Многопозиционный электрический переключатель, использующий принцип электрокапиллярности

 

Изобретение может быть использовано как элемент переключения малоточных сигналов. В многопозиционном электрическом переключателе имеется замкнутый канал, заполненный на одну часть жидким электролитом, а на другую - неэлектропроводной жидкостью, нерастворимой в электролите и не реагирующей с ним. В заполненной неэлектропроводной жидкостью части канала эквидистантно находятся разрывы сигнальных проводников, а вдоль канала на расстоянии друг от друга, кратном расстоянию между разрывами сигнальных проводников, размещены капли ртути, служащие для их замыкания. В заполненной электролитом части канала имеются расширения на расстоянии, равном расстоянию между разрывами сигнальных проводников, и капля ртути, служащая в качестве движителя. Под каждой областью расширения канала имеется изолированный от электролита электрод. Технический результат - уменьшение времени переключения и энергопотребления с обеспечением поочередного замыкания сигнальных проводников. 3 ил.

Изобретение относится к многопозиционным электрическим переключателям и может быть использовано для переключения малоточных сигналов в звуковой технике, технике связи, а также в электронных устройствах, работающих при высоком радиационном фоне, например в устройствах на атомных электростанциях и на космических аппаратах.

Известно микромеханическое реле с термоуправляемой микрокаплей ртути [1] . Реле изготовлено на кремниевой подложке и содержит две полости с помещенными в них никелевыми нагревателями и канал диаметром 6-25 мкм, соединяющий эти полости. Сигнальный проводник проходит перпендикулярно каналу и разделен внутри него. Внутри канала, рядом с разрывом сигнального проводника, размещена капля ртути. Канал и полости заполнены деионизированной водой, а весь прибор герметизирован стеклянной пластинкой. При подаче на один из нагревателей напряжения в полости, где он находится, жидкость вскипает и в ее объеме образуется паровой пузырек. Выталкиваемая пузырьком жидкость перемещает каплю ртути к разрыву сигнального проводника, который таким путем замыкается. Подводимая к нагревателю электрическая мощность, необходимая для образования пузырька, составляет около 100 мВт [1, 2], а время переключения устройства около 10 мс [2].

Недостатком микромеханического реле с термоуправляемой микрокаплей ртути [1] является то, что для осуществления переключения необходимы затраты сравнительно большой энергии. Существенным недостатком является и то, что для поддержания реле во включенном состоянии требуется постоянный подвод электроэнергии. Еще один недостаток состоит в том, что время переключения такого реле на порядок больше времени переключения обычного и MEMS реле с твердотельными контактами [2] . Кроме того, указанное реле трудно сделать многопозиционным, например, для поочередного замыкания нескольких сигнальных проводников.

Целью изобретения является создание многопозиционного электрического переключателя, обладающего малым временем переключения, малым потреблением энергии на переключение и не требующим подвода энергии для поддержания своего состояния.

Поставленная цель достигается использованием замкнутого канала, в котором эквидистантно находятся разрывы нескольких сигнальных проводников, использованием для замыкания сигнальных проводников нескольких капель ртути, размещенных в канале в объеме неэлектропроводной жидкости на расстоянии друг от друга, кратном расстоянию между разрывами сигнальных проводников, применением для перемещения указанных капель ртути электрокапиллярного воздействия на еще одну каплю ртути, находящуюся в другой части канала в объеме электролита, а также наличием в этой части канала расширений с шагом, равным расстоянию между разрывами сигнальных проводников.

Устройство предлагаемого многопозиционного электрического переключателя поясняется на Фиг. 1 и Фиг.2. Здесь 1 - подложка (например, стеклянная или кварцевая), 2 - замкнутый канал, 3 - части сигнальных проводников, 4 - контактные капли ртути, 5 - электрокапиллярно перемещаемая капля ртути (капля-движитель), 6 - изолированные от электролита электроды, служащие для создания электрокапиллярного эффекта, 7 - неэлектропроводная жидкость, нерастворимая в электролите и не реагирующая с ним, 8 - электролит. Фиг.1 соответствует случаю переключателя с одной контактной каплей, одной каплей-движителем и четырьмя сигнальными проводниками.

Предлагаемый многопозиционный электрический переключатель работает следующим образом. На два соседних электрода, над одним из которых находится капля-движитель, подается разность потенциалов так, чтобы положительный потенциал был на этом электроде. Под действием электрокапиллярных сил капля-движитель перемещается к соседнему электроду с отрицательным потенциалом [3] , вовлекая в движение весь объем жидкости в канале. Поскольку ртуть не смачивает стенки канала (краевой угол смачивания в системе ртуть/стекло составляет около Θ=130-150^o [4], а в системе ртуть/кварц 145^o [1]), то на каплю-движитель действуют лапласово давление, выталкивающее ее в более широкую часть канала. Под действием этого давления капля-движитель занимает устойчивое положение в следующем расширении канала, Фиг.3. При этом контактные капли ртути занимают новые положения, замыкая другие сигнальные проводники. Таким образом осуществляется коммутация электрических сигналов. Следующее переключение производится подачей напряжения соответствующей полярности на те же или другие соседние электроды.

Поскольку капля-движитель занимает под действием лапласова давления устойчивые положения в расширениях канала, то состояния переключателя автоматически фиксируются, то есть для их поддержания не требуется подвода энергии.

Для канала квадратного сечения указанное давление равно P_l = 4σcosΘ(1/d₂-1/d₁), где σ=466 мН/м - поверхностное натяжение ртути [1], Θ≈140^o, d₁ и d₂ - меньшая и большая ширина канала в сечениях трехфазных границ подложка/ртуть/жидкость, относящихся к противоположным концам капли. Для канала с типичными размерами d₁=10 мкм [1] и d₂=11 мкм получим давление Р_l= 13 кПа, то есть значительную величину. Такому давлению при площади сечения канала S=d₁ ²=10^-10 м² будет отвечать лапласова сила F_l=Р•S=13•10³ Па•10^-10 м²=13•10^-7 Н.

Полученную величину лапласовой силы сравним с силой инерции F_i, действующей на d₁•d₁•d₁ каплю ртути при ускорении свободного падения g≈10 м/с² и плотности ртути ρ=13,6•10³ кг/м³ [5]. Эта сила определяется как F_i = m•g = ρ•d³₁•g = 13,6•10^-11H, где m - масса капли. Таким образом F_l/F_i≈10⁴, то есть капля будет устойчиво удерживаться в расширениях канала при действии на переключатель ускорения вплоть до 10⁴ g.

Поскольку поверхностное натяжение ртути велико, то лапласово давление, вызванное кривизной поверхности капель, будет прижимать их к стенкам канала и препятствовать перетеканию электролита и неэлектропроводной жидкости из одних частей их объемов в другие. Это давление для канала квадратного сечения с шириной 10 мкм равно P = (4σ|cosΘ|)/d₁ = 143кПа.

Оценить время переключения предлагаемого устройства можно по известной из экспериментов скорости движения капли ртути в замкнутом канале сечением 250•20 мкм, которая при разности потенциалов между электродами 3 В и потребляемом токе 10 мкА, составляет около 100 мм/с [3]. Тогда на расстояние порядка ширины канала, которое близко к 10 мкм [1], капля сместится за 0,1 мс. Это время, на порядок меньше времени переключения MEMS, реле с твердотельными контактами [2] и сравнимо со временем переключения обычных реле с твердотельными контактами [2]. При этом потребление энергии на переключение составит 3 В•10 мкА•0,1 мс=3•10^-9 Дж, то есть ничтожную по сравнению с реле [1] величину, которая равна 100 мВтM•10 мс=10^-3 Дж. Увеличение разности потенциалов между электродами приводит к прямо пропорциональному росту скорости перемещения капли [3]. Поэтому можно достичь, по крайней мере, на порядок меньшего времени переключения.

Таким образом, предложенный многопозиционный электрический переключатель обладает следующими преимуществами: благодаря тому, что перемещение контактных капель ртути осуществляется путем электрокапиллярного воздействия на отдельную каплю ртути (каплю-движитель), которая под действием лапласова давления занимает устойчивые положения в расширениях канала, устройство обладает малым временем переключения, потребляет мало энергии на переключение и не требует подвода энергии для поддержания своего состояния.

ЛИТЕРАТУРА 1. A micromechanical relay with a thermally-driven mercury micro-drop. J. Simon, S.Saffer and C.-J.Kim. Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, San Diego, USA, Feb. 1996, pp. 515-520. (URL: http//:cjmems.seas. ucla.edu/papers/Simon_MEMS96.pdf).

2. Mercury contact micromechanical relays. J.Kim, J.Simon, S.Saffer and C. -J.Kim. Proc. 46th Annual Int. Relay Conf., Oak Brook, II, Apr. 1998, pp. 19-1-19-8. (URL: http//:cjmems.seas.ucla.edu/papers/Jw_relay98.pdf).

3. Microactuation by continuous electrowetting phenomenon and silicon deep RIE process. J.Lee, C.-J.Kim. ASME Int. Mechanical Engineering Congress and Exposition, Anahein, CA. Nov. 1998, pp. 475-480. (URL: http:// cjmems. seas.ucla.edu/papers/Jung_imece98.pdf).

4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. - М.: Мир, 1979.

5. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К.Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976.

Формула изобретения

Многопозиционный электрический переключатель, отличающийся тем, что имеется замкнутый канал, заполненный жидким электролитом и неэлектропроводной жидкостью, нерастворимой в электролите и не реагирующей с ним, в заполненной неэлектропроводной жидкостью части канала эквидистантно находятся разрывы нескольких сигнальных проводников, а на расстоянии, кратном расстоянию между разрывами сигнальных проводников, находятся капли ртути, замыкающие определенные разрывы сигнальных проводников, в заполненной электролитом части канала имеются расширения, в одном из которых находится ртутная капля-движитель, под каждым расширением канала находится изолированный от электролита электрод, а переключение производится электрокапиллярным перемещением капли-движителя в следующее расширение канала, путем подачи разности потенциалов на два соседних электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3