(57)【要約】【課題】スイッチング技術における欠点を改善し、且つスイッチの性能を制限する酸化物の形成を阻止することを目的とする。【解決手段】本発明は、水銀に代わるものとして、ガリウムを含有する材料からなる導電性液体の小滴（３１０）を利用する液体金属スイッチ（３００）を提供する。ガリウムを含有する材料を包囲する二次流体（３１３）によって、導電性液体の小滴（３１０）表面における酸化物の形成が阻止される。【選択図】図４Ａ
2007115691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウムを含有する材料の導電性液体の小滴と、
前記ガリウムを含有する材料を包囲して、前記導電性液体の小滴の表面における酸化物の形成を阻止する二次流体と
を備える液体金属スイッチ。
【請求項２】
前記ガリウムを含有する材料が、ガリウム、インジウム、スズ、亜鉛、及び、銅から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
前記二次流体のｐＨが少なくとも１０であることを特徴とする、請求項２に記載のスイッチ。
【請求項４】
床と、壁と、天井とを備えた流体キャビティと、
前記床を形成する表面を備えた基板と
をさらに備え、
前記二次流体が、前記流体キャビティの床と、壁と、天井とに対して湿潤性であることを特徴とする、請求項３に記載のスイッチ。
【請求項５】
前記二次流体がアミノ・アルコール・トリエタノール・アミン、及び、別の有機アルコールから選択されることを特徴とする、請求項４に記載のスイッチ。
【請求項６】
前記基板に少なくとも１つの電極をさらに備え、前記導電性液体の小滴が、前記導電性液体の小滴を含む電気回路を形成するように構成された電源によって、前記流体キャビティ内で並進させられることを特徴とする、請求項５に記載のスイッチ。
【請求項７】
ガスを加熱するように構成されたヒータをさらに備え、前記加熱されたガスが膨張して、前記流体キャビティ内において導電性液体の小滴を並進させることを特徴とする、請求項５に記載のスイッチ。
【請求項８】
スイッチを製作するための方法であって、
床と、壁と、天井とを備えた流体キャビティを設けるステップと、
前記床を形成する表面を備えた基板を設けるステップと、
前記床の上に配置される、ガリウムを含有する材料の導電性液体の小滴を提供するステップと、
前記ガリウムを含有する前記材料を包囲する二次流体を提供するステップと、
前記流体キャビティ内で、前記導電性液体の小滴を並進させるステップと
を含む方法。
【請求項９】
ガリウム、インジウム、スズ、亜鉛、及び、銅から前記ガリウムを含有する材料を選択するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記二次流体のｐＨが少なくとも１０であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのスイッチング・テクノロジは、１つの位置からもう１つの位置へ交互に動かして電気接触を開閉する、固体機械式接点に依存している。あいにく、固体間接触に依存する機械式スイッチは、摩耗しやすく、「フレッティング」として知られる状態にさらされる。フレッティングは、表面の接触点に生じる腐食を表わす。接点のフレッティングは、荷重を受けて表面の相対運動が反復されると生じる可能性がある。フレッティングは、一般に、接点表面のくぼみまたは溝として現れ、スイッチまたはリレーの短絡をもたらす可能性のあるデブリ(debris)を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
スイッチ及びリレー接点に加えられる機械的損傷を低減するため、可動機械構造を湿潤させて固体間接触を阻止する液体金属を用いて、スイッチ及びリレーを製作することが可能である。参考までに本明細書で援用する、「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｗｉｔｃｈ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ  Ｆｏｒ  Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ  Ｆｏｒ  Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ  Ｓａｍｅ」と題する、同一出願人による同時係属の米国特許出願第１０／９９６，８２３号明細書（代理人整理番号１００４１０４４−１）には、電気湿潤を用いてスイッチを作動させる液体金属スイッチが開示されている。やはり、参考までに本明細書で援用する、「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｗｉｔｃｈ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ａ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｏｆ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ」と題する、同一出願人による同時係属の米国特許出願１１／０６８，６３３号明細書（代理人整理番号１００４１３２１−１）には、ガス圧を用いてスイッチを作動させるもう１つの液体金属スイッチが開示されている。上述の出願に記載の液体金属スイッチでは、水銀（Ｈｇ）が液体金属として利用されている。しかしながら、環境及び健康関連政策のため、地域によっては水銀の利用が制限されている場合もある。
【０００４】
上記のような欠点を改善し、且つスイッチの性能を制限する酸化物の形成を阻止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、液体金属スイッチは、水銀に代わるものとして、ガリウムを含有する材料からなる導電性液体の小滴を利用する。ガリウムを含有する材料を包囲する二次流体によって、導電性液体の小滴表面における酸化物の形成が阻止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図面を参照することにより、本発明をより深く理解することが可能になる。図面中のコンポーネントは、必ずしも一定の比率で描かれているわけではなく、代わりに、本発明の原理を明確に説明する上において、強調が加えられている。さらに、図面中では、いくつかの図を通じて、同様の参照番号は対応する部分を表示している。
【０００７】
スイッチング素子としての液体金属スイッチにガリウム・ベースの合金を利用すると、水銀のような潜在的に毒性の材料を利用することによって加えられる制限が緩和される。しかしながら、ガリウム・ベースの合金の利用は、やはり、難題をもたらすことになる。主たる難題の１つは、ガリウム及びガリウム・ベース合金に関する酸化物の形成熱が高いことである。これは、液体金属スイッチにおいてただ単に水銀をガリウムまたはガリウム・ベース合金に置き換えただけでは、ガリウムまたはガリウム・ベース合金の表面にガリウム酸化物が形成されることを表わしている。水銀酸化物の形成熱は極めて低いので、水銀に関する酸化物形成は、特に問題にはならない。しかしながら、ガリウム酸化物の形成熱は極めて高いので、空気が存在すると、ガリウムまたはガリウム・ベース合金の表面に、容易に酸化物が形成され、表面張力が変化したり、あるいは、表面に固形の「外皮(Crust)」が形成されることになる場合さえある。このため、ガリウムまたはガリウム・ベース合金の動きが妨げられ、その結果、スイッチの性能が制限される。
【０００８】
従って、本発明による実施形態では、二次流体(secondary fluid)が、液体金属スイッチにおけるガリウムまたはガリウム・ベース合金を包囲する雰囲気(ambient atmosphere)として空気に取って代わる。二次流体は、酸素がガリウム・ベース合金表面に到達するのを阻止することによって、及び／または、ガリウム・ベース合金表面に形成される酸化物を減少させることによって、ガリウム・ベース合金表面の酸化を阻止する。二次流体は、一般に、ガリウムまたはガリウム・ベース合金に対して非腐食性であり、一般に、非導電性（すなわち、誘電体）である。さらに、二次流体は、一般に、液体金属のスイッチング特性に影響を及ぼすべきではなく、一般に、ガリウムまたはガリウム・ベース合金に対して低粘性であることが望ましい。さらに、二次流体は、一般に、スイッチおよび流体装着領域を形成するマイクロフルイディック室に対して湿潤性であることが望ましい。
【０００９】
以下では、ガリウムを含有するスイッチング材料を用いた液体金属スイッチは、電気湿潤(electrowetting)またはガス圧を利用してスイッチを作動させる液体金属スイッチに用いられるものとして解説されるが、作動手法とは関係なく、任意の液体金属スイッチング用途に用いることが可能である。
【００１０】
本発明による実施形態について論じる前に、電気湿潤の効果について簡単に述べることにする。図１Ａは、固体表面に残留する導電性液体の小滴を含むシステム１００を例示した概略図である。例えば、小滴１０４は、例えばガリウム、インジウム、スズ、亜鉛、銅を含有するガリウム・ベースの合金、又は、これらの元素とガリウムの組み合わせとすることが可能である。小滴１０４は、固体１０２の表面１０８に残留する。小滴１０４が表面１０８と接触する位置で、湿潤角(wetting angle)とも称される接触角が形成される。接触角は、θで表示され、表面１０８、液体１０４、及び、ガス１０６が接触する点で測定される。ガス１０６は、この例の場合、小滴１０４の表面における酸化物の形成を阻止する流体とすることが可能である。流体１０６は、小滴１０４を包囲する雰囲気を形成する。小滴１０４が、比較的非湿潤性であると、または、湿潤性が低いとみなされる表面１０８に接触する場合には、図１Ａに示すように、大きい接触角が形成される。湿潤性は、一般に、表面１０８の材料と小滴１０４を形成する材料との関数であり、とりわけ、液体の表面張力に関連している。一般に、流体１０６は、表面１０８、及び、流体チャネルまたは流体キャビティ内に小滴１０４を含むスイッチ構造の壁及び天井（後述する）に対して湿潤性である。
【００１１】
図１Ｂは、接触角が異なる、図１Ａのシステム１００を例示した概略図１３０である。図１Ｂの場合、小滴１３４は、表面１０８に対する湿潤性が小滴１０４よりも高く、従って、θ’と称されるより小さい接触角を形成する。図１Ｂに示すように、小滴１３４はよりフラットであり、図１Ａの小滴１０４より低い形状を有している。
【００１２】
電位の印加による接触角の変化と定義される電気湿潤の概念は、導電性液体が接触している表面に対して、導電性液体が形成する接触角を電気的に変化させる能力に依存する。一般に、導電性液体と、それが接触している表面との接触角は、０°〜１８０°の範囲にわたる。
【００１３】
図２Ａは、電気湿潤によって、導電性液体と小滴が接触する表面との接触角を変化させることが可能な方法の１つを例示した概略図２００である。図２Ａの場合、導電性液体の小滴２１０は、誘電体２０２と誘電体２０４の間に挟まれている。誘電体は、例えば、酸化タンタルまたは他の誘電体材料とすることが可能である。誘電体２０２内には、電極２０６が埋め込まれ、誘電体２０４内には、電極２０８が埋め込まれている。電極２０６及び２０８は、電圧源２１２に結合されている。図２Ａの場合、システムは、電気的に非バイアス状態にある。この非バイアス状態において、小滴２１０は、小滴２１０と接触している誘電体２０４の表面２０５に対して、θ1と称される接触角を形成する。小滴２１０と誘電体２０２の表面２０３との間に、同様の接触角が存在する。
【００１４】
図２Ｂは、電気的にバイアスされた図２Ａのシステム２００を例示する概略図２３０である。電圧源２１２によって、電極２０６及び２０８にバイアス電圧が印加される。電極２０６及び２０８に印加される電圧によって、導電性液体の小滴に、小滴を動かす電界が発生する。小滴２１０が動くと、システムのキャパシタンスが増大し、その結果、システムのエネルギが増大する。この例の場合、小滴２４０の接触角が、小滴２１０の接触角に対して変化する。新しい接触角は、θ2と称され、電極２０６及び２０８と小滴２４０との間に生じた電界の結果である。
【００１５】
一般に、小滴を電極から分離し、それによって、小滴が電気回路の一部をなすようにするのが望ましい。図２Ｂに示すように電気的バイアスの印加が生じると、誘電体２０４の表面２０５及び誘電体２０２の表面２０３は、図２Ａに示す非バイアス状態よりも、小滴２４０に対する湿潤性が高くなる。小滴２４０を形成する液体の表面張力が、一般に、電気湿潤効果によって生じる液体表面の変形に抵抗するが、電極２０６と２０８の間に電界が生じる結果として、接触角が変化する。後述するように、接触角が変化すると、小滴の曲率が変化し、小滴の並進運動が生じることになる。
【００１６】
図３Ａは、ガリウム・ベースの導電性液体小滴を用いた電気スイッチ３００の実施形態を例示する概略図である。スイッチ３００には、スイッチの床を形成する表面３０３を備えた誘電体３０２と、スイッチの天井を形成する表面３０５を備えた誘電体３０４が含まれている。表面３０３及び表面３０５と共に流体キャビティ３１１を形成する壁部分３０７及び３０９の概略が示されている。導電性液体の小滴３１０は、誘電体３０２と誘電体３０４の間に挟まれている。
【００１７】
流体キャビティ３１１内の残りの領域は、二次流体３１３によって充填される。二次流体３１３は、小滴３１０のまわりの雰囲気を形成する。一般に、二次流体３１３は、小滴３１０の表面における酸化物の形成を抑制するか、または、なくす。多くのガリウム合金では、ｐＨが約１０の二次流体３１３は、別様に上述の望ましくない効果を生じさせ引き起こす可能性のある、薄い自然酸化物終端表面（例えば、Ｇａ2Ｏ3）ではなく、ヒドロキシル（ＯＨ）・イオン終端表面を生じることになる。二次流体３１３は、一般に、流体キャビティ３１１内で小滴３１０の並進を生じさせる電気湿潤効果を妨げないように、非導電性誘電特性も備えている。しかし、アルカリ性溶液の場合イオン伝導率があり、この伝導率は、スイッチ内に容認できない漏洩電流を生じさせないようにするのに十分なほど低いことが望ましい。一般に、二次流体３１３は、マイクロ波損失正接(loss tangent)が低く、高無線周波数で、二次流体３１３がその誘電特性を維持できるのが望ましい。さらに、ガリウム・ベース小滴３１０と二次流体３１３との界面エネルギは、やはり、スイッチング動作を生じさせることができるほどであるのが望ましい。二次流体３１３の粘性は、やはり、スイッチング時間を容認できないほど遅延させないように、十分に低いことが望ましい。二次流体は、毛細管作用によって、二次流体３１３をスイッチに送り込むことができるように、表面３０３及び３０５に対して、及び、壁部分３０７及び３０９の表面に対して湿潤性であることが望ましい。
【００１８】
図３Ａにおいて分りやすくするために省かれているが、流体キャビティ３１１には、液体金属及び二次流体を流体キャビティ３１１内に送り込むために用いられる、１つ以上のベント(vents)も含まれている。ベントは、液体金属及び二次流体の注入後、密封することが可能である。液体金属は、参考までに本明細書において援用されている、代理人整理番号１００４１４５３−１の、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｉｌｌｉｎｇ  ａ  Ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｃｈ  ｗｉｔｈ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ」と題する、同一出願人による、同時係属の米国特許出願第１１／１３０，８４６号に記載のように、流体キャビティ３１１に送り込むことが可能である。二次流体は、一般に、流体キャビティ３１１への二次流体の注入を促進するため、表面３０３及び３０５と、壁部分３０７及び３０９に対して湿潤性である。
【００１９】
誘電体３０２には、電極３０６及び電極３１２が含まれている。誘電体３０４には、電極３０８及び電極３１４が含まれている。誘電体３０２内には、電極３０６及び３１２が埋め込まれており、誘電体３０４内には、電極３０８及び３１４が埋め込まれている。この例では、小滴３１０を誘導して電極３１２及び３１４に向かって移動させるため、電極３０６及び３０８が、電気帰路３１６に結合されて電極３１２及び３１４から電気的に分離され、電極３１２及び３１４は、電圧源３２６に結合される。あるいはまた、小滴３１０を誘導して電極３０６及び３０８に向かって移動させるため、電極３１２及び３１４を分離された電気帰路に結合して、電極３０６及び３０８を電圧源に結合することも可能である。
【００２０】
この例の場合、スイッチ３００には、誘電体３０２の表面３０３に配置された電気接点３１８、３２２、及び、３２４が含まれている。この例の場合、接点３１８は、入力とみなすことが可能であり、接点３２２及び３２４は、出力とみなすことが可能である。図３Ａに示すように、小滴３１０は、入力接点３１８及び出力接点３２２と電気的に接触している。さらに、この例の場合、小滴３１０は、必ず、入力接点３１８と接触していることになる。
【００２１】
図３Ａに断面として示されているように、小滴３１０には、第１の半径ｒ1と第２の半径ｒ2が備わっている。電気的に非バイアス状態の場合、すなわち、電圧源３２６による供給電圧が０の場合、半径ｒ1の曲率は、半径ｒ2の曲率に等しく、小滴は、静止状態にある。小滴の曲率半径ｒは、次のように定義される。
【数１】
2007115691.tif 000003
ここで、ｄは、誘電体３０２の表面３０３と誘電体３０４の表面３０５との距離であり、ｃｏｓθtopは、小滴３１０と表面３０５との接触角であり、ｃｏｓθbottomは、小滴３１０と表面３０３との接触角である。従って、図３Ａに示すように、小滴３１０は静止状態にあり、そのため、半径ｒ1は半径ｒ2に等しく、湾曲は逆方向である。
【００２２】
電圧源３２６を介して電位が印加されると、小滴３１０と表面３０３及び３０５との間に、新しい接触角が形成される。下記方程式によって、新しい接触角が定義される。
【数２】
2007115691.tif 000004
【００２３】
方程式２（数２）は、Ｙｏｕｎｇ−Ｌｉｐｍａｎｎの方程式と呼ばれるものであり、新しい接触角ｃｏｓθ（Ｖ）は、印加電圧の関数として求められる。方程式２において、εは誘電体３０２及び３０４の誘電率であり、γは液体の表面張力であり、ｔは誘電体の厚さであり、Ｖは導電性液体に関して電極に印加される電圧である。従って、表面３０３及び３０５に対して小滴３１０の接触角を変化させるため、電極３１４及び３１２に電圧が印加され、その結果、小滴３１０の形状が変化して、ｒ1とｒ2が等しくなくなる。ｒ1とｒ2が等しくないと、小滴３１０への圧力Ｐが、下記方程式に従って変化する。
【数３】
2007115691.tif 000005
【００２４】
図３Ｂは、電気湿潤による接触角の縮小によって生じる小滴３１０の圧力変化の結果として、導電性液体の小滴に付与される動きを例示した概略図である。電圧源３２６によって電極３１４及び３１２に電圧が印加されると、図３Ａの表面３０３及び３０５に対する小滴３１０の接触角が小さくなって、ｒ1とｒ2は等しくなくなる。半径ｒ1とｒ2が異なると、小滴に圧力差が生じ、小滴は、表面３０３及び３０５を横切って並進することになる。
【００２５】
図３Ｃは、電圧印加後の図３Ａのスイッチ３００を例示した概略図３３０である。図３Ｃに示すように、小滴３１０は、移動しており、この時点では、入力接点３１８と出力接点３２４を電気的に接続している。こうして、電気湿潤を利用して、導電性液体に並進運動を誘発し、電子信号をスイッチすることが可能である。
【００２６】
本発明によるもう１つの実施形態では、二次流体３１３は、接触している液体金属小滴の表面から汚染物を除去するように設計することが可能である。例えば、汚染物のタイプによっては、液体金属の大部分に現れるものもあれば、液体金属小滴の表面に現れるものもある。表面汚染によって、表面張力、従って、液体金属小滴の移動性及びスイッチング特性が変化する可能性がある。二次流体３１３は、液体金属小滴の表面に移動する汚染物を捕獲して、溶液中に送り込むように設計することが可能である。二次流体３１３の選択は、捕獲して、溶液中に送り込もうとする汚染物のタイプによって決まる。
【００２７】
本発明によるもう１つの実施形態では、ガリウム・ベース液体金属スイッチは、ガス圧を利用して液体金属小滴の並進を生じさせる、液体金属マイクロスイッチとして実施される。図４Ａは、マイクロ回路４００を例示した概略図である。この例の場合、マイクロ回路４００は、液体金属マイクロスイッチとすることが可能である。液体金属マイクロスイッチ４００は、１つ以上の層（不図示）を含むことが可能な基板４０２上に製作される。例えば、基板４０２は、部分的に、誘電体材料（不図示）及び他の材料層で被覆することが可能である。液体金属マイクロスイッチ４００は、単一層または多層回路基板を含むことが可能な、例えば、薄膜付着技法及び／または厚膜スクリーニング技法を用いて製作された構造とすることが可能である。
【００２８】
液体金属マイクロスイッチ４００には、ヒータ４０４及び４０６が含まれている。ヒータ４０４は、ヒータ・キャビティ４０７内に位置し、ヒータ４０６は、ヒータ・キャビティ４０８内に位置する。液体金属マイクロスイッチ４００には、図４Ａから省かれたカバーまたはキャップも含まれている。キャビティ４０７及び４０８は、例えば、窒素（Ｎ2）とすることが可能な、参照番号４３５を用いて例示されているガスを充填することが可能である。代替案として、キャビティ４０７及び４０８は、上述の二次流体３１３と同様の二次流体４１３を充填することも可能である。ヒータ・キャビティ４０７は、サブチャネル４１５を介して主チャネル４２０に結合されている。主チャネル４２０は、流体キャビティとも称される。同様に、ヒータ・キャビティ４０８は、サブチャネル４１６を介して主チャネル４２０に結合されている。主チャネル４２０は、部分的に、液体金属の単一小滴４３０が充填されている。しかし、用途によっては、ガス圧によって分割されて、スイッチング機能を起動する、別個の２滴導電性液体を充填することも可能である。小滴４３０は、「スラグ(slug)」とも称される。例えば、ガリウムと、インジウム、スズ、亜鉛、及び、銅、または、それらの組み合わせを含有するガリウム・ベース合金とすることが可能な液体金属は、入力接点４２１と２つの出力接点４２２及び４２４の一方と絶えず接触している。小滴４３０は、主チャネル４２０内で、二次流体４１３によって包囲されている。
【００２９】
接点４２２の下にある金属材料の一部４５１は、主チャネル４２０の周辺を越えて、基板４０２にまで延びている。同様に、接点４２４の下にある金属材料の一部４５２は、主チャネル４２０の周辺を越えて、基板４０２にまで延びており、入力接点４２１の下にある金属材料の一部４５４及び４５６は、主チャネル４２０の周辺を越えて、基板４０２にまで延びている。金属部分４５１、４５２、４５４、及び、４５６は、一般に、図解の簡略化のため図４Ａから省かれている誘電体によって覆われている。所望の場合には、基板４０２の領域４０９、４１１、及び、４１２のあたりにも金属材料を堆積させるか、または、別様に付着させて、キャップを取り付けるための金属接合能力が付与される。壁及び天井を形成する、カバーとも呼ばれるキャップについては後述する。スイッチ４００に対する天井の接合は、陽極接合によって実施することも可能であり、その場合、領域４０９、４１１、及び、４１２には、非晶質シリコンの層が含まれることになる。出力接点４２２及び４２４は、スイッチングが求められる場合に、出力接点４２２または出力接点４２４から小滴４３０を分離するために用いられるエネルギ量を最小限に抑えるため、一般に、できるだけ小さく製作される。さらに、接点４２１、４２２、及び、４２４の面積を最小限に抑えると、小滴４３０と、小滴が物理的に接触していない接点との容量結合の可能性が最小限度に抑えられることによって、接点間の電気的分離がいっそう改善される。
【００３０】
主チャネル４２０には、図示のように特徴４２５及び特徴４２６が含まれている。特徴４２５及び４２６は、例えば、主チャネル４２０のベースから上方に延び、図示のように、液体金属小滴４３０のエッジに接触するアイランドとして、基板４０２の表面上に製作することが可能である。これらの特徴４２５及び４２６は、チャネル４２０の側壁及び天井を形成するカバーの一部として形成することも可能である。特徴４２５及び４２６によって、液体金属小滴４３０の静止位置が決まる。液体金属小滴４３０を移動させる、従って、スイッチング機能を実施するため、ヒータ４０４または４０６の一方によって、ヒータ・キャビティ４０７または４０８内のガス４３５が加熱され、ガス４３５は膨張して、サブチャネル４１５または４１６の一方を通って移動することになる。膨張ガス４３５によって、小滴４３０に圧力が加えられ、小滴４３０は主チャネル４２０を通って並進する。小滴４３０の位置が図４Ａに示すようであれば、ヒータ４０４によって、ヒータ・キャビティ４０７内のガス４３５が加熱され、その結果、ガスが膨張して、サブチャネル４１５に送り込まれ、特徴４２５のまわりに流れて、比較的安定した圧力の壁が小滴４３０に加えられることになる。こうしてガス圧が加えられると、小滴は、出力接点４２４に向かって移動する。特徴４２５及び特徴４２６は、小滴４３０が主チャネル４２０内の画定可能なポイントを越えて広がるのを阻止するが、小滴４３０の移動が求められる場合には、小滴４３０が特徴４２５及び４２６から容易にディウェッティング(de-wet)できるようにする。スイッチング機能を実施するため、キャビティ４０７及びキャビティ４０８に二次流体４１３が充填されると、ヒータ４０４または４０６の一方によって、二次流体４１３が沸騰する。ヒータ４０４または４０６の付近で膨張する沸騰した二次流体４１３の運動によって、泡が生じる。次に、まわりの沸騰していない二次流体４１３に対する膨張する泡の圧力が、小滴４３０に作用し、小滴４３０が主チャネル４２０を通って並進し、スイッチングを生じさせることになる。
【００３１】
さらに、マイクロスイッチ４００には単一小滴４３０が利用されるので、小滴４３０がサブチャネル４１５及び４１６に入ることが可能な微小滴に分裂する可能性は、液体金属小滴がスイッチング動作を行うために複数セグメントに分割されるスイッチに比べると、大幅に低下する。
【００３２】
分りやすくするために図４Ａでは省かれているが、主チャネル４２０には、液体金属を入れるために用いられる１つ以上のベントも含まれている。液体金属及び二次流体の注入が済むと、ベントを密封することが可能である。
【００３３】
主チャネル４２０には、小滴４３０と主チャネル４２０の間の接触角を変化させたり形成することが可能な表面を含む、１つ以上の画定領域も含まれている。湿潤角とも呼ばれる接触角は、小滴４３０が主チャネル４２０の表面と接触する位置で形成される。接触角は、表面、液体、及び、二次流体が接触する点で測定される。二次流体は、この例の場合、アミノ・アルコール・トリエタノール・アミン、別の有機アルコール、または、小滴４３０を包囲する雰囲気を形成する別の二次流体とすることが可能である。小滴４３０が、比較的非湿潤性であるかまたは湿潤性が低いとみなされる表面に接触する場合には、大きい接触角が形成される。湿潤性は、一般に、表面の材料と小滴４３０を形成する材料の関数であり、とりわけ、液体の表面張力に関連している。さらに、二次流体４１３は、小滴４３０に対し、及び、主チャネル４２０の表面に対して比較的湿潤性であることが望ましい。
【００３４】
主チャネル４２０の諸部分は、湿潤性か、非湿潤性か、あるいは、中間接触角を備えると定義することが可能である。例えば、出力接点４２２及び４２４を越えて延びる主チャネル４２０の部分を、湿潤性を低くするかまたは非湿潤性にして、小滴４３０がこれらの領域に入らないようにするのが望ましい場合がある。同様に、特徴４２５及び４２６の近くの主チャネル部分は、小滴４３０と主チャネル４２０の間に中間接触角を生じるものと定義することが可能である。二次流体４１３を含む主チャネル４２０の領域は、一般に、主チャネル４２０への二次流体の注入を容易にするため、湿潤性である。
【００３５】
液体金属マクロスイッチ４００には、参照番号４３１、４３２、４３４、４３６、４３７、及び、４３８を利用して示された、１つ以上のガスケットも含まれている。
【００３６】
図４Ｂは、図４Ａの断面Ａ−Ａの略断面図である。基板４０２によって、ほぼ図示するように液体金属小滴４３０が支持されている。小滴４３０は、入力接点４２１及び出力接点４２２と接触し、特徴４２５に寄りかかっている。サブチャネル４１５を介してガス圧が加えられると、ガス４３５は、特徴４２５の諸部分のまわりを通過して、小滴４３０に圧力を加え、小滴４３０を出力接点４２４に向かって移動させる。基板４０２の表面４４２の諸部分には、小滴４３０と表面４４２の間に中間接触角を生じさせるように設計された材料または表面処理が含まれている。中間湿潤性領域は、小滴の下、及び、接触はしていないが、入力接点４２１と出力接点４２２及び４２４との近くに中間接触角を形成する。概して、導電性液体とそれが接触している表面との接触角は、０°〜１８０°の範囲であり、小滴を形成している材料、小滴が接触している表面の材料によって決まり、とりわけ、液体の表面張力に関連している。小滴が、比較的非湿潤性であるかまたは湿潤性が低いとみなされる表面に接触する場合には、大きい接触角が形成される。湿潤性の高い表面は、湿潤性の低い表面よりも小さい接触角に対応する。中間接触角は、小滴が接触している表面を被う材料の選択によって確定することが可能な角度であり、一般に、それぞれ、非湿潤表面と湿潤表面に対応する、大きい接触角と小さい接触角の間の角度である。小滴に加えられるガス圧によって、小滴４３０が所望の位置を行き過ぎると、中間接触角は、出力接点４２２または４２４の近くにあって接触している所望の位置に小滴４３０を戻すのを助ける。液体金属マイクロスイッチ４００には、キャップ４４０も含まれており、これにより、小滴４３０が密閉される。キャップ４４０によって、主チャネル４２０内に流体キャビティが形成される。
【００３７】
主チャネル４２０内の残りの領域は、二次流体４１３によって充填されている。二次流体４１３は、上述の二次流体３１３と同様であり、小滴４３０まわりの雰囲気を形成している。一般に、二次流体４１３によって、小滴４３０の表面における酸化物の形成が抑制されるか、または、なくなる。多くのガリウム合金では、ｐＨが約１０の二次流体４１３は、別様に上述の望ましくない効果を生じさせ、引き起こす可能性のある、薄い自然酸化物終端表面（例えば、Ｇａ2Ｏ3）ではなく、ヒドロキシル（ＯＨ）・イオン終端表面を生じることになる。
【００３８】
二次流体４１３は、望ましくは、主チャネル４２０内で小滴４３０の並進を生じさせる電気湿潤効果を妨げないように、非導電性誘電特性も備えている。しかし、アルカリ性溶液の場合、イオン伝導率があり、この伝導率は、スイッチ内に容認できない漏洩電流を生じさせないようにするのに十分なほど低いことが望ましい。より一般的には、二次流体４１３は、一般に、マイクロ波損失正接が低く、高無線周波数で、二次流体４１３がその誘電特性を維持できるのが望ましい。さらに、ガリウム・ベース小滴４３０と二次流体４１３との界面エネルギは、やはり、スイッチング動作を生じさせることができるほどであるのが望ましい。二次流体４１３の粘性は、やはり、スイッチング時間を容認できないほど遅延させないように、十分に低いことが望ましい。二次流体は、毛細管作用によって、二次流体４１３をスイッチに送り込むことができるように、主チャネル４２０の表面に対して湿潤性であることが望ましい。
【００３９】
図４Ｂにおいて分りやすくするために省かれているが、主チャネル４２０には、液体金属及び二次流体を主チャネル４２０内に送り込むために用いられる１つ以上のベントも含まれている。ベントは、液体金属及び二次流体の注入後、密封することが可能である。液体金属は、代理人整理番号１００４１４５３−１の、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｉｌｌｉｎｇ  ａ  Ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｃｈ  ｗｉｔｈ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ」と題する、上述の同一出願人による、同時係属の米国特許出願第１１／１３０，８４６号に記載のように、主チャネルに送り込むことが可能である。二次流体は、一般に、流体キャビティ３１１への二次流体の注入を促進するため、主チャネル４２０の表面に対して湿潤性である。
【００４０】
図５は、本発明の実施形態の１つに従ってスイッチを形成する方法を示すフローチャート５００である。ブロック５０２では、流体キャビティが設けられる。ブロック５０４では、基板上の流体キャビティに導電性液体の小滴が入れられる。導電性液体は、ガリウム・ベースの材料である。ブロック５０６では、流体キャビティに二次流体が追加され、二次流体は、導電性液体の小滴と接触して、そのまわりに雰囲気を形成する。ブロック５０８では、流体キャビティ内で導電性液体の小滴を並進させるように構成された電源が設けられる。
【００４１】
本開示では、本発明による実施形態が詳述されている。しかし、云うまでもなく、請求の範囲によって規定される本発明は、記述した実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】固体表面上にある導電性液体の小滴を含む、システムの実施形態の１つを例示した概略図である。
【図１Ｂ】接触角の異なる、図１Ａのシステムを例示した概略図である。
【図２Ａ】電気湿潤によって導電性液体の小滴とそれが接触している表面との接触角を変えることが可能な方法の１つを例示した概略図である。
【図２Ｂ】電気バイアスのかかった、図２Ａのシステムを例示した概略図である。
【図３Ａ】導電性液体の小滴を用いた電気スイッチの実施形態の１つを例示した概略図である。
【図３Ｂ】電気湿潤のために接触角が変化する結果として、導電性液体の小滴に付与される動きを例示した概略図である。
【図３Ｃ】電位の印加後における、図３Ａのスイッチを例示した概略図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態の１つによるマイクロ回路を例示した概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａの断面Ａ−Ａの略断面図である。
【図５】本発明の実施形態の１つに従ってスイッチを形成する方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
３００  液体金属スイッチ
３０２  基板
３０３  床
３０５  天井
３０６  電極
３０７、３０９  壁
３１０  導電性液体の小滴
３１１  流体キャビティ
３１３  二次流体
３２６  電源
４０４  ヒータ
４３５  ガス
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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