Bent switching fluid cavity

関連出願に対する相互参照 本出願は、本出願と同日付けで出願された、Marvin Glenn Wong他の「Formation of Signal Paths to Increase Maximum Signal-Carrying Frequency of a Fluid-Based Switch」と題する米国特許出願第 号、出願人整理番号１００１０２７３−１号に関連する（その特許出願は参照により本明細書に組み込まれる）。

背景 液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）などの流体ベースのスイッチは、高速で清浄なスイッチングが望まれる環境で有用であることがわかっている。

発明の概要 本発明の一態様は、曲がったスイッチング流体キャビティの第１と第２の交差するチャネルを基板の間に画定する、結合された第１と第２の基板を含むスイッチで具現化される。 スイッチング流体は、曲がったスイッチング流体キャビティの中に保持され、スイッチング流体に加えられる力に応答して第１と第２のスイッチング状態の間で移動することができる。 第１のスイッチ状態では、スイッチング流体の大部分が交差チャネルのうちの第１のチャネル内へ強制的に入り、第２のスイッチ状態では、スイッチング流体の大部分が交差チャネルのうちの第２のチャネル内へ強制的に入る。

本発明の他の実施形態も開示される。

本発明の例示的な実施形態が図面に示される。

本発明の詳細な説明 図１〜図６は、流体ベースのスイッチの第１の例示的な実施形態１００を示す。 この第１の実施形態では、スイッチ１００は電気スイッチである。 図８は、流体ベースのスイッチの第２の例示的な実施形態８００を示す。 この第２の実施形態では、スイッチ８００は光スイッチである。

各スイッチ１００、８００において、結合された第１と第２の基板１００／１０２、８００／８０２は、それらの間に、曲がったスイッチング流体キャビティ３０４、８１６の第１と第２の交差するチャネル１３４／１３６、８１２／８１４を画定する（図３、図４、及び図８を参照）。 スイッチング流体３１２、８１８は、それぞれ曲がったスイッチング流体キャビティの中に保持され、スイッチング流体に加えられる力に応答して第１と第２のスイッチ状態の間で移動可能である。 第１のスイッチ状態では、スイッチング流体の大部分は交差チャネルのうちの第１のチャネルの中へ強制的に入る（スイッチ１００に関して図３に示されるように）。 第２のスイッチ状態では、スイッチング流体の大部分は交差チャネルのうちの第２のチャネルの中へ強制的に入る（スイッチ１００に関して図４に示されるように）。

曲がったスイッチング流体キャビティ３０４、８１６は、直線状のスイッチング流体キャビティにまさって種々の利点を提供し、その直線状のスイッチング流体キャビティの１つが、Marvin Glenn Wongによる、２００２年５月２日に出願された「A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch」と題する米国特許出願第１０／１３７，６９１号に開示されている（その特許出願は参照により本明細書に組み込まれる）。 例えば、曲がったスイッチング流体キャビティは、流体ベースのスイッチに対してより良い機械的な耐衝撃性を提供することができる。 この利点は、図３、図４、及び図９を参照することにより最も良く理解され得る。 図３に示されるように、スイッチング流体３１２は、全般に矢印３１８と３２０の方向に動くことにより、図３に示される状態から図４に示される状態に移動する。 例えば、スイッチ１００が落下、衝撃、又は震動を受ける場合、矢印３２０の方向でスイッチング流体３１２に与えられる任意の力は、チャネル１３６の壁によって吸収され、落下、衝撃、又は震動の結果としてスイッチ流体が状態を変更する可能性はない。 同様に、矢印３１８の方向でスイッチング流体３１２に与えられるほとんどの力は、チャネル１３４の壁によって吸収される。 矢印３１８の方向で吸収されない力は、チャネル１３４と１３６の交差部で保持されるスイッチング流体３１２の部分から生じる力だけである。 しかしながら、チャネル１３４と１３６の交差部で保持されるスイッチング流体３１２の質量は、チャネル１３４で保持されるスイッチング流体３１２の全体の質量よりもはるかに少ないため、曲がったスイッチング流体キャビティ３０４内に保持されるスイッチング流体３１２は、同様な大きさの直線状のスイッチング流体チャネル９００に保持されるスイッチング流体９０２の同様な量に比べると、偶発的に状態を変える可能性ははるかに少ない（図９を参照；力＝質量×加速度）。 濡れ性のある領域１０８（例えば、パッド、接点、又はシールベルト；図１を参照）がスイッチング流体キャビティ３０４の屈曲部に配置される場合、スイッチング流体３１２の表面張力は、スイッチ１００の落下、衝撃、又は震動の間にスイッチング流体３１２に与えられる吸収されない力（即ち、キャビティ３０４の壁により吸収されない力）に対して比較的容易に対抗することができる。 このような機械的な耐衝撃性を達成するためのスイッチ部品の例示的な構成に関するより具体的な詳細は、この説明の後半で開示される。 しかしながら、曲がったスイッチング流体キャビティの別の潜在的な利点を最初に説明する。

曲がったスイッチング流体キャビティ３０４の別の潜在的な利点は、このような曲がった形状のキャビティ３０４を使用することが電気的に有利になる可能性があることである。 例えば、曲がったスイッチング流体キャビティ３０４は、平面状の信号導体１１２、１１４、１１６がスイッチング流体３１２と接触する変わり目部分を「平ら」にすることを可能にすることにより、スイッチの電気経路における急な曲がりを緩和することが可能になる。

さて、図１〜図６に示された流体ベースのスイッチ１００の実施形態が、より詳細に説明される。 スイッチ１００は、いくつかのキャビティ３００、３０２、３０４、３０６、３０８（図３）の少なくとも一部を画定するチャネルプレート１０２を含む。 キャビティのうちの１つ又は複数は、チャネルプレート１０２において第１と第２の交差チャネル１３４、１３６によって少なくとも部分的に画定され得る。 たとえあったとしても、キャビティ３００〜３０８の残りの部分は、チャネルプレート１０２に結合されて封止される基板１０４によって画定され得る。 第１と第２の交差チャネル１３４、１３６は、約９０度の角度を含む種々の角度で交差することができる。

チャネルプレート１０２と基板１０４は、接着剤、ガスケット、ねじ（圧縮力を提供する）、及び／又は他の手段によって互いに封止され得る。 適切な１つの接着剤は、サイトップ（Cytop）（登録商標）（日本、東京の旭硝子株式会社により製造）である。 サイトップ（登録商標）は用途に応じて２つの異なる接着促進パッケージで市販されている。 チャネルプレート１０２が無機組成を有する場合、サイトップ（登録商標）の無機接着促進剤を使用すべきである。 同様に、チャネルプレート１０２が有機組成を有する場合、サイトップ（登録商標）の有機接着促進剤を使用すべきである。

図３に示されるように、スイッチング流体３１２（例えば、水銀などの導電性の液体金属）は、交差チャネル１３４、１３６により画定されるキャビティ３０４の中に保持される。 スイッチング流体３１２は、１）スイッチング流体３１２に加えられる力に応答して少なくとも第１と第２のスイッチング状態の間で移動可能であり、２）キャビティ３０４の中に露出した電気接点（例えば、接点パッド１０６、１０８、１１０）のうちの少なくとも１対を開閉する役をする。

図３は、第１の状態のスイッチング流体３１２を示す。 この第１の状態では、キャビティ３０２の前でスイッチング流体３１２に空隙がある。 この空隙は、キャビティ３００に保持された作動流体３１４（例えば、不活性ガス又は液体）によってスイッチング流体３１２に加えられる力の結果として形成される。 この第１の状態では、スイッチング流体３１２は接点パッド１０６と１０８を濡らして架橋する（図１と図３）。 スイッチング流体３１２は、作動流体３１４によりスイッチング流体３１２に加えられる力を減少させ、作動流体３１６により加えられる力を増加させることによって第２の状態に置かれることができる。 この第２の状態では、キャビティ３０６の前でスイッチング流体３１２に空隙が形成され、図３に示された空隙は閉じられる。 この第２の状態では、スイッチング流体３１２は接点パッド１０８と１１０を濡らして架橋する（図１と図４）。

図１と図６に示されるように、複数の平面状の信号導体１１２、１１４、１１６は、スイッチ１００の縁部（エッジ）から、曲がったスイッチング流体キャビティ３０４により画定されるキャビティ３０４の中まで延在する。 スイッチ１００が組み立てられた場合、これらの導体１１２〜１１６はスイッチング流体３１２に濡れて接触する。 スイッチング流体３１２が濡らす平面状の信号導体１１２〜１１６の端部１０６〜１１０は、めっきされてもよいが（例えば、金又は銅を用いて）、めっきしなくてもよい。 スイッチ１００の縁部まで延在する平面状の信号導体１１２〜１１６の端部は、スイッチ１００の縁部まで正確に延びてもよいし、又はスイッチ１００の正確な縁部から短い距離の範囲内まで延びてもよい（図１に示されるように）。 この説明のために、導体１１２〜１１６は上記のいずれの場合でもスイッチの「縁部」まで延在するとみなされる。 スイッチ１００の代替の実施形態では、平面状の信号導体１１２〜１１６はスイッチ１００の縁部まで延びなくてもよい。

信号伝達のために平面状の信号導体１１２〜１１６を使用することにより、バイアを介した信号のルーティングが除去され、ひいては以前は信号が横切らなければならなかった最高４つの直角が除去される（即ち、恐らくハンダボール又は他の表面コンタクトにおいてスイッチ入力バイア１２０が基板に結合される第１の直角、スイッチ入力バイア１２０が内部スイッチ回路１１４に結合される第２の直角、内部スイッチ回路１１６がスイッチ出力バイア１２２に結合される第３の直角、及びスイッチ出力バイア１２２が基板に結合される第４の直角）。 これらの直角の除去により、望ましくない信号の反射の原因が除去され、望ましくない信号の反射の低減により、影響を受ける信号経路をより迅速に信号が伝播するという結果になりやすくなる。

すべての環境がスイッチ１００のエッジ結合をもたらすわけではないことを認識すると、スイッチ１００はまた、平面状の信号導体１１２〜１１６をハンダボールなどの複数の表面コンタクトに電気結合するための複数の導電性バイア１１８、１２０、１２２を設けられてもよい（例えば、図２のハンダボール２０８、２１０、２１２、２１４を参照）。 代案として、バイア１１８〜１２２は、平面状の信号導体１１２〜１１６を他のタイプの表面コンタクト（例えば、ピン、又はランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）のパッド）に結合することができる。

信号がスイッチ１００を介して伝播できる速度をさらに高めるために、いくつかの平面状のアース導体１２４、１２６、１２８が各平面状の信号導体１１２〜１１６のいずれかの側に隣接して形成され得る（図１と図６）。 平面状の信号導体１１２〜１１６とアース導体１２４〜１２８は、信号ルーティングの平面状の同軸構造を形成し、１）より良いインピーダンス整合を提供し、２）高い周波数での信号誘導を低減する。

図１と図６に示されるように、単一のアース導体が複数の信号導体１１２〜１１６の側面に設けられることができる（例えば、アース導体１２４は信号導体１１２と１１６の側面に設けられる）。 さらに、アース導体１２４〜１２８は、均一でより不変なアースを達成するために、スイッチ１００の中で互いに結合され得る。 基板１０４が、交互になった金属層と絶縁層２００〜２０６からなる場合（図２）、アース導体１２４〜１２８は第１の金属層２０６の中に形成され、絶縁層２０４の中に形成されたいくつかの導電性バイア６００、６０２、６０４によって第２の金属層２０２内のＶ字形のトレース６０６に結合され得る。

平面状の信号導体１１２〜１１６と同様に、平面状のアース導体１２４〜１２８は、これらがワイヤボンドを介してプリント基板又は他の基板に結合され得るように、スイッチ１００の縁部まで延在することができる（しかし、延在しなくてもよい）。 しかしながら、やはりすべての環境がスイッチ１００のエッジ結合をもたらすわけではないことを認識すると、アース導体１２４〜１２８はまた、アース導体１２４〜１２８をスイッチ１００のいくつかの表面コンタクトに結合するいくつかの導電性バイア６０８に結合され得る。

上記の説明では、スイッチング流体３１２が、キャビティ３００、３０８に保持された作動流体３１４、３１６によって加えられる力によって１つの状態から別の状態に移動できることを開示した。 しかしながら、如何にして作動流体３１４、３１６がスイッチング流体３１２に力（単数又は複数）を作用させるかについてはまだ開示されていない。 作動流体（例えば、作動流体３１４）が力を作用させる１つの方法は、作動流体３１４を保持するキャビティ３００内に露出されたヒータ抵抗５００によって作動流体３１４を加熱することである。 作動流体３１４は加熱されると膨張する傾向があり、それによりスイッチング流体３１２に対して力を作用させる。 同様に、作動流体３１６も、ヒータ抵抗５０２によって加熱され得る。 従って、作動流体３１４と作動流体３１６を交互に加熱することにより、スイッチング流体３１２に交互に力を加え、それによりスイッチング流体３１２が２つの異なるスイッチング状態のうちの１つの状態をとることができる。 如何にしてヒータ抵抗によって流体ベースのスイッチを作動させるかということに関するさらなる詳細は、コンドウ他による「Electrical Contact Breaker Switch, Integrated Electrical Contact Breaker Switch, and Electrical Contact Switching Method」と題する米国特許第６，３２３，４４７号に説明されており、その特許文献は参照により本明細書に組み込まれる。

作動流体３１４が力を作用させる別の方法は、作動流体３１４を保持するキャビティ３００、３０２の大きさを減少させることである。 それ故に、図１０は、スイッチ１００の代替の実施形態を示し、この場合、ヒータ抵抗５００、５０２は、電圧が印加されるとキャビティ３０２、３０６内へと入るようにゆがむいくつかの圧電素子７００、７０２、７０４、７０６と取り替えられている。 キャビティ３０２の中に露出した圧電素子７００、７０２と、キャビティ３０６の中に露出した圧電素子７０４、７０６に電圧を交互に印加すると、スイッチング流体３１２に交互に力が加わり、それによりスイッチング流体３１２が２つの異なるスイッチング状態のうちの１つの状態をとることができる。 如何にして圧電ポンプ作用によって流体ベースのスイッチを作動させるかということに関するさらなる詳細は、前述したMarvin Glenn Wongの特許出願（米国特許出願第１０／１３７，６９１号）に説明される。

上記に参照した特許と特許出願は、二つのプッシュ／プル作動流体キャビティによってスイッチング流体を移動させることを開示しているが、係るキャビティからスイッチング流体にかなり十分なプッシュ／プル圧力の変化を与えることができる場合には、単一のプッシュ／プル作動流体キャビティでも十分である。

上述したヒータ抵抗５００、５０２又は圧電素子７００〜７０６のより高速なサイクル動作を可能にするために、それぞれは、スイッチの縁部まで延在する１対の平面状の導体１３０／１２６、１３２／１２８間に結合され得る。 図１に示されるように、これらの平面状の導体１２６、１２８の一部は、平面状の信号導体１１２〜１１６に隣接して延びる平面状のアース導体とすることができる。 必要に応じて、これらの導体１３０、１３２をスイッチ１００の上の表面コンタクトに結合するために導電性バイア６１０、６１２を設けてもよい。

曲がったスイッチング流体キャビティ３０４が提供する利点は、内部に保持されたスイッチング流体３１２の中へと伝播し、そこから出るように伝播する信号が直角に曲がる必要がなく、ひいては望ましくない信号反射が低減され得ることである。 即ち、任意の平面状の信号導体１１２〜１１６が曲がったスイッチング流体キャビティ３０４と交差する最も狭い角度は、９０度よりも大きな角度に限定され得る（及び好ましくは、１３５度に等しいか又は１３５度より大きい角度か、又は約１３５度の角度）。 従って、理想的な接続環境では、図１〜図６に示されるスイッチ１００を使用して、信号経路におけるすべての直角の曲がり目を除去し、これによって信号反射を低減し、信号がスイッチを介して伝播できる速度を上げ、最終的にはスイッチ１００の最大信号搬送周波数を上げることができる。

信号経路をスイッチ１００に結合することをより容易にするために、信号入力をスイッチの片側にグループ化し、信号出力をスイッチの別の側にグループ化することが望ましい。 このようにグループ化した場合、好ましくは平面状の信号導体のうちの任意の導体の経路がとる最も狭い曲がり角を９０度より大きな角度、より好ましくは約１３５度、さらに好ましくは１３５度に等しいか、又は１３５度よりも大きな角度に限定する（即ち、導体の曲がり角における信号反射の数を低減するために）。

図１と図６に示される導電性バイア１１８〜１２２、６０８〜６１２を除去して、信号インダクタンスを最小に維持し、それによりスイッチ１００の最大信号搬送周波数を増加できることに留意されたい。

スイッチ１００が表面コンタクト（例えば、ハンダボール２０８〜２１４）を介して基板に電気結合される場合、平面状の導体１１２〜１１６、１２４〜１３２は、スイッチ１００の縁部まで延びる必要はない。 しかしながら、たとえ信号がハンダボール２０８〜２１４と導電性バイア１１８〜１２２、６０８〜６１２において直角の曲がり目を経てスイッチ１００内へ伝播する必要があるとしても、スイッチ１００は鋭角の曲がり角及び／又は曲がったスイッチング流体キャビティ３０４を有する信号経路から依然として利益を得ることができる。

図８は、曲ったスイッチング流体キャビティ８１６を使用した光スイッチ８００を示す。 スイッチ８００は、チャネルプレート８０２、第１と第２の交差チャネル８１２、８１４、基板８０４、キャビティ８１６、８２０、８２２、８２４、８２６、ヒータ抵抗８２８、８３０、ヒータ抵抗導体８３２、８３４、８３６、８３８、及び導電性バイア８４０、８４２、８４４、８４６を含み、これらはスイッチ１００（図１〜図６）に関して説明された対応する構成要素と同様に機能する。 光スイッチ８００は、電気スイッチ１００と同じ機械的な耐衝撃性を有する。 しかしながら、曲がったスイッチング流体キャビティ８１６内に露出した電気接点を有する代わりに、スイッチ８００は曲がったスイッチング流体キャビティ８１６の中に露出した複数の濡れ性のあるパッド８０６〜８１０を有する。 スイッチング流体８１８は、如何にしてスイッチング流体３１２が接点パッド１０６〜１１０を濡らすか（図１、図３、及び図４）ということと同様にパッド８０６〜８１０を濡らし、曲がったスイッチング流体キャビティ８１６を介して光路８４８、８５０を開閉する役をする。

上記の説明は、本明細書で図示され説明されたスイッチ１００、８００の文脈で提供されたが、本発明の概念の応用形態は、本明細書に示された流体ベースのスイッチに限定されない。

本明細書において、本発明を例示する現在好ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明の概念は別の方法で様々に具現化されて採用され得ることを理解されたい。 添付の特許請求の範囲は、従来技術によって限定されることを除いて、係る変形態様も含むものと解釈されるべきであることが意図されている。

スイッチの第１の例示的な実施形態を示す平面図である。

図１に示されるスイッチの層の立面図である。

図１に示されるスイッチが第１の状態にある場合の、スイッチのチャネルプレートを示す第１の平面図である。

図１に示されるスイッチが第２の状態にある場合の、スイッチのチャネルプレートを示す第２の平面図である。

図１に示されるスイッチのチャネルプレートと基板の中と上にある要素の対応関係を示す平面図である。

図１に示されるスイッチの基板を示す平面図である。

図１に示されるスイッチの代替の実施形態を示す平面図である。

スイッチの第２の例示的な実施形態を示す平面図である。

直線のスイッチング流体キャビティを示す平面図である。