CN106656140B - 一种基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件及其制备方法。该器件包括：下极板，及，设置在下极板上的液滴；下极板由衬底、驱动电极层、介质层、信号电极层自下到上依次设置构成；驱动电极层由圆心位于同一个圆周上的若干圆形驱动电极组成，该圆形驱动电极两两之间电气隔离；信号电极层包含若干信号电极，该信号电极两两之间电气隔离；该圆形驱动电极的外侧与且仅与一个信号电极重叠。本发明提供的单刀多掷开关器件基于电润湿原理驱动液滴移动，所需电压及能耗小，液滴的切换速度快；且可通过设计驱动电极、信号电极及二者相对位置等方法对开关效果实现调控，简单易行，克服了传统二极管开关或微机械开关的如制备困难、磨损损耗等问题。
Description
技术领域
本发明属于信号电路及开关领域，涉及基于电润湿原理的微流控技术，具体涉及一种利用电润湿原理驱动液态金属液滴并利用液态金属的导电性控制电路开关的开关器件及其制备方法。
背景技术
近些年来，信号电路在如物联网、通讯系统等领域得到飞速发展。信号开关作为信号电路的控制部件也备受瞩目，常用信号开关主要包含晶体管开关和微机械开关两大类。晶体管开关虽开关速度快，但存在导通电阻大、断开电阻小、适用功率小等缺点；而微机械开关虽然导通电阻小、断开电阻大，但存在开关速度慢、机械损耗大、接触电阻大等缺点。
利用液体金属制作信号开关的思路近来被广泛关注，但现有驱动液态金属作为开关的器件大都存在速度慢、驱动电压大、单个液滴控制回路少等问题。为此，在低电压条件下驱动液态金属制备高速单刀多掷开关变得极为有意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种单刀多掷开关，通过电润湿效应控制液态金属液滴的位置，进而控制信号电路的通断。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件，其包括：下极板，及，设置在下极板上的液滴；所述的下极板由衬底、驱动电极层、介质层、信号电极层自下到上依次设置构成；所述的驱动电极层由圆心位于同一个圆周上的若干圆形驱动电极组成，该圆形驱动电极两两之间电气隔离；所述的信号电极层包含若干信号电极，所述的信号电极两两之间电气隔离；所述的圆形驱动电极的外侧与且仅与一个信号电极重叠。
该“重叠”是指圆形驱动电极与其正上方对应的信号电极，在俯视角度上有一定区域的重叠，进而确保当液滴在某个驱动电极的作用下移动至其上方时，可以跨接该驱动电极对应的信号电极，而跨接位置就是驱动电极与信号电极的重叠区域。
上述圆形驱动电极的圆心均匀分布在同一个圆周上的目的在于能使得任意两个相邻圆形驱动电极间的距离及相对位置都是一致的，进而使得该开关器件对各路信号的开关延迟时间一致。
所述的液滴位于信号电极层上，且与信号电极层接触。
所述的驱动电极层由中心信号电极与环状分布在其周围的若干周边信号电极构成。当液滴位于信号电极层中的中心信号电极的正上方时，周边信号电极呈断开状态；当液滴同时与中心信号电极及任意一个周边信号电极接触时，该周边信号电极通过液滴与中心信号电极跨接，呈导通状态。
上述“环状分布”是指将周边信号电极分布在以中心信号电极为中心的圆环上，由此则各周边信号电极与中心信号电极的距离相等，再考虑到信号电极与驱动电极的相对位置关系，可保证任意一组驱动电极与其上方对应的周边信号电极在器件结构上是等效的，进而使得任意两路信号电极的开关特性是一致的
所述信号电极的形状、大小以及其与驱动电极的相对位置并不严格限定，以实现其功能为设计准则，但应保证液滴在电润湿作用下移动至对应驱动电极上方时能够有效跨接中心信号电极与该驱动电极对应的信号电极。
所述液滴是指能够用于电润湿原理驱动的液态金属液滴，其成分并不限定，可以是汞、铟镓合金、铟镓锡合金等液态金属或合金。
液滴的大小应与单个圆形驱动电极的尺寸相一致，以保证每次仅一个信号电极导通，避免误触。
上述的开关器件中，所述的信号电极指的是信号电路中的天线、导线或电极等需要被安置开关器件的部分。该信号电极通过液滴与中心信号电极跨接时为导通工作状态，没有通过液滴与中心信号电极跨接时为断开状态。
上述的开关器件中，当液滴在相邻驱动电极间切换时，仅边缘处在电润湿作用下发生移动，液滴整体移动距离很小，进而提高了其切换速度。
上述的开关器件中，驱动电极和信号电极均可以是平面电极也可以是立体电极，以实现其功能为准则。
上述的开关器件中，所述的衬底采用绝缘材料。
上述的开关器件中，所述的介质层材料选择具有一定介电常数与抗击穿能力的不导电物质，优选介电常数高且抗击穿能力强的物质，包括但不限于脂环族环氧树脂CEP、SU-8、五氧化二钽、二氧化硅等。
本发明还提供了一种基于电润湿驱动的单刀多掷开关的制备方法，该方法包含：
步骤1，制备下极板：在衬底表面依次制备包含若干驱动电极的驱动电极层、介质层、包含若干信号电极的信号电极层；
步骤2，将液滴放置在信号电极中心信号电极上方，形成所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关。
本发明提供的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件具有如下优势：
A）克服了传统的二极管开关或微机械开关的如制备困难、磨损损耗等问题；
B）使用电润湿原理驱动液滴移动，所需电压及能耗小；
C）相邻分布的圆形驱动电极使得液滴的切换移动距离变短，切换速度变快，且通道数越多，速度越快；
D）可通过设计驱动电极、信号电极及二者相对位置等方法对开关效果实现调控，简单又易行。
附图说明
图1为本发明的基于电润湿驱动的单刀多掷开关的结构示意图（剖面图）。
图2为本发明的基于电润湿驱动的单刀多掷开关的驱动电极与信号电极的结构示意图（俯视图）。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供的基于电润湿驱动的单刀多掷开关，是通过电极设计和驱动信号控制来实现的，因此可以有多种配置方式，可以根据参数要求及使用目的进行个性化设计。
本发明的原理性结构示意图（纵向剖面图）如图1所示。在绝缘的衬底104上为本发明的驱动电极层103，驱动电极层103可包含若干驱动电极1031-1036，两两之间电气隔离。驱动电极层103表面覆盖介质层102，介质层102上方制备信号电极层101。
用作衬底104的材料并不固定，只要绝缘即可；而驱动电极层103原则上可以由任何导电材料组成，但为了简化芯片制作工艺，优选为与信号电极层101一致的材料；所有电极的大小、间隔及个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例；文末附图只为原理性示意图，并不精确反应电极的位置及排布。
本发明的电极配置原理示意如图2所示，电润湿驱动电极1031、1032和1033上方分别与信号电极1011、1012和1013部分重叠，驱动电极层103和信号电极层101之间通过介质层102隔离。本发明中，每一个圆形驱动电极都是由几个部分组成的，如电极1032、1034、1035结合中心信号电极1014组成一个圆形驱动电极，该圆形驱动电极的最外侧小电极1032的外侧边缘处与信号电极1012在俯视图上相重叠，以保证金属液滴覆盖该圆形驱动电极表面时，可以实现中心信号电极与信号电极1012的跨接导通。
驱动电极1032、1034和1035施加电压、其余驱动电极接地时，液滴D在电润湿作用下被驱动至驱动电极1032、1034、1035和中心信号电极1014组成的圆的上方，中心信号电极1014和信号电极1012通过液滴D跨接，处于导通状态，其他信号电极处于断开状态。其他信号电极导通时对应的驱动电极操作以此类推。当驱动电极1034、1035和1036施加电压、其余驱动电极接地时，液滴D在电润湿作用下被驱动至中心信号电极1014正上方，中心信号电极不与任何信号电极跨接，所有信号电极均处于断开状态。
本发明的单刀多掷开关器件具体实施时，单次加电的驱动电极确实是圆形的，只不过由于各个圆形电极间有重叠部分，因而使用类似七巧板的方式，将驱动电极拆分成各个部分。
应当指出，上述仅为本发明的原理性说明，允许在不影响其功能性的前提下对器件结构及用途进行改进与拓展。
本发明中，所述驱动电极施加电压是指实施液滴操控时对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生。
本发明中，所述接地是指实施液滴操控时对应电极的电压被置成0或与0足够接近。
本发明的基于电润湿驱动的单刀多掷开关的一种可实施的制备工艺如下：
步骤1，在绝缘的衬底104上采用旋涂、蒸发、溅射等工艺形成金属薄膜，通过光刻刻蚀或剥离的方法形成驱动电极层103，该驱动电极层由圆心位于同一个圆周上的若干圆形驱动电极组成，该圆形驱动电极两两之间电气隔离；
步骤2，通过旋涂、物理溅射、化学气相沉积、蒸发等方法制备绝缘介质层102；
步骤3，通过旋涂、蒸发、溅射成膜等方法制备金属薄膜，通过光刻刻蚀或剥离等方法形成信号电极层101；所述的信号电极层101包含若干信号电极，信号电极两两之间电气隔离；所述的圆形驱动电极的外侧与且仅与一个信号电极重叠；
步骤4，通过手工滴加、物理溅射、蒸发、丝网印刷、打印等方式将液态金属液滴制备到中心信号电极上方。自此，本发明的基于电润湿驱动的单刀多掷开关制备完成，将其与其他微流控及信号器件相结合后，采用数字微流控操作方法即可自动化实现信号电路的开关和操纵。
综上所述，本发明提供的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件中，相邻分布的圆形驱动电极使得液滴的切换移动距离变短，切换速度变快，且通道数越多，速度越快。本发明基于电润湿原理驱动液滴移动，所需电压及能耗小，移动速度快；可通过设计驱动电极、信号电极及二者相对位置等方法对开关效果实现调控，简单易行。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件，其特征在于，该器件包含：下极板(100)，及，设置在下极板(100)上的液滴(D)；所述的下极板(100)由衬底(104)、驱动电极层(103)、介质层(102)、信号电极层(101)自下到上依次设置构成；所述的驱动电极层(103)由圆心位于同一个圆周上的若干圆形驱动电极组成，该圆形驱动电极两两之间电气隔离；所述的信号电极层(101)由中心信号电极与环状分布在其周围的若干周边信号电极构成，所述的信号电极两两之间电气隔离；所述的环状分布是指将周边信号电极分布在以中心信号电极为中心的圆环上；所述的圆形驱动电极的外侧与且仅与一个信号电极重叠；该重叠是指圆形驱动电极与其正上方对应的信号电极，在俯视角度上有一定区域的重叠；所述的液滴位于信号电极层(101)上，且与信号电极层(101)接触；所述的液滴(D)的组分为液态的金属或合金。
2.如权利要求1所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件，其特征在于，当液滴(D)位于信号电极层(101)中的中心信号电极的正上方时，周边信号电极呈断开状态；当液滴(D)同时与中心信号电极及任意一个周边信号电极接触时，该周边信号电极通过液滴(D)与中心信号电极跨接，呈导通状态。
3.如权利要求1所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件，其特征在于，所述的液滴(D)的大小应与单个圆形驱动电极的尺寸相一致。
4.如权利要求1所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件，其特征在于，所述的液滴(D)的组分为汞、铟镓合金、铟镓锡合金中的任意一种或几种的混合物。
5.如权利要求1所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件，其特征在于，所述的衬底(104)采用绝缘材料。
6.如权利要求1所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件，其特征在于，所述的介质层(102)为高介电常数材料，选择CEP、SU-8、五氧化二钽及二氧化硅中的任意一种。
7.一种根据权利要求1-6中任意一项所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关器件的制备方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，制备下极板(100)：在衬底(104)表面依次制备包含若干驱动电极的驱动电极层(103)、介质层(102)、包含若干信号电极的信号电极层(101)；
步骤2，将液滴(D)放置在信号电极中心信号电极上方，形成所述的基于电润湿驱动的单刀多掷开关。
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