DE60223434T2

DE60223434T2 - Mehrpolige Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE60223434T2
Application number: DE60223434T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Hachioji-shi Takenaka; You Yamato-shi KONDOH
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: EP1235242A3; EP1235242B1; EP1235242A2; US6756552B2; US20020121432A1; DE60223434D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mehrpolige Schaltvorrichtungen (Schaltervorrichtungen) und insbesondere auf Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit.
Ein Schalten von hochfrequenten elektronischen Signalen, wie beispielsweise elektronischen Signalen mit ultrahohen Frequenzen und darüber hinaus, stellt wesentlich größere Herausforderungen als ein Schalten von niederfrequenten elektronischen Signalen dar. Derartige Signale werden durch verschiedene Arten von Übertragungsmedien getragen, wie beispielsweise Koaxialkabel und Übertragungsleitungen, um Signalverluste zu reduzieren. Wenn ein einziges Paar von Kontakten genügt, um ein niederfrequentes Signal zu schalten, sind komplexe Schaltanordnungen erforderlich, um hochfrequente Signale auf eine Weise zu schalten, die geringe Signalverluste, eine hohe Trennung (Isolation) und angemessene Abschlussimpedanzen liefert.
Bei Anwendungen, bei denen ein hochfrequentes Signal ansprechend auf ein elektronisches Steuersignal geschaltet wird, werden typischerweise Relais verwendet. Relais, bei denen eine elektromagnetische Spule ein Paar von mechanischen Schaltkontakten betätigt, bieten Vorteile von niedriger Kapazität, hoher Trennung (Isolation), niedrigem EIN-Widerstandswert und einer hohen Trennung zwischen dem Steuersignal und dem geschalteten Signal. Wenn Relais verwendet werden, um hochfrequente Signale zu schalten, sind häufig mehrere, gemeinschaftlich gesteuerte Relais, die jeweils eine eigene elektromagnetische Spule umfassen, erforderlich, um die erwünschte Schaltfunktion durchzuführen. Die Anzahl von Relais, die erforderlich ist, hängt von der Anwendung ab.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels 10 eines Stufendämpfungsgliedes für hochfrequente Signale. Das Stufendämpfungsglied ist aus einpoligen Umschaltrelais 12 und 14, einem Dämpfungsglied 16 und Übertragungsleitungen 18, 19 und 20 gebildet. Das Relais 12 ist aus einer elektromagnetischen Spule 22 und einem einpoligen Umschalter mit Kontakten 23, 24 und 25 gebildet. Das Relais 14 ist aus einer elektromagnetischen Spule 26 und einem einpoligen Umschalter mit Kontakten 27, 28 und 29 gebildet. Der Kontakt 23 des Relais 12 ist mit einem Eingangsanschluss 30 verbunden. Der Kontakt 29 des Relais 14 ist mit einem Ausgangsanschluss 32 verbunden. Die Übertragungsleitung 18 verbindet die Kontakte 24 und 27. Die Übertragungsleitung 19, das Dämpfungsglied 16 und die Übertragungsleitung 20 sind zwischen die Kontakte 25 und 28 in Reihe geschaltet.
In dem Schaltzustand des Stufendämpfungsglieds 10, der in 1 gezeigt ist, ist kein Steuersignal an die elektromagnetischen Spulen 22 und 26 der Relais 12 bzw. 14 angelegt. In diesem Schaltzustand ist der Eingangsanschluss 30 mit dem Ausgangsanschluss 32 über die Kontakte 23 und 24 des Relais 12, die Übertragungsleitung 18 und die Kontakte 27 und 29 des Relais 14 verbunden. Das Stufendämpfungsglied ist in diesem Schaltzustand als eine Durchgangsleitung wirksam.
Eine Steuerspannung, die an die elektromagnetischen Spulen 22 und 26 angelegt ist, bewirkt, dass die Relais 12 bzw. 14 in die anderen Schaltzustände derselben wechseln. Bei diesem Schaltzustand ist der Eingangsanschluss 30 mit einem Ende des Dämpfungsglieds 16 über die Kontakte 23 und 25 des Relais 12 und die Übertragungsleitung 19 verbunden. Das andere Ende des Dämpfungsglieds ist über die Übertragungsleitung 20 und die Kontakte 28 und 29 des Relais 14 mit dem Ausgangsanschluss 32 verbunden. In diesem Schaltzustand ist das Stufendämpfungsglied 10 als ein Dämpfungsglied wirksam, das eine Dämpfung liefert, die durch die Dämpfung bestimmt ist, die durch das Dämpfungsglied 16 geliefert wird.
Die in 1 gezeigte Schaltung kann auch die Basis einer Stufenverzögerungsschaltung für ein hochfrequentes Signal bilden. Bei einer derartigen Stufenverzögerungsschaltung ist das Dämpfungsglied 16 in der in 1 gezeigten Schaltung mit einer Verzögerungsleitung (nicht gezeigt) ersetzt, die eine vorbestimmte Verzögerung liefert.
2 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels 50 eines impedanzangepassten einpoligen Umschalters für hochfrequente Signale. Der Schalter 50 umfasst vier einpolige Ein/Aus-Relais 51, 52, 53 und 54. Die Relais 51, 52, 53 und 54 sind aus Kontakten 61, 62, 63 bzw. 64 und elektromagnetischen Spulen 71, 72, 73 bzw. 74 gebildet. Es können koaxiale Reed-Relais als die Relais 51–54 verwendet werden. Der Schalter 50 ist zusätzlich aus Abschlusswiderständen 56 und 58, Signalverbindungen 66, 76 und 78 und Übertragungsleitungen 80, 82, 84, 86, 88 und 90 gebildet.
Die Abschlusswiderstände 56 und 58 weisen einen Widerstandswert gleich der charakteristischen Impedanz des Systems auf, in dem der Schalter 50 verwendet werden soll. Die charakteristische Impedanz beträgt typischerweise 50 Ω. Die Signalverbindungen 66, 76 und 78 stellen Verbindungen für das Hoch-Signal bereit, das durch den Schalter 50 geschaltet werden soll. Die Signalverbindung 66 kann beispielsweise eine Eingangsverbindung sein und die Signalverbindungen 76 und 78 können Ausgangsverbindungen sein. Alternativ können die Signalverbindungen 76 und 78 Eingangsverbindungen sein, und die Signalverbindung 66 eine Ausgangsverbindung.
Die Übertragungsleitungen 80 und 82 verbinden die Signalverbindung 66 mit den Kontakten 61 und 62 der Relais 51 bzw. 52. Die Übertragungsleitung 84 verbindet die Kontakte 61 mit der Signalverbindung 76. Die Übertragungsleitung 86, die Kontakte 83 des Relais 53 und der Abschlusswiderstand 56 sind zwischen die Kontakte 61 und Masse in Reihe geschaltet. Die Übertragungsleitung 88 verbindet die Kontakte 62 mit der Signalverbindung 78. Die Übertragungsleitung 90, die Kontakte 64 des Relais 54 und der Abschlusswiderstand 58 sind zwischen die Kontakte 62 und Masse in Reihe geschaltet.
In dem Schaltzustand des in 2 gezeigten, impedanzangepassten, einpoligen Umschalters 50 ist ein Steuersignal an die elektromagnetischen Spulen 71 und 74 der Relais 51 bzw. 54 angelegt und ist kein Steuersignal an die elektromagnetischen Spulen 72 und 73 der Relais 52 bzw. 53 angelegt. Bei den Beispielen für die gezeigten Relais schließt ein Steuersignal, das an die elektromagnetische Spule angelegt ist, die Schalterkontakte. Bei dem in 2 gezeigten Schaltzustand ist die Signalverbindung 66 durch die Übertragungsleitung 80, die Kontakte 61 des Relais 51 und die Übertragungsleitung 84 mit der Signalverbindung 76 verbunden. Die Signalverbindung 78 ist durch die Übertragungsleitungen 88 und 90, die Schalterkontakte 64 des Relais 54 und den Abschlusswiderstand 58 mit Masse verbunden. Somit sind die Signalverbindung 66 und die Signalverbindung 76 elektrisch verbunden, während die Signalverbindung 78 von den anderen Signalverbindungen getrennt (isoliert) ist und durch den Abschlusswiderstand 58 mit Masse verbunden ist.
In dem alternativen Schaltzustand des Schalters 50 ist ein Steuersignal an die elektromagnetischen Spulen 76 und 73 der Relais 52 bzw. 53 angelegt und das Steuersignal ist von den elektromagnetischen Spulen 71 und 74 der Relais 51 bzw. 54 entfernt. Die Veränderung bei Steuersignalen kehrt die Zustände der Schalterkontakte von diesen um, die in 2 gezeigt sind. Die Signalverbindung 66 ist mit der Signalverbindung 78 verbunden und die Signalverbindung 76 ist von den anderen Signalanschlüssen getrennt und ist durch den Abschlusswiderstand 56 mit Masse verbunden.
Die Relais, die bei den oben beschriebenen Schaltungen für Hochfrequenzsignale verwendet werden, weisen ein wesentlich größeres Volumen als dieses der meisten anderen Komponenten auf, die bei modernen elektronischen Hochfrequenzschaltungen verwendet werden. Das Volumen eines im Handel erhältlichen Transfertyp-Reed-Relais für elektronische Hochfrequenzsignale beträgt etwa 0,7 ml.
Testsätze zum Testen von Hochfrequenzsignalen und zum Testen anderer Vorrichtungen, die Hochfrequenzsignale erzeugen, verarbeiten oder empfangen, umfassen typischerweise viele Beispiele der Schaltungen, die in 1 und 2 gezeigt sind. Derartige Testsätze können Ausführungsbeispiele des oben beschriebenen Stufendämpfungsgliedes umfassen, das mehrere Dämpfungsstufen aufweist, von denen jede zwei Reed-Relais erfordert. Derartige Testsätze können zusätzlich mehrere Beispiele des in 2 gezeigten, zweipoligen, impedanzangepassten Umschalters zum selektiven Führen (Routing) von Hochfrequenzsignalen in dem Testsatz umfassen. Folglich umfassen Beispiele derartiger Testsätze, die herkömmliche Schaltschaltungen einsetzen, eine große Anzahl von Reed-Relais. Das angesammelte Volumen der Reed-Relais und der zugeordneten Treiberschaltungen derselben stellt einen wesentlichen Anteil des Volumens des Testsatzes dar.
Zudem umfassen einige im Handel erhältliche, einpolige Umschalter koaxiale Reed-Relais, um die Impedanzanpassungscharakteristika derselben zu verbessern. Das Volumen eines einpoligen Umschalters jedoch, der koaxiale Reed-Relais umfasst, beträgt über 30 ml, weil das Volumen der koaxialen Reed-Relais und der Treiberschaltungen derselben groß ist. Das Volumen derartiger Schalter ist zu groß, um zu ermöglichen, dass viele derselben bei Testsätzen und anderen Vorrichtungen verwendet werden können, bei denen es erwünscht ist, das Gesamtvolumen der Vorrichtung zu reduzieren.
Die Signalübertragungseigenschaften der Reed-Relais, die bei den oben beschriebenen Schaltungen verwendet werden, sind weniger als ideal, insbesondere bei höheren Frequen zen. Die maximale Frequenz der im Handel erhältlichen Transfertyp-HF-Reed-Relais beispielsweise, die bei dem Stufendämpfungsglied 10 verwendet werden, das in 1 gezeigt ist, kann beispielsweise nur etwa 500 MHz betragen. Dies ist so aufgrund der großen Impedanzfehlanpassung zwischen dem Reed-Relais und den Übertragungsleitungen, mit denen dasselbe verbunden ist. Ferner ist aufgrund einer Kopplung zwischen den Übertragungsleitungen 19 und 20 und der Übertragungsleitung 18 eventuell die Dämpfung eines Eingangssignals zwischen der Signalverbindung 30 und der Signalverbindung 32 geringer als diese, die durch das Dämpfungsglied 16 geliefert wird. Dieser Effekt ist schlechter, wenn das Dämpfungsglied 16 eine große Dämpfung liefert und wenn die Frequenz des Signals hoch ist.
Die Schaltcharakteristika des Schalters 50, der in 2 gezeigt ist, verschlechtern sich bei Frequenzen über diesen, bei denen die Wellenlänge vergleichbar mit der Größe des Schalters ist. Da die Größe des Schalters groß ist, verschlechtern sich die Schaltcharakteristika über einer relativ niedrigen Frequenz. Im Handel erhältliche, impedanzangepasste, einpolige Umschalter, die auf der Struktur in 2 basieren, weisen eine maximale Frequenz von etwa 1 GHz auf. Ein möglicher Grund für dies besteht darin, dass die Übertragungsleitungen 80 oder 82 und 86 oder 90 an den internen Übertragungsleitungen der koaxialen Reed-Relais zu offenen Stichleitungen werden. Die Schaltcharakteristika sind verschlechtert, wenn die Größe der Übertragungsleitungen mit Bezug auf die Wellenlänge des Hochfrequenzsignals nicht ignoriert werden kann.
Was somit zum Schalten von Hochfrequenzsignalen benötigt wird, ist eine Schaltvorrichtung, die größenmäßig kleiner als herkömmliche Schaltvorrichtungen ist. Was ferner benötigt wird, ist eine Schaltvorrichtung, die nicht unter den oben beschriebenen Leistungsfähigkeitsmängeln herkömmlicher Schaltvorrichtungen leidet, besonders bei hohen Signalfrequenzen. Was ferner benötigt wird, ist eine Schaltvorrich tung, die zum Schalten von Signalen in der Lage ist, die eine wesentlich höhere maximale Frequenz als herkömmliche Schaltvorrichtungen aufweisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mehrpolige Schaltvorrichtung (Schaltervorrichtung) auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit, die einen länglichen Durchgang, einen ersten Hohlraum, einen zweiten Hohlraum, zumindest vier Elektroden, die entlang der Länge des Durchgangs angeordnet sind, Kanäle, die sich von dem Durchgang aus erstrecken, ein nichtleitfähiges Fluid, das in den Hohlräumen positioniert ist, und eine leitfähige Flüssigkeit umfasst, die in dem Durchgang positioniert ist. Die Kanäle sind zahlenmäßig um eins geringer als die Elektroden und sind mit den Elektroden entlang der Länge des Durchgangs verschachtelt. Die Kanäle sind in Reihenfolge von einem Ende des Durchgangs an nummeriert. Ungeradzahlige Kanäle erstrecken sich zu dem ersten Hohlraum, während sich geradzahlige Kanäle zu dem zweiten Hohlraum erstrecken.
Ein Stufendämpfungsglied oder eine Stufenverzögerungsvorrichtung funktional ähnlich dem Stufendämpfungsglied oder der Stufenverzögerungsvorrichtung, das bzw. die in 1 gezeigt ist, kann unter Verwendung einer einzigen mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung mit vier Polen hergestellt werden. Ein impedanzangepasster, einpoliger Umschalter für Hochfrequenzsignale ähnlich diesem, der in 2 gezeigt ist, kann unter Verwendung einer einzigen mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung mit fünf Polen hergestellt werden. Das Volumen des Stufendämpfungsgliedes, der Stufenverzögerungsvorrichtung und des impedanzangepassten, einpoligen Umschalters ist wesentlich kleiner als bei funktional äquivalenten Schaltungen, die unter Verwendung herkömmli cher Reed-Relais gefertigt sind. Ein Steuersignalleiten (Steuersignalrouting) ist ebenfalls dadurch vereinfacht, dass lediglich eine Schaltvorrichtung gesteuert werden muss.
Ausführungsbeispiele der mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung können eine Masseebene und den Durchgang umfassen, und Elektroden können als Streifenleitungen mit einer spezifischen charakteristischen Impedanz strukturiert sein, die mit der charakteristischen Impedanz der Anwendung übereinstimmt, bei der die Schaltvorrichtung verwendet wird. Signalverluste und Signalreflexionen sind deshalb kleiner als bei herkömmlichen Reed-Relais.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines herkömmlichen Stufendämpfungsgliedes für Hochfrequenzsignale.
2 ist ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen, impedanzangepassten, einpoligen Umschalters für Hochfrequenzsignale.
3A ist eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung in einem ersten Schaltzustand.
3B ist eine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels der mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung in einem zweiten Schaltzustand.
3C ist eine Querschnittsansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer mehrpoligen Schaltvorrich tung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung entlang der in 3A gezeigten Schnittlinie 3C-3C.
4A und 4B sind schematische Diagramme eines Beispiels eines Stufendämpfungsgliedes für Hochfrequenzsignale, das das erste Ausführungsbeispiel der mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung in Schaltzuständen umfasst, die diesen entsprechen, die in 3A bzw. 3B gezeigt sind.
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Durchgangs der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung und zeigt die Position einer Verriegelungsstruktur und einer Energiebarriere.
6A ist eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung in einem ersten Schaltzustand.
6B ist eine Draufsicht des zweiten Ausführungsbeispiels der mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung in einem zweiten Schaltzustand.
6C ist eine Querschnittsansicht des zweiten Ausführungsbeispiels einer mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung entlang der in 6A gezeigten Schnittlinie 6C-6C.
7A und 7B sind schematische Diagramme eines Beispiels eines impedanzangepassten, einpoligen Umschalters für Hochfrequenzsignale, der das zweite Ausführungsbeispiel der mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung umfasst, in Schaltzuständen, die diesen entsprechen, die in 6A bzw. 6B gezeigt sind.
8 ist eine Draufsicht eines integrierten, impedanzangepassten, einpoligen Umschalters, der das zweite Ausführungsbeispiel der mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung umfasst.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Kompakte Schaltvorrichtungen, die auf einer leitfähigen Flüssigkeit basieren, sind bekannt. Ein Beispiel einer derartigen Schaltvorrichtung ist in dem Patent der Vereinigten Staaten Nr. 6,323,447 offenbart, das an die Anmelderin dieser Offenbarung übertragen ist. Verbesserte Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit sind in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/46975 beschrieben, die an die Anmelderin dieser Offenbarung übertragen ist. Vorteile von Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit umfassen eine kleine Größe, einen niedrigen Leistungsverbrauch, einen niedrigen EIN-Widerstandswert, eine niedrige AUS-Kapazität, eine hohe Trennung (Isolation) zwischen dem Steuersignal und dem Signal, das geschaltet wird, und eine lange Dienstlebensdauer etc. Die Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit, die in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/46975 beschrieben sind, können einfach die Reed-Relais in der in 1 gezeigten Schaltung ersetzen. Die Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit, die in dem Patent der Vereinigten Staaten Nr. 6,323,447 beschrieben sind, oder diese, die in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/46975 beschrieben sind, können die Reed-Relais in der in 2 gezeigten Schaltung einfach ersetzen. Eine derartige Erset zung würde eine wesentliche Volumenreduzierung liefern, zusammen mit den anderen Vorteilen von Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit, die oben beschrieben sind. Die in 1 gezeigte Schaltung würde jedoch zwei Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit benötigen und die in 2 gezeigte Schaltung würde vier benötigen. Ungeachtet der kleineren Größe der einzelnen Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit stellt die Anzahl von Schaltvorrichtungen, die bei jeder Anwendung benötigt werden, ein wesentliches Volumen dar. Zudem muss eine elektrische Verbindung zu jeder Schaltvorrichtung bereitgestellt sein, um den Schaltzustand derselben zu steuern.
Die Erfindung schafft eine Schaltvorrichtung, die ermöglicht, dass die Schaltungen, die in 1 und 2 gezeigt sind, und andere Hochfrequenzschaltungen, die mehrpolige Mehrfachschaltvorrichtungen verwenden, unter Verwendung einer einzigen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit hergestellt werden können. Die Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung liefert eine weitere Volumenreduzierung, eine vereinfachte Steuerung und eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber Schaltvorrichtungen, die in dem Patent der Vereinigten Staaten Nr. 6,323,447 und der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/46975 beschrieben sind.
Ein erstes Ausführungsbeispiel 100 einer mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung ist in einem ersten Schaltzustand in 3A und in einem zweiten Schaltzustand in 3B gezeigt. Eine Querschnittsansicht ist in 3C gezeigt. Die Schaltvorrichtung 100 weist Eigenschaften auf, die dieselbe besonders geeignet für ein Schalten von elektronischen Hochfrequenzsignalen machen, die für den Zweck dieser Offenbarung als elektronische Signale in dem Ultrahochfrequenzband (UHF-Band) und darüber hinaus betrachtet werden. Die Schaltvorrichtung 100 ist jedoch zusätzlich zum Schal ten von niederfrequenteren Signalen geeignet. Praktische Ausführungsbeispiele der Schaltvorrichtung 100 weisen ein Volumen von etwa 0,02 ml auf.
Die Schaltvorrichtung 100 ist eine vierpolige Zweiwegeschaltvorrichtung und ist aus einem länglichen Durchgang 112, einem Hohlraum 114, einem Hohlraum 116, Elektroden 131, 132, 133 und 134, Kanälen 141, 142 und 143, einem nichtleitfähigen Fluid 122 und 124 und einer leitfähigen Flüssigkeit 126 gebildet.
Die Elektroden 131, 132, 133 und 134 berühren die leitfähige Flüssigkeit 126 und sind entlang der Länge des Durchgangs 112 angeordnet.
Die Kanäle 141, 142 und 143 sind zahlenmäßig um eins geringer als die Elektroden 131, 132, 133 und 134. Die Kanäle erstrecken sich von dem Durchgang 112 aus und sind mit den Elektroden entlang der Länge des Durchgangs verschachtelt. Bei dem gezeigten Beispiel sind drei Kanäle mit vier Elektroden verschachtelt. Die Reihenfolge der Elektroden und Kanäle entlang der Länge des Durchgangs lautet Elektrode 131, Kanal 141, Elektrode 132, Kanal 142, Elektrode 133, Kanal 143 und Elektrode 134. Die Kanäle sind in Reihenfolge von einem Ende 118 des Durchgangs aus nummeriert. Ungeradzahlige Kanäle, d. h. die Kanäle 141 und 143 bei diesem Beispiel, erstrecken sich von dem Durchgang zu dem Hohlraum 114. Geradzahlige Kanäle, d. h. der Kanal 142 bei diesem Beispiel, erstrecken sich von dem Durchgang zu dem Hohlraum 116. Die Kanäle weisen kleinere Querschnittsabmessungen als der Durchgang auf.
Das nichtleitfähige Fluid 122 ist in dem Hohlraum 114 und in den Kanälen 141 und 143 positioniert. Das nichtleitfähige Fluid 124 ist in dem Hohlraum 116 und in dem Kanal 142 positioniert. Heizer, die schematisch bei 150 und 152 gezeigt sind, sind in den Hohlräumen 114 bzw. 116 positioniert.
Die leitfähige Flüssigkeit 126 ist in dem Durchgang 112 positioniert. Das Volumen der leitfähigen Flüssigkeit ist geringer als dieses des Durchgangs, so dass die leitfähige Flüssigkeit den Durchgang nicht vollständig füllt. Das verbleibende Volumen des Durchgangs wird durch das nichtleitfähige Fluid 122 oder 124 eingenommen, abhängig von dem Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100. Die leitfähige Flüssigkeit kann als aus leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 161, 162, 163 und 164 gebildet betrachtet werden, die jeweils einer jeweiligen Elektrode 131, 132, 133 und 134 zugeordnet sind. Außer während Schaltübergängen jedoch besteht die leitfähige Flüssigkeit in weniger als vier leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten, weil verschiedene benachbarte Paare der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte sich vereinen, um größere leitfähige Flüssigkeitsabschnitte zu bilden. Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt, der durch die Vereinigung eines Paars von leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten gebildet ist, wird durch die Bezugszeichen der beitragenden leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte bezeichnet. Zum Beispiel ist der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162, 163, der in 3A gezeigt ist, der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt, der durch die Vereinigung der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 gebildet ist.
Die Schaltvorrichtung 100 ist in den Substraten 170 und 172 gefertigt, die in 3C gezeigt sind. Das Material der Substrate ist ein elektrisch isolierendes Material; beispielsweise ein Glas, ein Halbleiter wie Silizium oder eine Keramik wie Aluminiumoxid oder Berilliumoxid. Die Hauptoberfläche 174 des Substrats 170 ist im Wesentlichen eben. Die Elemente der Schaltvorrichtung 100, einschließlich der Hohlräume 114 und 116, der Kanäle 141, 142 und 143 und des Durchgangs 112, erstrecken sich von einer Hauptoberfläche 176 aus in die Tiefe in das Substrat 172. Prozesse zum Entfernen von Material von einem Substrat, um derartige Elemente zu definieren, sind auf dem Gebiet bekannt und werden hier nicht beschrieben. Geeignete Entfernungsverfah ren umfassen Nass- oder Trockenätzen oder Ablation beispielsweise.
3C zeigt ein Beispiel, bei dem das Substrat 172 ein Wafer aus Glas, Halbleiter oder Keramik ist, in dem Gräben 178, 179, 180 und 181 durch einen Ablationsprozess gebildet sind, wie beispielsweise ein Sandstrahlen unter Verwendung von Aluminiumoxidpartikeln. Zusätzliche Gräben (nicht gezeigt), die Teile der Kanäle 142 und 143 bilden, sind ebenfalls in dem Substrat 172 gebildet. Die Gräben, die Teile der Kanäle 141–143 bilden, weisen eine Querschnittsfläche auf, die wesentlich geringer als diese des Grabens 178 ist, der einen Teil des Durchgangs 112 bildet.
Der Graben 178 bildet einen Teil des Durchgangs 112 und eine Wand 182 des Grabens 178 bildet einen Teil der Wand des Durchgangs. Der Rest der Wand des Durchgangs wird durch den Teil der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170 gebildet, der den Graben überlappt. Der Graben 178 weist eine im Wesentlichen U-förmige Querschnittsform auf. Andere Querschnittsformen, wie beispielsweise quadratisch, rechteckig, trapezförmig, halbkreisförmig und halbelliptisch, sind möglich.
Die Gräben 179 und 180 und der Abschnitt der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170, der diese Gräben überlappt, bilden die Hohlräume 114 und 116.
Der Graben 181 und der Abschnitt der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170, der diesen Graben überlappt, bilden den Kanal 141. Die Kanäle 142 und 143 sind durch Gräben (nicht gezeigt) in dem Substrat 172 und den Abschnitt der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170 gebildet, der diese Gräben überlappt.
Eine strukturierte Metallschicht ist an dem Abschnitt der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170, der den Durchgang 112 überlagert, aufgebracht, um die Elektroden 131–134 bereitzustellen. Die Elektrode 132 ist in 3C gezeigt. Die gleiche strukturierte Metallschicht kann zusätzlich an dem Abschnitt der Hauptoberfläche 174, der die Hohlräume 114 und 116 überlagert, aufgebracht sein, um die Heizer 150 und 152 bereitzustellen. Alternativ kann eine strukturierte Schicht aus einem unterschiedlichen Metall mit einem höheren spezifischen Widerstand verwendet werden, um die Heizer bereitzustellen.
Leiter (nicht gezeigt), die elektrisch mit einer oder mehreren der Elektroden 131–134 verbunden sind, können zusätzlich an der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170 positioniert sein. Derartige Leiter können in dem gleichen Prozess wie die Elektroden 131–134 gebildet sein. 3C zeigt zusätzlich eine Masseebene 182, die aus einer leitfähigen Schicht gebildet ist, die an der Hauptoberfläche 184 des Substrats 170 gegenüber der Hauptoberfläche 174 positioniert ist. Die Masseebene 182 wandelt die Leiter (nicht gezeigt), die Elektroden und die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161–164, die in dem Durchgang 112 positioniert sind, in Streifenleitungen um. Die Abmessungen des Durchgangs, der Elektroden und der Leiter sind entworfen, um die Leiter, die Elektroden und die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161–164 mit einer spezifischen charakteristischen Impedanz zu versehen, die mit der charakteristischen Impedanz des Systems übereinstimmt, in dem die Schaltvorrichtung 100 verwendet wird. Die charakteristische Impedanz beträgt typischerweise 50 Ω, aber andere charakteristische Impedanzen, wie beispielsweise 75 Ω, können alternativ. verwendet werden. Das Strukturieren des Durchgangs und der Elektroden als Streifenleitungen, die eine spezifische charakteristische Impedanz aufweisen, die mit der charakteristischen Impedanz des Systems übereinstimmt, in dem die Schaltvorrichtung verwendet wird, gibt der Schaltvorrichtung 100 hervorragende Einfügungseigenschaften über einem Frequenzbereich, der sich auf wesentlich höhere Frequenzen erstreckt als bei den oben beschriebenen herkömmlichen Schaltvorrichtungen.
Alternativ können die Leiter (nicht gezeigt) und zugeordnete Teile der Masseebene 182 weggelassen werden. In diesem Fall werden die Verbindungen mit den Elektroden 131–134 unter Verwendung von Koaxialkabeln hergestellt. In diesem Fall sind der Durchgang 112 und die Elektroden dimensioniert, um eine charakteristische Impedanz zu ergeben, die mit dieser der Koaxialkabel übereinstimmt.
Die Schaltvorrichtung 100 wird zusammengefügt, wobei die Hauptoberfläche 174 des Substrats 170 mit der Hauptoberfläche 176 des Substrats 172 nebeneinander angeordnet ist. Das Zusammenfügen der Schaltvorrichtung 100 positioniert die Elektroden 131–134 an dem Substrat 170 entlang der Länge des Grabens 178 und schließt den Graben 178 ein, um den Durchgang 112 zu bilden. Das Zusammenfügen der Schaltvorrichtung positioniert ferner die Heizer 150 und 152 an dem Substrat 170 gegenüber den Gräben 179 und 180 und schließt die Gräben 179 und 180 ein, um die Hohlräume 114 und 116 zu bilden. Das Zusammenfügen der Schaltvorrichtung schließt ferner den Graben 181, um den Kanal 141 zu bilden. Die Kanäle 142 und 143 sind durch die Hauptoberfläche 174 gebildet, die die zusätzlichen Gräben (nicht gezeigt) einschließt, die in dem Substrat 172 gebildet sind. Ein vorbestimmtes Volumen der leitfähigen Flüssigkeit, geringer als dieses des Durchgangs 112, wird vor einer Zusammenfügung in dem Graben 178 platziert. Falls das nichtleitfähige Fluid 122 und 124 eine Flüssigkeit ist, werden die Hohlräume 112 und 114 und die Kanäle 141, 142 und 143 vor der Zusammenfügung mit dem nichtleitfähigen Fluid gefüllt. Falls das nichtleitfähige Fluid ein Gas ist, wird die Zusammenfügung in einer Atmosphäre des nichtleitfähigen Fluids durchgeführt, so dass das nichtleitfähige Fluid die Hohlräume und die Kanäle füllt.
Der Betrieb der Schaltvorrichtung 100 wird nun mit Bezug auf 3A und 3B beschrieben. Der Heizer 150 wird mit Energie versorgt, um den Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100 in den Schaltzustand zu ändern, der in 3A gezeigt ist. Wärme, die durch den mit Energie versorgten Heizer erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 122 in dem Hohlraum 114 ausdehnt. Das sich ergebende überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids wird durch die Kanäle 141 und 143 hindurch in den Durchgang 112 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid unterbricht die Kontinuität der leitfähigen Flüssigkeit 126 an dem Auslass der Kanäle. Somit ist die leitfähige Flüssigkeit 126 in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161, 162, 163 und 164 unterbrochen, wenn der Heizer 150 mit Energie versorgt wird.
Der Heizer 152 wird mit Energie versorgt, um den Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100 in den Schaltzustand zu ändern, der in 3B gezeigt ist. Wärme, die durch den mit Energie versorgten Heizer erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 122 in dem Hohlraum 116 ausdehnt. Das sich ergebende überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids wird durch den Kanal 142 hindurch in den Durchgang 112 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid unterbricht die Kontinuität der leitfähigen Flüssigkeit 126 an dem Auslass des Kanals. Die leitfähige Flüssigkeit 126 wird in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161, 162 und 163,164 unterbrochen, wenn der Heizer 152 mit Energie versorgt wird.
In dem Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100, der in 3A gezeigt ist, hat Wärme, die durch den Heizer 150 erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 122 ausdehnt, und das überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids 122 wurde durch die Kanäle 141 und 143 hindurch in den Durchgang 112 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid 122, das über den Kanal 141 in den Durchgang 112 eintritt, hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 (3B) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162 geteilt. Das nichtleitfähige Fluid 122, das über den Kanal 143 in den Durchgang 112 eintritt, hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163, 164 (3B) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 163 und 164 geteilt. Das nichtleitfähige Fluid 122, das in den Durchgang 112 eintritt, hat zusätzlich das nichtleitfähige Fluid 124 von dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 162 und 163 (3B) ausgestoßen. Dies ermöglicht, dass sich die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 vereinigen, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162,163 zu bilden. Das nichtleitfähige Fluid 124, das von dem Durchgang 112 verdrängt wird, kehrt durch den Kanal 142 hindurch zu dem Hohlraum 116 zurück.
In dem Zustand der Schaltvorrichtung 100, der in 3B gezeigt ist, hat Wärme, die durch den Heizer 152 erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 124 ausdehnt, und das überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids 124 wurde durch den Kanal 142 hindurch in den Durchgang 112 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid 124, das in den Durchgang 112 eintritt, hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 (3A) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 geteilt. Das nichtleitfähige Fluid 124, das in den Durchgang 112 eintritt, hat zusätzlich das nichtleitfähige Fluid 122 von dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 161 und 162 (3A) und von dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 163 und 164 (3A) ausgestoßen. Dies ermöglicht, dass sich die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162 vereinigen, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 zu bilden und ermöglicht, dass sich die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 163 und 164 vereinigen, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163, 164 zu bilden. Das nichtleitfähige Fluid 122, das aus dem Durchgang 112 ausgestoßen wird, kehrt durch die Kanäle 141 und 143 zu dem Hohlraum 116 zurück.
Bei einem praktischen Beispiel der verriegelnden Schaltvorrichtung 100 war die leitfähige Flüssigkeit 126 Quecksilber, war das Material der Elektroden 131–134 Platin und war das nichtleitfähige Fluid 122 und 124 Stickstoff.
Alternative leitfähige Flüssigkeiten umfassen Gallium, Natrium-Kalium oder ein anderes leitfähiges Material, das bei der Betriebstemperatur der Schaltvorrichtung flüssig ist. Alternative Elektrodenmaterialien umfassen Lithium, Ruthenium, Nickel, Palladium, Kupfer, Silber, Gold und Aluminium, obwohl nicht alle dieser Materialien für eine Verwendung mit allen leitfähigen Flüssigkeiten geeignet sind. Beispielsweise sind Kupfer-, Silber- und Goldelektroden nicht für eine Verwendung mit Quecksilber geeignet. Alternative nichtleitfähige Fluide umfassen Argon, Helium, Kohlenstoffdioxid, andere inerte Gase und Gasmischungen und nichtleitfähige organische Flüssigkeiten und Gase, wie beispielsweise Fluorkohlenwasserstoffe.
Bei einem Beispiel war der Graben 178 etwa 0,1 bis etwa 0,2 mm breit, etwa 0,1 mm oder etwa 0,2 mm tief und etwa 1 mm bis etwa 3 mm lang. Die Gräben, die, wenn dieselben durch das Substrat 170 bedeckt sind, die Kanäle 141, 142 und 143 bilden, waren etwa 30 μm bis etwa 100 μm breit und etwa 30 μm bis etwa 100 μm tief und waren in jedem Fall schmäler und flacher als der Graben 178. Das Gesamtvolumen des Beispiels betrug etwa 0,02 ml. Die Gräben waren in einem Substrat aus Glas durch Ablation gebildet.
Die oben beschriebenen Materialien und Abmessungen sind auch für eine Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der unten beschriebenen verriegelnden Schaltvorrichtungen auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit geeignet.
Andere Materialien als Glas, Halbleiter oder Keramik können als die Substrate 170 und 172 verwendet werden. Die Elemente der Schaltvorrichtung können beispielsweise in einem Substrat 172 aus einem formbaren Material geformt sein, wie beispielsweise einem formbaren Kunststoff. Ein ähnliches Material kann für das Substrat 170 verwendet werden.
4A und 4B zeigen schematisch die Anwendung der Schaltvorrichtung 100 in einem Stufendämpfungsglied 110, das funktionsmäßig dem mit Bezug auf 1 oben beschriebenen Stufendämpfungsglied 10 ähnlich ist. Elemente des Stufendämpfungsglieds 110, die dem Stufendämpfungsglied 10 entsprechen, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen angegeben und werden hier nicht detailliert beschrieben.
Das Stufendämpfungsglied 110 wird mit Bezug auf 4A und 4B und mit zusätzlichem Bezug auf 3A und 3B beschrieben. Das Stufendämpfungsglied 110 ist aus der Schaltvorrichtung 100, den Signalverbindungen 30 und 32 und dem Dämpfungsglied 16 gebildet. Die Enden des Dämpfungsgliedes 16 sind elektrisch mit der Elektrode 131 und der Elektrode 134 der Schaltvorrichtung 100 verbunden. Die Signalverbindungen 30 und 32 sind elektrisch mit den Elektroden 132 bzw. 133 der Schaltvorrichtung 100 verbunden.
4A zeigt das Stufendämpfungsglied 110 mit der Schaltvorrichtung 100 in dem in 3A gezeigten Schaltzustand. Das nichtleitfähige Fluid 122 aus dem Kanal 141 trennt (isoliert) den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161 von dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162 und isoliert die Elektrode 131, die sich mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161 in Kontakt befindet, elektrisch von der Elektrode 132, die sich mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162 in Kontakt befindet. Dies isoliert das Dämpfungsglied 16 von der Signalverbindung 30. Das nichtleitfähige Fluid 122 aus dem Kanal 143 trennt den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164 von dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163 und isoliert deshalb die Elektrode 134, die sich mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164 in Kontakt befindet, elektrisch von der Elektrode 133, die sich mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163 in Kontakt befindet. Dies isoliert das Dämpfungsglied 16 von der Signalverbindung 32. Schließlich verbindet der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 die Elektroden 132 und 133 elektrisch und verbindet deshalb die Signalverbindungen 30 und 32 elektrisch. Die Elektrode 132, der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 und die Elektrode 133 sind strukturiert, um eine Übertragungsleitung zu bilden, die eine charakteristische Impedanz aufweist, die mit dieser der Verbindungen übereinstimmt, die mit den Signalverbindungen 30 und 32 hergestellt sind. Dies minimiert den Einfügungsverlust des Stufendämpfungsglieds 110 in dem in 4A gezeigten Schaltzustand.
4B zeigt das Stufendämpfungsglied 110 mit der Schaltvorrichtung 100 in dem in 3B gezeigten Schaltzustand. Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 verbindet die Elektroden 131 und 132 elektrisch. Dies verbindet ein Ende des Dämpfungsglieds 16 elektrisch mit der Signalverbindung 30. Zusätzlich verbindet der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 163, 164 die Elektroden 133 und 134 elektrisch. Dies verbindet das andere Ende des Dämpfungsglieds 16 elektrisch mit der Signalverbindung 32. Das nichtleitfähige Fluid 124 schließlich trennt den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 von dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163, 164. Somit isoliert das nichtleitfähige Fluid 124 die Elektrode 132, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 befindet, elektrisch von der Elektrode 133, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163, 164 befindet. Dies isoliert die Signalverbindung 32 elektrisch von der Signalverbindung 30. Folglich erfolgt die elektrische Verbindung zwischen den Signalverbindungen 30 und 32 bei dem in 4B gezeigten Schaltzustand durch das Dämpfungsglied 16.
Der Energieverbrauch der Schaltvorrichtung 100 gemäß der Erfindung ist durch ein Strukturieren des Durchgangs 112, um eine Verriegelungsstruktur zu umfassen, die jedem der Kanäle 141, 142 und 143 zugeordnet ist, reduziert. Die Verriegelungsstrukturen ermöglichen, dass die Heizer 150 und 152 nach einem lindern des Schaltzustands der Schaltvorrichtung von der Energieversorgung getrennt werden, ohne das Risiko, dass die Schaltvorrichtung zu dem vorigen Schaltzustand derselben oder zu einem unbestimmten Schaltzustand zurückkehrt. Ein Versorgen der Heizer mit Energie lediglich um den Schaltzustand des Schalters zu ändern und nicht um die Schaltvorrichtung in dem Schaltzustand beizubehalten, in den dieselbe geschaltet wurde, verringert den Leistungsverbrauch der Schaltvorrichtung wesentlich.
Die Verriegelungsstruktur, die jedem Kanal zugeordnet ist, ist aus einer Energiebarriere gebildet, die zwischen dem Kanal und den benachbarten Elektroden positioniert ist. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts des Durchgangs 12, der die Kanäle 141 und 142 und die Elektroden 131 und 132 umfasst. Der gezeigte Abschnitt des Durchgangs umfasst eine Verriegelungsstruktur 190, die dem Kanal 141 zugeordnet ist. Die Verriegelungsstruktur 190 ist aus einer Energiebarriere 192 und einer Energiebarriere 193 gebildet, die an gegenüberliegenden Seiten des Kanals 141 positioniert sind.
Die Verriegelungsstruktur 190 wird nun detaillierter beschrieben. Die Verriegelungsstrukturen, die den Kanälen 142 und 143 zugeordnet sind, sind ähnlich und werden somit nicht getrennt beschrieben. Die Verriegelungsstruktur 190 ist aus einem Niedrigoberflächenenergieabschnitt 194, einem Hochoberflächenenergieabschnitt 195 und einem Niedrigoberflächenenergieabschnitt 196 gebildet, die im Tandem entlang eines Teils der Länge des Durchgangs 112 angeordnet sind. Der Hochoberflächenenergieabschnitt 195 ist näher an dem Kanal 141 positioniert als die Niedrigoberflächenenergieabschnitte 194 und 196. Die Niedrigoberflächenenergieabschnitte 194 und 196 sind die Abschnitte des Durchgangs benachbart zu dem Hochoberflächenenergieabschnitt 195. Die Energiebarrieren 192 und 193 bestehen an den Übergängen zwischen dem Hochoberflächenenergieabschnitt 195 und jedem der Niedrigoberflächenenergieabschnitte 194 und 196, wobei die Niedrigenergieseite der Energiebarriere zu dem Niedrigoberflächenenergieabschnitt hin liegt, d. h. näher an den Elektroden 131 und 132 als der Kanal 141.
Jeder leitfähige Flüssigkeitsabschnitt weist zumindest eine Oberfläche auf, die sich in Kontakt mit dem nichtleitfähigen Fluid 122 oder 124 befindet. Eine derartige Oberfläche wird eine freie Oberfläche genannt, um dieselbe von einer Oberfläche des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts zu unterscheiden, die durch den Kanal 112 begrenzt ist. Bei dem gezeigten Beispiel teilt das nichtleitfähige Fluid 122 die leitfähige Flüssigkeit in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162, die die freien Oberflächen 197 bzw. 198 aufweisen. Die Materialien der Substrate 170 und 172, in denen der Durchgang 112 gebildet ist, weisen eine relativ geringe Benetzbarkeit mit Bezug auf die leitfähige Flüssigkeit 126 auf, während das Metall der Elektroden 131–134 eine wesentlich höhere Benetzbarkeit mit Bezug auf die leitfähige Flüssigkeit aufweist. Folglich weisen die freien Oberflächen 197 und 198 der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 bzw. 162 einen größeren Krümmungsradius und daher eine niedrigere Oberflächenenergie auf, wenn sich dieselben in Kontakt mit der Elektrode 131 bzw. 132 befinden, als wenn sich dieselben in Kontakt mit dem Hochoberflächenenergieabschnitt 195 des Durchgangs zwischen den Elektroden in Kontakt befinden. Der Unterschied bei der Oberflächenenergie der freien Oberflächen 197 und 198 zwischen dem Hochoberflächenenergieabschnitt 195 und den Niedrigoberflächenenergieabschnitten 194 bzw. 196 erzeugt die Energiebarrieren 192 bzw. 193. Nachdem die freien Oberflächen 197 und 198 zu den Niedrigenergieseiten der Energiebarrieren 192 bzw. 193 durch das nichtleitfähige Fluid 122 bewegt wurden, das von dem Kanal 141 ausgegeben wird, halten die Energiebarrieren die freien Oberflächen an den Niedrigenergieseiten derselben. Es ist eine wesentliche Energieeingabe erforderlich, um die freien Oberflächen 197 und 198 über die Energiebarrieren 192 bzw. 193 und in Kontakt miteinander zu bewegen.
Man betrachte beispielsweise den in 5 gezeigten Schaltzustand, der dem in 3A gezeigten Schaltzustand entspricht. Wenn die Schaltvorrichtung 100 in diesen Schaltzustand geschaltet ist, trennt das nichtleitfähige Fluid 122 den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 (3B) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162. Das nichtleitfähige Fluid 122 bewegt die freien Oberflächen 197 und 198 der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 bzw. 162 weg von dem Kanal 141. Die freien Oberflächen bewegen sich durch den Hochoberflächenenergieabschnitt 195 des Durchgangs 122 in die Niedrigoberflächenenergieabschnitte 194 bzw. 196. Zusätzlich vereinigt sich der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162 mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 zu bilden, wie es oben mit Bezug auf 3A beschrieben ist.
Wenn der Heizer 150 von der Energieversorgung getrennt wird, nachdem derselbe die Schaltvorrichtung 100 in den in 5 gezeigten Schaltzustand geschaltet hat, kühlt sich das nichtleitfähige Fluid 122 ab und zieht sich zusammen. Die Zusammenziehung neigt dazu, das nichtleitfähige Fluid 122 aus dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 161 und 162 zurückzuziehen. Bei nichtvorhandener Verriegelungsstruktur 190 würde eine Zurückziehung des nichtleitfähigen Fluids möglicherweise ermöglichen, dass sich die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162 wieder vereinigen.
Bei der Schaltvorrichtung 100 gemäß der Erfindung jedoch widersteht, wenn der Heizer 150 nach einem Einrichten des in 5 gezeigten Schaltzustands von der Energieversorgung getrennt wird, die Energiebarriere 192, die durch den Niedrigoberflächenenergieabschnitt 194 und den Hochoberflächenenergieabschnitt 195 gebildet ist, einer Bewegung der freien Oberfläche 197 des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 161 in den Hochoberflächenenergieabschnitt 195. Auf ähnliche Weise widersteht die Energiebarriere 193, die durch den Niedrigoberflächenenergieabschnitt 196 und den Hochoberflächenenergieabschnitt 195 gebildet ist, einer Bewegung der freien Oberfläche 198 des leitfähigen Flüssig keitsabschnitts 162 in den Hochoberflächenenergieabschnitt 195. Eine Energieeingabe größer als diese, die von der Zusammenziehung des nichtleitfähigen Fluids 122 erhältlich ist, ist erforderlich, um die freien Oberflächen 197 und 198 über die Energiebarrieren 192 bzw. 193, über den Hochoberflächenenergieabschnitt 195 hinweg und in Kontakt miteinander zu bewegen. Somit behält die Verriegelungsstruktur 190 die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 131 und 132 in einem offenen Zustand bei. Auf ähnliche Weise hält die Verriegelungsstruktur, die dem Kanal 143 zugeordnet ist, die freien Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 163 und 164 (3A) auseinander, was die Elektroden 163 und 164 in einem abgetrennten Zustand beibehält. Bei dem in 3B gezeigten Schaltzustand hält die Verriegelungsstruktur, die dem Kanal 142 zugeordnet ist, die freien Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163.
Bei dem in 3A gezeigten Schaltzustand ist die freie Oberfläche 198 des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 162 durch die Energiebarriere 193 gehalten und ist die freie Oberfläche des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 163 durch die Energiebarriere gehalten, die sich zwischen der Elektrode 133 und dem Kanal 143 erstreckt. Die Querschnittsabmessungen des Kanals 142 sind wesentlich kleiner als diese des Durchgangs 112. Der Unterschied bei den Querschnittsabmessungen bildet die Energiebarriere 199 an dem Übergang des Kanals 142 und des Durchgangs 112. Die Energiebarriere 199 verhindert, dass die freie Oberfläche 191 des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 162, 163 in den Durchgang 142 eintritt. Somit ist die Form des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 162, 163 durch den Durchgang 112, die Energiebarriere 199 an dem Übergang des Kanals 142 und des Durchgangs 112 und die Energiebarrieren an beiden Enden des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts gut definiert. Dies verringert wesentlich die Wahrscheinlichkeit dessen, dass der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 in leitfähige Flüssigkeitsabschnitte fragmentiert, die die elektrische Verbin dung zwischen den Elektroden 132 und 133 öffnen. Folglich behalten Verriegelungsstrukturen, die den Kanälen 141 und 143 und der Energiebarriere 199 zugeordnet sind, die Schaltvorrichtung 100 in dem in 5 gezeigten Schaltzustand bei, nachdem der Heizer 150 von der Energieversorgung getrennt wurde.
Es bestehen zusätzlich Energiebarrieren an den Schnittpunkten der Kanäle 141 und 143, um die freien Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161, 162 und 162, 163 bei den Kanälen 141 und 143 in dem in 3B gezeigten Schaltzustand zu halten.
Falls hydraulische oder pneumatische Verluste in den Kanälen eine Besorgnis sind, können die Kanäle geformt sein, um eine Verengung zu umfassen, bei der der Kanal wesentlich kleinere Querschnittsabmessungen als der Durchgang 112 über lediglich einen Teil der Länge desselben aufweist. Die Verengung kann beispielsweise an dem Schnittpunkt des Kanals und des Durchgangs positioniert sein.
Die Energieeingabe, die erforderlich ist, um die freien Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162 und der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 163 und 164 über die jeweiligen Energiebarrieren derselben und in Kontakt miteinander zu bewegen, ist geringer als diese, die von der Ausdehnung des nichtleitfähigen Fluids 124 ansprechend auf den Heizer 152 verfügbar ist. Somit liefert ein Versorgen des Heizers 152 mit Energie eine ausreichende Energie, um die freien Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 über die jeweiligen Energiebarrieren derselben und in Kontakt mit den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 161 bzw. 164 zu bewegen, um die Schaltvorrichtung 100 in den in 3B gezeigten Schaltzustand zu schalten.
Die Bedingung, dass die Energie, die durch die Zusammenziehung des nichtleitfähigen Fluids 122 geliefert wird, unge nügend sein soll, um die freien Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162 über die jeweiligen Energiebarrieren derselben und in Kontakt miteinander zu bewegen und die Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 163 und 164 über die jeweiligen Energiebarrieren derselben und in Kontakt miteinander zu bewegen, aber dass die Energie, die durch die Ausdehnung des nichtleitfähigen Fluids 124 geliefert wird, ausreichend sein soll, um die oben erwähnten Oberflächen in Kontakt miteinander zu bewegen, wird durch ein geeignetes Proportionieren der Hohlräume 114 und 116 erreicht. Insbesondere sollten die Hohlräume ein Volumenverhältnis aufweisen, das im Wesentlichen proportional zu dem Verhältnis der Anzahl von Kanälen ist, die eine Verbindung mit denselben herstellen. Bei dem gezeigten Beispiel sollte der Hohlraum 114, mit dem die Kanäle 141 und 143 eine Verbindung herstellen, näherungsweise das doppelte Volumen des Hohlraums 116 aufweisen, mit dem der Kanal 142 eine Verbindung herstellt.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Benetzbarkeit der Materialien der Substrate 170 und 172 sich ungenügend von der Benetzbarkeit des Materials der Elektroden 131–134 unterscheidet, kann der Abschnitt der Wand des Durchgangs 112 in dem Hochoberflächenenergieabschnitt 195 mit einem Material beschichtet sein, das eine geringere Benetzbarkeit mit Bezug auf die leitfähige Flüssigkeit 126 als die Materialien der Substrate aufweist. Die Oberflächenenergie der Niedrigoberflächenenergieabschnitte 194 und 196 kann ferner durch ein Erweitern des Materials mit hoher Benetzbarkeit der Elektroden oder ein anderes Material mit hoher Benetzbarkeit um die Peripherie des Durchgangs in den Niedrigoberflächenenergieabschnitten des Durchgangs herum verringert werden. Der Unterschied bei der Oberflächenenergie zwischen dem Hochoberflächenenergieabschnitt 195 und den Niedrigoberflächenenergieabschnitten 194 und 196 kann zusätzlich oder alternativ durch ein Formen des Durchgangs 112, um größere Querschnittsabmessungen in den Niedrigober flächenenergieabschnitten 194 und 196 als in dem Hochoberflächenenergieabschnitt 195 aufzuweisen, erreicht werden.
Verriegelungsstrukturen sind ferner in einer Patentanmeldung beschrieben, die an dem gleichen Tag wie diese Offenbarung eingereicht wurde, mit dem Titel Conductive Liquid-Based Latching Switch Device. Die übertragene Anmeldung ist an die Anmelderin dieser Offenbarung übertragen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel 200 einer mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung ist in 6A in einem ersten Schaltzustand und in 6B in einem zweiten Schaltzustand gezeigt. 6C zeigt eine Querschnittsansicht. Elemente der Schaltvorrichtung 200, die Elementen der Schaltvorrichtung 100 entsprechen, die oben mit Bezug auf 3A–3C beschrieben ist, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen angegeben und werden nicht erneut detailliert beschrieben.
Die Schaltvorrichtung 200 ist eine fünfpolige Zweiwegeschaltvorrichtung und ist aus einem länglichen Durchgang 212, einem Hohlraum 114, einem Hohlraum 216, Elektroden 131, 132, 133, 134 und 135, Kanälen 141, 142, 143 und 144, einem nichtleitfähigen Fluid 122 und 124 und einer leitfähigen Flüssigkeit 226 gebildet.
Die Elektroden 131, 132, 133, 134 und 135 sind entlang der Länge des Durchgangs 212 angeordnet.
Die Kanäle 141, 142, 143 und 144 sind zahlenmäßig im eins geringer als die Elektroden 131, 132, 133, 134 und 135. Die Kanäle erstrecken sich von dem Durchgang 212 und sind mit den Elektroden entlang der Länge des Durchgangs verschachtelt, d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel sind vier Kanäle mit fünf Elektroden verschachtelt. Die Reihenfolge der Elektroden und Kanäle entlang der Länge des Durchgangs lautet Elektrode 131, Kanal 141, Elektrode 132, Kanal 142, Elektrode 133, Kanal 143, Elektrode 134, Kanal 144 und Elektrode 135. Die Kanäle sind in Reihenfolge von dem Ende 118 des Durchgangs aus nummeriert. Ungeradzahlige Kanäle, d. h. die Kanäle 141 und 143, erstrecken sich von dem Durchgang zu dem Hohlraum 114. Geradzahlige Kanäle, d. h. die Kanäle 142 und 144, erstrecken sich von dem Durchgang zu dem Hohlraum 216. Die Kanäle weisen kleinere Querschnittsabmessungen als der Durchgang auf.
Das nichtleitfähige Fluid 122 ist in dem Hohlraum 114 und in den Kanälen 141 und 143 positioniert. Das nichtleitfähige Fluid 124 ist in dem Hohlraum 216 und in den Kanälen 142 und 144 positioniert. Heizer, schematisch bei 150 und 152 gezeigt, sind in den Hohlräumen 114 bzw. 216 positioniert.
Die leitfähige Flüssigkeit 226 ist in dem Durchgang 212 positioniert. Das Volumen der leitfähigen Flüssigkeit ist geringer als dieses des Durchgangs, so dass die leitfähige Flüssigkeit den Durchgang nicht vollständig füllt. Das verbleibende Volumen des Durchgangs ist durch das nichtleitfähige Fluid 122 oder 124 eingenommen, abhängig von dem Schaltzustand der Schaltvorrichtung 200. Die leitfähige Flüssigkeit kann als aus leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 161, 162, 163, 164 und 165 gebildet betrachtet werden, die jeweils einer jeweiligen Elektrode 131, 132, 133, 134 und 135 zugeordnet sind. Außer während Schaltübergängen besteht jedoch die leitfähige Flüssigkeit 226 als eine kleinere Anzahl von leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten, weil verschiedene benachbarte Paare der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte sich vereinigen, um größere leitfähige Flüssigkeitsabschnitte zu bilden. Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt, der durch die Vereinigung eines Paars von leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten gebildet ist, wird durch die Bezugszeichen der beitragenden leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte bezeichnet. Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 beispielsweise ist der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt, der durch die Vereinigung der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 gebildet ist.
Die Schaltvorrichtung 200 ist in Substraten 170 und 172, die in 6C gezeigt sind, auf eine Weise gefertigt, die ähnlich dieser ist, die oben mit Bezug auf 3A–3C beschrieben ist. Die zusätzliche Elektrode 165 ist an der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170 positioniert. Ein optionaler Leiter (nicht gezeigt), der eine Streifenleitung bildet, mit einer Masseebene 162, kann sich über die Hauptoberfläche 174 zu der Elektrode 165 auf eine Weise erstrecken, die ähnlich dieser ist, die oben beschrieben ist. Ein zusätzlicher Graben (nicht gezeigt), der sich zwischen einem Graben 278 und einem Graben 279 erstreckt, ist in dem Substrat 172 gebildet. Der zusätzliche Graben und der Abschnitt der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170, der diesen Graben überlappt, bilden den Kanal 144.
Verriegelungsstrukturen ähnlich der Verriegelungsstruktur 190, die oben mit Bezug auf 5 beschrieben ist, sind an jedem der Kanäle 141, 142, 143 und 144 positioniert. Energiebarrieren ähnlich der Energiebarriere 199, die oben mit Bezug auf 5 beschrieben ist, sind an den Schnittpunkten der Kanäle 141, 142, 143 und 144 und des Durchgangs 212 positioniert.
Der Betrieb der Schaltvorrichtung 200 wird nun mit Bezug auf 6A und 6B beschrieben. Der Heizer 150 wird mit Energie versorgt, um den Schaltzustand der Schaltvorrichtung 200 in den in 6A gezeigten Schaltzustand zu ändern. Wärme, die durch den mit Energie versorgten Heizer erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 122 in dem Hohlraum 114 ausdehnt. Das resultierende überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids wird durch die Kanäle 141 und 143 hindurch in den Durchgang 212 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid unterbricht die Kontinuität der leitfähigen Flüssigkeit 226 an den Auslässen der Kanäle. Somit wird die leitfähige Flüssigkeit 226 in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161, 162, 163 und 164, 165 unterbrochen, wenn der Heizer 150 mit Energie versorgt wird. Der Heizer 152 wird mit Energie versorgt, um den Schaltzustand der Schaltvorrichtung 200 in den in 6B gezeigten Schaltzustand zu ändern. Wärme, die durch den mit Energie versorgten Heizer erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 122 in dem Hohlraum 216 ausdehnt. Das sich ergebende überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids wird durch die Kanäle 142 und 144 in den Durchgang 212 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid unterbricht die Kontinuität der leitfähigen Flüssigkeit 226 an den Auslässen der Kanäle. Wenn somit der Heizer 152 mit Energie versorgt wird, wird die leitfähige Flüssigkeit 226 in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161, 162, 163, 164 und 165 unterbrochen. Diese leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte sind unterschiedlich zu den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten, in die die leitfähige Flüssigkeit 226 unterbrochen wird, wenn der Heizer 150 mit Energie versorgt wird.
In dem in 6A gezeigten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 200 hat Wärme, die durch den Heizer 150 erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 122 ausdehnt, und das überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids 122 wurde durch die Kanäle 141 und 143 hindurch in den Durchgang 212 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid 122, das in den Durchgang 212 durch den Kanal 141 hindurch eintritt, hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 (6B) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162 geteilt. Das nichtleitfähige Fluid 122, das durch den Kanal 143 hindurch in den Durchgang 212 eintritt, hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163, 164 (6B) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 163 und 164 geteilt. Das nichtleitfähige Fluid 122, das in den Durchgang 212 eintritt, hat ferner das nichtleitfähige Fluid 124 von dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 162 und 163 (6B) und von dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 164 und 165 (6B) ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid 122 bewegt die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 in entgegengesetzte Richtungen in dem Durchgang in Kontakt miteinander. Die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 vereinigen sich, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 zu bilden. Das nichtleitfähige Fluid 124 bewegt den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164 in dem Durchgang in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 165. Die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 165 und 165 vereinigen sich, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164, 165 zu bilden. Das nichtleitfähige Fluid 124, das aus dem Durchgang 212 ausgestoßen wird, kehrt durch die Kanäle 142 und 144 hindurch zu dem Hohlraum 216 zurück.
In dem in 6B gezeigten Zustand der Schaltvorrichtung 200 hat Wärme, die durch den Heizer 152 erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid 124 ausdehnt, und das überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids 124 wurde durch die Kanäle 142 und 144 hindurch in den Durchgang 212 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid 124, das durch den Kanal 142 in den Durchgang 212 eintritt, hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 (6A) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 162 und 163 geteilt. Das nichtleitfähige Fluid 124, das durch den Kanal 144 in den Durchgang 212 eintritt, hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164, 165 (6A) in die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 164 und 165 geteilt. Das nichtleitfähige Fluid 124, das in den Durchgang 212 eintritt, hat zusätzlich das nichtleitfähige Fluid 122 aus dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 161 und 162 und aus dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 163 und 164 ausgestoßen. Das nichtleitfähige Fluid 124 bewegt den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162 in dem Durchgang in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161. Die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 161 und 162 vereinigen sich, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 zu bilden. Das nichtleitfähige Fluid 124 bewegt zusätzlich die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 163 und 164 in entgegengesetzte Richtungen in dem Durchgang in Kontakt miteinander. Die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte vereinigen sich, um den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163,164 zu bilden. Das nichtleitfähi ge Fluid 122, das aus dem Durchgang 112 ausgestoßen wird, kehrt durch die Kanäle 141 und 143 zu dem Hohlraum 114 zurück.
7A und 7B zeigen schematisch die Anwendung der Schaltvorrichtung 200 auf einen impedanzangepassten einpoligen Umschalter 250, der funktionsmäßig ähnlich dem Schalter 50 ist, der oben mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Elemente des Schalters 250, die Elementen des Schalters 50 entsprechen, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen angegeben und werden hier nicht detailliert beschrieben.
Der Schalter 250 ist aus der Schaltvorrichtung 200, Abschlusswiderständen 56 und 58 und Signalverbindungen 66, 76 und 78 gebildet. Die Elektrode 131 der Schaltvorrichtung 200 ist über den Abschlusswiderstand 56 mit Masse verbunden und die Elektrode 135 der Schaltvorrichtung 200 ist über den Abschlusswiderstand 58 mit Masse verbunden. Die Abschlusswiderstände 56 und 58 weisen einen Widerstandswert gleich der charakteristischen Impedanz des Systems auf, in dem der Schalter 250 verwendet werden soll. Die charakteristische Impedanz beträgt typischerweise 50 Ω, wie es oben angemerkt ist. Die Elektroden 132, 133 und 134 der Schaltvorrichtung 200 sind elektrisch mit den Signalverbindungen 76, 66 bzw. 78 verbunden.
7A zeigt den Schalter 250 mit der Schaltvorrichtung 200 in dem in 6A gezeigten Schaltzustand. In diesem trennt das nichtleitfähige Fluid 122 den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161 von dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162. Daher isoliert das nichtleitfähige Fluid 122 die Elektrode 131, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 161 befindet, elektrisch von der Elektrode 132, die sich mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162 in Kontakt befindet, und isoliert den Abschlusswiderstand 56 von der Signalverbindung 76. Das nichtleitfähige Fluid 122 trennt zusätzlich den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164 von dem leitfähigen Flüssigkeits abschnitt 163. Somit isoliert das nichtleitfähige Fluid 122 die Elektrode 134, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164 befindet, elektrisch von der Elektrode 133, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163 befindet, und isoliert die Signalverbindung 78 von der Signalverbindung 66.
Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 verbindet die Elektroden 132 und 133 elektrisch und verbindet deshalb die Signalverbindung 76 elektrisch mit der Signalverbindung 66. Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 164, 165 schließlich verbindet die Elektroden 134 und 135 elektrisch und verbindet daher die Signalverbindung 78 elektrisch durch den Abschlusswiderstand 58 mit Masse. Folglich sind die Signalverbindungen 66 und 76 elektrisch verbunden und die "offene" Signalverbindung 78 ist über den Abschlusswiderstand 58 geerdet.
Die Elektrode 132, der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 162, 163 und die Elektrode 133 sind strukturiert, um eine Übertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz gleich dieser des Systems zu bilden, in dem der Schalter 250 verwendet werden soll. Dies minimiert Übertragungsverluste bei der Signalverbindung zwischen den Signalverbindungen 66 und 76. Auf ähnliche Weise sind die Elektrode 134, der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 164, 165 und die Elektrode 135 strukturiert, um eine Übertragungsleitung mit der gleichen charakteristischen Impedanz zu bilden, um eine Anpassung zwischen der Signalverbindung 78 und dem Abschlusswiderstand 58 zu optimieren.
7B zeigt den Schalter 250 mit der Schaltvorrichtung 200 in dem in 6B gezeigten Schaltzustand. In diesem trennt das nichtleitfähige Fluid 124 den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162 von dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163. Daher isoliert das nichtleitfähige Fluid 124 die Elektrode 132, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 162 befindet, elektrisch von der Elektrode 133, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 163 befindet, und isoliert die Signalverbindung 66 von der Signalverbindung 76. Das nichtleitfähige Fluid 124 trennt zusätzlich den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164 von dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 165. Daher isoliert das nichtleitfähige Fluid 124 die Elektrode 134, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 164 befindet, elektrisch von der Elektrode 135, die sich in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 165 befindet, und isoliert die Signalverbindung 78 von dem Abschlusswiderstand 58.
Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 verbindet die Elektroden 131 und 132 elektrisch und verbindet deshalb die Signalverbindung 76 durch den Abschlusswiderstand 56 elektrisch mit Masse. Der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 163, 164 schließlich verbindet die Elektroden 133 und 134 elektrisch und verbindet deshalb die Signalverbindung 66 elektrisch mit der Signalverbindung 78. Folglich sind die Signalverbindungen 76 und 78 elektrisch verbunden und ist die „offene" Signalverbindung 76 über den Abschlusswiderstand 56 geerdet.
Die Elektrode 133, der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 163, 164 und die Elektrode 134 sind strukturiert, um eine Übertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz gleich dieser des Systems zu bilden, in der der Schalter 250 verwendet werden soll. Dies minimiert Übertragungsverluste in der Signalverbindung zwischen den Signalverbindungen 66 und 78. Auf ähnliche Weise sind die Elektrode 131, der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 161, 162 und die Elektrode 132 strukturiert, um eine Übertragungsleitung mit der gleichen charakteristischen Impedanz zu bilden, um eine Anpassung zwischen der Signalverbindung 76 und dem Abschlusswiderstand 56 zu optimieren.
Bei Anwendungen, bei denen die offene Signalverbindung, d. h. die Signalverbindung 76 oder 78, direkt mit Masse verbunden sein kann, sind die Abschlusswiderstände 56 und 58 weggelassen und sind die Elektroden 131 und 135 direkt mit Masse verbunden.
8 zeigt einen integrierten, impedanzangepassten, einpoligen Umschalter 350, der das zweite Ausführungsbeispiel 200 einer mehrpoligen Schaltvorrichtung auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit gemäß der Erfindung umfasst. Elemente des Schalters 350, die Elementen des Schalters 250 entsprechen, der oben mit Bezug auf 6A und 6B beschrieben ist, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen angegeben und werden nicht erneut detailliert beschrieben.
Der Schalter 350 ist aus der Schaltvorrichtung 200 und Abschlusswiderständen 356 und 358 gebildet. Der Schalter 350 umfasst zusätzlich die Signalverbindungen 66, 76 und 78 (nicht gezeigt), die mit den Elektroden 132, 133 bzw. 134 der Schaltvorrichtung 200 verbunden sind. Die Abschlusswiderstände 356 und 358 sind Metallfilmwiderstände, die an der Hauptoberfläche 174 des Substrats 170 (6C) positioniert sind. Ein Ende der Abschlusswiderstände 356 und 358 ist mit den Elektroden 131 bzw. 135 der Schaltvorrichtung 200 verbunden. Das andere Ende der Abschlusswiderstände 356 und 358 ist mit Masse verbunden. Es kann beispielsweise ein Durchgangsloch, das in dem Substrat 170 (6C) gebildet ist, verwendet werden, um die Enden der Abschlusswiderstände 356 und 358 mit der Masseebene 182 (6C) zu verbinden. Die Abschlusswiderstände können bei dem gleichen Prozess wie die Elektroden 131–135 gebildet werden. Alternativ können die Abschlusswiderstände in dem gleichen Prozess wie die Heizer 150 und 152 gebildet werden, falls die Heizer und Elektroden in unterschiedlichen Prozessen gebildet werden. Die Abschlusswiderstände 356 und 358 weisen einen Widerstandswert gleich der charakteristischen Impedanz gleich dieser des Systems auf, in der der Schalter 350 verwendet werden soll.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf Beispiele beschrieben, in denen die Heizer 150 und 152 aus Widerständen gebildet sind, die in den Hohlräumen 114 bzw. 116 positioniert sind. Dies ist jedoch nicht entscheidend für die Erfindung. Das nichtleitfähige Fluid 122 und 124 kann auf andere Weise erwärmt werden. Zum Beispiel können die Hohlräume 114 und 116 jeweils mit einer Strahlung absorbierenden Oberfläche ausgerüstet sein und die Strahlung von einem geeigneten Emitter, wie beispielsweise einer LED, kann verwendet werden, um das nichtleitfähige Fluid 122 und 124 über die Strahlung absorbierende Oberfläche in dem jeweiligen Hohlraum zu erwärmen. Alternativ kann ein Strahlung absorbierendes nichtleitfähiges Fluid direkt durch eine Strahlung der geeigneten Wellenlänge erwärmt werden.
Diese Offenbarung beschreibt die Erfindung detailliert unter Verwendung darstellender Ausführungsbeispiele. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, nicht auf die präzisen beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist.

Claims

Eine mehrpolige Schaltervorrichtung (100) auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit, die folgende Merkmale aufweist: einen Durchgang (112), wobei der Durchgang länglich ist und eine Länge aufweist; einen ersten Hohlraum (114) und einen zweiten Hohlraum (116); zumindest vier Elektroden (131–135), die entlang der Länge des Durchgangs angeordnet sind; Kanäle (141–144), die zahlenmäßig um eins geringer als die Elektroden sind und die sich von dem Durchgang aus erstrecken und entlang der Länge des Durchgangs mit den Elektroden verschachtelt sind, wobei die Kanäle in Reihenfolge von einem Ende des Durchgangs aus nummeriert sind, wobei sich ungeradzahlige Kanäle (141, 143) zu dem ersten Hohlraum erstrecken, wobei sich geradzahlige Kanäle (142) zu dem zweiten Hohlraum erstrecken; ein nicht leitfähiges Fluid (122, 124), das in den Hohlräumen positioniert ist; und eine leitfähige Flüssigkeit (126), die in dem Durchgang positioniert ist.
Die Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der: die Elektroden (131–134) zahlenmäßig nicht mehr als vier betragen und von dem Ende des Durchgangs aus ordinal nummeriert sind; wobei die Schaltervorrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweist: ein elektrisches Dämpfungsglied (16), das zwischen eine erste (131) und eine vierte (134) der Elektroden geschaltet ist, und Signalverbinder (30, 32), die elektrisch mit einer zweiten (132) und einer dritten (133) der Elektroden verbunden sind.
Die Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der: die Elektroden (131–135) zahlenmäßig nicht mehr als fünf betragen und von dem Ende des Durchgangs aus ordinal nummeriert sind; wobei die Schaltervorrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweist: eine Masseverbindung mit einer ersten (131) und einer fünften (135) der Elektroden, eine Signalverbindung eines ersten Typs (66), die elektrisch mit einer dritten (133) der Elektroden verbunden ist, und eine Signalverbindung eines zweiten Typs (76, 78), die elektrisch mit einer zweiten (132) der Elektroden sowie einer vierten (134) der Elektroden verbunden ist.
Die Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Masseverbindung mit der ersten und der fünften Elektrode einen Abschlusswiderstand (56, 58) umfasst.
Die Schaltervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–4, die zusätzlich Einrichtungen (150, 152) zum selektiven Erwärmen des nicht leitfähigen Fluids in jedem der Hohlräume aufweist.
Die Schaltervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–5, die zusätzlich eine Masseebene (182) benachbart zu dem Durchgang und den Elektroden aufweist.
Die Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der Durchgang und die Elektroden strukturiert sind, um zumindest einen Teil einer Übertragungsleitung zu bilden.
Die Schaltervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich eine Verriegelungsstruktur (190) aufweist, die einem der Kanäle zugeordnet ist.
Die Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der jede Verriegelungsstruktur Energiebarrieren (192, 193) umfasst, die freie Oberflächen (197, 198) der leitfähigen Flüssigkeit auseinanderhalten.
Die Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der jede Energiebarriere einen Abschnitt (195) mit hoher Oberflächenenergie an einem der Kanäle und einen Abschnitt (194) mit niedriger Oberflächenenergie zwischen dem einen der Kanäle und einer benachbarten der Elektroden umfasst, wobei eine freie Oberfläche (197) der leitfähigen Flüssigkeit in dem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie eine höhere Oberflächenenergie als bei der niedrigen Oberflächenenergie aufweist.
Die Schaltervorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Elektroden aus einem Material sind, das eine höhere Benetzbarkeit mit Bezug auf die leitfähige Flüssigkeit als der Durchgang aufweist, und den Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie bereitstellen.
Die Schaltervorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der: die Kanäle jeweils eine Länge aufweisen; und die Kanäle zumindest über einen Teil der Länge derselben kleinere Querschnittsabmessungen als der Durchgang aufweisen.