DE602004005693T2

DE602004005693T2 - Substrat mit flüssigkeitselektrode

Info

Publication number: DE602004005693T2
Application number: DE602004005693T
Authority: DE
Inventors: Lewis R. Monument Dove; Marvin Glenn Loveland WONG; Mitsuchika Saito
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: KR20050111794A; WO2004095509A3; JP2006523926A; CN1774780A; US6891116B2; US20040200706A1; WO2004095509A2; EP1614130A4; DE602004005693D1; EP1614130B1; EP1614130A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Es wurden Flüssigmetallmikroschalter (LIMMS = Liquid Metal Micro Switches) hergestellt, die ein flüssiges Metall, wie beispielsweise Quecksilber, als das Schaltfluid verwenden. Das flüssige Metall kann elektrische Kontakte herstellen und unterbrechen. Um den Zustand des Schalters zu verändern, wird eine Kraft an das Schaltfluid angelegt, was bewirkt, dass dasselbe eine Form verändert und sich bewegt. Die Bewegung des Quecksilbers über die Kontakte kann jedoch manchmal die Zuverlässigkeit des Schalters verringern.
Das Dokument WO-A-01/57900 offenbart ein Substrat mit einer flüssigen Elektrode und einen Schalter gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 9.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Substrat offenbart, das eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist. Eine Elektrode ist an der ersten Schicht aufgebracht. Die erste Schicht passt mit der zweiten Schicht zusammen. Die zweite Schicht definiert einen Kanal, der von der ersten Elektrode zu einer Oberfläche der zweiten Schicht gegenüber der ersten Elektrode führt. Eine flüssige Elektrode füllt zumindest einen Teil des Kanals, wobei eine Öffnung des Kanals bei der ersten Elektrode breiter als eine Öffnung des Kanals an der Oberfläche der zweiten Schicht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Darstellende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, bei denen:
1 einen Aufriss eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht darstellt, die bei einem Substrat für einen fluidbasierten Schalter verwendet werden können;
2 die erste und die zweite Schicht von 1 darstellt, die zusammengepasst sind, um ein Substrat zu bilden, das bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden kann;
3 ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen eines Substrats darstellt, wie beispielsweise diesem, das in 2 gezeigt ist;
4 ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Substrats darstellt, das bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden kann;
5 eine Draufsicht eines dritten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines Substrats darstellt, das bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden kann;
6 einen Aufriss des in 5 gezeigten Substrats darstellt;
7 eine perspektivische Ansicht eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines Schalters darstellt, der ein Substrat verwenden kann, das Kanäle umfasst; und
8 einen Aufriss des Schaltfluidhohlraums des in 7 gezeigten Schalters darstellt.
Detaillierte Beschreibung
1 und 2 stellen ein Substrat 100 dar, das bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden kann, wie beispielsweise einem LIMMS. Wie es durch das Verfahren dargestellt ist, das in 3 dargelegt ist, kann das Substrat 100 durch ein Aufbringen 300 einer Anzahl von Elektroden 112, 114, 116 an einer ersten Schicht 101 hergestellt werden. Durch ein Beispiel können die Elektroden Festelektroden sein und kann die erste Schicht aus einem Keramikmaterial gebildet sein (oder dasselbe aufweisen). Andere geeignete Materialien können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise ein Polymer oder Glas.
Als nächstes wird eine flüssige Elektrode 122, 124, 126 an jeder der vorhergehend aufgebrachten Elektroden 112, 114, 116 aufgebracht 305. Bei einem Ausführungsbeispiel können die flüssigen Elektroden Flüssigmetallelektroden sein, wie beispielsweise Quecksilberelektroden. Wie es unten in weiteren Einzelheiten beschrieben wird, können die flüssigen Elektroden in Verbindung mit einem Schaltfluid bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden, um Kontaktverbindungen zwischen den Elektroden 112, 114, 116 herzustellen und zu unterbrechen.
Die zweite Schicht 103 definiert eine Mehrzahl von Kanälen 104, 106, 108. Diese Kanäle werden mit den Elektroden 112, 114, 116, 122, 124, 126, die an der ersten Schicht 101 aufgebracht sind, ausgerichtet 310, so dass, wenn die Schichten zusammengepasst werden 315, jede der flüssigen Elektroden 122, 124, 126 durch zumindest einen Abschnitt des Kanals gezwungen wird, mit dem dieselbe ausgerichtet ist.
Das Substrat 100 kann bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden, wie beispielsweise einem LIMMS. Die Kanäle 104, 106, 108 werden verwendet, um verhindern zu helfen, dass ein Schaltfluid, das bei dem Schalter verwen det wird, sich über die Elektroden 112, 114, 116 bewegt, wenn das Schaltfluid einen Kontakt zwischen den Elektroden herstellt und unterbricht. Beispielsweise können die Kanäle 104, 106, 108 sich verjüngen, so dass eine Öffnung des Kanals an der jeweiligen Elektrode 112, 114, 116 desselben breiter als eine Öffnung des Kanals an der Oberfläche der zweiten Schicht gegenüber den Elektroden 112, 114, 116 ist. Bei einem fluidbasierten Schalter kann dann ein Schaltfluid über den Kanälen Verbindungen zwischen den Elektroden 112, 114, 116 durch ein Verschmelzen mit den flüssigen Elektroden 122, 124, 126 anstelle eines Benetzens und Wiederbenetzens der Elektroden 112, 114, 116 herstellen und unterbrechen. Dies kann die Zuverlässigkeit des Schalters erhöhen. Falls die Kanäle sich verjüngen, neigt die sich verjüngende Form der Kanäle dazu, zu bewirken, dass die flüssigen Elektroden 122, 124, 126 innerhalb der jeweiligen Kanäle 104, 106, 108 derselben bleiben und sich nicht über die Elektroden 112, 114, 116 bewegen, wobei so die Zuverlässigkeit des Schalters erhöht wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Wände der Kanäle mit einem benetzbaren Material ausgekleidet sein, um den flüssigen Elektroden 122, 124, 126 die Kanäle 104, 106, 108 benetzen zu helfen. Beispielsweise kann das Material der zweiten Schicht 103 aus Glas gebildet sein (oder dasselbe aufweisen). Die zweite Schicht könnte jedoch auch aus Materialien gebildet sein, wie beispielsweise Polymeren oder Keramiken. Die Kanäle können durch ein Metallisieren des Glases, das die Kanäle definiert (z. B. über ein Sputtern) benetzbar gemacht werden.
In einigen Umgebungen kann es schwierig sein, sich verjüngende Kanäle zu bilden, wie beispielsweise diese, die in 1 gezeigt sind. Ein anderes Substrat, das bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden kann, um die Bewegung eines Schaltfluids über Elektroden reduzieren zu helfen, ist deshalb in 4 gezeigt. Das Substrat 400 umfasst eine erste Schicht 401, eine zweite Schicht 403, die mit der ersten Schicht 401 zusammenpasst, und eine dritte Schicht 405, die mit der zweiten Schicht 403 zusammenpasst. Durch ein Beispiel kann die erste Schicht aus Keramik gebildet sein (oder dieselbe aufweisen) und können die zweite und die dritte Schicht aus Glas oder einer Keramik gebildet sein (oder dieselben aufweisen). Andere geeignete Materialien werden ebenfalls betrachtet.
Die zweite Schicht 403 definiert eine Mehrzahl von Kanälen 402, 404, 406, die von Elektroden 422, 424, 426, die an der ersten Schicht 401 aufgebracht sind, zu der Oberfläche der zweiten Schicht gegenüber den Elektroden 422, 424, 426 führen. Die dritte Schicht definiert Erweiterungen 412, 414, 416 der Kanäle 402, 404, 406, die von der Oberfläche der zweiten Schicht zu einer gegenüberliegenden Oberfläche der dritten Schicht führen. Die Erweiterungen der Kanäle 412, 414, 416 sind schmaler als die Kanäle 402, 404, 406. Flüssige Elektroden (z. B. Quecksilberelektroden) 432, 434, 436 füllen zumindest einen Abschnitt von jedem der Kanäle. Zumindest ein Abschnitt der Wände der Kanäle, die durch die zweite Schicht 403 und die dritte Schicht 405 definiert sind, kann mit einem benetzbaren Material ausgekleidet sein, um den flüssigen Elektroden 432, 434, 436 die Kanäle 402, 404, 406 benetzen zu helfen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Substrat 400 bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden. Die Form der Kanäle, die durch die zweite und die dritte Schicht des Substrats hindurch gebildet sind, bewirkt, dass die flüssigen Elektroden 432, 434, 436, die innerhalb jedes der Kanäle aufgebracht sind, innerhalb des Kanals bleiben, wenn ein Schaltfluid einen Kontakt zwischen den Elektroden 424, 424, 426 herstellt und unterbricht, wobei so die Zuverlässigkeit des Schalters erhöht wird.
Das Substrat von 4 kann unter Verwendung eines Prozesses gebildet werden, der diesem ähnlich ist, der in 3 beschrieben ist. Vor dem Zusammenpassen 315 der zweiten Schicht 403 mit der ersten Schicht 401 können die Kanäle 412, 414, 416 mit kleinerem Durchmesser der dritten Schicht 405 mit den Kanälen 402, 404, 406 der zweiten Schicht 403 ausgerichtet werden und kann die dritte Schicht 405 mit der zweiten Schicht 403 zusammengepasst werden.
5 und 6 stellen ein drittes exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Substrats 500 dar, das bei einem fluidbasierten Schalter verwendet werden kann. Eine Mehrzahl von Elektroden 522, 524, 526 sind an einer ersten Schicht 501 des Substrats aufgebracht. Eine zweite Schicht 503 wird dann mit der ersten Schicht 501 zusammengepasst. Die zweite Schicht kann beispielsweise aus Glas gebildet sein (oder dasselbe aufweisen) und die erste Schicht kann aus einem keramischen Material gebildet sein (oder dasselbe aufweisen). Andere geeignete Materialien werden ebenfalls betrachtet.
Die zweite Schicht definiert eine Mehrzahl von Kanälen 514, 516, 518, die von den Elektroden 522, 524, 526 zu einer Oberfläche der zweiten Schicht 503 gegenüber den Elektroden 522, 524, 526 führen. Die Kanäle weisen eine Glockenform auf, wobei die Öffnungen der Kanäle an den Elektroden breiter sind als die Öffnungen der Kanäle an der gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten Schicht. Die Glockenform kann eine Vielfalt von Profilen aufweisen und kann beispielsweise durch ein Maskieren der zweiten Schicht und ein anschließendes Sandstrahlen der Glockenform(en) in die zweite Schicht gebildet werden. Optional können Vertiefungen 504, 506, 508, die durch die zweite Schicht definiert sind, verwendet werden, um die Öffnungen der Kanäle von der Oberfläche der zweiten Schicht zurücktreten zu lassen. Die Vertiefungen weisen einen Durchmesser auf, der größer als dieser der Kanäle an der Oberfläche der zweiten Schicht ist. Es sollte klar sein, dass andere Ausführungsbeispiele eventuell nicht die in 6 gezeigten Vertiefungen aufweisen.
Flüssige Elektroden (z. B. Quecksilberelektroden) 534, 536, 538 füllen zumindest einen Abschnitt von jedem der Kanäle. Die Wände der Kanäle können mit einem benetzbaren Material ausgekleidet sein, um den flüssigen Elektroden 534, 536, 538 die Kanäle benetzen zu helfen. Die Vertiefungen können ebenfalls mit einem benetzbaren Material ausgekleidet sein, so dass ein Schaltfluid, das bei einem fluidbasierten Schalter verwendet wird, die Vertiefungen benetzen kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Substrat 500 bei einem fluidbasierten Schalter verwendet. Die Form der Kanäle 514, 516, 518 kann bewirken, dass die flüssigen Elektroden 534, 536, 538, die innerhalb von jedem der Kanäle aufgebracht sind, innerhalb der jeweiligen Kanäle derselben bleiben, wenn ein Schaltfluid Verbindungen zwischen den Elektroden 522, 524, 526 herstellt und unterbricht. Die Vertiefungen 504, 506, 508 stellen einen größeren Kontaktbereich für die flüssigen Elektroden 534, 536, 538 her und die ausgenommenen Kanten der Vertiefungen können verhindern helfen, dass die benetzbaren Auskleidungen die Kanten derselben abheben und sich aus den Vertiefungen heraus bewegen.
7 und 8 stellen ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel eines fluidbasierten Schalters dar. Der Schalter 700 weist ein erstes Substrat auf, das eine erste Schicht 501 und eine zweite 503 aufweist. Ein zweites Substrat 702 passt mit dem ersten Substrat 501/503 zusammen. Die Substrate 501/503, 702 definieren zwischen denselben eine Anzahl von Hohlräumen 704, 706, 708.
Die zweite Schicht 503 definiert eine Anzahl von Kanälen 534, 536, 538 (8), von denen jeder von zumindest einem der Hohlräume zu einer von einer Mehrzahl von Elektroden 522, 524, 526 an der ersten Schicht 501 des Substrats führt. Ein Schaltfluid 712 (z. B. ein leitfähiges flüssiges Metall, wie beispielsweise Quecksilber) ist innerhalb der Kanäle 534, 536, 538 und eines oder mehrerer der Hohlräume (z. B. des Hohlraums 706) gehalten. Das Schaltfluid 712 dient dazu, zumindest ein Paar der Mehrzahl von Elektroden 522, 524, 526 ansprechend auf Kräfte, die an das Schaltfluid 712 angelegt werden, zu öffnen und zu schließen. Ein Betätigungsfluid 710 (z. B. ein inertes Gas oder eine Flüssigkeit), das innerhalb eines oder mehrerer der Hohlräume (z. B. der Hohlräume 704, 708) gehalten ist, dient dazu, die Kräfte an das Schaltfluid 712 anzulegen.
Abschnitte des ersten Substrats 702 können zum Zweck eines Erzeugens von „Abdichtungsgürteln" 714, 716, 718 metallisiert sein. Die Erzeugung der Abdichtgürtel 714–718 innerhalb eines Hohlraums 706, der das Schaltfluid 712 hält, stellt zusätzliche Oberflächenbereiche bereit, die das Schaltfluid 712 benetzen kann. Dies hilft nicht nur bei einem Verriegeln der verschiedenen Zustände, die ein Schaltfluid annehmen kann, sondern hilft auch, eine abgedichtete Kammer zu erzeugen, aus der das Schaltfluid nicht entweichen kann und innerhalb der das Schaltfluid einfacher gepumpt werden kann (d. h. während Schalterzustandsänderungen).
Bei einem Ausführungsbeispiel des Schalters 700 resultieren die Kräfte, die an das Schaltfluid 712 angelegt werden, aus Druckänderungen bei dem Betätigungsfluid 710. Die Druckänderungen bei dem Betätigungsfluid 710 erlegen dem Schaltfluid 712 Druckänderungen auf und bewirken dadurch, dass das Schaltfluid 712 eine Form verändert, sich bewegt, sich teilt, etc. In 7 legt der Druck des Betätigungsfluids 710, das in dem Hohlraum 704 gehalten ist, eine Kraft an, um das Schaltfluid 712 zu teilen, wie es dargestellt ist. In diesem Zustand ist das rechteste Paar der Elektroden 524, 526 des Schalters 700 miteinander gekoppelt (siehe 8). Falls der Druck des Betätigungsfluids 710, das in dem Hohlraum 704 gehalten ist, abgebaut wird und der Druck des Betätigungsfluids 710, das in dem Hohlraum 708 gehalten ist, erhöht wird, kann das Schaltfluid 712 gezwungen werden, sich zu teilen und zu verschmelzen, so dass die Elektroden 524 und 526 entkoppelt und die Elektroden 522 und 524 gekoppelt sind.
Wenn der Schalter einen Zustand ändert, neigen die flüssigen Elektroden 514, 516, 518 (d. h. Abschnitte des Schaltfluids 712) dazu, innerhalb der Kanäle 534, 536, 538 zu bleiben, so dass das Schaltfluid 712 die Elektroden 522, 524, 526 nicht benetzen und wiederbenetzen muss. Somit wird die Bewegung des Schaltfluids über die Elektroden zumindest verringert und vorzugsweise eliminiert. Wie es anderswo in dieser Anmeldung beschrieben ist, können die Kanäle sich verjüngen, glockenförmig oder von irgendeiner anderen Form sein, die dazu neigt, zu bewirken, dass die flüssigen Elektroden 514, 516, 518 zu den Elektroden 522, 524, 526 benetzt bleiben. Die zweite Schicht 503 kann ferner Vertiefungen an den Öffnungen der Kanäle innerhalb der Hohlräume 704, 706, 708 zu vorhergehend beschriebenen Zwecken definieren.
Druckänderungen bei dem Betätigungsfluid 710 können mittels eines Erwärmens des Betätigungsfluids 710 oder mittels eines piezoelektrischen Pumpens erreicht werden. Ersteres ist in dem US-Patent Nr. 6,323,447 von Kondoh u. a. mit dem Titel „Electrical Contact Breaker Switch, Integrated Electrical Contact Breaker Switch and Electrical Contact Switching Method" beschrieben. Das Letztgenannte ist in der US-Patentanmeldung Seriennr. 10/137,691 von Marvin Glenn Wong, eingereicht am 2. Mai 2002 und mit dem Titel „A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch" beschrieben. Obwohl das oben angegebene Patent und die oben angegebene Patenanmeldung die Bewegung eines Schaltfluids mittels zweier Push/Pull-Betätigungsfluidhohlräume offenbaren, könnte ein einziger Push/Pull-Betätigungsfluidhohlraum genügen, falls erheblich ausreichende Push/Pull-Druckänderungen einem Schaltfluid von einem derartigen Hohlraum auferlegt werden könnten. Zusätzliche Einzelheiten hinsichtlich des Aufbaus und es Betriebs eines Schalters, wie beispielsweise diesem, der in 7 & 8 dargestellt ist, sind in dem zuvor erwähnten Patent von Kondoh zu finden.
Während darstellende und gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung hierin detailliert beschrieben wurden, ist klar, dass die beigefügten Ansprüche anderweitig verschiedenartig ausgeführt und eingesetzt werden können. Zum Beispiel kann auch ein Substrat ähnlich diesem, das in 1, 2 oder 4–6 gezeigt ist, bei einem optischen Schalter verwendet werden, der eine undurchlässige Flüssigkeit verwendet, um Lichtwege zu öffnen oder zu blockieren. Die beigefügten Ansprüche sollen aufgefasst werden, um derartige Variationen zu umfassen, außer es ist durch den Stand der Technik begrenzt.

Claims

Ein Substrat (100), das folgende Merkmale aufweist: eine erste Schicht (101); eine erste Elektrode (112), die an der ersten Schicht aufgebracht ist; eine zweite Schicht (103), die mit der ersten Schicht zusammenpasst, wobei die zweite Schicht eines Kanals (104) definiert, der von der ersten Elektrode zu einer Oberfläche der zweiten Schicht führt, die gegenüber der ersten Elektrode liegt; und eine flüssige Elektrode (122), die zumindest einen Abschnitt des Kanals füllt; dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung des Kanals (104) an der ersten Elektrode (112) breiter als eine Öffnung des Kanals an der Oberfläche der zweiten Schicht (103) ist.
Das Substrat gemäß Anspruch 1, bei dem der Kanal eine Glockenform (514) aufweist.
Das Substrat gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Schicht des Substrats eine Vertiefung (504) an einer Öffnung des Kanals an der Oberfläche der zweiten Schicht aufweist, wobei die Vertiefung einen Durchmesser aufweist, der größer als dieser des Kanals an der Oberfläche der zweiten Schicht ist.
Das Substrat gemäß Anspruch 3, das ferner ein benetzbares Material aufweist, das Wände des Kanals auskleidet.
Das Substrat gemäß Anspruch 4, bei dem die zweite Schicht Glas aufweist und das benetzbare Material ein Metall aufweist.
Das Substrat gemäß Anspruch 4, bei dem die zweite Schicht eine Keramik aufweist und das benetzbare Material ein Metall aufweist.
Das Substrat gemäß einem der Ansprüche 1–6, bei dem die erste Elektrode eine Festelektrode ist.
Das Substrat gemäß einem der Ansprüche 1–7, das ferner eine dritte Schicht (405) aufweist, die mit der zweiten Schicht zusammenpasst, wobei die dritte Schicht eine Erweiterung (412) des Kanals definiert, die von der Oberfläche der zweiten Schicht zu einer gegenüberliegenden Oberfläche der dritten Schicht führt, wobei die Erweiterung des Kanals schmaler als der Kanal ist.
Ein Schalter (700), der folgende Merkmale aufweist: ein erstes Substrat, das eine erste Schicht (501) und eine zweite Schicht (503) aufweist, wobei die erste Schicht eine Mehrzahl von Elektroden (522, 524, 526) aufweist, die an derselben aufgebracht sind, und die zweite Schicht eine Anzahl von Kanälen (514, 516, 518) definiert; ein zweites Substrat (702), das mit dem ersten Substrat zusammenpasst, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat zwischen denselben zumindest Abschnitte einer Anzahl von Hohlräumen (704, 706, 708) definieren, wobei jeder Kanal der zweiten Schicht sich von zumindest einem der Hohlräume zu einer der Mehrzahl von Elektroden erstreckt, die an der ersten Schicht aufgebracht sind; ein Schaltfluid (718), das innerhalb eines oder mehrerer der Kanäle und eines oder mehrerer der Hohlräume gehalten ist und von dem zumindest ein Teil beweglich ist, um ansprechend auf Kräfte, die an das Schaltfluid angelegt sind, zumindest ein Paar der Mehrzahl von Elektroden zu öffnen und zu schließen; und ein Betätigungsfluid (710), das innerhalb eines oder mehrerer der Hohlräume gehalten ist und das die Kräfte an das Schaltfluid anlegt; dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung des Kanals an einer der Mehrzahl von Elektroden (522, 524, 526) breiter ist als eine Öffnung des Kanals an dem zumindest einen der Hohlräume (704, 706, 708).