EP1191559A2 - Micro-switch and method of manufacturing the same - Google Patents
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- EP1191559A2 EP1191559A2 EP01120498A EP01120498A EP1191559A2 EP 1191559 A2 EP1191559 A2 EP 1191559A2 EP 01120498 A EP01120498 A EP 01120498A EP 01120498 A EP01120498 A EP 01120498A EP 1191559 A2 EP1191559 A2 EP 1191559A2
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Definitions
- the present invention relates to a microswitch at least two electrically conductive, with external circuit units connectable contact elements, their relative Position relative to each other can be changed by an impressed magnetic force is, wherein at least one magnetizable contact element is movably mounted, so that at least two switching states are adjustable.
- the invention also relates to a method for manufacturing of such a microswitch.
- EP 0 874 379 A1 describes a magnetically operated Microswitch and a manufacturing process therefor described.
- the microswitch shown has two contact elements, which are arranged parallel to a substrate surface are. However, these contact elements are different Levels formed, so that relatively many manufacturing steps must be executed. When the magnetic force acts the movable contact element perpendicular to the substrate surface be moved.
- microswitches that are as small as possible are constantly increasing, because new fields of application are constantly being developed.
- microswitch are used, for example, to monitor the status of housing flaps, keyboard covers, etc. used.
- microswitches can be used for level indicators Monitoring the end position of moving elements in automation technology and as sensors in security technology are used, but here are only a few possible fields of application were called.
- the magnetic force acting on the contact elements is at a given magnetic field approximately square depending on the thickness of the respective contact elements. If you consider the contact element as a leaf spring at the same time, this increases from the deformation of the leaf spring resulting restoring force approximately cubic with the thickness of the Spring on and falls approximately cubically with the length of the leaf spring.
- the magnetic force F M and the restoring force F R are directed in opposite directions.
- the difference between the magnetic force and the restoring force results in the contact force F K , which must not fall below a predetermined value in order to produce a correspondingly low electrical contact resistance between the contact elements. If the contact elements are to be shortened, the thickness of the contact elements must be reduced accordingly so that the restoring force does not become too great. However, this also reduces the magnetic force and thus the resulting contact force. It is generally assumed that the contact force F K should not be less than 1 mN. The size of the air gap remaining between the contact elements cannot be reduced to a certain extent if a given dielectric strength is to be maintained.
- a microswitch solved in which at least the magnetizable contact element is designed as a thin plate that is substantially parallel is movable to a carrier substrate, and that both Contact elements in a plane parallel to the carrier substrate are arranged, each having a side surface of the contact elements serves as a button.
- This structure of the microswitch enables another Reduction of the external dimensions as it is due to the special Construction of the contact elements succeeds, sufficiently high Provide contact forces, although the magnetic force is relative is small.
- the proposed structure enables Manufacture of the microswitch using in the Semiconductor technology or microsystem technology usual process technologies saving procedural steps, since the Contact elements are arranged in one plane and thereby in same cycle can be produced. Deviating from known solutions, the contact elements are not vertical but moved parallel to the substrate surface.
- a particularly preferred embodiment of the microswitch is characterized in that both contact elements designed as magnetizable plates with movable bearings are in a plane parallel to the carrier substrate lie and over spacers with the through contacts are connected.
- the two contact elements are preferably largely identical, which also makes the production of the microswitch is simplified. In these embodiments will have the benefits of providing a sufficiently high contact force is particularly effective because of both contact elements the magnetic force acts and in both Contact elements only a relatively low restoring force (based on the size of the contact elements) compensated must become.
- the contact elements are preferably made made of thin metallic layers with soft magnetic Characteristics.
- the spring elements can be meandering be formed, each with one or more meanders be provided depending on the desired spring action. In this context it should be noted that the restoring force must not be too small to adhere to prevent the buttons.
- the spring elements can also be designed as parallel springs or with one Joint can be combined if the contact elements to Carry out an angular or rotary movement should.
- the method steps mentioned are under Application of technologies known from semiconductor technology carried out.
- microswitch For permanent use of the microswitch and It is protection of the buttons against erosion and corrosion expedient to encapsulate the microswitch in a housing, which is filled with protective gas. It can also be useful be the formwork surfaces with a special contact material (e.g. gold, palladium-nickel).
- a special contact material e.g. gold, palladium-nickel
- Fig. 1 shows a simplified perspective view a carrier substrate 1, which is the base plate of a microswitch forms.
- the carrier substrate 1 consists of electrical non-conductive material, such as silicon dioxide, if the microswitch on a section of a conventional one Wafer is manufactured.
- the Microswitch has only two contact elements. There are however, embodiments are also possible in which several Contact elements are used.
- the carrier substrate 1 has that shown in FIG. 1 Example two through holes, one in each Through contact 2 is positioned, which is made of electrical conductive material, mostly a special metal alloy, consists. Are on the underside of the carrier substrate 1 Connection points 3 are provided, which are electrically connected to the through contacts 2 are connected.
- the connection points 3 serve the subsequent contacting of the microswitch with external ones Components or circuit units.
- the connection points 3 be designed as soldering points when the Microswitch used as an SMD component on printed circuit boards becomes.
- the through holes can be used in the manufacture of the microswitch by etching or by laser processing in the Carrier substrate 1 are introduced.
- the through contacts 2 in a further process step in the through holes arranged.
- spacers 5 are formed over the through contacts, which consist of electrically conductive material and are electrically connected to the through contacts 2.
- the Spacers 5 rise after the completion of the Microswitch over the carrier substrate 1 to an air gap between the contact elements and the carrier substrate 1 provide. This air gap primarily serves the unhindered Movement of the contact elements.
- the generation of the Spacers and the contact elements on the carrier substrate is described in more detail below.
- Fig. 2 shows the completed in a perspective view Microswitch, one conveniently to be provided Housing is not shown.
- two contact elements 6 are arranged, which consist of electrically conductive material exist, which additionally should have good magnetic properties since the microswitch actuated by an external magnetic force becomes.
- a soft magnetic material i.e. height Permeability ⁇ , low remanence and low coercivity.
- Each contact element 6 consists of a plate 7, an air gap 8 in the non-actuated state exists between the two plates 7, which should be large enough must to prevent voltage flashovers. The end faces the plates 7 thus form the buttons of the contact elements.
- Each plate 7 is connected to a spring element 10 Bearing 11 attached.
- the spring element 10 a double-sided meandering spring, the a movement of the adjoining plate 7 in the longitudinal direction allows.
- the camp 11 is attached to the spacer, creating a good electrical Connection is ensured.
- the excess material areas can be etched or cut out by laser processing become. With other methods, the required Material areas or structures through application processes generated.
- a magnetic field with a the plates move in a suitable field orientation 7 towards each other, as shown by the center Arrow is shown.
- the movement takes place in parallel to the surface of the carrier substrate.
- the air gap 8 will closed and the two buttons on the End faces of the plates 7 make electrical contact ago. If the magnetic force no longer acts, they cause restoring forces provided by the spring elements 10 a backward movement so that the buttons the plates 7 are separated from each other.
- the special one Design of the spring elements 10 enables relatively small Restoring forces so that the induced in the plates 7 Magnetic force is sufficiently large to the required contact force to provide at the buttons.
- Fig. 3 shows a simplified view from above modified embodiment of the contact elements, the Carrier substrate 1 is not shown.
- the contact elements each consist of plates 7, on the end face the buttons are formed, each a spring element 10, which is designed as a double meander spring, and assigned bearings 11.
- the special feature is this Embodiment in that the spring element 10 only on one Side is positioned and on the other side of the contact element a film joint 15 is provided in each case.
- the Buttons of the plates 7 are again opposite one another, however, they run obliquely to the longitudinal extent of the contact elements.
- the air gap 8 is thus also arranged obliquely.
- FIG. 4 shows the two contact elements from FIG. 3 in one State in which the buttons make electrical contact have produced, i.e. a magnetic force on the contact elements acts.
- a magnetic force on the contact elements acts.
- the two spring elements 10 deformed so that a rotational movement around the film joints 15. Move the two buttons towards each other until they have the desired contact force be pressed together.
- FIG. 5 Another modified embodiment of the contact elements 5 is a simplified top view of FIG. 5 shown.
- the contact elements formed here correspond largely the embodiment of FIG. 2, however the spring elements 10 designed as double meander springs. By these changed spring elements changes the resulting one Spring constant for the force-displacement characteristic of the spring element is characteristic.
- FIG. 6 shows the contact elements from FIG. 5 in a position, in which the front buttons of the panels 7 are electrically contacted, i.e. the magnetic force acts the contact elements.
- the front buttons of the panels 7 are electrically contacted, i.e. the magnetic force acts the contact elements.
- Fig. 7 shows a simplified view from above fourth embodiment of the contact elements.
- spring elements 10 two parallel springs are used here, the on the outside of the plates 7, the connection to the bearings 11 manufacture. Since the two contact elements at least would be arranged in sections next to each other same size of housing of the microswitch a reduction the magnetically effective surface of the plates 7, so that the effective magnetic force is also reduced.
- About the downsizing to compensate for the area at least partially extends between each of the parallel springs 10 tongue-shaped extension 18 of the plates 7. On the restoring force the tongue-shaped extension 18 has none Influence, since it is not part of the parallel springs 10. However, it increases the resulting magnetic force, which results in ultimately a higher contact force on the buttons results.
- the embodiment shown in Fig. 7 forms a section of the side faces of the plates 7 the button so that the air gap 8 parallel to the longitudinal extent the contact elements runs.
- Fig. 8 the contact elements from Fig. 7 are in one position shown in which the buttons of the plates 7 touch each other and make the electrical contact.
- the magnetic force field act in a different direction must, as is the case with the aforementioned embodiments was.
- the contact elements There are other design forms of the contact elements possible. It should always be noted that the spring elements are designed so that a sufficiently high contact force results.
- FIG. 9 shows several sectional views of different ones Stages in a manufacturing process to form several Microswitches on the carrier substrate. Based on this Sectional views become a preferred variant of the method described for the manufacture of the microswitch.
- the electrical non-conductive carrier substrate 1 through holes introduced, in which the through contacts 2 are arranged.
- a sacrificial layer 22 fully applied in the areas of through contacts 2 is selectively removed. Serves as the sacrificial layer 22 for example aluminum.
- photo etching techniques can be used.
- a third method section 23 no further increase structuring start layer 24 applied.
- the starting layer 24 in turn consists of electrically conductive material, so that an electrical connection to the through contacts 2 is maintained.
- a photoresist layer 26 on the starting layer 24 applied according to the desired structures of the Contact elements exposed and by developing the photoresist layer 26 structured.
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikroschalter mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen, mit externen Schaltungseinheiten verbindbaren Kontaktelementen, deren relative Position zueinander durch eine eingeprägte Magnetkraft veränderbar ist, wobei mindestens ein magnetisierbares Kontaktelement beweglich gelagert ist, so daß mindestens zwei Schaltzustände einstellbar sind.The present invention relates to a microswitch at least two electrically conductive, with external circuit units connectable contact elements, their relative Position relative to each other can be changed by an impressed magnetic force is, wherein at least one magnetizable contact element is movably mounted, so that at least two switching states are adjustable.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikroschalters.The invention also relates to a method for manufacturing of such a microswitch.
Mit fortschreitender Miniaturisierung in verschiedensten Bereichen der Technik besteht seit langem ein erhöhter Bedarf an elektromechanischen Schaltern, die einerseits sichere Schaltfunktionen bereitstellen und andererseits eine mehr und mehr reduzierte Baugröße besitzen. Häufig werden Relais eingesetzt oder auch sogenannte Reed-Kontakte, bei denen mindestens zwei elektrische Kontaktelemente durch eine Magnetkraft zueinander bewegt werden, um eine elektrische Verbindung herzustellen bzw. diese zu trennen. Auf die Art der Bereitstellung der magnetischen Betätigungskraft kommt es an sich nicht an. Die Magnetkraft kann das Ergebnis eines erzeugten elektromagnetischen Feldes sein oder von einem geeignet positionierten Permanentmagneten bereitgestellt werden. Entscheidend ist immer die Lage und Verteilung des magnetischen Feldes relativ zu den Kontaktelementen. Daher können Reed-Kontakte auch als auf Magnetfeldänderungen reagierende Sensoren mit Schaltfunktionen angesehen werden. Um höhere elektrische Leistungen schalten zu können und die Lebensdauer der Schaltflächen zu erhöhen, werden die Kontaktelemente häufig in einer Schutzgasatmosphäre betrieben.With advancing miniaturization in various Areas of technology have long been in need on electromechanical switches that are safe on the one hand Provide switching functions and on the other hand a more and have more reduced size. Relays are common used or so-called reed contacts, where at least two electrical contact elements by one Magnetic force can be moved to an electrical one Establish connection or disconnect. In the way it comes to providing the magnetic actuation force not in itself. The magnetic force can be the result of one generated electromagnetic field or from one suitably positioned permanent magnets provided become. The location and distribution of the magnetic field relative to the contact elements. Therefore can also use reed contacts as a response to magnetic field changes responding sensors with switching functions can be viewed. To be able to switch higher electrical outputs and the The contact elements increase the lifespan of the buttons often operated in a protective gas atmosphere.
Die DE 198 00 189 A1 zeigt einen mikromechanischen Schalter, bei dem versucht wurde, die Schaltelemente zu miniaturisieren, um die Baugröße des Schalters zu reduzieren. Dieser Schalter soll unter Anwendung von aus der Halbleitertechnik bekannten Herstellungsverfahren herstellbar sein. Ein Hauptproblem dieses bekannten mikromechanischen Schalters besteht in seinem relativ komplizierten Aufbau, so daß eine Vielzahl von Verfahrensschritten notwendig werden, wodurch die Herstellungskosten steigen.DE 198 00 189 A1 shows a micromechanical switch, in which an attempt was made to miniaturize the switching elements, to reduce the size of the switch. This Switch is designed using semiconductor technology Known manufacturing processes can be produced. A major problem this known micromechanical switch in its relatively complicated structure, so that a variety of procedural steps become necessary, whereby the Manufacturing costs increase.
Auch aus der DE 196 46 667 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Relais bekannt. Das Verfahren ist ebenfalls aufwendig und damit kostenintensiv, da die auszubildenden Strukturen des Relais kompliziert sind.DE 196 46 667 C2 also describes a process for the production of a micromechanical relay known. The procedure is also complex and therefore expensive because the structures of the relay to be trained are complicated.
In der EP 0 874 379 A1 ist ein magnetisch zu betätigender Mikroschalter und ein Herstellungsverfahren für diesen beschrieben. Der gezeigte Mikroschalter besitzt zwei Kontaktelemente, die parallel zu einer Substratoberfläche angeordnet sind. Diese Kontaktelemente sind jedoch in unterschiedlichen Ebenen ausgebildet, so daß relativ viele Herstellungsschritte ausgeführt werden müssen. Beim Einwirken der Magnetkraft muß das bewegliche Kontaktelement senkrecht zur Substratoberfläche bewegt werden.EP 0 874 379 A1 describes a magnetically operated Microswitch and a manufacturing process therefor described. The microswitch shown has two contact elements, which are arranged parallel to a substrate surface are. However, these contact elements are different Levels formed, so that relatively many manufacturing steps must be executed. When the magnetic force acts the movable contact element perpendicular to the substrate surface be moved.
Der Bedarf an möglichst kleinen Mikroschaltern steigt stetig, da immer neue Anwendungsfelder erschlossen werden. Mikroschalter werden beispielsweise zur Überwachung des Zustands von Gehäuseklappen, Tastaturabdeckungen u.ä. verwendet. Außerdem können Mikroschalter bei Füllstandsanzeigen, zur Überwachung der Endlage von bewegten Elementen in der Automatisierungstechnik und als Sensoren in der Sicherheitstechnik eingesetzt werden, wobei hier nur einige mögliche Anwendungsfelder genannt wurden.The need for microswitches that are as small as possible is constantly increasing, because new fields of application are constantly being developed. microswitch are used, for example, to monitor the status of housing flaps, keyboard covers, etc. used. In addition, microswitches can be used for level indicators Monitoring the end position of moving elements in automation technology and as sensors in security technology are used, but here are only a few possible fields of application were called.
Es besteht insbesondere ein Bedarf an einem Mikroschalter, der besonders klein gestaltet ist. Bisher schien das Miniaturisierungspotential ausgeschöpft zu sein, da zur Bereitstellung eines elektrischen Kontakts mit ausreichend geringem Übergangswiderstand eine Mindestkontaktkraft erforderlich ist, die bei zu kleinen Kontaktelementen nicht mehr aufgebracht werden kann oder zu starke Magnetfelder erfordern würde. Zum Verständnis der Grenzen der Miniaturisierung werden nachfolgend einige mathematischen Grundbeziehungen erläutert.There is a particular need for a microswitch which is particularly small. So far, the miniaturization potential seemed to be exhausted as there is provision of an electrical contact with a sufficiently low level Contact resistance requires a minimum contact force is no longer applied if the contact elements are too small can become or require too strong magnetic fields would. To understand the limits of miniaturization are some basic mathematical relationships below explained.
Die auf die Kontaktelemente einwirkende Magnetkraft ist bei einem gegebenen Magnetfeld näherungsweise direkt quadratisch von der Dicke der jeweiligen Kontaktelemente abhängig. Betrachtet man das Kontaktelement gleichzeitig als Blattfeder, so steigt die sich aus der Verformung der Blattfeder ergebende Rückstellkraft in etwa kubisch mit der Dicke der Feder an und fällt etwa kubisch mit der Länge der Blattfeder.The magnetic force acting on the contact elements is at a given magnetic field approximately square depending on the thickness of the respective contact elements. If you consider the contact element as a leaf spring at the same time, this increases from the deformation of the leaf spring resulting restoring force approximately cubic with the thickness of the Spring on and falls approximately cubically with the length of the leaf spring.
Die Magnetkraft FM und die Rückstellkraft FR sind entgegengesetzt gerichtet. Die Differenz aus Magnetkraft und Rückstellkraft ergibt die Konktaktkraft FK, die einen vorgegebenen Wert nicht unterschreiten darf, um einen entsprechenden niedrigen elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Kontaktelementen herzustellen. Sofern eine Verkürzung der Kontaktelemente angestrebt wird, muß die Dicke der Kontaktelemente entsprechend verringert werden, damit die Rückstellkraft nicht zu groß wird. Dadurch verkleinert sich jedoch auch die Magnetkraft und damit die sich ergebende Konktaktkraft. Allgemein geht man davon aus, daß die Kontaktkraft FK einen Wert von 1 mN nicht unterschreiten sollte. Auch die Größe des zwischen den Kontaktelementen verbleibenden Luftspaltes kann nicht unter ein bestimmtes Maß reduziert werden, wenn eine gegebene Spannungsfestigkeit aufrechterhalten werden soll.The magnetic force F M and the restoring force F R are directed in opposite directions. The difference between the magnetic force and the restoring force results in the contact force F K , which must not fall below a predetermined value in order to produce a correspondingly low electrical contact resistance between the contact elements. If the contact elements are to be shortened, the thickness of the contact elements must be reduced accordingly so that the restoring force does not become too great. However, this also reduces the magnetic force and thus the resulting contact force. It is generally assumed that the contact force F K should not be less than 1 mN. The size of the air gap remaining between the contact elements cannot be reduced to a certain extent if a given dielectric strength is to be maintained.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Mikroschalter bereitzustellen, der aufgrund einer speziellen konstruktiven Gestaltung eine weitere Verkleinerung dieses Mikroschalters ermöglicht. Gleichzeitig besteht eine Aufgabe darin, diesen Mikroschalter so zu gestalten, daß eine einfache Herstellung unter Anwendung lithographischer Verfahren möglich ist. Schließlich soll durch die Erfindung ein Verfahren angegeben werden, mit dem ein solcher Mikroschalter zweckmäßig herstellbar ist. Dabei wird eine Reduzierung der notwendigen Verfahrensschritte angestrebt.It is therefore an object of the present invention to to provide a microswitch that due to a special constructive design a further reduction this microswitch enables. At the same time a task in designing this microswitch so that a simple production using lithographic Procedure is possible. Finally, by the invention a method can be specified with which such a microswitch is expediently producible. Doing so will result in a reduction of the necessary procedural steps.
Diese und weitere Aufgaben werden durch einen Mikroschalter gelöst, bei dem zumindest das magnetisierbare Kontaktelement als dünne Platte ausgebildet ist, die im wesentlichen parallel zu einem Trägersubstrat beweglich ist, und daß beide Kontaktelemente in einer Ebene parallel zum Trägersubstrat angeordnet sind, wobei jeweils eine Seitenfläche der Kontaktelemente als Schaltfläche dient.These and other tasks are performed by a microswitch solved, in which at least the magnetizable contact element is designed as a thin plate that is substantially parallel is movable to a carrier substrate, and that both Contact elements in a plane parallel to the carrier substrate are arranged, each having a side surface of the contact elements serves as a button.
Dieser Aufbau des Mikroschalters ermöglicht eine weitere Verkleinerung der äußeren Abmaße, da es durch die spezielle Konstruktion der Kontaktelemente gelingt, ausreichend hohe Kontaktkräfte bereitzustellen, obwohl die Magnetkraft relativ klein ist. Außerdem ermöglicht der vorgeschlagene Aufbau die Herstellung des Mikroschalters unter Anwendung von in der Halbleitertechnik bzw. Mikrosystemtechnik üblichen Verfahrenstechnologien bei Einsparung von Verfahrensschritte, da die Kontaktelemente in einer Ebene angeordnet sind und dadurch im gleichen Zyklus hergestellt werden können. Abweichend von bekannten Lösungen werden die Kontaktelemente nicht senkrecht sondern parallel zur Substratoberfläche bewegt.This structure of the microswitch enables another Reduction of the external dimensions as it is due to the special Construction of the contact elements succeeds, sufficiently high Provide contact forces, although the magnetic force is relative is small. In addition, the proposed structure enables Manufacture of the microswitch using in the Semiconductor technology or microsystem technology usual process technologies saving procedural steps, since the Contact elements are arranged in one plane and thereby in same cycle can be produced. Deviating from known solutions, the contact elements are not vertical but moved parallel to the substrate surface.
Eine besonders zu bevorzugende Ausführungsform des Mikroschalters zeichnet sich dadurch aus, daß beide Kontaktelemente als magnetisierbare beweglich gelagerte Platten ausgebildet sind, die in einer Ebene parallel zum Trägersubstrat liegen und über Distanzstücke mit den Durchgangskontakten verbunden sind. Vorzugsweise sind die beiden Kontaktelemente weitgehend identisch aufgebaut, wodurch auch die Herstellung des Mikroschalters vereinfacht wird. Bei diesen Ausführungsformen werden die Vorteile bezüglich der Bereitstellung einer ausreichend hohen Kontaktkraft besonders wirksam, da auf beide Kontaktelemente die Magnetkraft einwirkt und bei beiden Kontaktelementen nur eine relativ geringe Rückstellkraft (bezogen auf die Größe der Kontaktelemente) kompensiert werden muß.A particularly preferred embodiment of the microswitch is characterized in that both contact elements designed as magnetizable plates with movable bearings are in a plane parallel to the carrier substrate lie and over spacers with the through contacts are connected. The two contact elements are preferably largely identical, which also makes the production of the microswitch is simplified. In these embodiments will have the benefits of providing a sufficiently high contact force is particularly effective because of both contact elements the magnetic force acts and in both Contact elements only a relatively low restoring force (based on the size of the contact elements) compensated must become.
Zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses ist es besonders vorteilhaft, wenn die magnetisierbaren Platten über Federelemente mit Lagern verbunden sind, die ihrerseits an den Distanzstücken befestigt sind, wobei Platten, Federelemente und Lager einstückig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind. Die Kontaktelemente bestehen vorzugsweise aus dünnen metallischen Schichten mit weichmagnetischen Eigenschaften.It is special to simplify the manufacturing process advantageous if the magnetizable plates via spring elements are connected to camps, which in turn on the Spacers are attached, with plates, spring elements and bearing in one piece from an electrically conductive material are formed. The contact elements are preferably made made of thin metallic layers with soft magnetic Characteristics.
Für die Ausgestaltung der Federelemente kommen verschiedene Gestaltungen in Frage. Die Federelemente können mäanderförmig ausgebildet sein, wobei jeweils eine oder mehrere Mäander vorgesehen werden, in Abhängigkeit von der gewünschten Federwirkung. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Rückstellkraft nicht zu klein sein darf, um ein Anhaften der Schaltflächen zu verhindern. Die Federelemente können auch als Parallelfedern ausgebildet sein oder mit einem Gelenk kombiniert werden, wenn die Kontaktelemente zum Schaltvorgang eine Winkel- bzw. Drehbewegung ausführen sollen.Various come for the design of the spring elements Designs in question. The spring elements can be meandering be formed, each with one or more meanders be provided depending on the desired spring action. In this context it should be noted that the restoring force must not be too small to adhere to prevent the buttons. The spring elements can also be designed as parallel springs or with one Joint can be combined if the contact elements to Carry out an angular or rotary movement should.
Die o.g. Aufgaben der Erfindung werden auch durch ein Herstellungsverfahren für einen Mikroschalter gelöst, welches die folgenden Schritte umfaßt:
- Bereitstellen eines elektrisch nicht leitfähigen Trägersubstrats;
- Einbringen von Durchgangslöchern in das Trägersubstrat;
- Anordnen von Durchgangskontakten in den Durchgangslöchern;
- Erzeugen von elektrisch leitenden Distanzstücken auf den Durchgangskontakten, die über das Trägersubstrat hinausragen;
- Herstellen von zwei in einer Ebene liegenden Kontaktelementen mit Platten, Federelementen, Lagern an den Distanzstücken und sich gegenüberstehenden Schaltflächen.
- Providing an electrically non-conductive carrier substrate;
- Introducing through holes into the carrier substrate;
- Arranging through contacts in the through holes;
- Creating electrically conductive spacers on the through contacts, which protrude beyond the carrier substrate;
- Manufacture of two contact elements lying in one plane with plates, spring elements, bearings on the spacers and opposing buttons.
Vorzugsweise werden die genannten Verfahrensschritte unter Anwendung von aus der Halbleitertechnik bekannten Technologien durchgeführt.Preferably, the method steps mentioned are under Application of technologies known from semiconductor technology carried out.
Für eine dauerhafte Anwendung des Mikroschalters und zum Schutz der Schaltflächen vor Abbrand und Korrosion ist es zweckmäßig, den Mikroschalter in einem Gehäuse zu kapseln, welches mit Schutzgas gefüllt ist. Außerdem kann es zweckmäßig sein, die Schalflächen mit einem speziellen Kontaktmaterial (z.B. Gold, Palladium-Nickel) zu beschichten. For permanent use of the microswitch and It is protection of the buttons against erosion and corrosion expedient to encapsulate the microswitch in a housing, which is filled with protective gas. It can also be useful be the formwork surfaces with a special contact material (e.g. gold, palladium-nickel).
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Trägersubstrat eines Mikroschalters;
- Fig. 2
- in einer perspektivischen Ansicht einen Mikroschalter mit Kontaktelementen, jedoch ohne Gehäuse;
- Fig. 3
- in einer vereinfachten Ansicht von oben die Kontaktelemente gemäß einer abgewandelten Ausführungsform mit einem Filmgelenk;
- Fig. 4
- die Kontaktelemente aus Fig. 3 in einer Position mit kontaktierten Schaltflächen;
- Fig. 5
- in einer vereinfachten Ansicht von oben eine abgewandelte Ausführungsform der Kontaktelemente mit Doppelmäanderfeder;
- Fig. 6
- die Kontaktelemente aus Fig. 5 in einer Position mit kontaktierten Schaltflächen;
- Fig. 7
- in einer vereinfachten Ansicht von oben eine nochmals abgewandelte Ausführungsform von Kontaktelementen mit Parallelfedern;
- Fig. 8
- die Kontaktelemente aus Fig. 7 in einer Position mit kontaktierten Schaltflächen;
- Fig. 9
- Schnittansichten mehrerer Stufen in einem Herstellungsprozeß zur Ausbildung von Mikroschaltern auf dem Trägersubstrat.
- Fig. 1
- a carrier substrate of a microswitch;
- Fig. 2
- in a perspective view a microswitch with contact elements, but without a housing;
- Fig. 3
- in a simplified view from above, the contact elements according to a modified embodiment with a film hinge;
- Fig. 4
- the contact elements of Figure 3 in a position with contacted buttons.
- Fig. 5
- in a simplified view from above, a modified embodiment of the contact elements with a double meander spring;
- Fig. 6
- the contact elements of Figure 5 in a position with contacted buttons.
- Fig. 7
- in a simplified view from above another modified embodiment of contact elements with parallel springs;
- Fig. 8
- the contact elements of Figure 7 in a position with contacted buttons.
- Fig. 9
- Sectional views of several stages in a manufacturing process for forming microswitches on the carrier substrate.
Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht
ein Trägersubstrat 1, welches die Grundplatte eines Mikroschalters
bildet. Das Trägersubstrat 1 besteht aus elektrisch
nicht leitendem Material, beispielsweise Siliziumdioxyd, wenn
der Mikroschalter auf einem Abschnitt eines herkömmlichen
Wafer hergestellt wird.Fig. 1 shows a simplified perspective view
a
Bei den nachfolgenden Erläuterungen wird angenommen, daß der Mikroschalter lediglich zwei Kontaktelemente besitzt. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei denen mehrere Kontaktelemente eingesetzt werden.In the following explanations, it is assumed that the Microswitch has only two contact elements. There are however, embodiments are also possible in which several Contact elements are used.
Das Trägersubstrat 1 besitzt in dem in Fig. 1 dargestellten
Beispiel zwei Durchgangsbohrungen, in denen jeweils ein
Durchgangskontakt 2 positioniert ist, der aus elektrisch
leitfähigem Material, zumeist eine spezielle Metallegierung,
besteht. An der Unterseite des Trägersubstrats 1 sind
Anschlußpunkte 3 vorgesehen, die elektrisch mit den Durchgangskontakten
2 verbunden sind. Die Anschlußpunkte 3 dienen
der späteren Kontaktierung des Mikroschalters mit externen
Bauelementen bzw. Schaltungseinheiten. Beispielsweise können
die Anschlußpunkte 3 als Lötpunkte ausgebildet sein, wenn der
Mikroschalter als SMD-Bauelement auf Leiterplatten eingesetzt
wird.The
Bei der Herstellung des Mikroschalters können die Durchgangsbohrungen
durch Ätzen oder durch Laserbearbeitung in das
Trägersubstrat 1 eingebracht werden. Die Durchgangskontakte 2
werden in einem weiteren Verfahrensschritt in den Durchgangsbohrungen
angeordnet. An der Oberseite des Trägersubstrats 1
werden über den Durchgangskontakten 2 Distanzstücke 5 ausgebildet,
die aus elektrisch leitfähigem Material bestehen und
elektrisch mit den Durchgangskontakten 2 verbunden sind. Die
Distanzstücke 5 erheben sich nach der Fertigstellung des
Mikroschalters über das Trägersubstrat 1, um einen Luftspalt
zwischen den Kontaktelementen und dem Trägersubstrat 1
bereitzustellen. Dieser Luftspalt dient vor allem der ungehinderten
Bewegung der Kontaktelemente. Die Erzeugung der
Distanzstücke und der Kontaktelemente auf dem Trägersubstrat
wird unten noch ausführlicher beschrieben.The through holes can be used in the manufacture of the microswitch
by etching or by laser processing in the
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht den komplettierten
Mikroschalter, wobei ein zweckmäßigerweise vorzusehendes
Gehäuse nicht dargestellt ist. Oberhalb der Distanzstücke
5 sind zwei Kontaktelemente 6 angeordnet, die aus
elektrisch leitfähigem Material bestehen, welches zusätzlich
gute magnetische Eigenschaften aufweisen soll, da der Mikroschalter
durch eine von außen einwirkende Magnetkraft betätigt
wird. Vorzugsweise wird für die Herstellung der Kontaktelemente
ein weichmagnetischer Werkstoff verwendet, d.h. hohe
Permeabilität µ, geringe Remanenz und geringe Koerzitivfeldstärke.
Jedes Kontaktelement 6 besteht aus einer Platte 7,
wobei hier im nicht betätigten Zustand ein Luftspalt 8
zwischen den beiden Platten 7 besteht, der groß genug sein
muß, um Spannungsüberschläge zu verhindern. Die Stirnseiten
der Platten 7 bilden damit die Schaltflächen der Kontaktelemente.
Jede Platte 7 ist über ein Federelement 10 an einem
Lager 11 befestigt.Fig. 2 shows the completed in a perspective view
Microswitch, one conveniently to be provided
Housing is not shown. Above the
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Beispiel ist das Federelement
10 eine zweiseitig mäanderförmig geführte Feder, die
eine Bewegung der daran anschließenden Platte 7 in Längsrichtung
ermöglicht. Wie oben erwähnt, besteht zwischen der
Platte 7 und dem Trägersubstrat 1 ebenfalls ein Luftspalt,
der eine freie Bewegung der Platte 7 ermöglicht. Das Lager 11
ist auf dem Distanzstück befestigt, wodurch eine gute elektrische
Verbindung sichergestellt ist. Die Struktur des
Kontaktelements, also die Unterteilung in Platte 7, Federelement
10 und Lager 11, kann wiederum durch Verfahrensschritte
erfolgen, die allgemein aus der Mikrosystemtechnik bzw. der
Halbleitertechnik bekannt sind. Die überschüssigen Materialbereiche
können geätzt oder durch Laserbearbeitung ausgeschnitten
werden. Bei anderen Verfahren werden die benötigten
Materialbereiche bzw. Strukturen durch auftragende Verfahren
erzeugt.In the example shown in FIG. 2, the spring element
10 a double-sided meandering spring, the
a movement of the adjoining
Wenn auf die Kontaktelemente 6 ein Magnetfeld mit einer
geeigneten Feldausrichtung einwirkt, bewegen sich die Platten
7 aufeinander zu, wie dies durch den mittig angeordneten
Pfeil dargestellt ist. Die Bewegung erfolgt dabei parallel
zur Oberfläche des Trägersubstrats. Der Luftspalt 8 wird
dadurch geschlossen und die beiden Schaltflächen an den
Stirnseiten der Platten 7 stellen einen elektrischen Kontakt
her. Wenn die Magnetkraft nicht mehr einwirkt, bewirken die
von den Federelementen 10 bereitgestellten Rückstellkräfte
eine rückwärts gerichtete Bewegung, so daß die Schaltflächen
der Platten 7 voneinander getrennt werden. Die besondere
Gestaltung der Federelemente 10 ermöglicht relativ geringe
Rückstellkräfte, so daß die in den Platten 7 induzierte
Magnetkraft ausreichend groß ist, um die benötigte Kontaktkraft
an den Schaltflächen bereitzustellen.If a magnetic field with a
the plates move in a
Fig. 3 zeigt in einer vereinfachten Ansicht von oben eine
abgewandelte Ausführungsform der Kontaktelemente, wobei das
Trägersubstrat 1 nicht dargestellt ist. Die Kontaktelemente
bestehen wiederum jeweils aus Platten 7, an deren Stirnseite
die Schaltflächen ausgebildet sind, jeweils einem Federelement
10, welches als Doppelmäanderfeder gestaltet ist, und
zugeordneten Lagern 11. Die Besonderheit besteht bei dieser
Ausführungsform darin, daß das Federelement 10 nur auf einer
Seite positioniert ist und auf der anderen Seite des Kontaktelements
jeweils ein Filmgelenk 15 vorgesehen ist. Die
Schaltflächen der Platten 7 liegen sich wiederum gegenüber,
jedoch verlaufen sie schräg zur Längserstreckung der Kontaktelemente.
Der Luftspalt 8 ist damit ebenfalls schräg angeordnet.Fig. 3 shows a simplified view from above
modified embodiment of the contact elements, the
Fig. 4 zeigt die beiden Kontaktelemente aus Fig. 3 in einem
Zustand, in dem die Schaltflächen einen elektrischen Kontakt
hergestellt haben, also eine Magnetkraft auf die Kontaktelemente
einwirkt. Wenn diese Kraft vorhanden ist, werden die
beiden Federelemente 10 deformiert, so daß eine Drehbewegung
um die Filmgelenke 15 erfolgt. Die beiden Schaltflächen bewegen
sich aufeinander zu, bis sie mit der gewünschten Kontaktkraft
aneinander gepreßt werden.FIG. 4 shows the two contact elements from FIG. 3 in one
State in which the buttons make electrical contact
have produced, i.e. a magnetic force on the contact elements
acts. When this power is there, the
two
Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform der Kontaktelemente
ist in einer vereinfachten Ansicht von oben in Fig. 5
dargestellt. Die hier ausgebildeten Kontaktelemente entsprechen
weitgehend der Ausführungsform gemäß Fig. 2, jedoch sind
die Federelemente 10 als Doppelmäanderfedern gestaltet. Durch
diese veränderten Federelemente ändert sich die resultierende
Federkonstante, die für die Kraft-Weg-Kennlinie des Federelements
kennzeichnend ist.Another modified embodiment of the
Fig. 6 zeigt die Kontaktelemente aus Fig. 5 in einer Position,
in welcher die stirnseitigen Schaltflächen der Platten
7 elektrisch kontaktiert sind, d.h. die Magnetkraft wirkt auf
die Kontaktelemente ein. Zur besseren Verdeutlichung der
Bewegung der Platten und der Federelemente sind in Fig. 6
beide Schaltpositionen der Kontaktelemente gezeichnet.FIG. 6 shows the contact elements from FIG. 5 in a position,
in which the front buttons of the
Fig. 7 zeigt in einer vereinfachten Ansicht von oben eine
vierte Ausführungsform der Kontaktelemente. Als Federelemente
10 kommen hier jeweils zwei Parallelfedern zum Einsatz, die
an den Außenseiten der Platten 7 die Verbindung zu den Lagern
11 herstellen. Da die beiden Kontaktelemente zumindest
abschnittsweise nebeneinander angeordnet sind, würde sich bei
gleicher Gehäusegröße des Mikroschalters eine Verkleinerung
der magnetisch wirksamen Fläche der Platten 7 ergeben, so daß
auch die wirksame Magnetkraft reduziert wird. Um die Verkleinerung
der Fläche zumindest teilweise zu kompensieren
erstreckt sich zwischen den Parallelfedern 10 jeweils eine
zungenförmige Verlängerung 18 der Platten 7. Auf die Rückstellkraft
hat die zungenförmige Verlängerung 18 keinen
Einfluß, da sie nicht Bestandteil der Parallelfedern 10 ist.
Jedoch erhöht sie die resultierende Magnetkraft, woraus sich
letztlich eine höhere Kontaktkraft an den Schaltflächen
ergibt. Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform
bildet jeweils ein Abschnitt der Seitenflächen der Platten 7
die Schaltfläche, so daß der Luftspalt 8 parallel zur Längserstreckung
der Kontaktelemente verläuft.Fig. 7 shows a simplified view from above
fourth embodiment of the contact elements. As
In Fig. 8 sind die Kontaktelemente aus Fig. 7 in einer Position
dargestellt, in welcher die Schaltflächen der Platten 7
aneinander anliegen und den elektrischen Kontakt herstellen.
Der Fachmann wird erkennen, daß bei dieser Ausführungsform
das magnetischen Kraftfeld in einer anderen Richtung wirken
muß, als dies bei den vorgenannten Ausführungsformen der Fall
war. In Fig. 8 the contact elements from Fig. 7 are in one position
shown in which the buttons of the
Es sind weitere Gestaltungsformen der Kontaktelemente möglich. Zu beachten ist dabei immer, daß die Federelemente so ausgebildet sind, daß eine ausreichend hohe Kontaktkraft resultiert.There are other design forms of the contact elements possible. It should always be noted that the spring elements are designed so that a sufficiently high contact force results.
Fig. 9 zeigt mehrere Schnittansichten von verschiedenen Stufen in einem Herstellungsprozeß zur Ausbildung von mehreren Mikroschaltern auf dem Trägersubstrat. Anhand dieser Schnittansichten wird eine bevorzugte Variante des Verfahrens zur Herstellung der Mikroschalter beschrieben.9 shows several sectional views of different ones Stages in a manufacturing process to form several Microswitches on the carrier substrate. Based on this Sectional views become a preferred variant of the method described for the manufacture of the microswitch.
Im ersten Verfahrensabschnitt 20 werden in das elektrisch
nicht leitfähige Trägersubstrat 1 Durchgangslöcher eingebracht,
in denen die Durchgangskontakte 2 angeordnet werden.
Im zweiten Verfahrensabschnitt 21 wird eine Opferschicht 22
vollflächig aufgebracht, die in den Bereichen der Durchgangskontakte
2 selektiv entfernt wird. Als Opferschicht 22 dient
beispielsweise Aluminium. Zur Strukturierung der Opferschicht
können Fotoätztechniken eingesetzt werden. Nachfolgend wird
in einem dritten Verfahrensabschnitt 23 eine nicht weiter zu
strukturierende Startschicht 24 aufgebracht. Die Startschicht
24 besteht ihrerseits aus elektrisch leitfähigem Material, so
daß eine elektrische Verbindung zu den Durchgangskontakten 2
aufrechterhalten wird. In einem vierten Verfahrensabschnitt
25 wird auf die Startschicht 24 eine Fotolackschicht 26
aufgetragen, entsprechend den gewünschten Strukturen der
Kontaktelemente belichtet und durch Entwicklung der Fotolackschicht
26 strukturiert. Dadurch entstehen in der Fotolackschicht
26 Hohlräume 27, die einen Zugang zur Startschicht 24
ermöglichen. In einem fünften Verfahrensabschnitt 28 werden
die Hohlräume 27 durch mikrogalvanische Abscheidungstechniken
mit einem metallischen Material aufgefüllt, welches die
Kontaktelemente 6 ausbildet. Das Material der Startschicht 24
ist auf das Material der Kontaktelemente 6 abgestimmt, um
dieses galvanische Abscheiden zu ermöglichen. Die Kontaktelemente
6 können beispielsweise aus Nickel oder Nickel-Eisen-Legierungen
bestehen. Schließlich wird in einem sechsten
Verfahrensabschnitt 29 der überschüssige Fotolack entfernt.
Anschließend werden die freiliegenden Bereiche der Startschicht
24 entfernt. Ebenso können durch selektive Ätzprozesse
die dann frei zugänglichen Bereiche der Opferschicht 22
entfernt werden. Damit verbleiben die Kontaktelemente 6, die
in der bereits oben beschriebenen Weise strukturiert sind.
Zwischen den Durchgangskontakten 2 und den Kontaktelementen 6
bleiben Abschnitte der Startschicht zurück, die damit die
Distanzstücke 5 darstellen.In the
Zur Herstellung der beschriebenen Mikroschalter können aber auch abweichende Verfahren eingesetzt werden. To produce the microswitch described, however deviating processes can also be used.
- 11
- Trägersubstratcarrier substrate
- 22
- DurchgangskontaktVia contact
- 33
- Anschlußpunktconnection point
- 55
- Distanzstückspacer
- 66
- Kontaktelementcontact element
- 77
- Platteplate
- 88th
- Luftspaltair gap
- 1010
- Federelementspring element
- 1111
- Lagercamp
- 1515
- Filmgelenkfilm hinge
- 1818
- zungenförmige Verlängerungtongue-shaped extension
- 2020
- erster Verfahrensabschnittfirst stage of the procedure
- 2121
- zweiter Verfahrensabschnittsecond stage of the procedure
- 2222
- Opferschichtsacrificial layer
- 2323
- dritter Verfahrensabschnittthird stage of the procedure
- 2424
- Startschichtstarting layer
- 2525
- vierter Verfahrensabschnittfourth stage of the procedure
- 2626
- FotolackschichtPhotoresist layer
- 2727
- Hohlräumecavities
- 2828
- fünfter Verfahrensabschnittfifth stage of the procedure
- 2929
- sechster Verfahrensabschnittsixth stage of the procedure
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