JP2007103363A - ３段液体金属スイッチ - Google Patents

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    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics

Abstract

【課題】３段液体金属スイッチを提供する。
【解決手段】誘電体上のエレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）を使用する、本発明の一実施形態による３段液体金属スイッチは、入力ポート１３０２、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３６、及び第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３８を有する共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０と、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３、第１出力ポート１３０４、及び第１ＥＷＯＤスイッチ出力１３６８を有する第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０と、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３、第２出力ポート１３０６、及び第２ＥＷＯＤスイッチ出力１３９８を有する第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０と、を備え、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３６は、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３に動作可能に接続され、第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３８は、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３に動作可能に接続される。
【選択図】図１３

Description

本発明は、一般に液体金属スイッチに関し、特に、３段液体金属スイッチに関する。
低周波スイッチング用途及び高周波スイッチング用途について、スイッチ及びリレーを作製するための、多くの異なる技術が開発されている。これらの技術の多くは、１つの位置から別の位置へ交互に作動される固体の機械接点に依存して、電気接点を開閉する。残念ながら、固体−固体接触に依存する機械スイッチは、磨耗を受け易く、「フレッチング(fretting)」として知られる状況に陥り易い。フレッチングは、表面上の接触点で起こる侵食のことを言う。接点のフレッチングは、負荷の下で、また、反復した相対的な表面の移動の存在下で起こる可能性がある。フレッチングは、通常、接触面上のピット又は溝として現われ、スイッチ又はリレーの短絡をもたらす場合がある崩壊堆積物の形成を生じる。
スイッチ及びリレー接点に与えられる機械的損傷を最小にするために、スイッチ及びリレーは、可動式機械構造に濡れ性を付与して、固体と固体の接触を防止するために、液体金属を使用して作製されてきた。残念ながら、作動のために可動式機械構造を使用するスイッチ及びリレーは、ミリメートル以下のサイズにスケーリングされるため、作製、信頼性、及び動作における問題が表れ始める。可動式機械構造に濡れ性を付与するために金属液体を使用するマイクロスケール液体金属スイッチ及びリレーを作るために、マイクロマシニング作製(micromachining fabrication)プロセスが存在するが、機械可動部品を使用するデバイスは、非常に複雑であり、したがって、これらの技術を使用して作製したデバイスの生産量が減る。したがって、機械可動部品の無いスイッチがより望まれる場合がある。
高周波スイッチング等の一部の用途では、液体金属スイッチはアイソレーション（絶縁）が低い可能性がある。スイッチの開接点によってアイソレート（絶縁）されていると思われている信号は、開接点にわたって漏れる可能性があり、断続的なエラー及び意図しない結果がもたらされる。確実なアイソレーションの欠如によって、回路の信頼性が無くなる。
上記欠点を克服するであろう３段液体金属スイッチを有することが望ましいであろう。
本発明の一態様は、誘電体上のエレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）を使用する３段液体金属スイッチを提供し、３段液体金属スイッチは、入力ポート、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力、及び第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力を有する共通ＥＷＯＤスイッチと、第１ＥＷＯＤスイッチ入力、第１出力ポート、及び第１ＥＷＯＤスイッチ出力を有する第１ＥＷＯＤスイッチと、第２ＥＷＯＤスイッチ入力、第２出力ポート、及び第２ＥＷＯＤスイッチ出力を有する第２ＥＷＯＤスイッチとを備え、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、第１ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続され、第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、第２ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続される。
本発明の別の態様は、３段液体金属スイッチを提供し、３段液体金属スイッチは、第１液体金属液滴と、第１液体金属液滴を支持する手段と、第１制御信号に応答して、入力ポートを第１の第１スイッチ出力に動作可能に接続する第１の第１スイッチ位置と、入力ポートを第２の第１スイッチ出力に動作可能に接続する第２の第１スイッチ位置との間で第１液体金属液滴を並進させる手段と、第２液体金属液滴と、第２液体金属液滴を支持する手段と、第２制御信号に応答して、第１の第２スイッチ位置と第２の第２スイッチ位置との間で第２液体金属液滴を並進させる手段であって、第１の第２スイッチ位置は、第２スイッチ入力と第１出力ポートを動作可能に接続する、並進させる手段と、第３液体金属液滴と、第３液体金属液滴を支持する手段と、第３制御信号に応答して、第１の第３スイッチ位置と第２の第３スイッチ位置との間で第３液体金属液滴を並進させる手段であって、第１の第３スイッチ位置は、第３スイッチ入力と第２出力ポートを動作可能に接続する、並進させる手段とを備え、第１の第１スイッチ出力は、第２スイッチ入力に動作可能に接続し、第２の第１スイッチ出力は、第３スイッチ入力に動作可能に接続する。
本発明のさらに別の態様は、誘電体上のエレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）を使用する３段液体金属スイッチを提供し、３段液体金属スイッチは、共通ＥＷＯＤスイッチであって、入力ポート、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力、第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴、及び少なくとも一対の共有ＥＷＯＤスイッチ電極を有し、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴は、少なくとも一対の共有ＥＷＯＤスイッチ電極に対する共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号に応答して、入力ポートと第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力を動作可能に接続する第１共有ＥＷＯＤスイッチ位置と、入力ポートと第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力を動作可能に接続する第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である、共通ＥＷＯＤスイッチと、第１ＥＷＯＤスイッチであって、第１ＥＷＯＤスイッチ入力、第１出力ポート、第１ＥＷＯＤスイッチ出力、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴、及び少なくとも一対の第１ＥＷＯＤスイッチ電極を有し、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴は、少なくとも一対の第１ＥＷＯＤスイッチ電極に対する第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号に応答して、第１の第１ＥＷＯＤスイッチ位置と、第２の第１ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である、第１ＥＷＯＤスイッチと、第２ＥＷＯＤスイッチであって、第２ＥＷＯＤスイッチ入力、第２出力ポート、第２ＥＷＯＤスイッチ出力、第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴、及び少なくとも一対の第２ＥＷＯＤスイッチ電極を有し、第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴は、少なくとも一対の第２ＥＷＯＤスイッチ電極に対する第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号に応答して、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ位置と、第２の第２ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である、第２ＥＷＯＤスイッチと、を備え、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、第１ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続し、第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、第２ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続する。
本発明は、以下の図面を参照するとよりよく理解することができる。図面の構成要素は、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、代わりに、本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれる。さらに、図面では、同じ参照符号は、いくつかの図を通して対応する部品を示す。
以下で述べるスイッチ構造は、高速で、信頼性のあるスイッチングを提供することが望ましい任意の用途で使用することができる。無線周波数（ＲＦ）信号のスイッチングとして以下で述べるが、アーキテクチャは、他のスイッチング用途のために使用することができる。
図１Ａは、固体表面上に存在する導電性液体の液滴を含むシステム１００を示す概略図である。液滴１０４は、たとえば、水銀又はガリウム合金であり、固体１０２の表面１０８上に存在する。濡れ性付与角度とも呼ばれる接触角度は、液滴１０４が表面１０８と接するところで形成される。接触角度は、θとして指示され、表面１０８、液体１０４、及び気体１０６が接するポイントで測定される。気体１０６は、この例では、空気、又は液滴１０４の周囲の雰囲気を形成する別の気体であることができる。液滴１０４が、相対的に濡れ性を付与しない、又は濡れ性が少ないと呼ばれる表面１０８に接触する時に、図１Ａに示す大きな接触角度が形成される。濡れ性(wettability：湿潤性)は、一般に、表面１０８の材料と液滴１０４が形成される材料の関数であり、液体の表面張力に特に関連する。
図１Ｂは、異なる接触角度を有する図１Ａのシステム１００を示す概略図１３０である。図１Ｂでは、液滴１３４は、液滴１０４が表面１０８に対するよりも表面１０８に対して濡れ性が大きく、したがって、θ'と呼ぶより小さい接触角度を形成する。図１Ｂに示すように、液滴１３４は、図１Ａの液滴１０４より、平坦であり、低い形状を有する。電位の印加による接触角度の変化として規定される、エレクトロウェッティングの概念は、導電性液体が接触状態にある表面に対して導電性液体が形成する接触角度を電気的に変えることができることによる。一般に、導電性液体と、導電性液体が接触状態にある表面との間の接触角度は、０°〜１８０°の範囲にある。エレクトロウェッティングの別の理論は、対象の液体の質量中心の移動に焦点を当てており、力が、液体の変位に対して、システムのエネルギー（容量性）の変化として規定される。接触角度の変化は、この解析では、直接扱われていない。
図２Ａは、エレクトロウェッティングが、導電性液体の液滴と、液滴が接触する表面との間の接触角度を変えることができる１つの方法を示す概略図２００である。図２Ａでは、導電性液体の液滴２１０は、誘電体２０２と誘電体２０４の間に挟まれる。誘電体は、たとえば、酸化タンタル又は別の誘電体材料であることができる。電極２０６は誘電体２０２内に埋め込まれ、電極２０８は誘電体２０４内に埋め込まれる。電極２０６と２０８は、電圧源２１２に結合される。図２Ａでは、システムは電気的にバイアスがかけられていない。この非バイアス状況下で、液滴２１０は、液滴２１０と接触する誘電体２０４の表面２０５に対して、θ1と呼ぶ接触角度を形成する。同様な接触角度は、液滴２１０と誘電体２０２の表面２０３との間に存在する。
図２Ｂは、電気バイアス下における図２Ａのシステム２００を示す概略図２３０である。電圧源２１２は、電極２０６と２０８にバイアス電圧を供給する。電極２０６と２０８に印加された電圧は、導電性液体の液滴を通って電界を生成し、液滴を移動させる。液滴２４０の移動は、システムの静電容量を増加させ、したがって、システムのエネルギーが増加する。この例では、液滴２４０の接触角度は、液滴２１０の接触角度に対して変えられる。新しい接触角度は、θ2と呼ばれ、電極２０６と２０８と液滴２４０の間で生成する電界の結果である。
液滴を電極からアイソレート（絶縁）し、したがって、液滴が、容量性回路の一部となることを可能にすることが、通常望ましい。図２Ｂに示す電気バイアスの印加は、図２Ａに示す非バイアス状況に比べて、誘電体２０４の表面２０５と誘電体２０２の表面２０３を、液滴２４０に対してより濡れ性があるようにさせる。液滴２４０を形成する液体の表面張力は、エレクトロウェッティング作用に抗するが、電極２０６と２０８の間で電界を生成する結果として接触角度が変わる。以下で述べるように、接触角度の変化は、液滴の曲率を変え、液滴の並進運動をもたらす。
図３Ａは、導電性液体の液滴を使用する電気スイッチ３００の一実施形態を示す概略図である。スイッチ３００は、スイッチの床を形成する表面３０３を有する誘電体３０２と、スイッチの屋根を形成する表面３０５を有する誘電体３０４とを含む。導電性液体の液滴３１０は、誘電体３０２と誘電体３０４の間に挟まれる。誘電体３０２は、電極３０６と電極３１２を含む。誘電体３０４は、電極３０８と電極３１４を含む。電極３０６と電極３１２は誘電体３０２内に埋め込まれ、電極３０８と電極３１４は誘電体３０４内に埋め込まれる。この例では、液滴３１０を電極３１２と３１４の方に移動するよう誘導するために、電極３０６と３０８は、電気リターン経路３１６に結合され、電極３１２と３１４から電気的に絶縁され、電極３１２と３１４は、電圧源３２６に結合される。或いは、液滴３１０を電極３０６と３０８の方に移動するよう誘導するために、電極３１２と３１４は、絶縁された電気リターン経路３１６に結合され、電極３０６と３０８は、電圧源に結合されることができる。
この例では、スイッチ３００は、誘電体３０２の表面３０３上に配置された電気接点３１８、３２２、及び３２４を含む。この例では、接点３１８は、入力と呼ばれ、接点３２２と３２４は、出力と呼ぶことができる。図３Ａに示すように、液滴３１０は、入力接点３１８と出力接点３２２と電気接触している。さらに、この例では、液滴３１０は、入力接点３１８に常に接触していることになる。
断面として図３Ａに示すように、液滴３１０は、第１半径ｒ1と第２半径ｒ2を含む。電気的にバイアスされない、すなわち、電圧源３２６によって供給されるゼロ電圧が存在する時、半径ｒ1の曲率は、半径ｒ2の曲率と等しく、液滴は静止する。液滴の曲率半径ｒは、
ｒ＝ｄ／（ｃｏｓθtop＋ｃｏｓθbottom） （式１）
として規定される。ここで、ｄは、誘電体３０２の表面３０３と誘電体３０４の表面３０５の間の距離であり、θtopは、液滴３１０と表面３０５の間の接触角度であり、θbottomは、液滴３１０と表面３０３の間の接触角度である。したがって、図３Ａに示すように、液滴３１０は、曲率が反対方向である半径ｒ1が半径ｒ2に等しいことによって静止する。電圧源３２６によって電位が印加されると、液滴３１０と表面３０３と３０５の間の新しい接触角度が規定される。以下の式は、新しい接触角度を規定する。
ｃｏｓθ（Ｖ）＝ｃｏｓθ0＋εＶ2／（２γｔ） （式２）
式２は、ヤング−リップマン(Ｙｏｕｎｇ−Ｌｉｐｐｍａｎｎ)の式と呼ばれ、新しい接触角度θ（Ｖ）は、印加電圧の関数として求められる。式２では、θ0は、電圧が印加されていない場合の一定角度であり、εは、誘電体３０２と３０４の誘電率であり、γは、液体の表面張力であり、ｔは、誘電体厚さであり、Ｖは、導電性液体に対して電極に印加された電圧である。したがって、表面３０３と３０５に対する液滴３１０の接触角度を変えるために、電極３１４と３１２に電圧が印加され、したがって、ｒ1がｒ2に等しくなくなるように、液滴３１０の形状が変わる。ｒ1がｒ2に等しくなくなる場合、液滴３１０に関する圧力Ｐは、以下の式に従って変わる。
Ｐ＝γ（１／ｒ1＋１／ｒ2） （式３）
図３Ｂは、エレクトロウェッティングによる接触角度の減少によって引き起こされる液滴３１０の圧力変化の結果として導電性液体の液滴に与えられる移動を示す概略図である。電圧源３２６によって電極３１４と３１２に電圧が印加されると、図３Ａの表面３０３と３０５に対する液滴３１０の接触角度が、ｒ1がｒ2に等しくなくなるように減少する。半径ｒ1とｒ2が異なる時、圧力差が、液滴にわたって誘導され、したがって、液滴が、表面３０３と３０５にわたって並進する。
図３Ｃは、電圧印加後の図３Ａのスイッチ３００を示す概略図３３０である。図３Ｃに示すように、液滴３１０は、移動しており、今や入力接点３１８と出力接点３２４を電気的に接続する。こうして、エレクトロウェッティングは、導電性液体の並進運動を誘導するのに使用され、また、電子信号を切り換えるのに使用することができる。
図４Ａは、本発明の第１の実施形態による、スイッチの断面を示す概略図である。スイッチ４００では、一方の表面のみに接触する導電性液体の液滴４１０は、「付着(sessile)」液滴と呼ばれる。付着液滴４１０は、誘電体４０２の表面４１６上に載っている。誘電体は、たとえば、酸化タンタルであることができ、液滴４１０は、水銀、ガリウム合金、又は別の導電性液体であることができる。この実施形態では、無線周波数入力（ＲＦｉｎ）接点と呼ばれる入力接点４１２及び出力接点４０８（ＲＦｏｕｔ）が、誘電体４０２の表面４１６上に形成される。液滴４１０は、入力接点４１２と電気接触している。誘電体４０２の表面４１６はまた、表面４１６に対して液滴４１０によって形成される接触角度に影響を及ぼす１つ又は複数の特徴部によって少なくとも部分的に覆われる。表面４１６に対して液滴４１０によって形成される接触角度に影響を及ぼす特徴部の例は、表面４１６を覆う材料のタイプ、濡れ性を付与しない(non-wetting)表面の上に形成される濡れ性付与材料のパターニング、及び表面４１６の所定の部分の濡れ性を変えるマイクロテクスチャリング等を含む。これらの特徴部は以下で述べられるであろう。
誘電体４０２はまた、電圧源４１４に結合した電極４０４と電極４０６を含む。電極４０４と４０６は、誘電体４０２内に埋め込まれる。電圧バイアスが無い状態で、液滴４１０は、上述したように、表面４１６と液滴４１０の間の接触角度を制御することによって決めることができる予め決めた形状に一致する。液滴４１０が、電極４０４と４０６の上に位置する間、「上に」という用語は、液滴４１０と電極４０４と４０６の間の、空間的に不変の相対的な関係を記述することが意図されることは理解すべきである。さらに、液滴４１０は、電極４０４と４０６に近接して位置するため、スイッチ４００が反転した場合、液滴４１０は、示すように、依然として電極４０４と４０６に近接していることになる。さらに、以下に続く実施形態における液滴と電極の間の関係は、同様に、空間的に不変である。
図４Ｂは、電気バイアス下における図４Ａのスイッチ４００を示す概略図である。図４Ｂでは、電気バイアスは、電圧源４１４によって電極４０４と４０６に印加される。電気バイアスは、液滴４１０を通過する電界を確立し、したがって、液滴４１０が、図４Ｂに示すように変形する。印加されたバイアスは、液滴４１０と表面４１６の間の接触角度を変え、したがって、液滴が、平坦になり、接点４１２と４０８の両方に重なる。こうして、入力接点４１２と出力接点４０８の間の電気接点を開閉するのに、液滴４１０のエレクトロウェッティングを使用する単純なスイッチが形成される。
電気バイアスが、電極４０４と４０６に印加されると、液滴は、電極４０４と４０６の間の容量性回路を完成し、誘電体が一定の厚さである場合、印加された電圧は、均一に分布し、したがって、電極４０４と４０６の両方の上で、液滴４１０の接触角度の同じ変化を生じる。この例では、バイアスが除去されると、液滴４１０は、図４Ａに示すように、元の状態に戻り、出力電極４０８に関する接点を開くであろう。図４Ａ及び図４Ｂに示す実施形態は、「非ラッチ動作」スイッチと呼ばれ、バイアス電圧が除去されると、液滴が元の状態に戻り、したがって、入力接点４１２と出力接点４０８の間の電気接点を開く。
図４Ｃは、図４Ａと図４Ｂに示すスイッチを示す平面図４６０である。無電気バイアス下の液滴４１０は、入力接点４１２にだけ接触しているのが示されるが、電気バイアス下にある液滴４４０は、入力接点４１２と出力接点４０８に接触するのが示される。
図４Ｄは、液滴に対する表面の濡れ性を変える特徴部を含む誘電体４０２の表面４１６を示す平面図４８０である。この例では、誘電体４０２の表面４１６は、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）であり、液滴４１０と表面４１６の間の初期接触角度を変えるために、二酸化シリコンに対して、濡れ性付与材料４８２のストリップが塗布されており、したがって、液滴４１０について中間接触角度が形成される。この例では、濡れ性付与材料４８２は金（Ａｕ）である。或いは、金以外の濡れ性付与材料を塗布することができ、表面４１６と液滴４１０の間の他の接触角度が形成される。さらに、表面４１６と液滴４１０の間の接触角度を変えるために、表面４１６における小さなトレンチの形成であるマイクロテクスチャリングもまた、塗布することができる。こうして、初期接触角度を、表面４１６と液滴４１０の間で確立することができる。初期接触角度を規定することによって、電気バイアスの印加による接触角度の変化を、精密に制御することができ、それによって、スイッチング機能に対する制御が可能になる。
図５Ａは、本発明によるスイッチの第２の実施形態５００を示す平面図である。図５Ａは、誘電体５０２の表面５０４上に存在する付着液滴５１０を含むスイッチ５００を示す。電極５０６、５０８、５１２、及び５１４は、誘電体５０２の表面５０４の下に形成される。液滴５１０は、入力接点５１８と出力接点５２２と接触した状態の第１の位置５１０ａにあるのが示され、入力接点５１８と出力接点５２４と接触した状態の第２の位置５１０ｂにあるのが示される。
電極５０８は、接続部５３２を介して、電気リターン経路５１６に結合し、電極５０６は、接続部５３６を介して、電気リターン経路５１６に結合する。電極５１２と５１４は、接続部５３８と５３４を介して、電圧源５２６に結合し、電極５０６と５０８から電気的に絶縁される。この実施形態では、電気バイアスされると、電気接続部は、液滴が、電極５１２と５１４の方へ移動するように誘導するであろう。或いは、液滴が電極５０６と５０８の方へ移動するように誘導するために、電極５１２と５１４を、電気リターン経路５１６に結合することができ、電極５０６と５０８を、電圧源に結合することができる。
バイアス電圧を印加すると、付着液滴５１０は、５１０ａとして示す位置から５１０ｂとして示す位置へ並進するであろう。この実施形態は、「ラッチ動作」の実施形態と呼ばれ、液滴５１０の位置は、液滴が並進するようにバイアス電圧が印加されるまで、一定のままである。この例では、電極５１２と５１４及び電極５０６と５０８に印加される電圧を制御することによって、液滴５１０は、スイッチング機能を提供するように切り換えられる。電気バイアスが印加されない状態で、液滴５１０は、液滴と表面５０４の間の初期接触角度を調整することによって、５１０ａとして輪郭線で示す、特定のエリアに限定される。液滴５１０の材料と表面５０４上に塗布される材料を選択して、液滴５１０と表面５０４の間の濡れ性を規定することによって、液滴５１０のラッチ動作を確実にする初期接触角度を調整することが可能である。
図５Ｂは、図５Ａのスイッチ５００を示す断面図である。スイッチ５００は、誘電体５０２の表面５０４上に載っている液滴５１０を含む。電極５１２と５１４に対して電圧源５２６によって印加されるバイアス電圧に応じて、液滴５１０は、位置５１０ａと５１０ｂの間で並進し、したがって、信号を、入力接点５１８から出力接点５２２か出力接点５２４のいずれかに切り換える。
図６Ａは、図５Ａに示すスイッチ５００の代替の一実施形態６００である。図６Ａでは、電極６０６と６１２は、交互配置された接点を含み、電極６０８と６１４は、交互配置された接点を含み、これらを一まとめにして６２０と呼ぶ。電圧源６２６からのバイアス電圧の印加によって、液滴６１０が、位置６１０ａから位置６１０ｂへ並進し、したがって、入力接点６１８に印加される入力信号が、液滴６１０の位置に応じて、出力接点６２２か、出力接点６２４のいずれかに送られる。
図６Ｂは、図６Ａのスイッチ６００を示す断面図である。電極６１２と６１４及び電極６０６と６０８に印加される電圧を制御することによって、液滴６１０は、位置６１０ａと６１０ｂの間で並進し、したがって、入力接点６１８に印加される入力信号が、液滴６１０の位置に応じて、出力接点６２２か、出力接点６２４のいずれかに送られる。
図７は、本発明によるスイッチ７００のさらなる代替の実施形態を示す概略図である。スイッチ７００は、「完全に束縛された(fully constrained)」構成と呼ばれるものを示し、液滴７１０は、表面７０３を有する誘電体７０２と、表面７０５を有する誘電体７０４と、誘電体７０２と誘電体７０４との間のマイクロ流体境界７２０の間に束縛される。マイクロ流体境界は、液滴７１０を収容する空洞を形成する。マイクロ流体境界７２０は、図７において、別個の要素として示されるが、マイクロ流体境界７２０は、誘電体７０４及び／又は誘電体７０２を含む構造内に組み込まれてもよい。
誘電体７０２は、図５Ａ、図５Ｂ、又は図６Ａ及び図６Ｂに示す電極配置と同じ電極配置を含む。しかしながら、電極７０６と７１２のみが図７に示される。
電圧源７２６から印加されるバイアス電圧によって、液滴７１０が、位置７１０ａと７１０ｂの間で並進し、したがって、スイッチング機能が生成される。この実施形態では、バイアス電圧が印加されると、液滴７１０と表面７０３の間の接触角度が変わることになり、表面７０３と７０５にわたる液滴の並進がもたらされる。
図８は、図７に示すスイッチ７００の代替の一実施形態を示す概略図８００である。図８では、誘電体８０４は、電極８０８と８１４を含む。電極８０８と８１４は、図５Ａと図５Ｂに述べるように配置することができるか、又は、図６Ａと図６Ｂで先に述べたように交互配置することができる。表面８０３、表面８０５、及びマイクロ流体境界８２０は、液滴を束縛する空洞を形成するため、液滴は、電圧源８２６からバイアス電圧を印加されると、位置８１０ａと８１０ｂの間で並進する。この実施形態では、バイアス電圧を印加すると、液滴８１０と表面８０３と８０５の間の接触角度が変わることになり、表面８０３と８０５の間の液滴の並進がもたらされる。
図９は、本明細書で述べるスイッチのうちの任意のスイッチに適用することができる表面テクスチャリングを示す概略図９００である。図９に述べる表面テクスチャリングは、液滴と液滴が接触している表面の間の初期接触角度を変えるために、上述したスイッチの実施形態のうちの任意の実施形態に適用することができる。誘電体９０２は、ほぼ示すように塗布された濡れ性を付与しないパターン９０４を含み、したがって、液滴がその上に存在することになる濡れ性付与パターン９０６が残る。さらに、濡れ性付与パターン９０６は、濡れ性を付与しない部分９１２を含むようにさらに規定して、液滴と液滴が接触している表面の間の初期接触角度を精密に調整することができる。こうして、初期接触角度は、特定の用途に合うように調整されることができる。
図１０は、上述したスイッチの下方表面又は床を形成してもよい例示的な誘電体基板を示す概略図１０００である。この例では、シリコン基板１００２は、床を形成する表面１００４上で、全体を１００６で示すロケーションとして示される金属薄膜材料のパターニングを含む。この例では、金属膜上に塗布されることになる誘電体膜は、明確にするために省略される。液滴のおよそのロケーションが１０１０で示される。入力接点は１０１２で示され、出力接点は１０１４と１０１６で示される。
図１１は、図７、図８、又は図９のスイッチの屋根及びマイクロ流体室を形成するキャップ１１０２を示す斜視図１１００である。この例では、キャップ１１０２は、たとえば、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）等のガラス材料から作製することができ、その下側１１０４が図１１に示される。キャップ１１０２は、上述したマイクロ流体境界を形成する、屋根部分１１２０と壁部分１１２５を含む。１１０６で示す金属薄膜の部分は、キャップ１１０２を図１０に示す基板１００２に接合することができるように、図１０の部分１００６と少なくとも部分的に対応するように、表面１１０４に選択的に塗布することができる。たとえば、図１０の金属薄膜１００６が図１１の金属薄膜１１０６に接触する場所では、熱と圧力を使用した熱圧縮接合を達成することができ、したがって、液滴をカプセル化することができる構造が形成される。或いは、基板１００２（図１０）をキャップ１１０２に接合するのに、陽極接合を使用することができる。こうして、上述した液滴が、その中に存在する可能性があるマイクロ流体室が形成されることができる。電極は、屋根部分１１２０内に埋め込まれるか、塗布されてもよい。
キャップ１１０２の壁１１２５はまた、スイッチの濡れ性付与能力及びラッチ動作能力を変える１つ又は複数の特徴部を含むことができる。こうした特徴部は、１１３０で示され、たとえば、基準リザーバ（reference reservoir）（図示せず）に出口を与えるであろう開口であることができる。開口１１３０が十分に小さい時、液体金属は、壁が比較的濡れ性を与えない場合には、開口を通って逃げる(wick through)ことなく、屋根部分１１２０、壁１１２５、及び床表面１００４（図１０）によって形成される室内に残ったままになることになる。液滴と壁１１２５の付着エネルギーは、開口１１３０によって減ることになる。付着エネルギーを制御するために、開口１１３０を選択的に規定することによって、スイッチのラッチ動作強度を制御することができる。キャップ１１０２はまた、導電性液体がそこを通して導入される充填ポート１１１４及び排出ポート１１０８と１１１２を含む。
図１２は、本発明の一実施形態に従ってスイッチを形成する方法を記述するフローチャート１２００である。ブロック１２０２にて、埋め込み式電極を含む基板が設けられる。ブロック１２０４にて、導電性液体の液滴が、基板上に設けられる。ブロック１２０６にて、導電性液体の液滴を含む電気回路を生成するように構成された電源が設けられる。ブロック１２０８にて、特徴部が基板上に形成される。特徴部は、表面と液滴の間の初期接触角度を決める。
図１３は、誘電体上のエレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）を使用する３段液体金属スイッチ用の回路を示す概略図である。３段液体金属スイッチ１３００は、共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０、及び第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０を含む。３段液体金属スイッチ１３００への接続部は、信号を受け取るために共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０に動作可能に取り付けられた入力ポート１３０２、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０に動作可能に取り付けられた第１出力ポート１３０４、及び第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０に動作可能に取り付けられた第２出力ポート１３０６を含む。３段液体金属スイッチ１３００は、入力ポート１３０２と出力（第１出力ポート１３０４及び／又は第２出力ポート１３０６）の間の複数の接点アイソレーション（接点絶縁）を提供することができる。
例示的なＥＷＯＤスイッチはそれぞれ、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチとして、１つの入力と２つの出力を有する。共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０は、入力ポート１３０２、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３６、及び第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３８を有する。第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０は、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３、第１出力ポート１３０４、及び第１ＥＷＯＤスイッチ出力１３６８を有する。第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０は、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３、第２出力ポート１３０６、及び第２ＥＷＯＤスイッチ出力１３９８を有する。第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３６は、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３に動作可能に接続され、第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３８は、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３に動作可能に接続される。一実施形態では、第１ＥＷＯＤスイッチ出力１３６８及び／又は第２ＥＷＯＤスイッチ出力１３９８は、５０オーム抵抗１３６６又は５０オーム抵抗１３９６を通して等で、コモン（共通電位）に動作可能に接続される。当業者は、抵抗が入力及び／又は出力伝送線とのインピーダンス整合を提供することができ、伝送線を終端させ、絶縁することを理解するであろう。
共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０は、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３６に動作可能に接続された第１接点１３１２、入力ポート１３０２に動作可能に接続された共有接点１３１４、及び第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３８に動作可能に接続された第２接点１３１６を有する誘電体表面１３１１を含む。共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８は、誘電体表面１３１１上に配設され、第１共有ＥＷＯＤスイッチ位置と第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である。図１３の例は、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８が第１共有ＥＷＯＤスイッチ位置にある状態を示す。第１共有ＥＷＯＤスイッチ位置において、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８は、第１接点１３１２と共有接点１３１４を動作可能に接続し、入力ポート１３０２と第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３６を動作可能に接続する。第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置において、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８は、共有接点１３１４と第２接点１３１６を動作可能に接続し、入力ポート１３０２と第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３８を動作可能に接続する。
共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０はまた、共有ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３２２ａ、１３２２ｂに動作可能に接続された共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３２０ａ、１３２０ｂ、及び、共有ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３２６ａ、１３２６ｂに動作可能に接続された共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３２４ａ、１３２４ｂを含む。共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３２０ａ、１３２０ｂ及び共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３２４ａ、１３２４ｂは、図示を明確にするために、誘電体表面１３１１の外側に示される。共通ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３２０ａ、１３２０ｂは、共有ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３２２ａ、１３２２ｂを通して供給される第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１に応答する。共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３２４ａ、１３２４ｂは、共有ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３２６ａ、１３２６ｂを通して供給される第２共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２５に応答する。電極の対のそれぞれにわたって電圧を印加することは、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８の幾何形状を変えて、液滴を、第１共有ＥＷＯＤスイッチ位置と第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置との間で並進させる。一実施形態では、第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１等のスイッチ制御信号は、単一電圧制御信号、すなわち、共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ａ及び共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ｂに印加されるＶ＋及びＶ＋のような、同じ電圧である。共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８は、入力ポート１３０２に動作可能に接続された共有接点１３１４を通して共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８を接地することによって等で、共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ａ、１３２２ｂと異なる電圧に保持される。これは、ＥＷＯＤ作用に必要とされる電圧差を維持する。一実施形態では、第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１等のスイッチ制御信号は、デュアル電圧制御信号、たとえば、共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ａ及び共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ｂに印加されるＶ＋及びＶ−のような、異なる電圧である。共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８の電圧は、デュアル電圧制御信号がＥＷＯＤ作用に必要とされる共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ａと共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ｂとの電圧差を維持するため、浮遊することが許容される。
第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０は、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３に動作可能に接続された第１接点１３４２、第１出力ポート１３０４に動作可能に接続された共有接点１３４４、及び第１ＥＷＯＤスイッチ出力１３６８に動作可能に接続される第２接点１３４６を有する誘電体表面１３４１を含む。第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８は、誘電体表面１３４１上に配設され、第１の第１ＥＷＯＤスイッチ位置と第２の第１ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である。図１３の例は、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８が第1の第１ＥＷＯＤスイッチ位置にある状態を示す。この例の第1の第１ＥＷＯＤスイッチ位置において、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８は、第１接点１３４２と共有接点１３４４を動作可能に接続し、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３と第１出力ポート１３０４を動作可能に接続する。この例の第２の第１ＥＷＯＤスイッチ位置において、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８は、共有接点１３４４と第２接点１３４６を動作可能に接続し、第１出力ポート１３０４と第１ＥＷＯＤスイッチ出力１３６８を動作可能に接続する。
第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０はまた、第１ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３５２ａ、１３５２ｂに動作可能に接続された第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３５０ａ、１３５０ｂ、及び、第１ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３５６ａ、１３５６ｂに動作可能に接続された第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３５４ａ、１３５４ｂを含む。第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３５０ａ、１３５０ｂ及び第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３５４ａ、１３５４ｂは、図示を明確にするために、誘電体表面１３４１の外側に示される。第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３５０ａ、１３５０ｂは、第１ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３５２ａ、１３５２ｂを通して供給される第１の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５１に応答する。第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３５４ａ、１３５４ｂは、第１ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３５６ａ、１３５６ｂを通して供給される第２の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５５に応答する。電極の対のそれぞれにわたって電圧を印加することは、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８の幾何形状を変えて、液滴を、第１の第１ＥＷＯＤスイッチ位置と第２の第１ＥＷＯＤスイッチ位置との間で並進させる。一実施形態では、第１の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５１等のスイッチ制御信号は、単一電圧制御信号、すなわち、第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ａ及び第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ｂに印加されるＶ＋及びＶ＋等の、同じ電圧である。第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８は、第１出力ポート１３０４に動作可能に接続された共有接点１３４４を通して第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８を接地することによって等で、第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ａ、１３５２ｂと異なる電圧に保持される。これは、ＥＷＯＤ作用に必要とされる電圧差を維持する。一実施形態では、第１の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５１等のスイッチ制御信号は、デュアル電圧制御信号、たとえば、第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ａ及び第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ｂに印加されるＶ＋及びＶ−等の、異なる電圧である。第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８の電圧は、デュアル電圧制御信号がＥＷＯＤ作用に必要とされる第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ａと第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ｂとの電圧差を維持するため、浮遊することが許容される。
第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０は、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３に動作可能に接続された第１接点１３７２、第２出力ポート１３０６に動作可能に接続された共有接点１３７４、及び第２ＥＷＯＤスイッチ出力１３９８に動作可能に接続される第２接点１３７６を有する誘電体表面１３７１を含む。第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８は、誘電体表面１３７１上に配設され、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ位置と第２の第２ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である。図１３の例は、第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８が第２の第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置にある状態を示す。この例の第２の第２ＥＷＯＤスイッチ位置において、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８は、共有接点１３７４と第２接点１３７６を動作可能に接続し、第２出力ポート１３０６と第２ＥＷＯＤスイッチ出力１３９８を動作可能に接続する。この例の第１の第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置において、第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８は、第１接点１３７２と共有接点１３７４を動作可能に接続し、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３と第２出力ポート１３０６を動作可能に接続する。
第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０はまた、第２ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３８２ａ、１３８２ｂに動作可能に接続された第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３８０ａ、１３８０ｂ、及び、第２ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３８６ａ、１３８６ｂに動作可能に接続された第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３８４ａ、１３８４ｂを含む。第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３８０ａ、１３８０ｂ及び第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３８４ａ、１３８４ｂは、図示を明確にするために、誘電体表面１３７１の外側に示される。第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３８０ａ、１３８０ｂは、第２ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３８２ａ、１３８２ｂを通して供給される第１の第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３８１に応答する。第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対１３８４ａ、１３８４ｂは、第２ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３８６ａ、１３８６ｂを通して供給される第２の第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３８５に応答する。電極の対のそれぞれにわたって電圧を印加することは、第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８の幾何形状を変えて、液滴を、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ位置と第２の第２ＥＷＯＤスイッチ位置との間で並進させる。一実施形態では、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３８１等のスイッチ制御信号は、単一電圧制御信号、すなわち、第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８２ａ及び第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８２ｂに印加されるＶ＋及びＶ＋等の、同じ電圧である。第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８は、第２出力ポート１３０６に動作可能に接続された共有接点１３７４を通して第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８を接地することによって等で、第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８２ａ、１３８２ｂと異なる電圧に保持される。これは、ＥＷＯＤ作用に必要とされる電圧差を維持する。一実施形態では、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３８１等のスイッチ制御信号は、デュアル電圧制御信号、たとえば、第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８２ａ及び第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８２ｂに印加されるＶ＋及びＶ−等の、異なる電圧である。第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８の電圧は、デュアル電圧制御信号がＥＷＯＤ作用に必要とされる第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８２ａと第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８２ｂとの電圧差を維持するため、浮遊することが許容される。
動作時、３段液体金属スイッチ１３００は、入力ポート１３０２を第１出力ポート１３０４及び第２出力ポート１３０６のうちの一方に接続することができ、一方、接続されていない、第１出力ポート１３０４及び第２出力ポート１３０６のうちの他方に対して２つの開接点のアイソレーションを提供する。デュアル電圧の第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１として、共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ａと１３２２ｂの電圧差を、デュアル電圧の第１の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５１として第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ａと１３５２ｂの電圧差を供給することによって、入力ポート１３０２を、第１出力ポート１３０４に接続することができる。デュアル電圧の第２の第２ＥＷＯＤ制御信号１３８５として第２ＥＷＯＤスイッチ端子１３８６ａと１３８６ｂの電圧差を供給することは、共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０に１つ、第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０に１つある、入力ポート１３０２と第２出力ポート１３０６の間の２つの開接点アイソレーションを生じる。第１の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５１としての電圧差を除去し、デュアル電圧の第２の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５５として、第１ＥＷＯＤスイッチ端子１３５２ａと１３５２ｂの電圧差を供給することは、同様に、入力ポート１３０２を絶縁することができる。２つの開接点アイソレーションは、入力ポート１３０２と第２出力ポート１３０６の間で維持され、１つの接点アイソレーションは、入力ポート１３０２と第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０の第１出力ポート１３０４との間に設けられる。
共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ａ、１３２２ｂの第１の対に供給される第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１等の、スイッチ端子の対に供給されるスイッチ制御信号は、単一電圧制御信号又はデュアル電圧制御信号であることができる。本明細書で規定されるように、単一電圧制御信号は、スイッチ端子の対の両方に同じ電圧を印加し、デュアル電圧制御信号は、異なる電圧、すなわち、スイッチ端子の対にわたる差電圧を印加する。液体金属液滴が、液体金属液滴と誘電体表面の間の接触角度に対する差電圧の作用によって並進するか、又は、差電圧からの電磁界の電気力学によって並進するかについては、一部議論があるが、液体金属液滴は、制御信号が印加されると実際に並進する。共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０についての１つの例では、共有ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３２２ａ、１３２２ｂに、第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１としてデュアル電圧制御信号を印加することは、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８を共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３２０ａ、１３２０ｂの方に並進させる。共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０についての別の例では、共有ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３２２ａ、１３２２ｂに、第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１として正電圧を有する単一電圧制御信号を印加し、共有接点１３１４をコモンに接続することは、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８を共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対１３２０ａ、１３２０ｂの方に並進させる。単一及び／又はデュアル電圧制御信号は、特定の用途について所望されるように、３段液体金属スイッチ１３００全体を通して種々の組み合わせで使用することができる。
特定の用途について所望されるように、スイッチ位置及びポート接続の種々の組み合わせが可能であることを、当業者は理解するであろう。別の実施形態では、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３は、共有接点１３４４に動作可能に接続され、第１出力ポート１３０４は、第１接点１３４２に動作可能に接続される。別の実施形態では、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３は、共有接点１３７４に動作可能に接続され、第２出力ポート１３０６は、第１接点１３７２に動作可能に接続される。付加的な３段液体金属スイッチ又は付加的なＥＷＯＤスイッチへの入力として、出力ポートを接続することによって、付加的なアイソレーション層を設けることができる。
共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０、及び第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０は全て、１つのＥＷＯＤスイッチのタイプであることができるか、ＥＷＯＤスイッチタイプの混合物であることができる。ＥＷＯＤスイッチは、図３Ａ〜３Ｃに示す２層ＥＷＯＤスイッチ、図５Ａ及び図５Ｂに示す単層ＥＷＯＤスイッチ、図６Ａ、図６Ｂ、図７、及び図８等に示す交互配置式ＥＷＯＤスイッチ等であることができる。
共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０、及び第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０は、それぞれの誘電体表面１３１１、１３４１、及び１３７１に濡れ性特徴部を含むことができる。濡れ性特徴部の例は、表面材料、濡れ性を持たない表面上に形成された濡れ性付与材料、マイクロテクスチャリング等を含む。共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０、及び第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０は、所望であれば、単一誘電体上に配設することができる。
共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０、及び／又は第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０は、所望であれば、ラッチ動作又は非ラッチ動作であることができる。ラッチ動作構成では、液体金属液滴を並進させる電極対に対する制御信号としての電圧が除去されると、液体金属液滴は、所定位置にあるままである。液体金属液滴をその位置から並進させる電圧が印加されるまで、液体金属液滴は、その位置にあるままである。非ラッチ動作構成では、液体金属液滴を並進させる電極対に対する制御信号としての電圧が除去されると、液体金属液滴は、中心位置又は中性位置等の所定の位置に存在する。ラッチ動作又は非ラッチ動作構成は、表面材料特性、表面トポロジー等のような誘電体表面の性質によって決めることができる。
同じ要素が同じ参照符号を図１３と共有する図１４は、本発明による３段液体金属スイッチの一実施形態を示す平面図である。３段液体金属スイッチ１３００は、共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０、及び第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０を含む。ＥＷＯＤスイッチのそれぞれについて、液体金属液滴（図示せず）は、それぞれの誘電体表面１３４１、１３１１、及び１３７１上に配設される。コモン１３９９は、それぞれ、抵抗１３６６及び抵抗１３９６を通しての、第１ＥＷＯＤスイッチ出力１３６８及び第２ＥＷＯＤスイッチ出力１３９８の接続のために設けられる。
同じ要素が同じ参照符号を図１３と共有する図１５は、図１４の液体金属スイッチの１つの電極層を示す平面図である。共有ＥＷＯＤスイッチ１３１０の電極層１３１９は、例として設けられる。第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０と第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０の電極層は、通常、同様であるが、異なるタイプのＥＷＯＤスイッチが使用される場合には、異なる可能性がある。電極層１３１９は、誘電体表面（図示せず）の下に配設され、第１電極対１３２０ａ、１３２０ｂは、第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１に動作可能に接続され、第２電極対１３２４ａ、１３２４ｂは、第２共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２５に動作可能に接続される。制御信号と電極の接続は、所望であれば、電極層１３１９の下のバイア（via：ビア）によって行うことができる。図１５の例では、共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２２ｂを共有ＥＷＯＤスイッチ電極１３２０ｂに、また、共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２６ｂを共有ＥＷＯＤスイッチ電極１３２４ｂに接続するバイアは、電極層１３１９の下にあるものとして示されない。第１接点１３１２、共有接点１３１４、及び第２接点１３１６は、電極層１３１９と同じ層内に形成することができる。
同じ要素が同じ参照符号を図１３と共有する図１６Ａ及び図１６Ｂは、それぞれ、第１と第２のスイッチング位置にある３段液体金属スイッチを示す概略図である。第１スイッチング位置では、３段液体金属スイッチ１３００は、入力ポート１３０２を第２出力ポート１３０６に接続し、第１出力ポート１３０４は絶縁される。第２スイッチング位置では、３段液体金属スイッチ１３００は、入力ポート１３０２を第１出力ポート１３０４に接続し、第２出力ポート１３０６は絶縁される。
図１６Ａを参照すると、誘電体表面１３１１上に配設された共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０の共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８は、第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置にある。第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置では、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８は、液体金属液滴１３１８の下の共有接点（図示せず）と第２接点１３１６を動作可能に接続し、入力ポート１３０２と第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３８を動作可能に接続する。誘電体表面１３７１上に配設された第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０の第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８は、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ位置にある。第１の第２ＥＷＯＤスイッチ位置では、第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８は、第１接点１３７２と液体金属液滴１３７８の下の共有接点（図示せず）を動作可能に接続し、第２ＥＷＯＤスイッチ入力１３７３と第２出力ポート１３０６を動作可能に接続する。
第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０の第１出力ポート１３０４は、２つの開接点、すなわち、第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０の第１接点１３４２と共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０の第１接点１３１２によって、終端され、絶縁される。誘電体表面１３４１上に配設された第１ＥＷＯＤスイッチ１３４０の第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８は、第２の第１ＥＷＯＤスイッチ位置にある。第２の第１ＥＷＯＤスイッチ位置では、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８は、第２接点１３４６と液体金属液滴１３４８の下の共有接点（図示せず）を動作可能に接続し、第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３６８と第１出力ポート１３０４を動作可能に接続する。
第２出力ポート１３０６から第１出力ポート１３０４に入力ポート１３０２の接続を変え、第１出力ポート１３０４から第２出力ポート１３０６にアイソレーションを変えるために、液体金属液滴の位置は、図１６Ａ及び図１６Ｂの例の間で切り換わる。一実施形態では、ＥＷＯＤスイッチは、ラッチ動作するため、液体金属液滴は、関連する電極対に対する制御信号としての電圧が無い状態で、所定位置にあるままである。別の実施形態では、ＥＷＯＤスイッチは、非ラッチ動作するため、電圧差が、ＥＷＯＤスイッチ用の一対の端子から除去され、ＥＷＯＤスイッチ用の他の端子対に印加される。非ラッチ動作スイッチとしてＥＷＯＤスイッチを有する図１６Ａ及び図１６Ｂの例では、デュアル電圧制御信号は、第２の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５５として、第１ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３５６ａ、１３５６ｂにわたる電圧差、第２共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２５として、共有ＥＷＯＤスイッチ端子１３２６ａ、１３２６ｂの第２の対にわたる電圧差、及び、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３８１として、第２ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３８２ａ、１３８２ｂにわたる電圧差によって、図１６Ａにおいて印加される。第１の第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３５１として、第１ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３５２ａ、１３５２ｂにわたる電圧差、第１共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３２１として、共有ＥＷＯＤスイッチ端子の第１の対１３２２ａ、１３２２ｂにわたる電圧差、及び、第２の第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号１３８５として、第２ＥＷＯＤスイッチ端子の第２の対１３８６ａ、１３８６ｂにわたる電圧差として、デュアル電圧制御信号を印加することによって、液体金属液滴が、図１６Ｂの例の切り換え位置に並進する。所望されるスイッチ構成を達成するために、デュアル電圧制御信号としての電圧差を、種々の組み合わせで、３段液体金属スイッチ１３００に印加することができることを、当業者は理解するであろう。別の実施形態では、制御信号の１つ又は複数は、単一電圧制御信号であり、スイッチ端子の対の両方と、共有接点に動作可能に接続された入力又は出力ポートとの間に印加される電圧差であることができる。
図１６Ｂを参照すると、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３１８は、第１共有ＥＷＯＤスイッチ位置にあり、第１接点１３１２と液体金属液滴１３１８の下の共有接点（図示せず）を動作可能に接続して、入力ポート１３０２と第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力１３３６を動作可能に接続する。第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３４８は、第１の第１ＥＷＯＤスイッチ位置にあり、液体金属液滴１３４８の下の共有接点（図示せず）と第１接点１３４２を動作可能に接続して、第１出力ポート１３０４と第１ＥＷＯＤスイッチ入力１３４３を動作可能に接続する。第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０の第２出力ポート１３０６は、２つの開接点、すなわち、第２ＥＷＯＤスイッチ１３７０の第１接点１３７２と共通ＥＷＯＤスイッチ１３１０の第２接点１３１６によって終端され、絶縁される。第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴１３７８は、第２の第２ＥＷＯＤスイッチ位置にあり、液体金属液滴１３７８の下の共有接点（図示せず）と第２接点１３７６を動作可能に接続して、第２出力ポート１３０６と第２ＥＷＯＤスイッチ出力１３９８を動作可能に接続する。
本開示は、具体的に示す実施形態を使用して、本発明を詳細に説明する。しかしながら、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明は、述べる厳密な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。
固体表面上に存在する導電性液体の液滴を含むシステムを示す概略図である。 異なる接触角度を有する図１Ａのシステムを示す概略図である。 エレクトロウェッティングが、導電性液体の液滴と、液滴が接触する表面との間の接触角度を変えることができる１つの方法を示す概略図である。 電気バイアス下における図２Ａのシステムを示す概略図である。 導電性液体の液滴を使用する電気スイッチの一実施形態を示す概略図である。 エレクトロウェッティングによる接触角度の変化の結果として導電性液体の液滴に与えられる移動を示す概略図である。 電位印加後の図３Ａのスイッチを示す概略図である。 本発明の第１の実施形態による、スイッチの断面を示す概略図である。 電気バイアス下における図４Ａのスイッチを示す概略図である。 図４Ａと図４Ｂに示すスイッチを示す平面図である。 液滴に対する表面の濡れ性を変える特徴部を含む誘電体の表面を示す平面図である。 本発明によるスイッチの第２の実施形態を示す平面図である。 図５Ａのスイッチを示す断面図である。 図５Ａに示すスイッチの代替の一実施形態の図である。 図６Ａのスイッチを示す断面図である。 本発明によるスイッチのさらなる代替の実施形態を示す概略図である。 図７に示すスイッチの代替の一実施形態を示す概略図である。 図５Ａ及び図５Ｂのスイッチに適用することができる表面テクスチャリングを示す概略図である。 上述したスイッチの下方表面又は床を形成する可能性がある例示的な誘電体基板を示す概略図である。 図７、図８、又は図９のスイッチの屋根及びマイクロ流体室を形成するキャップを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に従ってスイッチを形成する方法を記述するフローチャートである。 ３段液体金属スイッチ用の回路を示す概略図である。 本発明による３段液体金属スイッチの一実施形態を示す平面図である。 図１４の液体金属スイッチの１つの電極層を示す平面図である。 第１スイッチング位置にある３段液体金属スイッチを示す概略図である。 第２スイッチング位置にある３段液体金属スイッチを示す概略図である。
符号の説明
１３００：３段液体金属スイッチ
１３０２：入力ポート
１３０４：第１出力ポート
１３０６：第２出力ポート
１３１０：共通ＥＷＯＤスイッチ
１３１１：誘電体表面
１３１２、１３１４、１３１６：接点
１３１８：共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴
１３２０ａ、１３２０ｂ：共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対
１３２４ａ、１３２４ｂ：共有ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対
１３４０：第１ＥＷＯＤスイッチ
１３４１：誘電体表面
１３４２、１３４４、１３４６：接点
１３４８：第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴
１３５０ａ、１３５０ｂ：第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対
１３５４ａ、１３５４ｂ：第１ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対
１３７０：第２ＥＷＯＤスイッチ
１３７１：誘電体表面
１３７２、１３７４、１３７６：接点
１３７８：第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴
１３８０ａ、１３８０ｂ：第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第１の対
１３８４ａ、１３８４ｂ：第２ＥＷＯＤスイッチ電極の第２の対

Claims (20)

  1. 誘電体上のエレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）を使用する３段液体金属スイッチであって、
    入力ポート、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力、及び第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力を有する共通ＥＷＯＤスイッチと、
    第１ＥＷＯＤスイッチ入力、第１出力ポート、及び第１ＥＷＯＤスイッチ出力を有する第１ＥＷＯＤスイッチと、
    第２ＥＷＯＤスイッチ入力、第２出力ポート、及び第２ＥＷＯＤスイッチ出力を有する第２ＥＷＯＤスイッチと、
    を備え、
    前記第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、前記第１ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続され、前記第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、前記第２ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続される、３段液体金属スイッチ。
  2. 前記第１ＥＷＯＤスイッチ出力がコモンに動作可能に接続される、請求項１に記載の３段液体金属スイッチ。
  3. 前記共通ＥＷＯＤスイッチが、２層ＥＷＯＤスイッチ、単層ＥＷＯＤスイッチ、及び組み合わせＥＷＯＤスイッチから成るグループから選択される、請求項１に記載の３段液体金属スイッチ。
  4. 前記第１ＥＷＯＤスイッチが、２層ＥＷＯＤスイッチ、単層ＥＷＯＤスイッチ、及び組み合わせＥＷＯＤスイッチから成るグループから選択される、請求項１に記載の３段液体金属スイッチ。
  5. 前記共通ＥＷＯＤスイッチ、前記第１ＥＷＯＤスイッチ、及び前記第２ＥＷＯＤスイッチが、誘電体上に配設される、請求項１に記載の３段液体金属スイッチ。
  6. 前記共通ＥＷＯＤスイッチが、誘電体表面と、該誘電体表面上に配設された液体金属液滴と、少なくとも一対の電極と、を有する誘電体を備え、前記液体金属液滴は、前記少なくとも一対の電極への制御信号に応答して、前記入力ポートを前記第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力に動作可能に接続する第１の位置と、前記入力ポートを前記第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力に動作可能に接続する第２の位置との間で切り換え可能である、請求項１に記載の３段液体金属スイッチ。
  7. 前記少なくとも一対の電極が、第１の電極対と第２の電極対とを備え、前記制御信号が、第１制御信号と第２制御信号とを含み、前記第１の電極対は、前記第１制御信号に応答して前記液体金属液滴を前記第１の位置に並進させ、前記第２の電極対は、前記第２制御信号に応答して前記液体金属液滴を前記第２の位置に並進させる、請求項６に記載の３段液体金属スイッチ。
  8. 前記誘電体表面が、濡れ性特徴部を有する、請求項６に記載の３段液体金属スイッチ。
  9. 前記液体金属液滴が、前記第１の位置及び前記第２の位置のうちの少なくとも一方でラッチ動作する、請求項６に記載の３段液体金属スイッチ。
  10. 前記制御信号が、単一電圧制御信号及びデュアル電圧制御信号から成るグループから選択される、請求項６に記載の３段液体金属スイッチ。
  11. 前記第１ＥＷＯＤスイッチが、誘電体表面と、該誘電体表面上に配設された液体金属液滴と、少なくとも一対の電極と、を有する誘電体を備え、前記液体金属液滴は、前記少なくとも一対の電極への制御信号に応答して、第１の位置と第２の位置との間で切り換え可能である、請求項１に記載の３段液体金属スイッチ。
  12. 前記少なくとも一対の電極が、第１の電極対と第２の電極対とを備え、前記制御信号が、第１制御信号と第２制御信号とを含み、前記第１の電極対は、前記第１制御信号に応答して前記液体金属液滴を前記第１の位置に並進させ、前記第２の電極対は、前記第２制御信号に応答して前記液体金属液滴を前記第２の位置に並進させる、請求項１１に記載の３段液体金属スイッチ。
  13. 前記液体金属液滴が、前記第１の位置及び前記第２の位置のうちの少なくとも一方でラッチ動作する、請求項１１に記載の３段液体金属スイッチ。
  14. ３段液体金属スイッチであって、
    第１液体金属液滴と、
    前記第１液体金属液滴を支持する手段と、
    第１制御信号に応答して、入力ポートを第１の第１スイッチ出力に動作可能に接続する第１の第１スイッチ位置と、前記入力ポートを第２の第１スイッチ出力に動作可能に接続する第２の第１スイッチ位置との間で前記第１液体金属液滴を並進させる手段と、
    第２液体金属液滴と、
    前記第２液体金属液滴を支持する手段と、
    第２制御信号に応答して、第１の第２スイッチ位置と第２の第２スイッチ位置との間で前記第２液体金属液滴を並進させる手段であって、前記第１の第２スイッチ位置は、第２スイッチ入力と第１出力ポートとを動作可能に接続する、手段と、
    第３液体金属液滴と、
    前記第３液体金属液滴を支持する手段と、
    第３制御信号に応答して、第１の第３スイッチ位置と第２の第３スイッチ位置との間で前記第３液体金属液滴を並進させる手段であって、前記第１の第３スイッチ位置は、第３スイッチ入力と第２出力ポートとを動作可能に接続する、手段と、
    を備え、
    前記第１の第１スイッチ出力は、前記第２スイッチ入力に動作可能に接続され、前記第２の第１スイッチ出力は、前記第３スイッチ入力に動作可能に接続される、３段液体金属スイッチ。
  15. 前記第１液体金属液滴支持手段、前記第２液体金属液滴支持手段、及び前記第３液体金属液滴支持手段のうちの少なくとも１つに濡れ性を付与する手段をさらに備えている、請求項１４に記載の３段液体金属スイッチ。
  16. 前記第１液体金属液滴を、前記第１共有スイッチ位置及び前記第２共有スイッチ位置のうちの一方でラッチ動作する手段をさらに備えている、請求項１４に記載の３段液体金属スイッチ。
  17. 前記第２液体金属液滴を、前記第1の第２スイッチ位置及び前記第２の第２スイッチ位置のうちの一方でラッチ動作する手段をさらに備えている、請求項１４に記載の３段液体金属スイッチ。
  18. 前記第１出力ポートを終端し、絶縁する手段をさらに備えている、請求項１４に記載の３段液体金属スイッチ。
  19. 誘電体上のエレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）を使用する３段液体金属スイッチであって、
    入力ポート、第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力、第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力、共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴、及び少なくとも一対の共有ＥＷＯＤスイッチ電極を有し、前記共有ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴は、前記少なくとも一対の共有ＥＷＯＤスイッチ電極への共有ＥＷＯＤスイッチ制御信号に応答して、前記入力ポートと前記第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力とを動作可能に接続する第１共有ＥＷＯＤスイッチ位置と、前記入力ポートと前記第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力とを動作可能に接続する第２共有ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である、共通ＥＷＯＤスイッチと、
    第１ＥＷＯＤスイッチ入力、第１出力ポート、第１ＥＷＯＤスイッチ出力、第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴、及び少なくとも一対の第１ＥＷＯＤスイッチ電極を有し、前記第１ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴は、前記少なくとも一対の第１ＥＷＯＤスイッチ電極への第１ＥＷＯＤスイッチ制御信号に応答して、第１の第１ＥＷＯＤスイッチ位置と、第２の第１ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である、第１ＥＷＯＤスイッチと、
    第２ＥＷＯＤスイッチ入力、第２出力ポート、第２ＥＷＯＤスイッチ出力、第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴、及び少なくとも一対の第２ＥＷＯＤスイッチ電極を有し、前記第２ＥＷＯＤスイッチ液体金属液滴は、前記少なくとも一対の第２ＥＷＯＤスイッチ電極への第２ＥＷＯＤスイッチ制御信号に応答して、第１の第２ＥＷＯＤスイッチ位置と、第２の第２ＥＷＯＤスイッチ位置との間で切り換え可能である、第２ＥＷＯＤスイッチと、を備え、
    前記第１共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、前記第１ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続され、前記第２共有ＥＷＯＤスイッチ出力は、前記第２ＥＷＯＤスイッチ入力に動作可能に接続される、３段液体金属スイッチ。
  20. 前記第１ＥＷＯＤスイッチ出力が、コモンに動作可能に接続される、請求項１９に記載の３段液体金属スイッチ。
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