已经开发了许多不同的技术用于制造用于低频和高频开关应用的开关 和继电器。许多这种技术依赖于固体、机械触头，这些触头交替地从一个 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- 固触头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，很可能发生触头的磨蚀。磨蚀通常表现为触头表面上的坑或 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。
为了使给开关和继电器触头造成的机械损坏最小化，已经利用液态金 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。 不幸的是，因为使用可移动机械结构来执行动作的开关和继电器被减小为 亚毫米尺寸，所以制造、可靠性和运转中的挑战开始出现。显微机械制造 工艺用于建造微尺寸的使用液态金属来湿润可移动机械结构的液态金属开 关和继电器，但是使用机械移动部件的装置可能过度复杂，因此降低了利 用这些技术制造装置的生产率。因此，可能更需要一种没有机械移动部件 的开关。
在例如高频开关的一些应用中，液态金属开关会表现出很差的隔离 性。应当由开关的断开的触头隔离的信号可能穿过开放触头而泄露，因此 引起间歇误差和预料之外的结果。缺少可靠的隔离导致缺乏电路可靠性。
需要一种可以克服以上缺点的三级液态金属开关。

本发明的一个方面提供了一种使用电介质上电润湿法(EWOD)的三 级液态金属开关，该开关包括：共用EWOD开关，其具有输入端口、共 享EWOD开关第一输出端和共享EWOD开关第二输出端；第一EWOD开 关，其具有第一EWOD开关输入端、第一输出端口和第一EWOD开关输 出端；第二EWOD开关，其具有第二EWOD开关输入端、第二输出端口 和第二EWOD开关输出端。其中，所述共享EWOD开关第一输出端可操 作地连接至所述第一EWOD开关输入端，并且所述共享EWOD开关第二 输出端可操作地连接至所述第二EWOD开关输入端。
本发明的另一方面提供了一种三级液态金属开关，该开关包括：第一 金属液滴；用于支撑所述第一金属液滴的第一金属液滴支撑装置；第一金 属液滴移动装置，用于响应于第一控制信号，将所述第一金属液滴在可操 作地连接输入端口至第一个第一开关输出的第一个第一开关位置和可操作 地连接所述输入端口至第一开关第二输出端的第二个第一开关位置之间移 动；第二金属液滴；用于支撑所述第二金属液滴的第二金属液滴支撑装 置；第二金属液滴移动装置，用于响应于第二控制信号，将所述第二金属 液滴在第二开关第一位置和第二开关第二位置之间移动，所述第二开关第 一位置可操作地连接第二开关输入和第一输出端口；第三金属液滴；用于 支撑所述第三金属液滴的第三金属液滴支撑装置；第三金属液滴移动装 置，用于响应于第三控制信号，将所述第三金属液滴在第一个第三开关位 置和第二个第三开关位置之间移动，所述第一个第三开关位置可操作地连 接第三开关输入和第二输出端口。其中，所述第一个第一开关输出可操作 地连接至所述第二开关输入，并且所述第一开关第二输出端可操作地连接 至所述第三开关输入。
本发明的再一方面提供了一种使用电介质上电润湿法(EWOD)的三 级液态金属开关，该开关包括：共用EWOD开关，所述共用EWOD开关 具有输入端口、共享EWOD开关第一输出端、共享EWOD开关第二输出 端、共享EWOD开关金属液滴、和至少一对共享EWOD开关电极，响应 于至所述至少一对共享EWOD开关电极的共享EWOD开关控制信号，所 述共享EWOD开关金属液滴可以在可操作地连接所述输入端口和所述共 享EWOD开关第一输出端的共享EWOD开关第一位置与可操作地连接所 述输入端口和所述共享EWOD开关第二输出端的共享EWOD开关第二位 置之间转换；第一EWOD开关，所述第一EWOD开关具有第一EWOD开 关输入端、第一输出端口、第一EWOD开关输出端、第一EWOD开关金 属液滴以及至少一对第一EWOD开关电极，响应于至所述至少一对第一 EWOD开关电极的第一EWOD开关控制信号，所述第一EWOD开关金属 液滴可以在第一EWOD开关第一位置和第一EWOD开关第二位置之间转 换；第二EWOD开关，所述第二EWOD开关具有第二EWOD开关输入 端、第二输出端口、第二EWOD开关输出端、第二EWOD开关金属液滴 以及至少一对第二EWOD开关电极，响应于至所述至少一对第二EWOD 开关电极的第二EWOD开关控制信号，所述第二EWOD开关金属液滴可 以在第二EWOD开关第一位置和第二EWOD开关第二位置之间转换。其 中，所述共享EWOD开关第一输出端可操作地连接至所述第一EWOD开 关输入端，并且所述共享EWOD开关第二输出端可操作地连接至所述第 二EWOD开关输入端。
附图说明
参考附图可以更好地理解本发明。图中的部件并不一定要按照比例绘 制，而是将重点放在清楚地说明本发明的原理。此外，在附图中，贯穿所 有这几幅附图的类似的参考标号表示对应的部件。
图1A是表示包括存在于固体表面上的导电液滴的系统的示意图。
图1B是表示具有不同接触角的图1A系统的示意图。
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。
图2B是表示在电偏压下的图2A的系统的示意图。
图3A是表示使用导电液滴的电气开关实施例的示意图。
图3B是表示由于电润湿引起接触角变化而导致使导电液滴运动的示 意图。
图3C是表示图3A的开关在施加电势之后的示意图。
图4A是表示根据本发明的第一实施例的开关横截面的示意图。
图4B是表示在电偏压下图4A的开关的示意图。
图4C是表示图4A和4B所示开关的平面图。
图4D是表示电介质表面的平面图，该表面包括改变表面对液滴润湿 性特征。
图5A是表示根据本发明的开关的第二实施例的平面图。
图5B是表示图5A的开关的剖视图。
图6A是图5A所示开关的替代实施例。
图6B是表示图6A的开关的剖视图。
图7是表示根据本发明的开关的另一个替代实施例的示意图。
图8是表示图7所示开关的替代实施例的示意图。
图9是表示可以应用到图5A和5B的开关的表面结构的示意图。
图10是表示示例性电介质衬底的示意图，该示例性电介质衬底可以 形成上述开关的下表面或底面。
图11是表示形成图7、8或9的开关顶面或微流体腔的帽的立体图。
图12是描述根据形成本发明实施例的开关的方法的流程图。
图13是表示用于三级液态金属开关的电路的示意图。
图14是表示根据本发明的三级液态金属开关的实施例的平面图。
图15是表示图14的一个液态金属开关的电极层的示意图。
图16A是表示在第一开关位置的三级液态金属开关的示意图。
图16B是表示在第二开关位置的三级液态金属开关的示意图。

以下所描述的开关结构可以用在需要提供迅速、可靠的开关的任何应 用中。尽管以下以开关射频(RF)信号进行描述，但是该结构可以用于其 它的开关应用。
图1A是表示包括存在于固体表面上的导电液滴的系统100的示意 图。滴104例如可以是汞或镓合金，并驻留于固体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可以是空气或形成围绕液滴104的氛围的其它气体。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的材料和形成液滴104的材料的函 数，并且特别是与液体的表面张力相关。
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，液滴134对于表面108比液滴104对于表面108更加可润湿，并且 由此形成更小的接触角，称之为θ′。如图1B所示，液滴134比图1A的液 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。电润湿的另一个理论集中在对于液体的位移， 利用被定义为系统能量(电容)变化的力，感兴趣的液体质心的运动。在 该分析中并没有直接涉及接触角的变化。
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的与液滴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液滴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 体的电场，引起液滴移动。液滴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，相对于液滴210的接触角，液滴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 生的电场和液滴240作用的结果。
通常希望将液滴与电极隔离，并且由此允许液滴变成电容电路的部 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相对于液滴240比图2A所示的无偏压状态更加可润湿。尽管 形成液滴240的液体表面张力抵抗电润湿效应，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 液滴的曲率并引起液滴的平移运动。
图3A是表示使用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。导电液滴310夹在电介质302和电介质 304之间。电介质302包括电极306和电极312。电介质304包括电极308 和电极314。电极306和312埋入电介质302，而电极308和314埋入电极 304。在此示例中，并且为了促使液滴310朝向电极312和314移动，电极 306和308耦合到电回路316并与电极312和314电隔离，并且电极312 和314耦合到电压源326。可替换地，为了使液滴310朝向电极306和308 移动，电极312和314可以耦合到隔离的电回路并且电极306和308可以 耦合到电压源。
在此示例中，开关300包括位于电介质302的表面303上的电触点 318、322和324。在此示例中，触点318可以作为输入，而触点322和 324可以作为输出。如图3A所示，液滴310与输入触点318和输出触点 322电接触。此外，在此示例中，液滴310一直与输入触点318接触。
如图3A的剖视图所示，液滴310包括第一半径r1和第二半径r2。当 没有电偏压时，也就是说当电压源326提供零电压时，半径r1部分的曲率 等于半径r2部分的曲率并且液滴静止。液滴的曲率半径r定义成
$r=\frac{d}{\cos {\theta }_{\mathrm{top}}+\cos {\theta }_{\mathrm{bottom}}}$ 等式1
其中d是电介质302的表面303与电介质304的表面305之间的距 离，θtop是液滴310和表面305之间的接触角，θbottom是液滴310和表 面303之间的接触角。因此，如图3A所示，液滴310静止，由此半径r1 等于半径r2，这时，沿相反的方向弯曲。一旦经由电压源326施加了电 势，在液滴310与表面303和305之间限定了新的接触角。以下的等式定 义了新的接触角。
$\cos \theta \left(V\right)=\cos {\theta }_0+\frac{\in }{2\mathrm{\gamma t}}{V}^2$ 等式2
等式2称为Young-Lippmann方程，其中新的接触角θ(V)定义成所施 加的电压的函数。在等式2中，θ0是没有施加电压的条件下的接触角，ε 是电介质302和304的介电常数，γ是液体的表面张力，t是电介质厚度， V是相对于导电液体施加至电极的电压。因此，为了改变液滴310相对表 面303和305的接触角，施加电压至电极314和312，由此改变液滴310 的轮廓使得r1不等于r2。如果rl不等于r2，则液滴310上的压力P根据 以下等式变化。
$P=\gamma (\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2})$ 等式3
图3B是表示由于电润湿引起接触角减小导致液滴310的压力变化， 从而导致使导电液滴运动的示意图。当电压由电压源326施加至电极314 和312时，在图3A中，液滴310相对于表面303和305的接触角减小， 使得r1不等于r2。当半径r1不等于r2时，在液滴上产生压差，由此因此液 滴在表面303和305上移动。
图3C是表示图3A的开关300在施加电势之后的示意图330。如图 3C所示，液滴310已经移动，并且当前电连接输入触点318和输出触点 324。以此方式，电润湿可以用于使导电液体平移运动，并可以用于开关 电子信号。
图4A是表示根据本发明第一实施例的开关横截面示意图。在开关 400中，仅接触一个表面的导电液滴410称作“座”滴(sessile droplet)。座 滴410位于电介质402的表面416上。电介质例如可以是氧化钽，液滴 410可以是汞、镓合金或其它的导电液体。输入触点412(在此实施例中 称作射频输入(RF in)触点)和输出触点408(RF out)形成在电介质 402的表面416上。液滴410与输入触点412电接触。电介质402的表面 416还至少部分地覆盖有能够影响液滴410相对于表面416形成的接触角 的一个或多个特征。影响液滴410相对于表面416形成的接触角的特征的 示例包括覆盖表面416的材料类型、在非润湿表面上形成的润湿材料的图 案和改变部分表面416的润湿性的显微质地等等。下面将描述这些特征。
电介质402还包括耦合到电压源414的电极404和电极406。电极404 和406埋入电介质402。在没有电偏压的情况下，液滴410形成为预定的 形状，该预定的形状可以通过控制表面416和液滴410之间的接触角来确 定，如上所述。尽管液滴410位于电极404和406之上，但是应当理解术 语“之上”要描述的是液滴410与电极404和406之间的空间不变的相对 关系。此外，液滴410定位成靠近电极404和406，使得如果开关400被 切换到相反位置，液滴410仍然可以如图所示地靠近电极404和406。此 外，在以下实施例中液滴和电极之间的关系类似地空间不变。
图4B是表示在电偏压下的图4A的开关400的示意图。在图4B中， 电压源414施加电偏压至电极404和406。电偏压建立穿过液滴410的电 场，由此引起液滴410如图4B所示地变形。施加的偏压改变了液滴410 和表面416之间的接触角，由此引起液滴变平并与触点412和408都搭 接。以这种方式，形成了使用液滴410的电润湿以使输入触点412和输出 触点408之间的电接触连通和断开的简单开关。
当电偏压施加至电极404和406时，液滴构成了电极404和406之间 的电容电路，如果电介质的厚度恒定，则施加的电压平均分布，引起液滴 410在两个电极404和406上的接触角同样地改变。在此示例中，当去除 偏压时，如图4A所示，液滴410将返回到其原始状态，并切断与输出电 极408的接触。图4A和4B中所示的实施例称为“非自锁”开关，其中当 去除偏压时液滴返回到其原始状态，由此切断输入触点412与输出触点 408之间的电接触。
图4C是表示图4A和4B所示开关的平面图460。图中示出，液滴 410在没有电偏压的情况下液滴仅与输入触点412接触，而在电偏压下， 液滴440与输入触点412和输出触点408接触。
图4D是表示电介质402的表面416的平面图480，该表面包括改变表 面对液滴的润湿性的特征。在此示例中，电介质402的表面416是二氧化 硅(SiO2)，若干润湿材料带482置于二氧化硅上以改变液滴410和表面 416之间的初始接触角，由此形成液滴410的中间接触角。在此示例中， 润湿材料482是金(Au)。可替换地，可以使用除金之外的润湿材料，在 表面416和液滴410之间形成其它的接触角。此外，由表面416上的小沟 槽形成的显微质地也可以用以改变表面416和液滴410之间的接触角。以 此方式，可以在表面416和液滴410之间建立初始接触角。通过限定初始 接触角，可以精密地控制由于施加电偏压引起的接触角变化，由此允许控 制开关功能。
图5A是表示根据本发明的开关的第二实施例500的俯视图。图5A所 示出的开关500包括驻留于电介质502的表面504上的座滴510。电极 506、508、512和514形成在电介质502的表面504之下。液滴510被示 出在与输入触点518和输出触点522接触的第一位置510a，和在与输入触 点518和输出触点524接触的第二位置510b。
电极508经由连接部分532耦合到电气回路516，电极506经由连接 部分536连接至电气回路516。电极512和514经由连接部分538和534 耦合到电压源526，并与电极506和508电隔离。在此实施例中，当电偏 压时，电气连接将引起液滴朝向电极512和514移动。可替换地，为了使 液滴朝向电极506和508移动，电极512和514可以耦合到电气回路 516，而电极506和508可以耦合到电压源。
当施加偏压时，座滴510将从示作510a的位置移动至示作510b的位 置。此实施例被称作“自锁”实施例，其中液滴510的位置保持固定，直 到施加偏压以引起液滴移动。在此示例中，通过控制施加至电极512和 514以及电极506和508的电压，使液滴510在不同位置间变换，从而提 供开关功能。在没有施加电偏压的情况下，通过调整液滴和表面504之间 的初始接触角，液滴510可以限定到特定的区域，如轮廓510a所示。通过 选择液滴510的材料和施加在表面504上的材料以限定液滴510和表面 504之间的润湿性，可以调整初始接触角以确保液滴510的自锁。
图5B是表示图5A的开关500的剖视图。开关500包括搁在电介质 502的表面504上的液滴510。依赖于由电压源526施加至电极512和514 的偏压，液滴510将在位置510a和510b之间移动，由此将来自输入触点 518的信号切换至输出触点522或输出触点524。
图6A是图5A所示的开关500的替代实施例600。在图6A中，电极 606和612包括相互交织的触点，电极608和614包括相互交织的触点， 总起来说是在620处。从电压源626施加的偏压引起液滴610从位置610a 移动至位置610b，由此引起施加到输入触点618的输入信号根据液滴610 的位置被引导至输出触点622或输出触点624液滴。
图6B是表示图6A的开关600的剖视图。通过控制施加至电极612和 614以及电极606和608的电压，液滴610将在位置610a和610b之间移 动，由此引起施加到输入触点618的输入信号被引导向输出触点622或输 出触点624，这依赖于液滴610的位置。
图7是表示根据本发明的开关的另一个替代实施例的示意图700。开 关700表示的是被称作“完全约束”的构造，其中液滴710被约束在具有 表面703的电介质702、具有表面705的电介质704、和电介质702与电介 质704之间的微流体边界720之间。微流体边界形成容纳液滴710的腔。 尽管在图7中微流体边界720被示作单独的元件，但是微流体边界720可 以包含在包括电介质704和/或电介质702的结构中。
电介质702包括与图5A、5B或图6A和6B所示的电极布置类似的电 极布置。但是，在图7中仅示出电极706和712。
从电压源726施加的偏压引起液滴710在位置710a和710b之间移 动，由此产生了开关功能。在此实施例中，一旦施加了偏压，液滴710和 表面703之间的接触角将改变，导致液滴在表面703和705上移动。
图8是表示图7所示开关700的替代实施例的示意图800。在图8 中，电介质804包括电极808和814。电极808和814可以如图5A和5B 所示地布置，或者可以如图6A和6B所描述地相互交织。表面803、表面 805和微流体边界820形成约束液滴的腔，使得液滴可以在电压源826施 加偏压时在位置810a和810b之间移动。在此实施例中，当施加了偏压 时，液滴810与表面803和805之间的接触角将改变，导致液滴在表面 803和805上移动。
图9是表示可以应用到这里所描述的任何一个开关的表面结构的示意 图900。图9所描述的表面结构可以应用到上述开关的任何实施例，以改 变液滴和与液滴接触的表面之间的初始接触角。电介质902包括大致如图 所示施加的非润湿图案904，由此留下了用来驻留液滴的润湿图案906。 此外，润湿图案906还可以限定成包括非润湿部分912，以精细地调整液 滴和与液滴接触的表面之间的初始接触角。以这种方式，可以调整初始接 触角以适合具体的应用。
图10是表示示例性电介质衬底的示意图1000，该示例性电介质衬底 可以形成上述开关的下表面或底面。在此示例中，硅衬底1002包括金属 薄膜材料的图案，该图案总的表示为在形成底面的表面1004上的1006所 指示的位置。在此示例中，为了清楚起见，省略了可以施加在金属膜上的 电介质膜。液滴的大致位置示出在1010处。输入触点示出在1012处而输 出触点示出在1014和1016处。
图11是表示形成图7、8或9的开关顶面和微流体腔的帽1102的立体 图1100。在此示例中，帽1102例如可以由诸如Pyrex的玻璃材料制成， 其下侧1104示出在图11中。帽1102包括顶部1120和形成上述微流体腔 的壁部1125。表示在1106处的金属薄膜的部分可以选择性地施加到表面 1104以与图10的部分1006至少部分对应，使得帽1102可以结合到图10 所示的衬底1002。例如，在图10的金属薄膜1006与图11的金属薄膜 1106接触的位置中，可以利用热和压力获得热压键合，由此形成可以包围 液滴的结构。可替换地，阳极键合法可以用于将衬底1002(图10)结合 至帽1102。以此方式，可以形成里面可以驻留上述液滴的微流体腔。电极 可以埋置于顶部1120中或涂敷于顶部1120上。
帽1102的壁1125也可以包括一个或多个特征以改变开关的润湿性和 自锁能力。这样的特征示出在1130处，例如可以是开口，该开口可以通 向参考储存室(未示出)。当开口1130足够小时，如果壁是相对非润湿 的，液态金属不会在毛细作用下通过，而是将保留在由顶部1120、壁 1125和底面表面1004(图10)形成的腔中。开口1130会减小液滴和壁 1125之间的附着能量。选择性地限定开口1130以控制粘附能量，可以控 制开关的自锁强度。帽1102还包括注入端口1114和排放口1108与 1112，导电液体可以通过注入端口1114引入。
图12是描述形成根据本发明实施例开关的方法的流程图1200。在框 1202中，提供包括埋入的电极的衬底。在框1204中，在衬底上提供导电 液滴。在框1206中，提供被构造成创建包括导电液滴的电路的电源。在 框1208中，在表面上形成特征。该特征决定了表面和液滴之间的初始接 触角。
图13是表示用于使用电介质上电润湿法(EWOD)的三级液态金属 开关的电路示意图。三级液态金属开关1300包括共用EWOD开关1310、 第一EWOD开关1340和第二EWOD开关1370。连至三级液态金属开关 1300的连接部分包括可操作地附装到共用EWOD开关1310以接收信号的 输入端口1302、可操作地附装到第一EWOD开关1340的第一输出端口 1304、和可操作地附装到第二EWOD开关1370的第二输出端口1306。三 级液态金属开关可以在输入端口1302和输出(第一输出端口1304和/或第 二输出端口1306)之间提供多个接触隔离。
每个示例性的EWOD开关具有一个输入和两个输出作为单刀双掷 (SPDT)开关。共用EWOD开关1310具有输入端口1302、共享EWOD 开关第一输出端1336和共享EWOD开关第二输出端1338。第一EWOD 开关1340具有第一EWOD开关输入端1343、第一输出端口1304和第一 EWOD开关输出端1368。第二EWOD开关1370具有第二EWOD开关输 入端1373、第二输出端口1306和第二EWOD开关输出端1398。共享 EWOD开关第一输出端1336可操作地连接至第一EWOD开关输入端 1343，共享EWOD开关第二输出端1338可操作地连接至第二EWOD开关 输入端1373。在一个实施例中，第一EWOD开关输出端1368和/或第二 EWOD开关输出端1398例如通过50欧的电阻1366或50欧的电阻1396 可操作地连接至公共端。本领域的技术人员应当理解电阻可以提供与输入 和/或输出传输线匹配的阻抗，由此中断并隔离传输线。
共用EWOD开关1310包括电介质表面1311，电介质表面1311带有 可操作地连接至共享EWOD开关第一输出端1336的第一触点1312、可操 作地连接至输入端口1302的共享触点1314、和可操作地连接至共享 EWOD开关第二输出端1338的第二触点1316。共享EWOD开关金属液滴 1318布置在电介质表面1311上并夹在共享EWOD开关第一位置和共享 EWOD开关第二位置之间。图13的示例示出共享EWOD开关金属液滴 1318在共享EWOD开关第一位置。在共享EWOD开关第一位置，共享 EWOD开关金属液滴1318可操作地连接第一触点1312和共享触点1314， 由此可操作地连接输入端口1302和共享EWOD开关第一输出端1336。在 共享EWOD开关第二位置中，共享EWOD开关金属液滴1318可操作地连 接共享触点1314和第二触点1316，由此可操作地连接输入端口1302和共 享EWOD开关第二输出端1338。
共用EWOD开关1310还包括可操作地连接至第一对共享EWOD开关 接线端1322a、1322b的共享EWOD开关第一对电极1320a、1320b、以及 可操作地连接至第二对共享EWOD开关接线端1326a、1326b的共享 EWOD开关第二对电极1324a、1324b。为了清楚地说明，共享EWOD开 关第一对电极1320a、1320b和共享EWOD开关第二对电极1324a、1324b 示出在电介质表面1311的外部。共享EWOD开关第一对电极1320a、 1320b响应于通过第一对共享EWOD开关接线端1322a、1322b提供的第 一共享EWOD开关控制信号1321。共享EWOD开关第二对电极1324a、 1324b响应于通过第二对共享EWOD开关接线端1326a、1326b提供的第 二共享EWOD开关控制信号1325。在每对电极上施加电压改变了共享 EWOD开关金属液滴1318的几何参数，使得液滴在共享EWOD开关第一 位置和共享EWOD开关第二位置之间移动。在一个实施例中，诸如第一 共享EWOD开关控制信号1321之类的开关控制信号是单电压控制信号， 也就是说，诸如V+和V+之类的相同电压施加至共享EWOD开关接线端 1322a和共享EWOD开关接线端1322b。例如通过使共享EWOD开关金属 液滴1318通过可操作地连接至输入端口1302的共享触点1314接地，共享 EWOD开关金属液滴1318保持在与共享EWOD开关接线端1322a、1322b 不同的电压处。这保持了EWOD效应所需的电压差。在一个实施例中， 诸如第一共享EWOD开关控制信号1321之类的开关控制信号是双电压控 制信号，例如诸如V+和V-之类的不同电压施加至共享EWOD开关接线 端1322a和共享EWOD开关接线端1322b。共享EWOD开关金属液滴 1318的电压可以允许浮置，因为双电压控制信号在共享EWOD开关接线 端1322a和共享EWOD开关接线端1322b之间保持了EWOD效应所需的 电压差。
第一EWOD开关1340包括电介质表面1341，电介质表面1341带有 可操作地连接至第一EWOD开关输入端1343的第一触点1342、可操作地 连接至第一输出端口1304的共享触点1344、和可操作地连接至第一 EWOD开关输出端1368的第二触点1346。第一EWOD开关金属液滴 1348布置在电介质表面1341上并夹在第一EWOD开关第一位置和第一 EWOD开关第二位置之间。图13的示例示出第一EWOD开关金属液滴 1348在第一EWOD开关第一位置。在此示例的第一EWOD开关第一位 置，第一EWOD开关金属液滴1348可操作地连接第一触点1342和共享触 点1344，由此可操作地连接第一EWOD开关输入端1343和第一输出端口 1304。在此示例的第一EWOD开关第二位置，第一EWOD开关金属液滴 1348可操作地连接共享触点1344和第二触点1346，由此可操作地连接第 一输出端口1304和第一EWOD开关输出端1368。
第一EWOD开关1340还包括可操作地连接至第一EWOD开关第一对 接线端1352a、1352b的第一EWOD开关第一对电极1350a，b、以及可操作 地连接至第一EWOD开关第二对接线端1356a、1356b的第一EWOD开关 第二对电极1354a、1354b。为了清楚地说明，第一EWOD开关第一对电 极1350a，b和第一EWOD开关第二对电极1354a、1354b示出在电介质表 面1341的外部。第一EWOD开关第一对电极1350a，b响应于通过第一 EWOD开关第一对接线端1352a、1352b提供的第一EWOD开关第一控制 信号1351。第一EWOD开关第二对电极1354a、1354b响应于通过第一 EWOD开关第二对接线端1356a、1356b提供的第一EWOD开关第二控制 信号1355。在每对电极上施加电压改变了第一EWOD开关金属液滴1348 的几何参数，使得液滴在第一EWOD开关第一位置和第一EWOD开关第 二位置之间移动。在一个实施例中，诸如第一EWOD开关第一控制信号 1351之类的开关控制信号是单电压控制信号，也就是说，诸如V+和V+ 之类的相同电压施加至第一EWOD开关接线端1352a和第一EWOD开关 接线端1352b。例如通过使第一EWOD开关金属液滴1348通过可操作地 连接至第一输出端口1304的共享触点1344接地，第一EWOD开关金属液 滴1348保持在与第一EWOD开关接线端1352a、1352b不同的电压处。这 保持了EWOD效应所需的电压差。在一个实施例中，诸如第一EWOD开 关第一控制信号1351之类的开关控制信号是双电压控制信号，例如诸如 V+和V-之类的不同电压施加至第一EWOD开关接线端1352a和第一 EWOD开关接线端1352b。第一EWOD开关金属液滴1348的电压可以允 许浮置，因为双电压控制信号在第一EWOD开关接线端1352a和第一 EWOD开关接线端1352b之间保持了EWOD效应所需的电压差。
第二EWOD开关1370包括电介质表面1371，电介质表面1371带有 可操作地连接至第二EWOD开关输入端1373的第一触点1372、可操作地 连接至第二输出端口1306的共享触点1374、和可操作地连接至第二 EWOD开关输出端1398的第二触点1376。第二EWOD开关金属液滴 1378布置在电介质表面1371上并夹在第二EWOD开关第一位置和第二 EWOD开关第二位置之间。图13的示例示出第二EWOD开关金属液滴 1378在第二EWOD开关第二位置。在此示例的第二EWOD开关第二位 置，第二EWOD开关金属液滴1378可操作地连接共享触点1374和第二触 点1376，由此可操作地连接第二输出端口1306和第二EWOD开关输出端 1398。在此示例的第二EWOD开关第一位置，第二EWOD开关金属液滴 1378可操作地连接第一触点1372和共享触点1374，由此可操作地连接第 二EWOD开关输入端1373和第二输出端口1306。
第二EWOD开关1370还包括可操作地连接至第二EWOD开关第一对 接线端1382a、1382b的第一对第二EWOD开关电极1380a，b、以及可操作 地连接至第二EWOD开关第二对接线端1386a，b的第二EWOD开关第二 对电极1384a、1384b。为了清楚地说明，第一对第二EWOD开关电极 1380a、1380b和第二EWOD开关第二对电极1384a、1384b示出在电介质 表面1371的外部。第一对第二EWOD开关电极1380a、1380b响应于通过 第二EWOD开关第一对接线端1382a、1382b提供的第二EWOD开关第一 控制信号1381。第二EWOD开关第二对电极1384a、1384b响应于通过第 二EWOD开关第二对接线端1386a、1386b提供的第二EWOD开关第二控 制信号1385。在每对电极上施加电压改变了第二EWOD开关金属液滴 1378的几何参数，使得液滴在第二EWOD开关第一位置和第二EWOD开 关第二位置之间移动。在一个实施例中，诸如第二EWOD开关第一控制 信号1381之类的开关控制信号是单电压控制信号，也就是说，诸如V+ 和V+之类的相同电压施加至第二EWOD开关接线端1382a和第二 EWOD开关接线端1382b。例如通过使第二EWOD开关金属液滴1378通 过可操作地连接至第二输出端口1306的共享触点1374接地，第二EWOD 开关金属液滴1378保持在与第二EWOD开关接线端1382a、1382b不同的 电压处。这保持了EWOD效应所需的电压差。在一个实施例中，诸如第 二EWOD开关第一控制信号1381之类的开关控制信号是双电压控制信 号，例如诸如V+和V一之类的不同电压施加至第二EWOD开关接线端 1382a和第二EWOD开关接线端1382b。第二EWOD开关金属液滴1378 的电压可以允许浮置，因为双电压控制信号在第二EWOD开关接线端 1382a和第二EWOD开关接线端1382b之间保持了EWOD效应所需的电 压差。
在操作中，三级液态金属开关1300可以连接输入端口1302至第一输 出端口1304和第二输出端口1306中的一个，同时为第一输出端口1304和 第二输出端口1306中未连接的另一个提供两个断开触点形成的隔离。通 过在共享EWOD开关接线端1322a和1322b之间提供作为双电压式第一共 享EWOD开关控制信号1321的电压差，在第一EWOD开关接线端1352a 和1352b之间提供作为双电压式第一EWOD开关第一控制信号1351的电 压差，输入端口1302可以连接至第一输出端口1304。在第二EWOD开关 接线端1386a和1386b之间提供作为双电压式第二EWOD开关第二控制信 号1385的电压差，在输入端口1302和第二输出端口1306之间产生了两个 断开触点隔离，一个在共用EWOD开关1310处，而另一个在第二EWOD 开关1370处。通过去除作为第一EWOD开关第一控制信号1351的电压差 并在第一EWOD开关接线端1352a和1352b之间提供作为双电压式第一 EWOD开关第二控制信号1355的电压差，也可以隔离输入端口1302。两 个断开触点隔离保持在输入端口1302和第二输出端口1306之间，一个触 点隔离设置在输入端口1302和第一EWOD开关1340处的第一输出端口 1304之间。
提供至成对的开关接线端的开关控制信号(例如提供至第一对共享 EWOD开关接线端1322a、1322b的第一共享EWOD开关控制信号1321) 可以是单电压控制信号或双电压控制信号。如这里所限定的，单电压控制 信号施加相同的电压至成对的开关接线端中的两个接线端，而双电压控制 信号在成对的开关接线端上施加不同的电压，也就是电压差。尽管在是否 是由于电压差对金属液滴与电介质表面之间的接触角的影响或由于电压差 引起的电磁场的电动机械作用导致金属液滴移动的问题上存在争论，但是 当施加控制信号时金属液滴确实移动。在共用EWOD开关1310的一个示 例中，向第一对共享EWOD开关接线端1322a、1322b施加作为第一共享 EWOD开关控制信号1321的双电压控制信号，使得共享EWOD开关金属 液滴1318朝向共享EWOD开关第一对电极1320a、1320b移动。在共用 EWOD开关1310的另一个实施例中，向第一对共享EWOD开关接线端 1322a、1322b施加作为第一共享EWOD开关控制信号1321的具有正电压 的单电压控制信号，并连接共享触点1314至公共端，使得共享EWOD开 关金属液滴1318朝向共享EWOD开关第一对电极1320a、1320b移动。根 据具体的应用，单和/或双电压控制信号可以以各种结合方式用在整个三级 液态金属开关1300中。
本领域技术人员应当理解，根据具体的应用可以对开关位置和端口连 接进行各种组合。在另一个实施例中，第一EWOD开关输入端1343可操 作地连接至共享触点1344，第一输出端口1304可操作地连接至第一触点 1342。在另一个实施例中，第二EWOD开关输入端1373可操作地连接至 共享触点1374，第二输出端口1306可操作地连接至第一触点1372。通过 将输出端口作为输入端连接至另外的三级液态金属开关或另外的EWOD 开关，可以提供另外的隔离层。
共用EWOD开关1310、第一EWOD开关1340和第二EWOD开关 1370都可以是EWOD开关中的一种类型或者可以是若干EWOD开关类型 的组合。EWOD开关可以是如图3A-3C所示的双层EWOD开关、如图5A 和5B所示的单层EWOD开关、如图6A、6B、7、8所示的相互交织的 EWOD开关等。
共用EWOD开关1310、第一EWOD开关1340和第二EWOD开关 1370可以在它们各自的电介质表面1311、1341、1371中包括润湿性特 征。润湿性特征的示例包括表面材料、在非润湿表面上形成的润湿材料、 显微质地等。根据需要，共用EWOD开关1310、第一EWOD开关1340 和第二EWOD开关1370可以布置在单个电介质上。
根据需要，共用EWOD开关1310、第一EWOD开关1340和/或第二 EWOD开关1370可以是自锁或非自锁的。在自锁的构造中，当去除作为 控制信号施加到成对电极使金属液滴移动的电压时，金属液滴保持位置不 变。金属液滴保持在该位置直到施加电压使金属液滴从该位置移动液滴。 在非自锁构造中，当去除作为控制信号施加到成对电极使金属液滴移动的 电压时，金属液滴驻留于预定的位置，例如中心或中性的位置。自锁或非 自锁构造可以由电介质表面的诸如表面材料特性、表面形貌之类的特征来 确定。
图14是表示根据本发明的三级液态金属开关的实施例的俯视图，其 中，与图13中类似的元件具有类似的标号。三级液态金属开关1300包括 共用EWOD开关1310、第一EWOD开关1340和第二EWOD开关1370。 用于每个EWOD开关的金属液滴(未示出)布置在它们各自的电介质表 面1311、1341和1371上。提供共用端1399用于分别通过电阻1366和电 阻1396连接第一EWOD开关输出端1368和第二EWOD开关输出端 1398。
图15是表示图14的一个液态金属开关的电极层的俯视图。其中，与 图13中类似的元件具有类似的标号。以共用EWOD开关1310的电极层 1319作为示例：第一EWOD开关1340和第二EWOD开关1370的电极层 通常是类似的，但是在使用不同类型的EWOD开关的情况下它们可能是 不同的。电极层1319布置在电介质表面(未示出)之下，其中，第一对 电极1320a、1320b可操作地连接至第一共享EWOD开关控制信号1321， 第二对电极1324a、1324b可操作地连接至第二共享EWOD开关控制信号 1325。控制信号和电极之间的连接可以根据需要用电极层1319之下的过 孔来进行。在图15的示例中，连接共享EWOD开关接线端1322b与共享 EWOD开关电极1320b的通道以及连接共享EWOD开关接线端1326b和 共享EWOD开关电极1324b的过孔没有表示出来，因为它们位于电极层 1319之下。第一触点1312、共享触点1314和第二触点1316可以形成在与 电极层1319相同的层中。
图16A、图16B是分别表示在第一和第二开关位置的三级液态金属开 关的示意图。其中，与图13中类似的元件具有类似的标号。在第一开关 位置，三级液态金属开关1300连接输入端口1302与第二输出端口1306， 第一输出端口1304被隔离。在第二开关位置，三级液态金属开关1300连 接输入端口1302与第一输出端口1304，而第二输出端口1306被隔离。
参考图16A，共用EWOD开关1310的布置在电介质表面1311上的共 享EWOD开关金属液滴1318在共享EWOD开关第二位置。在共享 EWOD开关第二位置，共享EWOD开关金属液滴1318可操作地连接金属 液滴1318之下的共享触点(未示出)和第二触点1316，由此可操作地连 接输入端口1302和共享EWOD开关第二输出端1338。第二EWOD开关 1370的布置在电介质表面1371上的第二EWOD开关金属液滴1378在第 二EWOD开关第一位置。在第二EWOD开关第一位置，第二EWOD开关 金属液滴1378可操作地连接第一触点1372和金属液滴1378之下的共享触 点(未示出)，由此可操作地连接第二EWOD开关输入端1373和第二输 出端口1306。
第一EWOD开关1340的第一输出端口1304由两个断开触点-第一 EWOD开关1340的第一触点1342和共用EWOD开关1310的第一触点 1312来中断并隔离。第一EWOD开关1340的布置在电介质表面1341上 的第一EWOD开关金属液滴1348位于第一EWOD开关第二位置。在第一 EWOD开关第二位置，第一EWOD开关金属液滴1348可操作地连接第二 触点1346和金属液滴1348之下的共享触点(未示出)，由此可操作地连 接第一EWOD开关输出端1368和第一输出端口1304。
金属液滴的位置在图16A和图16B所示的示例之间转换，以使输入端 口1302与第二输出端口1306的连接改变成与第一输出端口1304的连接， 并且与第一输出端口1304的隔离改变成与第二输出端口1306的隔离。在 一个实施例中，EWOD开关是自锁的，于是，在没有作为控制信号施加到 相关电极对的电压的情况下，金属液滴保持位置不变。在另一个实施例 中，EWOD开关是非自锁的，于是，从用于EWOD开关的一对接线端去 除电压差，并施加至用于EWOD开关的另一对接线端。在图16A和图 16B所示的示例中，EWOD开关作为非自锁开关，在图16A中，施加的是 双电压控制信号，在第一EWOD开关第二对接线端1356a、1356b上的电 压差作为第一EWOD开关第二控制信号1355，在第二对共享EWOD开关 接线端1326a、1326b上的电压差作为第二共享EWOD开关控制信号 1325，在第二EWOD开关第一对接线端1382a、1382b上的电压差作为第 二EWOD开关第一控制信号1381。在图16B的示例中，通过施加若干双 电压控制信号，分别作为第一EWOD开关第一对接线端1352a、1352b上 的电压差(该电压差作为第一EWOD开关第一控制信号1351)，作为第 一对共享EWOD开关接线端1322a、1322b上的电压差(该电压差作为第 一共享EWOD开关控制信号1321)，并且作为第二EWOD开关第二对接 线端1386a、1386b上的电压差(该电压差作为第二EWOD开关第二控制 信号1385)，金属液滴移动到开关位置。本领域的技术人员应当理解，作 为双电压控制信号的电压差可以以各种组合方式施加到三级液态金属开关 1300以实现所需的开关构造。在另一个实施例中，一个或多个控制信号可 以是施加在两对电极接线端和可操作地连接至共享触点的输入或输出端口 之间的电压差和单电压控制信号。
参考图16B，共享EWOD开关金属液滴1318在共享EWOD开关第一 位置，由此可操作地连接第一触点1312和在金属液滴1318之下的共享触 点(未示出)，以可操作地连接输入端口1302和共享EWOD开关第一输 出端1336。第一EWOD开关金属液滴1348在第一EWOD开关第一位置 中，由此可操作地连接金属液滴1348之下的共享触点(未示出)和第一 触点1342，以可操作地连接第一输出端口1304和第一EWOD开关输入端 1343。第二EWOD开关1370的第二输出端口1306由两个断开的触点-第 二EWOD开关1370的第一触点1372和共用EWOD开关1310的第二触点 1316来中断并隔离。第二EWOD金属液滴1378在第二EWOD开关第二 位置，由此可操作地连接金属液滴1378之下的共享触点(未示出)和第 二触点1376，以可操作地连接第二输出端口1306和第二EWOD开关输出 端1398。
这里所公开的内容利用示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当 理解，本发明由权利要求来限定，而不应被限制于所描述的具体实施例。