一種基于電潤濕驅動的單刀多擲開關器件及其制備方法與流程

本發明屬于信號電路及開關領域，涉及基于電潤濕原理的微流控技術，具體涉及一種利用電潤濕原理驅動液態金屬液滴并利用液態金屬的導電性控制電路開關的開關器件及其制備方法。

背景技術：

近些年來，信號電路在如物聯網、通訊系統等領域得到飛速發展。信號開關作為信號電路的控制部件也備受矚目，常用信號開關主要包含晶體管開關和微機械開關兩大類。晶體管開關雖開關速度快，但存在導通電阻大、斷開電阻小、適用功率小等缺點；而微機械開關雖然導通電阻小、斷開電阻大，但存在開關速度慢、機械損耗大、接觸電阻大等缺點。

利用液體金屬制作信號開關的思路近來被廣泛關注，但現有驅動液態金屬作為開關的器件大都存在速度慢、驅動電壓大、單個液滴控制回路少等問題。為此，在低電壓條件下驅動液態金屬制備高速單刀多擲開關變得極為有意義。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種單刀多擲開關，通過電潤濕效應控制液態金屬液滴的位置，進而控制信號電路的通斷。

為達到上述目的，本發明提供了一種基于電潤濕驅動的單刀多擲開關器件，其包括：下極板，及，設置在下極板上的液滴；所述的下極板由襯底、驅動電極層、介質層、信號電極層自下到上依次設置構成；所述的驅動電極層由圓心位于同一個圓周上的若干圓形驅動電極組成，該圓形驅動電極兩兩之間電氣隔離；所述的信號電極層包含若干信號電極，所述的信號電極兩兩之間電氣隔離；所述的圓形驅動電極的外側與且僅與一個信號電極重疊。

該“重疊”是指圓形驅動電極與其正上方對應的信號電極，在俯視角度上有一定區域的重疊，進而確保當液滴在某個驅動電極的作用下移動至其上方時，可以跨接該驅動電極對應的信號電極，而跨接位置就是驅動電極與信號電極的重疊區域。

上述圓形驅動電極的圓心均勻分布在同一個圓周上的目的在于能使得任意兩個相鄰圓形驅動電極間的距離及相對位置都是一致的，進而使得該開關器件對各路信號的開關延遲時間一致。

所述的液滴位于信號電極層上，且與信號電極層接觸。

所述的驅動電極層由中心信號電極與環狀分布在其周圍的若干周邊信號電極構成。當液滴位于信號電極層中的中心信號電極的正上方時，周邊信號電極呈斷開狀態；當液滴同時與中心信號電極及任意一個周邊信號電極接觸時，該周邊信號電極通過液滴與中心信號電極跨接，呈導通狀態。

上述“環狀分布”是指將周邊信號電極分布在以中心信號電極為中心的圓環上，由此則各周邊信號電極與中心信號電極的距離相等，再考慮到信號電極與驅動電極的相對位置關系，可保證任意一組驅動電極與其上方對應的周邊信號電極在器件結構上是等效的，進而使得任意兩路信號電極的開關特性是一致的

所述信號電極的形狀、大小以及其與驅動電極的相對位置并不嚴格限定，以實現其功能為設計準則，但應保證液滴在電潤濕作用下移動至對應驅動電極上方時能夠有效跨接中心信號電極與該驅動電極對應的信號電極。

所述液滴是指能夠用于電潤濕原理驅動的液態金屬液滴，其成分并不限定，可以是汞、銦鎵合金、銦鎵錫合金等液態金屬或合金。

液滴的大小應與單個圓形驅動電極的尺寸相一致，以保證每次僅一個信號電極導通，避免誤觸。

上述的開關器件中，所述的信號電極指的是信號電路中的天線、導線或電極等需要被安置開關器件的部分。該信號電極通過液滴與中心信號電極跨接時為導通工作狀態，沒有通過液滴與中心信號電極跨接時為斷開狀態。

上述的開關器件中，當液滴在相鄰驅動電極間切換時，僅邊緣處在電潤濕作用下發生移動，液滴整體移動距離很小，進而提高了其切換速度。

上述的開關器件中，驅動電極和信號電極均可以是平面電極也可以是立體電極，以實現其功能為準則。

上述的開關器件中，所述的襯底采用絕緣材料。

上述的開關器件中，所述的介質層材料選擇具有一定介電常數與抗擊穿能力的不導電物質，優選介電常數高且抗擊穿能力強的物質，包括但不限于脂環族環氧樹脂CEP、SU-8、五氧化二鉭、二氧化硅等。

本發明還提供了一種基于電潤濕驅動的單刀多擲開關的制備方法，該方法包含：

步驟1，制備下極板：在襯底表面依次制備包含若干驅動電極的驅動電極層、介質層、包含若干信號電極的信號電極層；

步驟2，將液滴放置在信號電極中心信號電極上方，形成所述的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關。

本發明提供的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關器件具有如下優勢：

A）克服了傳統的二極管開關或微機械開關的如制備困難、磨損損耗等問題；

B）使用電潤濕原理驅動液滴移動，所需電壓及能耗小；

C）相鄰分布的圓形驅動電極使得液滴的切換移動距離變短，切換速度變快，且通道數越多，速度越快；

D）可通過設計驅動電極、信號電極及二者相對位置等方法對開關效果實現調控，簡單又易行。

附圖說明

圖1為本發明的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關的結構示意圖（剖面圖）。

圖2為本發明的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關的驅動電極與信號電極的結構示意圖（俯視圖）。

具體實施方式

以下結合附圖通過具體實施例對本發明作進一步的描述，這些實施例僅用于說明本發明，并不是對本發明保護范圍的限制。

本發明提供的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關，是通過電極設計和驅動信號控制來實現的，因此可以有多種配置方式，可以根據參數要求及使用目的進行個性化設計。

本發明的原理性結構示意圖（縱向剖面圖）如圖1所示。在絕緣的襯底104上為本發明的驅動電極層103，驅動電極層103可包含若干驅動電極1031-1036，兩兩之間電氣隔離。驅動電極層103表面覆蓋介質層102，介質層102上方制備信號電極層101。

用作襯底104的材料并不固定，只要絕緣即可；而驅動電極層103原則上可以由任何導電材料組成，但為了簡化芯片制作工藝，優選為與信號電極層101一致的材料；所有電極的大小、間隔及個數并不限定，本說明書僅以一定數目及規格的電極為例；文末附圖只為原理性示意圖，并不精確反應電極的位置及排布。

本發明的電極配置原理示意如圖2所示，電潤濕驅動電極1031、1032和1033上方分別與信號電極1011、1012和1013部分重疊，驅動電極層103和信號電極層101之間通過介質層102隔離。本發明中，每一個圓形驅動電極都是由幾個部分組成的，如電極1032、1034、1035結合中心信號電極1014組成一個圓形驅動電極，該圓形驅動電極的最外側小電極1032的外側邊緣處與信號電極1012在俯視圖上相重疊，以保證金屬液滴覆蓋該圓形驅動電極表面時，可以實現中心信號電極與信號電極1012的跨接導通。

驅動電極1032、1034和1035施加電壓、其余驅動電極接地時，液滴D在電潤濕作用下被驅動至驅動電極1032、1034、1035和中心信號電極1014組成的圓的上方，中心信號電極1014和信號電極1012通過液滴D跨接，處于導通狀態，其他信號電極處于斷開狀態。其他信號電極導通時對應的驅動電極操作以此類推。當驅動電極1034、1035和1036施加電壓、其余驅動電極接地時，液滴D在電潤濕作用下被驅動至中心信號電極1014正上方，中心信號電極不與任何信號電極跨接，所有信號電極均處于斷開狀態。

本發明的單刀多擲開關器件具體實施時，單次加電的驅動電極確實是圓形的，只不過由于各個圓形電極間有重疊部分，因而使用類似七巧板的方式，將驅動電極拆分成各個部分。

應當指出，上述僅為本發明的原理性說明，允許在不影響其功能性的前提下對器件結構及用途進行改進與拓展。

本發明中，所述驅動電極施加電壓是指實施液滴操控時對應電極的電壓被置成不為0以使電潤濕驅動能夠發生。

本發明中，所述接地是指實施液滴操控時對應電極的電壓被置成0或與0足夠接近。

本發明的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關的一種可實施的制備工藝如下：

步驟1，在絕緣的襯底104上采用旋涂、蒸發、濺射等工藝形成金屬薄膜，通過光刻刻蝕或剝離的方法形成驅動電極層103，該驅動電極層由圓心位于同一個圓周上的若干圓形驅動電極組成，該圓形驅動電極兩兩之間電氣隔離；

步驟2，通過旋涂、物理濺射、化學氣相沉積、蒸發等方法制備絕緣介質層102；

步驟3，通過旋涂、蒸發、濺射成膜等方法制備金屬薄膜，通過光刻刻蝕或剝離等方法形成信號電極層101；所述的信號電極層101包含若干信號電極，信號電極兩兩之間電氣隔離；所述的圓形驅動電極的外側與且僅與一個信號電極重疊；

步驟4，通過手工滴加、物理濺射、蒸發、絲網印刷、打印等方式將液態金屬液滴制備到中心信號電極上方。自此，本發明的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關制備完成，將其與其他微流控及信號器件相結合后，采用數字微流控操作方法即可自動化實現信號電路的開關和操縱。

綜上所述，本發明提供的基于電潤濕驅動的單刀多擲開關器件中，相鄰分布的圓形驅動電極使得液滴的切換移動距離變短，切換速度變快，且通道數越多，速度越快。本發明基于電潤濕原理驅動液滴移動，所需電壓及能耗小，移動速度快；可通過設計驅動電極、信號電極及二者相對位置等方法對開關效果實現調控，簡單易行。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。