DE2010186A1 - Relais - Google Patents

Description

2010188

Patentanwalt
Dipl.-Phys. Leo T h u 1

7ooo Stuttgart-Feuerbach
Poetfach 135

J. C. Greenwood -5 P2G10186.4 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Relais

Die Erfindung betrifft ein Relais mit mindestens einem Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit.

Die Erfindung hat die Aufgabe« für ein oben näher bezeichnetes Relais einen einfachen Schaltmechanismus zu schaffen. Erfindungsgemäss wird dies dadurch gelöst, dass Mittel vorgesehen sind, die den/die Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit durch ein elektrostatisches Feld zwischen mindestens zwei Stellungen bewegen und diese Bewegung das Schalten des Relais von einem in mindestens einen anderen Schaltzustand hervorruft.

Dabei 1st vorgesehen, dass die Mittel des elektrostatischen Feldes ein Kondensator ist, bei dem eine Platte durch den Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit gebildet ist, oder dass in jeder Stellung des/der Tropfen ein Kondensator vorhanden 1st, bei denen der/die jeweiligen Tropfen eine Platte bilden.

Naoh einer Ausbildung der Erfindung bewegt die Orteveränderung des ersten Tropfens mindestens einen weiteren Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit und dieser weitere Tropfen bringt das Relais von einem in mindestens einen anderen Schaltzustand.

3.3.1970 Wr/Wa ./.

009840/1881

_BAD

J.C. Greenwood - 5 - 2 -

Dabei erfolgt die Übertragung der Bewegung des einen Tropfens auf einen weiteren Tropfen durch ein elektrisch Isolierendes Inertes Gas. Zweokmässig 1st dabei, dass der zweite Tropfen in einer anderen Höhlung lagert, die an dem Ende durch eine Zwischenverbindung mit den Enden der ersten Höhlung verbunden 1st. Dabei weisen die Höhlungen Verengungen oder Einbuchtungen des Querschnittes an den mit Elektroden versehenen Stellen zum Einriegeln der Tropfen auf.

Dabei 1st es vorteilhaft, wenn der Kondensator über alle Tropfenstellungen eine gemeinsame Schicht aus dielektrischem Material aufweist*

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Tropfen In einer Höhlung so eingebracht, dass sie jederzeit in Berührung mit der gemeinsamen Schloht stehen, worin elektrische Kontaktmittel angebracht sind, die jederzeit in Berührung mit den besagten Tropfen stehen und die an oder in die innere Oberfläche der Höhlung gebraoht sind und worin mindestens ein Relaiskontakt an jeder Tropfenstellung steht und mit den Tropfen einen elektrischen Kontakt herstellt.

Die Höhlung in dem Relais kann auoh mit einem FlUssigkeltseinlass oder Kanal und mindestens einem FlUssigkeitsauslass oder Kanal in jeder Tropfenstellung versehen sein und der Tropfen den einen oder anderen Kanal von der Verbindung mit dem Kanal sperren. Dabei ist die Höhlung aus einem hohlen isolierenden Teil, welches aus Glas bestehen kann, gebildet, worin der Tropfen und die gemeinsame Sohioht und die anderen Platten des Kondensators untergebracht sind, wobei die elektrischen Kontaktmittel aus einer Streifenelektrode, die an oder in die Oberfläche des hohlen, isolierenden Teiles gebraoht 1st, besteht und weitere elektrische Kontaktansohlüsse vorhanden sind,

009840/1881

AD

J.C. Greenwood -5 - 3 -

und das höhle isolierende Teil Mittel zum Einriegeln des Tropfens in der Jeweiligen Stellung aufweist« die aus Verengungen des Querschnittes der Höhlung, die das hohle Teil bildet» bestehen und in der Mitte zwischen zwei Tropfenstellungen oder zu beiden Selten sieh befinden.

Es kann in jeder Tropfenstellung ein Einzelkontakt oder zwei Kontakte in Jeder Tropfenstellung vorhanden sein« wo» bei ,leder an der Stelle der Verengung der Höhlung angebracht ist.

In einer weiteren Ausbildung Überlappen die Oberflächen der der gemeinsamen Schicht gegenüberliegenden Kontakte sieh in der Bewegungsrichtung des Tropfens aus einer leitenden Flüssigkeit·

Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemSsse Relais aus zwei flachen« isolierenden Sub$raten« die aus Glas bestehen können« gebildet« wobei das erste Substrat die gemeinsame Schicht, das zweite die Höhlungen und die Kontaktelektroden enthält und beide miteinander entsprechend verbunden werden« wenn die Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit und in die noch freien Räume ein inertes und elektrisch isolierendes Gas eingefüllt sind.

Die leitende Flüssigkeit für die das Schalten hervorrufenden Tropfen kann aus Quecksilber« Gallium« Indium« einem alkalischen Metall, z.B. «ine Natrium/Kalium-Verbindung« einer ionisierten Flüssigkeit oder einem Queoksllberamalgan bestehen und die gemeinsame Schicht aus dielektrischem Material« z.B. aus SlUtfftmnitrid« Aluminiumoxyd oder Tantaloxyd und die entsprechenden anderen Schichten dann aus Aluminium oder Tantal.

Kleinheit« Kompatibilität Bit integrierten Schaltkreisen und wenig Energieaufwand zum Schalten sind einige heraus-

Q09840/1881 " "

BAD

J,C. Greenwood -5 · 4 -

ragende vorteilhart* Eigenschaften des erfindungsgemgesen Relais» Weitere Vorteil· und Einzelheiten können aus der folgenden Beschreibung entnommen werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen beschrieben. Be zeigen:

Fig, 1 A bis 1 C sohematisoh die Wirkungen eines elektro-

stAtisehen Feldes auf einen leitenden Flüssigkeitetropfenj

Fig. 2 sohematisoh die ebene Bewegung eines leitenden Tropfens duroh eine elektrosta* tisehes Feldj

Fig. 3 einen Teilsehnlfct duroh ein erfindungs»

gemässes Relaisi

Fig. * Λ und B einen Teilschritt einer Variante des Relais nach Fig. 3$ Fig. 5 eine weitere Abänderung des Relais und Fig. 6 eine weitere Mögliche Ausbildung des

Relais*

Die Oberflftohenspannung eines Queokeilbertropfens liegt in der Orössenordnung von 4_#6 x. 10"⁵ J.em und ein dlelektrlseher Film der OberflXehe kann Energie in dieser Orösse epelehern. Zu» Beispiel kann ein anodlsierter Tantal« fil» Kit einer XapsjsitMt von 0,1 μ ? ea'nhergestellt werden» der einer spannung ran 100 Volt widersteht.

Die in einer Oberfläche au »pei«h*rad# Bnergie erreehnet sieh aus: 1/2 * et, daraus feiet« dass in eine« eben besehrieb€««n Tantal file «le Speiehetpuog rc» 1/2 . le*"⁷,le*.Jei^a - 5 , 10 J ·3² erfelgen kae».

rig. IA seigt, wie el» Que«keUs«rire;pf«A I «aif <er flKehe ein·· niaes i aus Tantaleoytfi, «er aus der

BAD ORIGINAL

009840/1801

J.C. Greenwood · 5 - 5 -

rung der Oberfläche eine» Tantalsubstrates 3 entstanden 1st» ruht und unter diesen Umständen die Fora des Tropfen* sieh zur Fons mit dem geringsten Energieinhalt ausbildet. Wie die Fig. IA weiterhin zeigt, berührt der Tropfen einen Kontakt 4, aber nicht den Kontakt 5.

Wenn eine Spannung an den Tropfen 1 und das Substrat 3 gelegt wird, stellt sich die Oberflächenspannung des Quecksilbers an der Stelle« an der es mit dem Film 2 in Berührung steht, durch die Wirkung des elektrostatischen Feldes, das durch die angelegte Spannung entstanden Ht, um. Die Oberfläche des Quecksilbertropfens, an der Beruh« rungesteilβ mit dem Tantalfilm 2, tendiert zu einer Vergrößerung, um die Kapazität des Filmes 2 zu erhöhen und daraus folgt el» Wechsel in der Tropfenform«

Dieser Effekt, in Fig» IB dargestellt, wird in der Art genutzt, dass der Tropfen Kontakt mit der Elektrode 5 macht und den Kontakt mit der Elektrode 4 öffnet, wenn er unter Einfluss des elektrostatischen Feldes sieh verändert. Diese Anordnung und Wirkung kann als Grundlage eines Relais verwendet werden, das den Vorteil hat, dass keine Abnutzung am Einsohaltkontakt des Heiais auftritt.

In dieser Anordnung ist die Rückstellkraft die Oberflächenspannung des Tropfen«, wobei es unwahrscheinlich ist, dass sie schnell wechselt» da die treibende Kraft sehr klein ist. Auch 1st bei der dargestellten Form der Eingang mit dem Ausgang zumindest in der Einstellung kapazitiv ge« koppelt und die Anordnung von der Schwerkraft abhängig.

In Versuehen wurde gefunden, dass «ine an den Tropfen und atm Substrat angelegt* Gleichspannung den Tropfen veranlasst, sieh in der schon beeehriebenen Art xu verändern« webei der Affekt nur ein vorübergehender war* Beispieis-

009840/1881

BAD

J.C. Greenwood -5 - 6 -

weise verflacht aloh der Tropfen bein Anlegen der Oleiohspannung, ging aber dann sofort in seine Auegangeform, wie In Flg. IC gezeigt, zurüok. Bbenso verändert sieh der Tropfen, wenn der Kondensator, gebildet aus den Tropfen 1, den FiIn 2 und dem Substrat 2, entladen wird.

Man fand heraus, dass der Tropfen darum sofort In seine Originalform zurückgeht, well die Oberfläche des Fllnes 2 aus Tantaloxyd fähig 1st, eine Ladung in Abwesenheit eines Leiters zu halten und dass der Tropfen die Ladung auf seine Oberfläche Übernimmt und dann keine Kraft mehr vorhanden 1st, un den Tropfen In seiner flachen Form zu halten. Jedoch mit einer Weohselspannung am Tropfen und an Substrat verbleibt der Tropfen in seiner jeweiligen Form.

Sa sei hler angemerkt, dass andere leitende Flüssigkeiten wie Gallium, Indium, alkalische Metalle wie Natrium/ Kai ium-Verbindungen, ionisierte Lüftungen, wie Salzwasser und Quecksilberamalgam· ebenso die beschriebenen charakteristischen Merkmale zeigen, wenn sie an ein elektrostatlsohes Feld gelegt werden. Jedoch ist die Verwendung von OaIlIum, Indium und alkalisohen Metallen begrenzt durch die Umgebungstemperatur, denn diese Stoffe sind nur bei unangenehm hohen Temperaturen flüssig* Auch ist die Benutzung der alkalisohen Metalle durch ihre Aggression eingeschränkt. Der Hauptnaohteil der ionisierten Losungen 1st, dass die nit den Elektroden reagieren und zur Korrosion veranlassen, obwohl das Korrosionsproblen bei einem Relais mit Wechselipannungsartregung auf ein Minimum gebracht ist,

Aueh kann das Substrat 3 aus anderen Metallen als Tantal bestehen, beispielsweise kann Aluminium verwendet werden. Dabei kann dam ein film aus Aluninlu*ejqrtf da« dielektrische Material bilden, «as iuroh Anodisieren uw Oberfläche de·

entstanden lit.

009840/1881 ·/·

BAD ORIGINAL

J.C. Greenwood · 5 ■ *■ γ ·

Billig· der oben erwähnten tfaehteil* kennen werden« wenn das elektrostatische Feld gebraucht wird, UiQ den Tropfen aus leitender Flüssigkeit au beiregen statt ihn zu verflachen, um ein Relais von einem in mindestens einen anderen Schaltzustand zu bringen.

Bine Methode um einen Tropfen aus leitender Flüssigkeit in der Ebene durch ein elektrostatisches Feld zn bewegen« ist sehematiseh in der Fig» 2 dargestellt. Darin ruht der Tropfen 1 auf der Oberfläche eines Filmes S aus dielektri •ehern Material» das sieh auf der Oberflgehe von zwei Elektroden 6 und 7 befindet.

Zum Arbeiten wird eine Spannung an den Tropfen 1 uiad die Elektrode 7 gelegt« die bewirkt» dass die Oberflächen* energie des Tropfens« wo er in Kontakt seit dem Teil des dielektrischen Filmes Z direkt oberhalb der Elektrode 7 ist« dem elektrlBohen Feld entgegenwirkt« das iurah dit angelegte Spannung aufgebaut ward®.

Die Oberfläche des Tropfens« die mit der Blektrede.7 befindliche» dlelektri^hen Flt.m rUhrung ist« will sieh nun verändern« ua die dieses Teiles des Filaes su Kndern und daher bewegt sieh der Tropfen in Xiehtung des Pfeiles "A"» Vagekehrt» w#nn «α den Trepien 1 und dl· JElektrode 6 eine Spannung aage· legt wird* bewegt sieh der Tropfen in die entgegengesetste des Pfeil·» "A". Dl··· Anordnung kann daher in

Kelaie «ebraushfe werdeni und hat den Yo^^ii, dass si· als »«hlieaser ausgebildet ist und nur 3&ι«¥©1β v«r>vau«ht» «•fia et von eine» Zustand in den es»de]r#n eehsl%et. S·* ümstwad« das· der Τνψίνη nach £·* Sohalt·» s«1ä* Wmm wieder anniaet, ist hierfcei ohne

Bim u«f»äagr«i*i»P· Anerteims mm

na*hst*k«x»d*n Beispiel err«ieht mvAm* Μ» Tf^pf^ii aus

009840/1081 j_%

■ BAD

2010188

j.C. Greenwood - 5 - 8 -

einer leitenden Flüssigkeit kann veranlasst werden, entlang einer Anzahl von Kontakten zu laufen« entweder nacheinander oder in einer anderen erwünschten Weise. Bin derartiges Relais ist sohtmatisch und teilweise geschnitten in der Flg. 3 dargestellt. Es besteht grundlegend aus einem isolierenden Gehäuseteil 12, einer Vielzahl von metallischen Elektroden 8, z.B. aus Tantal, einem Film 9 aus dielektri« sehem Material, z.B. Tantaloxyd, aus der Oberfläche der Elektroden 8 aus Tantal, einem Tropfen Io aus einer leitenden Flüssigkeit, der in Berührung mit dem Film 9 steht, einer Vielzahl metallischer Elektroden 17» die an dem oder an der inneren Oberfläche des Gehäuseteiles 12 angebracht oder angeformt sind und einem Streifenkontakt, der ebenfalls am oder im Gehäuseteil derart angebracht 1st, dass er Jederzeit mit dem Tropfen Io aus einer leitenden Flüssigkeit in Verbindung steht« Das Gehäussetell 12, es kann bttlnxlelsweise aus Glas bestehen, ist mit einer Serie von Vertiefungen 16 versehen, die so angeordnet sind, dass Jede direkt gegenüber einer Elektrode 8 liegt* Metallene An «chili··· 13, 14, 15 sind an den Elektroden 8 angebracht, ebenso wie an dem Streifenkontakt 11 und die Elektrode 17« die im Gehäuseteil 12 durchlaufend und in den Seitenwänden eingelassen ist.

Normalerweise werden die Elektroden 8 und der Streifen* kontakt 11 mit den Anschlüssen 13 und 14 so an eine Spannungequelle angeschlossen (in der Fig. nicht gezeigt), Als» ein Spannungsimpuls zwischen den Streifenkontakt 11 und einer beliebigen Elektrode 8 anliegt. Die Anschlüsse 15 und der Streifenkontakt werden an einen oder Mehrere Ausgangasehaltkreise (in der Figur nloht gselgt) in jeder gewünschten Welse angesehlessen.

Beim Arbeiten dee Relais sohaltet es dadurch von eines Schaltzustand in den anderen, dass der Tropfen Io aus einer

0098A0/1881 ·/·

BAD

J.C. Greenwood - 5 - 9 -

leitenden Flüssigkeit sieh in Richtung dee Pfeile« "B" oder entgegengesetzt bewegt und nach der Bewegung der Tropfen die duroh die gestrichelte 18 oder strichpunktierte Linie 19 gezeiohnete Stellung einnimmt.

Die Bewegung in Riohtung des Pfeiles "B" wird durch Anlegen eines Spannungeimpulses an den Streifenkontakt 11 und die Elektrode 8, die rechts unter dem Tropfen Io in der Fig. 3 sich befindet, erreicht. Dieses veranlasst den Tropfen« sioh in Riohtung des Pfeiles "B" zu bewegen. Die Dauer des Spannungsimpulses ist so gross« dass die Oberfläche des Tropfese lo, die in Berührung mit dem Teil des dielektrischen Filmes 9, der direkt oberhalb der Elektrode 8 ist, an der der Impuls anliegt, sioh soweit verändert, dass wenigstens die Hälfte des Flüssigkeitsvolumens des Tropfens veranlasst wird, sich unter der rechts vom Tropfen befindlichen Vertiefung 16 duroh zu bewegen» Wenn dieser Zustand erreicht 1st, braucht der Spannungsimpuls nioht mehr aufrechterhalten zu werden, weil die Bewegungskräfte des Tropfens ausreichen, ihn in die duroh die gestrichelte Linie 18 angedeutete Stellung einrttoken zu lassen. Um eine Bewegung entgegen dem Pfeil "B" zu erreichen, muss der Spannungsimpuls von erforderlicher Dauer zwischen dem Streifenkontakt 11 und der links von dem in Fig. J dargestellten Tropfen Io befindliehen Elektrode 8 angelegt werden*

Es ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, dass Jeder ftwUnsohte Schaltzustand erreioht werden kann, in dem der Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit an den Elektroden 17 rastert.

folien s.B. dl· Elektroden nacheinander rastend berührt werden, um ein aufeinanderfolgendes Schalten zu erreichen.

00 9 840/1 881

BAD

J.C. Greenwood - 5 - Io - ο

so müssen aufeinanderfolgende Spannung·impulse zwischen dem Streifenkontakt 11 und den Elektroden 8 angelegt werden.

Bine Variante des Relais ist in den Flg. 4a und B dargestellt« in denen eine teilweise geschnittene Seitenansicht und Draufsicht des Relais gezeigt wird. Die Konstruktion und die grundlegende Arbeitsweise 1st die gleiohe wie bei dem in Fig. 3 gezeigten Relais, mit dem Unterschied, dass in jeder Stellung des Tropfens 2o zwei metallene Elektroden

21 zusammengesohaltet werden. Die Anordnung der Elektroden 23 in Fig. 4b ist davon verschieden« ebenso wie der angewandte Bewegungemeohanlsmus des Tropfens 2o.

Wie in Flg. 4Λ und B gezeigt, enthält das Relais grundsätzlich innerhalb eines isolierenden Qehäusetelles 22 eine Wand, die mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 25 versehen ist, eine Vielzahl metallischer Elektroden 23, z.B. aus Tantal, die direkt den VorsprUngen 25 gegenüberliegen, einen Film 24 aus dielektrische« Material, z.B. aus Tantaloxyd, das aus der Oberfläche jeder Elektrode gebildet wird, einen Tropfen 2o, der in Berührung mit dem Film 24 steht, metallische Elektroden 21, die je durch die Wand der Vorsprünge 25 hindurchreiohen und in dieser eingelassen sind, und einen Streifenkontakt 26, der an oder in der inneren Oberfläche des Oehäuseteiles

22 in der Art angebracht oder eingelassen 1st, dass er jederzeit Xontakt mit dem Tropfen 2o aus einer leitenden Flüssigkeit hat. Metallene Anschlüsse 27 und 28, dl· mit d*n Hektroden 23 und mit dem Streifenkontakt 26 in Verbindung stehen, sind in den Wänden d·· Gehäuseteiles 22 eingelassen und reichen durch diese hindurch.

Xm Allgemeine· sind dl· Elektroden 23 und der Streifenkontakt 26 an eine Spannungequelle (in d«r Figur rl«ht geielft) mit den Anschlüssen 27 und 28 in der &s»fc ange-

009840/1881 ,/.

BAD ORiGiWAL

J.C. Greenwood - 5 - 11 -

schlossen, dass «in Spannungsimpuls zwischen dem Streifenkontakt 26 und den Elektroden 23 anliegt. Die Elektroden 21 und der Streifenkontakt 26 können an einen oder mehrere Auegangeschaltkreise in Jeder gewünschten Form angeschlossen sein (in der Figur nicht gezeigt).

Das Schalten des Relais von einem Zustand in den anderen wird dadurch erreicht, dass der Tropfen 2o in Richtung oder entgegengesetzt dem Pfeil "C" bewegt wird und zwar so, dass nach der Bewegung die durch die strichpunktierte 29 oder die gestrichelte Linie 3o angedeutete Stellung von dem Tropfen eingenommen wird.

Die Bewegung in Richtung des Pfeiles "C" zur Änderung d«p Sohaltzustandes wird durch Anlegen eines Spannungsimpuliiüs zwischen den Streifenkontakt 26 und der Elektrode 23 erreioht, die links unter dem Tropfen 2o i& «a«r Fig. 4A sieh befindet. Dadurch wird der Tropfen 2o wie schon besohrleben in Richtung des Pfeiles "C" bewegt. Sie Dauer dieses Spannungeiapulses hängt von der Fora der Elektroden 23 ab und zwar derart« dass die mit dem dielektrischen File 24 in Berührung befindliehe Oberfläche des Tropfens 2® veranlasst wird« sieh um einen derartigen Betrag zu andern« dass Bereiche der Oberfläche des Tropfens sich direkt über der links angrenzenden Elektrode 23« an die der Spannung^- !■puls angelegt wurde, erstrecken. Dabei muss die obere Fliehe der Hektrode 23 sieh alt der Flache der Tropfenb©- wegung Überschneiden, damit die Oberfläche des Tropfens auf das alt der Uektrode 23 verbundene elektrostatisch feld einwirken kann· Mach de» ersten Spannungsimpuls kmm ein zweiter an den itrelfenkontakt 26 und «ine Hektrede 23 gelegt Herden« der von ausreichender Deut, «ein muss« um eine Fortführung der Tropfenbewegung in 41· durch die strichpunktierte Linie 29 angedeutete Stellung zu ermöglichen. Da« wie vorstehend gesohlldert« dsr

.A

009840/1881

BAD

J.C. Graanwood ~ 5 - 12 -

dar Form das Tropf ans aln vorübergehender Zustand ist, muea dar zweite Spannung«impuls sofort angelegt warden, solange dar arsta Spannungsimpuls gerade aufhört oder die zwei Spannungsimpulse werden so angelegt, dass sie teilweise einander überlappen.

Um eine Bewegung entgegen dem Pfeil "C^M zu erreichen, wird ein erster Spannungsimpuls von dar erforderten Dauer an den Streifenkontakt 26 und die Elektrode 23 gelegt, die unterhalb des rechten Bereiches des Tropfens 2ο liegt, wie in Fig. 4a gezeigt, und danach wird ein weiterer Impuls während oder nach dem Anschalten des ersten Impulses an den Streifenkontakt 26 und die Elektrode 23 angeschaltet, die rechts von der Elektrode, an die der erste Impuls gelegt wurde, angrenzt.

Um die Wirkung der Schwerkraft auf das Relais und die mangelnde isolation zwischen dan Eingangs* und Ausgangs* schaltkreis zu vermeiden, kann eine in Fig* 5 im Schnitt gezeigte Anordnung gebraoeht werden. In dieser Anordnung werden zwei gleich grosse Tropfen 31 und 32 aus einer leitenden Flüssigkeit benutzt, die ja in einer ringförmigen Höhlung 33« 3* eingeschlossen sind. Die Höhlungen 33 und 34 sind durch Kanäle 35 miteinander verbunden und die Bewegung das einen Tropfans aus einer leitenden Flüssigkeit wird auf den anderen durch einen geeigneten elektrisch isolierenden, inerten nicht fasten Körper, z.B. ain inertes aas, übertragen, walahaa in den Kanälen 35 vorhanden ist und den nicht von den Tropfan 31, 32 in dan Höhlungen 33« % eixigenoamnen Raun ausfüllt. Kontaktanaehlüase 37 und 38 sind in dar Wand dar Höhlung 34 angebracht, ue dan Sohaltvorgang hervorzurufen und ain Kontaktansahluss 53 1st In dar Wand dar Höhlung 34 eingelasaen, dar susasnan Mit dar Kontaktelektrode 36 dl« Bewegung des Tropfens 31 veranlasst.

009840/1881

BAD OHIGfNAL

J.C. Greenwood - 5 - 13 -

Der Tropfen 31 wird durch ein elektrostatisches Feld zwischen dem Tropfen 31 und beispielsweise der Kontakt« elektrode 36 veranlasst, von dem einen Ende der Höhlung zum anderen zu laufen. Diese Bewegung veranlasst den Tropfen 32, sich so zu bewegen, dass er zwischen den Kontakt ans chills sen 37 und 38 oder dem Kontaktansohluss eine Verbindung herstellt.

Das in Fig. 5 dargestellte Heiais 1st sehr klein, bei» spielsweise einige Millimeter im Durohmesser und kann daher durch photolitographisehe Techniken hergestellt werden. Bei solch einem Fertigungsprozess kann das Auegangematerial ein flaches isolierendes Substrat sein, beispielsweise aus Glas, auf dessen Hauptoberfläohe die metallenen Kontakt« anschlüsse 36, z.B. aus Aluminium, aufgebracht werden. Sin Film aus dielektrischem Material, z.B. aus einem Siliziumnitrid, wird danach auf die Kontaktansohlüsse 36 und die verbleibenden Reetflachen gebracht*

Der nächste Schritt in der Fertigung 1st das Herstellen eines weiteren flachen isolierenden Substrat··» beispielsweise aus Glas, mit den Höhlungen 33 und 3## sowie den Kanälen 33 in einer der beiden Hauptoberfläohen. Dl· Kon· taktansohlUss· 37 bis 39 und 53* als metallen· DrKhte, werden al· nächste· vorbereitet und In das Substrat eingelassen und zwar so, dass «ie in den Höhlungen 34 und 35 dl· richtig· Stellung einnehmen. Dl· KontaktansehlUss· und 39 sind je an einem and· und der Kontaktansohlu·· in der Nltt· der Höhlung 3* und der Kontaktsnsohluss 53 In der Nltt· der Höhlung 33 ftngtforaeht und swar so* dass sie auch di· Verbindung zu elnets
herstellen können.

Dl· erforderlich© if eng· leitender Pii!s»iils®lfe In jede Höhlung eingerassttn und naohftöfmd ila Substrat· unter einer Inerten

0098A0/1881 _e/,

BAD

J.C. Greenwood -5 - 14 -

geeigneten Klebstoff zusammengefügt. In der Art« dass die Oberfläohe des dielektrischen Filmes mit der Oberfläche des Substrates In Verbindung steht, das die Höhlungen aufweist und zwar so, dass die KontaktansohlUsse 36 in Übereinstimmung mit den entsprechenden Höhlungen sind» Da das Zusammenfügen und Verkleben der beiden Substrate in einer Inerten Oasatmosphäre vorgenommen wird, füllen sich die Kanäle 35 und der nicht von den Tropfen 31 und 32 beanspruchte Raum der Höhlungen 38 und 34 mit dem inerten Gas und der Klebstoff muss die Fähigkeit haben, beim Fehlen von Luft abzubinden. Jedooh 1st es nicht unbedingt erforderlich, dass die beiden Substrate in einer inerten Gas* atmosphäre zusammengefägt werden, die Kanäle und Höhlungen können auoh naoh dem Verkleben mit einem inerten Gas gefüllt werden* so dass der Klebstoff nloht die Fähigkeit aufweisen muss, auoh unter Abwesenheit von Luft abzubinden.

Alternativ kann das Substrat mit den Höhlungen und den Kanälen auoh aus zwei flaohen isolierenden Substraten bestehen, bei denen eine In der Hauptoberfläohe Offnungen in Form der Höhlungen 33 und 34 und der Kanäle 35, die die Höhlungen miteinander verbinden, aufweisen» Die andere Hauptoberfläche dieses Substrates wird dann mit der Ober· fläohe des Dielektrikums duroh «inen geeigneten Klebstoff verbunden und zwar so, dass die Kontaktanschlüsse 36 In Übereinstimmung mit den entsprechenden Höhlungen sind.

Das andere der beiden flaohen Isolierenden Substrate weist KontaktansohlUsse 37 bis 39 In Form von Metalldrähten auf und zwar so, dass si· in Übereinstimmung mit den entsprechenden Höhlungen 34 sind und dl« AnsohlUsoe von den Haupt· Oberflächen naoh aussen stehen« P*m werden beide Substrat· nach den Füllen der Höhlungen alt der erforderlichen Menge einer leitenden Flüssigkeit nit einen geeigneten Klebstoff miteinander verbunden« Dieses Zusammenfügen kann la einer inerten OasatmosphKr· erfolgen e4«r da» inert· Oas wird

009840/1881 ./.

BAD ORIGINAL

J.C. Gr««nwood - 5 -

naoh dem Verkleben in di· Kanäle 35 und den nicht bean* spruchten Raum der Höhlungen eingefüllt.

Wenn dl· Schichtstruktur der Relais nach einem der beschriebenen Verfahren fertiggestellt ist, werden diese Teile in einem entsprechenden Arbeitsvorgang in die äusseren individuellen Relaiskörper eingesetzt.

Es sei angemerkt, dass die Höhlungen nicht unbedingt eine ringförmige Form aufweisen müssen« sie können auch in jeder beliebigen länglichen Form ausgebildet sein.

Durch dl· Kleinheit und den niedrigen Energieverbrauch dieser Relais können sehr viel höhere Paokungsdiohten als mit äquivalenten elektromagnetischen Relais erzielt werden. Auch wegen dieser geringen Grosse und den minimalen Antriebserforderniesen sind die Relais kompatibel mit integrierten Schaltkreisen und sie können die gleichen Substrate aus Siliziumplättohen und den verschiedenen Diok- und DUnnfllmelementen benutzen.

Die oben beschriebenen Relaiskontakte sind jederzeit mit einer leitenden Flüssigkeit benetzt. Bei den in Fig. 4 und 5 gezeigten Relais wird ein gewisser Betrag der leitenden Flüssigkeit In den Vorsprangen der Höhlungen zurttokbehalten und umschliesst die Kontakte vollständig, so dass beim Bewegen des Tropfens, um von den einen Schaltzustand in den anderen su gelangen, Jeder beim Schaltvorgang mögliche Funkenttbersohlag ergibt, la Falle das Quecksilber verwendet wird, dass der Funken nur zwisohen dem Tropfen aus Quecksilber und de« den Kontakt benetzenden Quecksilber übersohl ägt. Wenn Jedoch dl· Relaiskontakte nicht benetzt sind, ergibt ein FunkenUbcrsohlag duroh den Dampf des Kontaktmaterial· eine gewisse Verunreinigung der Relais.

009840/1881

J.C. Greenwood - 5 - 16 -

Eine Variante der beschriebenen Relais kann Teil eines Flüselgkeiteschalters ein. Pig. 6 zeigt ein derartiges Relais schematlsoh, bei dem ein Tropfen 4o aus einer leitenden Flüssigkeit sich innerhalb einer Höhlung 41 und in Berührung mit einer Streifenkontaktelektrode 42 befindet, die in der Wand der Höhlung angebracht 1st und eine Schicht 4j aue dielektrischen Material auf der Oberfläche von Kontaktelektroden 44 und 45, die in der Höhlung 41 enthalten sind, aufgebracht ist. Metallene KontaktansohlUsse 46, 47 und 48 sind entsprechend an den Elektroden 42, 44 und 45 angebracht. Ein Eingangsrohr oder -kanal 49 für den Flüssigkeitszutritt zu dem Relais öffnet eich in die Höhlung 4l und Ausgangsrohre oder -kanäle 5o und 51, die ebenfalls in Verbindung mit der Höhlung 41 sind, stellen den Ausgang des Flüssigkeitsschalters dar.

Wie bei dem in Fig. j5 beschriebenen Relais ist die Höhlung 41 mit einer Einbuchtung versehen, damit der Tropfen 4o in seiner Schaltstellung gehalten wird. Ebenso wie dort beschrieben, arbeitet auch dieses Relais und dazu müssen die Oberfläohenberelohe der Elektroden 44 und 45, wie es auch Fig. 4b zeigt, in der Bewegungsebene des Tropfens überlappen, so dass die Oberfläche desffropfena in der in Fig.6 dargestellten Stellung von einem ein elektrostatische· Feld erzeugenden und an die Elektroden 42 und 45 anliegenden Spannungsimpuls beeinflusst werden kann. Ähnlich wird die Oberfläche dea Tropfens in der anderen Stellung duroh einen ein elektrostatisches Feld erzeugenden und an den Elektroden 42 und 44 anliegenden Spannungalmpula beeinfluaat.

Ist der Tropfen 4o in der gezeichneten Stellung, dann 1st der Flüeaigkeltszutritt der Höhlung mit de« Kanal 5o über die Höhlung 4l verbunden. Wenn gefordert wird, dass der FlUaaigkeitaauagang durch den Kanal 51 erfolgen soll, so

009840/ 1881

ßA ORIGfNAL

J.C* Greenwood -5 - 17 *

wird der Tropfen 4o in Richtung des Pfeiles "D", wie vorstehend beschrieben« bewegt und der Eingang ist mit dem Kanal 51 verbunden. Es ist mit einem solchen Flüssig» keitssohalter nur möglich. Flüssigkeiten mit relativ niedrigem Druck zu schalten, da der Flüssigkeitsdruck nicht die Form des Tropfens verändern und damit ein Abheben von den steuernden Elektroden 44 und 45 hervorrufen darf. Auch muss der Druck der Flüssigkeit fähig sein, die elektrostatische Kraftj die die Bewegung des Tropfens hervorruft, zu überwinden.

Es sei darauf hingewiesen, dass der in der Beschreibung erwähnte Film aus dielektrlsohem Material die Spalten zwischen den Elektroden auf der Oberfläche, aus denen der Film geformt ist, überbrücken muss. Normalerweise werden die Elektroden nahe anelnandergesetzt und die einzige Forderung besteht darin, dass die der leitenden Flüssigkeit ausgesetzten Elektrodenoberflächen mit einem dielektrischen Material bedeckt sind, um die höchstmögliche kapazitive Wirkung zu erreichen*

Es versteht sloh, dass diese Beschreibung ein spezielles AusfUhrungsbelspiel der Erfindung 1st und diese nicht hierauf einschränkt»

2o Patentansprüche
4 Blatt Zeichnungen mit 6 Flg.

009840/1881

BAD

Claims (20)

Patentanspruch·

1. Relais mit mindestens einem Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die den /die Tropfen (1, lo, 2o, 31, 32, 4o) aus einer leitenden Flüssigkeit duroh ein elektrostatisches Feld zwischen mindestens zwei Stellungen bewegen und diese Bewegung das Schalten des Relais von einem in mindestens einen anderen Schaltzustand hervorruft.

2, Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel des elektrostatischen Feldes ein Kondensator ist, bei dem eine Platte duroh den Tropfen aus einer leitenden Flüssigkeit gebildet 1st.

3* Relais naoh Anspruch 1 und 2, daduroh gekennzeichnet, dass in jeder Stellung des/der Tropfens (1, lo, 2o, 31, 32, 4o) ein Kondensator vorhanden ist, bei denen der/die jeweiligen Tropfen eine Platte bilden,

4. Relais naoh Anspruch 3« daduroh gekennzeichnet, dass die Orteveränderung des ersten Tropfens (31) mindestens einen weiteren Tropfen (32) aus einer leitenden Flüssigkeit bewegt und dieser weitere Tropfen (32) das Relais von einem in mindestens einen anderen Schaltzustand bringt*

5. Relais naoh Anspruch 4, daduroh gekennseiohnet, dass die Übertragung der Bewegung des einen Tropfens (30 auf einen weiteren Tropfen (32) durch ein elektrisch isolierendes inertes Qas erfolgt*

3.3.X970 Wr/wa ·/.

0098A0/1881

BAD ORIGINAL

J.C. Greenwood - 5 · &9>-

6. Relais nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet«

dass der Kondensator über alle Tropfenstellungen eine gemeinsame Schicht aus dielektrischem Material aufweist.

7. Relais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet« dass die Tropfen in einer Höhlung so eingebracht sind« dass sie jederzeit in Berührung mit der gemeinsamen Schicht stehen, worin elektrische Kontaktmittel angebracht sind« die jederzeit in Berührung mit den besagten Tropfen stehen und die an oder in die innere Oberfläche der Höhlung gebracht sind und worin mindestens ein Relaiskontakt an Jeder Tropfenstellung steht und mit den Tropfen einen elektrischen Kontakt herstellt.

der

8. Relais naoh einem/vorhergehenden Ansprüche« dadurch

gekennzeichnet« dass die Höhlung (41) mit einem FlUssigkeitseinlftss oder Kanal (49) und mindestens einem Flüssigkeitsauslass oder Kanal (5©, 51) in jeder Tropfenstellung versehen ist und der Tropfen (4o) den einen oder anderen Kanal (5o oder 51) von der Verbindung mit dem Kanal (49) sperrt.

9. Relais mch Anspruch 7 oder 8« dadurch gekennzeichnet« dats die Höhlung (41) aus einem hohlen Isolierenden Teil« welches aus Glas bestehen kann« gebildet 1st« worin der Tropfen (4o) und die gemeinsame Schicht (4J) und dl· anderen Platten dee Kondensators untergebracht Bind, wobei die elektrischen Kontaktmittel aus einer Streifenelektrode (42)« die an oder in die Oberfläche des hohlen isolierenden Teiles gebracht 1st« besteht und weitere elektriiohe KontaktanscnlUsie vorhanden sind.

10. Relais naoh Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, da·· für jeden Relaiskontakt elektriaohe Kontaktansohltt*·· vorgesehen «ind, die durch dl« Wand des hohlen Isolierenden Teiles reichen und daran oder darin befestigt Bind.

0098Α0/Ί881. .

BAD ORIGINAL

J.C. Greenwood - 5 - 20 -

11* Relais naoh Anspruch 9 oder lo, daduroh gekennzeichnet, dass das hohle Isolierende Teil Mittel zum Einriegeln des Tropfens in der Jeweiligen Stellung aufweist.

12. Relais naoh Anspruch 11, daduroh gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einriegeln des Tropfens aus Verengungen des Querschnittes der Höhlung, die daa hohle Teil bildet, bestehen und in der Mitte zwischen zwei Tropfenstellungen oder zu beiden Selten sieh befinden.

13. Relais nach den vorstehenden Ansprüchen, daduroh gekennzeichnet, dass in jeder Tropfenstellung ein Einzelkontakt vorgesehen ist.

14. Relais naoh Anspruch 13, daduroh gekennzeichnet, dass zwei Xontakte in jeder Tropfensteilung vorhanden sind, wobei jeder an der Stelle der Verengung der Höhlung angebracht ist.

15· Relais nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der der gemeinsamen Schicht gegenüberliegenden Kontakte sieh in der Bewegungsrichtung des Tropfens aus einer leitenden Flüssig« kelt überlappen.

16. Relais nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweit· Tropfan in einer anderen HBhlung lagert, die an jedem Ende durch eine Zwisehenverbindung mit den Enden der ersten Höhlung verbunden 1st.

17· Relais nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es aus zwei flachen, isolierenden Substraten, 41· aua Glas bestehen ketonen, gebildet 1·%« webei das erste Substrat die gemeinsame Schicht, das zweite «1· HBhlun· gen und die Kontaktelektroden enthält und beide miteinander entsprechend verbunden werden, «sen dl· Tropfen

009840/1881

BAD ORIG^AL

J.C. Greenwood · 5 - 21 *

aus einer leitenden Flüssigkeit und in die nooh freien Räume ein inertes und elektrisch Isolierendes Gas eingefüllt sind.

18. Relais naoh Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet« dass die Höhlungen Verengungen oder Einbuchtungen des Querschnittes an den mit Elektroden versehenen Stellen zum Einriegeln der Tropfen aufweisen.

19« Relais naoh einem der vorhergehenden Ansprüche« da durch gekennzeichnet« dass die leitende Flüssigkeit aus Quecksilber, Gallium« Indium« einem alkalischen Metall« z.B. einer Natrium/kalium-Verblndung« einer ionisierten Flüssigkeit oder einem Queekallberamalgan bestehen kann.

20. Relais nach den Ansprüchen 6 bis 19, dadurch gekenn* zeichnet« dass die gemeinsame Schicht aus dielektrischem Material, z.B. aus Siliziumnitrid, Aluminiumoxyd oder Tantaloayd und die entsprechenden anderen Schichten dann aus Aluminium oder Tantal bestehen körinen.