EP3979291A1 - Elektronikmodul und anlage - Google Patents

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EP3979291A1
EP3979291A1 EP20199173.4A EP20199173A EP3979291A1 EP 3979291 A1 EP3979291 A1 EP 3979291A1 EP 20199173 A EP20199173 A EP 20199173A EP 3979291 A1 EP3979291 A1 EP 3979291A1
Authority
EP
European Patent Office
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mems switch
voltage
module according
mems
electrical circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20199173.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Kiefl
Oliver Raab
Markus Schwarz
Hans Wilke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP20199173.4A priority Critical patent/EP3979291A1/de
Priority to US18/246,830 priority patent/US20230360872A1/en
Priority to PCT/EP2021/076644 priority patent/WO2022069469A1/de
Priority to CN202180067255.8A priority patent/CN116250054A/zh
Priority to EP21786804.1A priority patent/EP4193377A1/de
Priority to JP2023519121A priority patent/JP2023543239A/ja
Publication of EP3979291A1 publication Critical patent/EP3979291A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0084—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H01H2059/0063—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics with stepped actuation, e.g. actuation voltages applied to different sets of electrodes at different times or different spring constants during actuation

Definitions

  • the invention relates to an electronics module with an electrical circuit and at least one first MEMS switch and a system.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical Switch
  • Such MEMS switches are, for example, in the publications DE102017215236A1 and WO 2018028947A1 described.
  • MEMS switches regularly have a bending element, for example a bending beam, which can be deflected, in particular, electrostatically.
  • the bending element carries electrical switching contacts which, as a result of the deflection, can be brought into contact with correspondingly arranged mating contacts and can thus provide or interrupt an electrically conductive connection.
  • Electronic modules with MEMS switches therefore have switching functionalities that allow electrical isolation between a control circuit, by means of which the flexural element of the MEMS switch is deflected, and a load circuit, which is switched with the MEMS switch.
  • Analog-to-digital converters are known for monitoring, ie for measuring, voltages, but they do not permit electrical isolation from a load circuit unless additional components, such as optocouplers, are provided.
  • a galvanically isolated voltage measurement can be carried out using capacitive voltage measurements. In this case, however, complex evaluation electronics are required. In addition, such a capacitive voltage measurement is only successful in AC voltage applications.
  • MEMS voltmeters can also be provided for voltage measurement. However, such MEMS voltmeters also require complex evaluation electronics and additional components.
  • the object of the invention to create an improved electronic module in which a galvanically isolated voltage measurement is possible.
  • the electronic module according to the invention should be manufacturable without additional process costs or process expenses.
  • the electronic module according to the invention has an electrical circuit and at least one first MEMS switch with at least one first control contact with a first switching threshold voltage and at least one second MEMS switch with a second control contact with a second switching threshold voltage that is different from the first.
  • the control contacts that is to say the first control contact and control contact, of the first and second MEMS switches are connected to the electrical circuit.
  • voltages in the electrical circuit can be measured using the first MEMS switch and using the second MEMS switch in that the first and/or the second MEMS switch are switched when the first and/or the second switching threshold voltage is exceeded . Because of the different first and second switching threshold voltages, the electrical voltage in the electrical circuit can thus be inferred. In the case of the electronic module according to the invention, the voltage is therefore measured by means of a first and a second MEMS switch. Consequently, the voltage measurement is galvanically isolated from the electrical circuit. Only the first and the second control contact have to be connected to the electrical circuit. Since the voltage can be measured by means of MEMS switches in the electronic module according to the invention, electrical circuits can be provided with further MEMS switches with a first MEMS switch and a second MEMS switch.
  • first MEMS switch and second MEMS switch for measuring voltages can also be easily integrated into the manufacturing process of the electronic module according to the invention.
  • Additional components such as optocouplers for voltage measurement can be dispensed with by means of the electronic module according to the invention. Consequently, despite a minimally increased space requirement as a result of the additional MEMS switch(es), overall there is a saving in space and thus also a saving in costs.
  • the first control contact and the second control contact are preferably connected to an identical electrical potential of the electrical circuit.
  • the first control contact and the second control contact are expedient in the electronic module according to the invention each associated with a located on a common ground potential mating contact.
  • the first and second control contacts are connected to partial voltages of a voltage divider in the electrical circuit.
  • the first switching threshold voltage and the second switching threshold voltage can also be related to one another from partial voltages of a voltage divider. Accordingly, voltages can also be measured in this configuration using the first MEMS switch and the second MEMS switch.
  • the first MEMS switch and the second MEMS switch are particularly preferably connected in parallel to one another.
  • a voltage interval can be formed very easily with the first switching threshold voltage of the first MEMS switch and the second switching threshold voltage of the second MEMS switch, so that as a result of the switching operations of the first MEMS switch and the second MEMS switch, one level of the voltage of the electrical circuit can be easily determined relative to the voltage interval.
  • the electronics module expediently has a signaling device which outputs at least one signal dependent on a switch position of the first MEMS switch and a switch position of the second MEMS switch.
  • the first MEMS switch and the second MEMS switch with the first and second control contacts are connected to an identical voltage potential of the electrical circuit and if the first and second MEMS switches are connected in parallel to one another, the associated MEMS switch is switched when the lowest switching threshold voltage is exceeded by the voltage of the electrical circuit.
  • the corresponding MEMS switch can now switch a signal that indicates that the associated switching threshold voltage has been exceeded. If the voltage of the electrical circuit reaches the further switching threshold voltage of the associated MEMS switch, this MEMS switch also switches on and can, for example, actively switch a further, second signal which indicates that the voltage exceeds the associated switching threshold voltage.
  • this has at least one third MEMS switch with a control contact with a switching threshold voltage which differs from the first and/or second switching threshold voltage.
  • a fourth MEMS switch with a control contact having a switching threshold voltage that differs from the first and/or second and/or third switching threshold voltage can also be part of the electronics module.
  • the first and/or the second and/or the third and/or further and/or all of the MEMS switches are formed with a flexible element, preferably with a flexible beam.
  • the control contact forms an electrode which deflects the bending element, in particular the bending beam.
  • the bending element, in particular the bending beam expediently carries at least one switching contact, by means of which a conductive connection can be provided as a result of a deflection of the bending element.
  • the signaling device ideally compares a voltage of the electronic circuit with at least one voltage interval, in which the first and/or second MEMS switch each define a limit of the voltage interval.
  • a voltage interval can be formed by means of the first and/or second MEMS switch, with which the voltage of the electrical circuit can be compared.
  • the first and/or second and/or further switching threshold voltage(s) is/are preferably defined by means of at least one geometric and/or material-related parameter of the MEMS switch.
  • the geometric and/or material-related parameter is preferably a length and/or width and/or thickness of a bending element and/or an electrode spacing and/or a dielectric and/or a layer stress and/or a layer material of the MEMS switch.
  • a length or width or thickness of a bending element can thus easily determine the switching threshold voltage.
  • an electrode gap or a dielectric or a layer stress or a layer material have an influence on the switching threshold voltage of the MEMS switch.
  • the electrical circuit preferably has a further MEMS switch and the electrical circuit forms a load circuit of the further MEMS switch.
  • the load circuit of the electronic module is switched using a MEMS switch and a voltage of the electrical circuit is measured using MEMS switches. Accordingly, the switching of the load circuit and the measurement of the voltage of the load circuit are implemented using the same technology.
  • the system according to the invention has in particular a control and/or regulation module.
  • the plant an electronic module like previously described on.
  • the electronics module is particularly preferably part of the open-loop and/or closed-loop control module.
  • the inside figure 1 illustrated MEMS switch 10 of the electronic module according to the invention (in the Figures 1 and 2 (not shown) comprises a substrate 20 and a cantilever 30 applied thereto.
  • a free end 40 of the bending beam 30 can be deflected in the direction of the substrate 20 .
  • an electrode 50 is applied over a large area to the substrate 20 on its surface facing the bending beam 30, which exerts an electrostatic attraction on a counter-electrode located on the bending beam 30 (not shown explicitly in the drawing), so that the free end 40 of the cantilever 30 can move towards the electrode 50 and consequently towards the substrate 20.
  • the electrode 50 which forms a first control contact of the first MEMS switch 10, is used for the deflection subjected to a voltage, whereupon the bending beam 30 deflects.
  • the bending beam 30 has two switching contacts at its free end 40, which are conductively connected to one another perpendicularly to the plane of the drawing and which are located at the free end 40 once in front of the plane of the drawing and once behind the plane of the drawing. Consequently, the switching contacts can establish or interrupt an electrically conductive connection perpendicular to the plane of the drawing.
  • an electrically conductive connection is established when the free end 40 of the bending beam 30 is moved towards the substrate 20 .
  • a voltage is required at the electrode 50 forming the first control contact, which voltage forms a first switching threshold voltage.
  • This first switching threshold voltage depends on the geometric dimensions of the bending beam 30 .
  • the flexural rigidity of the bending beam 30 of the first MEMS switch 10 increases, so that the first switching threshold voltage increases accordingly. Furthermore, the first switching threshold voltage increases with an increasing distance g of the cantilever 30 from the substrate 20 .
  • the first switching threshold voltage can therefore be tailored in the first MEMS switch 10 by means of the geometric dimensions.
  • the electronic module 60 according to the invention figure 3
  • the electronics module 60 also has a second MEMS switch 10', in which the flexible beam 30 is provided with a shorter length L, so that a second control contact 50' of the second MEMS switch 10'a higher voltage to switch the second MEMS switch 10' has to be applied. Consequently, the second MEMS switch 10' has a higher switching threshold voltage than the first MEMS switch 10.
  • First MEMS switch 10 and second MEMS switch 10′ are each arranged at the same potential of a load circuit 70, which includes a load potential V Last and a ground potential V Last, GND .
  • Load potential V Last and ground potential V Last, GND are respectively connected to the electrode 50 and not in figure 1 illustrated counter electrode of the first MEMS switch and to the second control contact 50 'of the second MEMS switch 10' and an in figure 1 second counter-control contact, not shown, connected in an electrically conductive manner.
  • the ground potential V Last, GND is connected to the bending beams 30 of the first 10 and the second MEMS switch 10', while the load potential V Last is connected to the electrode 50 on the substrate 20 and the second control contact 50'.
  • the first MEMS switch 10 and the second MEMS switch 10′ can therefore be switched by means of the load potential V Last and the ground potential V Last, GND .
  • the load potential V Last can be contacted with an electrical output Out.
  • line Out and load potential V Last are each connected to a comb-like structure 80, 90, which each have comb teeth 100, 110, which can be brought into electrically conductive contact with one another by means of further MEMS switches 120. If the additional MEMS switches 120 are switched, then the comb teeth 100, 110 are brought into electrically conductive contact with one another, so that the lead Out is brought to the load potential V Last .
  • the voltage between the load potential V Last and the ground potential V Last, GND can be determined by means of the first MEMS switch 10 and the second MEMS switch 10′.
  • the MEMS switch switches as a result of the mutually different first threshold switching voltage and the second threshold switching voltage 10 through when the load voltage V load exceeds the first threshold switching voltage.
  • the first MEMS switch 10 turns on and outputs a voltage signal V low by the first MEMS switch 10 turning on a first signal circuit V low .
  • a load potential V load can consequently be detected at the first signal circuit, which load potential exceeds the first switching threshold voltage.
  • the second MEMS switch 10′ switches through a second signal circuit, which outputs a signal V high .
  • the electronic module 60 according to the invention is part of a control and regulation module 200, which in turn is part of an industrial plant 300 according to the invention.
  • the industrial installation 300 serves to control and regulate an industrial engine, which is not shown in the drawing.

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Abstract

Das Elektronikmodul weist eine elektrische Schaltung und mindestens einen ersten MEMS-Schalter mit mindestens einem ersten Steuerkontakt mit einer ersten Schaltschwellspannung und mindestens einem zweiten MEMS-Schalter mit einem zweiten Steuerkontakt mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen Schaltschwellspannung auf, wobei die Steuerkontakte von erstem und zweitem MEMS-Schalter an die elektrische Schaltung angebunden sind.Die Anlage weist insbesondere ein Steuer- und/oder Regelmodul auf und weist ein solches Elektronikmodul auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul mit einer elektrischen Schaltung und mindestens einem ersten MEMS-Schalter sowie eine Anlage.
  • Es sind Elektronikmodule bekannt, welche MEMS-Schalter (MEMS = Micro-Electro-Mechanical Switch) aufweisen.
  • Solche MEMS-Schalter sind beispielsweise in den Druckschriften DE102017215236A1 und WO 2018028947A1 beschrieben.
  • MEMS-Schalter weisen regelmäßig ein Biegeelement, beispielsweise einen Biegebalken, auf, welcher insbesondere elektrostatisch ausgelenkt werden kann. Das Biegeelement trägt elektrische Schaltkontakte, welche infolge der Auslenkung mit entsprechend angeordneten Gegenkontakten in Anlage gebracht werden können und somit eine elektrisch leitende Verbindung bereitstellen oder unterbrechen können.
  • Elektronikmodule mit MEMS-Schaltern weisen also Schaltfunktionalitäten auf, welche eine galvanische Trennung zwischen einem Ansteuerstromkreis, mittels welchem das Biegeelement des MEMS-Schalters ausgelenkt wird, und einem Laststromkreis, welcher mit dem MEMS-Schalter geschaltet wird, erlaubt.
  • Bei Elektronikmodulen ist es häufig wünschenswert, Spannungen eines Laststromkreises zu überwachen. Auf diese können etwa im Laststromkreis befindliche Verbraucher vor Über- oder Unterspannungen geschützt werden. Auch zum Schutz von Schaltern selbst kann eine solche Überwachung von Spannungen erforderlich sein. Insbesondere in Steuerungen von Industrieanlagen ist eine solche Überwachung von Spannungen regelmäßig vorgesehen.
  • Zur Überwachung, das heißt zur Messung, von Spannungen sind Analog-Digital-Konverter bekannt, welche jedoch keine galvanische Trennung von einem Laststromkreis erlauben, es sei denn, es werden zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise Optokoppler vorgesehen. Eine galvanisch getrennte Spannungsmessung kann mittels kapazitiver Spannungsmessungen erfolgen. Dabei sind jedoch komplexe Auswertelektroniken erforderlich. Zudem gelingt eine solche kapazitive Spannungsmessung nur in Wechselspannungsanwendungen. Grundsätzlich können auch MEMS-Voltmeter zur Spannungsmessung vorgesehen sein. Jedoch erfordern auch solche MEMS-Voltmeter eine komplexe Auswertelektronik und zusätzliche Bauteile.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Elektronikmodul zu schaffen, bei welchem eine galvanisch getrennte Spannungsmessung möglich ist. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Elektronikmodul ohne zusätzliche Prozesskosten oder Prozessaufwände fertigbar sein. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anlage, vorzugsweise mit einem Steuer- und/oder Regelmodul, zu schaffen, welche ein solches Elektronikmodul aufweist.
  • Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Elektronikmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Anlage mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Elektronikmodul weist eine elektrische Schaltung und mindestens einen ersten MEMS-Schalter mit mindestens einem ersten Steuerkontakt mit einer ersten Schaltschwellspannung sowie mindestens einen zweiten MEMS-Schalter mit einem zweiten Steuerkontakt mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen, Schaltschwellspannung auf. Bei dem erfindungsgemäßem Elektronikmodul sind die Steuerkontakte, also erster Steuerkontakt und Steuerkontakt, von erstem und zweitem MEMS-Schalter an die elektrische Schaltung angebunden.
  • Auf diese Weise können mittels des ersten MEMS-Schalters und mittels des zweiten MEMS-Schalters derart Spannungen in der elektrischen Schaltung gemessen werden, indem aufgrund eines Überschreitens der ersten und/oder der zweiten Schaltschwellspannung der erste und/oder der zweite MEMS-Schalter geschaltet werden. Aufgrund der unterschiedlichen ersten und zweiten Schaltschwellspannung kann somit auf die elektrische Spannung in der elektrischen Schaltung rückgeschlossen werden. Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul erfolgt die Spannungsmessung daher mittels eines ersten und eines zweiten MEMS-Schalters. Folglich erfolgt die Spannungsmessung galvanisch getrennt von der elektrischen Schaltung. Lediglich der erste und der zweite Steuerkontakt müssen an die elektrische Schaltung angebunden sein. Da bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul die Spannungsmessung mittels MEMS-Schaltern erfolgen kann, können insbesondere elektrische Schaltungen mit weiteren MEMS-Schaltern mit erstem MEMS-Schalter und zweitem MEMS-Schalter versehen werden. Weitere Prozessschritte zum Vorsehen von sonstigen Bauteilen sind bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul nicht erforderlich. Wenn also bei Elektronikmodulen bei der elektrischen Schaltung ohnehin MEMS-Schalter vorgesehen werden, können auch erster MEMS-Schalter und zweiter MEMS-Schalter zum Messen von Spannungen leicht in den Fertigungsprozess des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls integriert werden.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls kann auf zusätzliche Bauteile wie beispielsweise Optokoppler, zur Spannungsmessung verzichtet werden. Folglich ergibt sich, trotz eines minimal erhöhten Raumbedarfes in Folge der/s zusätzlichen MEMS-Schalter/s, in Summe eine Platzersparnis und somit auch eine Kostenersparnis.
  • Bei dem erfindungsgemäßem Elektronikmodul sind vorzugsweise der erste Steuerkontakt und der zweite Steuerkontakt an einem identischen elektrischen Potential der elektrischen Schaltung angebunden. Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßem Elektronikmodul zudem dem ersten Steuerkontakt und dem zweiten Steuerkontakt jeweils ein auf einem gemeinsamen Erdpotential befindlicher Gegenkontakt zugeordnet. Auf diese Weise lässt sich mittels des ersten MEMS-Schalters und mittels des zweiten MEMS-Schalters ein Spannungsintervall aufspannen, bei welchem mittels erstem und zweitem MEMS-Schalter leicht geprüft werden kann, ob die Spannung der elektrischen Schaltung innerhalb oder außerhalb des Spannungsintervalls und gegebenenfalls auf welcher Seite des Spannungsintervalls die Spannung der elektrischen Schaltung befindlich ist.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls sind erster und zweiter Steuerkontakt an Teilspannungen eines Spannungsteilers der elektrischen Schaltung angebunden. Auch aus Teilspannungen eines Spannungsteilers können erste Schaltschwellspannung und zweite Schaltschwellspannung miteinander in Beziehung gesetzt werden. Entsprechend können auch in dieser Konfiguration Spannungen mittels des ersten MEMS-Schalters und des zweiten MEMS-Schalters gemessen werden.
  • Besonders bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul erster MEMS-Schalter und zweiter MEMS-Schalter zueinander parallel geschaltet. In dieser Konfiguration lässt sich mit der ersten Schaltschwellspannung des ersten MEMS-Schalters und der zweiten Schaltschwellspannung des zweiten MEMS-Schalters sehr einfach ein Spannungsintervall bilden, sodass in Folge der Schaltvorgänge des ersten MEMS-Schalters und des zweiten MEMS-Schalters eine Lage der Spannung der elektrischen Schaltung relativ zum Spannungsintervall einfach bestimmbar ist.
  • Das Elektronikmodul gemäß der Erfindung weist zweckmäßig eine Signaleinrichtung auf, welche mindestens ein von einer Schaltstellung des ersten MEMS-Schalters und einer Schaltstellung des zweiten MEMS-Schalters abhängiges Signal ausgibt. Sind etwa erster MEMS-Schalter und zweiter MEMS-Schalter mit erstem und zweitem Steuerkontakt an ein identisches Spannungspotential der elektrischen Schaltung angebunden und sind erster und zweiter MEMS-Schalter zu einander parallel geschaltet, so wird bei einem Überschreiten der niedrigsten Schaltschellspannung durch die Spannung der elektrischen Schaltung der zugehörige MEMS-Schalter geschaltet. Der entsprechende MEMS-Schalter kann nun ein Signal schalten, welches das Überschreiten der zugehörigen Schaltschwellspannung anzeigt. Erreicht die Spannung der elektrischen Schaltung die weitere Schaltschwellspannung des zugehörigen MEMS-Schalters, so schaltet auch dieser MEMS-Schalter durch und kann etwa ein weiteres, zweites Signal aktiv schalten, welches anzeigt, dass die Spannung die zugehörige Schaltschwellspannung übersteigt.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls weist dieses mindestens einen dritten MEMS-Schalter mit einem Steuerkontakt mit einer Schaltschwellspannung auf, welche von der ersten und/oder zweiten Schaltschwellspannung verschieden ist. Auf diese Weise lässt sich mittels weiterer Schaltschwellspannungen die Auflösung der Spannungsmessung oder aber der Messbereich der Spannungsmessung erhöhen. Vorteilhafterweise kann auch ein vierter MEMS-Schalter mit einem Steuerkontakt mit einer Schaltschwellspannung Teil des Elektronikmodul sein, welche von der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Schaltschwellspannung verschieden ist.
  • Bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung sind der erste und/oder der zweite und/oder der dritte und/oder weitere und/oder sämtliche der MEMS-Schalter mit einem Biegeelement, vorzugsweise mit einem Biegebalken, gebildet. Auf diese Weise bildet der Steuerkontakt eine Elektrode aus, welche das Biegeelement, insbesondere den Biegebalken, auslenkt. Zweckmäßigerweise trägt das Biegeelement, insbesondere der Biegebalken, mindestens einen Schaltkontakt, mittels welchem in Folge einer Auslenkung des Biegeelementes eine leitende Verbindung bereitgestellt werden kann.
  • Idealerweise vergleicht bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul die Signaleinrichtung eine Spannung der elektronischen Schaltung mit mindestens einem Spannungsintervall, bei welchem erster und/oder zweiter MEMS-Schalter jeweils eine Grenze des Spannungsintervalls festlegen. Wie bereits zu vorhergehenden Weiterbildungen der Erfindung ausgeführt, lässt sich mittels erstem und/oder zweitem MEMS-Schalter ein Spannungsintervall bilden, mit welchem die Spannung der elektrischen Schaltung verglichen werden kann.
  • Bevorzugt ist oder sind bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung die erste und/oder zweite und/oder weitere Schaltschwellspannung/en mittels mindestens eines geometrischen und/oder materialbedingten Parameters des MEMS-Schalters festgelegt. Vorzugsweise ist der geometrische und/oder materialbedingte Parameter eine Länge und/oder Breite und/oder Dicke eines Biegeelementes und/oder ein Elektrodenabstand und/oder ein Dielektrikum und/oder ein Schichtstress und/oder ein Schichtmaterial des MEMS-Schalters. So können eine Länge oder Breite oder Dicke eines Biegeelementes die Schaltschwellspannung einfach festlegen. Auf ähnliche Weise haben ein Elektrodenabstand oder ein Dielektrikum oder ein Schichtstress oder ein Schichtmaterial einen Einfluss auf die Schaltschwellspannung des MEMS-Schalters.
  • Bevorzugt weist bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul die elektrische Schaltung einen weiteren MEMS-Schalter auf und die elektrische Schaltung bildet einen Lastkreis des weiteren MEMS-Schalters. Auf diese Weise wird zum einen der Lastkreis des Elektronikmoduls mit einem MEMS-Schalter geschaltet und eine Spannung der elektrischen Schaltung wird mittels MEMS-Schaltern gemessen. Entsprechend sind die Schaltungen des Lastkreises und die Messung der Spannung des Lastkreises mittels derselben Technologie realisiert.
  • Die erfindungsgemäße Anlage weist insbesondere ein Steuer- und/oder Regelmodul auf. Die Anlage ein Elektronikmodul wie vorhergehend beschrieben auf. Besonders bevorzugt ist das Elektronikmodul Teil des Steuer- und/oder Regelmoduls.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    einen ersten MEMS-Schalter des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls schematisch im Querschnitt,
    Figur 2
    den ersten MEMS-Schalter gemäß Figur 1 schematisch in einer Draufsicht,
    Figur 3
    das erfindungsgemäße Elektronikmodul mit dem ersten MEMS-Schalter gemäß Figuren 1 und 2 sowie mit einem zweiten MEMS-Schalter schematisch in einer Draufsicht sowie
    Figur 4
    eine erfindungsgemäße Anlage mit dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul gemäß Figur 3 in einer schematischen Prinzipskizze.
  • Der in Figur 1 dargestellte MEMS-Schalter 10 des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls (in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt) weist ein Substrat 20 und einen daran angelengten Biegebalken 30 auf. Der Biegebalken 30 ist mit einem freien Ende 40 in Richtung auf das Substrat 20 auslenkbar. Zur Auslenkung des freien Endes 40 des Biegebalkens 30 ist auf dem Substrat 20 an seiner dem Biegebalken 30 zugewandten Oberfläche eine Elektrode 50 flächig aufgebracht, welche auf eine am Biegebalken 30 befindliche Gegenelektrode (in der Zeichnung nicht explizit dargestellt) eine elektrostatische Anziehung ausübt, sodass das freie Ende 40 des Biegebalkens 30 sich auf die Elektrode 50 und folglich auf das Substrat 20 zubewegen kann. Zur Auslenkung wird die Elektrode 50, welche einen ersten Steuerkontakt des ersten MEMS-Schalters 10 bildet, mit einer Spannung beaufschlagt, worauf sich der Biegebalken 30 auslenkt.
  • Nicht eigens in den Figuren 1 und 2 dargestellt, weist der Biegebalken 30 an seinem freien Ende 40 zwei Schaltkontakte auf, welche miteinander senkrecht zur Zeichenebene leitend verbunden sind und welche sich an dem freien Ende 40 je einmal vor der Zeichenebene und einmal hinter der Zeichenebene befinden. Die Schaltkontakte können folglich eine elektrisch leidende Verbindung senkrecht zur Zeichenebene herstellen oder unterbrechen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wenn das freie Ende 40 des Biegebalkens 30 auf das Substrat 20 zubewegt wird. Zur Auslenkung des freien Ende 40 des ersten MEMS-Schalters 10 ist eine Spannung an der den ersten Steuerkontakt bildenden Elektrode 50 erforderlich, welche eine erste Schaltschwellspannung bildet. Diese erste Schaltschwellspannung hängt von den geometrischen Abmessungen des Biegebalkens 30 ab. Je größer die Länge L des Biegebalkens 30 ist (siehe Figur 2), umso leichter lässt sich der Biegebalken 30 auf das Substrat 20 zubewegen. Mit zunehmender Länge L sinkt also die erforderliche Schaltschwellspannung zur Auslenkung des freien Endes 40 des ersten MEMS-Schalters 10.
  • Mit zunehmender Breite b (siehe Figur 2) wächst hingegen die Biegesteifigkeit des Biegebalkens 30 des ersten MEMS-Schalters 10, sodass die erste Schaltschwellspannung entsprechend zunimmt. Ferner nimmt die erste Schaltschwellspannung mit einem zunehmendem Abstand g des Biegebalkens 30 von dem Substrat 20 zu. Mittels der geometrischen Abmessungen lässt sich also bei dem ersten MEMS-Schalter 10 die erste Schaltschwellspannung maßschneidern. Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul 60 (Figur 3) ist nur nicht allein ein erster MEMS-Schalter 10 vorhanden, sondern das Elektronikmodul 60 weist zudem einen zweiten MEMS-Schalter 10'auf, bei welchem der Biegebalken 30 mit einer kürzeren Länge L versehen ist, sodass an einem zweiten Steuerkontakt 50' des zweiten MEMS-Schalters 10'eine höhere Spannung zum Schalten des zweiten MEMS-Schalters 10'angelegt werden muss. Mithin weist der zweite MEMS-Schalter 10'eine höhere Schaltschwellspannung auf als der erste MEMS-Schalter 10.
  • Erster MEMS-Schalter 10 und zweiter MEMS-Schalter 10' sind jeweils an demselben Potential eines Laststromkreises 70 angeordnet, welches zum einen ein Lastpotential VLast sowie ein Erdpotential VLast, GND umfasst. Lastpotential VLast und Erdpotential VLast, GND sind jeweils an die Elektrode 50 und die nicht in Figur 1 dargestellten Gegenelektrode des ersten MEMS-Schalters sowie an den zweiten Steuerkontakt 50' des zweiten MEMS-Schalters 10'und einen in Figur 1 nicht dargestellten zweiten Gegensteuerkontakt elektrisch leitend angebunden. Dabei ist jeweils das Erdpotential VLast, GND an die Biegebalken 30 des ersten 10 und des zweiten MEMS-Schalters 10' herangeführt, während das Lastpotential VLast jeweils an die auf dem Substrat 20 befindliche Elektrode 50 sowie den zweiten Steuerkontakt 50' geführt ist. Mittels des Lastpotentials VLast sowie des Erdpotentials VLast, GND können also erster MEMS-Schalter 10 und zweiter MEMS-Schalter 10'geschaltet werden.
  • In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Lastpotential VLast mit einer elektrischen Ausleitung Out kontaktierbar. Zur Kontaktierbarkeit sind Ausleitung Out und Lastpotential VLast jeweils an eine kammartige Struktur 80,90 angebunden, welche jeweils Kammzähne 100, 110 aufweisen, welche mittels weiteren MEMS-Schaltern 120 miteinander in elektrisch leitenden Kontakt gebracht werden können. Werden die weiteren MEMS-Schalter 120 geschaltet, so werden die Kammzähne 100, 110 miteinander elektrisch leitend in Kontakt gebracht, sodass die Ausleitung Out auf Lastpotential VLast gebracht wird. Mittels des ersten MEMS-Schalters 10 und des zweiten MEMS-Schalters 10'kann bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul 60 die Spannung zwischen dem Lastpotential VLast und dem Erdpotential VLast, GND bestimmt werden. In Folge der voneinander verschiedenen ersten Schwellschaltspannung und der zweiten Schwellschaltspannung schaltet der MEMS-Schalter 10 dann durch, wenn die Lastspannung VLast die erste Schwellschaltspannung überschreitet. In diesem Falle schaltet der erste MEMS-Schalter 10 durch und gibt ein Spannungssignal Vlow aus, indem der erste MEMS-Schalter 10 einen ersten Signalschaltkreis Vlow durchschaltet. Beim Durchschalten kann an dem ersten Signalschaltkreis folglich ein Lastpotential VLast erkannt werden, welches die erste Schwellschaltspannung überschreitet. Überschreitet die Lastspannung VLast die zweite Schwellschaltspannung, so schaltet entsprechend der zweite MEMS-Schalter 10' einen zweiten Signalschaltkreis durch, welcher ein Signal Vhigh ausgibt. Anhand der Spannungssignale Vlow und Vhigh, welche einer Signaleinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden, kann folglich leicht ermittelt werden, ob das Lastpotential VLast innerhalb der Grenzen der ersten Schwellschaltspannung und der zweiten Schwellschaltspannung liegt.
  • Das erfindungsgemäße Elektronikmodul 60 ist Teil eines Steuer- und Regelmoduls 200, welches seinerseits Teil einer erfindungsgemäßen Industrieanlage 300 ist. Die Industrieanlage 300 dient zur Steuerung und Regelung eines in der Zeichnung nicht dargestellten Industriemotors.

Claims (11)

  1. Elektronikmodul mit einer elektrischen Schaltung (70) und mindestens einem ersten MEMS-Schalter (10) mit mindestens einem ersten Steuerkontakt (50) mit einer ersten Schaltschwellspannung und mindestens einem zweiten MEMS-Schalter (10') mit einem zweiten Steuerkontakt (50') mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen Schaltschwellspannung, bei welchem die Steuerkontakte (50, 50') von erstem (10) und zweitem MEMS-Schalter (10') an die elektrische Schaltung (70) angebunden sind.
  2. Elektronikmodul nach Anspruch 1, bei welchem erster (50) und zweiter Steuerkontakt (50') an einem identischen Spannungspotential der elektrischen Schaltung (70) angebunden sind.
  3. Elektronikmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem erster (50) und zweiter Steuerkontakt (50') an Teilspannungen eines Spannungsteilers der elektrischen Schaltung (70) angebunden sind.
  4. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem erster MEMS-Schalter (10) und zweiter MEMS-Schalter (10') zueinander parallel geschaltet sind.
  5. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Signaleinrichtung aufweist, welche mindestens ein von einer Schaltstellung vom erstem MEMS-Schalter (10) und einer Schaltstellung vom zweiten MEMS-Schalter (10') abhängiges Signal (Vlow, Vhigh) ausgibt.
  6. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens einen dritten MEMS-Schalter mit einem dritten Steuerkontakt mit einer Schaltschwellspannung aufweist, welche von der ersten und/oder zweiten Schaltschwellspannung verschieden ist.
  7. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der erste (10) und zweite (10') und/oder dritte oder ein oder mehrere weitere MEMS-Schalter mit einem Biegeelement (30), insbesondere mit einem Biegebalken, gebildet sind.
  8. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Signaleinrichtung eine Spannung der elektronischen Schaltung mit mindestens einem Spannungsintervall vergleicht, bei dem erster und/oder zweiter MEMS-Schalter jeweils eine Grenze des Spannungsintervalls festlegen.
  9. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste und/oder zweite oder eine weitere Schaltschwellspannung jeweils mittels mindestens eines geometrischen und/oder materialbedingten Parameters (h, b, L) des jeweiligen MEMS-Schalters (10, 10') festgelegt ist, insbesondere einer Länge (L) und/oder Breite (b) und/oder Dicke (h) eines Biegeelements und/oder eines Elektrodenabstands (g) und/oder eines Dielektrikums und/oder eines Schichtstress' und/oder eines Schichtmaterials des MEMS-Schalters (10, 10').
  10. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die elektrische Schaltung (70) einen weiteren MEMS-Schalter (120) aufweist und die elektrische Schaltung (70) einen Lastkreis des weiteren MEMS-Schalters (120) bildet.
  11. Anlage, insbesondere mit einem Steuer- und/oder Regelmodul, mit einem Elektronikmodul (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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