MIKROMECHANISCHER SENSORSCHALTER ZUM SCHWELLWERTBEDINGTEN SCHALTEN VON ELEKTRISCHEN KONTAKTEN

Mikromechanischer Sensorschalter zum schwellwertbedingten Schalten von elektrischen Kontakten

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensorschalter zum schwellwertbedingten Schalten von mindestens zwei elektrischen Schaltkontakten in Abhängigkeit von einer Sensorgröße eines Messmediums. Mindestens ein zu einem Grundkörper beweg- licher Schaltkontakt ist an einen mikromechanischen Verformungskörper gekoppelt, um ihn zwischen einer geöffneten Schalterposition und einer geschlossenen Schalterposition zu bewegen .

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste elektrische Schalter bekannt. Mit fortschreitender Entwicklung der Mikro- mechanik müssen entsprechende elektrische Schalter auch in mikromechanischen Strukturen realisiert werden. In der Regel werden die bekannten Aufbauten makromechanischer Schalter miniaturisiert und an die verwendeten Materialien in der Mikromechanik angepasst. Zum Auslösen des Schaltvorgangs zwischen zwei elektrischen Schaltkontakten wird der mindestens eine bewegliche Schaltkontakt gegenüber einem Grundkörper verlagert. Dazu muss eine Kraft eingeprägt werden, was übli- cherweise durch einen Antrieb, beispielsweise auf piezoelektrischer Basis, oder durch die mechanische Übertragung einer externen Schaltkraft erfolgt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mikromechanischen Sensorschalter bereitzustellen, bei welchem der Schaltvorgang ausgelöst wird, wenn eine zu überwachende Sensorgröße eines Messmediums einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht. Für die Auslösung des Schaltvorgangs soll kein eigenständiger externer Antrieb erforderlich sein. Vielmehr soll der Schaltvorgang unmittelbar aus der Änderung der Sensorgröße resultieren.

Diese Aufgabe wird durch einen mikromechanischen Sensorschalter gelöst, bei dem der mikromechanische Verformungskörper erfindungsgemäß ein sensitives Material umfasst, welches vom Messmedium umgeben ist und beim Einwirken der Sensorgröße eine Verformung erfährt, die bei Erreichen eines Schwellwertes der Sensorgröße zum Wechsel zwischen der geöffneten und der geschlossenen Schalterposition führt.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorschalters zum schwellwertbedingten Schalten von elektrischen Kontakten gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass der elektrische Leistungsverbrauch des Sensorschalters null ist. Damit erfolgt keine Eigenerwärmung, was für mikromechanische Bauteile von großem Nutzen ist.

Vorzugsweise ist der bewegliche Schaltkontakt an einer Trägerschicht angebracht, welche auf der dem Schaltkontakt abgewandten Seite das sensitive Material trägt. Bei abgewandelten Ausführungsformen können Trägerschicht und sensitives Material auch einstückig ausgebildet sein.

Bei einer ersten Ausführungsform ist die Trägerschicht als Cantilever (einarmiger Hebel) ausgestaltet. Mehrere Cantilever können zu einer Schaltmatrix zusammengefasst sein. Die Herstellung von Cantilevern und die Anbringung von Schaltkon- takten an diesen ist mit bekannten mikromechanischen Herstellungsverfahren einfach möglich. Eine zweite Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Trägerschicht als Membran gebildet ist. Diese Membran verschließt vorzugsweise einen im Grundkörper geformten Schaltraum gegenüber dem Messmedium. Im Schaltraum sind die elektrischen Schaltkontakte dadurch geschützt vor dem Messmedium angeordnet. Das sensitive Material ist auf der außerhalb des Schaltraums liegenden Fläche der Membran angebracht.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Medienraum vom Schaltteil des Sensorschalters völlig getrennt ist. Die Schaltkontakte sind damit vor aggressiven bzw. korrosiven Medien bestens geschützt.

Generell eignet sich der erfindungsgemäße mikromechanische Sensorschalter zur Schwellwertüberwachung unterschiedlicher

Sensorgrößen. Dazu muss der mikromechanische Verformungskörper sensitiv gegenüber der jeweils zu überwachenden Sensorgröße ausgelegt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mikromechanische Verformungskörper ein Hydrogel oder eine Polymerschicht, die bei Veränderung beispielsweise der Feuchtigkeit des Messmediums eine Verformung des Verformungskörpers hervorrufen. Beispielsweise führt eine erhöhte Feuchtigkeit zu einer Ausdehnung des sensitiven Materials und damit zur Verlagerung des beweglichen Schaltkontaktes.

Eine abgewandelte Ausführungsform eignet sich für die Schwellwertüberwachung der Temperatur des Messmediums. Das sensitive Material besitzt dazu einen möglichst hohen Ausdehnungskoeffizienten oder ist als Materialkombination in der Art eines Bimetalls aufgebaut.

Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform besitzt einen mikromechanischen Verformungskörper mit einem elastischen Material, welches bei Veränderung des Partialdruckes des Messmediums die Verformung des Verformungskörpers bewirkt. Ebenso lassen sich Ausführungsformen des Sensorschalters herstellen, die auf eine Veränderung in biologischen Substanzen durch entsprechende Verformung reagieren. Dazu kann der Verformungskörper einen porösen Bereich aufweisen, der eine Verformung erfährt, wenn die in den einzelnen Poren eingelagerten Substanzen auf Grund einer biologischen Entwicklung eine Volumenerweiterung erfahren.

Bei abgewandelten Ausführungsformen besitzt der Sensorschalter mehrere Paare von elektrischen Schaltkontakten. Dabei können beispielsweise mehrere bewegliche Schaltkontakte gegenüber einer gemeinsamen feststehenden Schaltfläche angeordnet sein, die den zweiten Kontakt aller Kontaktpaare bildet. Die beweglichen Schaltkontakte sind vorzugweise geometrisch unterschiedlichen Abschnitten des Verformungskörpers zugeordnet, so dass sie auf unterschiedliche Schwellwerte der Sensorgröße reagieren. Ebenso ist es möglich, unterschiedliche sensitive Materialien den verschiedenen Schaltkontakten zuzuordnen, um mit dem Sensorschalter gleichzeitig mehrere Sensorgrößen überwachen zu können.

Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform des Sensorschalters umfasst einen mechano-elektrischen Wandler, der an den Verformungskörper gekoppelt ist. Die Gesamtverformung des Verformungskörpers lässt sich auf diese Weise mit hoher Präzision bestimmen, wenn für bestimmte Messaufgaben nicht nur der Schwellwert, sondern eine genaue Messgröße ermittelt werden soll. Der mechano-elektrische Wandler kann piezoresistive, kapazitive, optische oder induktive Messprinzipien zum Einsatz bringen . Eine weitergebildete Ausführungsform des Sensorschalters verwendet mehrere aufeinanderfolgende Schichten des sensitiven Materials und der Trägerschicht. Auf diese Weise wird eine Kaskadierung der Verformungskörper erreicht, wodurch größere Kontaktabstände und höhere Schaltkräfte realisierbar sind. Wird diese Bauform mit der Möglichkeit des Einsatzes unterschiedlicher sensitiver Materialien kombiniert, lassen sich kaskadierte Sensorschalter aufbauen, die mehrere Sensorgrößen überwachen .

Der Vergrößerung des realisierbaren Kontaktabstands in der geöffneten Schalterposition dient auch eine Ausführungsform, bei welcher beide Schaltkontakte beweglich ausgeführt sind und jeweils mit einem Verformungskörper gekoppelt sind. Diese Bauform kann aber auch dazu verwendet werden, um bestimmte Einflussgrößen zu kompensieren, was mit einer mechanisch realisierten Fehlerkompensation gleichzusetzen ist.

Grundsätzlich gestattet der erfindungsgemäße Sensorschalter eine deutliche Miniaturisierung des Gesamtsystems incl . der

Schwellwert-Komponente. Da der Schalter die Kontakteinheit und die Sensoreinheit integriert, ist er durchgängig mithilfe mikromechanischer Herstellungsverfahren erzeugbar.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen SensorSchalters ;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des SensorSchalters; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Gesamtanordnung gemäß Fig. 2 mit dem Sensorschalter und einem Anschlussfeld;

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung einer vierten Ausführungsform des Sensorschalters in mehreren Ansichten, welche zwei unterschiedliche Schaltzustände zeigen;

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform des Sensorschalters mit kaskadierten Schichten aus sensitivem Material und Trägerschichten in verschiedenen Schaltzuständen;

Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung einer sechsten Ausfüh- rungsform mit mehreren unabhängig voneinander arbeitenden Schaltkontakten;

Fig. 7 eine vereinfachte Darstellung einer siebten Ausführungsform mit mehreren Schaltkontakten und verschiedenen sensitiven Materialien zur Überwachung unter- schiedlicher Sensorgrößen

Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung einer achten Ausführungsform des Sensorschalters mit zwei beweglichen Schaltkontakten .

Fig. 1 zeigt in einer prinzipiellen Querschnittsansicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorschalters. Der Sensorschalter besitzt eine Schwellwertkomponente, welche in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Schwellwert einer Sensorgröße eines Messmediums zwei elektrische Schaltkontakte zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Schaltposition umschalten kann.

Grundbestanteil der Schwellwertkomponente ist z. B. ein in Si- Mikromechanik hergestellter Membrankörper 1 mit einer ätztechnisch realisierten und oberflächlich vergoldeten Si-Erhebung 2 auf der Unterseite der Membran 1. Die Si-Erhebung dient als beweglicher Schaltkontakt 2. Der Schaltkontakt 2 ist nach außen kontaktiert (nicht dargestellt) . Auf der Oberseite der Membran 1 ist im hier dargestellten Beispiel eine feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht 3 aufgebracht, welche ein für Feuchtigkeit sensitives Material darstellt. Das sensitive Material 3 ist von dem zu überwachenden Messmedium, beispielsweise der Umgebungsluft, umgeben.

Beispielsweise vier solcher Membranstrukturen unterschiedlicher Geometrie werden in einem Chip bzw. Grundkörper 5 verei- nigt, wobei dieser Chip einen gemeinsamen Substratkontakt aufweist, welcher mit einem relativ zum Grundkörper feststehenden Schaltkontakt 6 verbunden ist. In der geschlossenen Schaltposition sind damit alle vier Schaltkontakte miteinander elektrisch verbunden.

Alle vier Si-Erhebungen 2 auf der Membranunterseite besitzen eine solche Höhe, dass bei relativer Feuchte außerhalb des vorgesehenen Schwellwertes der feststehende Schaltkontakt 6 nicht berührt wird, dh alle vier Kontakte sind nicht geschlossen. Es kann kein Strom fließen. Bei sich ändernder relativer Luftfeuchte quillt bzw. schrumpft das Polymer 3. Abhängig von ihrer Geometrie wölben sich die Membranen beim Erreichen eines zugeordneten Feuchteschwellwertes nach oben bzw. nach unten und der jeweilige Kontakt auf der Unterseite wird hergestellt. Es kann durch diesen Kontakt jetzt erst ein Strom fließen. Durch eine geeignete nachgeschaltete Elektronik wird der Schaltzustand des Schwellwertmoduls kontinuierlich oder nach Bedarf erfasst und ist damit eindeutig einem bestimmten Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit zuordenbar.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Sensorschalters. Der relativ zum Grundkörper 5 feststehende Schaltkontakt 6 ist in diesem Fall auf einer Materialerhöhung angebracht. Bei dieser und bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform liegen beide Schaltkontakte 2, 6 in einem Schaltraum 10, der durch den Grundkörper und die den Schaltraum 10 überdeckende Membran 1 gekapselt ist. Das Mess- medium, welches in flüssigem, fluidischem oder gasförmigem

Zustand das sensitive Material 3 umspült, kann auf diese Weise nicht in den Schaltraum 10 gelangen, so dass die elektrischen Schaltkontakte vor dem Messmedium geschützt sind. Zur Kontak- tierung des feststehenden Schaltkontakts 6 ist eine Leiterbahn 9 nach außen gezogen.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht der Anordnung gem. Fig. 2 mit dem Sensorschalter. Zur Realisierung einer Lösung mit mehreren Schwellwertzuständen wird der Basischip 5 mit mehreren Schalt- gruben, die für unterschiedliche oder gleiche Schaltzustände/ Schwellwerte stehen, ausgestattet. Der Basischip 5 wird mit der Membran 1 und deren Schaltkontakten und der sensitiven Schicht 3 komplettiert.

Fig. 4 zeigt in vereinfachter Darstellungsweise den Aufbau einer abgewandelten Ausführungsform des Sensorschalters in Seitenansicht und Draufsicht, wobei der Schalter sowohl in der geschlossenen als auch in der geöffneten Schaltposition dargestellt ist. Die Schaltkontakte 1, 6 sind in diesem Fall hori- zontal gegenüberliegend angeordnet, während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen eine vertikale bzw. schräge Anordnung gewählt wurde. In den beiden linken Abbildungen der Fig. 4 befindet sich der Sensorschalter in der geöffneten Schaltposition, in welcher das sensitive Material 3 eine rela- tiv geringe Ausdehnung aufweist. Wenn die Sensorgröße im Messmedium bis zu einem Schwellwert angestiegen ist, hat sich das sensitive Material 3 ausgedehnt und den beweglichen Schaltkontakt 1 in Richtung zum feststehenden Schaltkontakt 6 verla- gert, so dass der Sensorschalter in den geschlossenen Zustand übergeht (rechte Abbildung) .

Fig. 5 zeigt in vergleichbarer Weise den Aufbau einer abgewan- delten Ausführungsform des Sensorschalters, wiederum in der geöffneten und der geschlossenen Schaltposition. Bei dieser Bauform sind zwei sensitive Materialschichten 3a, 3b kaska- diert und über eine weitere Trägerschicht Ia miteinander verbunden. Die zweite Trägerschicht Ib umfasst wiederum den beweglichen Schaltkontakt 2, welcher dem feststehenden Kontakt 6 gegenüberliegt. Der zu überbrückende Kontaktabstand kann durch die Kaskadierung vergrößert werden.

In Fig. 6 ist eine nochmals abgewandelte Ausführungsform sche- matisch dargestellt. Drei bewegliche Trägerschichten Ic tragen jeweils bewegliche Schaltkontakte 1. Jede Trägerschicht ist an eine zugeordnete Schicht aus sensitivem Material 3 angekoppelt, die an feststehenden Grundkörperabschnitten 5 gelagert sein können. Die mehreren sensitiven Schichten 3 überwachen bei dieser Ausführungsform dieselbe Sensorgröße des Messmediums. Durch veränderte geometrische Anpassung können unterschiedliche Schwellwerte eingestellt werden. Dazu lassen sich sowohl die Abmaße der sensitiven Materialschichten als auch der Trägerschichten anpassen.

Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform besitzt im Wesentlichen denselben Aufbau wie die Ausführungsform nach Fig. 6. Allerdings werden hier unterschiedliche sensitive Materialschichten 3c verwendet, um verschiedene Sensorgrößen des Mess- mediums zu überwachen. Die Grundkörperabschnitte 5 sind wiederum feststehend ausgelegt, ebenso wie die unbewegliche Schaltkontaktfläche 6. Schließlich zeigt Fig. 8 eine symbolische Darstellung einer Ausführungsform, bei welcher zwei sensitive Materialschichten 3d und 3e Verwendung finden, die sich gegenüber liegen und jeweils bewegliche Schaltkontakte Ia und Ib tragen. Die sensi- tiven Materialschichten 3d, 3e können derart kombiniert werden, dass gleichsinnige oder gegensinnige Bewegungen auftreten, wenn sich die Sensorgröße ändert. Bei einer gleichsinnigen Bewegung kann durch die zweite sensitive Materialschicht eine Kompensation vorgenommen werden, beispielsweise um Fehlereinflüsse zu reduzieren.