Liquid electric microswitch

本発明は、電気スイッチに関し、さらに詳細には、液体電気マイクロスイッチに関する。

マイクロスイッチと呼ばれる小型の継電器およびスイッチは、自動車や試験機器、交換機、電気通信など幅広い応用分野で、幅広い目的に使用されている。 一般的な傾向として電子機器は小型化される傾向にあるので、より小型の継電器およびスイッチの需要は大きくなっている。 したがって、従来の電子機械スイッチを小型化する研究が数多くなされている。 しかし、図１に示すスイッチなど従来の電子機械スイッチは、その機械的性質により本質的に信頼性が低下する傾向があった。 つまり、スイッチ内の可動部分および／または物理的電気接点がある時点で故障する、ということである。

図１を参照すると、例示的な従来技術の電子機械スイッチ１００は、アーム１０１および１０２にそれぞれ接続された負荷接点１０１ａおよび１０２ａを有する。 入力電圧がコイル機構１１１に印加されると、この入力電圧がコア１１０を磁化し、この磁化されたコア１１０が、アーム１０６および接点１０８をコア１１０の接点１０９に向かって方向１０７の向きに引き寄せる。 この作用により、アーム１０５上の接点１０３が方向１０４の向きに上向きに移動して、アーム１０２を物理的に押し上げ、負荷接点１０１ａおよび１０２ａを互いに接触させ、それにより負荷回路を閉じる。 入力電圧をコイル１１１から除去すると、ばねレバー１１３が接点１０１ａおよび１０２ａを押してこれらを切り離す働きをし、これにより負荷回路の接続が遮断される。

上述のように、スイッチ１００は、負荷の切替えを行うためには、本質的に機械的接触を取らざるを得ない。 時間が経つにつれて、このような接触時に酸化障害が起こり、その時点でスイッチは保守または交換を必要とする。 スイッチ１００を活動化したときに、負荷回路が開状態と閉状態のいずれかにはっきりと定まらない期間がある。 「バウンス」と呼ばれるこの現象により、電流を通電した時点と回路が切り替わる時点の間に遅延が生じ、これにより負荷の設計において考慮する必要がある状態が生じる。

さらに最近になり、研究努力は、例えば、通常は製造コストの削減につながる集積回路製造プロセスを用いて作製される小型のマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチの開発に集中されるようになっている。 しかし、図１に示す電子機械スイッチ１００と同様に、ＭＥＭＳスイッチも通常はスイッチを閉じるために互いに接触させなければならない固体接点を特徴としているので、これらのスイッチもやはり、いくらか信頼性が低い。 つまり、ＭＥＭＳスイッチは、より大規模な電子機械スイッチより低コストではあるが、電子機械スイッチが持つ前述のような問題は依然として残っている。 具体的には、これらのスイッチで必要とされる固体と固体の接触表面では、通常サイクル中に上記と同様の酸化／劣化が生じてしまう。 比較的小さな規模になると、高スループット電力において、これにより接触抵抗の増大、スティクション、または微細溶接を生じる恐れがある。

小型の電子機械スイッチに関する前述の問題を回避するために、固体状態継電器（ＳＳＲ）にも開発努力は向けられている。 図２は、代表的な従来技術の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）型のＳＳＲ２００を示す図である。 詳細には、入力電流が、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）赤外ＬＥＤである発光ダイオード２０１に、リード線２０２および２０３を介して通電される。 これにより生じる出射光２０４は、光学ドーム２０５内で反射されて、フォトダイオード・アレイ２０６ａの一連のフォトダイオード２０６に当たる。 フォトダイオードは電圧を発生させ、この電圧がドライバ回路２０７に与えられる。 ドライバ回路２０７は、周知のとおり、２つのＭＯＳＦＥＴ２０８のゲートを制御するために、したがって負荷２０９を切替えるために使用される。

ＳＳＲ２００の全ての構成要素は、例えば半導体材料から作製されるので、この固体状態継電器は、その他のタイプの装置には見られない多くの動作特徴を併せ持っている。 前述の電子機械スイッチとは異なり、可動部分がないので、固体状態継電器は、比較的長い切替え寿命を特徴とし、バウンスのない動作を示す。 さらに、入力ＬＥＤが必要とする信号レベルは低く、このことからＳＳＲスイッチは低電力の応用分野において魅力的なものとなっている。

上記の理由から、ＳＳＲは多くの応用分野で有利であるが、いくつかの点ではやはり有用性に制限がある。 具体的には、これらの装置は、電流漏れの程度が比較的高い場合があり、これにより比較的効率が悪くなることがある。 また、ＳＳＲは、通常、伝達できる電力が制限されるので、大きな負荷の切替えを行う能力においてもやはり制限がある。 最後に、ＳＳＲは電子機械装置および／またはＭＥＭＳ装置に比べて製造費用が高いので、ＳＳＲを用いた装置のコストが高くなる。

上記の制限のいくつかに対処するために、最近は、主として液体型マイクロスイッチの開発が試みられている。 このような試みは、例えば、参照によりその全てを本明細書に組み込む、J. Kim他、「A micromechanical switch with electrostatically driven liquid-metal droplet」、SENIOR ACTUAT A-PHYS 97-8、672-679、2002年4月1日、L. Latorre他、「Electrostatic actuation of microscale liquid-metal droplets」、JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS、VOL. 11、NO. 4、2002年8月、ならびにJ. Simon、S. Saffer、およびCJ Kim、「A Liquid-Filled Microrelay with a Moving Mercury Micro-Drop」、J. Microelectro-mechanical Systems、Vol. 6、No. 3、1997年9月、208〜216ページに記載されている。 これらの文献に記載されるように、通常の従来の液体スイッチでは、固体電極に接触したり離れたりする可動液滴を使用することにより、電気回路の接続および切断を行う。 このような手法には、液体／固体の接触面における湿潤および電気化学的現象の信頼性が比較的低い可能性があるという制限がある。
J. Kim他、「A micromechanical switch with electrostatically driven liquid-metal droplet」、SENIOR ACTUAT A-PHYS 97-8、672-679、2002年4月1日 L. Latorre他、「Electrostatic actuation of microscale liquid-metal droplets」、JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS、VOL. 11、NO. 4、2002年8月 J. Simon、S. Saffer、およびCJ Kim、「A Liquid-Filled Microrelay with a Moving Mercury Micro-Drop」、J. Microelectro-mechanical Systems、Vol. 6、No. 3、1997年9月、208〜216ページ A. Adamson、Physical Chemistry of Surfaces、John Wieley & Sons, Inc.、1990年

米国特許出願第１０／１３９１２４号

米国特許出願第１０／４０３１５９号

前述の理由から、発明者等は、比較的製造コストの低い、効率的で寿命の長い電気マイクロスイッチが依然として必要とされていることに気がついた。 そこで、発明者等は、上述したような従来の装置に関する問題を実質的に解消したマイクロスイッチを発明した。 具体的には、発明者等は、複数の導電性液滴を使用して電気経路を形成する液体電気スイッチを発明した。 第１の実施形態では、少なくとも第１の電圧差を利用して、２つの液滴の間に分離間隔を生じさせる。 例えば、液滴はハウジング内に収容し、混合しない絶縁液体でその周囲を取り囲む。 この実施形態では、当該の少なくとも第１の電圧差によって、少なくとも１つの液滴の少なくとも一部分が第２の液滴から引き離され、これにより当該の少なくとも１つの液滴から第２の液滴に電流が流れることが妨げられる。

別の実施形態では、当該の少なくとも第１の電圧差を変化させて少なくとも１つの液滴を第２の液滴と接触させ、これによりこれら２つの液滴の間に電気経路を形成する。
本発明に従う電気スイッチは、第一の電圧を有する第一の導電性液滴と、第二の電圧を有する第二の導電性液滴と、第一の液滴を第二の液滴と可逆的に接触させる手段とを含む。
そして、その接触させる手段は、第一の液滴と第一の電極との間に第一の電位差を発生させる手段と、第二の液滴と第二の電極との間に第2の電圧差を発生させる手段を含む。

第一の電位差を発生させる手段は、第一の電極および第一の液滴に電気的に接続された少なくとも第一の電圧源を含み、そして第一の電極は第一の液滴から電気的に絶縁されている。
第二の電位差を発生させる手段は、第二の電極および第二の液滴に電気的に接続された少なくとも第一の電圧源を含み、そして第二の電極は第二の液滴から電気的に絶縁されている。
第一の液滴を第二の液滴に可逆的に接触させる手段は、第一の液滴に印加される圧力を増大させ、それにより第一の液滴を第二の液滴と接触させるための熱源を含む。

別の態様における本発明に従う電気スイッチは、第一の電圧を有する第一の導電性液滴と、第二の電圧を有する第二の導電性液滴と、第一の導電性液滴に近接する第一の電極と、第二の導電性液滴に近接する第二の電極と、第一の導電性液滴および第二の導電性液滴の少なくとも一方に電圧を印加する少なくとも第一の電圧源を含む。 この電気スイッチは、第一の導電性液滴を取り囲む、第一の導電性液滴と混合しない第一の流体を含む。 又、この電気スイッチは、第一の導電性液滴を取り囲む、第一の導電性液滴と混合しない第二の流体を含む。 ここで、この第一の流体と第二の流体は同じ材料からなる流体である。

第一の導電性液滴と第二の導電性液滴の間に電気経路が形成されるように、第一の液滴を第二の液滴と接触させる工程を含む、電気回路内の、第一の導電性液滴および第二の導電性液滴を含むスイッチとともに使用される方法を示す。 この方法は、さらに電気経路が除去されるように第一の導電性液滴を第二の導電性液滴から分離する工程を更に含む。

図３は、液体電気マイクロスイッチ、具体的にはカテノイド構造液体電気スイッチの、本発明の原理による一実施形態を示す図である。 さらに詳細には、図３は、例えば１０マイクロメートルから５００マイクロメートルの直径を有する例えば円筒形の外側ハウジング３０２を有する、液体電気スイッチ３０１の断面図である。 当業者なら、本発明の原理の教示を実施するのに、数多くの適当な形状およびサイズが選択できることを理解するであろう。 例示的な電極３１８および３１９は、例示的なシリンダの端部に配置される。 ハウジング３０２の内部では、液滴３０３および３０４がそれぞれ、２枚の導電性プレート３０５および３０６の互いに対向する側に位置している。 導電性プレート３０５および３０６はそれぞれ切替え端子３０７および３０８に電気的に接続され、切替え端子３０７および３０８は、切替えを行う対象である電気負荷３０９に接続される。 液滴３０３および３０４は、例えばイオン液体、塩水溶液、液体金属など、幅広い種類の望ましい導電性液体から選択することができる。 当業者なら、本発明の原理によれば、数多くの様々な液体を液滴として有利に選択することができることを理解するであろう。

導電性液滴３０３および３０４は、例えば、液滴３０３および３０４として選択した液体と混合せず、かつ密度が同じである誘電性閉じ込め流体３１０で取り囲まれる。 この閉じ込め流体は、例えば、液滴３０３および３０４の蒸発を防止すると同時に、スイッチ３００が、重力の影響を受けない耐震性かつ耐衝撃性の動作を行うことを保証するために使用される。 シリコーン油やアルカン、アルコールなど、いくつかの一般的な流体を閉じ込め流体として使用することができる。 これについても、本明細書の教示に照らして、当業者なら、本明細書に記載の原理を実施するために任意数の適当な液体を選択することができることを十分に理解するであろう。

液滴３０３および３０４は、例えば、それぞれホール３１２および３１３を介して、プレート３０５とプレート３０６の間のチャンバ３１１の内側に途中まで進入することができる。 動作に際しては、２つの液滴３０３と３０４の分離を維持するために（すなわちスイッチを開いた状態に維持するために）、電極３１８と液滴３０３の間および電極３１９と液滴３０４の間に、電圧差を印加しておく。 例えば、図３の代表的な例では、電圧Ｖ _１を、リード線３０７に、したがって導電性プレート３０５および液滴３０３に印加する。 同様に、電圧Ｖ _０を、リード線３０８に、したがって導電性プレート３０６および液滴３０４に印加する。 したがって、例えば電極３１８に電圧Ｖ _１ +ΔＶを印加し、電極３１９に電圧Ｖ _０ +ΔＶを印加すると、導電性プレートと液滴の間に電圧差が生じる。 その結果、液滴３０３の頂部３１４が、電極３１８に向かって方向３１６の向きに引き寄せられ、液滴３０４の頂部３１５が、電極３１９に向かって方向３１７の向きに引き寄せられるので、液滴３０３の底部３２０および液滴３０４の底部３２１が互いに引き離される。 このようにして、開いた状態の電気スイッチとなり、これにより２つの液滴３０３と３０４の間では実質的に電荷の伝導がなくなる。

図４は、閉位置、すなわちオン位置に構成された図３の電気スイッチを示す図である。 図４を参照すると、リード線３０７と３０８の間の電機接続を確立するために、上側チャンバ４０２および下側チャンバ４０３の両方から液体を押し出して、液滴３０３と３０４を互いに接触させ、導電性プレート３０５と３０６の間に導電性の液体ブリッジ４０１が形成している。 このチャンバ４０２および４０３からの液体の押し出しは、例えば前述した液滴３０３と導電性プレート３０５の間、および液滴３０４と導電性プレート３０６の間の電圧差を取り除くことによってそれぞれ行うことができる。 これらの電圧差が取り除かれると、上側チャンバ４０２および下側チャンバ４０３内の液滴の周囲の非混合性液体が液滴に加える圧力により、液滴３０３の上側部分３１６および液滴３０４の上側部分３１７の液体の一部がチャンバ３１１の内側に押し戻される。 液滴３０３および３０４は、チャンバの内側に侵入すると互いに接触して、導電性液滴３０３と３０４の間に例えばカテノイド形の液体ブリッジ４０１を形成する。 これにより、２つの液滴の間に電気が流れ、負荷３０９に電力を供給することができるようになる。

再びスイッチを開くには（すなわちスイッチをオフ位置にするには）、液滴３０３と電極３０５、および液滴３０４と電極３０６の間に電圧差を再度印加するだけでよい。 これにより、液滴はそれぞれの電極に引き寄せられることになり、液体が上側チャンバ４０２および下側チャンバ４０３に引き戻されるにつれて、液体ブリッジ４０１が消滅し、リード線３０７と３０８の間の電気接続が切断される。

図３および図４の実施形態は、各チャンバを満たす液体の表面の曲率を静電的に調節することによって、各チャンバ内の液体の量を変化させることができることを示している。 当業者なら、本明細書の教示に照らして、チャンバ内の液体の量を変化させる代替の方法を考案することができるであろう。 例えば、電気毛細管機構またはエレクトロウェッティング機構を利用して上側チャンバおよび下側チャンバ内の圧力を変化させることにより、チャンバ内の液体の量を変化させることもできる。 当業者なら、これらの方法が微小液滴の幾何形状を制御するのに有効であることが分かっていることを理解するであろう。 例えば、圧力変化を利用する場合には、上側および下側のチャンバ内の圧力を高めることにより、一方または両方の液滴の一部分をチャンバから押し出し、液滴を互いに接触させることができる。 チャンバ内の圧力を低下させれば反対の効果が生じ、先ほどより多くの液滴がチャンバ内に引き込まれることにより、液滴間の接触が解消される。 このような圧力変化は、例えば熱エネルギーを利用して、上側チャンバおよび／または下側チャンバ内の液体を加熱または冷却することにより、もたらすことができる。 当業者なら、液体を加熱すると液滴がチャンバから押し出され、液体を冷却すると液滴がチャンバ内に引き戻されることは理解されるであろう。

電気毛細管作用を利用する場合には、例示的な電解質（塩化カリウム（ＫＣｌ）の水溶液など）をチャンバを充填する２次液体として使用し、例示的な液体金属（水銀など）を液滴として使用する。 液滴とその周囲の液体との間に、液体と液体の界面を通って電流が流れることを防止し、それにより２つの液体の間の電気的絶縁をもたらす帯電２重層を形成する。 液滴と周囲電解質との間に電圧差を印加することにより、２重層の電荷密度を変化させ、それにより液体と液体の界面の表面張力を変化させる。 液滴の曲率はこの界面の表面張力によって決まるので、チャンバ内の液体の量も変化することになる。 電気毛細管効果は周知の効果であり、例えばA. Adamson、Physical Chemistry of Surfaces、John Wieley & Sons, Inc.、1990年など、多くの出版物に詳細に記載されている。

同様に、エレクトロウェッティングを利用する場合には、導電性液滴の接触角を変化させることにより、チャンバ内の液体の量を変化させることができる。 液体マイクロレンズの基板に対する接触状態を変化させることにエレクトロウェッティングを適用することは、参照によりその全体を本明細書に組み込む、「Method And Apparatus For Calibrating A Tunable Microlens」と題する米国特許出願第１０／１３９１２４号に概略的に記載されている。

当業者なら、本明細書に記載の液体マイクロスイッチは高密度２次元アレイに容易に一体化して、極めて大規模なスイッチ構造を作製する可能性を開くことができることを理解するであろう。 この場合には、特別な組み立てを行わなくても微小液滴が自動的に適当な幾何学的パターンに配列されるようにするために、自己集合技術を利用することができる。 このような技術は、参照によりその全体を本明細書に組み込む、2003年3月31日に出願された、「Method and Apparatus for Variably Controlling the Movement of A Liquid on a Nanostructured Surface」と題する米国特許出願第１０／４０３１５９号に記載されている。 この´１５９号出願に記載の方法の他にも、高表面エネルギー・コーティングおよび低表面エネルギー・コーティングの交互パターンを備えたプレートを選択的にパターン形成することによって前述のスイッチ構造上の所望の位置に液体を引きつけることによって自己集合を実施することができることを、当業者なら理解するであろう。

本明細書に記載の新しい液体型マイクロスイッチは、多くの点で有利である。 製造プロセスが比較的低コストであることに加えて、例えば、液滴以外に可動部分がないということも、本発明の原理によるスイッチの特徴の１つである。 電気接続は、装置の残りの部分に対して静止したままの液滴の形状を能動的に変化させることによって、確立し切断する。 その結果として、従来のスイッチにおける主な故障原因の１つである機械的磨耗は、本発明の原理によるスイッチでは実質的に解消される。 さらに、本明細書に記載のスイッチでは、電流経路内に物理的な接点と接点の界面がない。 上述のように、電流は必ず、各切替えサイクル中に隣接する液滴の間に形成される、例えばカテノイド形の連続的な液体（液体ブリッジ）を通って流れる。 これにより、従来のスイッチでよく見られるもう１つの重要な故障メカニズムである、接点の化学的かつ電気化学的な劣化が解消される。 最後に、提案した液体／液体の接点設計では、ＯＦＦ状態電流がゼロとなり（絶縁性が高い）、ＯＮ状態の抵抗が非常に低く、高速でバウンスのない動作が実現される。 したがって、本明細書に記載の液体スイッチは、高性能、小サイズ、および低コストといった特性に加えて、極めて高い信頼性も無理なく兼ね備えている。

前述の内容は、単に本明細書の原理を説明するものである。 したがって、当業者なら、本明細書では明確な記述または図示がないが本発明の趣旨および範囲に含まれる、本明細書の原理を実施する様々な構成を考案することができることを理解されたい。 さらに、本明細書に記載の全ての実施例および条件文は、読者による本発明の原理の理解を助けるという、単なる教示を目的としたものであることは明らかであり、具体的に記載した実施例および条件を制限しないものとして解釈されたい。 さらに、本発明の態様および実施形態ならびにその具体例に関する本明細書の全ての記述は、その機能的均等物を含むものとする。

例示的な従来技術の電子機械式電気スイッチを示す図である。

例示的な従来技術の固体状態継電器を示す図である。

開位置にあるカテノイド電気マイクロスイッチを示す、本発明の例示的な一実施形態を示す図である。

閉位置にある、図４の例示的なマイクロスイッチを示す図である。