DE10360993A1

DE10360993A1 - Verfahren und Struktur für einen Piezoelektrisch betätigten Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalter

Info

Publication number: DE10360993A1
Application number: DE10360993A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong; Arthur Colorado Springs Fong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2004-12-02
Also published as: GB2400749B; GB0407192D0; TW200426870A; US6768068B1; GB2400749A; JP2004319495A

Abstract

Ein Verfahren und eine Struktur für einen elektrischen Schalter. Gemäß der Struktur der vorliegenden Erfindung ist eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer in einem Festkörpermaterial gehäust. Eine Mehrzahl von Schalterkontakten innerhalb der mit Flüssigkeit gefüllten Kammer ist mit dem Festkörpermaterial gekoppelt, während eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente mit einer Mehrzahl von Membranen gekoppelt ist. Die Mehrzahl von Membranen ist mit der mit Flüssigkeit gefüllten Kammer gekoppelt. Die Mehrzahl von Schalterkontakten ist mit einer Mehrzahl von Flüssigmetallkügelchen gekoppelt und ein Festkörperteil ist mit zweien der Mehrzahl von Schalterkontakten gekoppelt und ferner mit der Mehrzahl von Flüssigmetallkügelchen gekoppelt. Gemäß dem Verfahren wird ein piezoelektrisches Element betätigt, was bewirkt, daß ein Membranelement abgelenkt wird. Die Ablenkung des Membranelementes erhöht einen Druck einer Betätigungsgliedflüssigkeit und die Erhöhung des Drucks der Betätigungsgliedflüssigkeit unterbricht eine Festkörperteilverbindung zwischen einem ersten Schalterkontakt und einem zweiten Schalterkontakt und bewirkt, daß das Festkörperteil eines Flüssigmetallverbindung zwischen einem dritten Kontakt und einem vierten Kontakt der Mehrzahl von Schalterkontakten einrichtet.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die folgenden ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen, die durch die folgenden aufgeführten Identifizierer identifiziert und in alphanumerischer Reihenfolge angeordnet sind, die den gleichen Eigentümer wie die vorliegende Anmeldung aufweisen und zu diesem Ausmaß auf die vorliegende Anmeldung bezogen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind:
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,691;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/142,076;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003; US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Piezoelectric Optical Latching Relay", eingereicht am 31. Oktober 2001, mit der Seriennummer 09/999,590;
US-Anmeldung mit dem Titel „Shear Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Production Thereof", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,597;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Latching Relay with Bending Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Latching Relay with Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Closed Loop Piezoelectric Pump", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Solid Slug Longitudinal Piezoelectric Latching Relay", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,692;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Longitudinal Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Method for Producing the Same", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,963;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 28. März 2002, mit der Seriennummer 10/109,309;
US-Anmeldung mit dem Titel „Electrically Isolated Liquid Metal Micro-Switches for Integrally Shielded Microcircuits", eingereicht am 8. Oktober 2002, mit der Seriennummer 10/266,872;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Demultiplexing Switch", eingereicht am 10. April 2002, mit der Seriennummer 10/119,503;
US-Anmeldung mit dem Titel „Volume Adjustment Apparatus and Method for Use", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,293;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Maintaining a Liquid Metal Switch in a Ready-to-Switch Condition", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Reflecting Wedge Optical Wavelength Multiplexer/Demultiplexer", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpillar Piezoelectric Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpiller Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Inserting-finger Liquid Metal Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Wetting Finger Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; und
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Caterpillar Piezoelectric Reflective Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003.

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet elektronischer Vorrichtungen und Systeme und insbesondere auf eine Elektronikschalttechnologie.

Ein Relais oder Schalter kann verwendet werden, um ein elektrisches Signal von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand zu verändern. Im allgemeinen kann es mehr als zwei Zustände geben. In Anwendungen, die eine kleine Schaltergeometrie oder eine große Anzahl von Schaltern in einer kleinen Region benötigen, können MEMS-Herstellungstechniken verwendet werden, um Schalter mit einer kleinen Standfläche zu erzeugen. Ein Halbleiterschalter kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie z. B. in Industrieausrüstung, Telekommunikationsausrüstung und der Steuerung elektro-mechanischer Vorrichtungen, wie z. B. von Tintenstrahldruckern.

In Schaltanwendungen kann die Verwendung der piezoelektrischen Technologie verwendet werden, um einen Schalter zu betätigen. Piezoelektrische Materialien weisen mehrere eindeutige Charakteristika auf. Ein piezoelektrisches Material kann hergestellt sein, um sich ansprechend auf eine angelegte Spannung auszudehnen oder zusammenzuziehen. Dies ist als der indirekte piezoelektrische Effekt bekannt. Die Menge einer Ausdehnung oder Kontraktion, die durch die Ausdehnung oder Kontraktion erzeugte Kraft und die Menge einer Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Kontraktionen sind wichtige Materialeigenschaften, die die Anwendung eines piezoelektrischen Materials bei einer bestimmten Anwendung beeinflussen. Piezoelektrisches Material zeigt außerdem einen direkten piezoelektrischen Effekt, bei dem ein elektrisches Feld ansprechend auf eine angelegte Kraft erzeugt wird. Dieses elektrische Feld kann in eine Spannung umgewandelt werden, wenn Kontakte geeignet mit dem piezoelektrischen Material gekoppelt sind. Der indirekte piezoelektrische Effekt ist nützlich beim Herstellen oder Unterbrechen eines Kontaktes innerhalb eines Schaltelementes, während der direkte piezoelektrische Effekt nützlich beim Erzeugen eines Schaltsignals ansprechend auf eine angelegte Kraft ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schalterstruktur mit verbesserten Charakteristika oder ein verbessertes Schaltverfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Struktur gemäß Anspruch 1 oder 14 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 28 gelöst.

Ein Verfahren und eine Struktur für einen elektrischen Schalter sind offenbart. Gemäß der Struktur der vorliegenden Erfindung ist eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer in einem Festkörpermaterial gehäust. Schalterkontakte inner halb der mit Flüssigkeit gefüllten Kammer sind mit dem Festkörpermaterial gekoppelt, während piezoelektrische Elemente mit einer Mehrzahl von Membranen gekoppelt sind. Die Mehrzahl von Membranen ist mit der mit Flüssigkeit gefüllten Kammer gekoppelt. Die Mehrzahl von Schalterkontakten ist mit einer Mehrzahl von Flüssigmetallkügelchen gekoppelt. Ein Festkörperteil bzw. Pfropfen (beispielsweise metallisch) (Slug) ist mit zweien der Mehrzahl von Schalterkontakten und einem oder mehreren der Mehrzahl von Flüssigmetallkügelchen gekoppelt. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrisches Element betätigt, was bewirkt, daß ein Membranelement abgelenkt wird. Die Ablenkung des Membranelementes erhöht einen Druck einer Betätigungsgliedflüssigkeit und der Anstieg des Drucks der Betätigungsgliedflüssigkeit bewirkt, daß sich das Festkörperteil von ersten zwei Schalterkontakten zu zweiten zwei Schalterkontakten bewegt. Der Druck des Betätigungsgliedfluids und die Bewegung des Festkörperteils unterbrechen eine Flüssigmetallverbindung zwischen einem ersten Schalterkontakt und einem zweiten Schalterkontakt des elektrischen Schalters.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen, ähnliche oder entsprechende Teile in den mehreren Ansichten der Zeichnungen zu beschreiben. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittszeichnung eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine Draufsicht einer Schaltungssubstratschicht eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 eine Draufsicht einer Flüssigmetallkanalschicht eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 eine Draufsicht einer Membranschicht eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 eine Draufsicht einer Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
7 eine Draufsicht einer piezoelektrischen Substratschicht eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Ein Flüssigmetallschalter kann unter Verwendung einer Mehrzahl von Schichten dargestellt sein, wobei die Mehrzahl von Schichten Schichten darstellt, die während einer Herstellung des Flüssigmetallschalters erzeugt werden.
Bezug nehmend auf 1 ist eine Seitenansicht 100 eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalter 105 kann aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Schichten aufgebaut sein, wobei die Mehrzahl von Schichten eine Mehrzahl von Funktionen schafft. Eine piezoelektrische Substratschicht 110 ist mit einer Betätigungs gliedfluid-Reservoirschicht 120 gekoppelt. Die Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht 120 ist mit einer Membranschicht 130 gekoppelt, während die Membranschicht 130 mit einer Flüssigmetallkanalschicht 140 gekoppelt ist. Die Flüssigmetallkanalschicht 140 ist ferner mit einer Schaltungssubstratschicht 150 gekoppelt. Es wird darauf verwiesen, daß die Schaltungssubstratschicht 150 ferner eine Mehrzahl von Schaltungsleiterbahnen aufweisen kann, wobei die Mehrzahl von Schaltungsleiterbahnen in 1 nicht gezeigt ist. Es wird angemerkt, daß eine oder mehrere der Schichten, die in 1 gezeigt sind, kombiniert oder anders benannt sein könnten, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Als ein Beispiel könnten die Membranschicht 130 und die Flüssigmetallkanalschicht 140 ferner in eine Kanalschicht kombiniert sein, wobei die Kanalschicht eine Membran und einen Kanal aufweist. Es wird ebenso angemerkt, daß eine oder mehrere zusätzliche Schichten vorhanden sein könnten, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die piezoelektrische Substratschicht 110, die Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht 120, die Membranschicht 130, die Flüssigmetallkanalschicht 140 und die Schaltungssubstratschicht 150 aus einem oder mehreren Materialien von Glas, Keramik, Verbundmaterial und mit Keramik beschichtetem Material bestehen.
Bezug nehmend auf 2 ist eine Querschnittszeichnung 200 eines Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Querschnittszeichnung 200 stellt eine piezoelektrische Substratschicht 110 dar, die mit einer Mehrzahl von Kontakten 210 gekoppelt ist, wobei die Mehrzahl von Kontakten 210 mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern 225 gekoppelt ist. Die Mehrzahl von Durchgangslöchern 225 ermöglicht es, daß ein elektrisches Potential an eine entsprechende Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 215 angelegt werden kann. Das elektrische Potential kann unter Verwendung zweier Kontakte der Mehrzahl von Kontakten 210 angelegt werden. Die beiden Kontakte sind durch die Verwendung eines Dielektrikums einer Mehrzahl von Dielektrika 220 isoliert. Das Dielektrikum der Mehrzahl von Dielektrika 220 ist mit jedem Paar von Kontakten der Mehrzahl von Kontakten 210 gekoppelt, wie in 2 dargestellt ist. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung befinden sich die Mehrzahl von Dielektrika 220, die Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 215 und ein Segment jedes Kontaktes der Mehrzahl von Kontakten 210 in der Betätigungsfluid-Reservoirschicht 120. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Drückerelement 227 ein piezoelektrisches Element der Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 215, ein Dielektrikum der Mehrzahl von Dielektrika 220 und ein Segment eines Kontaktes der Mehrzahl von Kontakten 210.
Das Drückerelement 227 befindet sich in der Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht 120. Das Drückerelement 227 ist von einem benachbarten Drückerelement durch die Verwendung eines Betätigungsfluids 205 getrennt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist jedes Drückerelement in der Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht 120 durch Betätigungsfluid 205 getrennt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfaßt das Betätigungsfluid 205 ein inertes Fluid mit geringer Viskosität und hohem Siedepunkt, wie z. B. 3M Fluorinert. Ein elektrisches Vorwärtspotential ist betreibbar, um das piezoelektrische Element der Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 215 zu verlängern, während ein elektrisches Rückwärtspotential betreibbar ist, um ein piezoelektrisches Element der Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 215 zu verkürzen. Es wird angemerkt, daß ein elektrisches Vorwärtspotential verwendet werden könnte, um ein piezoelektrisches Element zu verkürzen, während ein elektrisches Rückwärtspotential verwendet werden könnte, um ein piezoelektrisches Element zu verlängern, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Drückerelement 227 ist mit der Membranschicht 130 gekoppelt, wie in 2 gezeigt ist, so daß eine Verlängerung des Drückerelementes 227 auf die Membranschicht 130 drückt, wodurch bewirkt wird, daß sich Schaltfluid 230 von der Membranschicht 130 in einen Kanal 240 der Flüssigmetallkanalschicht 140 bewegt.
Der Kanal 240 weist eine Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235, eine Mehrzahl von Schalterkontakten 245, ein Festkörperteil 250 und ein Schaltfluid 230 auf. Die Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235, wie z. B. Quecksilber oder eine Galliumlegierung, wirkt als ein reibungsreduzierendes Gleitmittel. Die Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235 ist mit der Mehrzahl von Schalterkontakten 245 gekoppelt und mit dem Festkörperteil 250 gekoppelt und einer der Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235 ist mit zweien der Mehrzahl von Schalterkontakten 245 gekoppelt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist das Festkörperteil 250 in die Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 250 eingekapselt. Das Festkörperteil 250 kann massiv oder hohl sein und kann ein benetzbares Material, wie z. B. metallische Verbindungen, Keramik oder Kunststoff, umfassen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist das Festkörperteil 250 mit zweien oder mehr der Mehrzahl von Schalterkontakten 245 gekoppelt. Die Mehrzahl von Schalterkontakten 245 ist ferner mit der Schaltungssubstratschicht 150 gekoppelt. Das Schaltfluid 230 ist mit dem Kanal 240 durch eine oder mehrere Öffnungen 255 gekoppelt. Die eine oder die mehreren Öffnungen 255 sind so ausgerichtet, daß das Schaltfluid 230 an einem oder mehreren Enden des Kanals 240 in den Kanal 240 eintritt. Die eine oder die mehreren Öffnungen 255 sind so dimensioniert, daß eine Flußrate des Schaltfluids 230 ausreichend ist, um das Festkörperteil 250 von ersten zwei Schalterkontakten einer Mehrzahl von Schalterkontakten 245 zu zweiten zwei Schalterkontakten der Mehrzahl von Schalterkontakten 245 zu bewegen.
Der Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalter 105 wirkt mittels eines an zwei Kontakte der Mehrzahl von Kontakten 210 angelegten elektrischen Potentials. Das angelegte elektrische Potential bewirkt, daß sich ein piezoelektrisches Element der Mehrzahl piezoelektrischer Elemente verlängert. Diese Verlängerung erhöht einen Druck des Schaltfluids 230. Das Schaltfluid 230 wird dann in die Kammer 240 getrieben. Ein entsprechender Anstieg eines Drucks des Schaltfluids 230 in der Kammer 240 bewirkt, daß das Festkörperteil 250 durch den Anstieg des Drucks des Schaltfluids 230 so bewegt wird, daß das Festkörperteil 250, das zu Beginn mit ersten beiden Schalterkontakten gekoppelt war, dann mit zweiten zwei Schalterkontakten der Mehrzahl von Schalterkontakten 245 gekoppelt ist. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist das Festkörperteil 250 in die Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235 eingekapselt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung trennt das Flüssigmetall so, daß eine zweite Region mit zweiten zwei Schalterkontakten gekoppelt ist und eine erste Region mit den ersten zwei Schalterkontakten der Mehrzahl von Schalterkontakten 245 gekoppelt ist.
Die Bewegung des Festkörperteils 250 ist betreibbar, um einen Wert des Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 von einem ersten Zustand in einem zweiten Zustand zu verändern. Die zweite Region und eine Position des Festkörperteils 250, wenn dasselbe mit den zweiten zwei Schalterkontakten gekoppelt ist, werden durch eine Oberflächenspannung zwischen dem Flüssigmetall und entsprechenden Oberflächen der zweiten zwei Schalterkontakten beibehalten. Das Festkörperteil 250 ist benetzbar und kann so aufgrund der Oberflächenspannung des Flüssigmetalls 235 und der Kopplung des Festkörperteils 250 mit einem oder mehreren der Mehrzahl von Schalterkontakten 245 in einer stabilen Position behalten werden.
Es wird ebenso angemerkt, daß zwei Drückerelemente verwendet werden könnten, so daß ein erstes Drückerelement ein Flüssigmetall der Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235 trennt, das mit den ersten beiden Schalterkontakten gekoppelt ist, und das Flüssigmetall dann mit den zweiten zwei Schalterkontakten gekoppelt ist. Ein zweites Drückerelement könnte dann verwendet werden, um das Flüssigmetall, das mit den zweiten zwei Schalterkontakten gekoppelt ist, zu trennen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung könnte das erste Drückerelement hergestellt sein, um zu drücken (verlängern), während das zweite Drückerelement hergestellt sein könnte, um zu ziehen (verkürzen), so daß das Flüssigmetall und das Festkörperteil 250 durch das erste Drückerelement gedrückt werden, während das zweite Drückerelement einen negativen Druck erzeugt, um das Flüssigmetall auseinanderzuziehen und das Festkörperteil 250 zu ziehen.
Bezug nehmend auf 3 ist eine erste Draufsicht 300 der Schaltungssubstratschicht 100 des Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die erste Draufsicht 300 stellt die Anordnung der Mehrzahl von Kontakten 210 dar. Obwohl die Mehrzahl von Kontakten 210 dargestellt ist, um ein quadratisches Draufsichtsprofil aufzuweisen, könnten andere Profile, wie z. B. kreisförmige, verwendet werden, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezug nehmend auf 4 ist eine Draufsicht 400 der Flüssigmetallkanalschicht 140 des Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Draufsicht 400 stellt eine Draufsicht 415 des Kanals 240 dar, die eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 405 zeigt, wobei die Mehrzahl von Durchgangslöchern 405 betreibbar ist, um es zu ermöglichen, daß Schaltfluid 230 kraftvoller in den Kanal 240 gelangt als in das Fluidreservoir 610 in 6. Die Mehrzahl von Durchgangslöchern 405 ist so dimensioniert, daß ein Druck des Schaltfluids 230 erhöht wird, wodurch eine Trennung eines Flüssigmetalls der Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235 verbessert wird. Eine Schnittansicht 410 der Flüssigmetallkanalschicht 140 ist ebenso gezeigt. Die Schnittansicht 410 stellt eine Breite der Mehrzahl von Durchgangslöchern 405 relativ zu einer Breite des Kanals 240 dar. Es wird angemerkt, daß, obwohl zwei Durchgangslöcher in 4 gezeigt sind, eine größere Anzahl von Durchgangslöchern verwendet werden könnte, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es wird ebenso angemerkt, daß die Mehrzahl von Durchgangslöchern 405 betreibbar ist, um eine Mehrzahl unterschiedlicher Breiten aufzuweisen. Die Mehrzahl unterschiedlicher Breiten kann ausgewählt sein, um mit einer Menge an Schaltfluid 230 und einer Menge einer Verlängerung oder Verkürzung der Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 215 zusammenzupassen.
Bezug nehmend auf 5 ist eine Draufsicht 500 der Membranschicht 130 des Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Draufsicht 500 stellt eine Ausrichtung der Membranschicht 130 dar, die eine Ansicht von Fluidflußdrosseln bzw. Flußbegrenzern 510 umfaßt. Die Fluidflußdrosseln 510 sind betreibbar, um eine Menge an Schaltfluid 230, das in die Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht 120 fließt, zu steuern. Die Fluidflußdrosseln 510 sind so dimensioniert, daß ein angemessener Druck auf ein Flüssigmetall der Mehrzahl von Flüssigmetallvolumen 235 übertragen wird, während dennoch eine ausreichende Menge an Schaltfluid 230 bereitgestellt wird. Eine Schnittansicht 505 stellt eine Ausrichtung der Fluidflußdrosseln 510 bezüglich der Mehrzahl von Membranen 515 dar.
Bezug nehmend auf 6 ist eine Draufsicht 600 der Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht 120 des Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters gemäß bestimmten Aus führungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Draufsicht 600 stellt eine Größe eines Reservoirs 610, das Betätigungsfluid 205 enthält, dar. Eine Schnittansicht 605 stellt ferner eine geometrische Form des Reservoirs 610 dar.
Bezug nehmend auf 7 ist eine Unteransicht 700 der piezoelektrischen Substratschicht 100 des Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Unteransicht 700 stellt eine Ausrichtung der Mehrzahl von Drückerelementen 227 dar. Eine Schnittansicht 705 zeigt ferner die Ausrichtung eines Kontaktes der Mehrzahl von Kontakten 210. Ebenso in 7 gezeigt ist ein Fülltor 710. Das Fülltor 710 ist betreibbar, um verwendet zu werden, um das Reservoir 610 mit Betätigungsfluid 205 zu füllen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird Betätigungsfluid 205 während eines Zusammenbaus des Festkörperteil-Drückermodus-Flüssigmetallschalters 105 eingefüllt, wonach das Fülltor 710 abgedichtet wird. Wie dies hierin verwendet wird, sollte eine Referenz darauf, daß das Reservoir 610 mit Betätigungsfluid 205 gefüllt wird, nicht eingeschränkt sein, um zu bedeuten, daß das gesamte Reservoir 610 gefüllt ist; die zum Füllen des Reservoirs 610 verwendete Menge an Betätigungsfluid 205 kann variieren.

Claims

Struktur für einen elektrischen Schalter (105), mit folgenden Merkmalen: einer Kammer (240), die in einem Festkörpermaterial (130, 140, 150) gehäust ist, wobei die Kammer mit einer Betätigungsgliedflüssigkeit (230) gefüllt ist; einer Mehrzahl von Schalterkontakten (245) innerhalb der Kammer, wobei die Mehrzahl von Schalterkontakten mit dem Festkörpermaterial gekoppelt ist; einer Mehrzahl von Flüssigmetallkügelchen (235), die mit der Mehrzahl von Schalterkontakten gekoppelt und mit der Kammer gekoppelt sind; einem Festkörperteil (250), das mit einem oder mehreren der Mehrzahl von Flüssigmetallkügelchen gekoppelt und mit einem oder mehreren der Mehrzahl von Schalterkontakten gekoppelt ist; und einer Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (215), die mit einer Mehrzahl von Membranen (515) gekoppelt sind, wobei die Mehrzahl von Membranen mit der Kammer gekoppelt ist.
Struktur gemäß Anspruch 1, bei der das Festkörperteil (250) an einem Ende oder mehreren Enden verjüngt ist.
Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Festkörperteil (250) massiv ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Festkörperteil (250) in einem Flüssigmetallkügelchen der Mehrzahl von Flüssigmetallkügelchen (235) eingekapselt ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Betätigungsflüssigkeit (230) ein inertes, elektrisch nichtleitfähiges Fluid mit niedriger Viskosität und niedriger Flüchtigkeit, wie z. B. 3M Fluorinert, ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (215) innerhalb eines Reservoirs ist, wobei das Reservoir Betätigungsflüssigkeit (230) enthält.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das eine oder die mehreren Flüssigmetallkügelchen (235) aus Quecksilber bestehen.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Mehrzahl von Membranen eine entsprechende Mehrzahl von Breiten aufweist, wobei die entsprechende Mehrzahl von Breiten größer als eine Erstreckung in einer Nicht-Betätigungsrichtung der Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (215) ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Mehrzahl von Membranen mit einer entsprechenden Mehrzahl von Öffnungen (255) gekoppelt ist, wobei eine Öffnung der Mehrzahl von Öffnungen betreibbar ist, um eine Flußrate der Betätigungsflüssigkeit zu erhöhen.
Struktur gemäß Anspruch 9, bei der die Mehrzahl von Öffnungen (255) so ausgerichtet ist, daß das Festkörperteil (250) sich zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung der Mehrzahl von Öffnungen (255) befindet.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (215) ferner mit einer entsprechenden Mehrzahl von Kontakten (245) gekoppelt ist, wobei die Mehrzahl von Kontakten be treibbar ist, um die Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (215) zu betätigen.
Struktur gemäß Anspruch 11, bei der jeder Kontakt der Mehrzahl von Kontakten (245) einen ersten Anschluß, der mit einem ersten Ende eines piezoelektrischen Elementes gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluß aufweist, der mit einem zweiten Ende des piezoelektrischen Elementes gekoppelt ist.
Struktur gemäß Anspruch 12, bei der der erste Anschluß und der zweite Anschluß durch ein Dielektrikum getrennt sind.
Struktur für einen elektrischen Schalter (105), mit folgenden Merkmalen: einer piezoelektrischen Substratschicht (110); einer Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht (120), die mit der piezoelektrischen Substratschicht gekoppelt ist, wobei die Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht ferner eines oder mehrere piezoelektrisch betätigte Drückerelemente (227) aufweist; einer Membranschicht (130), die mit der Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht gekoppelt ist, wobei die Membranschicht eine oder mehrere Membranen (515) aufweist, die mit dem einen oder den mehreren piezoelektrisch betätigten Drückerelementen gekoppelt sind; einer Flüssigmetallkanalschicht (140), die mit der Membranschicht gekoppelt ist; einer Schaltungssubstratschicht (150), die mit der Flüssigmetallkanalschicht gekoppelt ist; und einer mit Betätigungsgliedflüssigkeit gefüllten Kammer (240), die in der Flüssigmetallkanalschicht gehäust ist, wobei die mit Betätigungsgliedflüssigkeit gefüllte Kammer eines oder mehrere Kügelchen aus Flüssigmetall (235) aufweist, die mit einem oder mehreren Schalterkontakten (245) gekoppelt sind, sowie ein Festkörperteil (250), das mit einem oder mehreren des einen oder der mehreren Kügelchen aus Flüssigmetall gekoppelt und mit einem oder mehreren des einen oder der mehreren Schalterkontakte gekoppelt ist, wobei die mit Betätigungsgliedflüssigkeit gefüllte Kammer mit der einen oder den mehreren Membranen gekoppelt ist.
Struktur gemäß Anspruch 14, bei der die Mehrzahl von Schalterkontakten (245) mit der Schaltungssubstratschicht (150) gekoppelt ist.
Struktur gemäß Anspruch 14 oder 15, bei der das Festkörperteil (250) massiv ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der das Festkörperteil (250) in ein Flüssigmetallkügelchen des einen oder der mehreren Flüssigmetallkügelchen (235) eingekapselt ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der die Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht (120) ferner ein Fülltor (710) aufweist, wobei das Fülltor betreibbar ist, um zum Füllen eines Reservoirs der Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht (120) mit Betätigungsfluid (230) verwendet zu werden.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei der die Schaltungssubstratschicht (150) ferner eine Mehrzahl von Schaltungsleiterbahnen und eine Mehrzahl von Anschlußflächen aufweist, die betreibbar sind, um eines oder mehrere Signale, die durch eine Betätigung eines oder mehrerer der Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (215) erzeugt werden, zu führen.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der die Betätigungsflüssigkeit inert und elektrisch nicht leitfähig ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, bei der das eine oder die mehreren Flüssigmetallkügelchen (235) aus Quecksilber bestehen.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, bei der die Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (215) ferner mit einer entsprechenden Mehrzahl von Kontakten gekoppelt ist, wobei die Mehrzahl von Kontakten betreibbar ist, um die Mehrzahl piezoelektrischer Elemente zu betätigen.
Struktur gemäß Anspruch 22, bei der jeder Kontakt der Mehrzahl von Kontakten (245) einen ersten Anschluß, der mit einem ersten Ende eines piezoelektrischen Elementes gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluß aufweist, der mit einem zweiten Ende des piezoelektrischen Elementes gekoppelt ist.
Struktur gemäß Anspruch 23, bei der der erste Anschluß und der zweite Anschluß durch ein Dielektrikum getrennt sind.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 24, bei der die Mehrzahl von Membranen (515) mit einer entsprechenden Mehrzahl von Öffnungen (255) gekoppelt ist, wobei eine Öffnung der Mehrzahl von Öffnungen (255) betreibbar ist, um eine Flußrate der Betätigungsflüssigkeit (230) zu erhöhen.
Struktur gemäß Anspruch 25, bei der die Mehrzahl von Öffnungen (255) so ausgerichtet ist, daß das Festkör perteil (250) sich zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung der Mehrzahl von Öffnungen befindet.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 14 bis 26, bei der die Membranschicht (130), die Betätigungsgliedfluid-Reservoirschicht (120), die piezoelektrische Substratschicht (110), die Schaltungssubstratschicht (150) und die Flüssigmetallkanalschicht (140) aus einem oder mehreren Materialien von Glas, Keramik, Verbundmaterial und mit Keramik beschichtetem Material bestehen können.
Verfahren zum elektrischen Schalten eines oder mehrerer elektrischer Signale unter Verwendung eines Flüssigmetallschalters (105), mit folgenden Schritten: Betätigen eines piezoelektrischen Elements (215); Ablenken eines Membranelements (515) durch die Betätigung des piezoelektrischen Elements; Erhöhen eines Drucks einer Betätigungsgliedflüssigkeit durch die Ablenkung des Membranelements, wobei die Erhöhung des Drucks der Betätigungsgliedflüssigkeit eine Flüssigmetallverbindung zwischen einem ersten Schalterkontakt und einem zweiten Schalterkontakt einer Mehrzahl von Schalterkontakten (245) unterbricht und ein Festkörperteil (250), das vorher mit dem ersten Schalterkontakt gekoppelt und dem zweiten Schalterkontakt gekoppelt war, bewegt, so daß das Festkörperteil (250) mit einem dritten Schalterkontakt und einem vierten Schalterkontakt einer Mehrzahl von Schalterkontakten (245) gekoppelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem das piezoelektrische Element (215) durch ein Anlegen eines elektri schen Potentials betätigt wird, das an eine erste Seite und an eine zweite gegenüberliegende Seite des piezoelektrischen Elementes angelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 28 oder 29, bei dem die Flüssigmetallverbindung durch eine Oberflächenspannung zwischen einem Flüssigmetall und dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt beibehalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem vor einem Betrieb des elektrischen Schalters unter Verwendung eines Fülltors (710) Betätigungsgliedfluid zu dem Flüssigmetallschalter zugegeben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 31, bei dem eine Öffnung (255) verwendet wird, um eine Flußrate der Betätigungsgliedflüssigkeit zu erhöhen, was durch die Erhöhung des Drucks bewirkt wird, wobei die erhöhte Flußrate wirksam ist, um schneller die Flüssigmetallverbindung zu unterbrechen und das Festkörperteil (250) zu bewegen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 32, bei dem nach einem Unterbrechen der Flüssigmetallverbindung eine zweite Flüssigmetallverbindung zwischen dem zweiten Kontakt und einem dritten Kontakt eingerichtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 33, bei dem das Festkörperteil (250) in ein Flüssigmetall der zweiten Flüssigmetallverbindung eingekapselt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 34, das ferner ein Unterbrechen der zweiten Flüssigmetallverbindung durch ein Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials, dessen Polarität entgegengesetzt zu der des ersten elektrischen Potentials ist, aufweist, wobei das zweite elektrische Potential das piezoelektri sche Element (215) so betätigt, daß ein negativer Druck auf das Membranelement (515) ausgeübt wird, wodurch das Flüssigmetall und das Festkörperteil (250) gezogen werden, um die Flüssigmetallverbindung zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt wiederherzustellen und die zweite Flüssigmetallverbindung zwischen dem dritten Kontakt und dem zweiten Kontakt zu unterbrechen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 34, das ferner ein Unterbrechen der zweiten Flüssigmetallverbindung durch die Verwendung eines zweiten piezoelektrischen Elementes, eines zweiten Membranelementes, eines zweiten elektrischen Potentials aufweist, wodurch das zweite elektrische Potential das zweite piezoelektrische Element betätigt, was bewirkt, daß das zweite Membranelement abgelenkt und der Druck des Betätigungsgliedfluids erhöht wird, wobei das Betätigungsgliedfluid dann wirksam ist, um zu fließen und die zweite Flüssigmetallverbindung zu unterbrechen und das Festkörperteil (250) zu bewegen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 36, bei dem das Festkörperteil (250) in ein Kügelchen Flüssigmetall eingekapselt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 37, bei dem ein Verriegeln durch eine Oberflächenspannung des Flüssigmetalls zu den Kontaktanschlußflächen und dem Festkörperteil bereitgestellt wird.