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Die Erfindung geht aus von einem
mikromechanischen Schalter nach der Gattung des Hauptanspruches.
Es sind allgemein mikromechanische Schalter bekannt, wobei eine
Masse elastisch durch ein Federelement gehalten wird. Beim Einwirken
einer Kraft, beispielsweise eine Beschleunigungskraft, wird die
Masse bewegt und damit das Federelement ausgelenkt.
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Der erfindungsgemäße mikromechanische Schalter
mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil, dass der mikromechanische Schalter aus einfachen Grundelementen
der Oberflächenmikromechanik realisiert
ist, die in Fertigungsprozessen beherrscht werden. Der erfindungsgemäße mikromechanische Schalter
weist weiterhin den Vorteil auf, gegenüber bekannten Schaltern eine
Miniaturisierung herbeizuführen
und eine Unterdrückung
von Schalterprellen zu bewirken. Durch die kleinere Realisierung
ist eine beträchtliche
Kostenersparnis möglich.
Weiterhin ist als Vorteil anzusehen, dass bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen
Schalter gegenüber
einem erweiterten Beschleunigungssensor-System eine Ersparnis der
Auswerteelektronik vorliegt. Weiterhin kann der erfindungsgemäße mikromechanische
Schalter vorteilhaft ohne Spannungsversorgung betrieben werden,
sodass er tatsächlich
nur als Schalterelement fungiert.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen mikromechanischen Schalters möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass das
wenigstens ein Kontaktelement bewegbar und mit einem zweiten Federelement
verbunden vorgesehen ist. Hierdurch wird wirksam das Schalterprellen
reduziert, weil durch das zweite Federelement ein gewisser Anpressdruck
des Kontaktelements an die Masse herbeigeführt wird.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass das
erste Federelement und/oder das zweite Federelement U-Federelemente
umfassen. Dadurch ist es möglich,
die Federelemente in einfacher Weise kostengünstig herzustellen.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass die
Federkonstante des zweiten Federelements gegenüber der Federkonstante des
ersten Federelements deutlich kleiner vorgesehen ist. Dadurch wird
durch die Bewegung der Masse bei gleichzeitiger Kontaktierung der Masse
mit dem Kontaktelement die Bewegung der Masse nicht wesentlich behindert
bzw. geändert.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass ein
drittes Federelement vorgesehen ist, welches stabilisierend auf
die Bewegung der Masse wirkt. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die
Bewegung der Masse zu führen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass
die Federkonstante des dritten Federelements gegenüber der Federkonstante
des ersten Federelements deutlich kleiner vorgesehen ist. Dadurch
ist es möglich,
dass die Bewegung der Masse durch das dritte Federelement nicht
wesentlich verändert
wird und die Bewegung der Masse im wesentlichen durch das zweite Federelement
vorgegeben ist.
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Weiterhin ist von Vorteil, dass ein
Anschlag vorgesehen ist, wodurch die Verhinderung einer Auslenkung
des ersten Federelements über
einen vorgegebenen maximalen Grad der Auslenkung des ersten Federelements
hinaus vorgesehen ist. Dadurch wird verhindert, dass bei einer zu
großen
Beschleunigung der Masse der mikromechanische Schalter zerstört wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen .
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1 ein
erfindungsgemäßer mikromechanische
Schalter in Draufsicht und
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2 der
erfindungsgemäße mikromechanische
Schalter in einer Schnittdarstellung gemäß einer Schnittlinie AA aus 1.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
der erfindungsgemäße mikomechanische
Schalter dargestellt. Der mikromechanische Schalter umfasst eine
bewegliche Masse 1, welche insbesondere als seismische
Masse 1 vorgesehen ist. Weiterhin umfasst der mikomechanische Schalter,
der im folgenden auch als Beschleunigungsschalter bezeichnet wird,
ein Federelement 2, welches im folgenden als erstes Federelement 2 bezeichnet
wird. Die Masse 1 ist mit dem ersten Federelement 2 verbunden.
Die Masse 1 ist darüber
hinaus beweglich vorgesehen, wobei bei einer Bewegung der Masse 1 das
erste Federelement 2 ausgelenkt wird. Durch die Auslenkung
des ersten Federelements 2 wird eine Rückstellkraft auf die Masse 1 durch
das erste Federelement 2 ausgeübt. Erfindungsgemäß ist es
beispielhaft vorgesehen, dass die Masse 1 lediglich in
einer linearen Bewegungsrichtung bewegbar vorgesehen ist. Diese
Bewegungsrichtung ist in 1 entlang
der Schnittlinie AA vorgesehen. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch vorgesehen,
die Masse 1 derart vorzusehen, dass diese in mehreren Bewegungsrichtungen
beweglich vorgesehen ist. Im in der 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist weiterhin ein drittes Federelement 4 vorgesehen, welches
die Bewegung der Masse 1 stabilisiert. Erfindungsgemäß ist es
insbesondere vorgesehen, dass das erste Federelement 2 entlang
der Bewegungsrichtung der Masse 1 auf der einen Seite der
Masse 1 vorgesehen ist und dass das dritte Federelement 4 entlang
der Bewegungsrichtung der Masse 1 dem ersten Federelement 2 gegenüber vorgesehen
ist. Das erste Federelement 2 und das dritte Federelement 4 umfassen
insbesondere U-Federelemente, welche standardmäßig mikromechanisch herstellbar
sind.
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Weiterhin umfasst der mikromechanische Schalter
wenigstens ein Kontaktelement 3, welches erfindungsgemäß insbesondere
mit einem zweiten Federelement 30 verbunden vorgesehen
ist. Das Kontaktelement 3 ist erfindungsgemäß insbesondere als
Kontaktmasse vorgesehen und in einer vorteilhaften Ausführungsform
einstöckig
mit dem zweiten Federelement 30 verbunden. Die Anordnung
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Schalters ist so vorgesehen, dass die Masse 1 ein erstes
Stück entlang
ihrer Bewegungsrichtung bewegbar ist, während dem das erste Federelement 2 bis
zu einem gewissen vorgegebenen Grad ausgelenkt wird. Bei diesem vorgegebenen
Grad der Auslenkung des ersten Federelements 2 berührt die
Masse 1 das Kontaktelement 3 bzw. die Kontaktmasse.
Erfindungsgemäß ist es
jetzt vorgesehen, dass die Masse 1 und das erste Federelement 2 derart
vorgesehen sind, dass auch eine Bewegung der Masse 1 über den
vorgegebenen Grad der Auslenkung des ersten Federelements 2 hinaus
möglich
ist. Hierbei wird also das erste Federelement 1 noch weiter
als der vorgegebene Grad der Auslenkung ausgelenkt und der Kontakt
zwischen der Masse 1 und dem Kontaktelement 3 bleibt
während
diesen Bewegungsanteil bestehe . Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen,
das Kontaktelement 3 mit einem zweiten Federelement 30 zu verbinden,
sodass während
der Bewegung der Masse 1 in Kontakt mit dem Kontaktelement 3 zusätzlich zur
Auslenkung des ersten Federelements 2 über den vorgegebenen Grad seiner
Auslenkung hinaus auch eine Auslenkung des zweiten Federelements 30 vorgesehen
ist, wodurch das Kontaktelement 3 insbesondere an die Masse 1 angedrückt wird.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen,
dass der mikromechanische Schalter Anschläge 7 aufweist, welche
verhindern, dass die Masse 1 eine zu großen maximale
Bewegung in Bewegungsrichtung ausführt. Es wird durch den Anschlag 7 also
verhindert, dass das erste Federelement 2 über einen vorgegebenen
maximalen Grad der Auslenkung hinaus ausgelenkt wird. Der vorgegebene
maximale Grad der Auslenkung des ersten Federelements 2 ist erfindungsgemäß oberhalb
des vorgegebenen Grads der Auslenkung des ersten Federelements 2 vorgesehen,
an dem die erste Kontaktgabe zwischen dem Kontaktelement 3 und
der Masse 1 stattfindet.
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Erfindungsgemäß weist der mikromechanische
Schalter beispielhaft auch einen Bondrahmen 8 auf, sowie
einen ersten Bondpad 5, d. h. eine erste Anschlussfläche 5 sowie
einen erste Leiterbahn 6 zur Kontaktierung des ersten Bondpads 5 mit
der Aufhängung
des Kontaktelements 3 auf. Weiterhin weist der erfindungsgemäße mikromechanische
Schalter auch einen zweiten Bondpad 5a auf sowie eine Leiterbahn 6a,
welche der Kontaktierung des zweiten Bondpads 5a mit den
Aufhängungen
des ersten Federelements 2 dient. Weiterhin weist der mikromechanische
Schalter weiterhin einen dritten Bondpad 5b und eine dritte
Leiterbahn 6b auf, welche der Kontaktierung des dritten
Bondpads 5b mit der Aufhängung eines weiteren Kontaktelements 3b dient.
Das weitere Kontaktelement 3b und seine Kontaktierungsvorrichtungen
(drittes Bondpad 5b und dritte Leiterbahn 6b)
ist optional vorgesehen. Wesentlich für die Funktion des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Schalters als Schalter . ist, dass mittels wenigstens zwei Bondpads 5, 5a, 5b und
entsprechenden Leiterbahnen 6, 6a, 6b wenigstens
zwei Kontakte zur Verfügung
stehen, die bei einer entsprechenden Bewegung der Masse 1 derart,
dass das erste Federelement 2 über den vorgegebenen Grad der
Auslenkung hinaus ausgelenkt wird, elektrisch niederohmig miteinander
in Kontakt stehen. Hierzu kann es erfindungsgemäß entweder vorgesehen sein,
dass die Kontaktgabe zwischen dem Kontaktelement 3, der
Masse 1 und dem ersten Federelement 2 sowie seiner
Aufhängung
zum zweiten Bondpad 5a hin erfolgt oder dass die Kontaktgabe
vom Kontaktelement 3 über
die Masse 1 zum weiteren Kontaktelement 3b sowie
zur dritten Leiterbahn 6b und dem dritten Bondpad 5b erfolgt
oder auch das zwei Schalter gleichzeitig realisiert sind, indem
sowohl das erste Kontaktelement 3 als auch das weitere
Kontaktelement 3b vorgesehen ist und die seismische Masse 1 über das
zweite Bondpad 5a und die zweite Leiterbahn 6a elektrisch
angeschlossen sind.
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Durch die Variation der Breite der
U-Federn des ersten Federelements 2, des zweiten Federelements 30 und
des dritten Federelements 4 sowie deren Stege zwischen
den U-Federn können
diese Federn bzw. Federelemente 2, 30, 4 den
Bedürfnissen als
lineare oder nichtlineare Federn angepasst werden.
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Bei einer auftretenden Beschleunigung
in Detektionsrichtung, wird die Masse 1 in Richtung des ersten
Federelements 2 beschleunigt. Die Stabilisierungsfeder 4 oder
auch dritte Federelement 4 wird in diesem Fall in 1 dargestellten Beispiel
gedient und sollte so gewählt
werden, dass sie die Bewegung der Masse 1 nur unwesentlich
behindert. Dies ist erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass
die Federkonstante des dritten Federelements 4 gegenüber der
Federkonstante des ersten Federelements 2 deutlich kleiner
vorgesehen ist. Ab einer definierten Position der Masse 1 trifft
die Masse 1 auf das Kontaktelement 3 bzw. das
Kontaktelement 3b, sodass der Schalter geschlossen ist,
d. h. dass eine Kontaktgabe zwischen den elektrischen Anschlüssen des Kontaktelements 3,
3b und
der Masse 1 bzw. zwischen den elektrischen Anschlüssen des
Kontaktelements 3 und des weiteren Kontaktelements 3b und optional
darüber
hinaus noch der Masse 1 geschlossen ist. Dieser definierten
Position der Masse 1 entspricht ein vorgegebener Grad der
Auslenkung des ersten Federelements 2, wo eine Berührung der
Masse mit dem wenigstens einen Kontaktelement 3 vorgesehen
ist. Weiterhin entspricht diesem vorgegebenen Grad der Auslenkung
des ersten Federelements 2 eine definierte Kraftwirkung
auf die Masse 1, welche beispielsweise durch eine definierte
Beschleunigung des gesamten mikromechanischen Schalters derart hervorgerufen
wird, dass die Masse 1 in Richtung des Kontaktelements 3 bis
zum vorgegebenen Grad der Auslenkung des ersten Federelements 2 ausgelenkt
ist. Bei einer größeren Auslenkung
bzw. einer größeren Beschleunigung
auf die Masse 1 bleiben die Kontaktelemente 3, 3b mit
der Masse 1 verbunden. Das zweite Federelement 30 drückt dabei das
Kontaktelement 3 auf die blasse 1. Hierdurch ist ein Prellen
des Schalters wirksam unterbunden. Das zweite Federelement 30 des
Kontaktelements 3 sollte die Bewegung der Masse 1 nur
unwesentlich verlangsamen, d. h. der Schalter bzw. die Masse ist trotzdem
Kontakt der Masse 1 mit dem Kontaktelement 3 weiter
in Bewegung gegen die Rückstellkraft des
ersten Federelements 2. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere
dadurch gewährleistet,
dass die Federkonstante des zweiten Federelements 30 gegenüber der
Federkonstante des ersten Federelements 2 deutlich kleiner
vorgesehen ist. Der Kraftverlauf wird jedoch durch den Kontakt der
Masse 1 mit den Kontaktelementen 2 nicht linear.
Die Masse 1 bleibt solange in Bewegung wie eine ausreichende Beschleunigung
an dem System des mikromechanischen Schalters anliegt oder die Masse 1 bei
einer zu großen
Beschleunigung gegen den Anschlag 7 anschlägt. Das
zweite Federelement 30 des Kontaktelements 3 dient
hierbei zum einen als Prellschutz und zum anderen dient es dazu,
die Schaltzeit des Beschleunigungsschalters zu verlängern, da
bei einer abfallenden äußeren Beschleunigung
und einer umgekehrten Bewegung der Masse 1 hin zu geringeren Auslenkungen
des ersten Federelements 2 der Kontakt solange noch geschlossen
bleibt, bis das zweite Federelement 30 des Kontaktelements 3 vollständig entspannt
ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere aufgrund
der größeren Schaltzeit
eine sicherer Detektion durch den Beschleunigungsschalter möglich ist.
Dieses erfindungsgemäße Verhalten des
mikromechanischen Schalters sowie die Bewegung der Masse trotz geschlossenem
Stromkreis, d. h. die Bewegung der Masse 1 bei einer Auslenkung des
ersten Federelements 2 oberhalb des vorgegebenen Grads
der Auslenkung, kann als „bewegter Schalter"
interpretiert werden.
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In 2 ist
eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Schalters
gemäß der Schnittlinie
AA aus der 1 dargestellt. Die
Darstellung in 1 ist
leicht vergrößert und
etwas verzerrt gegenüber
der Darstellung in 1 dargestellt.
In 2 ist wie in 1 die Masse 1 und
das erste Federelement 2 dargestellt. Auf der der Masse 1 gegenüberliegenden
Seite des ersten Federelements 2 ist in 2 das dritte Federelement 4 dargestellt.
Weiterhin ist in 2 die
Aufhängung 2a des ersten
Federelements 2 dargestellt, welche elektrisch mittels
der zweiten Leiterbahn 6a mit dem zweiten Bondpad 5a verbunden
ist. Erkennbar in 2 ist weiterhin
der Rahmen 8 des mikromechanischen Schalters. Der gesamte
mikromechanische Schalter ist erfindungsgemäß auf einem Substrat 10 vorgesehen
und die beweglichen Teile des mikromechanischen Schalters, d. h.
insbesondere die Masse 1 und die Federelemente 2, 30, 3, 4 sind
mittels einer Abdeckung 9 abgedeckt. Die Abdeckung 9 ist
in 1 nicht dargestellt.
Das Substrat 10 ist erfindungsgemäß insbesondere als Halbleitersubstrat,
beispielsweise Siliziumsubstrat vorgesehen. Die beweglichen Elemente
in der in 2 mit dem
Bezugszeichen 11 bezeichneten Funktionsschicht des mikromechanischen
Schalters sind erfindungsgemäß ebenfalls
insbesondere in Halbleitermaterial beispielsweise Silizium, vorgesehen.
Es können
erfindungsgemäß jedoch
auch andere Materialien vorgesehen sein, insbesondere Germanium,
sowie polykristallines Silizium. Mit LIGA-Technik auch Kupfer, Silber.
Zur achten ist selbstverständlich
erfindungsgemäß auf eine
gute Leitfähigkeit
des Materials der Masse 1 und des ersten Federelements 2 bzw,
des zweiten Federelements 30 bzw. generell alle Elemente,
welche der Stromleitung bei einer Kontaktgabe des Schalters dienen.