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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verriegelungsschaltvorrichtungen
und insbesondere auf eine Verriegelungsschaltvorrichtung auf der
Basis von leitfähiger
Flüssigkeit.
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Schaltvorrichtungen
auf der Basis von leitfähigen
Flüssigkeiten
sind seit dem 19. Jahrhundert bekannt. In jüngster Zeit wurden elektrisch
gesteuerte, stark miniaturisierte Schalter auf Flüssigkeitsbasis vorgeschlagen.
Solche Schalter können
in einem Halbleitersubstrat hergestellt werden, und können daher
mit anderen elektrischen Vorrichtungen integriert werden, die in
dem Substrat hergestellt werden. Solche Schalter haben den Vorteil,
dass dieselben einen wesentlich höhere Isolation zwischen dem
Steuersignal und der geschalteten Schaltung liefern als Schaltvorrichtungen,
die auf Halbleitervorrichtungen basieren.
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Die
veröffentlichte
japanische Patentanmeldung Nr. 547-21645 offenbart ein Beispiel einer Schaltvorrichtung
zum elektrischen Schalten fester Elektroden durch eine leitfähige Flüssigkeit.
In dieser Schaltvorrichtung ist eine leitfähige Flüssigkeit, wie z. B. Quecksilber,
beweglich in einem Zylinder angeordnet. Die Schaltvorrichtung ist
so entworfen, dass die leitfähige
Flüssigkeit
durch einen Druckunterschied in einem Gas, das auf beiden Seiten
der leitfähigen Flüssigkeit
vorgesehen ist, zu einer Seite bewegt wird. Wenn sich die leitfähige Flüssigkeit
bewegt, berührt
sie Elektroden, die sich in das Innere des Zylinders erstrecken,
und bildet eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden.
Ein Nachteil dieser Struktur ist jedoch, dass sich die elektrischen
Verbindungscharakteristika der Schaltvorrichtung verschlechtern
als Folge dessen, dass die Oberflächen der Elektroden im Verlauf
der Zeit durch intermittierenden Kontakt mit der leitfähigen Flüssigkeit
modifiziert werden.
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Das
U.S.-Patent Nr. 6,323,447, das der Anmelderin dieser Offenbarung
und für
die Vereinigten Staaten zugewiesen ist, offenbart eine Schaltvorrichtung,
die das oben erwähnte
Problem löst.
In dieser Schaltvorrichtung wird der elektrische Weg durch eine
leitfähige
Flüssigkeit,
wie z. B. Quecksilber, selektiv von einem verbundenen Zustand zu
einem getrennten Zustand geändert.
Die Elektroden bleiben jedoch in konstantem Kontakt mit der leitfähigen Flüssigkeit,
und der verbundene oder getrennte Zustand des elektrischen Wegs
wird dadurch bestimmt, ob die leitfähige Flüssigkeit als eine einzelne
Identität (verbundener
Zustand) existiert, oder in zwei getrennte Entitäten getrennt ist (getrennter
Zustand). Dies eliminiert das Problem schlechter Verbindungen, das
ein Nachteil der Schaltvorrichtung war, die in der veröffentlichten
japanischen Patentanmeldung Nr. 547-21645 offenbart ist.
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Die
in dem U.S.-Patent Nr. 6,323,447 beschriebene Schaltvorrichtung
besteht aus einem länglichen
Durchgang, der mit einer leitfähigen
Flüssigkeit
gefüllt
ist, und Elektroden an seinen Enden aufweist, einem ersten Hohlraum,
der mit nichtleitfähigem
Fluid gefüllt
ist, und durch einen einzigen Kanal etwa mit dem Mittelpunkt des
Durchgangs verbunden ist, einem zweiten Hohlraum, der nicht mit nichtleitfähigem Fluid
gefüllt
ist, und durch zwei Kanäle
nahe den Enden des Durchgangs verbunden ist. Ein Heizelement ist
in jedem Hohlraum angeordnet.
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Das
Heizelement in dem ersten Hohlraum wird aktiviert, um die Schaltvorrichtung
zu ihrem AUS-Zustand zu schalten. Wärme, die durch das Heizelement
erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid in dem Hohlraum
ausdehnt. Das überschüssige Volumen
des nichtleitfähigen
Fluids verläuft
durch den einzigen Kanal zu dem Durchgang, wo dieselben einen Zwischenraum
in der leitfähigen
Flüssigkeit
bilden. Der Zwischenraum, der mit den nichtleitfähigen Fluid gefüllt ist,
isoliert die Elektroden elektrisch voneinander. Die leitfähige Flüssigkeit,
die durch das nichtleitfähige
Fluid verschoben wird, dringt an den Enden des Durchgangs in die
Kanäle
ein.
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Das
Heizelement in dem zweiten Hohlraum ist aktiviert, um die Schaltvorrichtung
zu ihrem EIN-Zustand zu schalten. Wärme, die durch das Heizelement
erzeugt wird, bewirkt, dass sich das nichtleitfähige Fluid in dem Hohlraum
ausdehnt. Das überschüssige Volumen
des nichtleitfähigen
Fluids verläuft
durch die beiden Kanäle,
um die leitfähige
Flüssigkeit
von den Kanälen
zu verschieben. Die leitfähige
Flüssigkeit,
die zu dem Durchgang zurückkehrt, verschiebt
das nichtleitfähige
Fluid von dem Zwischenraum, und die leitfähige Flüssigkeit kehrt zu ihrem durchgehenden
Zustand zurück.
In diesem Zustand verbindet die leitfähige Flüssigkeit die Elektroden elektrisch.
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Einige
Ausführungsbeispiele
der Schaltvorrichtung, die in dem U.S.-Patent Nr. 6,323,447 beschrieben
sind, umfassen Verriegelungsstrukturen, die in den Kanälen angeordnet
sind, die die Hohlräume
mit dem Durchgang verbinden. Die Verriegelungsstrukturen schalten
die Schaltvorrichtung in einen Schaltzustand, in den dieselbe geschaltet
wurde, nachdem die jeweilige Heizvorrichtung abgeschaltet wurde.
Die Verriegelungsstrukturen erfordern, dass die leitfähige Flüssigkeit
in die Kanäle
eindringt, die etwas kleinere Querschnittsabmessungen aufweisen als
der Durchgang. Dies erhöht
sowohl die Energie, die erforderlich ist, um den Schalter zu betreiben,
als auch die Zeit, die erforderlich ist, um den Schaltzustand des
Schalters zu ändern.
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Darüber hinaus
können
die Verriegelungsstrukturen für
einige Anwendungen unangemessene Verriegelungszuverlässigkeit
liefern. Eine wesentliche Menge der leitfähigen Flüssigkeit verbindet jede Verriegelungsstruktur
mit der jeweiligen Oberfläche der
leitfähigen
Flüssigkeit.
Die leitfähige
Flüssigkeit, die
die Verriegelungsstruktur mit der Oberfläche verbindet, ist nicht vollständig begrenzt.
Ein Stimulus, wie z. B. eine Schwingung oder eine Temperaturänderung
kann daher bewirken, dass sich die Form der leitfähigen Flüssigkeit
zu einer ändert,
die den Schaltzustand der Schaltvorrichtung ändert.
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Die
veröffentlichte
internationale Patentanmeldung Nr. WO 01/46975, die den Anmeldern
dieser Offenbarung übertragen
ist, für
die vereinigten Staaten, offenbart eine Schaltvorrichtung, bei der
die leitfähige
Flüssigkeit
auf den Durchgang begrenzt ist. Dies verringert sowohl die Energie,
die erforderlich ist, um den Schalter zu betreiben, als auch die
Zeit, die erforderlich ist, um den Schaltzustand des Schalters zu ändern, im
Vergleich zu der Schaltvorrichtung, die in dem U.S.-Patent Nr. 6,323,447
offenbart ist. 1A und 1B zeigen
ein Beispiel 10 der Schaltvorrichtung auf Basis der leitfähigen Flüssigkeit,
die in der veröffentlichten
internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/46975 offenbart ist. Die Schaltvorrichtung 10 besteht
aus einem länglichen Durchgang 12,
Kammern 14 und 16, Kanälen 18 und 20,
nichtleitfähigem
Fluid 22 und 24, leitfähiger Flüssigkeit 26, Elektroden 31 und 32 und
Heizelementen 50 und 52. Elektroden 30, 31 und 32 sind
entlang der Länge
des Durchgangs 12 angeordnet. Die leitfähige Flüssigkeit 26 ist in
dem Durchgang angeordnet und weist ein Volumen auf, das geringer
ist als dasjenige des Durchgangs, so dass die leitfähige Flüssigkeit den
Durchgang nur teilweise füllt.
Die leitfähige
Flüssigkeit
existiert daher als eine Anzahl von leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 40, 41 und 42.
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Der
Kanal 18 erstreckt sich von dem Hohlraum 14 zu
dem Durchgang 12. Der Kanal 20 erstreckt sich
von dem Hohlraum 16 zu dem Durchgang. Die Kanäle sind
voneinander versetzt, entlang der Länge des Durchgangs, und sind
zwischen der Elektrode 30 und der Elektrode 31 bzw.
zwischen der Elektrode 31 und der Elektrode 32 angeordnet.
Die Hohlräume 14 und 16 und
die Kanäle 18 und 20 sind mit
nichtleitfähigem
Fluid 22 bzw. 24 gefüllt. Heizelemente 50 und 52 sind
in den Hohlräumen 14 bzw. 16 angeordnet,
zum Regeln des inne ren Drucks des nichtleitfähigen Fluids in den Hohlräumen. Die
Kanäle 18 und 20 übertragen
das nichtleitfähige
Fluid in den Hohlräumen 14 bzw. 16 zu
und von dem Durchgang 16.
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Die
Schaltoperation der Schaltvorrichtung 10 ist wie folgt.
In dem anfänglichen
Schaltzustand, der in 1A gezeigt ist, ist das Heizelement 50 mit
Energie versorgt und das Heizelement 52 ist nicht mit Energie
versorgt. Leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 41 und 42 sind
miteinander verbunden, um einen leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 zu
bilden. Der leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 ist
durch das nichtleitfähige
Fluid 22 von dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 40 getrennt.
Somit verbindet der leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 elektrisch
die Elektrode 31 mit der Elektrode 32, aber das
nichtleitfähige Fluid 22 zwischen
dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 und
der leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 41 isoliert
die Elektrode 30 elektrisch von der Elektrode 31.
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Die
Schaltvorrichtung 10 schaltet zu dem in 1B gezeigten
Schaltzustand, wenn das Heizelement 50 nicht mit Energie
versorgt ist und das Heizelement 52 mit Energie versorgt
ist. Wärme,
die durch das Heizelement 52 erzeugt wird, bewirkt, dass
sich das nichtleitfähige
Fluid 24 in dem Hohlraum 16 ausdehnt. Das nichtleitfähige Fluid 24 verläuft durch
den Kanal 20 und dringt in den Durchgang 12 ein.
In dem Durchgang bildet das nichtleitfähige Fluid 24 einen Zwischenraum
in dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 (1A).
Der Zwischenraum trennt den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 in
nicht zusammenhängende
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 41 und 42.
Die Trennung des leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 41, 42 in
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 41 und 42 verdrängt das
nichtleitfähige
Fluid 22 von dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 40 und 41.
Dies ermöglicht es,
dass sich die leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte 40 und 41 verbinden,
um den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 40, 41 zu
bilden. Der leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 40, 41 verbindet
die Elektrode 30 elektrisch mit der Elektrode 31.
Das nichtleitfähige
Fluid 22 in dem Zwischenraum zwischen dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 22 und
dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 40, 41 isoliert
die Elektrode 31 elektrisch von der Elektrode 32.
Die Schaltvorrichtung 10 bleibt so lange in dem Schaltzustand,
der in 1B gezeigt ist, so lange das
Heizelement 52 mit Energie versorgt ist.
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Die
Schaltvorrichtung 10 kehrt zu dem in 1A gezeigten
Schaltzustand zurück,
wenn das Heizelement 52 nicht mit Energie versorgt wird
und das Heizelement 50 mit Energie versorgt wird. Wärme, die
durch das Heizelement 50 erzeugt wird, bewirkt, dass sich
das nichtleitfähige
Fluid 22 in dem Hohlraum 14 ausdehnt. Das nichtleitfähige Fluid 22 verläuft durch
den Kanal 18 und dringt in den Durchgang 12 ein.
In dem Durchgang bildet das nichtleitfähige Fluid 22 einen
Zwischenraum in dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 40, 41 (1B).
Der Zwischenraum trennt den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 40, 41 in
nicht zusammenhängende
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 40 und 41.
Die Trennung des leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 40, 41 verdrängt das nichtleitfähige Fluid 24 von
dem Zwischenraum zwischen leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitten 41 und 42. Dies
ermöglicht
es den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitten 41 und 42,
sich zu verbinden, um einen leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 zu
bilden. Der leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 verbindet
die Elektrode 32 elektrisch mit der Elektrode 31.
Das nichtleitfähige
Fluid 22 isoliert die Elektrode 30 elektrisch
von der Elektrode 31.
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Die
Schaltvorrichtung 10 ist nicht verriegelnd. Das Heizelement 50 muss
durchgehend mit Energie versorgt werden, um die Schaltvorrichtung
in dem in 1A gezeigten Schaltzustand zu
halten, und die Heizvorrichtung 52 muss durchgehend mit Energie
versorgt werden, um die Schaltvorrichtung in dem in 1B gezeigten
Schaltzustand zu halten. Das Unterbrechen der Energieversorgung
des Heizelements 50 nach dem Schalten der Schaltvorrichtung
zu dem in 1A gezeigten Schaltzustand würde das
Risiko in sich bergen, dass die resultierende Kontraktion des nichtleitfähigen Fluids 52 es
den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 40 und 41, 42 ermöglichen
würde,
sich zu verbinden, um eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 30 und 31 zu bilden.
Die Kontraktion des nichtleitfähigen
Fluids 22 würde
das zusätzliche
Risiko bergen, dass sich der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 41, 42 in
leitfähige Flüssigkeitsabschnitte 41 und 42 aufteilt,
um die elektrische Verbindung zwischen den Elektrode 31 und 32 zu
trennen. Anders ausgedrückt,
es gibt das Risiko, dass die Schaltvorrichtung 10 spontan
zu dem in 1B gezeigten Schaltungszustand,
oder zu einem unbestimmten Schaltzustand zurückkehren würde, wenn die Versorgung des
Heizelements 50 mit Energie unterbrochen werden würde. Entsprechende
Risiken lägen
vor, falls die Energieversorgung des Heizelements 52 unterbrochen
wird, nachdem die Schaltvorrichtung 10 zu dem in 1B gezeigten Schaltzustand
geschaltet wurde.
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Somit
muss Energie fortlaufend ausgedehnt werden, um die Schaltvorrichtung 10 in
den Schaltzuständen
zu halten, in die dieselbe geschaltet wurde. Dies ist nicht wünschenswert
in Hinblick auf Kosten, Energieeinsparung und Energiedissipation.
Der Versuch, Energie zu speichern, durch Abschalten der Heizelemente
nach dem Schalten birgt das Risiko, dass die Schaltvorrichtung zu
dem anderen Schaltzustand oder zu einem unbestimmten Zustand zurückkehrt.
In vielen Anwendungen sind solche Risiken unannehmbar.
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Ein
weiteres Beispiel eines solchen Schalters ist in der WO-A-0041198
beschrieben.
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Was
daher benötigt
wird, ist eine Schaltvorrichtung auf Basis leitfähiger Flüssigkeit, die eine relativ
geringe Energiezufuhr erfordert, um schnell von einem Schaltzustand
zu dem anderen umzuschalten. Was ebenfalls benötigt wird, ist eine Schaltvorrichtung
auf der Basis leitfähiger
Flüs sigkeit,
die sich in jedem ihrer Schaltzustände verriegelt, so dass dieselbe
nur eine Energiezufuhr benötigt,
um von einem Schaltzustand zu einem anderen zu schalten. Was schließlich benötigt wird
ist eine Schaltvorrichtung auf der Basis leitfähiger Flüssigkeit, die ohne eine fortlaufende
Energiezufuhr zuverlässig
den Schaltzustand beibehält,
zu dem dieselbe geschaltet wurde.
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Die
Erfindung schafft eine Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch
1.
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Die
Verriegelungsstruktur ermöglicht
es, dass das Heizelement abgeschaltet wird, nachdem der Schaltzustand
der Schaltvorrichtung geändert wurde,
ohne das Risiko, dass die Schaltvorrichtung spontan zu dem anderen
Schaltzustand oder zu einem unbestimmten Schaltzustand zurückkehrt. Wenn
das Heizelement abgeschaltet wird, zieht sich das nichtleitfähige Fluid
zusammen. Die Verriegelungsstruktur und insbesondere die Energiebarrieren halten
jedoch die Oberflächen
der leitfähigen
Flüssigkeit
getrennt. Als Folge behält
die Schaltvorrichtung zuverlässig
den Schaltzustand bei, zu dem dieselbe geschaltet wurde, wenn das
Heizelement mit Energie versorgt wurde. Die Verriegelungsstruktur
stellt sicher, dass die Schaltvorrichtung nur durch Versorgen des
anderen Heizelements mit Energie zu ihrem anderen Schaltzustand
geschaltet werden kann.
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Das
Versorgen der Heizelemente mit Energie, nur um den Schaltzustand
der Schaltvorrichtung zu ändern,
und nicht um die Schaltvorrichtung in dem entsprechenden Schaltzustand
beizubehalten, reduziert den Leistungsverbrauch der Schaltvorrichtung wesentlich,
im Vergleich zu herkömmlichen
Schaltvorrichtungen auf der Basis von leitfähiger Flüssigkeit.
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Die
Verriegelungsstrukturen interagieren direkt mit den freien Oberflächen der
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte,
um die freien Oberflächen
getrennt zu halten, und halten die Schaltvorrichtung in dem Schaltzustand,
in den dieselbe geschaltet wurde. Die Verriegelungsstruktur ist
nicht mit den freien Oberflächen
verbunden, durch einen Faden von leitfähiger Flüssigkeit, dessen Form sich ändern kann, und
es den freien Oberflächen
ermöglichen
kann, sich in Kontakt miteinander zu bewegen. Außerdem ist ein Ende jedes leitfähigen Flüssigkeitsabschnittes durch
ein Ende des Durchgangs begrenzt, und das andere Ende des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts ist
durch eine der Energiebarrieren begrenzt. Da der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt
an beiden Enden begrenzt ist, ist seine Fähigkeit, seine Form zu ändern und
die elektrische Verbindung zwischen Elektroden, die in Kontakt mit
demselben sind, zu öffnen,
wesentlich reduziert.
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Die
Erfindung schafft auch eine Verriegelungsschaltvorrichtung, die
einen Durchgang, einen ersten Hohlraum, einen zweiten Hohlraum,
einen Kanal, der sich von jedem Hohlraum zu dem Durchgang erstreckt,
ein nichtleitfähiges
Fluid, das in den Hohlräumen
angeordnet ist, eine leitfähige
Flüssigkeit,
die in dem Durchgang angeordnet ist, eine erste Elektrode und eine
zweite Elektrode umfasst. Der Durchgang ist länglich. Die Kanäle sind
getrennt voneinander entlang der Länge des Durchgangs angeordnet. Die
Elektroden sind in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Flüssigkeit
und sind auf gegenüberliegenden
Seiten von einem der Kanäle
angeordnet. Der Durchgang umfasst eine Verriegelungsstruktur, die jedem
Kanal zugeordnet ist. Jede Verriegelungsstruktur umfasst einen ersten
Abschnitt mit geringer Oberflächenenergie,
einen Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie
und einen zweiten Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie, die entlang einem
Teil der Länge
des Durchgangs hintereinander angeordnet sind. Der Abschnitt mit
hoher Oberflächenenergie
ist an dem Kanal angeordnet. Die Abschnitte mit niedriger Oberflächenenergie
sind strukturiert, um die Oberflächenenergie
der leitfähigen
Flüssigkeit
relativ zu der Oberflächenenergie
der leitfähigen Flüssigkeit in
dem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie
zu reduzieren.
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In
der Verriegelungsstruktur, die jedem Kanal zugeordnet ist, bilden
der Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie und der Abschnitt
mit hoher Oberflächenenergie
gemeinsam zwei Energiebarrieren, die benachbart und auf gegenüberliegenden Seiten
des Kanals angeordnet sind. Wenn das Heizelement, das dem Kanal
zugeordnet ist, mit Energie versorgt wird, um den Schaltzustand
der Schaltvorrichtung zu schalten, wird nichtleitfähiges Fluid
von dem Kanal ausgegeben und teilt den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt benachbart
zu dem Kanal in zwei kleinere leitfähige Flüssigkeitsabschnitte. Dies bildet eine
freie Oberfläche
auf jedem der leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte.
Das nichtleitfähige
Fluid bewegt die freien Oberflächen
weg von dem Kanal und über die
Energiebarrieren.
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1A ist
eine Draufsicht der Schaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit
basiert, die in der veröffentlichten
internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/46975 veröffentlicht
ist, in einem ersten Schaltzustand.
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1B ist
eine Draufsicht der Schaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit
basiert, die in 1A gezeigt ist, in einem zweiten
Schaltzustand.
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2A ist
eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung,
die auf leitfähiger
Flüssigkeit
basiert, gemäß der Erfindung, in
einem ersten Schaltzustand.
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2B ist
eine Draufsicht der Schaltvorrichtung, die auf der leitfähigen Flüssigkeit
basiert, die in 2A gezeigt ist, in einem zweiten
Schaltzustand.
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3A ist
eine Draufsicht eines Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung,
die auf leitfähiger
Flüssigkeit
basiert, gemäß der Erfindung.
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3B ist
eine Querschnittsansicht eines Teils des Durchgangs eines ersten
Beispiels der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung.
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3C ist
eine Querschnittsansicht eines Teils des Durchgangs eines zweiten
Beispiels der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung.
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3D ist
eine Querschnittsansicht eines Teils des Durchgangs eines dritten
Beispiels der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung.
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3E ist
eine Draufsicht eines Teils einer Variation der in 3A gezeigten
Schaltvorrichtung.
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4 ist
eine Draufsicht eines Teils eines dritten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung, die
auf leitfähiger
Flüssigkeit
basiert, gemäß der Erfindung.
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5 ist
eine Draufsicht eines Teils eines vierten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung,
die auf leitfähiger
Flüssigkeit
basiert, gemäß der Erfindung.
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2A und 2B sind
Draufsichten eines ersten Ausführungsbeispiels 100 einer
Verriegelungsschaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit basiert, gemäß der Erfindung.
Die Schaltvorrichtung 100 besteht aus einem Durchgang 112,
Hohlräumen 114 und 116,
Kanälen 118 und 120,
nichtleitfähigem Fluid 122 und 124,
leitfähiger
Flüssigkeit 126,
Elektroden 130 und 131, und Verriegelungsstrukturen 160 und 162,
die den Kanälen 118 bzw. 120 zugeordnet
sind.
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Der
Durchgang 112 ist länglich.
Der Kanal 118 erstreckt sich von dem Hohlraum 114 zu
dem Durchgang, und der Kanal 120 erstreckt sich von dem
Hohlraum 116 zu dem Durchgang. Die Kanäle sind entlang der Länge des
Durchgangs räumlich voneinander
getrennt. Somit sind der Kanal 118 und der Kanal 120 lateral
voneinander versetzt entlang der Länge des Durchgangs. Die Kanäle 118 und 120 haben
im Wesentlichen kleinere Querschnittsabmessungen als der Durchgang,
um Energiebarrieren 181 bzw. 182 zwischen dem
Durchgang und den Kanälen zu
errichten. Die Energiebarrieren 181 und 182 werden
nachfolgend näher
beschrieben.
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Die
Elektroden 130 und 131 sind in elektrischem Kontakt
mit leitfähiger
Flüssigkeit 126,
und sind auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanals 118 angeordnet. Eine optionale dritte
Elektrode 132 ist ebenfalls gezeigt. Die Schaltvorrichtung
umfasst die beiden Elektroden 130 und 131 bei
Ausführungsbeispielen,
bei denen dieselbe als ein Ein/Aus-Schalter konfiguriert ist. Die
Schaltvorrichtung umfasst zusätzlich
eine dritte Elektrode 132 bei Ausführungsbeispielen, bei denen
dieselbe als ein Umschalter konfiguriert ist. Die Elektrode 132 ist
in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Flüssigkeit. Die Elektroden 131 und 132 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanal 120 angeordnet.
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Das
nichtleitfähige
Fluid 122 ist in dem Hohlraum 114 und in dem Kanal 118 angeordnet.
Das nichtleitfähige
Fluid 122 ist in dem Hohlraum 116 und einem Kanal 120 angeordnet.
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Die
leitfähige
Flüssigkeit 126 ist
in dem Kanal 112 angeordnet. Das Volumen der leitfähigen Flüssigkeit
ist geringer als das des Kanals, so dass die leitfähige Flüssigkeit
den Durchgang nur unvollständig
ausfüllt.
Das verbleibende Volumen des Durchgangs ist durch nichtleitfähiges Fluid 122 oder 124 besetzt,
abhängig
von dem Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100. Die leitfähige Flüssigkeit
kann so angesehen werden, dass dieselbe aus drei leitfähigen Flüs sigkeitsabschnitten 140, 141 und 142 besteht.
Außer
während
Schaltübergängen existiert
die leitfähige
Flüssigkeit 126 als
nur zwei leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte,
die unterschiedliche Größen aufweisen.
Beispielsweise zeigt 2A die leitfähige Flüssigkeit 126, die
als leitfähiger
Flüssigkeitsabschnitt 140 und
leitfähiger
Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 existiert.
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Jeder
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt
weist eine Oberfläche
auf, die in Kontakt mit dem nichtleitfähigen Fluid 122 oder 124 ist.
Eine solche Oberfläche
wird als freie Oberfläche
bezeichnet, um dieselbe von einer Oberfläche des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts
zu unterscheiden, der durch den Kanal 112 begrenzt ist.
In 2A ist die freie Oberfläche des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 140 bei 144 gezeigt,
und die des leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 141, 142 ist
bei 145 gezeigt. In 2B ist
die freie Oberfläche
des leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 140, 141 bei 146 gezeigt,
und die des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 142 ist
bei 147 gezeigt. Die freie Oberfläche eines leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts
weist eine Oberflächenenergie
auf, die von der Oberflächenspannung
der leitfähigen
Flüssigkeit abhängt, und
dem Kehrwert des Krümmungsradius der
freien Oberfläche.
Der Krümmungsradius
hängt teilweise
von den Querschnittsabmessungen des Durchgangs 112 ab,
und von den Benetzungseigenschaften der Wand 138 des Kanals,
wo die freie Oberfläche
auf die Wand des Kanals trifft.
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Heizelemente,
die schematisch bei 150 und 152 gezeigt sind,
sind in Hohlräumen 114 bzw. 116 angeordnet.
Wärme,
die durch eines der Heizelemente erzeugt wird, verursacht, dass
sich nichtleitfähiges
Fluid 122 oder 124 ausdehnt. Das resultierende überschüssige Volumen
des nichtleitfähigen
Fluids wird durch den jeweiligen der Kanäle 118 oder 120 in
den Durchgang 112 ausgestoßen. In einem Schaltzustand
der Schaltvorrichtung 100 teilt nichtleitfähiges Fluid 124,
das in den Durchgang von dem Kanal 120 eindringt, den leitfähi gen Flüssigkeitsabschnitt 141, 142,
in leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 141 und 142,
und bewegt den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141 entlang
dem Durchgang, in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 140, um
den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 zu bilden.
In dem anderen Schaltzustand der Schaltvorrichtung teilt das nichtleitfähige Fluid 122,
das von dem Kanal 118 in einen Durchgang eindringt, den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 in
leitfähige Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141,
und bewegt den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141 entlang
dem Durchgang in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 142,
um den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 zu
bilden.
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In
dem Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100, die in 2A gezeigt
ist, hat Wärme,
die durch das Heizelement 150 erzeugt wurde, bewirkt, dass sich
das nichtleitfähige
Fluid 122 ausdehnt, und das überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids 122 wurde
durch den Kanal 118 in den Durchgang 112 ausgestoßen. Das
nichtleitfähige
Fluid 122, das in den Durchgang 112 eindringt,
hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 (2B)
in leitfähige Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141 unterteilt.
Das nichtleitfähige
Fluid 122, das in den Durchgang 112 eindringt,
hat zusätzlich
nichtleitfähiges
Fluid 124 von dem Durchgang ausgestoßen. Dies ermöglicht es, dass
sich leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 141 und 142 (2B)
vereinen, um den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 zu
bilden. Das nichtleitfähige Fluid 124,
das von dem Durchgang ausgestoßen wird,
kehrt durch den Kanal 120 zu dem Hohlraum 116 zurück.
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In
dem in 2A gezeigten Schaltzustand isoliert
das nichtleitfähige
Fluid 122 einen leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 140 von
dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141, 142,
und isoliert die Elektrode 130, die in Kontakt mit dem
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 140 ist,
elektrisch von der Elektrode 131, die in Kontakt mit dem
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141 ist.
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Bei
Ausführungsbeispielen,
die die Elektrode 132 umfassen, verbindet der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 die
Elektrode 131 elektrisch mit der Elektrode 132.
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In
dem Zustand der Schaltvorrichtung 100, die in 2B gezeigt
ist, hat Wärme,
die durch das Heizelement 152 erzeugt wurde, bewirkt, dass
sich das nichtleitfähige
Fluid 124 ausdehnt, und das überschüssige Volumen des nichtleitfähigen Fluids 124 wurde
durch den Kanal 120 in den Durchgang 112 ausgestoßen. Das
nichtleitfähige
Fluid 124, das in den Durchgang 112 eindringt,
hat den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 (2A)
in leitfähige Flüssigkeitsabschnitte 141 und 142 unterteilt.
Nichtleitfähiges
Fluid 124, das in den Durchgang 112 eindringt,
hat zusätzlich
nichtleitfähiges
Fluid 122 von dem Durchgang ausgestoßen. Dies ermöglicht es den
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitten 140 und 141 (2A)
sich zu verbinden, um den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 zu
bilden. Nichtleitfähiges Fluid 122,
das von dem Durchgang ausgestoßen wird,
kehrt durch den Kanal 118 zu dem Hohlraum 114 zurück.
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In
dem in 2B gezeigten Schaltzustand verbindet
der leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 die
Elektrode 130 elektrisch mit der Elektrode 131,
und das nichtleitfähige
Fluid 124 isoliert den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 142 von
dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 140, 141.
Bei Ausführungsbeispielen,
die die Elektrode 132 umfassen, isoliert das nichtleitfähige Fluid 124 elektrisch
die Elektrode 132, die in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 142 ist,
von der Elektrode 131, die in Kontakt mit dem leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 ist.
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Bei
der Verriegelungsschaltvorrichtung 100 gemäß der Erfindung
umfasst der Durchgang 112 Verriegelungsstrukturen 160 und 162,
die an den Kanälen 118 bzw. 120 zugeordnet
sind.
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Jede
Verriegelungsstruktur besteht aus einer Energiebarrieren, die zwischen
dem jeweiligen Kanal und jeder der benachbarten Elektroden angeordnet ist.
Die Verriegelungsstruktur 160 besteht aus einer Energiebarriere 154 und
einer Energiebarriere 155, die auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanals 118 angeordnet sind. Die Verriegelungsstruktur 162 besteht
aus einer Energiebarriere 156 und einer Energiebarriere 157,
die auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanals 120 angeordnet sind. Jede Energiebarriere
ist durch die Nebeneinanderstellung von zwei longitudinalen Abschnitten
des Durchgangs 112, einen Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie
und einen Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie gebildet, die hintereinander
entlang einem Teil der Länge des
Durchgangs angeordnet sind, wobei der Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie
näher zu
dem Kanal angeordnet ist, dem die Verriegelungsstruktur zugeordnet
ist.
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Die
Energiebarriere 154 besteht aus einem Abschnitt mit niedriger
Oberflächenenergie 164 und einem
Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165, und
die Energiebarriere 155 besteht aus einem Abschnitt 166 mit
niedriger Oberflächenenergie
und einem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165. Der
Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 ist in
dem Durchgang näher
zu dem Kanal 118 angeordnet als die Abschnitte mit niedriger
Oberflächenenergie 164 und 166.
Die Energiebarriere 156 besteht aus einem Abschnitt mit
niedrigerer Oberflächenenergie 167 und
einem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 168,
und die Energiebarriere 157 besteht aus einem Abschnitt
mit niedriger Oberflächenenergie 169 und
einem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 168.
Der Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 168 ist
in dem Durchgang näher
zu dem Kanal 120 angeordnet als die Abschnitte mit niedriger
Oberflächenenergie 167 und 169.
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Die
Verriegelungsstruktur 160 wird nun näher beschrieben. Die Verriegelungsstruktur 162 ist ähnlich und
wird daher nicht getrennt beschrieben. Der Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 164 und
der Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 sind
relativ zueinander strukturiert, so dass die freie Oberfläche 144 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 140 eine
niedrigere Oberflächenenergie
aufweist, wenn dieselbe in einem Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 164 angeordnet
ist, als wenn dieselbe in einem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 angeordnet
ist. Gleichartig dazu sind der Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 166 und der
Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 relativ
zueinander strukturiert, so dass die freie Oberfläche 145 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 141, 142 eine
niedrigere Oberflächenenergie
aufweist, wenn dieselbe in dem Abschnitt mit niedrigerer Oberflächenenergie 166 angeordnet
ist, als wenn dieselbe in dem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 angeordnet
ist. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Abschnitte mit niedriger
Oberflächenenergie 164 und 166 und
des Abschnitts mit hoher Oberflächenenergie 165 bezüglich der
Oberflächenenergie
der leitfähigen
Flüssigkeit
errichten Energiebarrieren auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals 118.
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Wie
dieselbe in dieser Offenbarung verwendet wird, wird eine Bezugnahme
auf die freie Oberfläche
eines leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts,
der in einem bestimmten Abschnitt des Durchgangs 112 ist, so
verwendet, dass sich dieselbe auf die Position bezieht, wo die freie
Oberfläche
auf die Wand des Durchgangs trifft. Beispielsweise ist die freie
Oberfläche 144 in 2A in
dem Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 164, weil
die freie Oberfläche 144 die
Wand 138 des Abschnitts des Durchgangs trifft, der als
der Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 164 identifiziert
ist.
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Die
Energiebarrieren 154 und 155, die durch die Nebeneinanderstellung
des Abschnitts mit hoher Oberflächenenergie 156 des
Durchgangs 112 mit den Abschnitten mit niedrigerer Oberflächenenergie 164 bzw. 166 gebildet
werden, halten die freien Oberflächen
der leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141, 143 auf
den Niedrigenergieseiten der Energiebarrieren, d. h. in den Abschnitten
mit niedrigerer Oberflächenenergie 164 und 166.
Eine wesentliche Energiezufuhr ist erforderlich, um die freien Oberflächen der
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte
von dem Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie zu dem benachbarten
Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie
zu bewegen.
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Man
betrachte beispielsweise den in 2A gezeigten
Schaltzustand. Wenn die Schaltvorrichtung 100 in diesen
Schaltzustand geschaltet wird, trennt das nichtleitfähige Fluid 122 den
leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 (2B)
in leitfähige Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141.
Das nichtleitfähige
Fluid 122 bewegt die freien Oberflächen 144 und 145 der
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte 140 bzw. 141
entlang dem Durchgang 112 in entgegengesetzten Richtungen,
weg von dem Kanal 118. Die freien Oberflächen 144 und 145 bewegen
sich durch den Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 und
in die Abschnitte mit niedrigerer Oberflächenenergie 164 bzw. 166.
Außerdem
verbindet sich der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 141 mit
dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 142,
um den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 zu
bilden.
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Wenn
die Energieversorgung des Heizelements 150 unterbrochen
wird, nachdem dasselbe die Schaltvorrichtung 100 zu dem
in 2A gezeigten Schaltzustand geschaltet hat, kühlt das
nichtleitfähige
Fluid 122 ab und zieht sich zusammen. Das Zusammenziehen
neigt dazu, das nichtleitfähige
Fluid 122 von dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitten 140 und 141, 142 zurück zu ziehen.
Ohne die Verriegelungsstruktur 160 würde das Zurückziehen des nichtleitfähigen Fluids
es den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitten 140 und 141 potentiell
ermöglichen,
sich zu verbinden, wie es oben mit Bezugnahme auf 1A beschrieben
ist.
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Wenn
jedoch bei der Verriegelungsschaltvorrichtung 100 gemäß der Erfindung
die Energieversorgung des Heizelements 150 nach dem Festlegen
des Schaltzustands, der in 2A gezeigt
ist, unterbrochen wird, leistet die Energiebarriere 154,
die durch den Abschnitt mit niedrigerer Oberflächenenergie 164 und
den Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 gebildet
ist, Widerstand gegen die Bewegung der freien Oberfläche 144 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 140 in
den Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165.
Gleichartig dazu leistet die Energiebarriere 155, die durch
den Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 166 und
dem Abschnitt hoher Oberflächenenergie 165 gebildet
ist, Widerstand gegen die Bewegung der freien Oberfläche 145 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 141, 142 in
den Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165.
Eine Energiezufuhr, die höher
ist als diejenige, die von dem Zusammenziehen des nichtleitfähigen Fluids 122 verfügbar ist,
ist erforderlich, um die Oberflächen
der leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141, 142 über die
Energiebarrieren 154 bzw. 155 über den Abschnitt mit hoher
Oberflächenenergie 165 und
in Kontakt miteinander zu bewegen. Somit behält die Verriegelungsstruktur 160 die
elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 130 und 131 in
einem offenen Zustand bei.
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Da
die Energiebarriere 155 die freie Oberflächen 145 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 141, 142 entfernt
von dem Kanal 118 hält,
reduziert die Verriegelungsstruktur 160 darüber hinaus
die Wahrscheinlichkeit wesentlich, dass sich der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 in
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 141 und 142 unterteilt,
die die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 131 und 132 öffnen. Folglich
behält
die Verriegelungsstruktur 160 die Verriegelungsschaltvorrichtung 100 in
dem in 2A gezeigten Schaltzustand bei,
nachdem die Energieversorgung des Heizelements 150 unterbrochen
wurde.
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Die
Energiezufuhr, die erforderlich ist, um die freien Oberflächen 144 und 145 der
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141, 142 über die
Energiebarrieren 154 und 155 und in Kontakt miteinander zu
bewegen, ist geringer als diejenige, die verfügbar ist von der Ausdehnung
des nichtleitfähigen
Fluids 124 ansprechend auf das Heizelement 152.
Somit liefert das Versorgen des Heizelements 125 mit Energie
ausreichend Energie, um die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141 in
Kontakt miteinander zu bewegen, um die Schaltvorrichtung 100 zu
dem in 2B gezeigten Schaltzustand zu
schalten.
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Gleichartig
dazu, wenn die Energieversorgung des Heizelements 152 nach
dem Festlegen des in 2B gezeigten Schaltzustands
unterbrochen wird, hält
die Verriegelungsstruktur 162, die durch Abschnitte mit
niedriger Oberflächenenergie 167 und 169 und
Abschnitte mit hoher Oberflächenenergie 168 gebildet
ist, die freien Oberflächen 146 und 147 der
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 140, 141 und 142 voneinander
getrennt. Eine Energiezufuhr, die größer ist als diejenige, die
von dem Zusammenziehen des nichtleitfähigen Fluids 124 verfügbar ist,
ist erforderlich, um die freien Oberflächen 146 und 147 über die
Energiebarrieren 156 und 157 und in Kontakt miteinander
zu bewegen. Als Folge behält
die Verriegelungsstruktur 162 die elektrische Verbindung zwischen
Elektroden 131 und 132 in einem offenen Zustand
bei.
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Da
die Energiebarriere 156 darüber hinaus die freie Oberfläche 146 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 140, 141 entfernt
von dem Kanal 120 hält, reduziert
die Verriegelungsstruktur 162 wesentlich die Wahrscheinlichkeit,
dass sich der leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 in
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141 unterteilt,
die die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 130 und 131 öffnen. Folglich
behält
die Verriegelungsstruktur 162 die Schaltvorrichtung 100 in
dem in 2B gezeigten Schaltzustand bei,
nachdem die Energieversorgung des Heizelements 152 unterbrochen
wurde.
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Die
Energiezufuhr, die erforderlich ist, um die freien Oberflächen 146 und 147 der
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte 140, 141 und 142 über die
Energiebarrieren 156 bzw. 157 und in Kontakt miteinander zu
bewegen, ist geringer als diejenige, die von der Ausdehnung des
nichtleitfähigen
Fluids 122 ansprechend auf das Heizelement 150 verfügbar ist.
Somit liefert das Versorgen des Heizelements 150 mit Energie
ausreichend Energie, um die leitfähigen Flüssigkeitsabschnitte 141 und 142 in
Kontakt miteinander zu bewegen, um den in 2A gezeigten
Schaltzustand herzustellen.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Verriegelungsstruktur 160 die
freien Oberflächen 144 und 145 direkt
hält, um
die leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitte 140 und 141, 142 auseinander
zu halten, und die Schaltvorrichtung in dem in 2A gezeigten
Schaltzustand beizubehalten. Die Verriegelungsstruktur ist nicht
mit den freien Oberflächen
verbunden, durch einen Faden aus leitfähiger Flüssigkeit, dessen Form sich ändern kann,
und es den leitfähigen
Flüssigkeiten
ermöglichen
kann, in Kontakt miteinander zu kommen. Ähnliche Anmerkungen gelten bezüglich der
Verriegelungsstruktur 162.
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Die
Fähigkeit
der Verriegelungsstruktur 160, zu verhindern, dass der
leitfähige
Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 seine
Form ändert,
und somit den Schaltzustand der Schaltvorrichtung 100 ändert, hängt teilweise
von der Energiebarriere 182 ab, die an der Grenzfläche des
Kanals 142 und des Durchgangs 112 existiert. Die
Energiebarriere 182 hält
die freie Oberfläche 149 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 141, 142 an
dem Kanal 142, und verhindert somit, dass sich die freie
Oberfläche 149 in
den Kanal vorbewegt, und versieht den leitfähigen Flüssigkeitsabschnitt 141, 142,
mit der Fähigkeit,
seine Form zu ändern.
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Die
Energiebarriere 182 ist gebildet durch Strukturieren des
Kanals 120, damit derselbe im Wesentlichen kleinere Querschnittsabmessungen
aufweist als der Durchgang 112, wie es oben beschrieben
ist. Als Folge der kleineren Querschnittsabmessungen hätte die
freie Oberfläche 149 eine
im Wesentlichen höhere
Oberflächenenergie
in dem Kanal 142 als in dem Durchgang 112, und
eine Energiezufuhr wäre
erforderlich, um die freie Oberfläche 149 von dem Durchgang
in den Kanal zu bewegen. Da die freien Oberflächen 145 und 149 des
leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 141, 142 durch
Energiebarrieren gehalten werden, und der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 anderweitig
durch den Durchgang begrenzt ist, ist somit die Fähigkeit
des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 141, 142,
seine Form zu ändern
und die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 131 und 132 zu ändern, wesentlich
reduziert.
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Falls
hydraulische oder pneumatische Verluste in dem Kanal 120 ein
Problem sind, kann der Kanal geformt sein, um eine Verengung zu
umfassen, in der der Kanal über
nur einen Teil seiner Länge im
Wesentlichen kleinere Querschnittsabmessungen aufweist als der Kanal 112.
Die Verengung kann beispielsweise an der Grenzfläche des Kanals und des Durchgangs
angeordnet sein.
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Ein
Verhältnis
zwischen den Querschnittsabmessungen des Kanals 120 und
denjenigen des Durchgangs 112 von weniger als etwa 0,9
bildet eine Energiebarriere 182 mit einer Höhe, die
ausreicht, um die freie Oberfläche 149 zu
halten. Ein kleinerer Wert dieses Verhältnisses liefert jedoch eine
größere Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Umgebungsstimuli, wie z. B. Erschütterung und Temperaturänderungen. Bei
einigen praktischen Beispielen wurde ein Verhältnis in dem Bereich von etwa
0,3 bis etwa 0,5 verwendet.
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3b zeigt
die Energiebarriere 181, die die freie Oberfläche 148 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 140, 141, an
dem Kanal 118 hält.
Da somit beide freien Oberflächen 196 und 148 des
leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 140, 141 durch
Energiebarrieren gehalten werden, und der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 140, 141 anderweitig
durch den Kanal 112 begrenzt wird, ist die Fähigkeit
des leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 140, 141,
seine Form zu ändern und
die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 130 und 131 zu öffnen, wesentlich
reduziert. Die Energiebarriere 181 ist ähnlich wie die Energiebarriere 182,
und wird daher nicht näher
beschrieben.
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3A ist
eine Draufsicht eines Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels 200 einer
Verriegelungsschaltvorrichtung auf der Basis eines flüssigen Leiters,
gemäß der Erfindung.
Die Schaltvorrichtung 200 ist in einem Schaltzustand gezeigt,
der dem oben mit Bezugnahme auf 2A beschriebenen
Schaltzustand entspricht. Für
Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet ist klar, dass die Schaltvorrichtung
einen alternativen Schaltzustand aufweist, der dem entspricht, der
oben mit Bezugnahme auf 2B beschrieben
wurde. Die Schaltvorrichtung 200 ist als ein Umschalter
konfiguriert gezeigt, und umfasst daher die optionale dritte Elektrode 132.
In einer Ein-/Ausschalterkonfiguration würde die Elektrode 182 ausgelassen
werden. Elemente der Schaltvorrichtung 200 die Elementen
der oben mit Bezugnahme auf 2A und 2B beschriebenen
Schalvorrichtung 100 entsprechen, sind durch die gleichen Bezugszeichen
angezeigt und werden nicht erneut näher beschrieben.
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In
der Schaltvorrichtung 200 ist der Durchgang 212 länglich und
hat entlang seiner Länge
im Wesentlichen konstante Querschnittsabmessungen. Der Abschnitt
mit niedriger Oberflächenenergie 164 der
Verriegelungsstruktur 160 besteht aus einer stark benetzbaren
Schicht 270. Der Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 166 der
Verriegelungsstruktur 160 und der Abschnitt mit niedriger
Oberflächenenergie 167 der
Verriegelungsstruktur 162 bestehen gemeinsam aus einer stark
benetzbaren Schicht 271. Der Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 169 der
Verriegelungsstruktur 162 besteht aus einer stark benetzbaren
Schicht 272. Die stark benetzbaren Schichten bedecken jeweils
Teile der Abschnitte der Wand 238 des Durchgangs 212,
die in Abschnitten mit niedriger Oberflächenenergie 164, 166, 167 und 169 des
Durchgangs angeordnet sind.
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Die
Abschnitte der Wand 238 des Durchgangs 212, die
in dem Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 165 der
Verriegelungsstruktur 160 und in dem Abschnitt mit hoher
Oberflächenenergie 168 der
Verriegelungsstruktur 162 angeordnet sind, sind nicht durch
stark benetzbare Schichten bedeckt. Die stark benetzbaren Schichten
bestehen jeweils aus einem Material mit einer stärkeren Benetzbarkeit bezüglich einer
leitfähigen
Flüssigkeit 126 als
die Abschnitt der Wand 238, die in Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 des
Durchgangs angeordnet sind. Die höhere Benetzbarkeit der stark benetzbaren
Schichten reduziert den Kontaktwinkel zwischen der freien Oberfläche eines
leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts
und der stark benetzbaren Schicht, wenn die freie Oberfläche benachbart
zu der stark benetzbaren Schicht angeordnet ist. Dies wiederum erhöht den Krümmungsradius
der freien Oberfläche
und reduziert die Oberflächenenergie
der freien Oberfläche.
Somit bilden die stark benetzbaren Schichten 270 und 271 und
der Abschnitt der Wand 238, der den Abschnitt mit hoher
Oberflächenenergie 165 des
Durchgangs bildet, Energiebarrieren 154 und 155,
die auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanals 118 angeordnet sind. Gleichartig dazu
bilden stark benetzbare Schichten 271 und 272 und
der Abschnitt der Wand 238, der den Abschnitt mit hoher Oberflächenenergie 168 des
Durchgangs bildet, Energiebarrieren 156 und 157,
die auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanals 120 angeordnet sind.
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Drei
Beispiele der Struktur des Abschnitts mit niedriger Oberflächenenergie 167 des
Kanals 212 der Verriegelungsschaltvorrichtung 200 sind
in den vergrößerten Quer schnittsansichten
von 3B, 3C und 3D gezeigt.
Diese und andere Merkmale der Struktur der Verrieglungsschaltvorrichtung 200 werden
mit Bezugnahme auf diese Figuren und mit zusätzlicher Bezugnahme auf 3A beschrieben.
Die Querschnittsansichten werden entlang der Abschnittslinie 3B-3B
genommen, die in 3A gezeigt ist. Die Schnittlinie
schneidet den Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 167, aber
Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien, die die Abschnitte
mit niedriger Oberflächenenergie 164, 166 und 169 schneiden,
werden im Wesentlichen gleich aussehen. Folglich wird die Struktur
der Abschnitte mit niedriger Oberflächenenergie 164, 166 und 169 nicht
getrennt beschrieben.
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Mit
Bezugnahme auf 3B wird zuerst die Verriegelungsschaltvorrichtung 200 in
den Substraten 201 und 203 hergestellt. Das Material
der Substrate ist ein elektrisch isolierendes Material, wie z. B. ein
Glas, eine Keramik oder ein Halbleiter, das bezüglich einer leitfähigen Flüssigkeit 226 eine
relativ geringe Benetzbarkeit aufweist. Die Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 ist im Wesentlichen eben, und die Elemente
der Verriegelungsschaltvorrichtung, einschließlich der Hohlräume 114 und 116,
Kanäle 118 und 120 und
des Durchgangs 212, erstrecken sich in die Tiefe in das
Substrat 203 von der Hauptoberfläche 207 aus. Prozesse
zum Bilden solcher Elemente in einem Substrat durch Verfahren, wie
z. B. Nass- und Trockenätzen
oder Ablation sind in der Technik bekannt und werden hierin nicht
näher beschrieben.
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3B und 3C zeigen
Beispiele, bei denen das Substrat 203 ein Wafer aus Glas,
ein Halbleiter, wie z. B. Silizium, oder eine Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid
oder Berylliumoxid ist, in dem durch einen Ablationsprozess ein
Graben 209 gebildet wird, wie z. B. Sprengen unter Verwendung
von Partikeln aus Aluminiumoxid. Der Graben hat eine im Wesentlichen
eine U-förmige
Querschnittsform. Andere Querschnittsformen, wie z. B. quadratisch, rechteckig,
trapez förmig,
halbkreisförmig
und halbelliptisch sind möglich.
Der Graben 209 liefert einen Teil des Durchgangs 212,
und die Wand 211 des Grabens 209 liefert einen
Teil der Wand 238 des Durchgangs. Der Rest der Wand 238 wird
durch den Teil der Hauptoberfläche 205 des
Substrats 200 geliefert, der den Graben überlappt.
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Die
Abschnitte des Teils der Hauptoberfläche 205 des Substrats 201,
die den Graben 209 in Abschnitten mit niedriger Oberflächenenergie 164, 166, 167 und 169 des
Durchgangs 212 überlappen,
sind durch stark benetzbare Schichten 270, 271 und 272 bedeckt.
Die stark benetzbare Schicht 271 ist gezeigt. Prozesse
zum Aufbringen von Schichten aus stark benetzbaren Materialien,
wie z. B. Metallen, auf der Hauptoberfläche des Substrats, sind in
der Technik bekannt und werden hier nicht beschrieben.
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Die
Verriegelungsschaltvorrichtung 200 ist zusammengesetzt
mit den Hauptoberflächen 205 und 207 der
Substrate 201 bzw. 203 und nebeneinander angeordnet.
Das Zusammensetzen der Schaltvorrichtung 200 ordnet das
stark benetzbare Material der stark benetzbaren Schichten 270, 271 und 272 an
den Abschnitten mit niedriger Oberflächenenergie 164, 166, 167 und 169 des
Durchgangs 212 an. Die Abschnitte mit niedriger Oberflächenenergie 164 und 166 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanals 118, und die Abschnitte mit niedriger
Oberflächenenergie 167 und 169 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten des Kanals 120, wie es in 3A gezeigt
ist. Eine vorbestimmte Menge aus leitfähiger Flüssigkeit, weniger als diejenige
des Kanals 212, wird vor dem Zusammenbau in den Graben 209 platziert.
Falls das nichtleitfähige
Fluid 122 und 124 eine Flüssigkeit ist, werden die Hohlräume 112 und 114 und
die Kanäle 118 und 120 vor
dem Zusammenbau mit nichtleitfähigem
Fluid gefüllt.
Falls das nichtleitfähige
Fluid ein Gas ist, wird das Zusammensetzen in einer Atmosphäre des Gases
durchgeführt,
so dass das Gas die Hohlräume
und die Kanäle
füllt.
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Bei
dem in 3B gezeigten Beispiel sind die
stark benetzbaren Schichten, 270, 271 und 272 nur
auf der Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 angeordnet. Auch wenn die stark benetzbaren Schichten 270, 271 und 272 jeweils
nur Teil des Umfangs des Durchgangs 212 in dem Abschnitt
mit niedriger Oberflächenenergie 164, 166, 167 und 169 bedecken,
d. h. den Teil des Umfangs, der durch die Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 geliefert wird, verringern dieselben die
Oberflächenenergie der
freien Oberflächen
der leitfähigen
Flüssigkeit 126 relativ
zu derjenigen der freien Oberfläche,
wenn dieselben in den Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 angeordnet
sind. Das Verringern der Oberflächenenergie
ist ausreichend, um in dem Durchgang auf gegenüberliegenden Seiten der Kanäle 118 und 120 effektive
Energiebarrieren zu bilden, wie es oben beschrieben ist.
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Bei
dem in 3C gezeigten Beispiel bedeckt
die stark benetzbare Schicht 271 wesentlich den Umgang
des Durchgangs 212 in dem Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 167.
Die stark benetzbare Schicht 271 umfasst den Schichtabschnitt 213,
der auf der Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 angeordnet ist, und umfasst zusätzlich den Schichtabschnitt 215,
der auf der Wand 211 des Grabens 209 angeordnet
ist. Prozesse zum Aufbringen von Schichten aus stark benetzbaren
Materialien, wie z. B. Metallen, um ausgewählte Abschnitte der Wand eines
Graben abzudecken, der in einem Substrat gebildet ist, sind in der
Technik bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.
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3D zeigt
ein Beispiel, bei dem das Substrat 203 ein Wafer aus Silizium
ist, und der Graben 217 einen V-förmigen Querschnitt aufweist.
Bei diesem Beispiel ist der Graben 217 durch einen isotropen Ätzprozess
gebildet. Die Wand 219 des Grabens liefert einen Teil der
Wand 238 des Durchgangs 212. Der Rest der Wand 238 wird
durch den Teil der Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 geliefert, der den Graben überlappt,
wie es oben beschrieben wird. Die stark benetz bare Schicht 271 umfasst
einen Schichtabschnitt 213, der auf der Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 angeordnet ist, und umfasst zusätzlich den
Schichtabschnitt 221, der auf der Wand 219 des
Grabens 217 angeordnet ist. Prozesse zum Aufbringen der
Schichten aus stark benetzbaren Materialien, wie z. B. Schichten
aus einem geeigneten Metall, in einem Graben, der in einem Substrat
gebildet ist, sind in der Technik bekannt und werden hier nicht
beschrieben.
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Bei
den in 3C und 3D gezeigten Beispielen
bedeckt die stark benetzbare Schicht 271 im Wesentlichen
den Umfang des Durchgangs 212 in Abschnitten mit niedriger
Oberflächenenergie 166 und 167.
Die Oberflächenenergie
der freien Oberflächen 145 und 146 (2B)
der leitfähigen
Flüssigkeit 126 ist
geringer in den Regionen mit niedriger Oberflächenenergie 166 und 167,
und die Energiebarrieren sind daher höher als in Regionen mit niedriger
Oberflächenenergie 166 und 167 des
in 3B gezeigten Beispiels, bei dem die stark benetzbare Schicht 271 nur
den Abschnitt des Durchgangs 212 bedeckt, der durch die
Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 vorgesehen ist.
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Bei
dem in 3D gezeigten Beispiel kann der
stark benetzbare Schichtabschnitt 221 ausgelassen werden.
In diesem Fall bedeckt die stark benetzbare Schicht 271 nur
den Teil des Umfangs des Durchgangs 212, der durch die
Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 in einer Anordnung vorgesehen ist, die ähnlich ist
wie diejenige, die in 3A gezeigt ist. Bei weiteren
Variationen kann der stark benetzbare Schichtabschnitt 213 von
den in 3C und 3D gezeigten
Beispielen ausgelassen werden. In diesen Fällen besteht die stark benetzbare
Schicht 271 nur aus dem Schichtabschnitt 215,
der auf der Oberfläche 211 des
Grabens 209 angeordnet ist (3C), oder
aus dem Schichtabschnitt 221, der auf der Oberfläche 219 des
Grabens 217 angeordnet ist (3D).
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Bei
einem praktischen Beispiel der Verriegelungsschaltvorrichtung 200 war
die leitfähige
Flüssigkeit 126 Quecksilber,
das stark benetzbare Material der stark benetzbaren Schichten 270, 271 und 272 war
Platin, und das nichtleitfähige
Fluid 122 und 124 war Stickstoff. Alternative
leitfähige
Flüssigkeiten
umfassen Gallium, Kaliumnatriumtartrat oder ein anderes leitfähiges Material,
das bei der Betriebstemperatur der Schaltvorrichtung flüssig ist.
Alternative stark benetzbare Materialien umfassen Lithium, Ruthenium,
Nickel, Palladium, Kupfer, Silber, Gold und Aluminium. Alternative
nichtleitfähige
Fluide umfassen Argon, Helium, Kohlendioxid, andere Inertgase und Gasmischungen
und nichtleitfähige
organische Flüssigkeiten
und Gase, wie z. B. Fluorkohlenwasserstoffe.
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Bei
praktischen Beispielen war der Graben 217 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 sie durch ein Substrat 201 bedeckt werden, Kanäle 118 und 120 bilden,
waren etwa 30 μm
bis etwa 100 μm
breit und etwa 30 μm bis
etwa 100 μm
tief, waren aber schmaler und flacher als der Graben 217.
Die Gräben
wurden durch Ablation in einem Glassubstrat gebildet. Folglich war das
Material der Wand 238 des Durchgangs 212, der in
den Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 angeordnet
ist, Glas. Glas hat eine wesentlich niedrigere Benetzbarkeit bezüglich solcher leitfähigen Flüssigkeiten
wie Quecksilber und Gallium als das stark benetzbare Material der
stark benetzbaren Schichten 270 bis 272.
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Die
oben beschriebenen Materialien und Abmessungen sind ebenfalls geeignet
für die
Verwendung in den anderen Verriegelungsschaltvorrichtungen auf Basis
leitfähiger
Flüssigkeit,
die hierin beschrieben sind.
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Andere
Materialien als Glas, Halbleiter oder Keramik können als Substrate 201 und 203 verwendet
werde. Beispielsweise können
die Elemente der Schaltvorrichtungen in einem Sub strat 203 aus
einem formbaren Kunststoffmaterial geformt sein. Ein ähnliches
Material kann für
das Substrat 201 verwendet werden. Einige solcher alternativen
Substratmaterialen können
eine relativ hohe Benetzbarkeit bezüglich der leitfähigen Flüssigkeit 126 aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen
der Verriegelungsschaltvorrichtung 200, bei denen sich
die Benetzbarkeit der Substratmaterialien bezüglich der leitfähigen Flüssigkeit
unwesentlich von der des stark benetzbaren Materials unterscheidet,
können
Regionen mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 in
dem Durchgang 212 gebildet werden, durch Bedecken der Abschnitte der
Wand 238, die in Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 des
Durchgangs angeordnet sind, mit einer schwach benetzbaren Schicht (nicht
gezeigt). Die schwach benetzbare Schicht ist eine Schicht aus einem
schwach benetzbaren Material mit einer im Wesentlichen niedrigeren
Benetzbarkeit bezüglich
der leitfähigen
Flüssigkeit
als das stark benetzbare Material der stark benetzbaren Schichten 270 bis 272.
Bei einem Ausführungsbeispiel,
das schwach benetzbare Schichten in den Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 umfasst, und
bei dem die Materialien der Substrate 201 und 203 eine
starke Benetzbarkeit bezüglich
der leitfähigen
Flüssigkeit 126 aufweisen,
können
die stark benetzbaren Schichten 270 bis 272 ausgelassen
werden.
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3E zeigt
ein Beispiel einer Verriegelungsschaltvorrichtung 200,
bei der das Material von zumindest dem Substrat 203 eine
starke Benetzbarkeit bezüglich
der leitfähigen
Flüssigkeit 126 aufweist.
Die Abschnitte der Wand 279, die in den Abschnitten mit
niedriger Oberflächenenergie 164, 166, 167 und 169 des
Durchgangs 212 angeordnet sind, werden der leitfähigen Flüssigkeit
ausgesetzt. Die schwach benetzbaren Schichten 281 und 282 bedecken
zumindest den Teil des Umfangs des Kanals 212, der durch
die Hauptoberfläche 205 des
Substrats 201 in den Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 des
Durchgangs geliefert wird. Die schwach benetzbaren Schichten können alternativ
den gesamten Umfang des Durchgangs 212 in den Abschnitten mit
hoher Oberflächenenergie 165 und 168 auf
eine Weise bedecken, die ähnlich
ist wie die in 3B, 3C oder 3D gezeigte
stark benetzbare Schicht 271.
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4 ist
eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels 300 einer
Verriegelungsschaltvorrichtung auf der Basis eines flüssigen Leiters
gemäß der Erfindung.
Die Schaltvorrichtung 300 ist in einem Schaltzustand gezeigt,
der dem oben mit Bezugnahme auf 2A gezeigten
Schaltzustand entspricht. Für
Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet ist klar, dass die Schaltvorrichtung 300 einen
alternativen Schaltzustand aufweist, der dem entspricht, der oben
mit Bezugnahme auf 2B beschrieben ist.
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Um
die Zeichnung zu vereinfachen, sind nur der Durchgang 212 und
Teile der Kanäle 118 und 120 der
Schaltvorrichtung 300 gezeigt. Die verbleibenden Elemente
der Schaltvorrichtung sind identisch mit entsprechenden Elementen
der Schaltvorrichtung 200, die oben mit Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben
ist. Elemente der Schaltvorrichtung 300, die Elementen
der Schaltvorrichtungen 100 und 200 entsprechen,
die oben mit Bezugnahme auf 2A, 2B und 3A bis 3D beschrieben
sind, sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden
nicht erneut näher
beschrieben.
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Wie
bei der Schaltvorrichtung 200 sind die Abschnitte mit niedriger
Oberflächenenergie 164, 166 und 167, 169 der
Verriegelungsstrukturen 160 bzw. 162 aus stark
benetzbaren Schichten 270, 271 bzw. 272 zusammengesetzt.
Die stark benetzbaren Schichten bedecken jeweils zumindest einen
Teil des Umfangs des Durchgangs 212 in jedem der Abschnitte
der niedrigen Oberflächenenergie
des Durchgangs, und bestehen jeweils aus einem stark benetzbarem
Material. Das stark benetzbare Material hat eine stärkere Benetzbarkeit
bezüglich
der leitfähigen Flüssigkeit 126 als
der Abschnitt der Wand 238, der die Abschnitte mit hoher
Oberflächenenergie 164 und 166 des
Durchgangs bildet.
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Bei
der Verriegelungsschaltvorrichtung 300 ist das stark benetzbare
Material der stark benetzbaren Schichten 270, 271, 272 ein
leitfähiges
Material, wie z. B. ein Metall. Elektrische Verbindungen 320, 321 und 322 sind
zu den stark benetzbaren Schichten 270, 271 bzw. 272 hergestellt.
Mit den elektrischen Verbindungen wirken die stark benetzbaren Schichten 270, 271 und 272 zusätzlich als
Elektroden 130, 131 bzw. 132. Somit sind
bei der Verriegelungsschaltvorrichtung 300 Elektroden 130, 131 und 132 einstückig mit
den stark benetzbaren Schichten 270, 271 und 272.
Die Herstellung der Schaltvorrichtung 300 ist vereinfacht,
indem keine Elektroden unabhängig
von den stark benetzbaren Schichten hergestellt werden müssen. Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Verriegelungsschaltvorrichtung 300, die als Ein-/Ausschalter konfiguriert
ist, kann die elektrische Verbindung 322 ausgelassen werden.
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Die
Schaltvorrichtungen auf der Basis von leitfähiger Flüssigkeit 200 und 300 wurden
oben mit Bezugnahme auf die Beispiele beschrieben, bei denen eine
einzige stark benetzbare Schicht 271 sowohl den Abschnitt
mit niedriger Oberflächenenergie 166 als
auch den Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 167 liefert.
Dies ist jedoch für
die Erfindung nicht wesentlich. Einzelne stark benetzbare Schichten
können
in dem Durchgang 212 angeordnet sein, um den Abschnitt
mit niedriger Oberflächenenergie 166 und
den Abschnitt mit niedriger Oberflächenenergie 167 zu
liefern.
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5 ist
eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels 400 einer
Verriegelungsschaltvorrichtung auf der Basis eines flüssigen Leiters
gemäß der Erfindung.
Um die Zeichnung zu vereinfachen, sind nur der Durchgang 412 und
Teile der Kanäle 118 und 120 gezeigt.
Die Elemente der Schaltvorrichtung, die nicht gezeigt sind, sind
identisch mit den entsprechenden Elementen der Schaltvorrichtung 100,
die oben mit Bezugnahme auf die 2A und 2B beschrieben
ist. Elemente der Schaltvorrichtung 400, die Elementen
der Schaltvorrichtung 100 entsprechen, die oben mit Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben
ist, werden durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden
hier nicht näher
beschrieben.
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Bei
der Verriegelungsschaltvorrichtung 400 ist die Benetzbarkeit
des Materials der Wand 438 des Durchgangs 412 bezüglich der
leitfähigen
Flüssigkeit 126 im
Wesentlichen einheitlich entlang der Länge des Durchgangs. Abschnitte
mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 des
Durchgangs haben relativ kleine Querschnittsabmessungen, und Abschnitte mit
niedriger Oberflächenenergie 164, 166, 167 und 169 des
Durchgangs von Querschnittsabmessungen, die größer sind als diejenigen der
Abschnitte mit hoher Oberflächenenergie.
Bei dem gezeigten Beispiel erhöhen
sich die Querschnittsabmessungen der Abschnitte mit niedriger Oberflächenenergie
fortlaufend mit zunehmendem Abstand von dem entsprechenden der Kanäle 118 und 120.
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Der
Durchgang 412 ist geformt, um Regionen 490, 491, 492, 493, 494 und 495 zu
umfassen, die hintereinander entlang der Länge des Durchgangs angeordnet
sind. Die Region 491 ist an dem Kanal 118 angeordnet.
Die Region 494 ist an dem Kanal 120 angeordnet.
Die Regionen 491 und 494 haben jeweils im Wesentlichen
konstante Querschnittsabmessungen, die kleiner sind als die mittleren
Querschnittsabmessungen von jeder der Regionen 490, 492, 493 und 495.
Wenn die freien Oberflächen 144 und 145 der
leitfähigen
Flüssigkeit 126 in der
Region 491 angeordnet sind, haben dieselben einen relativ
kleinen Krümmungsradius
und somit eine hohe Oberflächenenergie.
Freie Oberflächen,
die den freien Oberflächen 146 und 147 entsprechen, wie
sie in der Region 494 angeordnet sind, haben einen relativ
kleinen Krümmungsradius
und somit eine hohe Oberflächenenergie.
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Die
Regionen 490 und 492 sind auf gegenüberliegenden
Seiten der Region 491 angeordnet. Die Regionen 490 und 492 haben
minimale Querschnittsabmessungen an ihren Grenzflächen mit
der Region 491 und erhöhen
sich fortlaufend in den Quer schnittsabmessungen mit zunehmendem
Abstand von der Region 491. Die Regionen 493 und 495 sind auf
gegenüberliegenden
Seiten der Region 494 angeordnet. Die Regionen 493 und 495 haben
an ihren Grenzflächen
mit der Region 494 minimale Querschnittsabmessungen, und
erhöhen
sich fortlaufend in den Querschnittsabmessungen mit zunehmenden Abstand
von der Region 494. Die Regionen 492 und 493 sind
an ihren breitesten Teilen verbunden. Die Regionen 491 und 495 sind
mit ihren Querschnittsabmessungen gezeigt, die ein Maximum erreichen
und sich dann mit zunehmendem Abstand von den Regionen 491 bzw. 494 reduzieren.
Dies ist jedoch nicht wesentlich: Die Querschnittsabmessungen der
Regionen 491 und 495 müssen sich nach dem Erreichen eines
Maximums nicht reduzieren.
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Die
Verriegelungsstruktur 160 wird nun näher beschrieben. Die Verriegelungsregion 162 ist ähnlich und
wird nicht getrennt beschrieben. Wenn freie Oberflächen 144 und 145 der
leitfähigen
Flüssigkeit 126 in
Regionen 490 bzw. 492 angeordnet sind, haben dieselben
einen Krümmungsradius,
der größer ist
als in den Regionen 491, und somit eine niedrigere Oberflächenenergie
als in der Region 491. Darüber hinaus verringert sich
der Krümmungsradius der
freien Oberfläche
und die Oberflächenenergie
erhöht
sich, während
sich die Querschnittsabmessungen der Region verringern, d. h. mit
abnehmendem Abstand von dem Kanal 118. Somit ist eine Energiezufuhr
erforderlich, um die freie Oberfläche 144 und 145 zu
dem Kanal 118 zu bewegen.
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Die
Regionen 491 und 490 bilden eine Energiebarriere 154,
die die freie Oberfläche 144 des
leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitts 140 weg
von dem Kanal 118 hält.
Die Regionen 491 und 492 bilden die Energiebarriere 155,
die die freie Oberfläche 145 des leitfähigen Flüssigkeitsabschnitts 141 weg
von dem Kanal 118 hält.
Die Energiebarrieren 154 und 155 halten daher
den leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 140 entfernt
von dem leitfähigen
Flüssigkeitsabschnitt 141.
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Die
Regionen 490–492 bilden
die Verriegelungsstruktur 160, die die Schaltvorrichtung 400 in
einem Schaltzustand hält,
der dem in 2A gezeigten Schaltzustand entspricht.
Gleichartig dazu bilden die Regionen 493–495 die
Verriegelungsstruktur 162, die die Schaltvorrichtung in
einem Schaltzustand hält,
der dem in 2B gezeigten Schaltzustand entspricht.
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Die Änderungsrate
der Querschnittsabmessungen der Regionen 490, 492, 493 und 495 mit
zunehmendem Abstand von den Regionen 491 und 494 kann
größer als
gezeigt sein.
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Der
Verriegelungsschalter auf der Basis einer leitfähigen Flüssigkeit 400 wurde
oben mit Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben, bei dem die Wand 438 des
Durchgangs 412 eine einheitliche Benetzbarkeit bezüglich der
leitfähigen
Flüssigkeit 126 aufweist.
Die Höhe
der Energiebarrieren 154–157 kann jedoch erhöht werden,
indem die Benetzbarkeit der Abschnitte der Wand 438, die
in den Regionen 490, 492, 493 und 495 angeordnet
ist, größer gemacht
wird als die Abschnitte der Wand, die in den Regionen 491 und 494 angeordnet
ist. In diesem Fall wird die Differenz bei der Oberflächenenergie
der freien Oberflächen
der leitfähigen
Flüssigkeit
zwischen den Abschnitten mit niedriger Oberflächenenergie 164, 166, 167 und 169 und
Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie 165 und 168 erreicht
durch eine Kombination von größerer Benetzbarkeit
der Wand 478 und größeren Querschnittsabmessungen in
den Abschnitten mit niedriger Oberflächenenergie im Vergleich zu
den Abschnitten mit hoher Oberflächenenergie.
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Der
Verriegelungsschalter auf Basis einer leitfähigen Flüssigkeit 400 wurde
oben mit Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben, bei dem die Region 493 direkt
mit der Region 492 verbunden ist. Dies ist jedoch nicht
wesentlich für
die Erfindung. Die Region 493 kann durch eine andere Region
(nicht gezeigt) des Durchgangs 412, die eine beliebige
Länge aufweist,
mit der Region 492 verbunden sein.
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Die
Erfindung wurde mit Bezugnahme auf Beispiele beschrieben, bei denen
die Heizelemente 150 und 152 aus Widerständen zusammengesetzt sind,
die in Hohlräumen 114 bzw. 16 angeordnet
sind. Dies ist jedoch nicht wesentlich für die Erfindung. Das nichtleitfähige Fluid 122 und 124 kann
auf andere Weisen erwärmt
werden. Beispielsweise können
die Hohlräume 114 und 116 jeweils
mit einer strahlungsabsorbierenden der Oberfläche ausgestattet sein, um die
Strahlung von einem geeigneten Emitter, wie z. B. einer LED, kann
verwendet werden, um das nichtleitfähige Fluid über die strahlungsabsorbierende
Oberfläche
in dem jeweiligen Hohlraum zu erwärmen. Alternativ kann ein strahlungsabsorbierendes nichtleitfähiges Fluid
direkt durch Strahlung der geeigneten Wellenlänge erwärmt werden.
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Diese
Offenbarung beschreibt die Erfindung nähr unter Verwendung von darstellenden
Ausführungsbeispielen.
Es ist jedoch klar, dass die Erfindung, die durch die angehängten Ansprüche definiert ist,
nicht auf die genau beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist.