderen Zeigeeinrichtungen verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen sind zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt.
1 ist eine Schnittansicht eines mikroelektrischen Positionssensors mit einer kreisförmigen Anordnung von magnetfeldempfindlichen Elementen,
2A ist eine Draufsicht der Anordnung zum Fokussieren des Magnetfelds,
2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie IIB-IIB in 2A,
3A ist eine Draufsicht des mikroelektrischen Positionssensors, wobei jedes magnetfeldempfindliche Element mehrere Unterelemente enthält, und
3B ist eine Schnittansicht durch den mikroelektrischen Positionssensor in 3A entsprechend der Linie IIIB-IIIB.
Detaillierte Beschreibung
1, 2A und 2B zeigen einen mikroelektrischen Positionssensor der Drehbauart. Der Sensor hat eine Basis 10 aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material, die einen kreisförmigen, scheibenförmigen feststehenden Teil 11 ebenfalls aus Silizium in fester Verbindung mit der Basis 10 trägt. Der feststehende Teil 11 trägt eine Anordnung von Mikro-Reedkontakten oder -schaltern 13. Eine umgekehrt becherförmige Abdeckung 12 wird über dem feststehenden Teil 11 befestigt und liegt mit ihrer Kante auf der Basis 10 auf und bedeckt und schützt somit die Reedkontakte 13 beispielsweise vor Staub. Die Basis 10, der feststehende Teil 11 und die Abdeckung 12 bilden zusammen mit den Reedkontakten eine feststehende Konstruktion. Die Reedkontakte 13 können auf eine Vielzahl von Arten hergestellt werden, ein für diese Anwendung bevorzugter Kontakt ist jedoch in dem Artikel A New Reed Microcontactor Fabricated by Multilevel UV-lithography and Electrodeposition, Zwischenbericht M²S² 1994, Seiten 45, ASUALAB SA., CSEM beschrieben. Die Mikrokontakte werden somit unter Verwendung von aus der Mikroelektronik übernommenen Fotolithografietechniken in Verbindung mit fortschrittlicher Beschichtungstechnik hergestellt. Wichtige Merkmale dieser Mikro-Reedkontakte sind, dass sie sehr klein sind, typischerweise kleiner als 100 μm × 100 μm, ihre ausgezeichneten Vorrichtungseigenschaften und die vorhandene Möglichkeit der Massenproduktion von monolithischen Anordnungen von Mikro-Reedkontakten.
Die Abdeckung 12 trägt einen Stabmagnet 14 aus permanentmagnetisiertem Material. Der Stabmagnet 14 liegt nahe an seinen beiden Enden auf magnetischen Fokussiereinrichtungen auf, die in der dargestellten Ausführungsform wie Zungen 15 und 16 geformt sind, die aus magnetisch leitfähigem Material bestehen. Die Zungen 15 und 16 haben von dem Stabmagneten 14 entfernte Endabschnitte 15a und 16a. Die Fokussierzungen 15 und 16 konzentrieren das von dem Stabmagneten 14 erzeugte Magnetfeld in einem Bereich um einen ausgewählten Mikro-Reedkontakt 13. In der Mitte ist jeder Mikro-Reedkontakt 13 mit einem Mittelteil 17 aus magnetisch und elektrisch leitfähigem Material verbunden, das allen Mikro-Reedkontakten gemeinsam ist, und am Umfang hat jeder Mikro-Reedkontakt seinen eigenen individuellen Umfangsteil 18 ebenfalls aus magnetisch und elektrisch leitfähigem Material. Der Endabschnitt 16a der Fokussierzungen 16 ist über dem Mittelteil 17 gelegen, der allen Mikro-Reedkontakten gemeinsam ist, wohingegen der Endabschnitt 15a der Fokussierzungen 15 über dem Umfangsteil 18 eines der Reedkontakte 13 gelegen ist und so dimensioniert ist, dass er das Magnetfeld auf den Umfangsteil eines ausgewählten Reedkontakts fokussiert.
Auf diese Weise wird aus dem Stabmagneten 14, den Fokussierzungen 15 und 16, einem ausgewählten Reedkontakt 13 einschließlich seines Umfangsteiles 18 und des Mittelteiles 17 eine Magnetschaltung gebildet, wodurch veranlasst wird, dass der ausgewählte Mikro-Reedkontakt aktiviert wird und den elektrischen Weg zwischen dem gemeinsamen Mittelteil 17 und dem einzelnen Umfangsteil 18, der dem ausgewählten Mikro-Reedkontakt entspricht, schließt.
Der Stabmagnet 14 und die Fokussierzungen 15 und 16 sind mit einem Fingerrad (nicht dargestellt) verbunden und können um die Mittelachse 19 relativ zu der feststehenden Konstruktion gedreht werden, die aus der Basis 10, dem feststehenden Teil 11 und der Abdeckung 12 gebildet ist, so dass dadurch der Endabschnitt 15a der Fokussierzungen 15 über die kreisförmige Anordnung aus Mikro-Reedkontakten 13 verschoben wird, wodurch die Mikro-Reedkontakte einzeln aktiviert werden, und ein elektrischer Kontakt wird zwischen dem gemeinsamen Mittelteil 17 und dem Umfangsteil 18 des ausgewählten Mikro-Reedkontakts 13 geschlossen.
3A und 3B zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einem größeren Maßstab. Ein feststehender Teil 51 aus Silizium trägt eine Anordnung von Mikro-Reedkontakten 53. In dieser Ausführungsform hat jeder der Mikro-Reedkontakte 53 einen Kamm aus Zungen 60, die an ihren Wurzeln 61 mit einem gemeinsamen magnetischen und elektrischen Leiter 57 verbunden sind. Wenn sie durch ein Magnetfeld aktiviert werden, biegen sich die Zungen 60 und berühren jeweilige elektrische und magnetische Leiter 62 an dem feststehenden Teil 51. Ein elektrischer und magnetischer Anschluss 58 ist an den entgegengesetzten Enden der elektrischen und magnetischen Leiter 62 angeordnet, wobei ein kleiner, elektrisch isolierender Spalt 63 zwischen den Leitern 62 und dem Anschluss 58 vorhanden ist.
Ein beweglicher Teil 52 ist oberhalb der Mikro-Reedkontakte 53 auf dem feststehenden Teil 51 beweglich angeordnet. Der bewegliche Teil 52 trägt einen Stabmagnet 54 aus permanentmagnetischem Material. Die entgegengesetzten Enden des Magneten 54 sind mit magnetischen Fokussierzungen 55 und 56 aus magnetisch leitfähigem Material verbunden. Die Zungen 55 und 56 haben die gleiche Funktion wie die Zungen 15 und 16, das heißt, das Magnetfeld von dem Magneten 54 auf den gemeinsamen magnetischen und elektrischen Leiter 57 und auf einen einzelnen der elektrischen und magnetischen Anschlüsse 58 zu fokussieren, so das nur ein Mikro-Reedkontakt 53 mit seinem Zungenkamm 60 aktiviert wird.
Die elektrischen und magnetischen Leiter 62 sind mit einer Isolierschicht 64 abgedeckt und elektrische Leiter 65 sind auf der Oberseite der Isolierschicht 64 vorgesehen. Die dargestellte Ausführungsform enthält sechs elektrische Leiter 65 und sechs Zungen 60 in dem Kamm jedes der Mikro-Reedkontakte 53. Die sechs Leiter 65 sind mit (nicht dargestellten) Ausgangsanschlüssen des mikroelektrischen Positionssensors verbunden. An ausgewählten Punkten 67 sind die elektrischen Leiter 65 mit einzelnen der darunter liegenden elektrischen und magnetischen Leiter 62 verbunden. An den Kontaktpunkten 67 wird durch die Isolierschicht 64 ein elektrischer Kontakt hergestellt. Jeder Mikro-Reedkontakt 53 hat seine individuelle Kombination von elektrischen Leitern 65, die mit den elektrischen und magnetischen Leitern 62 verbunden sind.
Wenn der bewegliche Teil 52 mit dem Magneten 54 und den Fokussierzungen 55 und 56 einen bestimmten Mikro-Reedkontakt 53 mit seinem Zungenkamm 60 aktiviert, werden diejenigen der elektrischen Leiter 65, die jeweils mit einem logisch "1" (eins) darstellenden Potenzial über einzelne Widerstände verbunden sind, die durch die Kontaktpunkte 67 mit den elektrischen und magnetischen Leitern 62 verbunden sind, durch den Mikro-Reedkontakt 53 mit seinem Zungenkamm 60 mit dem gemeinsamen elektrischen Leiter 57 elektrisch verbunden, der wiederum mit einem Ausgangsanschluss (nicht dargestellt) des mikroelektrischen Positionssensors verbunden ist. Bei der Verwendung in einem Gerät wird der mit dem gemeinsamen elektrischen Leiter 57 verbundene Ausgangsanschluss typischerweise mit einem Bezugspotenzial wie z. B. dem Erdpotenzial verbunden, das logisch "0" (null) darstellt, und die elektrischen Leiter 65 leiten einen Binärcode, der die Position des beweglichen Teils 52 darstellt. Wenn der bewegliche Teil beispielsweise die drehbare Verstärkungsregelung eines digitalen Hörgerätes ist, ist das Ausgangssignal des mikroelektrischen Positionssensors ein digitaler Code der physischen Position der Verstärkungsregelung, der von den digitalen Schaltungen des Hörgerätes verwendet werden kann, um die Verstärkung entsprechend einzustellen.
In der dargestellten Ausführungsform hat jeder der Mikro-Reedkontakte 53 einen 6-Bit-Code, was 2⁶ = 64 Verstärkungsniveaus entspricht.

Claims

Mikroelektrischer Positionssensor, enthaltend a) eine Anordnung, die eine Vielzahl von magnetfeldempfindlichen Elementen (13, 53) enthält, wobei jedes der magnetfeldempfindlichen Elemente eine Position darstellt und einen ersten Zustand elektrischer Leitfähigkeit annimmt, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird, das eine Intensität unterhalb eines vorbestimmten Wertes hat, und einen zweiten Zustand elektrischer Leitfähigkeit annimmt, der von dem ersten Zustand verschieden ist, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird, das eine Intensität über einem vorbestimmten Wert hat, b) eine Einrichtung (14, 54), die ein Magnetfeld erzeugt, welche das Magnetfeld erzeugende Einrichtung relativ zu der Anordnung beweglich ist und dadurch die magnetfeldempfindlichen Elemente (13, 53) selektiv dem Magnetfeld aussetzt, so dass sie selektiv ihren ersten Zustand oder ihren zweiten Zustand annehmen, c) Fokussiereinrichtungen (15, 15a, 16, 16a; 55, 55a, 56, 56a), die das Magnetfeld auf einen Bereich fokussieren, der ein solches Ausmaß hat, dass er im wesentlichen nur eines der magnetfeldempfindlichen Elemente (13, 53) enthält, wobei das Magnetfeld innerhalb des Bereichs eine Intensität über dem zweiten vorbestimmten Wert hat und das Magnetfeld außerhalb des Bereichs eine Intensität unter dem ersten vorbestimmten Wert hat, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Fokussiereinrichtungen (15, 15a, 16, 16a; 55, 55a, 56, 56a) zusammen mit der Einrichtung (14, 54), die das Magnetfeld erzeugt, bewegt werden, und die Position der Fokussiereinrichtungen (15, 15a, 16, 16a; 55, 55a, 56, 56a) mittels des magnetfeldempfindlichen Elements (13, 53), das den zweiten Zustand elektrischer Leitfähigkeit annimmt, bestimmbar ist.
Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfeldempfindlichen Elemente Reed-Kontakte enthalten.
Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfeldempfindlichen Elemente Halleffekt-Elemente enthalten.
Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine kreisförmige Anordnung ist.
Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine lineare Anordnung ist.
Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine zweidimensionale Anordnung ist.
Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung einen Permanentmagneten enthält.
Positionssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet Magnetpolflächen enthält und die Fokussiereinrichtungen mit den Polflächen verbunden sind.
Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtungen magnetisch leitende Zungen (15, 16; 55, 56) enthalten, die von dem Magneten entfernte Endabschnitte (15a, 16a; 55a, 56a) zum Bestimmen des Bereichs haben.
Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der magnetfeldempfindlichen Elemente eine Vielzahl von magnetfeldempfindlichen Unterelementen (60, 61) enthalten.
Positionssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Vielzahl von Unterelementen eine vorbestimmte Kombination der Unterelemente jeweils mit einzelnen einer Vielzahl von elektrischen Leitern (65) verbindbar ist.
Positionssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Vielzahl von Unterelementen Unterelemente mit den elektrischen Leitern (65) in Kombinationen verbindbar sind, die für jede Vielzahl von Unterelementen individuell sind.