JP2006523926A - 液体電極を備えた基板 - Google Patents

Abstract

基板、基板を作成する方法、基板を組み込んだスイッチを開示する。一実施形態において基板（１００）は、第１の層（１０１）、第１の層の上に蒸着された第１の電極（１１２）、第１の層に結合された第２の層（１０３）からなる。第２の層は第１の電極から第１の電極の反対側の第２の層の面まで延びるダクト（１０４）を画定する。ダクトの少なくとも一部に、液体電極（１２２）が充填される。

Description

水銀などの液体金属をスイッチング流体として使用した液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）が作成されている。液体金属は電気接点の形成や切断に使用される。スイッチの状態を変更するためには、スイッチング流体に力を加え、その形状を変化させ移動させる。しかしながら、水銀が接点からはみ出して移動すると、スイッチの信頼性は低下することがある。

一実施形態では、第１の層及び第２の層を含む基板を開示する。第１の層の上には、電極が蒸着される。第１の層は第２の層に結合される。第２の層は、第１の電極から第１の電極の反対側の第２の層の面まで延びるダクトを画定する。ダクトの少なくとも一部に、液体電極が充填される。

本発明の実施形態の例を図面に示す。

図１及び図２は、ＬＩＭＭＳなどの流体スイッチに使用される基板１００を示している。図３の方法に示すように、基板１００は、複数の電極１１２、１１４、１１６を第１の層１０１の上に蒸着する（３００）ことによって作成される。例えば、電極には固体電極が使用され、第１の層はセラミック材料から形成される（又はセラミック材料を含む）場合がある。高分子化合物やガラスなどの他の適当な材料も、使用される場合がある。

次に、蒸着された電極１１２、１１４、１１６の上に、液体電極１２２、１２４、１２６をそれぞれ載せる（３０５）。一実施形態において、液体電極は水銀電極のような液体金属電極である。後で詳しく説明するように、流体スイッチでは、液体電極とともにスイッチング流体が使用され、電極１１２、１１４、１１６間の接点接続を形成したり切断したりすることが出来る。

第２の層１０３は、複数のダクト１０４、１０６、１０８を画定する。これらのダクトは、第１の層１０１に蒸着された電極１１２、１１４、１１６、１２２、１２４、１２６の位置に合わせて形成され（３１０）、２つの層を互いに結合させたときに（３１５）、各液体電極１２２、１２４、１２６が、その液体電極の位置に合わせて形成されたダクトの少なくとも一部に押し込まれるように形成される。

基板１００は、ＬＩＭＭＳなどの流体スイッチに使用される。ダクト１０４、１０６、１０８は、スイッチング流体によって電極間に接点が形成又は切断されるときに、スイッチに使用されるスイッチング流体が電極からはみ出して移動することを防止する働きを持つ。例えば、ダクト１０４、１０６、１０８にはテーパを付けることができ、電極１１２、１１４、１１６の位置におけるダクトの開口部が、電極１１２、１１４、１１６の反対側の第２の層の面におけるダクトの開口部よりも広くなるようにテーパを付ける場合がある。流体スイッチでは、ダクトの上にあるスイッチング流体が、液体電極１２２、１２４、１２６と結合することにより（電極１１２、１１４、１１６を何回も濡らすのではなく）、電極１１２、１１４、１１６間が接続又は切断される。これによって、スイッチの信頼性が向上する。ダクトにテーパを付けると、ダクトのテーパ形状によって、液体電極１２２、１２４、１２６をダクト１０４、１０６、１０８の中にそれぞれ留めておくことができ、液体電極１２２、１２４、１２６が電極１１２、１１４、１１６からはみ出して移動することがなくなるので、スイッチの信頼性が向上する。

一実施形態では、ダクト１０４、１０６、１０８が液体電極１２２、１２４、１２６で濡れ易くなるように、ダクトの内壁を濡れ性材料で被覆する場合がある。例えば、第２の層１０３の材料は、ガラスから形成される（又はガラスを含む）場合がある。ただし、第２の層は、高分子化合物やセラミックスなどの材料から形成してもよい。ダクトを画定するガラスを金属被覆することにより（例えば、スパッタリングにより）、ダクトを濡れ性にすることが出来る。

環境によっては、図１に示すようなテーパ付きダクトを形成することが困難な場合もある。従って、図４は、スイッチング流体が電極からはみ出して移動することを防止する働きを持つ、流体スイッチに使用される代替基板を示している。基板４００は、第１の層４０１と、第１の層４０１に結合された第２の層４０３と、第２の層４０３に結合された第３の層４０５とを含む。例えば、第１の層はセラミックから形成され（又はセラミックを含み）、第２の層及び第３の層はガラス又はセラミックから形成される（あるいは、ガラス又はセラミックを含む）場合がある。適当な材料は他にも考えられる。

第２の層４０３は、第１の層４０１に蒸着された電極４２２、４２４、４２６から電極４２２、４２４、４２６の反対側の第２の層の面まで延びる複数のダクト４０２、４０４、４０６を画定する。第３の層は、第２の層の面から第３の層の反対側の面まで延びる、ダクト４０２、４０４、４０６の延長部４１２、４１４、４１６を画定する。ダクト延長部４１２、４１４、４１６は、ダクト４０２、４０４、４０６よりも狭くなっている。各ダクトの少なくとも一部に、液体電極（例えば水銀電極）４３２、４３４、４３６が充填される。ダクト４０２、４０４、４０６が液体電極４３２、４３４、４３６で濡れ易くなるように、第２の層４０３及び第３の層４０５によって画定されるダクトの内壁の少なくとも一部を濡れ性材料で被覆する場合がある。

一実施形態において、基板４００は流体スイッチに使用される。基板の第２の層及び第３の層を貫通して形成されたダクトの形状により、スイッチング流体によって電極４２２、４２４、４２６間に接点が形成されたり切断されたりする際に、各ダクトの中に入れた液体電極４３２、４３４、４３６をそのダクトの中に留めておくことができるので、スイッチの信頼性が向上する。

図４の基板は、図３に記載したプロセスと同様のプロセスを使用して形成される。第２の層４０３を第１の層４０１に結合する（３１５）前に、第３の層４０５の小径ダクト４１２、４１４、４１６を第２の層４０３のダクト４０２、４０４、４０６に位置合わせし、第３の層４０５を第２の層４０３に結合する。

図５及び図６は、流体スイッチに使用される基板５００の第３の実施形態を示している。基板の第１の層５０１の上に、複数の電極５２２、５２４、５２６を蒸着する。次に、第２の層５０３を第１の層５０１に結合する。例えば、第２の層はガラスから形成され（又はガラスを含み）、第１の層はセラミック材料から形成される（又はセラミック材料を含む）。適当な材料は他にも考えられる。

第２の層は、電極５２２、５２４、５２６から電極５２２、５２４、５２６の反対側の第２の層５０３の面まで延びる複数のダクト５１４、５１６、５１８を画定する。ダクトは釣鐘型を有し、電極部分におけるダクトの開口部は、第２の層の反対側の面におけるダクトの開口部よりも広くなっている。釣鐘型には様々な形があり、例えば、第２の層をマスキングしてから、サンドブラストによって釣鐘型（複数の場合もあり）を第２の層に形成する場合がある。さらに任意選択で、第２の層に形成されたくぼみ５０４、５０６、５０８を利用して、ダクトの開口部を第２の層の表面から引っ込めることもできる。くぼみの直径は、第２の層の表面におけるダクトの直径よりも大きくする。当然ながら、代替実施形態では、図６のようなくぼみは形成しない場合もある。

各ダクトの少なくとも一部に、液体電極（例えば、水銀電極）５３４、５３６、５３８を充填する。ダクトが液体電極５３４、５３６、５３８で濡れ易くなるように、ダクトの内壁を濡れ性材料で被覆する場合がある。また、くぼみがスイッチに使用されるスイッチング流体で濡れ易くなるように、くぼみも濡れ性材料で被覆する場合がある。

一実施形態において、基板５００は流体スイッチに使用される。ダクト５１４、５１６、５１８の形状により、スイッチング流体によって電極５２２、５２４、５２６間に接続が形成又は切断される際に、各ダクトの中に入れた液体電極５３４、５３６、５３８をそのダクトの中に留めておくことができる。くぼみ５０４、５０６、５０８は、液体電極５３４、５３６、５３８に対する接触面積を拡大する働きを持ち、くぼみの引っ込んだ縁部は、濡れ性の被覆物が縁からせり上がり、くぼみから出ることを防止する働きを持つ。

図７及び図８は、流体スイッチの第１の実施形態を示している。スイッチ７００は、第１の層５０１及び第２の層５０３からなる第１の基板を含む。第２の基板７０２が、第１の基板５０１／５０３に結合される。基板５０１／５０３と基板７０２は、その間に複数の空洞部７０４、７０６、７０８を画定する。

第２の層５０３は複数のダクト５３４、５３６、５３８を画定し（図８）、各ダクトは、空洞部のうちの少なくとも１つから、基板の第１の層５０１上の複数の電極５２２、５２４、５２６のうちの１つまで延びる。スイッチング流体７１２（例えば、水銀などの導電性液体金属）は、ダクト５３４、５３６、５３８の中に保持され、また、空洞部のうちの１つ又は複数（例えば、空洞部７０６）の中にも保持される。スイッチング流体７１２は、スイッチング流体７１２に加えられた力に応答して、複数の電極５２２、５２４、５２６のうちの少なくとも一対を開閉する働きをする。空洞部のうちの１つ又は複数（例えば空洞部７０４、７０８）の中に保持された作動流体７１０（例えば、不活性ガス又は液体）は、スイッチング流体７１２に力を加える働きをする。

第１の基板７０２の幾つかの部分は、「封止帯」７１４、７１６、７１８を形成するために金属化される場合がある。スイッチング流体７１２を保持する空洞部７０６の中に封止帯７１４〜７１８を形成することで、スイッチング流体７１２によって濡れる面積を拡大することが出来る。その結果、スイッチング流体によって決まる種々の状態をラッチすることが容易になり、また、スイッチング流体が流れ出ることのない密閉チャンバを形成し、その密閉チャンバの中にスイッチング流体を汲みあげる（すなわち、スイッチの状態が変化するときに）ことが容易になる。

スイッチ７００の一実施形態において、スイッチング流体７１２に加わる力は作動流体７１０の圧力変化によって生じる。作動流体７１０の圧力が変化すると、スイッチング流体７１２に対する圧力が変化し、それによってスイッチング流体７１２の変形、移動、分離などが生じる。図７では、空洞部７０４に保持された作動流体７１０の圧力により、スイッチング流体７１２を図示のように分離する力が加わっている。この状態は、スイッチ７００の一番右の電極対５２４、５２６が互いに接続された状態である（図８を参照）。空洞部７０４に保持された作動流体７１０の圧力が低下すると、空洞部７０８に保持された作動流体７１０の圧力が増加し、スイッチング流体７１２は、電極５２４と電極５２６の間を切断し、電極５２２と電極５２４の間を接続するように、強制的に分離・結合される。

スイッチの状態が変化しても、液体電極５１４、５１６、５１８（すなわちスイッチング流体７１２の一部）はダクト５３４、５３６、５３８の中に残るので、スイッチング流体７１２は何回も電極５２２、５２４、５２６を濡らす必要がない。従って、スイッチング流体が電極をはみ出て移動することは少なくとも低減され、好ましくは無くなる。本願の別の場所で説明したように、電極５２２、５２４、５２６を濡らす位置に液体電極５１４、５１６、５１８を留めておくために、ダクトにテーパを付けたり、ダクトの形を釣鐘型や任意の他の形状にする場合がある。また、第２の層５０３は、先に説明した目的のために、空洞部７０４、７０６、７０８の中のダクトの開口部に、くぼみを画定する場合がある。

作動流体７１０の圧力は、作動流体７１０を加熱したり、圧電ポンプを使用することにより変化させることが出来る。前者については、コンドウ他による「Electrical Contact Breaker Switch, Integrated Electrical Contact Breaker Switch, and Electrical Contact Switching Method」と題する米国特許第６，３２３，４４７号に記載されており、この同特許の開示は参照により全て本明細書に組み込まれる。後者については、２００２年５月２日に出願されたMarvin Glenn Wongによる「A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch」と題する米国特許出願第１０／１３７，６９１号に記載があり、この出願の開示は参照により全て本明細書に組み込まれる。上で参照した特許及び特許出願は、２つのプッシュ／プル作動流体空洞部によりスイッチング流体を移動させる方法を開示しているが、空洞部によって十分なプッシュ／プル圧力変化をスイッチング流体に与えることができるならば、単一のプッシュ／プル作動流体空洞部であっても十分である。図７及び図８に示したスイッチの構成及び動作に関する詳細は、上記のコンドウの特許に記載されている。

本明細書では本発明の現時点での好ましい実施形態を詳しく説明しているが、本発明の概念は、様々な形で実施及び使用出来るものと考えられる。例えば、図１、図２、又は図４〜６に示したものと同様の基板は、不透明な液体を使用して光路を開閉する光スイッチに使用される場合がある。特許請求の範囲は、関連技術による制限を除き、それらの変形も含むものとして解釈されることを意図している。

流体スイッチの基板に使用される第１の層及び第２の層の第１の実施形態を示す立面図である。 流体スイッチに使用される基板を形成するために互いに結合された、図１の第１の層及び第２の層を示す図である。 図２に示す基板を作成する方法の一例示す図である。 流体スイッチに使用される基板の第２の実施形態を示す図である。 流体スイッチに使用される基板の第３の実施形態を示す平面図である。 図５に示す基板の立面図である。 ダクトを有する基板を使用するスイッチの第１の実施形態を示す斜視図である。 図７に示すスイッチのスイッチング流体空洞部を示す立面図である。

符号の説明

１００、４００、５００ 基板
１０１、４０１、５０１ 第１の層
１０４、１０６、１０８、４０２、４０４、４０６、５１４、５１６、５１８ ダクト
１１２、１１４、１１６、４２２、４２４、４２６、５２２、５２４、５２６ 電極
１２２、１２４、１２６、４３２、４３４、４３６、５３４、５３６、５３８ 液体電極
１０３、４０３、５０３ 第２の層
４０５ 第３の層
４１２、４１４、４１６ ダクト延長部
５００ 基板
５０４、５０６、５０８ くぼみ
７００ スイッチ
７０２ 第２の基板
７０４、７０６、７０８ 空洞部
７１０ 作動流体
７１２ スイッチング流体
７１４、７１６、７１８ 封止帯

Claims (10)

1. 第１の層（１０１）と、
   前記第１の層の上に蒸着された第１の電極（１１２）と、
   前記第１の層に結合され、前記第１の電極から前記第１の電極の反対側の第２の層の面まで延びるダクト（１０４）を画定する第２の層（１０３）と、
   前記ダクトの少なくとも一部を充填する液体電極（１２２）と
   からなる基板（１００）。
2. 前記第１の電極の部分における前記ダクトの開口部は、前記第２の層の面における前記ダクトの開口部よりも広い、請求項１に記載の基板。
3. 前記ダクト（５１４）は釣鐘型に構成される、請求項２に記載の基板。
4. 前記基板の第２の層は、該第２の層の表面の前記ダクトの開口部にくぼみ（５０４）を有し、該くぼみの直径が、前記第２の層の表面における前記ダクトの直径よりも大きい、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の基板。
5. 前記ダクトの内壁を被覆する濡れ性材料をさらに含む、請求項４に記載の基板。
6. 前記第２の層はガラスからなり、前記濡れ性材料は金属からなる、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の基板。
7. 前記第２の層はセラミックからなり、前記濡れ性材料は金属からなる、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の基板。
8. 前記第１の電極は固体電極である、請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載の基板。
9. 前記第２の基板に結合された第３の基板（４０５）をさらに含み、該第３の基板は、前記第２の層の面から前記第３の層の反対側の面まで延びる前記ダクトの延長部（４１２）を画定し、該ダクトの延長部は前記ダクトよりも狭い、請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載の基板。
10. 複数の電極（５２２、５２４、５２６）が蒸着された第１の層（５０１）と、複数のダクト（５１４、５１６、５１８）を画定する第２の層（５０３）とを有する第１の基板と、
    前記第１の基板に結合された第２の基板（７０２）であって、該第２の基板と前記第１の基板が両者の間に、複数の空洞部のうちの少なくとも一部を画定し、前記第２の層の各ダクトが、前記空洞部のうちの少なくとも１つから前記第１の層に蒸着された複数の電極のうちの１つまで延びるように構成された、第２の基板（７０２）と、
    前記ダクトのうちの１以上及び前記空洞部のうちの１以上に保持されたスイッチング流体（７１８）であって、該スイッチング流体の少なくとも一部が、該スイッチング流体に加えられた力に応答して、前記複数の電極のうちの少なくとも一対を開閉するように移動するように構成される、スイッチング流体（７１８）と、
    前記空洞部のうちの１以上に保持され、前記スイッチング流体に力を加える、作動流体（７１０）と
    からなるスイッチ（７００）。
    

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