BESCHLEUNIGUNGSSCHALTER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG

Beschleuniσunσsschalter und Verfahren zur Herstellung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungsschalter nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der deutschen Patentanmeldung 41 26 107 ist schon ein Beschleunigungsscl.alter bekannt, der jedoch erst bei einer Beschleunigung entgegen der Auslenkungsrichtung wieder in die Ausgangslage zurückkehrt. Aus der DE-Al 37 37 142 ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schalter aus Metall unter Verwendung einer polymeren Opferschicht beschrieben. Mohr et al beschreibt in Microsystems Technologies 90, International Conference on Microelectro, Opto, Mechanic Systems and Components Berlin, 10.-13. September 1990, Springer Verlag Seite 529 bis 537 die Herstellung von beweglichen Strukturen mit dem Liga-Verfahren unter Verwendung einer metallischen Opferschicht. Die Herstellung geeigneter Strukturen für den Beschleunigungsschalter aus Silizium wird beispielsweise von Fan et al., IEEE Trans. Electron Dev., vol.35, S.724 - 730,1988 beschrieben. Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleunigungsschalter zu schaffen, der eine kurze Reaktionszeit und eine definierte Schalt¬ schwelle besitzt und der hohen Sicherheitsanforderungen genügt. Dieser soll zum Einsatz in Sicherheitseinrichtungen in Fahrzeugen eingesetzt werden können. Die Aufgabe wird durch einen Schalter nach Anspruch 1 gelöst. Zum Schalten eines großen Stroms zum direkten Auslösen eines Sicherheitssystems kann der Schalter weitergebildet werden, wie in den weiteren Ansprüchen ausgeführt wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsschalter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Schalter bereits beim Unterschreiten einer Beschleunigungsschwelle in Auslöserichtung von selbst wieder öffnet.

Die Öffnung des Schalters erfolgt aus der rein mechanischen Kon¬ struktion, es sind daher keine zusätzlichen Stellglieder erforder¬ lich, die die Kosten erhöhen oder die Sicherheit beeinträchtigen.

Das Auslösen des Schaltvorganges erfolgt reibungs- und somit ver¬ schleißfrei. Aufgrund des erfindungsgemäßen Schalteffektes wird eine definierte Schaltschwelle und Kontaktkraft erzielt, wobei eine schleichende Kontaktgabe mit einem Undefinierten Ubergangsbereich zwischen dem offenen und geschlossen Schaltzustand weitgehend unter¬ drückt wird. Weiterhin stellt der Schalter ein einfaches mechani¬ sches System dar, das besonders robust ist und aufgrund seiner kleinen geometrischen Abmessungen besonders schnell schaltet. Durch das rein mechanische Wirkprinzip des Beschleunigungsschalters ist dieser unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, wie sie insbesondere in Kraftfahrzeugen auftreten können. Die Schalteigen¬ schaften wie Schaltschwelle, Kontaktkraft, Schaltweg und Schaltzeit sind dabei in weiten Bereichen durch die Formung der Feder einzu¬ stellen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Beschleunigungsschalter mit großer Präzision hergestellt werden können. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Vielzahl von Beschleunigungsschaltern parallel hergestellt werden können, sind die Herstellungskosten gering.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Beschleunigungsschalters möglich. Besonders einfach werden die Federn als Biegebalken ausgeführt, wobei das gewünschte nichtlineare Verhalten beispielsweise durch eine Krümmung der Federn erreicht wird. Durch entsprechende Auslegung des Federn läßt sich die Schaltschwelle und die Kontaktkraft des Sensors in weiten Grenzen durch das Design vorgeben. Da die Herstellungskosten pro Schalter von der verbrauchten Fläche abhängen, kann durch Anordnung der Federn in Ausnehmungen der seismischen Masse Platz gespart und somit die Herstellungskosten verringert werden. Bei geschlossenem Schalter fließt der Strom bei einer besonders einfachen Ausführungs¬ form vom Lagerblock über die Feder und die seismische Masse zum Kontaktblock. Durch Teilen des Kontaktblocks entsteht ein Schalter, bei dem der Strom vom einen Teil des Kontaktblocks über die seis¬ mische Masse zum anderen Teil des Kontaktblocks fließen kann. Der maximal zulässige Strom wird bei dieser Ausgestaltung des Be¬ schleunigungsschalters nicht von den geometrischen Abmessungen der Federn begrenzt. Durch die Aufteilung der seismischen Masse in einen Schwerkörper und einen Kontaktbalken wird es möglich, den Kontakt¬ schluß zwischen seismischer Masse und Kontaktblock zu verbessern. Durch die elastische Aufhängung des Kontaktbalkens wird sicherge- stellt, daß der Kontakt des Kontaktbalkens zu beiden Teilen des Kontaktblocks mit annähernd gleicher Kraft erfolgt. Durch die Ver¬ wendung eines Hebels zwischen dem Schwerkörper und dem Kontaktbalken kann die Kontaktkraft erhöht werden. Hierdurch kann bei ge¬ schlossenem Beschleunigungsschalter der elektrische Kontaktwider¬ stand soweit reduziert werden, daß ein großer Strom fließen kann. Der Beschleunigungsschalter kann somit verwendet werden, um große Leistungen, wie sie beispielsweise bei aktiven Personenschutz¬ systemen in Kraftfahrzeugen notwendig sind, zu schalten. Durch die Elastizität des Hebelwerks wird ferner ein besonders prellfreies Schalten des Schalters erreicht. Um dabei so wenig Fläche wie mög¬ lich zu verbrauchen, ist es bei großen Hebelverhältnissen oft günstig, wenn der Hebel als mehrstufiger Hebel ausgeführt wird. Wenn der Hebel ebenfalls an einer Feder aufgehängt ist, wird durch eine geeignete Wahl der Übersetztung die Kontaktkraft bei vorgegebenem Stellweg des Hebels optimiert. Der Übergangswiderstand des Schalters wird durch eine Edelmetallbeschichtung und durch Noppen verringert. Als Materialien sind besonders Silizium und Metalle für die Her¬ stellung der Schalter geeignet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Ausführung in großer Strukturhöhe im Vergleich zur Federdicke, ist eine große Selektivi¬ tät zur Richtung der Beschleunigung erreicht. Hierdurch wird eben¬ falls die Schaltung großer Ströme auf kleinem Raum ermöglicht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders einfach erfolgt die Fixierung von Lagerblock und Kontaktblock auf einem isolierenden Substrat durch Kleben. Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen geöffneten Beschleunigungsschalter in der Auf¬ sicht, Figur 2 den Beschleunigungsschalter nach Figur 1 in einer Seitenansicht, Figur 3 den BeschleunigungsSchalter nach Figur 1 und Figur 2 in geschlossenem Zustand, Figur 4 eine Weg-Beschleunigungs¬ kennlinie des Beschleunigungsschalters, Figur 5 ein Ausführungs¬ beispiel mit einem zweigeteilten Kontaktblock, Figur 6 die Her¬ stellung mittels Brennstrecken, Figur 7 ein Detail von Figur 6, Figur 8 die seismische Masse mit Ausnehmungen, Figur 9 einen Be¬ schleunigungsschalter mit einem Hebel, Figur 10 einen mehrstufigen Hebel und Figur 11 ein Ausführungsbeispiel mit einem mehrstufigen Hebel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Figur 1 ist eine Aufsicht und in der Figur 2 eine Seitenan¬ sicht auf einen erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalter bestehend aus einem Kontaktblock 3, zwei Lagerblöcken 6, einer seismischen Masse 10 und zwei Federn 1 gezeigt. Der Kontaktblock 3 und die Lagerblöcke 6 sind auf einem isolierenden Substrat 14 verankert. An den Lagerblöcken 6 sind die Federn 1 und die seismische Masse 10 derart aufgehängt, daß sie in ihrer Beweglichkeit nicht durch Rei¬ bung mit dem isolierenden Substrat 14 behindert werden. Dadurch ist es möglich, daß die seismische Masse 10 bei einer Beschleunigung in Richtung des Kontaktblocks 3 aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird, so daß sie den Kontaktblock 3 berührt. Dies wird in der Figur 3 ge¬ zeigt. Durch die Berührung von Kontaktblock 3 und seismischer Masse 10 entsteht ein Strompfad, so daß ein Strom von den Lagerblöcken 6 über die Federn 1 und die seismische Masse 10 zum Kontaktblock 3 fließen kann. Durch hier nicht gezeigte Zuleitungen zu den Lager¬ blöcken 6 bzw. zum Kontaktblock 3 kann so die hier gezeigte Struktur als Beschleunigungsschalter verwendet werden.

Als Materialien für das isolierende Substrat 14 können keramische Materialien wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumwafer mit einer entsprechenden Isolation verwendet werden. Als Materialien für den Kontaktblock 3, die Lagerblöcke 6, die Federn 1 und die seis¬ mische Masse 10 kommen beispielsweise galvanisch abscheidbare Metalle wie Kupfer oder Nickel in Frage. Es sind jedoch auch halb¬ leitende Materialien wie Silizium oder Galiumarsenid vorstellbar, die durch eine entsprechende Dotierung leitend gemacht werden können. In Verbindung mit aufgebrachten Leitschichten sind auch isolierende Materialien wie beispielsweise Quarz für die Herstellung der Beschleunigungsschalter geeignet. Um den elektrischen Widerstand zwischen dem Kontaktblock 3 und der seismischen Masse 10 so gering wie möglich zu halten, kann auch vorgesehen sein, auf der Oberfläche eine dünne Schicht eines Edelmetalls wie beispielsweise Gold vorzu¬ sehen.

Herstellungsverfahren für solche Strukturen werden in den eingangs zitierten Schriften beschrieben.

In der Figur 4 wird anhand eines Diagramms das Schaltverhalten des Sensors beschrieben. Auf der x-Achse ist die Auslenkung, auf der y-Achse die Beschleunigung aufgetragen. Ausgehend von der in der Figur 1 gezeigten Ausgangslage wird die seismische Masse 10 bei steigender Beschleunigung wie in der Kurve a gezeigt ausgelenkt. Bis zu einer kritischen Beschleunigung ist die Auslenkung nur gering, um dann schlagartig auf einen höhreren Wert zu springen. Ein weiteres Anwachsen der Beschleunigung hat dann nur noch eine vernachlässig¬ bare Auslenkung zur Folge, die vorwiegend in einer elastischen Ver¬ formung der seismischen Masse 10 bzw. des Kontaktblocks 3 besteht. Ausgehend von der Auslenkungslage nach Figur 3 verharrt die seis¬ mische Masse 3 bei nachlassender Beschleunigung zunächst in der Aus¬ lenkungslage wie in Figur 3 gezeigt. Erst wenn die Beschleunigung deutlich geringer geworden ist als die erste kritische Beschleuni¬ gung, bei der die seismische Masse 10 aus ihrer Ausgangslage in die Auslenkungsläge springt, kehrt sie auf der Kurve b in Figur 4 aus der Auslenkungsläge in die Ausgangslage zurück.

In der Figur 5 wird eine weitere Ausgestaltung des Beschleunigungs¬ schalters mit Lagerblöcken 6, Federn 1, einer seismischen Masse 11 und einem Kontaktblock 4 gezeigt. Die seismische Masse 11 ist als Schwerkörper 20 mit einem Kontaktbalken 21 ausgestaltet, die durch eine Verbindungsfeder 22 verbunden sind. Der Kontaktblock 4 besteht aus zwei Hälften. Bei einer Beschleunigung wird die seismische Masse derart ausgelenkt, daß der Kontaktbalken 21 gegen die beiden Hälften des Kontaktblocks 4 gezogen wird. Durch die Verbindungsfeder 22 wird erreicht, daß trotz eventueller Fertigungsfehler der Kontaktbalken 21 mit annähert gleicher Kontaktkraft gegen die beiden Hälften des Kontaktblocks 4 gepreßt wird. Im geschlossenen Zustand entsteht so ein Strompfad, der es ermöglicht, daß von der einen Hälfte des Kon¬ taktblocks 4 über den Kontaktbalken 21 ein Strom zur anderen Hälfte des Kontaktblocks 4 fließt. Durch Kontaktierung der beiden Hälften des Kontaktblocks 4 kann so die gezeigte Struktur als Beschleuni¬ gungsschalter verwendet werden. Durch die Verwendung des Kontakt¬ balkens 21 kann ein größerer Querschnitt auf dem gesamten Strompfad erreicht werden. Es muß keinerlei Rücksicht mehr auf den eventuell sehr geringen Querschnitt von Biegefedern genommen werden. In der Figur 6 und in der Figur 7 ist eine weitere Ausgestaltung des Beschleunigungssensors gezeigt, die besonders einfach herstellbar ist. Die seismische Masse 10 ist durch vier Biegefedern 1 an einem als Rahmen ausgestalteten Lagerblock 7 aufgehängt. Durch die Ver¬ wendung von vier Biegefedern wird die Torsionsempfindlichkeit der einzelnen Biegefedern 1 verringert. Eine Torsion der Biegefedern ist mit einer veränderten Empfindlichkeit des Beschleunigungsschalter gegenüber Beschleunigungen verbunden und sollte daher weitgehend unterdrückt werden. Gegenüber der seismischen Masse 10 ist der Kon¬ taktblock 5 angeordnet. Der Kontaktblock 5 weist hier eine Noppe 25 auf. Durch die Noppe 25 erfolgt der Kontaktschluß zwischen dem Kon¬ taktblock 5 und der seismischen Masse 10 als Linienkontakt und nicht als Flächenkontakt. Erfahrungsgemäß sind die Kontakteigenschaften eines Linienkontaktes, insbesondere was den Ubergangswiderstand und die Alterung angehen, einem Flächenkontakt vorzuziehen. In der Figur 7 ist die unmittelbare Umgebung des Kontaktblock 5 während eines Zwischenschrittes der Herstellung gezeigt. In diesem Stadium der Herstellung ist der Kontaktblock 5 noch durch Brennstrecken 23 mit dem Lagerblock 7 verbunden. Wenn man nun eine elektrische Spannung zwischen dem Kontaktblock 5 und dem Lagerblock 7 anlegt, so fließt der gesamte Strom über die Brennstrecken 23, die sich aufgrund ihres geringen Querschnitts so stark erwärmen, daß sie schmelzen. Auf diese Art wird eine elektrische Isolation zwischen dem Kontaktblock 5 und dem Lagerblock 7 erreicht. Das Herstellungsverfahren mittels Brennstrecken umfaßt somit folgende Schritte. Zunächst wird die in der Figur 6 gezeigte Struktur erzeugt, wobei dabei der Kontaktblock 5 noch mit dem Lagerblock 7 über Brennstrecken 23 verbunden ist. Der Kontaktblock 5 und der Lagerblock 7 werden dann auf einem iso¬ lierenden Substrat verankert, so daß die seismische Masse 10 und die Federn 1 nicht durch Reibung in ihrer Bewegung behindert werden. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung einer dicken Klebe¬ schicht auf der Unterseite von Kontaktblock 5 und Lagerblock 7 ge- schehen. Danach werden der Kontaktblock 5 und der Lagerblock 7 von¬ einander isoliert, indem die Brennstrecken 23 durchgebrannt werden. Durch eine entsprechende Auswahl der Klebeschicht und des iso¬ lierenden Substrats können dabei die thermisch verursachten Ver¬ spannungen zwischen einzelnen Teilen des Schalters untereinander und mit dem Substrat verringert werden.

In der Figur 8 ist eine weitere Ausgestaltung des Beschleunigungs¬ schalters gezeigt, mit einer seismischen Masse 12, Lagerblöcken 6, Federn 1, und einem gegenüber der seismischen Masse 12 angeordneten Kontaktblock 3. In die seismische Masse 12 sind Ausnehmungen 15 an¬ gebracht, in denen die Federn 1 gelegen sind. Durch diese Anordnung der Federn 1 in Ausnehmungen 15 der seismischen Masse 12 wird der Platzbedarf bei der parallelen Herstellung einer Vielzahl von Be¬ schleunigungsschaltern verringert. Dies liegt daran, daß ein Auf¬ teilen der Substrate, auf denen die Beschleunigungsschalter herge¬ stellt werden, mit vertretbarem Aufwand nur durch geradlinige Schritte erreicht werden kann. Bei der hier gezeigten kompakten Aus¬ gestaltung der Beschleunigungsschalter, können die Beschleunigungs¬ schalter bei der Herstellung eng nebeneinander produziert werden und so die Anzahl der hergestellten Beschleunigungsschalter pro Fläche erhöht werden. Weiterhin wird durch diese Anordnung die Torsions¬ empfindlichkeit der Biegefedern verringert.

In der Figur 9 ist eine weitere Ausgestaltung des Beschleunigungs¬ schalters mit Lagerblöcken 6, Federn 1, einer seismischen Masse 10, einem zweigeteilten Kontaktblock 4 und einem Kontaktbalken 21 ge¬ zeigt. Zwischen der seismischen Masse 10 und dem Kontaktbalken 21 ist jedoch noch ein an Haltefedern 30 aufgehängter Hebel gelegen. Wenn die seismische Masse 10 aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird, so verformt sie die Haltefedern 30 derart, daß der Kontaktbalken 21 gegen die beiden Teile des Kontaktblocks 4 gezogen wird. Durch das Übersetzungsverhältnis des Hebels ist die dabei auftretende Kontakt- kraft, dh die Kraft mit der der Kontaktbalken 21 gegen die beiden Teile des Kontaktblocks 4 gezogen wird, größer, als wenn die seis¬ mische Masse 10 direkt am Kontaktbalken 21 zieht. Eine Erhöhung der Kontaktkraft ist wünschenswert, da durch eine hohe Kontaktkraft der elektrische Übergangswiderstand verringert wird. Bei der Ausge¬ staltung des Hebels muß jedoch auch berücksichtigt werden, daß ein bestimmter Mindeststellweg dh der Weg den der Kontaktbalken 21 aus der Ausgangslage bis zum Kontaktschluß zurücklegt, berücksichtigt werden. Wünschenswert ist beispielsweise ein Stellweg von mehr als 10 Mikrometern. Bei vorgegebenenm Stellweg ist die erzielbare Kon¬ taktkraft geringer als die Kontaktkraft, die aufgrund der einfachen Hebelverhältnisse zu erwarten ist. Dies liegt daran, daß ein Teil der Kraft aufgewendet werden muß um die Haltefedern zu verformen. Ein Optimum der der Kontaktkraft wird erreicht, wenn der Hebel so ausgelegt wird, daß bei voll ausgelenkter seismischer Masse 10 und geschlossenem Kontakt gerade die Hälfte der von der seismischen Masse 10 auf den Hebel 16 wirkenden Kraft für die Verformung der Haltefedern 30 aufgewendet wird.

In der Figur 10 wird eine weitere Ausgestaltung eines Hebels als mehrstufiger Hebel 17 gezeigt. Der mehrstufige Hebel 17 ist hier als zweistufiger Hebel ausgeführt. Dieser besteht aus einem ersten Teil¬ hebel 31, an dessen Ende, wie durch den Pfeil angedeutet, die seis¬ mische Masse zieht. Weiterhin ist der erste Teilhebel 31 an einer Haltefeder 30 aufgehängt. Durch eine Verbindung 33 wird die Kraft auf einen zweiten Teilhebel 32 übergeleitet. An diesem zweiten Teil¬ hebel 32 ist über eine Verbindungsfeder 22 der Kontaktbalken 21 an¬ geordnet. Weiterhin ist der zweite Teilhebel 32 an einer Haltefeder 30 aufgehängt. Dieser mehrstufige Hebel 17 arbeitet in gleicher Weise wie der in Figur 9 vorgestellte Hebel. Gegenüber dem in Figur 9 vorgestellten Hebel erlaubt es jedoch der mehrstufige Hebel 17, sehr große Übersetzungsverhältnisse bei gleichzeitig sehr kompaktem Aufbau zu realisieren. Durch die Verwendung von mehrstufigen Hebeln kann somit ähnlich wie bei der Verwendung von Federn 1, die in Aus¬ nehmungen 15 der seismischen Masse gelegen sind, eine Verbesserung der Flächennutzung bei der Herstellung erzielt werden. Um die Träg¬ heit der beiden Teilhebel 31, 32 gering zu halten, sind diese als Stabwerke ausgebildet.

In der Figur 11 ist ein Beschleunigungsschalter gezeigt, der eine Reihe von Vorteilen miteinander kombiniert. Die seismische Masse 13 weist Ausnehmungen 15 auf, in denen die Biegefedern 1 gelegen sind. Der Lagerblock 7 ist als Rahmen ausgestaltet, wobei der zweigeteilte Kontaktblock 4 so angeordnet ist, daß der Sensor unter Verwendung von Brennstrecken hergestellt werden kann. Der Kontaktbalken 21 ist über einen zweistufigen Hebel 17 mit der seismischen Masse 13 ver¬ bunden. Die Beschleunigungskraft der seismischen Masse 13 wird durch eine Krafteinleitungsfeder 35 auf den zweistufigen Hebel 17 über¬ tragen. Dieser ist an Haltefedern 30 am Lagerblock 7 aufgehängt. Der hier gezeigte Sensor läßt sich mit einem geringen Flächenaufwand herstellen. Die Herstellung ist wegen der Möglichkeit, Brennstrecken zu verwenden, besonders einfach, und die erzielbare Kontaktkraft ist hoch.