RU2223566C1 - Multi-position switch using the principle of electrocapillarity - Google Patents

Multi-position switch using the principle of electrocapillarity Download PDF

Info

Publication number
RU2223566C1
RU2223566C1 RU2002117405/09A RU2002117405A RU2223566C1 RU 2223566 C1 RU2223566 C1 RU 2223566C1 RU 2002117405/09 A RU2002117405/09 A RU 2002117405/09A RU 2002117405 A RU2002117405 A RU 2002117405A RU 2223566 C1 RU2223566 C1 RU 2223566C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrolyte
mercury
signal conductors
channel
duct
Prior art date
Application number
RU2002117405/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002117405A (en
Inventor
Б.А. Безуглый
О.А. Тарасов
Original Assignee
Тюменский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тюменский государственный университет filed Critical Тюменский государственный университет
Priority to RU2002117405/09A priority Critical patent/RU2223566C1/en
Publication of RU2002117405A publication Critical patent/RU2002117405A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2223566C1 publication Critical patent/RU2223566C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

Abstract

FIELD: applicable for switching of low-current signals. SUBSTANCE: the multi-position switch has a closed duct filled with liquid electrolyte in one part, and in the other - by non-conductive liquid insoluble in electrolyte and non-reacting with it. Breaks of the signal conductors are positioned equidistantly in the part of the duct filled with non-conductive liquid, and drops of mercury are positioned along the duct at a distance one from another between the breaks of the signal conductors used for closing them. In the part of the duct that is filled with electrolyte provision is made for expansions at a distance equal to the distance between the breaks of the signal conductors, and a drop of mercury used as a propeller. An electrode insulated from electrolyte is available under each area of duct expansion. EFFECT: reduced time of switching and power consumption with alternate closing of the signal conductors. 3 dwg

Description

Изобретение относится к многопозиционным электрическим переключателям и может быть использовано для переключения малоточных сигналов в звуковой технике, технике связи, а также в электронных устройствах, работающих при высоком радиационном фоне, например в устройствах на атомных электростанциях и на космических аппаратах. The invention relates to multi-position electric switches and can be used to switch low-current signals in sound technology, communication technology, as well as in electronic devices operating at high radiation background, for example, in devices at nuclear power plants and spacecraft.

Известно микромеханическое реле с термоуправляемой микрокаплей ртути [1] . Реле изготовлено на кремниевой подложке и содержит две полости с помещенными в них никелевыми нагревателями и канал диаметром 6-25 мкм, соединяющий эти полости. Сигнальный проводник проходит перпендикулярно каналу и разделен внутри него. Внутри канала, рядом с разрывом сигнального проводника, размещена капля ртути. Канал и полости заполнены деионизированной водой, а весь прибор герметизирован стеклянной пластинкой. При подаче на один из нагревателей напряжения в полости, где он находится, жидкость вскипает и в ее объеме образуется паровой пузырек. Выталкиваемая пузырьком жидкость перемещает каплю ртути к разрыву сигнального проводника, который таким путем замыкается. Подводимая к нагревателю электрическая мощность, необходимая для образования пузырька, составляет около 100 мВт [1, 2], а время переключения устройства около 10 мс [2]. Known micromechanical relay with thermally controlled microdroplets of mercury [1]. The relay is made on a silicon substrate and contains two cavities with nickel heaters placed in them and a channel with a diameter of 6-25 microns connecting these cavities. The signal conductor passes perpendicular to the channel and is divided inside it. Inside the channel, next to the rupture of the signal conductor, a drop of mercury is placed. The channel and cavities are filled with deionized water, and the entire device is sealed with a glass plate. When a voltage is applied to one of the heaters in the cavity where it is located, the liquid boils and a vapor bubble forms in its volume. The liquid pushed by the bubble moves a drop of mercury to break the signal conductor, which closes in this way. The electric power supplied to the heater required for bubble formation is about 100 mW [1, 2], and the device switching time is about 10 ms [2].

Недостатком микромеханического реле с термоуправляемой микрокаплей ртути [1] является то, что для осуществления переключения необходимы затраты сравнительно большой энергии. Существенным недостатком является и то, что для поддержания реле во включенном состоянии требуется постоянный подвод электроэнергии. Еще один недостаток состоит в том, что время переключения такого реле на порядок больше времени переключения обычного и MEMS реле с твердотельными контактами [2] . Кроме того, указанное реле трудно сделать многопозиционным, например, для поочередного замыкания нескольких сигнальных проводников. The disadvantage of a micromechanical relay with a thermally controlled microdroplet of mercury [1] is that relatively large energy costs are required for switching. A significant drawback is the fact that to maintain the relay in the on state requires a constant supply of electricity. Another disadvantage is that the switching time of such a relay is an order of magnitude longer than the switching time of a conventional and MEMS relay with solid-state contacts [2]. In addition, the specified relay is difficult to make multi-position, for example, for alternately closing several signal conductors.

Целью изобретения является создание многопозиционного электрического переключателя, обладающего малым временем переключения, малым потреблением энергии на переключение и не требующим подвода энергии для поддержания своего состояния. The aim of the invention is the creation of a multi-position electric switch with a short switching time, low power consumption for switching and not requiring power supply to maintain its condition.

Поставленная цель достигается использованием замкнутого канала, в котором эквидистантно находятся разрывы нескольких сигнальных проводников, использованием для замыкания сигнальных проводников нескольких капель ртути, размещенных в канале в объеме неэлектропроводной жидкости на расстоянии друг от друга, кратном расстоянию между разрывами сигнальных проводников, применением для перемещения указанных капель ртути электрокапиллярного воздействия на еще одну каплю ртути, находящуюся в другой части канала в объеме электролита, а также наличием в этой части канала расширений с шагом, равным расстоянию между разрывами сигнальных проводников. This goal is achieved by using a closed channel in which the breaks of several signal conductors are located equidistantly, using several drops of mercury placed in the channel in the volume of non-conductive liquid at a distance from each other, a multiple of the distance between the breaks of the signal conductors, using these drops to close the signal conductors electrocapillary mercury exposure to another drop of mercury located in another part of the channel in the electrolyte volume, as well as the presence of this part of the channel extensions with a pitch equal to the distance between the signal conductors breaks.

Устройство предлагаемого многопозиционного электрического переключателя поясняется на Фиг. 1 и Фиг.2. Здесь 1 - подложка (например, стеклянная или кварцевая), 2 - замкнутый канал, 3 - части сигнальных проводников, 4 - контактные капли ртути, 5 - электрокапиллярно перемещаемая капля ртути (капля-движитель), 6 - изолированные от электролита электроды, служащие для создания электрокапиллярного эффекта, 7 - неэлектропроводная жидкость, нерастворимая в электролите и не реагирующая с ним, 8 - электролит. Фиг.1 соответствует случаю переключателя с одной контактной каплей, одной каплей-движителем и четырьмя сигнальными проводниками. The device of the proposed multi-position electric switch is illustrated in FIG. 1 and 2. Here 1 is a substrate (for example, glass or quartz), 2 is a closed channel, 3 are parts of the signal conductors, 4 are contact drops of mercury, 5 is an electrocapillary moving drop of mercury (droplet mover), 6 are electrodes isolated from the electrolyte, which serve to creating an electrocapillary effect, 7 - non-conductive liquid, insoluble in the electrolyte and not reacting with it, 8 - electrolyte. Figure 1 corresponds to the case of a switch with one contact drop, one drop-mover and four signal conductors.

Предлагаемый многопозиционный электрический переключатель работает следующим образом. На два соседних электрода, над одним из которых находится капля-движитель, подается разность потенциалов так, чтобы положительный потенциал был на этом электроде. Под действием электрокапиллярных сил капля-движитель перемещается к соседнему электроду с отрицательным потенциалом [3] , вовлекая в движение весь объем жидкости в канале. Поскольку ртуть не смачивает стенки канала (краевой угол смачивания в системе ртуть/стекло составляет около θ=130-150o [4], а в системе ртуть/кварц 145o [1]), то на каплю-движитель действуют лапласово давление, выталкивающее ее в более широкую часть канала. Под действием этого давления капля-движитель занимает устойчивое положение в следующем расширении канала, Фиг.3. При этом контактные капли ртути занимают новые положения, замыкая другие сигнальные проводники. Таким образом осуществляется коммутация электрических сигналов. Следующее переключение производится подачей напряжения соответствующей полярности на те же или другие соседние электроды.The proposed multi-position electric switch operates as follows. A potential difference is applied to two adjacent electrodes, above one of which a droplet mover, so that the positive potential is on this electrode. Under the action of electrocapillary forces, the droplet mover moves to the neighboring electrode with a negative potential [3], involving the entire volume of liquid in the channel into motion. Since mercury does not wet the walls of the channel (the contact angle in the mercury / glass system is about θ = 130-150 o [4], and in the mercury / quartz system it is 145 o [1]), the Laplacian pressure her to the wider part of the channel. Under the influence of this pressure, the droplet mover occupies a stable position in the next channel expansion, FIG. 3. In this case, contact drops of mercury occupy new positions, closing other signal conductors. Thus, electrical signals are switched. The next switching is performed by applying a voltage of the corresponding polarity to the same or other adjacent electrodes.

Поскольку капля-движитель занимает под действием лапласова давления устойчивые положения в расширениях канала, то состояния переключателя автоматически фиксируются, то есть для их поддержания не требуется подвода энергии. Since the dropping mover occupies stable positions in the channel expansions under the influence of Laplace pressure, the states of the switch are automatically fixed, that is, energy supply is not required to maintain them.

Для канала квадратного сечения указанное давление равно Pl = 4σcosθ(1/d2-1/d1), где σ=466 мН/м - поверхностное натяжение ртути [1], θ≈140o, d1 и d2 - меньшая и большая ширина канала в сечениях трехфазных границ подложка/ртуть/жидкость, относящихся к противоположным концам капли. Для канала с типичными размерами d1=10 мкм [1] и d2=11 мкм получим давление Рl= 13 кПа, то есть значительную величину. Такому давлению при площади сечения канала S=d12=10-10 м2 будет отвечать лапласова сила
Fl=Р•S=13•103 Па•10-10 м2=13•10-7 Н.
For a square channel, the indicated pressure is P l = 4σcosθ (1 / d 2 -1 / d 1 ), where σ = 466 mN / m is the surface tension of mercury [1], θ≈140 o , d 1 and d 2 are less and a large channel width in cross sections of three phase substrate / mercury / liquid boundaries relating to opposite ends of the droplet. For a channel with typical dimensions d 1 = 10 μm [1] and d 2 = 11 μm, we obtain a pressure P l = 13 kPa, that is, a significant value. This pressure with the channel cross-sectional area S = d 1 2 = 10 -10 m 2 will correspond to the Laplace force
F l = P • S = 13 • 10 3 Pa • 10 -10 m 2 = 13 • 10 -7 N.

Полученную величину лапласовой силы сравним с силой инерции Fi, действующей на d1•d1•d1 каплю ртути при ускорении свободного падения g≈10 м/с2 и плотности ртути ρ=13,6•103 кг/м3 [5]. Эта сила определяется как Fi = m•g = ρ•d 3 1 •g = 13,6•10-11H, где m - масса капли. Таким образом Fl/Fi≈104, то есть капля будет устойчиво удерживаться в расширениях канала при действии на переключатель ускорения вплоть до 104 g.The obtained value of the Laplace force is comparable with the inertia force F i acting on d 1 • d 1 • d 1 drop of mercury when accelerating gravity g≈10 m / s 2 and mercury density ρ = 13.6 • 10 3 kg / m 3 [ 5]. This force is defined as F i = m • g = ρ • d 3 1 • g = 13.6 • 10 -11 H, where m is the mass of the drop. Thus, F l / F i ≈10 4 , that is, the drop will be stably held in the channel extensions when the acceleration switch is acted upon up to 10 4 g.

Поскольку поверхностное натяжение ртути велико, то лапласово давление, вызванное кривизной поверхности капель, будет прижимать их к стенкам канала и препятствовать перетеканию электролита и неэлектропроводной жидкости из одних частей их объемов в другие. Это давление для канала квадратного сечения с шириной 10 мкм равно P = (4σ|cosθ|)/d1 = 143кПа.Since the surface tension of mercury is large, the Laplace pressure caused by the curvature of the surface of the droplets will press them to the walls of the channel and prevent the electrolyte and non-conductive fluid from flowing from one part of their volume to another. This pressure for a square channel with a width of 10 μm is P = (4σ | cosθ |) / d 1 = 143 kPa.

Оценить время переключения предлагаемого устройства можно по известной из экспериментов скорости движения капли ртути в замкнутом канале сечением 250•20 мкм, которая при разности потенциалов между электродами 3 В и потребляемом токе 10 мкА, составляет около 100 мм/с [3]. Тогда на расстояние порядка ширины канала, которое близко к 10 мкм [1], капля сместится за 0,1 мс. Это время, на порядок меньше времени переключения MEMS, реле с твердотельными контактами [2] и сравнимо со временем переключения обычных реле с твердотельными контактами [2]. При этом потребление энергии на переключение составит 3 В•10 мкА•0,1 мс=3•10-9 Дж, то есть ничтожную по сравнению с реле [1] величину, которая равна 100 мВтM•10 мс=10-3 Дж. Увеличение разности потенциалов между электродами приводит к прямо пропорциональному росту скорости перемещения капли [3]. Поэтому можно достичь, по крайней мере, на порядок меньшего времени переключения.The switching time of the proposed device can be estimated from the experimentally known velocity of a mercury drop in a closed channel with a cross section of 250 • 20 μm, which is about 100 mm / s with a potential difference between 3 V electrodes and a current consumption of 10 μA [3]. Then, by a distance of the order of the channel width, which is close to 10 μm [1], the drop will shift in 0.1 ms. This time is an order of magnitude less than the switching time of MEMS, relays with solid state contacts [2] and is comparable with the time of switching conventional relays with solid state contacts [2]. In this case, the energy consumption for switching will be 3 V • 10 μA • 0.1 ms = 3 • 10 -9 J, that is, a negligible amount compared to the relay [1], which is 100 mWM • 10 ms = 10 -3 J. An increase in the potential difference between the electrodes leads to a directly proportional increase in the droplet velocity [3]. Therefore, it is possible to achieve at least an order of magnitude shorter switching time.

Таким образом, предложенный многопозиционный электрический переключатель обладает следующими преимуществами: благодаря тому, что перемещение контактных капель ртути осуществляется путем электрокапиллярного воздействия на отдельную каплю ртути (каплю-движитель), которая под действием лапласова давления занимает устойчивые положения в расширениях канала, устройство обладает малым временем переключения, потребляет мало энергии на переключение и не требует подвода энергии для поддержания своего состояния. Thus, the proposed multi-position electric switch has the following advantages: due to the fact that the movement of contact drops of mercury is carried out by electrocapillary action on a single drop of mercury (droplet mover), which under the influence of Laplace pressure occupies stable positions in the channel extensions, the device has a short switching time , consumes little energy to switch and does not require energy supply to maintain its state.

ЛИТЕРАТУРА
1. A micromechanical relay with a thermally-driven mercury micro-drop. J. Simon, S.Saffer and C.-J.Kim. Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, San Diego, USA, Feb. 1996, pp. 515-520. (URL: http//:cjmems.seas. ucla.edu/papers/Simon_MEMS96.pdf).
LITERATURE
1. A micromechanical relay with a thermally-driven mercury micro-drop. J. Simon, S. Safer and C.-J. Kim. Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, San Diego, USA, Feb. 1996, pp. 515-520. (URL: http //: cjmems.seas. Ucla.edu/papers/Simon_MEMS96.pdf).

2. Mercury contact micromechanical relays. J.Kim, J.Simon, S.Saffer and C. -J.Kim. Proc. 46th Annual Int. Relay Conf., Oak Brook, II, Apr. 1998, pp. 19-1-19-8. (URL: http//:cjmems.seas.ucla.edu/papers/Jw_relay98.pdf). 2. Mercury contact micromechanical relays. J. Kim, J. Simon, S. Safer and C. -J. Kim. Proc. 46th Annual Int. Relay Conf., Oak Brook, II, Apr. 1998, pp. 19-1-19-8. (URL: http //: cjmems.seas.ucla.edu/papers/Jw_relay98.pdf).

3. Microactuation by continuous electrowetting phenomenon and silicon deep RIE process. J.Lee, C.-J.Kim. ASME Int. Mechanical Engineering Congress and Exposition, Anahein, CA. Nov. 1998, pp. 475-480. (URL: http:// cjmems. seas.ucla.edu/papers/Jung_imece98.pdf). 3. Microactuation by continuous electrowetting phenomenon and silicon deep RIE process. J. Lee, C.-J. Kim. ASME Int. Mechanical Engineering Congress and Exposition, Anahein, CA. Nov. 1998, pp. 475-480. (URL: http: // cjmems. Seas.ucla.edu/papers/Jung_imece98.pdf).

4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979. 4. Adamson A. Physical chemistry of surfaces. - M.: Mir, 1979.

5. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К.Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. 5. Tables of physical quantities. Directory. Ed. Acad. I.K. Kikoina. - M.: Atomizdat, 1976.

Claims (1)

Многопозиционный электрический переключатель, отличающийся тем, что имеется замкнутый канал, заполненный жидким электролитом и неэлектропроводной жидкостью, нерастворимой в электролите и не реагирующей с ним, в заполненной неэлектропроводной жидкостью части канала эквидистантно находятся разрывы нескольких сигнальных проводников, а на расстоянии, кратном расстоянию между разрывами сигнальных проводников, находятся капли ртути, замыкающие определенные разрывы сигнальных проводников, в заполненной электролитом части канала имеются расширения, в одном из которых находится ртутная капля-движитель, под каждым расширением канала находится изолированный от электролита электрод, а переключение производится электрокапиллярным перемещением капли-движителя в следующее расширение канала, путем подачи разности потенциалов на два соседних электрода.A multi-position electric switch, characterized in that there is a closed channel filled with a liquid electrolyte and a non-conductive liquid, insoluble in the electrolyte and not reacting with it, in the part of the channel filled with a non-conductive liquid there are equidistant gaps of several signal conductors, and at a distance multiple of the distance between the gaps of the signal conductors conductors, there are droplets of mercury that close certain breaks in the signal conductors, in the part of the channel filled with electrolyte there are extensions, one of which is the mercury drop-mover under each expansion channel is isolated from the electrolyte electrode, and switching is performed by moving droplet electrocapillary propulsor next channel expansion by applying a potential difference of two neighboring electrodes.
RU2002117405/09A 2002-06-28 2002-06-28 Multi-position switch using the principle of electrocapillarity RU2223566C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002117405/09A RU2223566C1 (en) 2002-06-28 2002-06-28 Multi-position switch using the principle of electrocapillarity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002117405/09A RU2223566C1 (en) 2002-06-28 2002-06-28 Multi-position switch using the principle of electrocapillarity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002117405A RU2002117405A (en) 2003-12-27
RU2223566C1 true RU2223566C1 (en) 2004-02-10

Family

ID=32172938

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002117405/09A RU2223566C1 (en) 2002-06-28 2002-06-28 Multi-position switch using the principle of electrocapillarity

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2223566C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Surface-tension-driven microactuation based on continuous electrowetting
EP1583128A1 (en) Liquid electrical microswitch
Kim et al. A micromechanical switch with electrostatically driven liquid-metal droplet
Ahn et al. Fabrication and experiment of a planar micro ion drag pump
Simon et al. A liquid-filled microrelay with a moving mercury microdrop
US6485273B1 (en) Distributed MEMS electrostatic pumping devices
EP1528609B1 (en) Generator for use with a micro system having dual diaphragms
KR100439423B1 (en) Microelectromechanical actuators
EP2073238B1 (en) Mems switch with improved standoff voltage control
US20090040007A1 (en) Miniaturized High Conductivity Thermal/Electrical Switch
JPH09161640A (en) Latch ( latching ) type heat-driven microrelay device
JP2004319485A (en) Method for operating liquid metal switch
Lee et al. Liquid micromotor driven by continuous electrowetting
JP2005536031A (en) Buckling beam bistable microelectromechanical switch using electrothermal actuation
US7760065B2 (en) MEMS device with bi-directional element
RU2223566C1 (en) Multi-position switch using the principle of electrocapillarity
Simon et al. Lateral polysilicon microrelays with a mercury microdrop contact
US5572076A (en) Dielectric micromechanical element
Simon et al. A micromechanical relay with a thermally-driven mercury micro-drop
JP2006523923A (en) Wet finger latching piezoelectric relay
Li et al. Design of a high‐speed electrothermal linear micromotor for microelectromechanical systems safety‐and‐arming devices
US20040140733A1 (en) Electrostatic actuator with a multiplicity of stacked parallel plates
JP2004319501A (en) Electric relay
US6885133B2 (en) High frequency bending-mode latching relay
Lee et al. Microactuation by continuous electrowetting phenomenon and silicon deep RIE process

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070629