DE60213693T2

DE60213693T2 - Verriegelbarer Schalter

Info

Publication number: DE60213693T2
Application number: DE60213693T
Authority: DE
Inventors: You Yamato-shi KONDOH; Tsutomu Hachioji-shi Takanaka
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: DE60213693D1; US20020121949A1; EP1235238A2; US6717495B2; EP1235238B1; EP1235238A3; JP2002260499A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verriegelungsschaltvorrichtungen und insbesondere auf eine Verriegelungsschaltvorrichtung auf der Basis von leitfähiger Flüssigkeit.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein weiteres Beispiel eines solchen Schalters ist in der WO-A-0041198 beschrieben.
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.
Die Erfindung schafft eine Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
1B ist eine Draufsicht der Schaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit basiert, die in 1A gezeigt ist, in einem zweiten Schaltzustand.
2A ist eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit basiert, gemäß der Erfindung, in einem ersten Schaltzustand.
2B ist eine Draufsicht der Schaltvorrichtung, die auf der leitfähigen Flüssigkeit basiert, die in 2A gezeigt ist, in einem zweiten Schaltzustand.
3A ist eine Draufsicht eines Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit basiert, gemäß der Erfindung.
3B ist eine Querschnittsansicht eines Teils des Durchgangs eines ersten Beispiels der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung.
3C ist eine Querschnittsansicht eines Teils des Durchgangs eines zweiten Beispiels der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung.
3D ist eine Querschnittsansicht eines Teils des Durchgangs eines dritten Beispiels der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung.
3E ist eine Draufsicht eines Teils einer Variation der in 3A gezeigten Schaltvorrichtung.
4 ist eine Draufsicht eines Teils eines dritten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit basiert, gemäß der Erfindung.
5 ist eine Draufsicht eines Teils eines vierten Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung, die auf leitfähiger Flüssigkeit basiert, gemäß der Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bei Ausführungsbeispielen, die die Elektrode 132 umfassen, verbindet der leitfähige Flüssigkeitsabschnitt 141, 142 die Elektrode 131 elektrisch mit der Elektrode 132.
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.
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.
Bei der Verriegelungsschaltvorrichtung 100 gemäß der Erfindung umfasst der Durchgang 112 Verriegelungsstrukturen 160 und 162, die an den Kanälen 118 bzw. 120 zugeordnet sind.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
Die oben beschriebenen Materialien und Abmessungen sind ebenfalls geeignet für die Verwendung in den anderen Verriegelungsschaltvorrichtungen auf Basis leitfähiger Flüssigkeit, die hierin beschrieben sind.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Eine Schaltvorrichtung (100), die folgende Merkmale umfasst: einen Durchgang (112), wobei der Durchgang länglich ist und eine Länge aufweist; einen ersten Hohlraum (114) und einen zweiten Hohlraum (116); zwei Kanäle (118, 120), wobei sich der erste Kanal von dem ersten Hohlraum (114) zu dem Durchgang (112) erstreckt und der zweite Kanal sich von dem zweiten Hohlraum (116) zu dem Durchgang (112) erstreckt, wobei die Kanäle entlang der Länge des Durchgangs räumlich voneinander getrennt sind; ein nichtleitfähiges Fluid (122, 124), das in den Hohlräumen angeordnet ist; eine leitfähige Flüssigkeit (126), die in dem Durchgang angeordnet ist, wobei die leitfähige Flüssigkeit freie Oberflächen (144, 145, 146, 147) umfasst, wobei die freien Oberflächen in Kontakt mit dem nichtleitfähigen Fluid sind; eine erste Elektrode (130) und eine zweite Elektrode (131), die in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Flüssigkeit sind, und auf gegenüberliegenden Seiten von einem der Kanäle (118) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung eine Verriegelungsschaltvorrichtung ist, die zwei Verriegelungsstrukturen (160, 162) umfasst, wobei die erste Verriegelungsstruktur (160) dem ersten Kanal zugeord net ist und die zweite Verriegelungsstruktur (162) dem zweiten Kanal zugeordnet ist, wobei jede Verriegelungsstruktur Energiebarrieren (154, 155, 156, 157) umfasst, die in dem Durchgang auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet sind, wobei die Energiebarrieren mit den freien Oberflächen der leitfähigen Flüssigkeit in Wechselwirkung treten, um die freien Oberflächen getrennt voneinander zu halten.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der: die Kanäle jeweils eine Länge aufweisen; und die Kanäle über zumindest einen Teil ihrer Länge geringere Querschnittsabmessungen haben als der Durchgang.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die außerdem eine dritte Elektrode umfasst, die in Kontakt mit der leitfähigen Flüssigkeit ist und auf der gegenüberliegenden Seite des anderen der Kanäle angeordnet ist.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der jede der Energiebarrieren (154) einen ersten Abschnitt des Durchgangs (164) umfasst, der an einen zweiten Abschnitt des Durchgangs (165) angrenzt.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der sich die Abschnitte (164, 165) des Durchgangs bei der Benetzbarkeit bezüglich der leitfähigen Flüssigkeit unterscheiden.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der: entweder der erste Abschnitt des Durchgangs oder der zweite Abschnitt des Durchgangs näher zu dem Kanal ist als der andere; und der erste Abschnitt des Durchgangs oder der zweite Abschnitt des Durchgangs, der näher zu dem Kanal ist, eine geringere Benetzbarkeit bezüglich der leitfähigen Flüssigkeit aufweist als der andere.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der: der Durchgang eine Wand (238) umfasst; und der Abschnitt des Durchgangs, der die geringere Benetzbarkeit aufweist, eine Metallschicht (270) umfasst, die durch die Wand getragen wird.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Metallschicht einstückig mit einer der Elektroden ist.
Die Verriegelungsschaltvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der sich die Abschnitte (164, 165) des Durchgangs bei den Querschnittsabmessungen (490, 491) unterscheiden.