(57)【要約】流体ベースのスイッチとその製作方法を開示する。一実施形態では、スイッチは、基板の間にいくつかのキャビティ(106、108、110)のうちの少なくとも一部を画定する、結合された第１の基板(102)と第２の基板(104)と、キャビティのうちの１つ又は複数の中に露出した複数の電極(612、614、616)と、キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持され、スイッチング流体に加えられた力に応答して複数の電極のうちの少なくとも１対の電極を開閉する役をするスイッチング流体(618)と、スイッチング流体の少なくとも一部に接触してスイッチング流体上の酸化物と反応する還元材料と、キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持され、前記スイッチング流体に力を加える作動流体(620)とを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の間にいくつかのキャビティ（６０６、６０８、６１０）のうちの少なくとも一部を画定する、結合された第１（６０２）と第２（６０４）の基板と、
前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に露出する複数の電極（６１２、６１４、６１６）と、
前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持されたスイッチング流体（６１８）であって、前記スイッチング流体に加えられる力に応答して前記複数の電極のうちの少なくとも１対の電極を開閉する役をする、スイッチング流体（６１８）と、
前記スイッチング流体の少なくとも一部と接触し、前記スイッチング流体上の酸化物と反応する還元材料と、及び
前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持され、前記スイッチング流体に力を加える作動流体（６２０）とを含む、スイッチ。
【請求項２】
前記還元材料が、前記スイッチング流体（４１８）の少なくとも一部と混合される材料の粒子からなる、請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
前記還元材料が、前記スイッチング流体（４１８）の少なくとも一部と混合される粉末からなる、請求項１に記載のスイッチ。
【請求項４】
前記還元材料が、炭素、クロム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、ニッケル、及びシリコンのうちの１つからなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチ。
【請求項５】
前記スイッチング流体が水銀からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスイッチ。
【請求項６】
前記還元材料が、前記基板のうちの１つの上に付着された固体材料（１２０）からなる、請求項１、４、又は５のいずれか一項に記載のスイッチ。
【請求項７】
基板の間にいくつかのキャビティ（７０６、７０８、７１０）のうちの少なくとも一部を画定する、結合された第１（７０２）と第２（７０４）の基板と、
前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に露出した複数の濡れ性のあるパッド（７１２、７１４、７１６）と、
前記パッドに対して濡れることができ、前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持されたスイッチング流体（７１８）であって、前記スイッチング流体に加えられる力に応答して前記キャビティのうちの１つ又は複数を通る光路を開閉する役をする、スイッチング流体（７１８）と、
前記スイッチング流体の少なくとも一部と接触し、前記スイッチング流体上の酸化物と反応する還元材料と、及び
前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持され、前記スイッチング流体に力を加える作動流体（７２０）とを含む、スイッチ。
【請求項８】
基板の間にいくつかのキャビティ（８０６、８０８、８１０）のうちの少なくとも一部を画定する、結合された第１と第２の基板と、
前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持されたスイッチング流体（８１８）であって、前記スイッチング流体に加えられる力に応答して、少なくとも第１のスイッチ状態と第２のスイッチ状態との間で移動可能である、スイッチング流体（８１８）と、
前記キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持され、前記スイッチング流体に力を加える作動流体と、及び
前記作動流体と混合され、スイッチ状態が変化する間に前記スイッチング流体上の酸化物と反応する還元材料とを含む、スイッチ（８００）。
【請求項９】
前記還元材料が液体からなる、請求項２０に記載のスイッチ。
【請求項１０】
前記還元材料が、水素化アルミニウムリチウムと水素化ホウ素ナトリウムとのうちの１つからなる、請求項２０に記載のスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
水銀などの液体金属をスイッチング流体として使用する液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）が製作されている。液体金属は電気接点を開閉することができる。スイッチの状態を変更するために、スイッチング流体に力を加え、それによりスイッチング流体が形を変えて移動する。液体金属は、スイッチの適切な機能を妨げる酸化膜を形成することがある。例えば、酸化膜は液体金属の表面張力を高め、スイッチが状態を変更するために必要なエネルギーを増加させることがある。
【０００２】
発明の概要
一実施形態において、スイッチング流体上の酸化物を還元するための方法が開示される。この方法は、スイッチング流体を第１の基板上に置くことを含む。固体の還元材料が、スイッチング流体の少なくとも一部に接触するように置かれる。還元材料はスイッチング流体上の酸化物と反応する。最後に、第１の基板が第２の基板に結合され、第１の基板と第２の基板は、それらの間に、スイッチング流体を保持するキャビティを画定し、キャビティは、スイッチング流体が第１の状態と第２の状態との間で移動できる大きさになっている。
【０００３】
別の実施形態において、本方法は、第１の基板上にスイッチング流体を置くことを含む。スイッチング流体は、還元材料と混合され、スイッチング流体上の酸化物と反応する。第１の基板が第２の基板に結合され、第１の基板と第２の基板は、それらの間に、スイッチング流体を保持するキャビティを画定し、キャビティは、スイッチング流体が第１の状態と第２の状態との間で移動できる大きさになっている。
【０００４】
第３の実施形態において、本方法は、スイッチング流体チャネル内にスイッチング流体を置くことを含む。還元材料と混合された作動流体が、第１の基板上に置かれる。還元材料は、スイッチ状態が変化する間にスイッチング流体に接触し、スイッチング流体上の酸化物を還元する。次いで、第１の基板と第２の基板が互いに結合され、それらの基板は、それらの間に、スイッチング流体を保持するキャビティと、スイッチング流体のキャビティに接続され、還元材料と混合された作動流体を保持する１つ又は複数の追加のキャビティとを画定する。
【０００５】
本発明の例示的な実施形態を図面に示す。
【０００６】
詳細な説明
図１と図２は、ＬＩＭＭＳなどの流体ベースのスイッチを示す。スイッチ１００は、スイッチング流体キャビティ１０４、１対の作動流体キャビティ１０２と１０６、及び作動流体キャビティ１０２と１０６のうちの対応するキャビティをスイッチング流体キャビティ１０４に接続する１対のキャビティ１０８と１１０を含む。より多くの、又はより少ないキャビティがスイッチ内に形成され得ることが想定される。例えば、１対の作動流体キャビティ１０２と１０６、及び１対の接続キャビティ１０８と１１０を、単一の作動流体キャビティ及び単一の接続キャビティと取り替えることができる。
【０００７】
図３によって示されるように、スイッチ１００は、スイッチング流体１１８を第１の基板１０１上の複数のスイッチ接点（例えば、電極）１１２〜１１６上に置く（３０５）ことによって製作され得る。一実施形態において、スイッチング流体は、水銀、又はガリウムを含む合金などの液体金属とすることができる。以下にさらに詳細に説明されるように、スイッチング流体１１８を用いて、接点１１２、１１４、１１６間の接触を接続及び切断することができる。代替の実施形態において、スイッチング流体が複数の濡れ性のあるパッド上に置かれ、光路を開閉するために使用され得る。図１に示されたスイッチは３つの接点を含むが、代替の実施形態が異なる数の接点を有することができることを理解されたい。
【０００８】
次に、スイッチ状態が変化する間にスイッチング流体１１８の少なくとも一部に接触するように、ある場所に還元材料１２０が置かれる（３１０）。還元材料１２０は、スイッチング流体１１８上に形成された酸化物と反応するように使用される、スイッチング流体１１８よりも低い負の還元電位を有する材料とすることができる。一例として、水銀をスイッチング流体として使用する場合、還元材料は、炭素、クロム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、ニッケル、シリコン、又は他の適切な材料の固体層とすることができる。
【０００９】
基板１０１と１０３が互いに結合される（３１５）。スイッチング流体１１８を保持するキャビティが基板間に画定される。キャビティは、スイッチング流体が第１の状態と第２の状態との間で移動できる大きさになっている。スイッチング流体を保持するキャビティ内の温度が十分に高いか、又は触媒が存在する場合、還元材料がスイッチング流体に接触した際に、還元材料とスイッチング流体上の酸化物との間の反応が進むことができる。
【００１０】
図４は、スイッチング流体上の酸化物を還元するための還元材料を含むスイッチの代替の実施形態を示す。図５によって示されるように、スイッチ４００は、還元材料と混合されたスイッチング流体４１８を、第１の基板４０１上に位置する複数の接点４１２、４１４、４１６上に置くこと（５０５）によって製作され得る。代替の実施形態において、還元材料と混合されたスイッチング流体４１８を、濡れ性のあるパッド又は液体電極上に置くことができる。基板４０１と基板４０３は、それらの基板間でスイッチング流体キャビティを画定するように互いに結合される（５１５）。
【００１１】
還元材料は、スイッチング流体上に付着されたか、又はスイッチング流体と混合される粒子又は粉末とすることができる。これにより、還元材料の表面積が増加し、還元材料が少なくても、より量の多いスイッチング流体酸化物を還元することが可能になる。一例として、スイッチング流体は水銀などの液体金属とすることができ、還元材料は、炭素、クロム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、ニッケル、又はシリコンとすることができる。また、他の適切な還元材料も使用できる。スイッチが状態を変更する際、スイッチング流体は混合され、これによりスイッチング流体上に形成された任意の酸化物と還元材料が接触して反応することが可能になる。
【００１２】
図６を参照して、一実施形態によるスイッチの機能を説明する。スイッチ６００は、互いに結合された第１の基板６０２と第２の基板６０４を含む。基板６０２と６０４は、それらの間にいくつかのキャビティ６０６、６０８、６１０を画定する。キャビティのうちの１つ又は複数の中には、複数の電極６１２、６１４、６１６が露出する。キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持されたスイッチング流体６１８（例えば、水銀などの導電性液体金属）は、スイッチング流体６１８に加えられる力に応答して、複数の電極６１２〜６１６のうちの少なくとも１対の電極を開閉する役をする。キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持された作動流体６２０（例えば、不活性ガス又は液体）は、スイッチング流体６１８に力を加える役をする。
【００１３】
スイッチ６００の一実施形態において、スイッチング流体６１８に加えられる力は、作動流体６２０の圧力の変化から生じる。作動流体６２０の圧力の変化により、スイッチング流体６１８に与えられる圧力が変化し、これによりスイッチング流体６１８が形を変えたり、移動したり、分離したり等をする。図６では、キャビティ６０６の中に保持された作動流体６２０の圧力により力が加わり、図示されるようにスイッチング流体６１８が分離される。この状態では、スイッチ６００の一番右の電極対６１４と６１６が互いに結合される。キャビティ６０６の中に保持された作動流体６２０の圧力が緩和され、キャビティ６１０の中に保持された作動流体６２０の圧力が増加される場合、スイッチング流体６１８は強制的に分離及び結合され、そのため電極６１４と６１６が切り離され、電極６１２と６１４が結合される。
【００１４】
一例として、作動流体６２０の圧力の変化は、作動流体６２０を加熱することにより、又は圧電ポンプ作用により達成され得る。前者は、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号に説明されており、その特許文献は、それが開示する全てに関して参照により本明細書に組み込まれる。後者は、Marvin Glenn Wongによる、２００２年５月２日に出願された「A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch」と題する米国特許出願第１０／１３７，６９１号に説明されており、その特許文献も、それが開示する全てに関して参照により本明細書に組み込まれる。上記の参照される特許及び特許出願は、二つのプッシュ／プル作動流体キャビティによってスイッチング流体を移動させることを開示しているが、係るキャビティからスイッチング流体にかなり十分なプッシュ／プル圧力の変化を与えることができる場合には、単一のプッシュ／プル作動流体キャビティでも十分である。図６に示されたスイッチなどのスイッチの構成と動作に関するさらなる詳細は、上述したコンドウの特許に見出され得る。
【００１５】
スイッチ６００はさらに、スイッチング流体６１８と混合された還元材料６２２を含む。還元材料６２２は、スイッチング流体６１８よりも低い負の還元電位を有することができる。温度が十分に高いか、又は触媒が存在する場合、還元材料は酸化物と反応し、スイッチング流体４１８上の酸化物を還元することができる。例えば、スイッチング流体が水銀である場合、還元材料６２２は、炭素、クロム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、ニッケル、シリコン、又は他の適切な材料とすることができる。代替の実施形態において、還元材料６１８は、一方の基板上に付着された固体材料とすることができる。
【００１６】
さて、図７を参照して、スイッチ７００の機能に関する第２の例示的な実施形態を説明する。スイッチ７００は、互いに結合された基板７０２と第２の基板７０４とを含む。基板７０２と７０４は、それらの間に、いくつかのキャビティ７０６、７０８、７１０を画定する。キャビティのうちの１つ又は複数の中に、複数の濡れ性のあるパッド７１２〜７１６が露出する。スイッチング流体７１８（例えば、水銀などの液体金属）は、パッド７１２〜７１６に対して濡れることができ、キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持される。スイッチング流体７１８は、スイッチング流体７１８に加えられる力に応答して、キャビティのうちの１つ又は複数を通る光路７２２／７２４、７２６／７２８を開閉する役をする。一例として、光路は、スイッチング流体を保持するキャビティ７０８内の半透明な窓と位置合わせされた導波管７２２〜７２８により画定され得る。光路７２２／７２４、７２６／７２８の遮断は、スイッチング流体７１８が不透明であることによって達成され得る。キャビティのうちの１つ又は複数の中に保持される作動流体７２０（例えば、不活性ガス又は液体）は、スイッチング流体７１８に力を加える役をする。
【００１７】
スイッチ７００はさらに、スイッチング流体６１８と混合された還元材料７３０を含む。還元材料７３０は、スイッチング流体７１８よりも低い負の還元電位を有し、スイッチング流体７１８上に形成され得る酸化物と反応させるために使用され得る。例えば、スイッチング流体が水銀である場合、還元材料７３０は、炭素、クロム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、ニッケル、シリコン、又は他の適切な材料とすることができる。代替の実施形態において、還元材料７３０は一方の基板上に付着された固体材料とすることができる。
【００１８】
図８は、還元材料を有する流体ベースのスイッチに関する別の実施形態を示す。スイッチ８００は、スイッチング流体８１８を保持するスイッチング流体キャビティ８０４、１対の作動流体キャビティ８０２と８０６、及び作動流体キャビティ８０２と８０６のうちの対応するキャビティをスイッチング流体キャビティ８０４に接続する１対のキャビティ８０８と８１０を含む。より多くの、又はより少ないキャビティがスイッチの中に形成され得ることが想定される。例えば、１対の作動流体キャビティ８０２と８０６、及び１対の接続キャビティ８０８と８１０を、単一の作動流体キャビティ及び単一の接続キャビティと取り替えることができる。
【００１９】
作動流体キャビティ８０２と８０６は、作動流体８１５に溶解されたか、又は混合された還元材料を保持する。一例として、作動流体は、ペルフルオロカーボンオイル（例えば、３Ｍのフロリナート（Fluorinert）（登録商標））とすることができ、還元材料は、水素化アルミニウム又は水素化ホウ素ナトリウムなどの可溶性物質とすることができる。本明細書の他の場所で説明されるように、作動流体はスイッチング流体８１８に力を加え、スイッチ８００の状態を変更する。スイッチが状態を変更する際、還元材料と混合された作動流体８１５がスイッチング流体に接触する。次いで、還元材料がスイッチング流体上の酸化物と反応することができる。
【００２０】
図９によって示されるように、スイッチ８００は、スイッチング流体８１８をスイッチング流体チャネル内に置く（９０５）ことによって製作され得る。スイッチング流体は、スイッチング流体チャネル内に配置された複数のスイッチ接点（例えば、電極又は濡れ性のあるパッド）上に置かれることができる。スイッチング流体チャネルは、互いに結合されたいずれかの基板上に位置し、スイッチを形成することができる。また、還元材料と混合された作動流体８１５も一方の基板上に置かれる（９１０）。次に、スイッチング流体８１８を保持するキャビティ８０４を基板の間に画定するように、第１の基板が第２の基板に結合される。キャビティ８０４は、スイッチング流体が第１の状態と第２の状態の間で移動できる大きさになっている。また、還元材料と混合された作動流体８１５を保持する１つ又は複数の追加のキャビティ８０２と８０６も、基板の間に画定される。還元材料と混合された作動流体８１５は、スイッチ状態が変化する間にスイッチング流体８１８に力を加え、還元材料が酸化物と反応することによってスイッチング流体上の酸化物を還元することができる。
【００２１】
図７に示されたスイッチなどのスイッチの構成と動作に関するさらなる詳細は、上述したコンドウ他の特許、及びMarvin Wongの特許出願に見出され得る。
【００２２】
本明細書において、本発明を例示する現在好ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明の概念は別の方法で様々に具現化されて採用され得ることを理解されたい。添付の特許請求の範囲は、従来技術によって限定されることを除いて、係る変形態様も含むものと解釈されるべきであることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】流体ベースのスイッチに関する第１の例示的な実施形態の平面図である。
【図２】図１に示されたスイッチの立面図である。
【図３】図１と図２の流体ベースのスイッチを製作するために使用され得る例示的な方法を示す図である。
【図４】流体ベースのスイッチに関する第２の例示的な実施形態の立面図である。
【図５】図４の流体ベースのスイッチを製作するために使用され得る例示的な方法を示す図である。
【図６】スイッチング流体上の酸化物と反応する還元材料を含むスイッチの第１の例示的な実施形態の斜視図である。
【図７】スイッチング流体上の酸化物と反応する還元材料を含むスイッチの第２の例示的な実施形態の斜視図である。
【図８】還元材料を含むスイッチの別の実施形態を示す平面図である。
【図９】図８のスイッチを製作するために使用され得る例示的な方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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