EP0179826B1

EP0179826B1 - Miniatur-wippschalter mit impulsaufbereiter

Info

Publication number: EP0179826B1
Application number: EP19850901959
Authority: EP
Inventors: Matthias Weiss
Original assignee: Individual
Current assignee: WEISS, MATTHIAS
Priority date: 1984-05-09
Filing date: 1985-05-07
Publication date: 1990-10-24
Anticipated expiration: 2005-05-07
Also published as: DE3580238D1; WO1985005219A1; EP0179826A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Schalter nach dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1. Ein solcher Schalter ist beispielsweise aus der US-A-2997557 bekannt geworden. Dort ist ein Trägheitsschalter beschrieben, bei dem eine ferromagnetische Kugel in einer nichtmagnetischen Kapsel oder Gehäusebohrung zwischen Kontaktelektroden beweglich angeordnet ist. Durch eine Beschleunigungskraft kann die Kugel einen Stromkreis zwischen Kontaktelektroden und Gehäuse oder untereinander schliessen und somit einen Impuls an eine externe Schaltung abgeben. Durch einen Magneten wird die Kugel wieder in Ausgangsstellung gebracht. Weiter ist ein Uhren-Kugelschalter von Brien, Kanada bekannt geworden: In einem kreisförmigen Tunnel rund um ein Armband-Uhrengehäuse in ein Einsatz gedacht, worin sich mindestens ein kugelförmiges Element bewegt und durch Schütteln des Armes den Weg zu einem Kontakt findet.
Andere bekannte Schalter, die für die Erfindung von Bedeutung sind: Wippschalter: Quecksilber-Wippschalter. Dies Konzept ist giftiger Natur und is nicht wie die vorgenannten Schalter-Konzepte miniaturisierbar und auf etwa 5x14 mm Dimension beschränkt. Weitere bekannte Schalter: Reedschalter als Magnetschalter, Ausmass etwa 9x2,5 mm. Im Weiteren ist ein hochtechnologischer Quecksilber-Magnetschalter bekannt unter 'LOGCELL USA', jedoch infolge von übermässig heikler Struktur nicht zu serialer Anwendung gelangt. Im Mass etwa wie der genannte Reedschalter.
Diede Arbeit hier soll dem vorangehenden hohen Entwicklungs-Stand Rechnung tragen und anhand von neuem Design oder AusführungsBeispiel die Schalter-Miniaturisierung fördern. Durch die Ausbildung des mikromechanischen Schalters nach den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 wird eine sehr vielseitige hochleistungsfähige mikromechanischmikroelektronische Schaltereinheit geschaffen.
Zusammentreffen von äusserster Präzision, engsten Lauf- und Raum-Bedingungen, engsten Toleranzen und strengster Bewegungs-Dimension gestatten erst eine Funktion des genannten Mikroschalters als Wippschalter oder als RelaisKomponente zugleich.
Diese Erfindung zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Einfachster Aufbau,
kürzeste Wegstrecken,
kleinstmöglicher Spielraum,

Struktur und Architektur für Wipp-Funktion und/oder für Magnetschalt-Funktion.
Diese vier genannten Grunderfordernisse sind hiermit erfüllt, wobei giftiges Quecksilber umgangen wurde, womit sich die Einsätze von Wippschaltern erweitern und zugleich Quecksilber-Wippschalter (teilweise) ersetzt werden können. Zum Letztgenannten: Die Giftbelastung von Quecksilber-Wippschaltern fällt im Gesamtausmass von Umweltbelastung nach wissenschaftlichen Mass-Stäben kaum (oder gar nicht) ins Gewicht. Hierbei spielt viel eher die fortschreitende Miniaturisierung eine Rolle und/oder zugleich die Möglichkeit, dass auf engstem Raum eine mikromechanische Logische Schalter-Anordnung erfolgen kann und hieraus eine Ablösung alter Schalter-Konzepte erfolgen kann.
Vergleiche Herkömmliches/Neues:

Wenn beim miniaturisierten Quecksilberschalter LOGCELL die Überempfindliche Struktur negativ für die Verbreitung war, so war die Klebe-Neigung miniaturisierter Kanäle, durch Wärme-und Material-Potential-Differenzen Kügeli zu stoppen und/oder einzelne Kügeli aneinander haften zu lassen, wie beim Schlauchschalter für Uhren, von Nachteil für die Verbreitung.

Die optimierte Grundlage der hier vorliegenden Schalter:

Verhältnis Schaltkörper zu Umschalt-Strecke approx. 1:1, oder ähnlich,
Verhältnis Schaltkörper-Diameter zu Rohr-Diameter approx. 1:1,08 oder ähnlich.
Wird der Schaltkörper im Verhältnis zum Röhrchen weiter verkleinert, so vergrössert sich die Umschalt-Frequenz, der Winkel verkleinert sich und nähert sich mit ca. 1,25 Grad ab der Horizontalen dem Optimum von ca. 0,5 Grad;
Wird der Schaltweg bzw. wird das Röhrchen verlängert, so erhöht sich je nach Temperatur die Material-Spannung und die Klebe-Neigung.

Es sei jedoch grundsätzlich hierzu erklärt, dass die vorgenannten Daten kein Anlass zu starren Konzepten sind, sondern vorrangig die bereits erwähnte Material-Behandlung Schweizer Präzision.
Generelle Einsatz-Applikationen:

Ueberall dort, wo es gilt, von aussen her durch mehr oder weniger hermetisch verschlossene Wände, Oberflächen, sowie Beläge hindurch Einfluss auf implantierte Schalter zu nehmen, d.h. Schaltvorgänge auszulösen und/oder ein-, zwei bzw. drei-dimensionale Positionierungs-Information zu erhalten, sind die hier genannten mikromechanischen Schalter vorgesehen:
Schmuck- und Uhren-Industrie, als Spielzeug-und/oder als Logischer Magnet-Schalter,
Foto-Industrie,
Raumfahrt- und Unterwasser-Industrie,
Halbleiter-Industrie, Sensor-Integrierte Halbleiter-Elemente, Leistungs-Bausteine mit Sensoren,
Dreidimensionale Raumer Fassung mit relativ preiswerten Einheiten, allgemeine Applikationen bei Werkzeugmaschinen in Form von Sensoren in Relation mit Magnet-Feldern.
Für das vorgenannte Feld und anderes ist die neue Generation von Mikroschaltern vorgesehen.

Bis über eine Million exakt wiederholbare Schalt- und/oder Umschalt-Vorgänge mit einem Mikroschalter ohne angegliederten Impuls-Aufbereiter können vorgenommen werden, wo es nicht darauf ankommt, exakte Uebergangs-Widerstände von unter ein Ohm zu gewährleisten.
Vergleichsweise wurden 1,000 Schaltvorgänge mit einem SCHIER=Reiais (Kraftrelais 70 Ampere Schaltkontakt, 12 Volt-Spule bei 0,250 Ampere) mit drei Mikroschaltern vorgenommen, mit einem Kleinmagnet als Schalt-Hilfe.
Dies gilt als Beispiel. Denn ohne Schalthilfe mittels Aussen-Magnet bedarf es eines abgekühlten Zustandes und feuchter ungeladener Umgebung, um auch nur 50 Milliampere ohne Klebeeffekt zu schalten.
Demnach erklärt sich grundsätzlich, dass bei dem hier vorliegenden Konzept anwendungs-spezifisch angepasste Impulsaufbereiterstufen an den/die Mikroschalter angegliedert sind.
Wird beispielsweise bei einem modernen Schmuckstück wie Ring, Braselet und dergleichen durch Wippschalter ein zeitweises und/oder ständig wiederholtes Aufleuchten wie Blinken angestrebt und beispielsweise eine Herzform aktiviert, so wird hierdurch eine Spielzeugschaltung realisiert, welche mit erhöhten Sicherheitsgrad schaltet, als beim eingangs angeführten 'Brien-Schalter als Schlauchschalter mit einer Anzahl von Kugeln'. Da hier eindeutig Schaltstrecke und Lauf definiert sind und eine eindeutige Abgrenzung wie eine optimale Relation aller Schalter-Komponenten vorliegt.
Doch auch bei diesem neuen Konzept ist - wie obgenannt- ohne zugeordneten Impulsaufbereiter oder ohne Magnet-Komponente keine eindeutig gleichbleibende Kontaktgebung gewährleistet. Dies ist, wie auch bereits betont, im Eigengewicht des/der Schaltkörper, von unter 0,1 Gramm, sowie dem damit zusammenhängenden KlebeEffekt begründet. So entspricht ein Kügelchen von etwa 0,8 mm(t) dem Gewicht von etwa 2 milli-Gramm.
Verfahren für Oberflächen-Glätte und Relation der Anordnung allein vermag hier die Optimierung zu gewährleisten. Zeitgemäss integrierte Impulsaufbereitungsstufen wie u.a. Schmitt-Trigger und/oder andere elektronische Anordnungen werden die von Schalter/Positionsgeber gelieferten Kontaktierungen zwischen Null Ohm und Megaohm einwandfrei in Digitale Null oder Eins, in Digitale L oder H unwandeln. Am besten kann dieser Miniaturschalter als 'Positionierungs-Element' bezeichnet werden.
Abb. 1a) zeigt ein Schaltelement WG des erfindungsgemässen Schalters mit eigenem Gehäuse, worin des Schaltelement (K) als Kugel/Bolzen gemäss dem mit WI bezeichneten Pfeil wippt. Beidseitig sind die Anschluss-Elektroden (4) zugeordnet, in Isolatoren (2) eingelagert. Kommt ein Magnet (M) hinzu, so wird der Schaltkörper entweder während und/oder nach einem Schaltvorgang arretiert, oder der Magnet wird sich als Schaltkomponente erweisen und den Schaltkörper Bedarf-gemäss verschieben. Z bezeichnet beispielsweise die Zu-Leitung, was aber beleibig geändert werden kann, je nach Bedarf. Schalter-Dimension: 3 Millimeter Länge, 1 Millimeter Haupt-Abmessung im Querschnitt. Der/die Schaltkörper besitzt den bereits genannten minimal möglichen Schaltweg/Spielraum, u.a. auch zur Prellminderung.
Fig. 1b) veranschaulicht die Implantation von Schalter-Komponenten in die Oberfläche eines Halbleiter-Bausteins. Wobei die üblichen Relationen dieselben sind/bleiben. Der Halbleiter beinhaltet einen Kanal/Graben im Sinn beispielsweise eines C-Profils (FG).
Die Anschluss-Elektroden (4) sind in diesem Fall der Implantation ohne eigenes Gehäuse in den Isolierstoff direkt am Kanal-Rand implantiert. Wäre die Oberfläche aus leitenden Material, müsste hinzu jedem Anschluss ein Isolator (2) zugeordnet werden, wobei der Körper teils oder ganzheitlich als KanaI/Zuleitung benützt werden könnte.

Fig. 1c) zeigt eine Variante, als 1-poliger Umschalter und/oder als 3-Dimensionen-Schalter.
Fig. 2a) zeigt die erfindungsgemässe Implantation eines Schaltelements in einen Leistungs-Halbeiter-Baustein.
Fig. 2b) zeigt die konventionelle Transistor-Ansteuerung,
Fig. 2c) zeigt die Ansteuerung eines Schmitt-Triggers als zugehörender, Impulsaufbereiter für einen Leistungs-Halbleiter.

Claims

1. Mikromechanischer Schalter mit Impulsaufbereiter für mehrere Schaltmöglichkeiten, geeignet als Ansteuerschalter und/oder als Positionsgeber, verwendbar als EIN/AUS-Schalter oder als einpoliger Umschalter, als Wippschalter oder Relaiskomponente, welcher als Magnetschalter abgebildet ist, wobei zugleich und/oder aufeinanderfolgend die Gravitation sowie eines oder mehrere Magnetfelder eines oder mehrerer Magneten (M) durch die Wandung oder Oberfläche einwirken und den Schalter auf engstem Raum präzise umschalten und arretieren vermögen, wobei ein oder mehrere Eisen-, Nickel- und/oder Eisen-Nikkel-haltige Schaltkörper (K) und Kontaktelektroden (4) aus Draht und/oder aus geätzten Leiterbahnen, wie bei gedruckten Schaltungen und/ oder in IC-Bausteinen, an einer oder mehreren Stellen in einer geeigneten, oder die Kontaktelektroden gegebenenfalls auch rund um eine geeignete, Aussparung des Schalters oder in einem eigenen Gehäuse angebracht sind, wobei die Kontaktelektroden (4) bei Anordnung in einem eigenen Gehäuse, wie Röhrchen, in eigenen Isolatoren (2) angebracht sind, sofern dieses aus leitendem Material besteht, wobei die Kontaktelektroden (4) bei Anordnung ohne eigenes Gehäuse an geeignetem Platz am Rande der Aussparung integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung oder das eigene Gehäuse in einen Halbeiter-Baustein integriert und/oder das Gehäuse daran angebaut ist und so eine hochleistungsfähige mikromechanisch-mikroelektronische Steuereinheit wie Leistungs-Halbleiter, IC, Power-Array, TRIAC, Thyristoren und dergleichen mit integriertem Sensor bildet, dass die Aussparung oder das eigene Gehäuse eine variable Grösse, im Standard jedoch eine Länge von 3 mm und eine Hauptabmessung im Querschnitt von 1 mm aufweist und mit Präzisions-Oberflächenbehandlung hergestellt ist, daher in seinen Abmessungen kleiner als Quecksilber-Wippschalter oder Reedschalter ist, dass die Aussparung oder das schaltereigene Gehäuse bei nichtleitenden Material mit einer leitenden Schicht für die Gewährleistung der Schaltfähigkeit überzogen ist, dass die Schaltkanäle gegebenenfalls nicht tunnelförmig geschlossen sind, sondern Aussparungen im Sinn von Gräben, Kanälen, Profilen aufweisen, in denen der/die Schaltkörper (K) (um-) gelenkt werden, dass weiter der mikromechanische Schalter bevorzugt im Zusammenhang mit elektronischen logischen Verknüpfungen verwendbar ist und dass der Schalter für die Kontaktaufbereitung und für die Optimierung der Logik-Steuerung geeignete Impulsaufbereitungsstufen aufweist.

2. Mikromechanischer Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter in Kleinstobjekte wie Uhren und/oder Schmuck eingebaut und/oder integriert ist.

3. Mikromechanischer Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Schalter-Element bis zu neun Logische Schaltfunktionen erreicht werden und dass sich die Aussparung oder das Gehäuse auf einer Fläche von einigen Quadrat-Millimetern unterbringen lässt und der Schalter von aussen her EIN-AUS- und/oder umschaltbar ist.

4. Mikromechanischer Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgenauigkeit durch Oberflächenbehandlung das Schaltkörpers (K) und des Laufkanals erhöht wird und wahlweise der Laufkanal oder eine Kontakt-Elektrode Zu- oder Ableiter sein kann.

5. Mikromechanischer Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe als Anbau- und/oder Einbau-Element in Teile und/oder Module der Halbleiter-, Foto-, Uhren- und/oder Werkzeugmaschinen-Industrie und weiterer Anwendungs-Gebiete zur Anwendung gelangt.

6. Mikromechanischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaltkanal in den Halbleiter-Baustein eingetätzt, eingefräst, eingegraben, eingestanzt oder eingedrückt ist.

7. Mikromechanischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter als Wippschalter für die Schmuck- und/oder Spielzeug-Industrie, weiters für Leuchteffekt-Schaltung, gegebenenfalls im Zusammenhang mit Miniatur-Batteriezelle(n) und/oder Integrierten Schaltkreisen, oder auch für eine Direktansteuerung von Lämpchen und/oder Kristallen und/oder Halbkristallen verwendet wird, wobei wahlweise Dauermagnet- und/oder Elektromagnet-Komponenten für den Zweck logischer EIN/AUS- oder Um-Schaltung eingesetzt werden.

8. Mikromechanischer Schalter nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung ungiftiger Materialien der Schalter für humanmedizinische Einsätze geeignet ist und in fortgesetzter Miniaturisierung eine geeignete Anzahl von mikromechanischen Kügelchen und/oder Schrotkörner in einem Haufen, durch Aussenmagnetfeld umgelenkt und die Kontaktwiederstandsänderung durch die mindestens eine Impulsaufbereitungsstufe verarbeitet wird.

9. Mikromechanischer Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Kontaktelektrode an je einem Ende der Ausnehmung oder des Gehäuses vorgesehen sind und dass eine ein-, zwei- oder drei-dimensionale Positionierungserfassung durch die Kontaktelektroden erfolgt.