CN108345363B - 一种逻辑器件单元、计算机器件和计算机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种逻辑器件单元、计算机器件和计算机，通过在逻辑器件单元中制备有第一微管道以封装液态金属，与第一微管道交叠的制备有预设数量的第二微管道以封装流体，并在第一微管道与第二微管道的交叠位置处使用柔性绝缘材料；流体在增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料在流体的压力作用下发生形变，阻断液态金属的连通；流体在无增压时，交叠位置处的柔性绝缘材料无形变，恢复液态金属的连通，以实现逻辑控制功能；并基于上述逻辑器件单元，将多个逻辑器件集成化为计算机器件，再由多个计算机器件组合成计算机；从而为微流控技术在计算机领域的应用提供了一个新的方法和思路，也为计算机逻辑控制电路的发展提出了一个新的方向和思路。

Description

一种逻辑器件单元、计算机器件和计算机

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，更具体地，涉及一种逻辑器件单元、计算机器件和计算机。

背景技术

微流控技术最早出现于上个世纪90年代初，它采用微电子领域的加工技术，在硅片、玻璃等材料上刻蚀出尺寸在微米量级的微管道，通过精确操控微管道里流体的运动，来完成生化实验中的各种反应。随着加工技术的不断完善和发展，特别是软刻蚀技术的出现，微流控技术进入了以柔性绝缘材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)为主流的时期。目前，微流控技术已经成为一门综合性的交叉学科，应用领域包括化学分析、医学诊断、细胞生物学、药物筛选等。

微流控芯片是微流控技术实现的主要平台。微流控芯片主要是利用流体的特性，发展出独特的分析方法。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

然而，目前的微流控技术主要应用于对流体样品的快速分析上，在计算机领域，尚无法利用微流控技术实现逻辑器件的逻辑控制。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种逻辑器件单元、计算机器件和计算机。

根据本发明的一个方面，提供一种逻辑器件单元，包括相互贴合设置的逻辑器件层和控制层，其中：逻辑器件层制备有第一微管道，第一微管道中封装有液态金属；逻辑器件层采用柔性绝缘材料制备而成；控制层制备有预设数量的相互平行的第二微管道；第二微管道中封装有流体，用于在对流体增压时向逻辑器件层施加向下的压力；第一微管道和第二微管道相互交叠设置，且第二微管道中流体在增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料在流体的压力作用下发生形变，从而阻断第一微管道中液态金属的连通；第二微管道中流体在无增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料无形变，从而恢复第一微管道中液态金属的连通。

根据本发明的另一方面，提供一种计算机器件，包括多个上述的逻辑器件单元。

根据本发明的又一方面，提供一种计算机，包括多个上述的计算机器件。

本发明提供的一种逻辑器件单元、计算机器件和计算机，通过在逻辑器件单元中制备有第一微管道以封装液态金属，与第一微管道交叠的制备有预设数量的第二微管道以封装流体，并在第一微管道与第二微管道的交叠位置处使用柔性绝缘材料；第二微管道中流体在增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料在流体的压力作用下发生形变，从而阻断第一微管道中液态金属的连通；第二微管道中流体在无增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料无形变，从而恢复第一微管道中液态金属的连通，以实现逻辑控制功能；并基于上述逻辑器件单元，将多个逻辑器件集成化为计算机器件，再由多个计算机器件组合成计算机；从而为微流控技术在计算机领域的应用提供了一个新的方法和思路，也为计算机逻辑控制电路的发展提出了一个新的方向和思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的逻辑器件单元的俯视图；

图2为根据本发明实施例的逻辑门控制的示意图；

图3为根据本发明实施例的逻辑器件单元制作流程中的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的逻辑器件单元制作流程中的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的计算机器件的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一个实施例中，参考图1，提供一种逻辑器件单元，包括相互贴合设置的逻辑器件层和控制层，其中：逻辑器件层制备有第一微管道1，第一微管道1中封装有液态金属；逻辑器件层采用柔性绝缘材料制备而成；控制层制备有预设数量的相互平行的第二微管道2；第二微管道2中封装有流体，用于在对流体增压时向逻辑器件层施加向下的压力；第一微管道1和第二微管道2相互交叠设置，且第二微管道2中流体在增压的状态下，交叠位置3处的柔性绝缘材料在流体的压力作用下发生形变，从而阻断第一微管道1中液态金属的连通；第二微管道2中流体在无增压的状态下，交叠位置3处的柔性绝缘材料无形变，从而恢复第一微管道1中液态金属的连通。

具体的，计算机系统由硬件和软件构成，硬件设备包括控制器、运算器、存储器、输入输出设备等，计算机中的数据和操作命令以二进制的形式进行存储和处理，同时通过软件系统对数据进行运算和处理，最后通过输出设备将结果输出。计算机芯片中最基本的单元是逻辑器件，目前的逻辑器件主要是有半导体材料制成，通过门控电压实现逻辑器件的导通与断开，实现逻辑功能。

微流控技术能实现对流体的快速控制，目前，微流控技术进入了以柔性绝缘材料为主流的时期，将流体和柔性绝缘材料通过特殊的工艺制备成逻辑电路的门控开关成为可能；同时，液态金属，如镓铟合金，是常温常压下保持液态的一类合金，具有良好的导电性和较低的凝固点。

基于微流控技术以及液态金属的特点，本实施例提供一种逻辑器件单元，逻辑器件单元的逻辑器件层制备有第一微管道1，逻辑器件单元的控制层制备有预设数量的相互平行的第二微管道2，其中，预设数量由逻辑器件单元所需实现的逻辑功能决定，例如，实现“非”功能的逻辑器件单元，其预设数量为1，实现“与”功能的逻辑器件单元，其预设数量为2；第一微管道1与每一第二微管道2均存在交叠位置3，该交叠位置3既作为第一微管道1的管壁，也作为对应的第二微管道的管壁，且交叠位置3的材料为柔性绝缘材料；第一微管道1内封装有液态金属，利用液态金属的导电性，可以将电压信号从第一微管道1的一端传输至第一微管道1的另一端，从而电压信号能从逻辑器件单元的一端传递至另一端；任意两个第二微管道2相互平行而互不连通，且每一第二微管道2中封装有流体，逻辑器件单元的第二微管道可以与其他逻辑器件单元的第二微管道连接；将逻辑器件单元中流体与微流控制平台连接，流体受微流控制平台控制，微流控制平台可快速改变流体所受到的压力。

将第二微管道2设置为相互平行，一方面可以简化逻辑器件单元的制备工艺，另一方面，易于调整与第一微管道1之间的位置关系，还易于设置不同逻辑器件单元之间的位置关系；优选的，将每一第二微管道2设置与第一微管道1垂直，在每一第二微管道2均设置与第一微管道1垂直的条件下，交叠位置的体积保持为最小，有利于减小逻辑器件单元的特征尺寸，提高芯片的集成度。

如图2所示为逻辑门控示意图，在未给流体增压时，交叠位置3处在原始状态，如图2左侧的图，液态金属未被截断，可正常传递电压信号，在逻辑功能上实现二进制的“1”，在给流体增压时，如图2右侧的图，由于交叠位置3为柔性绝缘材料，流体将柔性绝缘材料挤压下来，堵住第一微管道1，从而截断液态金属，液态金属无法传递电压信号，在逻辑功能上实现二进制的“0”。通过微流控制平台控制流体所受的压力，便可实现逻辑功能上的“0”和“1”。进一步的，例如“与”门逻辑器件单元，第二微管道有两个，将对流体未增压的输入规定为第二进制的“1”，将对流体增压的输入规定为第二进制的“0”，仅当对两个第二微管道中流体均未增压时(即两个输入均为“1”时)，液态金属传递电压信号，输出为“1”，对两个第二微管道中任何一个第二微管道内的流体增压(即存在一个输入为“0”)，液态金属被截断，无法传递电压信号，输出为“0”，从而实现“与”门的逻辑功能。

本实施例通过在逻辑器件单元中制备有第一微管道以封装液态金属，与第一微管道交叠的制备有预设数量的第二微管道以封装流体，并在第一微管道与第二微管道的交叠位置处使用柔性绝缘材料；第二微管道中流体在增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料在流体的压力作用下发生形变，从而阻断第一微管道中液态金属的连通；第二微管道中流体在无增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料无形变，从而恢复第一微管道中液态金属的连通，以实现逻辑控制功能；从而为微流控技术在计算机领域的应用提供了一个新的方法和思路，也为计算机逻辑控制电路的发展提出了一个新的方向和思路。

基于上述实施例，在逻辑器件层中通过制备通孔以形成第一微管道。

基于上述实施例，该逻辑器件单元还包括基底层，基底层采用绝缘材料制备而成；逻辑器件层的底面制备凹槽，逻辑器件层的底面与基底层的上表面贴合后，凹槽与基底层的上表面共同形成第一微管道。

基于上述实施例，控制层采用柔性绝缘材料制备而成，在控制层中通过制备预设数量的相互平行的通孔以形成第二微管道。

基于上述实施例，控制层的底面制备预设数量的相互平行的凹槽，控制层的底面与逻辑器件层的上表面贴合后，凹槽与逻辑器件层的上表面共同形成第二微管道。

基于以上实施例，柔性绝缘材料为但不限于，聚二甲基硅氧烷、硅橡胶或者凝胶。

具体的，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶和凝胶均为柔性绝缘材料，易于通过软刻蚀技术进行加工，加工过程简单，且具有稳定的化学性质和很高的电绝缘性，聚二甲基硅氧烷、硅橡胶或者凝胶作为交叠位置的材料，同时满足了逻辑器件对交叠位置的绝缘性和高弹性的要求。

基于以上实施例，液态金属为室温下保持液体形态的镓铟合金，流体为气体。

具体的，流体采用气体，例如空气，可有效传递压力，且有利于降低成本，无需灌注流体，简化制备流程；液态金属为镓铟合金，例如由75.5％的镓和24.5％的铟组成镓铟合金，在常温下为液态，且具有良好的导电能力。

基于以上实施例，第一微管道和第二微管道优选通过软刻蚀方法或3D打印方法制备而成。以下给出制备以上实施例所述的逻辑器件单元的几种方法，但并不局限于以下几种方法：

方法一，如图3所示，通过以下流程制备逻辑器件单元：

(1)以绝缘材料制备基底层4；以柔性绝缘材料制备逻辑器件层5，并使用软刻蚀方法在逻辑器件层的底面刻蚀出凹槽；制备控制层6，并在控制层6的底面刻蚀出预设数量的凹槽；优选的，柔性绝缘材料使用PDMS。

(2)依次将基底层4、逻辑器件层5和控制层6封合在一起，逻辑器件层5的底面与基底层4的上表面贴合后，逻辑器件层5的底面的凹槽与基底层4的上表面共同形成第一微管道，控制层6的底面与逻辑器件层5的上表面贴合后，控制层6的底面的凹槽与逻辑器件层5的上表面共同形成第二微管道。

(3)将液态金属7灌注到第一微管道内。

方法二，如图4所示，通过以下流程制备逻辑器件单元：

(1)以绝缘材料制备基底层4；

(2)将具有镂空结构的掩膜板放置于基底层4上，然后使用喷枪将液态金属7均匀喷涂在基底层4上，再取下掩膜板；或者使用液态金属打印机/直写笔等设备，直接将液态金属7打印到/写到基底层4上。

(3)将液态的柔性绝缘材料覆盖液态金属7，固化，以制备逻辑器件层5，液态金属7直接被固化在逻辑器件层5的第一微管道内；优选的，柔性绝缘材料使用PDMS。

(4)制备具有预设数量的凹槽的控制层6，凹槽位于控制层6的底面，并将控制层6的底面与逻辑器件层5键合在一起，控制层6的底面的凹槽与逻辑器件层5的上表面共同形成第二微管道。

方法三，通过以下流程制备逻辑器件单元：

采用3D混合打印技术，直接打印出基底层、逻辑器件层、控制层和液态金属。

作为本发明的另一个实施例，参考图5，提供一种计算机器件，包括多个上述的逻辑器件单元。

具体的，在上述实施例中的逻辑器件单元的基础上，遵循传统电子计算机的逻辑器件的集成规则，利用多个器件，如与门、或门和非门，集成为计算元件，如加法器、乘法器等再将计算单元集成为计算机器件。在逻辑器件单元的集成过程中，与传统的逻辑器件的集成方法不同的是，本实施例的逻辑器件单元之间需根据所需实现的逻辑功能将逻辑器件单元之间的第一微管道与第一微管道相互连通、第二微管道与第二微管道相互连通，以保证计算机器件中电压信号能充分传递，以及压力信号能充分传递，保证正常的逻辑控制功能；如图5所示，本实施例对逻辑器件单元的集成，由于本实施例中逻辑器件单元的发热量相对比较少，还可以采用多层层叠的方式，以提高单位体积的逻辑器件单元的集成度。

本实施例通过基于上述实施例中的逻辑器件单元，将多个逻辑器件单元集成化为计算机器件，为微流控技术在计算机领域的应用提供了一个新的方法和思路。

作为本发明的又一个实施例，提供一种计算机，包括多个上述的计算机器件。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种逻辑器件单元，其特征在于，包括相互贴合设置的逻辑器件层和控制层，其中：

所述逻辑器件层制备有第一微管道，所述第一微管道中封装有液态金属；所述逻辑器件层采用柔性绝缘材料制备而成；

所述控制层制备有预设数量的相互平行的第二微管道；所述第二微管道中封装有流体，用于在对所述流体增压时向所述逻辑器件层施加向下的压力；

所述第一微管道和所述第二微管道相互交叠设置，且所述第二微管道中所述流体在增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料在所述流体的压力作用下发生形变，从而阻断所述第一微管道中所述液态金属的连通；所述第二微管道中所述流体在无增压的状态下，交叠位置处的柔性绝缘材料无形变，从而恢复所述第一微管道中所述液态金属的连通。

2.根据权利要求1所述的逻辑器件单元，其特征在于，在所述逻辑器件层中通过制备通孔以形成所述第一微管道。

3.根据权利要求1所述的逻辑器件单元，其特征在于，还包括基底层，所述基底层采用绝缘材料制备而成；所述逻辑器件层的底面制备凹槽，所述逻辑器件层的底面与所述基底层的上表面贴合后，所述凹槽与所述基底层的上表面共同形成所述第一微管道。

4.根据权利要求1所述的逻辑器件单元，其特征在于，所述控制层采用所述柔性绝缘材料制备而成，在所述控制层中通过制备所述预设数量的相互平行的通孔以形成所述第二微管道。

5.根据权利要求1所述的逻辑器件单元，其特征在于，所述控制层的底面制备所述预设数量的相互平行的凹槽，所述控制层的底面与所述逻辑器件层的上表面贴合后，所述凹槽与所述逻辑器件层的上表面共同形成所述第二微管道。

6.根据权利要求1-5任一所述的逻辑器件单元，其特征在于，所述柔性绝缘材料为，聚二甲基硅氧烷、硅橡胶或者凝胶。

7.根据权利要求1-5任一所述的逻辑器件单元，其特征在于，所述液态金属为室温下保持液体形态的镓铟合金，所述流体为气体。

8.根据权利要求1所述的逻辑器件单元，其特征在于，所述第一微管道和所述第二微管道通过软刻蚀方法或3D打印方法制备而成。

9.一种计算机器件，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一所述的逻辑器件单元。

10.一种计算机，其特征在于，包括多个如权利要求9所述的计算机器件。