CN1838357B - 具有可湿表面的开关及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关，它具有成对的第一衬底和第二衬底，并在它们之间界定出许多空腔。多个可湿表面设置在一个或多个空腔内。盛放在一个或多个空腔内的开关流体起响应于施加到开关流体上的力而连接和分开至少一对可湿表面的作用。可湿表面至少部分由不与开关流体形成合金的材料形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有可湿表面的开关及其制造方法，该可湿表面包括不会与开关流体形成合金的材料。
背景技术
基于流体的开关(fluid-based switch)，例如液体金属微动开关(LIMMS)包括成对的第一衬底和第二衬底，在这两个衬底之间界定出许多空腔。在一个或多个空腔内设置有多个可湿表面，这些表面可以通过对开关流体施加力而连接和分开。在某些情况下，可湿表面可以包括电极，并且开关流体可以与该电极电连接和断开，从而控制电信号传播通过开关。在其它情况下，开关流体可以与可湿表面连接和分开，以挡住和打开空腔中的多个窗，从而控制光信号传播通过开关。
发明内容
在一个实施方案中，开关包括第一衬底、第二衬底、多个可湿表面和开关流体。第一衬底和第二衬底之间界定出许多空腔。多个可湿表面设置在一个或多个空腔内。开关流体盛放在一个或多个空腔内，并且起响应于施加到开关流体上的力而连接和分开至少一对可湿表面的作用。该可湿表面包含不与开关流体形成合金的材料。
在另一实施方案中，公开了一种制造开关的方法。该方法包括：在第一衬底和第二衬底的其中一个或二者上设置多个可湿表面，然后使第一衬底和第二衬底匹配，以密封它们之间的接触可湿表面的开关流体。该可湿表面包含与开关流体不形成合金的材料。
其它实施方案也有公开。
附图说明
在附图中，举例说明了本发明的说明性实施方案：
图1示出了基于流体的开关的第一示例性实施方案；
图2示出了图1中所示开关的其中一个衬底的俯视图；
图3示出了图2中所示衬底的横截面；
图4示出了基于流体的开关的第二示例性实施方案；
图5示出了一种制造基于流体的开关的方法；
图6示出了图1中所示开关的可湿表面，其中该可湿表面以粘合层和帽层(cap layer)为界；和
图7示出了延伸在第一和第二基于流体的开关的开关流体空腔之间的导电流道(conductive runner)。
具体实施方案
图1-3示出了基于流体的开关100的第一实施方案。开关100包括第一衬底102和第二衬底104，它们之间界定出多个空腔106、108、110、112、114。其中一个空腔106内设有多个电极116、118、120。盛放在同一空腔106内的有开关流体122，它起响应于施加到开关流体122上的力而连接和断开不同电极对116/118、118/120的作用。作为实例，开关流体122以是任意导电流体，例如液态金属(例如汞)。
施加到开关流体122的力来自于致动流体(actuating fluid)124(例如惰性气体或液体)的压力变化，该致动流体盛放在与开关流体空腔106连接的一对空腔108、110内。通过位于开关的电极116、118、120之间的连接空腔112、114，致动流体空腔108、110与开关流体空腔106相连接。致动流体124的压力变化起将压力变化传给开关流体122，从而引起开关流体122改变形状、运动、分散等的作用。在图1所示的开关状态中，盛放在第一空腔108中的致动流体124的压力施力，以如所示的分散开关流体122。在这种状态下，最右边的一对开关电极118、120耦合。如果减少盛放在第一空腔108内的致动流体124的压力，并且增加盛放在第二空腔110内的致动流体124的压力，则可以迫使开关流体122分散和合并，以致最右边的开关电极对118、120分离，而最左边的电极对116、118耦合。
作为实例，可以通过加热致动流体124，或通过压电抽吸实现致动流体124的压力变化。前者在Kondoh等的题为“Electrical Contact BreakerSwitch，Integrated Electrical Contact Breaker Switch，and Electrical ContactSwitching Method”的美国专利No.6,323,447中有描述。后者在Wong的题为“Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch”的美国专利No.6,750,594中有描述。
虽然以上引用的专利公开了通过双推/拉致动流体空腔108、110使开关流体122运动，但是如果单推/拉致动流体空腔能够给予开关流体充分足够的推/拉压力变化，那么这种空腔可能就足够了。关于如图1-3中所示开关100的构造和操作的其它细节，可以在前面提及的Kondoh等和Wong的专利中找到。
图4示出了基于流体的开关400的第二示例性实施方案。如开关100中的，开关400包括第一衬底102和第二衬底104，它们之间界定出多个空腔106、108、110、112、114。在其中一个空腔106内设有多个可湿垫402、404、406。盛放在该同一空腔106内的是开关流体122，它起响应于施加到开关流体122上的力而连接和分开不同的可湿垫对402/404、404/406的作用。作为实例，开关流体122可以是液态金属(例如汞)。
开关流体122存在于其中的空腔106的壁可以是半透明的，或者可以提供有半透明的窗。开关流体122是不透明的。以这种方式，开关流体122的运动使得开关流体122挡住和打开许多光路，从而使得光信号能够或不能传播通过开关400。在一个实施方案中，光路由波导408、410、412、414界定，这些波导与盛放开关流体122的空腔106上的半透明窗对准。
开关400的其它部件以与图1中相应部件相同的方式编号，并且以类似的方式操作。
图1和图4中所示的基于流体的开关100、400仅是示例性的。其它开关实施方案可以包括可湿表面(例如电极或可湿垫)与这些可湿表面和开关流体的不同组合，所述开关流体设置盛放在许多空腔的其中任意一个或多个内，并连接可湿表面。空腔可以是图1和图4中所示的，或可以是不同深度和宽度的其它空腔。还要注意到，开关流体可以采用其它形式，最值得注意的是：汞合金、镓或镓合金，或钾钠合金。
图5示出了用于制造例如图1和4中所示的任意一种开关的方法500。该方法500包括：首先将多个可湿表面设置在第一衬底和第二衬底的其中一个或二者上502，然后使第一衬底和第二衬底匹配504，以1)在它们之间界定出许多空腔，和2)密封它们之间的使可湿表面接触的开关流体。
当开关流体122与可湿表面(例如116、118、120)接触时，甚至在室温下在固-液界面可能发生各种物理化学反应。这些反应包括：可湿表面116-120溶解进入开关流体122内，在可湿表面116-120与开关流体122之间形成合金(例如汞齐)，以及在开关流体122内形成金属间化合物。这些反应可能是有害的，可能损坏可湿表面116-120的结构和电性能，从而降低开关的性能、可靠性和寿命。
在某些情况下，以上反应可能改变流体122、124的物理性质(例如，增加开关的金属和流体的体积，其中，例如铂电极形成汞齐HgPt4)，增加流体粘度，或降低流体的表面张力)。而且，这些物理改变可能是缓慢的，以致直到开关生产出之后才被发觉。因而，它们可能引起开关内的机械应力，导致不良操作或者甚至破裂。它们还可能导致在开关的开关流体空腔106附近延伸的导电流道的旁边和上方形成“泄漏”路径或“隧道”。这些反应还可能影响可湿表面116-120的电阻率和可湿性。
为了减轻或消除以上某些或全部反应，可湿表面116-120可以包含与开关流体122不会形成合金的材料(即没有可检测的具有开关流体122的相的材料)。在某些实施方案中，可湿表面116-120可以仅由不与开关流体122形成合金的材料组成。在其它情况下，可湿表面116-120可以基本上由不与开关流体122形成合金的材料组成。在其它情况下，可湿表面116-120可以包括不与开关流体122形成合金的材料和与开关流体122形成合金的材料。在一个实施方案中，选择与开关流体122形成合金的材料，因为它的导电率大于不与开关流体122形成合金的材料。
现在考虑其中它的开关流体包括汞的基于流体的开关。不与汞形成合金(即汞齐)的材料包括单独的或组合的铱(Ir)、锇(Os)、钌(Ru)、铼(Re)、钴(Co)、铁(Fe)、钼(Mo)、钨(W)、铬(Cr)、铌(Nb)、钽(Ta)和钒(V)。
应该用来形成可湿表面的许多材料的选择可能依赖于各种因素。在选择用于可湿表面的材料中的一个重要因素是该材料在特定开关流体中的溶解度。即，如果可湿表面在特定开关流体中具有低的溶解度，那么可湿表面溶解到开关流体中的可能性(或至少是速率)将会降低。优选地，可湿表面在开关流体中的溶解度在大致室温下按原子比计低于或等于约10-6％(即，低于或等于约百分之一的百万分之一)。在具有汞开关流体的开关中，已发现从溶解度角度看，含有铱的可湿表面表现最优。
不仅从寿命角度，而且从成本角度，低的溶解度可能是重要的。即，如果可湿表面不可能溶解到开关的开关流体中，那么当形成可湿表面时，有时可能会沉积出该材料的薄层(即因为该材料将很少或没有溶解到开关流体中)。
在选择用于可湿表面的材料中的另一重要因素是它的生成标准吉布斯能(在此有时称为“氧化能”)。即该材料的氧化能应该大到足以确保在开关的制造过程中它不会氧化。如果开关可以在无氧环境下制造，那么氧化能可能不那么重要。然而，有时候难以保持无氧的制造环境。
以上一些“非汞齐”材料(即，与汞不形成合金的材料)的生成标准吉布斯能如下：
铱：约-200kJ/mol O2
锇：约-240kJ/mol O2
钌：约-250kJ/mol O2
铼：约-380kJ/mol O2
钴：约-430kJ/mol O2
铁：约-500kJ/mol O2
虽然铁在某些生产条件下可能具有合适的氧化能，但是已发现那些氧化能大于或等于约-430kJ/mol O2的材料在存在氧的环境中表现更好。铁往往太容易生锈。已发现那些氧化能大于或等于约-250kJ/mol O2的材料表现明显更好，那些氧化能大于或等于约-200kJ/mol O2的材料(即铱)表现最好。
在电开关的情况下，在选择用于可湿表面(即电极)的材料中的另一重要因素是该材料的导电性。在这点上，(如果和当氧化发生时)材料不会形成稳定的氧化物也可能重要。在保持表面的可湿性上，没有稳定的氧化物也可能重要。
对于汞基开关，在以上所有因素中表现好的材料是铱。铱不会与汞形成汞齐，在汞中的溶解度低，具有高氧化能(即负得更少的氧化能)，并且具有良好的导电性。而且，因为它的氧化能高，不会形成稳定的氧化物，从而导致它在高达250℃的温度下保持良好的可被液体金属(例如汞)润湿的性质。
如前面所述的，可湿表面有时可以包括不会与开关流体形成合金的材料以及与开关流体形成合金的材料。在汞基开关的情况下，铂可能是期望的与非汞齐材料组合的一种材料(即因为它的高导电性和不稳定的氧化物)。
作为非限制性的实例，可湿表面可以设置在其上的衬底可以由玻璃、陶瓷、金属或聚合物形成。根据衬底的组成、清洁度和稳定性，有时希望在设置可湿表面116之前，在衬底102上设置粘合层600。参见图6。已发现作为此处所公开的衬底和可湿表面的粘合层表现良好的材料包括钽、铬和钛。
要注意到在某些情况下，如果通过氩等离子体清洁、或加热、或氩等离子体清洁和加热制备可湿表面，则它可以提供更大的可湿性。
倘若在氧污染可能的环境中，或者当用于可湿表面的材料具有低的氧化能时，可湿表面上的氧化物可能会妨碍它的导电性和可湿性，那么有时希望采用选来以减少可湿表面116氧化的帽层602覆盖可湿表面116。参见图6。
金是一种作为帽层602的良好材料。如果在可湿表面116上设置很薄的金层，并且最终设置在可湿表面116上的开关流体122是汞，那么该薄金层将完全溶入汞中。随着金层的厚度增加，它往往仍可能溶解到汞中，而很少或没有形成汞齐。然而在某些情况下，该金层可能厚到足以在可湿表面116上形成汞齐。倘若氧化物降低了金的性质，那么这些汞齐可能是可接受的。
在某些情况下，用于形成可湿表面的材料可能形成导电流道702的部分，该导电流道从开关的开关流体空腔106内延伸到其外部。例如，图7示出了其内具有属于两个不同开关的通道106-114，704-712的衬底700，导电流道702在它们之间延伸，并延伸进各个开关的开关流体空腔106、704内。如果该导电流道702由不会与这两个开关的开关流体形成合金的材料形成，那么开关流体的任何泄漏将不会损坏流道702。
除了使用“非合金”或“非汞齐”流道702来连接两个基于流体的开关之外，这种流道702还可以用来耦合开关和另一电路元件(例如，电阻、电容器、接触垫等)。
Claims (22)
1.一种开关，包括：
成对的第一衬底和第二衬底，在它们之间界定出一组空腔；
设置在一个或多个所述空腔内的多个可湿表面；
盛放在一个或多个所述空腔内的开关流体，它起响应于施加到所述开关流体上的力而连接和分开至少一对所述可湿表面的作用；
其中，所述可湿表面包括不会与所述开关流体形成合金的材料。
2.如权利要求1所述的开关，其中所述开关流体包括汞或汞合金，其中所述不会与所述开关流体形成合金的材料在约室温下在汞中的溶解度按原子比计低于或等于10-6％。
3.如权利要求1所述的开关，其中所述开关流体包括汞或汞合金，其中所述不会与所述开关流体形成合金的材料的生成标准吉布斯能大于或等于-430kJ/mol O2。
4.如权利要求1所述的开关，其中所述开关流体包括汞或汞合金，其中所述不会与所述开关流体形成合金的材料的生成标准吉布斯能大于或等于-250kJ/mol O2。
5.如权利要求1所述的开关，其中所述开关流体包括汞或汞合金，其中所述不会与所述开关流体形成合金的材料的生成标准吉布斯能大于或等于-200kJ/mol O2。
6.如权利要求1所述的开关，其中所述开关流体包括汞或汞合金，其中所述不会与所述开关流体形成合金的材料在约室温下在汞中的溶解度按原子比计低于或等于10-6％，且生成标准吉布斯能大于或等于-200kJ/molO2。
7.如权利要求1所述的开关，其中所述不会与所述开关流体形成合金的材料包括铱。
8.如权利要求7所述的开关，其中所述开关流体包括汞或汞合金。
9.如权利要求1所述的开关，其中所述开关流体包括镓、镓合金或钾钠合金。
10.如权利要求1所述的开关，还包括至少一个粘合层，所述粘合层设置在由所述第一衬底和第二衬底界定的一个或多个空腔内，以将可湿表面粘结到所述衬底的其中一个或两个上。
11.如权利要求10所述的开关，其中所述至少一个粘合层包括钽、铬或钛。
12.如权利要求1所述的开关，还包括至少一个设置在可湿表面上的帽层，以减少可湿表面的氧化。
13.如权利要求12所述的开关，其中所述至少一个帽层在所述开关流体中的溶解度比可湿表面的要高。
14.如权利要求12所述的开关，其中所述至少一个帽层包括金。
15.如权利要求1所述的开关，其中所述可湿表面的至少一个形成导电流道的部分，所述导电流道从所述第一衬底和第二衬底之间界定出的一组空腔的内部延伸到外部。
16.如权利要求15所述的开关，其中所述第一衬底和第二衬底在它们之间还界定出另一组空腔，其中所述导电流道延伸到所述另一组空腔的至少一个内。
17.如权利要求1所述的开关，其中所述可湿表面基本上由不与所述开关流体形成合金的材料组成。
18.如权利要求1所述的开关，其中所述可湿表面还包括与所述开关流体形成合金的材料，但它的导电性要大于不与所述开关流体形成合金的材料。
19.如权利要求18所述的开关，其中所述开关流体包括汞，其中所述不与开关流体形成合金的材料包括铂。
20.如权利要求1所述的开关，其中所述开关流体包括汞，其中所述不与开关流体形成合金的材料不会与汞形成汞齐。
21.一种制造开关的方法，包括：
在第一衬底和第二衬底的其中一个或两个上设置多个可湿表面；
使所述第一衬底和第二衬底匹配，以在它们之间界定出一组空腔，并且密封它们之间的使所述可湿表面接触的开关流体；
其中所述可湿表面包括不与所述开关流体形成合金的材料。
22.如权利要求21所述的方法，还包括在使所述第一衬底和第二衬底匹配之前，在所述可湿表面上设置至少一个帽层，在不与所述开关流体接触的条件下，所述至少一个帽层起减少可湿表面氧化的作用。
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