CN1953116A - 使用含镓开关材料的液态金属开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属开关。液态金属开关(300)使用含镓材料的导电液滴(310)作为汞的替代物。围绕含镓材料的第二流体(313)防止了在导电液滴(310)的表面上形成氧化物。

Description

使用含镓开关材料的液态金属开关

技术领域

本发明涉及液态金属开关。

背景技术

许多开关技术依赖于固体、机械触点，这些触点交替地从一个位置驱动至另一个位置以进行电接触和断开电接触。不幸的是，依赖于固-固触点的机械开关易于磨损并会发生所谓的“磨蚀”状态。磨蚀指在表面上的接触点处发生的腐蚀。在有载荷的情况下和存在反复的相对表面运动的情况下，很可能发生触点的磨蚀。磨蚀通常表现为触点表面上的坑或槽，并导致碎屑的形成，这些碎屑可能造成开关或继电器短路。

为了减小对开关和继电器触点造成的机械损坏，可以利用液态金属来制造开关和继电器，以湿润可动机械结构来防止固体与固体的接触。使用电润湿来致动开关的液态金属开关公开在名为“Liquid Metal SwitchEmploying Electrowetting For Actuation And Architectures For ImplementingSame”的共同转让的美国专利申请No.10/996,823中，其代理号为No.10041044-1，通过引用将其包含在这里。使用气压来致动开关的另一种液态金属开关公开在名为“Liquid Metal Switch Employing a Single VolumeOf Liquid Metal”的共同转让的美国专利申请No.11/068,633中，其代理号为No.10041321-1，通过引用也将其包含在这里。上述应用中描述的液态金属开关使用汞(Hg)作为液态金属。但是，由于环境和健康相关的问题，将汞的使用限制在一些领域中。

发明内容

根据本发明，液态金属开关使用含镓材料的导电液滴作为汞的替代物。围绕含镓材料的第二流体防止了在导电液滴的表面上形成氧化物。

附图说明

参考附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不必然按照比例，而是为了清楚地说明本发明的原理突出了一些重点。此外，在附图中，类似的参考标号在所有视图中表示相对应的部分。

图1A的示意图图示包含位于固体表面上的导电液滴的系统的实施例。

图1B的示意图图示具有不同接触角的图1A的系统。

图2A的示意图图示其中电润湿可以改变导电液滴和与其接触的表面之间的接触角的一种方式。

图2B的示意图图示处于电偏压下的图2A的系统。

图3A的示意图图示使用导电液滴的电开关的实施例。

图3B的示意图图示由于电润湿引起接触角改变，从而引起导电液滴的运动。

图3C的示意图图示在施加电势以后的图3A的开关。

图4A的示意图图示根据本发明实施例的微电路。

图4B是穿过图4A的剖面A-A的简化剖视图。

图5的流程图描述根据本发明实施例形成开关的方法。

具体实施方式

在液态金属开关中使用镓基合金作为开关元件减少了由于使用潜在的有毒材料(例如汞)所带来的限制。但是，镓基合金的使用也出现一些难题。一个主要的难题是用于镓和镓基合金形成氧化物的热量很高。这意味着在液态金属开关中仅用镓或镓基合金替代汞很可能导致在镓或镓基合金的表面上形成镓氧化物。因为，汞氧化物形成的热量很低，所以在汞上形成氧化物不会成为特别的问题。但是，因为镓氧化物形成的热量很高，在存在空气的情况下，氧化物容易形成在镓或镓基合金的表面上，并很可能导致表面张力的变化，或者甚至在表面上形成固体“硬皮”。这阻碍镓或镓基合金的运动，由此限制了开关的性能。

由此，在根据本发明的实施例中，第二流体代替空气作为围绕液态金属开关中的镓或镓基合金的环境氛围。第二流体通过防止氧到达镓基合金表面、和/或通过减少镓基合金表面上形成的氧化物，来防止镓基合金表面的氧化。相对于镓或镓基合金，第二流体通常是非腐蚀性的，并且其通常是非导电性的(例如电介质)。此外，第二流体通常不应当影响液态金属的开关性能，相对于镓或镓基合金通常应当具有较低的粘度。此外，相对于形成开关和流体装载区域的微流体腔，第二流体通常应当是润湿性的。

尽管以下描述的是用在使用电润湿或气压来致动开关的液态金属开关中，但是使用含镓开关材料的液态金属开关可以用在任何液态金属应用中，而与致动技术无关。

在讨论根据本发明的实施例之前，首先提供对于电润湿的效果的简要描述。图1A的示意图图示包含存在于固体表面上的导电液滴的系统100。滴104例如可以含以下材料的镓基合金：例如镓、铟、锡、锌、铜或这些元素与镓的组合。滴104驻留于固体102的表面108上。接触角(也称作润湿角)形成在液滴104与表面108接触的位置。接触角用θ表示，并在表面108、液滴104和气体106接触的点处进行测量。在此示例中，气体106可以是防止在滴104的表面上形成氧化物的流体。流体106形成围绕滴104的氛围。如图1A所示，当液滴104接触被称作相对非润湿或较小可润湿性的表面108时形成大接触角。润湿性通常是表面108的材料和形成滴104的材料的函数，并且特别是与液体的表面张力相关。通常，流体106相对于表面108是润湿性的，并对于将滴104包含在流体通道或流体腔中的开关结构的壁或顶(以下描述)是润湿性的。

图1B是表示具有不同接触角的图1A的系统100的示意图130。在图1B中，滴134对于表面108比滴104对于表面108更加可润湿，由此形成更小的接触角，称之为θ′。如图1B所示，滴134比图1A的滴104更加平坦并具有更低的轮廓。

电润湿的概念被定义为接触角随着施加电势而变化，它依赖于用电来改变导电液体相对于与导电液体接触的表面形成的接触角的能力。一般来说，导电液体和与其接触的表面之间的接触角在0°到180°的范围内。

图2A是表示电润湿可以改变导电液滴和与其接触的表面之间的接触角的一种方式的示意图200。在图2A中，导电液滴210夹在电介质202和电介质204之间。电介质例如可以是氧化钽或其它电介质材料。电极206埋入电介质202中，电极208埋入电介质204中。电极206和208耦合到电压源212。在图2A中，系统是非电偏压的。在这种非偏压状态下，液滴210相对于电介质204的与滴210接触的表面205形成接触角，称之为θ₁。类似的接触角存在于滴210和电介质202的表面203之间。

图2B是表示在电偏压下的图2A的系统200的示意图230。电压源212提供偏压至电极206和208。施加到电极206和208的电压产生穿过导电液滴的电场，引起滴移动。滴210的移动增大了系统电容，由此增加了系统能量。在此示例中，相对于滴210的接触角，滴240的接触角被改变。新的接触角称作θ₂，并且新的接触角是由在电极206和208之间产生的电场和滴240作用的结果。

通常希望将滴与电极隔离，并且由此允许滴变成电路的部分。如图2B所示，电偏压的施加使得电介质204的表面205和电介质202的表面205相对于滴240比图2A所示的无偏压状态更加可润湿。尽管形成滴240的液体表面张力通常抵抗由电润湿效应引起的液体表面的变形，但是由于在电极206和208之间建立的电场，接触角发生了变化。如下所述，接触角的变化改变了滴的曲率并引起滴的平移运动。

图3A是表示使用镓基导电液滴的电气开关300的实施例的示意图。开关300包括：电介质302，其具有形成开关底面的表面303；电介质304，其具有形成开关顶面的表面305。示意性示出的是壁部307和309，壁部307和309与表面303和305一起形成流体腔311。导电液滴310夹在电介质302和电介质304之间。

流体腔311剩余的区域填充第二流体313。第二流体313形成围绕滴310的氛围。一般来说，第二流体313减少或消除了在滴310的表面上形成氧化物。对于许多种镓合金，具有大约10的PH的第二流体313将导致经氢氧(OH)离子末端化的表面(OH ion terminated surface)，而不是不然就会形成并引起上述不需要的影响的经薄自身氧化物末端化的表面(例如Ga₂O₃)。第二流体313通常还具有非导电的电介质性质，以不干扰引起滴在流体腔311中移动的电润湿效果。但是，对于碱性溶液，其将是离子导电性的，该导电性应当足够小，以不会引起开关中不能接受的泄露电流。通常，第二流体313具有较低的微波损耗因数，使得第二流体313在较高的射频处保持其电介质性质。此外，镓基滴310和第二流体313之间的界面能应当使得仍然能够发生开关作用。第二流体313的粘度还应当足够低，以不会不能接受地减慢开关时间。第二流体相对于表面303和305、相对于壁部307和309的表面应当是润湿性的，使得第二流体313能够通过毛细作用装载到开关中。

尽管图3A中为了清晰起见进行了省略，但是流体腔311还包括一个或多个排气口，用于将液态金属和第二流体装载到流体腔311中。在将液态金属和第二流体注入之后，可以密封排气口。液态金属可以装载到流体腔311中，如名为“Method and Apparatus for Filling a Microswitch withLiquid Metal”的共同转让的美国专利申请No.11/130,846中所描述，该申请的代理号为No.10041453-1，通过引用将其包含在这里。第二流体相对于表面303、305和壁部307和309通常是润湿性的，以辅助将第二流体装载到流体腔311中。

电介质302包括电极306和电极312。电介质304包括电极308和电极314。电极306和312埋入电介质302，而电极308和314埋入电极304。在此示例中，为了促使液滴310朝向电极312和314移动，电极306和308耦合到电回路316并与电极312和314电隔离，电极312和314耦合到电压源326。可替换地，为了使液滴310朝向电极306和308移动，电极312和314可以耦合到隔离的电回路并且电极306和308可以耦合到电压源。

在此示例中，开关300包括位于电介质302的表面303上的电触点318、322和324。在此示例中，触点318可以作为输入，而触点322和324可以作为输出。如图3A所示，滴310与输入触点318和输出触点322电接触。此外，在此示例中，滴310一直与输入触点318接触。

如图3A的剖视图所示，滴310包括第一半径r₁和第二半径r₂。当没有电偏压时，也就是说当电压源326提供零电压时，半径r₁部分的曲率等于半径r₂部分的曲率并且滴静止。滴的曲率半径r定义成

$r=\frac{d}{\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{top}}+{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{bottom}}}$ 等式1

其中d是电介质302的表面303与电介质304的表面305之间的距离，θ_top是滴310和表面305之间的接触角，θ_bottom是滴310和表面303之间的接触角。因此，如图3A所示，滴310静止，由此半径r₁等于半径r₂，这时，沿相反的方向弯曲。

一旦经由电压源326施加了电势，在滴310与表面303和305之间限定了新的接触角。以下的等式定义了新的接触角。

$\cos \mathrm{\θ}\left(V\right)=\cos {\mathrm{\θ}}_0+\frac{\∈}{2\mathrm{\γ}t}{V}^2$ 等式2

等式2称为Young-Lippmann方程，其中新的接触角θ(V)定义成所施加的电压的函数。在等式2中，ε是电介质302和304的介电常数，γ是液体的表面张力，t是电介质厚度，V是相对于导电液体施加至电极的电压。因此，为了改变滴310相对表面303和305的接触角，施加电压至电极314和312，由此改变液滴310的轮廓使得r₁不等于r₂。如果r₁不等于r₂，则滴310上的压力P根据以下等式变化。

$P=\mathrm{\γ}(\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2})$ 等式3

图3B的示意图表示由于电润湿引起接触角减小导致滴310的压力变化，从而导致使导电液滴运动。当电压由电压源326施加至电极314和312时，在图3A中，滴310相对于表面303和305的接触角减小，使得r₁不等于r₂。当半径r₁不等于r₂时，在滴上产生压差，由此引起液滴在表面303和305上移动。

图3C是表示图3A的开关300在施加电势之后的示意图330。如图3C所示，滴310已经移动，并且当前电连接输入触点318和输出触点324。以此方式，电润湿可以用于使导电液体平移运动，并可以用于开关电子信号。

在根据本发明的另一个实施例中，第二流体313可以被设计成使污染物离开与其接触的金属液滴的表面。例如，一些类型的污染物出现在液态金属块中，而另一些污染物出现在金属液滴的表面处。表面污染物能够改变金属液滴的表面张力，从而改变金属液滴的流动性和开关特性。第二流体313可以被设计成捕获迁移到金属液滴表面的污染物并将其放到溶液中。第二流体313的选择依赖于将要捕获并放入溶液中的污染物的类型。

在根据本发明的另一个实施例中，镓基液态金属开关实现为使用气压引起金属液滴移动的液态金属微型开关。图4A是图示微电路400的示意图。在此示例中，微电路400是液态金属微型开关。液态金属微型开关400制造在可以包括一个或多个层(未示出)的衬底上。例如，衬底402可以由电介质材料(未示出)和其它材料层部分地覆盖。液态金属微型开关400可以是例如使用薄膜沉积技术和/或厚膜筛滤技术的制造结构，其可以包括单层或多层电路衬底。

液态金属微型开关400包括加热器404和406。加热器404位于加热器腔407中，加热器406位于加热器腔408中。液态金属微型开关400还包括盖或帽，图4A中省略了这些。腔407和408可以用气体填充，气体可以是例如氮气(N2)，气体使用参考标号435来表示。可替换地，腔407和408可以用第二流体413来填充，该第二流体413类似于上述的第二流体313。加热器腔407经由副通道415连接到主通道420。主通道420也称作流体腔。类似地，加热器腔408通过副通道416连接到主通道420。主通道420用单个金属液滴430部分地填充。但是，在一些应用中，可以存在被气压划分的两个分离的导电液滴以致动开关功能。滴430有时被称作“块”。液态金属(其可以是例如含镓和铟、锡、锌和铜或其组合的镓基合金)与输入触点421和两个输出触点422、424中的一个一直保持接触。滴430由第二流体413包围在主通道420中。

位于触点422之下的金属材料部分451经过主通道420的外围延伸到衬底402上。类似地，位于输出触点424之下的金属材料部分452经过主通道420的外围延伸到衬底402上，输入触点421之下的金属材料部分456经过主通道420的外围延伸到衬底402上。金属部分451、452、454和456通常由电介质覆盖，图4A中为了清晰起见省略了其描述。金属材料还沉积或者以其它方式施加到衬底402中区域409、411和412附近，以提供金属结合能力，用于安装帽，如果需要的话。以下将描述限定壁和顶的帽(也称作盖)。将顶结合到开关400也可以通过阳极结合来完成，在这种情况下，区域409、411和412将包括无定形硅层。输出触点422和424通常被制造为尽可能小，以最小化使用开关时用于将滴430与输出触点422或输出触点424分离的能量。此外，通过最小化滴430和不与滴物理接触的触点之间电容耦合的可能性，最小化触点421、422和424的面积进一步提高了触点之间的电隔离。

主通道420包括所示的构造425和特征426。特征425和426可以制造在衬底402的表面上，例如作为从主通道420的底部向上延伸并与金属液滴430的边缘接触的岛状物，如图所示。这些特征425和426还可以被限定作为盖的部分，其限定通道420的侧壁和顶。特征425和426决定了金属液滴430的驻留位置。为了影响金属液体430的运动并由此进行开关功能，加热器404或406中的一个将加热器腔407或408中的气体435加热，引起气体435膨胀并穿过副通道415或416中的一个。膨胀的气体435在滴430上施加压力，引起滴430移动穿过主通道420。当滴430的位置如图4A所示时，加热器404将加热器腔407中的气体435加热，由此使气体膨胀并强迫气体穿过副通道415并围绕特征425，使得相对恒定的压力壁施加在滴430上。由此施加的气压引起滴朝向输出触点424移动。特征425和426防止滴430延伸经过主通道420中的限定的点，但是当需要滴430时允许滴430从特征425和426去润湿。当腔407和腔408填充有第二流体413时，为了执行开关功能，加热器404或406中的一个使第二流体413沸腾。膨胀的沸腾的第二流体413在加热器404或406附近的运动引起气泡形成。然后，在周围的未沸腾的第二流体413上的膨胀气泡的压力在滴430上做功，引起滴430移动穿过主通道420，并引起开关动作。

此外，因为单个滴430用在微型开关400中，所以与其中金属液滴被划分成多个部分以提供开关动作时相比，极大地减小了滴430分成可能进入副通道415和416的微滴的可能性。

尽管图4A为了清晰起见进行了省略，但是主通道420还包括一个或多个排气口，用于将液态金属装载到主通道420中。排气口可以在将液态金属和第二流体注入之后密封。

主通道420还包括一个或多个被限定的区域，这些限定的区域包括可以改变和限定滴430与主通道420之间的接触角的表面。接触角(也称作润湿角)形成在滴430与主通道420的表面相会的位置。在表面、液体和第二流体相会的点处测量接触角。在此示例中，第二流体可以是氨基醇三乙醇胺(amino alcohol triethanol amine)、其它有机醇、或形成围绕滴430的氛围的其它第二流体。当滴430接触被称作相对非润湿或较小可润湿性的表面时形成大接触角。润湿性通常是表面的材料和形成液滴430的材料的函数，并且特别是与液体的表面张力相关。此外，需要第二流体413相对于滴430并相对于主通道420中的表面相对润湿。

主通道420的部分可以被限定为润湿性、非润湿性或具有中间接触角。例如，可能需要使主通道420的延伸经过输出触点422和424的部分较小润湿性或非润湿，以防止滴430进入这些区域。类似地，主通道的位于特征425和426附近的部分可以被限定为在滴430和主通道420之间建立中间接触角。主通道420的容纳第二流体413的区域通常是润湿性的，以辅助将第二流体装载到主通道420中。

液态金属微型开关400还包括一个或多个衬垫，如利用参考标号431、432、434、436、437和438所示。

图4B是穿过图4A的剖面A-A的简化剖视图。衬底402大致支撑金属液滴430。滴430与输入触点421和输出触点422接触，并停靠在特征425上。当穿过副通道415施加气压时，气体435经过特征425周围以及穿过特征425的部分，在滴430上施加压力，引起滴430朝向输出触点424移动。衬底402的表面442的部分包括被设计为在滴430和表面442之间产生中间接触角的材料或表面处理。中间润湿性的区域在滴之下和输入触点421、输出触点422、424附近形成中间接触角，但不与输入触点421、输出触点422、424接触。一般来说，导电液体和与其接触的表面之间的接触角在0°到180°的范围内，并依赖于形成滴的材料、与滴接触的表面的材料，并特别是与液体的表面张力相关。当滴接触被称作相对非润湿或较小可润湿性的表面时形成大接触角。更加润湿性的表面对应于比较不润湿性的表面更小的接触角。中间接触角是可以通过选择覆盖与滴接触的表面的材料来限定的角，中间接触角通常是介于分别对应于非润湿性表面和润湿性表面的大接触角和小接触角之间的角度。如果在滴上施加的气压引起滴430超过需要的位置，则中间接触角帮助滴430返回到输出触点422或424附近的需要的位置，并与输出触点422或424接触。液态金属微型开关400还包括帽440，由此将滴430封在其中。帽440在主通道420中限定了流体腔。

主通道420中的其它区域填充有第二流体413。第二流体413类似于上述的第二流体313，第二流体413形成围绕滴430的氛围。一般来说，第二流体413减少或消除了滴430表面上氧化物的形成。对于许多镓合金来说，具有大于10的PH的第二流体413导致形成经氢氧(OH)离子末端化的表面，而不是经薄的自身氧化物末端化的表面(例如Ga₂O₃)，要不然经自身氧化物末端化的表面可能形成并引起上述的不需要的效果。

第二流体413进一步优选具有非导电性质，以不干扰引起滴430在主通道420中移动的电润湿效果。但是，对于碱性溶液，将存在离子导电性，该导电性应当足够小，以不会在开关中引起不能接受的泄露电流。更一般而言，第二流体413应当具有较低的微波损耗因数，使得第二流体413能够在较高的射频处保持其电介质性质。此外，镓基滴430和第二流体413之间的界面能应当能够产生开关作用。第二流体413的粘度应当足够低，以不会引起不能接受的开关时间。第二流体相对于主通道420中的表面应当是润湿性的，使得第二流体413能够通过毛细作用装载到开关中。

尽管为了清晰起见在图4B中进行了省略，但是主通道420还包括用于将液态金属和第二流体装载到主通道420中的一个或多个排气口。排气口可以在注入液体金属和第二流体之后密封。液态金属可以装载到流体腔311中，如名为“Method and Apparatus for Filling a Microswitch with LiquidMetal”的共同转让的美国专利申请No.11/130,846中所描述，该申请的代理号为No.10041453-1。第二流体相对于主通道420的表面通常是润湿性的，以辅助将第二流体装载到流体腔311中。

图5是描述形成根据本发明实施例的开关的方法的流程图500。在模块502中，设置流体腔。在模块504中，在衬底上的流体腔中提供导电液滴。导电液滴是镓基材料。在模块506中，第二流体添加到流体腔，使得其接触导电液滴并形成围绕导电液滴的氛围。在模块508中，设置被构造为引起导电液滴在流体腔中移动的动力源。

本公开详细描述了根据本发明的实施例。但是，应当理解本发明由权利要求来限定，而不限于描述的具体实施例。

Claims (10)

1.一种液态金属开关(300)，包括：

含镓材料的导电液滴(310)；和

围绕所述含镓材料的第二流体(313)，所述第二流体防止在所述导电液滴(310)的表面上形成氧化物。

2.如权利要求1所述的开关(300)，其中，所述含镓材料选自镓、铟、锡、锌和铜。

3.如权利要求2所述的开关(300)，其中，所述第二流体(313)的PH值至少为10。

4.如权利要求3所述的开关(300)，还包括：

流体腔(311)，所述流体腔具有底(303)、壁(307，309)和顶(305)；和

衬底(302)，所述衬底具有形成所述底(303)的表面(303)，其中，所述第二流体(313)相对于所述流体腔(311)的底(303)、壁(307，309)和顶(305)是润湿性的。

5.如权利要求4所述的开关(300)，其中，所述第二流体(313)选自氨基醇三乙醇胺和其它有机醇。

6.如权利要求5所述的开关(300)，还包括位于所述衬底(302)中的至少一个电极(306)，其中，由动力源(326)使得所述导电液滴(310)在所述流体腔(311)内移动，所述动力源(326)被构造成建立包含所述导电液滴(310)的电路。

7.如权利要求5所述的开关(400)，还包括加热器(404)，所述加热器(404)被构造为加热气体(435)，所述被加热的气体(435)膨胀以引起所述导电液滴(310)移动穿过所述流体腔(311)。

8.一种用于制造开关(300)的方法，包括：

设置具有底(303)、壁(307，309)和顶(305)的流体腔(311)；

设置衬底(302)，所述衬底具有形成所述底(303)的表面(303)；

在所述底(303)之上设置含镓材料的导电液滴(310)；

设置围绕所述含镓材料的第二流体(313)；以及

使所述导电液滴(310)在所述流体腔(311)内移动。

9.如权利要求8所述的方法，还包括从镓、铟、锡、锌和铜中选择含镓材料。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第二流体(313)的PH值至少为10。

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