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