使用含镓开关材料的液态金属开关制造技术

本发明专利技术公开了一种液态金属开关。液态金属开关（３００）使用含镓材料的导电液滴（３１０）作为汞的替代物。围绕含镓材料的第二流体（３１３）防止了在导电液滴（３１０）的表面上形成氧化物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及液态金属开关。
技术介绍
许多开关技术依赖于固体、机械触点，这些触点交替地从一个位置驱动至另一个位置以进行电接触和断开电接触。不幸的是，依赖于固-固触点的机械开关易于磨损并会发生所谓的“磨蚀”状态。磨蚀指在表面上的接触点处发生的腐蚀。在有载荷的情况下和存在反复的相对表面运动的情况下，很可能发生触点的磨蚀。磨蚀通常表现为触点表面上的坑或槽，并导致碎屑的形成，这些碎屑可能造成开关或继电器短路。为了减小对开关和继电器触点造成的机械损坏，可以利用液态金属来制造开关和继电器，以湿润可动机械结构来防止固体与固体的接触。使用电润湿来致动开关的液态金属开关公开在名为“Liquid Metal SwitchEmploying Electrowetting For Actuation And Architectures For ImplementingSame”的共同转让的美国专利申请No.10/996,823中，其代理号为No.10041044-1，通过引用将其包含在这里。使用气压来致动开关的另一种液态金属开关公开在名为“Liquid Metal Switch Employing a Single VolumeOf Liquid Metal”的共同转让的美国专利申请No.11/068,633中，其代理号为No.10041321-1，通过引用也将其包含在这里。上述应用中描述的液态金属开关使用汞(Hg)作为液态金属。但是，由于环境和健康相关的问题，将汞的使用限制在一些领域中。
技术实现思路
根据本专利技术，液态金属开关使用含镓材料的导电液滴作为汞的替代物。围绕含镓材料的第二流体防止了在导电液滴的表面上形成氧化物。附图说明参考附图可以更好地理解本专利技术。附图中的部件不必然按照比例，而是为了清楚地说明本专利技术的原理突出了一些重点。此外，在附图中，类似的参考标号在所有视图中表示相对应的部分。图1A的示意示包含位于固体表面上的导电液滴的系统的实施例。图1B的示意示具有不同接触角的图1A的系统。图2A的示意示其中电润湿可以改变导电液滴和与其接触的表面之间的接触角的一种方式。图2B的示意示处于电偏压下的图2A的系统。图3A的示意示使用导电液滴的电开关的实施例。图3B的示意示由于电润湿引起接触角改变，从而引起导电液滴的运动。图3C的示意示在施加电势以后的图3A的开关。图4A的示意示根据本专利技术实施例的微电路。图4B是穿过图4A的剖面A-A的简化剖视图。图5的流程图描述根据本专利技术实施例形成开关的方法。具体实施例方式在液态金属开关中使用镓基合金作为开关元件减少了由于使用潜在的有毒材料(例如汞)所带来的限制。但是，镓基合金的使用也出现一些难题。一个主要的难题是用于镓和镓基合金形成氧化物的热量很高。这意味着在液态金属开关中仅用镓或镓基合金替代汞很可能导致在镓或镓基合金的表面上形成镓氧化物。因为，汞氧化物形成的热量很低，所以在汞上形成氧化物不会成为特别的问题。但是，因为镓氧化物形成的热量很高，在存在空气的情况下，氧化物容易形成在镓或镓基合金的表面上，并很可能导致表面张力的变化，或者甚至在表面上形成固体“硬皮”。这阻碍镓或镓基合金的运动，由此限制了开关的性能。由此，在根据本专利技术的实施例中，第二流体代替空气作为围绕液态金属开关中的镓或镓基合金的环境氛围。第二流体通过防止氧到达镓基合金表面、和/或通过减少镓基合金表面上形成的氧化物，来防止镓基合金表面的氧化。相对于镓或镓基合金，第二流体通常是非腐蚀性的，并且其通常是非导电性的(例如电介质)。此外，第二流体通常不应当影响液态金属的开关性能，相对于镓或镓基合金通常应当具有较低的粘度。此外，相对于形成开关和流体装载区域的微流体腔，第二流体通常应当是润湿性的。尽管以下描述的是用在使用电润湿或气压来致动开关的液态金属开关中，但是使用含镓开关材料的液态金属开关可以用在任何液态金属应用中，而与致动技术无关。在讨论根据本专利技术的实施例之前，首先提供对于电润湿的效果的简要描述。图1A的示意示包含存在于固体表面上的导电液滴的系统100。滴104例如可以含以下材料的镓基合金例如镓、铟、锡、锌、铜或这些元素与镓的组合。滴104驻留于固体102的表面108上。接触角(也称作润湿角)形成在液滴104与表面108接触的位置。接触角用θ表示，并在表面108、液滴104和气体106接触的点处进行测量。在此示例中，气体106可以是防止在滴104的表面上形成氧化物的流体。流体106形成围绕滴104的氛围。如图1A所示，当液滴104接触被称作相对非润湿或较小可润湿性的表面108时形成大接触角。润湿性通常是表面108的材料和形成滴104的材料的函数，并且特别是与液体的表面张力相关。通常，流体106相对于表面108是润湿性的，并对于将滴104包含在流体通道或流体腔中的开关结构的壁或顶(以下描述)是润湿性的。图1B是表示具有不同接触角的图1A的系统100的示意图130。在图1B中，滴134对于表面108比滴104对于表面108更加可润湿，由此形成更小的接触角，称之为θ′。如图1B所示，滴134比图1A的滴104更加平坦并具有更低的轮廓。电润湿的概念被定义为接触角随着施加电势而变化，它依赖于用电来改变导电液体相对于与导电液体接触的表面形成的接触角的能力。一般来说，导电液体和与其接触的表面之间的接触角在0°到180°的范围内。图2A是表示电润湿可以改变导电液滴和与其接触的表面之间的接触角的一种方式的示意图200。在图2A中，导电液滴210夹在电介质202和电介质204之间。电介质例如可以是氧化钽或其它电介质材料。电极206埋入电介质202中，电极208埋入电介质204中。电极206和208耦合到电压源212。在图2A中，系统是非电偏压的。在这种非偏压状态下，液滴210相对于电介质204的与滴210接触的表面205形成接触角，称之为θ1。类似的接触角存在于滴210和电介质202的表面203之间。图2B是表示在电偏压下的图2A的系统200的示意图230。电压源212提供偏压至电极206和208。施加到电极206和208的电压产生穿过导电液滴的电场，引起滴移动。滴210的移动增大了系统电容，由此增加了系统能量。在此示例中，相对于滴210的接触角，滴240的接触角被改变。新的接触角称作θ2，并且新的接触角是由在电极206和208之间产生的电场和滴240作用的结果。通常希望将滴与电极隔离，并且由此允许滴变成电路的部分。如图2B所示，电偏压的施加使得电介质204的表面205和电介质202的表面205相对于滴240比图2A所示的无偏压状态更加可润湿。尽管形成滴240的液体表面张力通常抵抗由电润湿效应引起的液体表面的变形，但是由于在电极206和208之间建立的电场，接触角发生了变化。如下所述，接触角的变化改变了滴的曲率并引起滴的平移运动。图3A是表示使用镓基导电液滴的电气开关300的实施例的示意图。开关300包括电介质302，其具有形成开关底面的表面303；电介质304，其具有形成开关顶面的表面305。示意性示出的是壁部307和309，壁部307和309与表面303和305一起形成流体腔311。导电液滴310夹在电介质302和电介质304之间。流体腔311本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液态金属开关（３００），包括：含镓材料的导电液滴（３１０）；和围绕所述含镓材料的第二流体（３１３），所述第二流体防止在所述导电液滴（３１０）的表面上形成氧化物。

【技术特征摘要】
US 2005-10-20 11/254,9061.一种液态金属开关(300)，包括含镓材料的导电液滴(310)；和围绕所述含镓材料的第二流体(313)，所述第二流体防止在所述导电液滴(310)的表面上形成氧化物。2.如权利要求1所述的开关(300)，其中，所述含镓材料选自镓、铟、锡、锌和铜。3.如权利要求2所述的开关(300)，其中，所述第二流体(313)的PH值至少为10。4.如权利要求3所述的开关(300)，还包括流体腔(311)，所述流体腔具有底(303)、壁(307，309)和顶(305)；和衬底(302)，所述衬底具有形成所述底(303)的表面(303)，其中，所述第二流体(313)相对于所述流体腔(311)的底(303)、壁(307，309)和顶(305)是润湿性的。5.如权利要求4所述的开关(300)，其中，所述第二流体(313)选自氨基醇三乙醇胺和其它有机醇。6.如权利要求5所述的开关(300)，还包括位...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫西贝凌，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]