CN1771574A - 还原基于流体的开关中的氧化物 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于流体的开关和用于制造该开关的方法。在一个实施例中，开关包括相配合的第一(102)和第二(104)基板，它们在其间限定若干腔(106、108、110)的至少一部分；一个或多个腔中露出的多个电极(612、614、616)；一个或多个腔中容纳的开关流体(618)，用于响应于施加到开关流体的力，导通和关断多个电极中的至少一对；与开关流体的至少一部分接触的还原材料，还原材料与开关流体上的氧化物起反应；以及一个或多个腔中容纳的驱动流体(620)，其向所述开关流体施加力。

Description

还原基于流体的开关中的氧化物
背景技术
已经制造出了液体金属微开关(LIMMS)，其使用液体金属例如水银作为开关流体(switching fluid)。液体金属可以产生和断开电接触。为了改变开关的状态，对开关流体施加力，以使得其变形和移动。液体金属可能会形成阻碍开关正常工作的氧化物膜。例如，氧化物膜可能会增加液体金属的表面张力，而这会增加开关改变状态所需的能量。
发明内容
在一个实施例中，公开了一种用于还原开关流体上的氧化物的方法。该方法包括在第一基板上沉积开关流体。固态还原材料被沉积，以使其与开关流体的至少一部分接触。还原材料与开关流体上的氧化物起反应。最后，第一基板与第二基板相配合，第一基板与第二基板在它们之间限定了容纳开关流体的腔，该腔的大小允许开关流体在第一和第二状态间运动。
在另一实施例中，该方法包括在第一基板上沉积开关流体。开关流体与用于与开关流体上的氧化物起反应的还原材料相混合。该第一基板与第二基板相配合，第一基板与第二基板在它们之间限定了容纳开关流体的腔，该腔的大小允许开关流体在第一和第二状态间运动。
在第三实施例中，该方法包括在开关流体通道上沉积开关流体。与还原材料相混合的驱动流体被沉积在第一基板上。还原材料在开关状态改变期间与开关流体相接触，并还原开关流体上的氧化物。然后，第一基板和第二基板相互配合，基板在它们之间限定了用于容纳开关流体的腔和一个或多个另外的腔，所述另外的腔连接到开关流体腔，并且容纳与还原材料相混合的驱动流体。
附图说明
附图中图示了本发明的示例性实施例，其中：
图1示出了基于流体的开关的第一示例性实施例的平面图；
图2示出了图1所示开关的正视图；
图3示出了可用于制造图1和2的基于流体的开关的示例性方法；
图4示出了基于流体的开关的第二示例性实施例的正视图；
图5示出了可用来制造图4的基于流体的开关的示例性方法；
图6示出了包括与开关流体上的氧化物起反应的还原材料的开关的第一示例性实施例的立体图；
图7示出了包括与开关流体上的氧化物起反应的还原材料的开关的第二示例性实施例的立体图；
图8示出了包括还原材料的开关的另一实施例的平面图；以及
图9示出了可用来制造图8的开关的示例性方法。
具体实施方式
图1和图2示出了例如LIMMS的基于流体的开关。开关100包括开关流体腔104、一对驱动流体(actuating liquid)腔102、106，以及一对这样的腔108、110，其用于将对应的驱动流体腔102、106连接到开关流体腔104。可以预想到可在开关中形成更多或更少的腔。例如，一对驱动流体腔102、106和一对连接腔108、110可由单个驱动流体腔和单个连接腔代替。
如图3所示，可通过在步骤305，在第一基板101上的多个开关触点(例如电极)112～116上沉积开关流体118来产生开关100。在一个实施例中，开关流体可以是液体金属，例如水银或包含镓的合金。如下面进一步详细描述的，开关流体118可用来产生和断开触点112、114、116之间的接触。在可替换实施例中，开关流体可沉积在多个可湿垫(wettablepad)上，并可用来开启和阻断光路。虽然图1所示开关包括3个触点，但是应当理解，可替换实施例可具有不同数量的触点。
接下来，在步骤310，还原材料120被沉积在这样的位置，其使得它将在开关状态改变期间与开关流体118的至少一部分接触。还原材料120可以是这样的材料，其具有比开关流体118更低的负还原电势，用来与形成在开关流体118上的氧化物起反应。举例来说，当使用水银作为开关流体时，还原材料可以是一层固态的碳、铬、镁、铝、钛、锰、镍、硅或其他合适材料。
在步骤315，基板101、103被配合在一起。在这两块基板之间限定了容纳开关流体118的腔。该腔的大小允许开关流体在第一和第二状态之间运动。如果在容纳开关流体的腔内温度足够高，或者存在催化剂，则当还原材料接触开关流体时，还原材料和开关流体上的氧化物之间起反应。
图4示出了包括用于还原开关流体上的氧化物的还原材料的开关的可替换实施例。如图5所示，可通过在步骤505，在位于第一基板401上的多个触点412、414、416上沉积混合有还原材料418的开关流体来产生开关400。在可替换实施例中，混合有还原材料418的开关流体可被沉积在可湿垫或液体电极上。基板401和403在步骤515被配合在一起，以在基板间限定开关流体腔。
还原材料可以是沉积在开关流体上或与开关流体混合的粒子或粉末。这可增加还原材料的表面面积，并允许用更少的材料来还原更大量的开关流体氧化物。举例来说，开关流体可以是液体金属，例如水银，而还原材料可以是碳、铬、镁、铝、钛、锰、镍或硅。也可使用其他合适的还原材料。当开关改变状态时，开关流体可被混合，以允许还原材料接触开关流体上可能已形成的任何氧化物，并与其起反应。
可参照图6来说明根据一个实施例的开关的功能。开关600包括配合在一起的第一基板602和第二基板604。基板602和604在它们之间限定了若干腔606、608和610。在一个或多个所述腔中露出的是多个电极612、614、616。一个或多个所述腔中容纳的开关流体618(例如，导电液体金属，例如水银)用于响应于施加到开关流体618的力，导通和关断多个电极612～616中的至少一对。一个或多个所述腔中的驱动流体620(例如惰性气体或液体)用于向开关流体618施加力。
在开关600的一个实施例中，施加到开关流体618的力来自于驱动流体620中的压力改变。驱动流体620中的压力改变造成了开关流体618的压力改变，从而使得开关流体618变形、移动、分离，等等。如图6所示，容纳在腔606中的驱动流体620的压力向开关流体618施加力以使其分离。在此状态下，开关600最右侧的一对电极614、616被彼此耦合。如果容纳在腔606中的驱动流体620的压力减小，并且容纳在腔610中的驱动流体620的压力增加，则开关流体618可被迫分离和合并，从而电极614和616被解耦合，而电极612和614被耦合。
举例来说，驱动流体620中的压力改变可通过加热驱动流体620或通过压电泵浦(piezoelectric pumping)来实现。前者在Kondoh等的题为“Electrical Contact Breaker Switch，Integrated Electrical Contact BreakerSwitch，and Electrical Contact Switching Method”的美国专利No.6,323,447中有所描述，其公开的全部内容通过引用而被包含于此。后者在MarvinGlenn Wong于2002年5月2日提交的题为“A Piezoelectrically ActuatedLiquid Metal Switch”的美国专利申请No.10/137,691中有所描述，其公开的全部内容也通过引用而被包含于此。虽然上面参考的专利和专利申请公开了利用双推/拉驱动流体腔的开关流体运动，但是如果从单个推/拉驱动流体腔可向开关流体传递足够的推/拉压力改变，则单个的推/拉驱动流体腔就足够了。有关例如图6所示开关的结构和操作的其他细节可在上述Kondoh的专利中找到。
开关600还包括与开关流体618混合的还原材料622。还原材料622可具有比开关流体618更低的负还原电势。如果温度足够高或存在催化剂，则还原材料可与氧化物起反应，并还原开关流体618上的氧化物。例如，如果开关流体是水银，则还原材料622可以是碳、铬、镁、铝、钛、锰、镍、硅或其他合适材料。在可替换实施例中，还原材料618可以是沉积在基板之一上的固态材料。
现在参照图7描述开关700的功能的第二示例性实施例。开关700包括配合在一起的基板702和第二基板704。基板702和704在它们之间限定了若干腔706、708、710。在一个或多个所述腔中露出的是多个可湿垫712～716。开关流体718(例如，液体金属，例如水银)可湿润垫712～716，并被容纳在一个或多个所述腔中。开关流体718用于响应于施加到开关流体718的力，开启和阻断通过一个或多个所述腔的光路722/724、726/728。举例来说，光路可由与容纳开关流体的腔708中的半透明窗对齐的波导722～728限定。对光路722/724、726/728的阻断可通过使开关流体718变得不透明来实现。容纳在一个或多个所述腔中的驱动流体720(例如惰性气体或液体)用于向开关流体718施加力。
开关700还包括与开关流体718混合的还原材料730。还原材料730可具有比开关流体718更低的负还原电势，并可用于与开关流体718上可能形成的氧化物起反应。例如，如果开关流体是水银，则还原材料730可以是碳、铬、镁、铝、钛、锰、镍、硅或其他合适材料。在可替换实施例中，还原材料730可以是沉积在基板之一上的固态材料。
图8示出了具有还原材料的基于流体的开关的另一实施例。开关800包括容纳开关流体818的开关流体腔804、一对驱动流体腔802、806，以及一对这样的腔808、810，其用于将对应的驱动流体腔802、806连接到开关流体腔804。可预想到可在开关中形成更多或更少的腔。例如，一对驱动流体腔802、806和一对连接腔808、810可由单个驱动流体腔和单个连接腔代替。
驱动流体腔802、806容纳溶解或混合在驱动流体815中的还原材料。举例来说，驱动流体可以是全氟碳(perfluorocarbon)油(例如3MFluorinertTM)，而还原材料可以是可溶材料，例如铝氢化物或钠硼氢化物。如在本申请其他部分所述的，驱动流体向开关流体818施加力，以使得开关800改变状态。当开关改变状态时，混合有还原材料815的驱动流体与开关流体接触。于是还原材料可与开关流体上的氧化物起反应。
如图9所示，可通过在步骤905，在开关流体通道中沉积开关流体818来产生开关800。开关流体可以沉积在位于开关流体通道中的多个开关触点(例如电极或可湿垫)上。开关流体通道可位于配合在一起以形成开关的任一基板上。在步骤910，混合有还原材料815的驱动流体也沉积在基板之一上。接下来，第一基板被配合到第二基板，从而在基板间限定容纳开关流体818的腔804。腔804的大小允许开关流体在第一和第二状态间运动。在基板之间还限定了容纳混合有还原材料815的驱动流体的一个或多个另外的腔802、806。当在开关状态改变期间，混合有还原材料815的驱动流体向开关流体818施加力时，还原材料可通过与氧化物起反应来还原开关流体上的氧化物。
有关例如图7所示的开关的结构和操作的其他细节可在上述Kondoh等的专利和Marvin Wong的专利申请中找到。
虽然这里详细描述了示例性的目前优选的本发明实施例，但是应当理解，可以多种方式实现这些创造性原理。所附权利要求应被理解为包括这些改变，除了由现有技术所限的以外。

Claims (10)

1.一种开关，包括：
相配合的第一(602)和第二(604)基板，所述第一和第二基板在其间限定若干腔(606、608、610)的至少一部分；
一个或多个所述腔中露出的多个电极(612、614、616)；
一个或多个所述腔中容纳的开关流体(618)，用于响应于施加到所述开关流体的力，导通和关断所述多个电极中的至少一对；
与所述开关流体的至少一部分接触的还原材料，所述还原材料与所述开关流体上的氧化物起反应；以及
一个或多个所述腔中容纳的驱动流体(620)，其向所述开关流体施加力。
2.如权利要求1所述的开关，其中，所述还原材料包括与所述开关流体的至少一部分混合的材料粒子(418)。
3.如权利要求1所述的开关，其中，所述还原材料包括与所述开关流体的至少一部分混合的粉末(418)。
4.如权利要求1到3中的一个所述的开关，其中，所述还原材料包括碳、铬、镁、铝、钛、锰、镍和硅中的一种。
5.如权利要求1到4中的一个所述的开关，其中，所述开关流体包括水银。
6.如权利要求1、4或5中的一个所述的开关，其中，所述还原材料包括在所述基板中的一个上沉积的固态材料(120)。
7.一种开关，包括：
相配合的第一(702)和第二(704)基板，所述第一和第二基板在其间限定若干腔(706、708、710)的至少一部分；
一个或多个所述腔中露出的多个可湿垫(712、714、716)；
一个或多个所述腔中容纳的可湿润所述垫的开关流体(718)，用于响应于施加到所述开关流体的力，开启和阻断通过一个或多个所述腔的光路；
与所述开关流体的至少一部分接触的还原材料，所述还原材料与所述开关流体上的氧化物起反应；以及
一个或多个所述腔中容纳的驱动流体(720)，其向所述开关流体施加力。
8.一种开关(800)，包括
相配合的第一和第二基板，所述第一和第二基板在其间限定若干腔(802、804、806)的至少一部分；
一个或多个所述腔中容纳的开关流体(818)，所述开关流体响应于施加到所述开关流体的力，在至少第一和第二开关状态之间可运；
一个或多个所述腔中容纳的驱动流体，其向所述开关流体施加力；以及
与所述驱动流体混合的还原材料，所述还原剂在开关状态改变期间与所述开关流体上的氧化物起反应。
9.如权利要求20所述的开关，其中，所述还原材料包括液体。
10.如权利要求20所述的开关，其中，所述还原剂包括锂铝氢化物和钠硼氢化物中的一种。
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