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Dokumentenidentifikation DE69926110T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001014140
Titel Schalter mit Flüssigkeit in Kapillaren
Anmelder Hewlett-Packard Development Co., L.P., Houston, Tex., US
Erfinder Barth, Phillip W., Portola Valley, California 94028, US;
Field, Leslie A., Portola Valley, California 94028, US;
Donald, David K., California 94306, US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 69926110
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.12.1999
EP-Aktenzeichen 993100619
EP-Offenlegungsdatum 28.06.2000
EP date of grant 13.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G02B 26/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Bewegung einer Blase aus einem Fluid in ein anderes Fluid innerhalb einer Kapillare, und insbesondere auf Schalter für optische Signale, auf Fluidventile, auf Fluidpumpen und auf Flüssigkeitsentgaser.

Blasen in Kapillaren sind in mehreren Hinsichten nützlich. Bei optischen Vorrichtungen besitzen sie einen unterschiedlichen Brechungsindex als eine umliegende Flüssigkeit und können so optische Signale reflektieren oder brechen. Zusätzlich dazu können sie innerhalb von Kapillaren herumbewegt werden, durch Ausnutzen von temperaturabhängigen Oberflächenspannungswirkungen, die dazu neigen, Blasen aus kälteren Regionen in wärmere Regionen zu drängen, durch Ausnutzen geometrischer Wirkungen, die dazu neigen, Blasen aus kleinen Kapillaren in größere Kapillare zu quetschen und durch Ausnutzen von Benetzungswirkungen, die dazu neigen, das Vorhandensein eines ersten Fluids zu favorisieren, das eine Kapillarenwand ohne weiteres benetzt, gegenüber einer Blase eines zweiten Fluids, das dieselbe Wand nicht so gut benetzt.

Kapillar-Vorrichtungen, die die Änderung bei der Oberflächenspannung einer Blase mit der Temperatur nutzen, funktionieren angeblich durch Thermokapillarität, ebenfalls bekannt als die Marangoni-Wirkung (siehe z. B. L. E. Scriven und C. V. Sterling, „The Marangoni Effects", Nature, V 187, Seite 186 (1960)). Ein Beispiel einer neueren Arbeit, die über eine optische Schaltvorrichtung veröffentlicht wurde, die eine Thermokapillarität nutzt, ist Makoto Sato u. a. „Waveguide Optical Switch for 8:1 Standby System of Optical Line Terminals", Dokument WM 16, Technical Digest, OFC '98 Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 22.–27. Februar 1998, San Jose Convention Center, San Jose, Kalifornien, Seiten 194, 195. Die Marangoni-Wirkung wird ebenfalls ausgenutzt, um eine Blasenbewegung zum optischen Schalten zu steuern, bei der Erfindung „TOTAL INTERNAL REFLECTION OPTICAL SWITCHES EMPLOYING THERMAL ACTIVATION", U.S.-Patent Nr. 5,699,462. Bei diesem Patent zeigte das Ausführungsbeispiel, das in 29 in demselben gezeigt ist, in einer Kapillare 304 mit einer verjüngten Breite, dass eine Blase an dem Widerstand 308 erzeugt wird und vor Ort an dem Widerstand durch den Marangoni-Effekt gehalten wird, der der geometrisch induzierten Kraft auf die Blase entgegenwirkt, aufgrund der verjüngten Breite der Kapillare. Wenn das Erwärmen des Widerstands abgeschlossen wird, bewegt sich die Blase von dem Widerstand 308 hin zu dem oberen linken Bereich der Figur entlang der verjüngten Kapillare 304, wo eine Bewegung durch geometrische Kräfte erzeugt wird. Somit hängt die Operation der Vorrichtung in 29 dieses Patents von einer entgegengesetzten Balance zwischen Marangoni-Kräften und geometrie-induzierten Kräften ab.

Es ist aus der Beschreibung der vorliegenden Erfindung offensichtlich, dass Kräfte aufgrund geometrischer Wirkungen viel größer sein können als Kräfte aufgrund des Marangoni-Effekts. Aufgrund der relativen Schwäche des Marangoni-Effekts, muss der geometrische Effekt, der in die Vorrichtung aus 29 des U.S.-Patents Nr. 5,699,462 entworfen ist, um den Marangoni-Effekt auszugleichen, ebenfalls schwach sein, und die Operation dieser Vorrichtung ist relativ langsam und unterliegt einer Störung durch mechanischen Stoß. Es besteht weiterhin ein Bedarf nach einer Mikrofluid-Vorrichtung, die Kräfte großer Größe verwendet, um ein schnelles und stabiles optisches Schalten zu liefern, und die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf.

Blasen sind ebenfalls nützlich als Ventilelemente, um einen Fluidfluß in Kapillaren zu steuern. Eine Blase kann hergestellt sein, um an einer gegebenen Position in einer Kapillare zu verbleiben, durch eine Kombination aus Temperaturwirkungen und geometrischen Wirkungen, die ein lokales Energiepotentialminimum für die Blase erzeugen, und durch Blockieren oder annähernd Blockieren kann die Kapillare dann den Fluss eines umliegenden Fluids behindern. Siehe z. B. John Evans u. a. „Planar Laminar Mixer", Proceedings of the Tenth annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, Nagoya, Japan, 26.–30. Januar, 1997, IEEE Katalog-Nr. 97CH36021, Seiten 96–101. Das Dokument von Evans u. a. lehrt jedoch keine Technik zum Entfernen der Blase aus ihrem lokalen Energiepotentialminimum. Vorrichtungen, die keine entsprechende Blasenentfernung bereitstellen, können unter einer „Dampfverriegelung" leiden, wenn die Blase aus Gas besteht, das aus gelöstem Gas in der Flüssigkeit freigesetzt wird, da eine solche Blase nicht in der Lage ist, zu verschwinden, wenn der Erwärmungswiderstand, der dieselbe erzeugt, abgeschaltet wird. Es besteht weiterhin ein Bedarf nach einer zuverlässigen Technik zum sicheren Begrenzen einer Blase in einem Kanal, und falls erwünscht, zum Freisetzen und Entfernen der Blase aus dem Kanal, auf wiederholbare und effiziente Weise. Wie nachfolgend detailliert ersichtlich ist, lehrt die vorliegende Erfindung eine solche Technik.

Blasen sind ebenfalls nützlich als Pumpelemente in Kapillaren. Eine sich ausdehnende Blase in einer Kapillare oder einer Kammer kann als ein Kolben wirken, der das umgebende Fluid verdrängt und verursacht, dass sich dasselbe in einer Richtung bewegt, die durch die Kapillargeometrie vorgegeben wird. Die selbe Arbeit von John Evans u. a. „Planar Laminary Mixer", auf die oben Bezug genommen wurde, verwendet eine sich abwechselnd ausdehnende und zusammenziehende Blase in einer Kammer als ein Kolbenelement. Wie das Ventil, das in der selben Arbeit beschrieben wird, kann die Kolbenblase unter „Dampfverriegelung" leiden.

Die vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten optischen Schalter.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein optischer Schalter gemäß Anspruch 1 geschaffen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum optischen Schalten gemäß Anspruch 9 geschaffen.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel kann eine Pumpe liefern, die einen Blasenkolben verwendet, der diese Blase nach Wunsch aus der Pumpkammer entfernt.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet die Differenz bei dem Energiepotential, das der Blase in unterschiedlichen Regionen einer Kapillare zugeordnet ist, um die Blase innerhalb einer Region der Kapillare einzufangen, wenn ein solches Einfangen erwünscht ist, und tut dies, während Widerstand gegenüber Störungen bereitgestellt wird, die zu unerwünschten Änderungen des Zustands führen könnten. Die Differenz des Energiepotentials kann geometrie-abhängig und/oder materialien-abhängig sein. Es verwendet ebenfalls die Differenz bei dem Energiepotential, um die Blase aus der Fangstelle nach Wunsch zu entfernen, und tut dies schneller als Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik. Dieses Ausführungsbeispiel ist nützlich zum optischen Schalten, zur Fluidventilbetätigung, zum Fluidpumpen und zur Flüssigkeitsentgasung.

Der Betrieb der bevorzugten Vorrichtung ist wie folgt. Bei einer Kapillare, die ein erstes Fluid enthält, wird eine wandbeschränkte Blase eines zweiten Fluids in eine eingebaute Fangstelle in der Kapillar eingebracht, durch ein Mittel, z. B. durch Kochen einer Flüssigkeit, die das erste Fluid bildet, unter Verwendung eines Heizwiderstands, um eine Blase aus Dampf zu erzeugen, die das zweite Fluid bildet. Blasen können ebenfalls unter Verwendung von elektrischen, chemischen, elektrolytischen, pneumatischen, hydraulischen, optischen, inerten, Ultraschall- und Mikrofluid-Techniken eingebracht werden, was das Einspritzen von Blasen aus einer Quelle (z. B. einer Gasblase aus einer Gasquelle) umfasst. Die Einbringung der Blase erreicht eine erste erwünschte Wirkung, wie z. B. das Schalten eines optischen Strahls oder das Blockieren eines Fluidkanals. Die Blase wird eingefangen, da sie an einem lokalen Energiepotentialminimum innerhalb der Kapillare sitzt, und ein Bewegen derselben würde eine Eingabe von Energie erfordern.

Als nächstes wird die Energie der Blase erhöht, z. B. durch Erhöhen der Leistung, die in einen Heizwiderstand eingegeben wird, um mehr Gas einzubringen, wodurch die Größe der Blase erhöht wird. Wenn die Blase wächst, erhöht sich ihre Energie, und während sie wächst, trifft sie auf eine eingebaute, räumliche Asymmetrie (geometrisch und/oder materiell) bei dem Energiepotential der Kapillare benachbart zu der Fangstelle. Sie neigt dazu, in der Richtung des geringsten Energiepotentials zu wachsen. Ein Wachstum der Blase kann ein zweites gewünschtes Ereignis erreichen, wie z. B. Pumpen des Volumens des ersten Fluids, das durch die Blase verdrängt wird, während ihres Wachstums.

Dann erreicht die wachsende Blase ein metastabiles Energiemaximum und trifft auf eine eingebaute Region eines niedrigen räumlichen Energiepotentials innerhalb der Kapillare. Ein weiteres Wachstum der Blase verursacht, dass dieselbe in die Region des niedrigen räumlichen Energiepotentials eindringt, und die Blase wird positionsmäßig instabil. Auf eine Weise analog zu dem Absaugen von Wasser durch einen Schlauch von einem Hügelteich zu einem niedrigeren Teich aufgrund von Gravitationsenergiepotentialen bewegt sich die Blase aus der Fangstelle und fließt schnell in die Region des niedrigen räumlichen Energiepotentials. Wenn sie sich bewegt, erreicht sie ein drittes erwünschtes Ereignis, wie z. B. das Schalten eines optischen Strahls oder das Freigeben eines Fluidkanals.

Bei einigen Ausführungsbeispielen verlässt die Blase die Fangstelle in einer Richtung, die als abwärts definiert ist, sie drückt einen Teil des ersten Fluids vor sich her abwärts und saugt ein Volumen des ersten Fluids aus einer Richtung, die als aufwärts definiert ist, um das Volumen der Fangstelle zu füllen.

Da das bevorzugte Ausführungsbeispiel eingebaute Asymmetrien des Energiepotentials verwendet, um ein Blaseneinfangen und eine Blasenbewegung zu erreichen, wird es als eine asymmetrische Blasenkammer oder „ABC" (ABC = asymmetric bubble chamber) bezeichnet.

Die nachfolgende Terminologie wird nachfolgend verwendet, um auf die verschiedenen räumlichen Regionen der ABC Bezug zu nehmen.

Das Fangstellenvolumen, in dem die Blase anfänglich gefangen ist wird das „Tor" (Gate) genannt. Die Region des niedrigen räumlichen Energiepotentials, in die die Blase aus dem Tor austritt, wird der „Austritt" (Drain) genannt. Die Region des relativ gesehen höheren Energiepotentials zwischen dem Tor und dem Austritt bildet eine potentielle Barriere und wird die „Barriere" (Barrier) genannt. Die Region, aus der das erste Fluid eintritt, um das Tor wieder zu füllen, nachdem die Blase aus dem Tor in den Austritt ausgetreten ist, wird die „Quelle" (Source) genannt. Bei dem üblichen Betriebsmodus der Vorrichtung, bei dem das erste Fluid aus der Quelle eintritt, ist die Quelle aufwärts von dem Tor, das Tor ist aufwärts von der Barriere und die Barriere ist aufwärts von dem Austritt, wobei „aufwärts" und „abwärts" Bezug auf die übliche Richtung des Flusses des ersten Fluids nehmen.

Die Quelle weist ein Energiepotential für eine wandbeschränkte Blase aus einem zweiten Fluid in dem ersten Fluid auf, genannt das „Quellen-Potential" (Source Potential). Bei einigen Ausführungsbeispielen jedoch, vorausgesetzt, dass ein Fluid die Tor-Region wieder füllen kann, kann die Quelle nicht vorhanden oder verstopft sein. Zum Beispiel kann eine Vorrichtung zwei Barrieren aufweisen und eine derselben kann als die Quelle wirken.

Das Tor weist ein Energiepotential für eine wandbeschränkte Blase aus einem zweiten Fluid in dem ersten Fluid auf, genannt das „Tor-Potential", das geringer ist als das Quellen-Potential.

Die Barriere weist ein Energiepotential für eine wandbeschränkte Blase aus einem zweiten Fluid in dem ersten Fluid auf, genannt das „Barriere-Potential", das höher ist als das Tor-Potential aber niedriger als das Quellen-Potential.

Der Austritt weist ein Energiepotential für eine wandbeschränkte Blase aus einem zweiten Fluid in dem ersten Fluid auf, genannt das „Austritts-Potential", das geringer ist als das Tor-Potential.

Aus der obigen Beschreibung und Beziehungen zwischen den vier Energiepotentialregionen ist offensichtlich, dass das Tor eine Region eines lokalen Energiepotentialminimums aufweist, genannt eine „Potentialmulde".

Mikrofluid-Schalter gemäß dem Stand der Technik verwenden eine Blase in einer Kapillare, die dazu neigt, instabil zu sein, und deren Betriebsgeschwindigkeit dazu neigt, langsam zu sein. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Blase anfänglich in einer Potentialmulde gefangen, kann aber dann eine wesentliche Energiebarriere überwinden und sich schnell aus der Mulde bewegen. Somit ist ein System mit einem Schalter, einem Ventil und einer Pumpe stabil und widerstandsfähig gegen eine unbeabsichtigte Störung durch Erschütterung oder Temperatur, kann aber auch schnell arbeiten.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Pumpe in Zyklen betrieben werden kann, wobei die Geschwindigkeit der Operation durch erstens die Geschwindigkeit eingeschränkt ist, mit der die Blase in das Tor eingebracht werden kann, und zweitens durch die Geschwindigkeit, mit der eine Blase aus dem Tor in den Austritt bewegt werden kann.

Ferner muss diese Operation nicht durch die mechanische Bewegung von Festkörperteilen erreicht werden. Statt dessen sind die Energiepotentiale von Quelle, Tor, Barriere und Austritt definiert durch die Geometrie des Kanals oder durch die Materialzusammensetzung des Kanals plus das erste Fluid plus das zweite Fluid, oder durch eine Kombination aus Geometrie und Materialzusammensetzung. Es wird ermöglicht, dass Blasen eingebracht und vollständig durch fluidische Mittel bewegt werden, die z. B. thermisch durch elektrisches Erwärmen gesteuert werden können.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Kapillare mit einer Flüssigkeit gefüllt, wie z. B. Wasser, und die Wände der Kapillare sind ein hydrophiles Material, wie z. B. Glas. Eine Dampfblase wird in das Tor unter Verwendung eines kleinen elektrischen Widerstands eingebracht, um das Wasser zu kochen. Die Blase ist groß genug, um das Tor im Wesentlichen zu füllen, und ihre Einbringung verursacht ein erstes Schaltereignis. Wenn die Kapillare Teil eines optischen Kreuzpunktschalters ist, wie z. B. von dem, der in dem U.S.-Patent Nr. 5,699,462 beschrieben ist, verursacht das Vorhandensein der Blase ein erstes optisches Schaltereignis. Wenn die Kapillare Teil eines Fluidflusssystems ist, wirkt das Vorhandensein der Blase, um einen Fluidfluß innerhalb der Kapillare zu blockieren, und verursacht so ein erstes fluidisches Schaltereignis. In jedem Fall wirkt das lokale Energiepotentialminimum innerhalb des Tors, um die Blase einzufangen, sogar in Gegenwart von Störungen, wie z. B. mechanischer Beschleunigung oder Flüssigkeitsdruck-Schwankungen. Bei einer solchen hydrophilen Einstellung ist das Tor eine Kammer einer größeren Breite als der benachbarte Quellen- und Barriere-Abschnitt der Kapillare.

Bei einem zweiten Schaltereignis für das selbe Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das System in seinen anfänglichen Zustand zurückbringt, wird das Volumen der Blase erhöht, durch Erhöhen der Heizleistung zu dem Widerstand, so dass sie das Volumen des Tors plus das Volumen der Barriere ausfüllt und beginnt, in das Volumen des Austritts einzudringen. Die vergrößerte Blase wird dann durch Oberflächenspannungskräfte von dem Tor, durch eine benachbarte Schmälerung der Kapillare (die die Barriere bei einer hydrophilen Einstellung ist) und in einen noch breiteren Abschnitt der Kapillare (der den Austritt bei einer hydrophilen Einstellung aufweist) abgesaugt. Gleichzeitig füllt Flüssigkeit das Tor von in Flussrichtung aufwärts durch einen schmalen Abschnitt der Kapillare (das die Quelle bei einer hydrophilen Einstellung ist).

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ausschließlich beispielhaft Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Ansicht ist, die eine Blase in einer Kapillare zeigt, wobei zwei unterschiedliche Radien einer Krümmung an unterschiedlichen freien Oberflächen der Blase vorliegen.

2 eine Querschnittsansicht ist, die Flüssigkeitstropfen auf einer Oberfläche zeigt, die eine gute Oberflächenbenetzung und eine schlechte Oberflächenbenetzung darstellt.

3A eine Querschnittansicht von oben eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Verwendung beim optischen Schalten zeigt.

3B eine Querschnittansicht des Ausführungsbeispiels aus 3A zeigt.

4A und 4B das Ausführungsbeispiel aus 3A und 3B zeigen, wenn eine Blase vorhanden ist.

5 eine schematische Abbildung der Energiepotentiale der verschiedenen Regionen des Ausführungsbeispiels aus 3 und 4 zeigt.

6A bis 6F schematische Draufsichten zeigt, die die Zeitentwicklung einer Schaltaktion des Ausführungsbeispiels aus 3 und 4 zeigen.

7 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, die Kapillarwände umfasst, die fluiphobisch für Fluid 1 sind.

8A eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem die Eigenschaften der Kapillarmaterialien und nicht die Geometrie verwendet werden, um die gewünschten Asymmetrien bei dem Energiepotential zu erzeugen.

8B eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der die Eigenschaften der Kapillarmaterialien verwendet werden, um die gewünschten Asymmetrien bei dem Energiepotential zu erzeugen, und das einen Heizer aufweist.

9A und 9B ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit mehreren Quellen-Kanälen zur Verwendung als thermischen Entgaser für Flüssigkeiten zeigen.

10 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, das den Marangoni-Effekt ausnutzt, um zu steuern, welche von zwei Barrieren als der Ausgangsweg für eine Blase wirkt.

11 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem zwei ABC-Vorrichtungen zusammen platziert werden, um die Schaltübergangsgeschwindigkeiten der abwärts vorgesehenen ABC zu maximieren.

12 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, das keine Quellen-Region aufweist.

13A eine Querschnitt-Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit Regionen, die auf unterschiedlichen Ebenen ausgelegt sind, zeigt.

13B eine Querschnittansicht des Ausführungsbeispiels aus 13A zeigt, entnommen an einer Ebene im rechten Winkel zu der Ebene aus 13A.

14A eine Querschnitt-Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, bei dem keine separate Quellen-Region vorliegt.

14B eine Querschnittansicht entlang der Linie 14B-14B aus 14A eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, bei dem keine separate Quellen-Region vorliegt.

Die Physik einer Blasenbewegung in Kapillaren muss detailliert verständlich sein, um den Operationsmodus der beschriebenen Ausführungsbeispiele zu verstehen. Diese Physik wird nachfolgend vorgelegt.

Eine Kapillare ist als ein Kanal einer geringen Abmessung definiert, in dem Kräfte aufgrund einer Fluidoberflächenspannung und Benetzung, genannt „Kapillarkräfte", vergleichbar mit Kräften aufgrund der Dichte des Fluids in einem Gravitationsfeld oder einem anderen Beschleunigungsfeld sind, oder über dieselben dominieren. Eine „mikrofluidische" Vorrichtung ist eine Vorrichtung geringer linearer Abmessungen, bei der Kapillarkräfte üblicherweise eine wichtige Rolle spielen.

Die Wände einer Kapillare können wirken, um eine Blase aus einem zweiten Fluid innerhalb eines ersten Fluids zu beschränken, und um die Richtungen zu steuern, in der sich die Blase bewegen kann. Das erste und das zweite Fluid können entweder Gas oder Flüssigkeit sein, obwohl das erste und das zweite Fluid nicht gleichzeitig Gas sein können, da eine Mischung aus zwei Gasen kleine Blasenoberfläche zwischen den zwei Gasen beibehalten kann. Das erste Fluid und das zweite Fluid können die selbe Substanz in unterschiedlicher physikalischer Form sein, z. B. kann das erste Fluid flüssiges Wasser sein, während die zweite Flüssigkeit Wasserdampf ist.

Eine Blase innerhalb einer Kapillare wird als „wandbeschränkt" bezeichnet, wenn sie groß genug ist, um die Wände der Kapillare an zwei im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten zu berühren. Zum Beispiel kann in einem Extremfall die Kapillare eine lange Röhre eines kreisförmigen Querschnitts sein. Eine Luftblase in Wasser, die die Röhrenwände um ihren gesamten Umfang berührt, während sie frei ist, sich entlang der Länge der Röhre zu bewegen, ist wandbeschränkt. Wenn die Blase so klein wird, dass sie die Kapillarwände entlang von weniger als 180 Winkelgrad ihres Umfangs berührt, dann ist dieselbe nicht mehr wandbeschränkt.

In einem anderen Extremfall kann die Kapillare zwei annähernd parallele Glasplatten umfassen. Das erste Fluid kann Wasser sein und die wandbeschränkte Blase kann eine abgeflachte Scheibe aus Luft innerhalb des Wassers zwischen den zwei Platten sein. Die Blase ist frei, um sich in zwei Dimensionen zwischen den Platten zu bewegen. Wenn die Blase so klein wird, dass sie nur eine der Platten berührt, dann ist dieselbe nicht mehr wandbeschränkt.

Zwischen den obigen zwei Extremfällen sind Kapillaren von vielen Querschnittformen, wie z. B. jene eines quadratischen oder rechteckigen Querschnitts. Eine Blase in einer solchen Kapillare ist wandbeschränkt, wenn weniger als 180 zusammenhängende Winkelgrade ihres Querschnittumfangs frei von einem Kontakt mit den Kapillarwänden sind.

Der Ausdruck „wandbeschränkt" wurde vorangehend in der Hochenergie-Plasmaphysik verwendet, aber beschreibt in diesem Feld ein unterschiedliches Konzept. Das Konzept der Wandbeschränkung einer Blase in einer Kapillare, das hierin vorgelegt wird, wurde im Verlauf des Beschreibens der bevorzugten Ausführungsbeispiele entwickelt. Jene Abschnitte einer Blase in einer Kapillare, die nicht in Kontakt mit den Kapillarwänden sind, werden die „freien Oberflächen" der Blase genannt. Jene Abschnitte der Blase, die in Kontakt mit Festkörperwänden sind, werden „begrenzte Oberflächen" der Blase genannt.

Wenn eine wandbeschränkte Blase einen Zustand antrifft, in dem sie nicht mehr länger frei ist, sich in einer beliebigen Richtung in der Kapillare zu bewegen, wird sie als „gefangen" bezeichnet, und das Volumen der Kapillare, in der die Blase gefangen ist, wird eine „Fangstelle" genannt. Eine gefangene Blase kann nichtsdestotrotz freie Oberflächen aufweisen.

Zwischen einer Fluidblase, wie z. B. einer Gasblase, und ihrer Fluidumgebung, wie z. B. einer Flüssigkeit, besteht eine schnittstellenmäßige Oberfläche, die durch einen Krümmungsradius r und eine Oberflächenspannung &sgr;(T) gekennzeichnet sein kann, wobei T die Temperatur ist und &sgr; somit eine Funktion der Temperatur T ist. Über diese Oberfläche existiert eine Druckdifferenz, gegeben durch P = 2&sgr;(T)/r (siehe z. B. Physical Chemistry, Walter J. Moore, vierte Ausgabe, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, Seite 478).

Die Blasenoberfläche kann durch Variieren von einem oder mehreren aus der Druckdifferenz, der Oberflächenspannung, des Oberflächenkrümmungsradius und den Benetzungseigenschaften der Kapillarwände manipuliert werden.

Gute Benetzung und schlechte Benetzung können im Hinblick auf Gleichgewichts-Kontaktwinkel von einem Fluid gegen eine Oberfläche quantifiziert werden. Zum Beispiel weist ein Wassertropfen in Luft, der eine saubere Siliziumdioxidglasplatte kontaktiert, einen sehr niedrigen Gleichgewichts-Kontaktwinkel, genommen innerhalb des Wassers auf, und die Glasoberfläche wird als gut benetzt bezeichnet. Der Kontaktwinkel jedoch, der innerhalb der Luft genommen wird, ist groß und somit wird die Luft derart betrachtet, dass sie im Vergleich mit Wasser schlecht „benetzt". Andererseits weist ein Tropfen Quecksilber in Luft, der auf einer sauberen Glasplatte ruht, einen sehr hohen Gleichgewichtskontaktwinkel auf, genommen innerhalb des Quecksilbertröpfchens. Die Glasoberfläche wird als schlecht durch das Quecksilber benetzt bezeichnet und die Luft wird derart betrachtet, dass sie im Vergleich zu dem Quecksilber gut benetzt.

Für wässrige Flüssigkeiten wird eine gute Benetzung als Hydrophilie bezeichnet und ist gekennzeichnet durch einen Gleichgewichtskontaktwinkel von weniger als 90°; das benetzte Material wird als hydrophil beschrieben. Auf ähnliche Weise wird eine schlechte Benetzung Hydrophilie genannt und ist durch einen Gleichgewichtskontaktwinkel von mehr als 90° gekennzeichnet; das benetzte Material wird als hydrophob beschrieben. Die Ausdrücke hydrophil und hydrophob können verallgemeinert werden auf „fluiphil" und „fluiphob", um den Gleichgewichtskontaktwinkel zu beschreiben, der in einem Fluid genommen wird, wo dasselbe ein zweites nicht-mischbares Fluid an einer Festkörperwand trifft.

Wenn eine Blasenoberfläche eine Wand eines Festkörpermaterials schneidet, hängen die Gleichgewichtskontaktwinkel von den Benetzungseigenschaften dieser Wand ab, sowohl für das Fluid, das die Blase umgibt, das der Einfachheit halber „Fluid 1" genannt wird, als auch das Fluid innerhalb der Blase, das „Fluid 2" genannt werden kann. Wenn der Winkel, der z. B. innerhalb von Fluid 1 genommen wird, größer oder geringer wird als der Gleichgewichtskontaktwinkel, neigt die Blase dazu, sich zu bewegen und einen „zunehmenden Kontaktwinkel" oder einen „abnehmenden Kontaktwinkel" aufzuweisen.

Die Druckdifferenz über die Oberfläche einer Blase ist umgekehrt proportional zu dem Krümmungsradius dieser Oberfläche. Als Beispiel der Größe der Druckdifferenz erzeugt kochendes Wasser Blasen bei Temperaturen von ungefähr 100°C und darüber. Für Wasser bei 100°C ist die Oberflächenspannung einer Luftblase gleich 59 MilliNewton pro Meter (mN/m). Wenn eine Luftblase in diesem Wasser einen Radius von 25 Mikrometern (25 &mgr;m) aufweist, dann ist ihr Innendruck relativ zu dem äußeren Wasser gleich P = 2 (59 mN/M)/25 &mgr;m) = 4,72 Kilopascal (kPa), gleich dem Druck, der durch eine Wassersäule einer Höhe von ungefähr 18 Zoll (46 cm) ausgeübt wird. Wenn der Radius der Blase auf 12,5 &mgr;m halbiert wird, dann verdoppelt sich der Innendruck auf 9,44 kPa.

Die Druckdifferenz hängt ebenfalls direkt von der Oberflächenspannung der Blase ab, und diese Oberflächenspannung variiert mit der Temperatur. Zum Beispiel erhöht sich die Oberflächenspannung von flüssigem Wasser in Luft um ungefähr 22%, wenn die Temperatur von 0°C zu 100°C variiert, oder 0,22% pro Grad C.

Aus dem obigen Beispiel von Luftblasen in Wasser ist ersichtlich, dass sogar für eine relativ große Temperaturänderung die Änderung bei dem Druck aufgrund der Temperaturabhängigkeit von der Oberflächenspannung klein sein kann, relativ zu Druckänderungen aufgrund eines Änderns des Krümmungsradius. Ein Steuern des Krümmungsradius ist somit ein relativ leistungsstarker Mechanismus zum Steuern einer Blase und wird bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt.

Wie jedes Fluid neigen Blasen dazu, von einer Region mit höherem Energiepotential zu einer Region mit niedrigerem Energiepotential zu fließen. Um dieses Konzept zu verstehen, ist es notwendig, ein wenig über Energie und Energiepotential zu verstehen.

Die Einbringung einer Blase in eine Kapillare umfasst das Verdrängen eines Abschnitts eines ersten Fluids und das Ersetzen desselben durch ein Volumen eines zweiten Fluids, wobei z. B. das erste Fluid Wasser sein kann und das zweite Fluid Dampf sein kann, der durch die Erzeugung von kochendem Wasser eingebracht wird. Ein Einbringen einer wandbeschränkten Blase in eine Kapillare erfordert mehr Energie als das Einbringen des selben Blasenvolumens, wenn dasselbe nicht wandbeschränkt ist.

Die minimale Energie, die zum Einbringen einer wandbeschränkten Blase eines gegebenen Volumens in einen gegebenen Abschnitt einer Vorrichtung erforderlich ist, wird durch das räumlich abhängige Energiepotential bestimmt, hierin genannt das „Energiepotential" oder einfacher das „Potential" dieses Teils der Vorrichtung. Zum Beispiel kann es bei einem gegebenen Teil einer Kapillare notwendig sein, x Joule Energie pro Kubikzentimeter Blasenvolumen zu liefern, um eine Blase einzubringen. Die Menge x ist das Energiepotential. Wenn eine Blase innerhalb dieser Region ein Volumen von y Kubikzentimetern aufweist, dann ist die Energie, die zum Einbringen der Blase erforderlich ist, nur x multipliziert Mal y und ist gegeben in Joule.

Es sei angenommen, dass an einer benachbarten aber unterschiedlichen Position innerhalb der selben Kapillare das Energiepotential einen Wert von z Joule Energie pro Kubikzentimeter Blasenvolumen aufweist. Dann ist z. B. für das selbe Blasenvolumen y die Blasenenergie in dieser zweiten Region z multipliziert Mal y und ist wiederum gegeben in Joule. Wenn z kleiner ist als x, dann ist bevorzugt, dass die Blase an der zweiten Position und nicht der ersten ist, da ihre Gesamtenergie in der zweiten Position geringer ist als der ersten. Somit ist ersichtlich, dass die Blase die Region des niedrigsten Energiepotentials sucht.

Die Energie, die innerhalb einer Blase aufgrund des Drucks enthalten ist, ist nur der Innendruck der Blase im Hinblick auf ihre Umgebung multipliziert mit dem Volumen der Blase. Somit ist der Druck ein Maß des Energiepotentials und dieser Typ des Energiepotentials kann ein „Druckenergiepotential" genannt werden. Andere Faktoren, wie z. B. Gravitation und Temperatur, können ihre eigenen Energiepotentiale beitragen.

Das Energiepotential einer Region für eine wandbeschränkte Blase in einem Fluid kann sowohl durch Geometrie als auch durch Temperatur beeinflusst werden. Zum Beispiel, für eine Gasblase innerhalb einer Flüssigkeit, die fluiphil für die Kapillarwände ist, weisen schmale Kapillaren ein höheres Energiepotential auf als breitere Kapillaren, und kühlere Regionen weisen ein höheres Energiepotential auf als wärmere Regionen.

Die Druckdifferenz zwischen zwei Fluiden über die Schnittstellenoberfläche einer Fluidblase ist umgekehrt proportional zu dem Krümmungsradius der freien Oberfläche der Blase. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Beziehung in einem Kapillarsystem. Für eine wandbeschränkte Blase eines zweiten Fluids innerhalb eines ersten Fluids, wo die Blase zwei freie Oberflächenenden in einer Kapillare mit nichtkonstantem Querschnitt aufweist, können die Krümmungsradien an den zwei freien Enden der Blase unterschiedlich sein. Diese Differenz bei den Radien entspricht einer Druckdifferenz zwischen den zwei Regionen des ersten Fluids, die durch die Blase getrennt sind, und diese Druckdifferenz kann entweder die Blase bewegen oder sie vor Ort gegen einen angewandten Druck halten, nach Wunsch.

1 stellt diese Prinzipien dar, ist aber kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Figur ist ein Querschnitt durch eine Kapillare einer variablen Breite, die eine wandbeschränkte Blase eines zweiten Fluids in einem ersten Fluid aufweist, das ohne weiteres die Wände der Kapillare benetzt. Die Blase neigt dazu, von dem schmalen Abschnitt der Kapillare zu dem breiteren Abschnitt der Kapillare zu fließen, außer ein externer Druck wird auf den breiten Abschnitt der Kapillare ausgeübt, um die Blase in den schmalen Abschnitt zu zwingen.

Die Physik, die die Kräfte auf solche wandbeschränkten Blasen in Kapillaren beschreibt, ist wie folgt.

Für einen Punkt auf einer freien Oberfläche einer Blase ist es möglich, einen lokalen Krümmungsradius im Hinblick auf zwei prinzipielle Krümmungsradien zu definieren: einen maximalen lokalen Krümmungsradius rmax. genommen entlang einer Richtung an diesem Punkt, und einen minimalen lokalen Krümmungsradius rmin, genommen entlang einer Richtung senkrecht zu der Richtung von rmax. Die Größe des lokalen Krümmungsradius rlokal ergibt sich dann aus der Gl. 1/rlokal = (1/rmax + 1/rmin)/2Gl. 1

Für eine wandbeschränkte Blase eines zweiten Fluids in Ruhe innerhalb eines ersten Fluids weist jede freie Oberfläche der Blase einen charakteristischen Krümmungsradius auf, der durch die Oberflächenspannung &sgr; der Schnittstelle zwischen den zwei Fluiden, durch die Abmessungen der Kapillare und durch die Wandbenetzungscharakteristika des Dualfluidsystems definiert wird. Dieser charakteristische Radius wird der „Gleichgewichts-Freioberflächen-Radius" rf,e genannt.

Der Gleichgewichts-Freioberflächen-Radius rf,e unterscheidet sich konzeptionell von dem bekannten „effektiven hydraulischen Radius" rh,eff einer Kapillare. Der effektive hydraulische Radius ist der Radius einer hypothetischen Kapillare mit einem kreisförmigen Querschnitt, die den selben Widerstand gegen einen Fluidfluss aufweist wie eine tatsächliche betrachtete Kapillare. Somit bezieht sich der effektive hydraulische Radius auf den Widerstand der Kapillare gegen den Fluidfluß und ist eine Eigenschaft von ausschließlich der Kapillargeometrie. Der Gleichgewichts-Freioberflächen-Radius im Gegensatz dazu ist eine Eigenschaft der Kapillargeometrie plus die Eigenschaften von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Fluid, plus die Materialeigenschaften der Kapillarwände. Der Gleichgewichts-Freioberflächen-Radius betrifft nicht den Widerstand gegen den Fluidfluß, sondern betrifft die Form, die eine Blasenoberfläche in Ruhe an einer bestimmten Position annehmen würde.

Der Klarheit halber vereinfacht die Erörterung, einen lokalen rf,e nur auf eine lokale Kapillargeometrie zu beziehen, und diese vereinfachte Route wird in einem Großteil der nachfolgenden Erörterung genommen, wobei verständlich ist, dass die zugrunde liegende Beziehung komplexer sein kann. Wenn der Gleichgewichts-Benetzungswinkel des ersten Fluids gegen die Kapillarwände Null an der Schnittstelle zwischen dem ersten Fluid und der Blase ist, dann wird rf,e nur durch die Geometrie der Kapillare bestimmt. In diesem Fall, für eine Kapillare mit rechteckigem Querschnitt einer Breite w und Höhe h, gilt 1/rf,e = {1/(w/2) + 1/(h/2)}/2 = (1/w + 1/h)Gl. 2

Die Druckdifferenz &Dgr;P über die Blasenwand ist dann gleich &Dgr;Pf,e = 2&sgr;/rf,e = 2&sgr;(1/w + 1/h)Gl. 3

Der obige &Dgr;Pf,e wird der „Gleichgewichts-Freioberflächen-Differenzdruck" genannt, ein Ausdruck der neu entwickelt wurde, um den Betriebsmodus der bevorzugten Ausführungsbeispiele zu beschreiben. Die Druckdifferenz &Dgr;Pf,e ist ebenfalls die Druckdifferenz zwischen dem Blasendruck Pblase (Blase = Bubble) und dem benachbarten Druck für das erste Fluid Pf1: &Dgr;Pf,e = Pblase – Pf1 = 2&sgr;/rf,eGl. 4

In 1 liegt ein erstes Fluid (Fluid 1) in einer Kapillare 100 vor, definiert durch Wände 102 und 104, die senkrecht zu der Ebene der Querschnittszeichnung sind, und durch zwei andere Wände parallel zu der Ebene der Querschnittzeichnung. 1 ist in zwei Regionen 106 und 108 unterteilt. Ein zweites Fluid (Fluid 2) ist unmischbar in Fluid 1 und bildet eine Blase 110 mit freien Oberflächen 112 und 114 und mit begrenzten Oberflächen 116 und 118. Oberflächen 112 und 114 weisen unterschiedliche Gleichgewichts-Freioberflächen-Radien rf,e auf. Fluid 1 kann eine Flüssigkeit sein, wohingegen Fluid 2 ein Gas sein kann (z. B. eine Luftblase in Wasser), aber andere Anordnungen sind möglich (z. B. kann Fluid 2 flüssiges Quecksilber sein, das eine Blase enthalten kann, wohingegen Fluid 1 Luft sein kann). Zu Zwecken der Darstellung zeigt 1 einen Gleichgewichts-Benetzungswinkel von Null für Fluid 1, wo es die Kapillarwände an Positionen 120, 122, 124 und 126 berührt.

In 1 weist Region 106 einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite w1, bezeichnet durch die Abmessungslinie 128, und eine Höhe h senkrecht zu der Ebene der Seite auf. Fluid 1 in Region 106 weist einen Druck von Pf1 auf und der Druck über die freie Oberfläche 112 zwischen Fluid 1 und Fluid 2 ist &Dgr;P1 = Pblase – Pf1 = 2&sgr;/r1Gl. 5 wobei r1 der Gleichgewichts-Freioberflächen-Radius (rf,e) der freien Oberfläche 112 ist und definiert wird durch die Beziehung 1/r1 = 1/w1 + 1/hGl. 6 so dass &Dgr;P1 folgendermaßen ausgedrückt wird: &Dgr;P1 = Pblase – Pf1 = 2&sgr;/r1 = 2&sgr;(1/w1 + 1/h)Gl. 7

Ebenfalls in 1 weist Region 108 einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite w2, bezeichnet durch die Abmessungslinie 130, und eine Höhe h senkrecht zu der Ebene der Seite auf, die gleich der Höhe der Region 106 ist. Fluid 1 in Region 108 weist einen Druck Pf2 auf. Die Druckdifferenz über die freie Oberfläche 114 ist &Dgr;P2 = Pblase – Pf2 = 2&sgr;(1/w2 + 1/h)Gl. 8

Für eine einheitliche Temperatur und wenn sich die Blase nicht bewegt, ist die Druckdifferenz zwischen den Regionen 106 und 108 dann gleich: &Dgr;Pf1 – &Dgr;Pf2 = 2&sgr;(1/w1 – 1/w2)Gl. 9

Somit beeinflusst für eine rechteckige Kapillare mit einheitlicher Höhe aber variabler Breite die Kapillarhöhe die Druckdifferenz zwischen den zwei Regionen 106 und 108 nicht.

Das Vorangehende stellt dar, dass, angenommen, es besteht keine Differenz bei der Temperatur und keine Bewegung, ein Druck existiert, um die Blase aus einem kleineren Kanal in einen größeren Kanal zu drängen, mit dem der kleinere Kanal verbunden ist. Ein solcher Druck neigt ebenfalls dazu, zu verhindern, dass die Blase in eine schmalere Kapillare aus einer breiteren Kapillare geht.

Nicht alle Fluide benetzen die Wände einer Kapillare gut. 2 stellt Fälle einer guten Benetzung und schlechten Benetzung für zwei Fluide auf einer Oberfläche dar. Auf der Oberfläche eines Materials 200 sind Fluidvolumen 202 und 204 platziert. Üblicherweise können solche Fluidvolumen in einer umliegenden Umgebung aus Luft flüssig sein, aber sie können ebenfalls in einer umliegenden Umgebung aus Flüssigkeit oder Gas in einer umliegenden Umgebung aus Flüssigkeit flüssig sein. Zum Zweck der Erörterung sei angenommen, dass die Volumen 202 und 204 Tropfen aus Flüssigkeit in Luft sind. Der Tropfen 202 ist gekennzeichnet durch einen Gleichgewichts-Kontaktwinkel &thgr;e, bezeichnet als Merkmal 206 und genommen innerhalb des Tröpfchens an der Position, wo es die Oberfläche des Materials 200 trifft; da dieser Winkel geringer ist als 90°, wird die Oberfläche des Materials 200 angeblich durch den Tropfen 202 gut benetzt. Der Tropfen 204 andererseits ist durch einen Gleichgewichtskontaktwinkel &thgr;e gekennzeichnet, bezeichnet als Merkmal 208 und genommen innerhalb des Tropfens; da dieser Winkel größer ist als 90°, wird die Oberfläche des Materials 200 als durch den Tropfen 204 schlecht benetzt bezeichnet.

Für die Beschreibungen unten beziehen sich die allgemeinen Ausdrücke „fluiphil" und „fluiphob" auf den Gleichgewichts-Benetzungswinkel, der in dem Fluid 1 genommen wird, wo es die Kapillarwand an einer Blasenoberfläche mit Fluid 2 trifft. Die Kapillarwand wird fluiphil genannt, wenn der Gleichgewichtskontaktwinkel, der in Fluid 1 genommen wird, geringer als 90° ist und wird fluiphob genannt, wenn der Gleichgewichtskontaktwinkel, der in Fluid 1 genommen wird, größer als 90° ist.

Die vorliegende Erfindung verwendet geometriebezogene Energiepotentiale großer Größe und nicht die temperaturbezogenen Energiepotential geringer Größe, die bei Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik verwendet werden. Als ein Beispiel der Größe von Energiepotentialen in einem fluiphilen (und hydrophilen) System wird Wasser bei 100°C in einer Glaskapillare eines kreisförmigen Querschnitts mit einem Radius von 25 &mgr;m und mit ausgezeichnet hydrophilen Wänden betrachtet. Eine wandbeschränkte Luftblase in dieser Kapillare weist einen Krümmungsradius von 25 &mgr;m auf, und wie oben berechnet, weist dieselbe einen Innendruck von 4,72 Kilopascal (kPa) höher als das umliegende Wasser auf.

Wenn ein Versuch unternommen wird, diese Blase mit einem Radius von 25 &mgr;m in eine Kapillare eines kreisförmigen Querschnitts von 5 &mgr;m im Radius mit ausgezeichnet hydrophilen Wänden zu quetschen, dann muss sich der Gleichgewichts-Freioberflächen-Radius (rf,e) auf 5 &mgr;m verringern und ihr Innendruck muss um einen Faktor von 5 auf 23,6 kPa erhöht werden, gleich dem Druck, der durch eine Wassersäule mit 90 Zoll (230 cm) ausgeübt wird, ungefähr ein Viertel des atmosphärischen Drucks. Die Differenz bei den Krümmungsradien an den zwei Enden der Blase, wenn dieselbe in die Kapillare mit 5 &mgr;m Radius gequetscht wird, erzeugt eine Widerstandsdruckdifferenz von &Dgr;P = (23,6 kPa – 4,72 kPa) = 18,9 kPa, 400% so groß wie der Originaldruck innerhalb der Blase mit einem Radius von 25 &mgr;m.

Im Gegensatz dazu kann die Größe der Druckdifferenzen aufgrund der Änderung der Oberflächenspannung von Wasser bei atmosphärischem Druck nie mehr als 22% sein, da die Oberflächenspannung von Wasser sich nur 22% von Gefrieren zu Kochen verringert. Diese Änderung bei der Oberflächenspannung ist verantwortlich für den Marangoni-Effekt, wie aus Gl. 4 oben ersichtlich ist. In der Praxis ist es schwierig, eine Temperaturdifferenz von mehr als 10°C über eine kleine Blase beizubehalten, da die thermische Leitfähigkeit dazu neigt, die Temperatur über die Blase auszugleichen, und so ist es schwierig, eine Druckdifferenz von mehr als 2,2% unter Verwendung des Marangoni-Effekts zu erzeugen.

Somit liefert das Verwenden von geometriebezogenen Energiepotentialen Vorteile im Bereich von (400%/2,2%) 18,000% bei Druck, Kraft und Geschwindigkeit gegenüber bekannten Techniken der Blasensteuerung, die alleine auf dem Marangoni-Effekt basieren oder auf dem Entgegentreten des Marangoni-Effekts gegen einen geometrischen Effekt basieren. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele nutzen diese geometrischen Effekte plus Benetzungseffekte, um ein Blaseneinfangen und eine schnelle Blasenbewegung zu erreichen, wie in 36 dargestellt ist.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann zum Steuern einer Blasenbewegung in Verbindung mit einem optischen Schalten der bekannten Erfindung verwendet werden „TOTAL INTERNAL REFLECTION OPTICAL SWITCHES EMPLOYING THERMAL ACTIVATION", U.S.-Patent Nr. 5,699,462. Das Patent 5,699,462 beschreibt die Verwendung von elektrischen Widerständen zum Steuern einer Blasenbewegung entweder in Kapillaren einer einheitlichen Breite oder Kapillaren variierender Abmessungen zu Zwecken des optischen Schaltens. Kurz ausgedrückt, bei einer solchen optischen Schaltvorrichtung weist das Schaltelement einen Übertragungszustand und einen Reflektionszustand auf. In dem Übertragungszustand füllt eine Indexanpassungsflüssigkeit einen Zwischenraum, der an dem Schnittpunkt von zwei optischen Wellenleitern platziert ist, und Licht kann von einem ersten Wellenleitersegment zu einem zweiten Wellenleitersegment über den Zwischenraum fließen. In dem Reflektionszustand verdrängt eine Blase, die in den Zwischenraum eingebracht wird, das Indexanpassungsfluid und erzeugt eine Index-Fehlanpassung in dem Zwischenraum, so dass Licht von dem ersten Wellenleitersegment in ein drittes Wellenleitersegment reflektiert wird und verhindert wird, dass dasselbe von dem ersten Wellenleitersegment zu dem zweiten Wellenleitersegment fließt. In dem Patent 5,699,462 wird eine Blasenbewegung entweder durch den Marangoni-Effekt alleine oder durch Ausgleichen des Marangoni-Effekts gegen geometrische Effekte gesteuert, die notwendigerweise von niedriger Größe sind, um einen solchen Ausgleich zu erreichen.

3A und 3B zeigen ein Ausführungsbeispiel 300 der vorliegenden Erfindung, das zu Zwecken des optischen Schaltens verwendet wird, ähnlich zu dem aus Patent 5,699,462, aber mit den Vorteilen bei Druck-, Kraft-, Geschwindigkeit- und Beschleunigungs-Widerstand des Ausführungsbeispiels, das hierin beschrieben ist, basierend auf dem Ausnutzen von geometriebezogenen Kräften großer Größe. Das Ausführungsbeispiel 300 ist primär zu Zwecken des optischen Schaltens vorgesehen, weist jedoch ebenfalls Fluidventilbetätigungs- und Fluidpump-Charakteristika auf, die vorteilhafte Fähigkeiten der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind.

3A ist eine Querschnittansicht, wie in 3B angezeigt ist, wobei senkrecht auf eine Hauptoberfläche eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung geblickt wird, das zum optischen Schalten verwendet wird, wie bei Patent 5,699,462, und 3B ist eine Querschnittansicht, wie in 3A angezeigt ist, wenn sie parallel zu einer Hauptoberfläche des selben Ausführungsbeispiels betrachtet wird. In 3A und 3B ist nur ein Volumen 302 des Fluids 1 vorhanden und keine Blase des Fluids 2 ist vorhanden.

Material 304 ist der Beschichtungsabschnitt eines planaren optischen Wellenleiterarrays und umfasst die Seitenwände 306 und 308 und eine Abdeckung 310 einer Kapillare 312 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt, während Schicht 314 eine elektrisch isolierende Schicht ist, wie z. B. Silizium-Karbid, die den Boden der Kapillare definiert. Schicht 314 liefert eine elektrische Isolierung gegen einen elektrischen Heizwiderstand 316, der unter der Schicht 314 benachbart zu der Tor-Region sitzt.

Das Material 315 ist ein deformierbares und haftendes Polymer, das das Wellenleiterarraymaterial 304 mit der darunter liegenden Schicht 314 verbindet. Die Schicht 318 unter dem Widerstand 316 ist eine elektrisch isolierende und thermisch isolierende Schicht, wie z. B. Silizium-Dioxid. Das Substrat 320 liefert eine mechanische Unterstützung und kann ein thermisch leitfähiges Material sein, wie z. B. Silizium, um die Geschwindigkeit der Operation der Vorrichtung zu maximieren.

Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Kapillare 312 vier Regionen 321, 323, 325 und 327, bezeichnet durch die Abmessungslinien 322, 324, 326 und 328 über der Zeichnung von 3A.

Die Abmessung 322 bezeichnet die Länge Lquelle der Quellen-Region 321. Die Quellen-Region 321 erstreckt sich aus dem Betrachtungsfeld der Zeichnung und stellt eine Verbindung mit einem Einlassreservoir her, nicht gezeigt, des Fluids 1, wobei das Einlassreservoir vorzugsweise einen niedrigen hydraulischen Widerstand aufweist.

Die Abmessung 324 bezeichnet die Länge Ltor (Tor = Gate) der Tor-Region 323.

Die Abmessung 326 bezeichnet die Länge Lbarriere (Barriere = Barrier) der Barriere-Region 325.

Die Abmessung 328 bezeichnet die Länge Laustritt (Austritt = Drain) der Austritts-Region 327. Die Austritts-Region 327 erstreckt sich aus dem Betrachtungsfeld der Zeichnung und stellt eine Verbindung mit einem Auslassreservoir her, nicht gezeigt, des Fluids 1, wobei das Auslassreservoir vorzugsweise einen niedrigen hydraulischen Widerstand aufweist.

Die Quelle 321 weist eine Breite wquelle (Quelle = Source) auf, bezeichnet durch die Abmessungslinie 330. Das Tor 323 weist eine Breite wtor auf, bezeichnet durch die Abmessungslinie 332. Die Barriere 325 weist eine Breite auf, wbarrier, bezeichnet durch die Abmessungslinie 334. Der bezeichnet durch die Abmessungslinie 334. Der Austritt 327 weist eine Breite waustritt auf, bezeichnet durch die Abmessungslinie 336, und die sich bei diesem Ausführungsbeispiel mit der Distanz von der Barriere erhöht. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Breiten ist gegeben durch wquelle < wbarriere < wtor < waustrittGl. 10

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Einfachheit des Aufbaus halber die Höhe h der Kapillare einheitlich und ist durch die Abmessungslinie 338 in 3B bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Höhe der Kapillare in den verschiedenen Regionen der Kapillare nicht einheitlich sein muss, so lange die Querschnittbereiche der Regionen sich unterscheiden, um zu den gewünschten Differenzen bei den Energiepotentialen zu führen. In dem Fall, in dem die Kapillare mit den Quellen-, Tor-, Barriere- und Austritts-Regionen zum Schalten von optischen Signalen verwendet wird, die sich in einem im Allgemeinen planaren Wellenleiterarray ausbreiten, wird es bevorzugt, dass die Wände der Kapillare, auf die Licht auftritt und aus denen es austritt, flach und senkrecht zu der Ebene sind, in der sich die optischen Signale ausbreiten.

In 3 sind Optikwellenleiter-Kernregionen 340, 342, 344 und 346 und das optische Signal 348 vorhanden. In 3 sind die sich schneidenden Abschnitte der Wellenleiter-Kernregionen 340 und 342 als ein Objekt markiert.

Das optische Signal 348 tritt in die Tor-Region 324 aus der Kernregion 340 ein, quert über die Tor-Region und tritt durch die Kern-Region 346 aus. Wenn das Fluid 1, das das Volumen 302 einnimmt, in seinem Brechungsindex gut an das Material der Wellenleiter-Kernregionen angepasst ist, erleidet das optische Signal wenig Verlust.

4A zeigt dieselbe Ansicht wie 3A des selben Ausführungsbeispiels, aber bei der eine Blase 402 aus Fluid 2 eingebracht wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Fluid 2 Dampf, der durch Kochen von Fluid 1 erzeugt wird, das eine Flüssigkeit ist. Das Kochen wird erreicht durch elektrisches Erwärmen des Widerstands 316. Die elektrischen Verbindungen zu dem Widerstand sind nicht gezeigt, aber für Praktiker der Silizium-Herstellungstechnik offensichtlich.

4B zeigt die Querschnittsansicht, bezeichnet in 4A, und ist dasselbe wie 3B, außer dass die Blase 402 eingebracht wurde. Die Blase liegt auf einem lokalen Minimum der Energie vor, bestimmt durch die Breite wtor der Tor-Region, gegeben in 3A durch die Abmessungslinie 332.

Da die Blase, die in 4 vorliegt, schlecht im Hinblick auf den Brechungsindex an die benachbarten Wellenleiter-Kernregionen 340, 342, 344 und 346 angepasst ist, wird das optische Signal 448 von der Schnittstelle 404 zwischen der Blase 402 und den Wellenleiter-Kernregionen 340 und 342 reflektiert. Im Gegensatz zu dem optischen Signal 348, das durch die Tor-Region verläuft und durch die Wellenleiter-Kernregion 346 austritt, wird das optische Signal 448 reflektiert und tritt durch die Wellenleiter-Kernregion 342 aus. Diese Differenz zwischen den Signalen 348 und 448, aufgrund des Vorhandenseins der Blase 402, wird als das gewünschte erste Schaltereignis dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung betrachtet.

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass zusätzlich zu dem Erreichen des primären Zwecks des optischen Schaltens bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Vorhandensein der Blase 402 wirkt, um den Fluss des Fluids 1 zwischen den Regionen 406 und 408 in 4A zu blockieren. Wenn die Blase 402 vorhanden ist, kann das Fluid 1 nur durch die schmalen Zwischenräume 410, 412, 414 und 416 in 4B fließen. Es ist bekannt, dass der Widerstand gegen den Fluidfluß eines Kanals als die vierte Leistung des effektiven hydraulischen Radius dieses Kanals variiert. Zwischenräume 410, 412, 414 und 416 bilden „Vorbeiblas"-Wege, durch die das Fluid 1 passieren kann, aber diese Wege weisen viel geringere effektive hydraulische Radien auf als die Kapillare, wenn keine Blase vorhanden ist, und der Fluidwiderstand dieser Vorbeiblas-Wege ist sehr hoch, so dass die Blase 402 derart betrachtet werden kann, dass sie einen sehr effektiven Stöpsel bildet. Das gezeigte Ausführungsbeispiel kann somit ebenfalls als ein Fluidventil für einen Fluss zwischen den Regionen 406 und 408 dienen.

Die Ungleichheit von Gl. 10 ist der Schlüssel zu der gewünschten Operation der Vorrichtung bei diesem allgemein fluiphilen Ausführungsbeispiel. Durch Verwenden von Gl. 10 in Verbindung mit Gl. 2 oben wird erkannt, dass rf,e,quelle < rf,e,barriere < rf,e,tor < rf,e,austrittGl. 11

Gl. 11 kann in Verbindung mit Gl. 4 oben verwendet werden, um einen charakteristischen Gleichgewichts-Freioberflächen-Differenzdruck zu berechnen, der erforderlich wäre, um eine wandbeschränkte Blase in jede Region der Vorrichtung aus 3 und 4 einzubringen. &Dgr;Pf,e,quelle > &Dgr;Pf,e,barriere > &Dgr;Pf,e,tor > &Dgr;Pf,e,austrittGl. 12

Jeder Ausdruck in Gl. 12 bezeichnet einen Differenzdruck innerhalb einer wandbeschränkten Blase aus Fluid 2 relativ zu Fluid 1. Da die Krümmungsrichtung der Blase weg von Fluid 1 und hin zu Fluid 2 ist, bezeichnet jeder Ausdruck in Gl. 12 einen Druck innerhalb von Fluid 2, der größer ist als der in Fluid 1.

Wie oben erwähnt wurde, ist der Druck ein Maß des Energiepotentials. Wenn andere Quellen des Energiepotentials, wie z. B. Schwerkraft, ignoriert werden, kann die Druckordnung, gegeben durch Gl. 12, verwendet werden, um Energiepotentialdifferenzen zwischen den vier Regionen zu definieren, durch Subtrahieren eines Differenzdrucks von einem anderen.

Solche Betrachtungen führen zu einer Ordnung der Energiepotentiale in den vier Regionen, wie folgt: &Pgr;quelle > &Pgr;barriere > &Pgr;tor > &Pgr;austrittGl. 13

In Gl. 13 ist das griechische Symbol &Pgr; (groß „pi") ausgewählt, um das Energiepotential zu bezeichnen. Wenn das Tor als der Referenzpunkt ausgewählt ist, an dem das Energiepotential als Null definiert ist, dann gilt z. B. &Pgr;quelle = &Dgr;Pf,e,quelle – &Dgr;Pf,e,tor.

Gl. 13 definiert die Energiepotential-Beziehungen, die notwendig für die Operation der vorliegenden Erfindung sind. Während Gl. 13 im Hinblick auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel hergeleitet wurde, ist es ein allgemeines Ergebnis, das für alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gilt, und ist in der Tat einer der Startpunkte, von denen aus sie erdacht wurden.

5 zeigt die Energiepotentialverteilung 500 für das Ausführungsbeispiel aus 3 und 4, gegeben durch Gl. 13. Die Achse 502 ist eine Distanz entlang des Kapillarkanals, und die Achse 504 ist ein Energiepotential für eine wandbeschränkte Blase in diesem Kanal. Abmessungslinien 322, 324, 326 und 328 entsprechen jenen in 3. In jeder Region ist die Energie, die erforderlich ist, um eine wandbeschränkte Blase aus Fluid 2 in Fluid 1 einzubringen, gegeben durch Multiplizieren der Druckdifferenz zwischen den zwei Fluiden mit dem Volumen der Blase, und das Energiepotential ist nur der Differenzblasendruck gegeben durch Gl. 7. Das Energiepotential 522 ist &Pgr;quelle, das Energiepotential 524 ist &Pgr;tor, das Energiepotential 526 ist &Pgr;barriere und das Energiepotential 528 ist &Pgr;austritt. Der Nullpunkt der Achse 504 ist willkürlich ausgewählt, so dass &Pgr;tor = 0.

Es wird darauf hingewiesen, dass, da das Tor-Potential 524, &Pgr;tor, geringer ist als jedes der umliegenden Energiepotentiale (d. h. Quell-Potential 522 und Barriere-Potential 526), die Tor-Region eine Potentialmulde bildet. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass, wenn genug Energie hinzugefügt wird, um eine Blase auf den Energiepotentialpegel 526 zu erhöhen, dieselbe dann dazu neigt, abwärts in dem Energiepotential zu fließen, oder entsprechend abwärts in dem Druck, in der Richtung des Austritts-Potentials 528.

In 5 verringert sich das Energiepotential 528, &Pgr;austritt, mit der Distanz von der Barriere-Region 326, was, wie nachfolgend ersichtlich ist, vorteilhaft für ein schnelles Schalten ist, aber nicht notwendig für die grundlegende Operation des Systems ist. Das System würde funktionieren, wenn auch nicht so gut, wenn das Energiepotential konstant zu der Distanz in der Austritts-Region wäre.

Das Vorangehende liefert den Hintergrund, der zum Verständnis des Zeitablaufs der Operation des Systems notwendig ist, wie in 6 dargestellt ist.

6A–F sind Querschnittansichten, betrachtet senkrecht auf eine Hauptoberfläche eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die zum optischen Schalten verwendet wird. Dieses Ausführungsbeispiel 300 ist dasselbe wie das, das in 3 und 4 vorgelegt wurde, und Merkmale, nummeriert im Bereich von 300–499, sind dieselben wie jene in 3 und 4.

6A entspricht 3A.

6B entspricht 4A. Die Blase 402 weist Frei-Oberflächen 602 und 604 auf und begrenzte Oberflächen 606 und 608 auf. Die Krümmungsradien der Oberflächen 602 und 604 sind gleich und gegeben durch 1/rf,e,tor = (1/wtor + 1/h)Gl. 14

Zu der Zeit, die 6B entspricht, blockiert die Blase 402 den Fluss des Fluids 1 in die Kapillare sowohl in der Abwärts- als auch Aufwärts-Richtung, und erreicht so eine erste Fluid-Ventilbetätigungsfunktion, was eine vorteilhafte Fähigkeit ist.

In 6C wurde die Leistung, die an den Widerstand 316 angewendet wird, im Vergleich zu der erhöht, die in 4A und 6B angewendet wird, so dass das Blasenvolumen erhöht wurde. Da das Barrierepotential &Pgr;barriere geringer ist als das Quellenpotential &Pgr;quelle, wächst die Blase in der Richtung der Barriere und die freie Oberfläche 610 bewegt sich nach rechts in die Barriere-Region. Die freien Oberflächen 610 und 612 weisen gleiche Krümmungsradien auf gegeben durch 1/rf,e,barriere = (1/wbarriere + 1/h)Gl. 15

In der Zeitperiode zwischen 6B und 6C wurde das Volumen des Fluids 1 in der Barriere-Region von der Barriere-Region in die Austritts-Region gepumpt. Diese Pumpaktion ist eine vorteilhafte Fähigkeit.

In dem Zustand, der in 6C gezeigt ist, ist die Blase immer noch in einer Energiepotentialmulde gefangen und widersteht einer Bewegung aufgrund einer Störung, wie z. B. einer Beschleunigung, entlang der Kapillare.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Energie der Blase minimiert wird, wenn sie eine Kohäsionskraft als ein einzelnes Volumen beibehält und nicht in zwei oder mehrere Volumen getrennt wird, wobei jedes derselben die Energie benötigt, die dem Unterstützen von zwei oder mehr Frei-Oberflächen zugeordnet ist. Somit neigt die Blase dazu, eine einzelne zusammenhängende Einheit zu bleiben, außer sie wird durch ein Hochenergieereignis gestört, und während eines Flusses in der Kapillare neigt sie nicht dazu, in mehr als eine Blase gespalten zu werden.

In 6D wurde die Leistung, die an den Widerstand 316 angewendet wird, im Vergleich zu der erhöht, die in 6C angewendet wird. Die Blasen-Frei-Oberflächen 614 und 616 haben sich in dem Krümmungsradius von rf,e,barriere zu r,f,e,tor erhöht, als die Blase beginnt, sich an der Potential-Barriere vorbei zu bewegen, und die Blase einen Punkt einer Metastabilität erreicht hat. Eine weitere Erhöhung des Volumens verursacht, dass dieselbe instabil wird und in den Austritt fließt.

6E zeigt den Zustand der Vorrichtung, nachdem die Leistung, die an den Widerstand 316 angewendet wird, inkrementell erhöht wurde im Vergleich zu der, die in 6D angewendet wird. Die Blase wurde instabil, so dass sie beginnt, in den Austritt zu fließen. Die Frei-Oberfläche 618 ist im Radius größer als die Frei-Oberfläche 620, wodurch eine Druckdifferenz erzeugt wird, die die Blase in der Abwärts-Richtung saugt. Zu einer Zeit zwischen den Zuständen, die in 6D und 6E gezeigt sind, kann die Leistung, die an den Heizwiderstand angewendet wird, beendet werden, und die Blase wird trotzdem in den Austritt gesaugt. Das optische Signal 448 ist derart gezeigt, dass es immer noch reflektiert, aber in der Tat ist die optische Kern-Region 340 nicht mehr vollständig entlang der Wand 306 durch die Blase 402 abgedeckt, und so kann eine optische Streuung während dieser Schaltübergangsperiode auftreten.

Wenn sich die Blase von ihrer Position in 6D hin zu der in 6E bewegt, gibt sie den Abwärts-Fluss des Fluids 1 frei und erreicht somit einen zweiten Aspekt der Fluid-Ventilbetätigungsfähigkeit. Der Fluss in Verarbeitungsrichtung aufwärts des Fluids 1 wird jedoch weiterhin blockiert, bis zu einer Zeit nachfolgend zu der aus 6F, wie nachfolgend erörtert wird.

6F zeigt den Zustand der Vorrichtung, wenn die sich bewegende Blase aus dem optischen Schaltbereich des Tors ausgetreten ist. Das optische Signal 348 überträgt wiederum von der Wellenleiter-Kernregion 340 zu der Wellenleiter-Kernregion 346 und das zweite gewünschte optische Schaltereignis dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung wurde erreicht. Die freie Oberfläche 622 ist in dem Radius größer als die freie Oberfläche 624, so dass die Blase weiterhin in die Austritts-Region gedrängt wird.

Zusätzlich dazu und vorteilhafterweise ist die freie Oberfläche 622 in ihrem Radius größer als die freie Oberfläche 620 in 6E, so dass sich die Blase von der Zeit, die 6E entspricht, zu der Zeit, die 6F entspricht, beschleunigt. Diese Beschleunigung verkürzt die Schaltzeit und erhöht die Geschwindigkeit der Operation der Vorrichtung. Dieser Vorteil wird dadurch geliefert, dass sich der Austritt mit der Distanz von der Barriere weitet.

Zu der Zeit, gezeigt in 6F, ist die Blase immer noch wandbeschränkt. Wenn sie sich weiter weg von der Barriere zu der Zeit nachfolgend zu der Zeit aus 6F bewegt, muss sie schließlich Kontakt mit einer oder mehreren Wänden der Kapillare in der Austrittsregion verlieren, um den Fluss in Verarbeitungsrichtung aufwärts des Fluids 1 freizugeben, sowie den Fluss in Verarbeitungsrichtung abwärts des Fluids 1, der zu der Zeit nachfolgend zu der von 6D freigegeben wurde.

Ein solches vollständiges Freigeben ist ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Fluidventilbetätigungsfähigkeit und kann auf zumindest fünf Weisen erreicht werden. Erstens kann die Blase Kontakt mit den Austrittswänden verlieren, nur weil sich die Austrittsbreite mit der Distanz von der Barriere erhöht. Zweitens, wenn die Blase im Wesentlichen aus Dampf besteht, der aus dem Kochen eines flüssigen Fluids 1 erzeugt wird, neigt sie dazu, zu schrumpfen, wenn sie die Wärmequelle verlässt, die den Dampf erzeugte, und neigt somit dazu, sich von einer oder mehreren Wänden des Austritts zu lösen. Drittens, wenn die Blase im Wesentlichen aus Gas besteht, das aus einer Lösung in einem flüssigen Fluid 1 befreit wurde, um die Blase zu erzeugen, kann es ebenfalls dazu neigen, zu schrumpfen, wenn es auf kühlere Regionen trifft, in denen das Fluid 1 mehr Gas lösen kann. Wenn die Blase eine Mischung aus Gas und Dampf ist, neigt sie dazu, schnell zu schrumpfen, wenn sie abkühlt, und Dampf wird in Flüssigkeit umgewandelt; sie kann dazu neigen, langsamer zu schrumpfen, wenn sich ihr Gasgehalt in Flüssigkeit auflöst. Viertens kann die Blase in das Auslassreservoir für Fluid 1 eintreten, mit dem der Austritt verbunden ist, und sich von den Austrittswänden lösen, wenn sie in das Reservoir eintritt. Fünftens kann die Blase aus dem Austritt durch eine Einrichtung extrahiert werden, die sie von dem Volumen des Fluids 1 trennt, z. B. durch Antreffen eines Filters, einer Membran, einer Pore und ähnlichem, das den Durchfluss von Fluid 2 aber nicht von Fluid 1 erlaubt.

Die Leistung-Rauschen-Spanne der ABC-Schaltoperation ist als die Differenz zwischen der Leistung, die zum Beibehalten der Blase 402 in ihrem Zustand benötigt wird, wie in 6B gezeigt ist, und der Leistung, die zum Erreichen des Punkts einer Metastabilität benötigt wird, wie in 6D, definiert ist. Für eine robuste Vorrichtungsoperation ist es wünschenswert, wenn die Leistung-Rauschen-Spanne größer ist als erwartete Schwankungen aufgrund von Umgebungseinflüssen. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn sich das Volumen der Barriere erhöht, sich die Leistung-Rauschen-Spanne erhöht. Für das Ausführungsbeispiel 300 kann das Volumen der Barriere 325 berechnet werden als Vbarriere = (h × wbarriere × Lbarriere), und das Volumen des Tors kann berechnet werden als Vtor = (h × wtor × Ltor). Das Verhältnis, gegeben durch (Vtor + Vbarrier)/Vtor liefert eine Anzeige der relativen Rausch-Spanne für verschiedene Entwurfsauswahlmöglichkeiten.

Der Widerstand der Blase 402 gegen eine Beschleunigung entlang der Kapillare wird bestimmt durch das Verhältnis der Gleichgewichts-Freioberflächen-Radien an einem Übergang zwischen zwei Regionen, der wirkt, um eine Blasenbewegung zu verhindern. Die aufrechterhaltbare Kraft pro Einheitsbereich an der Blase in der Richtung des Flusses an einem Übergang zwischen zwei Regionen, wie z. B. entweder Quelle und Tor oder Tor und Barriere, ist einfach die. Differenz bei den Gleichgewichts-Freioberflächen-Drücken zwischen diesen zwei Regionen, oder entsprechend die Energiepotentialdifferenz. Die lokale effektive Masse pro Einheitsbereich der Blase zu Beschleunigungszwecken ist einfach die Länge der Blase multipliziert mit der Dichte-Differenz zwischen Fluid 1 und Fluid 2. Somit ist die maximal beibehaltbare Beschleunigung ohne Verdrängen der Blase aus der Potentialmulde gegeben durch Multiplizieren der Energiepotentialdifferenz, der Dichte-Differenz und der Blasenlänge.

Die obigen Beschreibungen betrachten nur die quasistatische Niedrigfrequenz-Operation des Ausführungsbeispiels 300 der Erfindung, bei dem Fluid-Momentum-Wirkungen wenig Rolle spielen. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass bei höheren Frequenzen Fluid-Momentum-Wirkungen vorhanden sind, und schließlich sowohl Fluid-Momentum-Wirkungen als auch thermische Wirkungen die obere Betriebsfrequenz einschränken.

Ausführungsbeispiel 300 wird als eine bevorzugte Ausführung betrachtet zur Zeit des Schreibens dieses Dokuments. Es hat sich herausgestellt, dass eine Schaltzeit für einen Fall des Ausführungsbeispiels 300 geringer ist als 3 Millisekunden für den Übergang zwischen dem Zustand aus 6D und dem aus 6F, wenn Fluid 1 Cyclohexan ist. Typische Abmessungen für einen Fall des Ausführungsbeispiels 300 sind h = 50 &mgr;m, wquelle = 15 &mgr;m, Lquelle = 250 &mgr;m, wtor = 18 &mgr;m, Ltor = 90 &mgr;m, wbarriere = 18 &mgr;m, Lbarriere = 30 &mgr;m, waustritt > 30 &mgr;m, und Laustritt = 170 &mgr;m.

Bei dem Ausführungsbeispiel 300, wie in 3, 4 und 6 gezeigt ist, sind die Wände 306 und 308 im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsebene der optischen Signale 348 und 448, was vorteilhaft für optische Übertragungs- und Reflexions-Zwecke ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Kapillaren mit einer Vielzahl von Querschnittformen, einschließlich rund, oval oder polygonal hergestellt und verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann ein verjüngter Graben, geätzt in ein Substrat, abgedeckt werden durch ein flaches zweites Substrat, um eine Kapillare eines im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitts zu bilden, die bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Es ist keine Anforderung, dass die Kapillare durchgehende Wände aufweist. Segmentierte Wände, Wände mit durchgehenden Rillen entlang ihrer Länge oder Arrays von nahe beabstandeten Säulen können ebenfalls dazu dienen, eine Blase wandmäßig zu beschränken, während die gewünschten Energiepotentialbeziehungen von Gl. 13 geschaffen werden.

Alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in fluiphobischen Kapillaren funktionieren. 7 stellt in Querschnittansichten ein solches fluiphobisches Ausführungsbeispiel 700 dar. Eine Blase 702 aus Fluid 2 wird durch Kapillarwände eines Materials 704 beschränkt, das schlecht benetzt wird durch Fluid 1. Zum Beispiel kann Fluid 1 flüssiges Quecksilber sein und Fluid 2 kann Luft sein, während das Material 704 Glas sein kann. Die Blase 702 wird durch das Ventil 716 eingebracht. Das Ventil 716 kann ein mechanisches Ventil sein, kann selbst eine separate ABC-Vorrichtung sein oder kann eine separate fluidische Vorrichtung sein. In jedem Fall ist die interne Operation des Ausführungsbeispiels 700 beim Schalten, Ventilbetätigen oder Pumpen rein fluidisch und die Einrichtung, durch die die Blase eingebracht wird, ist beliebig.

Die Kapillare umfasst eine Quelle 721, ein Tor 723, eine Barriere 725 und einen Austritt 727. Die notwendige Beziehung zwischen den effektiven Freioberflächenradien der verschiedenen Regionen für ein fluiphobisches Ausführungsbeispiel ist gegeben durch rf,e,quelle > rf,e,barriere > rf,e,tor > rf,e,austrittGl. 16

Bei einem solchen fluiphobischen Ausführungsbeispiel ist die Krümmungsrichtung der Blase des Fluids 2 umgekehrt zu der bei dem fluiphilen Ausführungsbeispiel aus 3, und so ist der Druck innerhalb einer wandbeschränkten Blase von Fluid 2 geringer als der in Fluid 1.

Fluid 2 kann entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit sein und dessen Einbringung durch ein Ventil 716 ist somit in dem Wesen entweder pneumatisch oder hydraulisch.

Es könnte naiverweise erwartet werden, dass die Blase zusammenfallen würde, wenn sie ein Gas wäre und ihr Innendruck geringer als das des Fluids 1 wäre, aber dies ist nicht der Fall, da der größere Druck innerhalb von Fluid 1 unterstützt wird durch die beschränkende Schnittstellen-Oberflächenspannung der Blase und nicht durch das Gasvolumen innerhalb der Blase unterstützt wird.

Für Ausführungsbeispiel 700 werden die Vorzeichen der Differenzdrucke im Vergleich zu jenen von Ausführungsbeispiel 300 umgekehrt, und jeder Differenzdruck nach Gl. 4 ist geringer als Null. Die Größe jedes Differenzdrucks erfüllt die Beziehung |&Dgr;Pf,e,quelle| < |&Dgr;Pf,e,barrier| < |&Dgr;Pf,e,tor| < |&Dgr;Pf,e,austritt|Gl. 17

In Gl. 17 bezeichnen die vertikalen Klammern, ||, den absoluten Wert (Größe) des Differenzdrucks. Die Energiepotentialbeziehungen, gegeben durch Gl. 13, werden trotzdem erreicht für Ausführungsbeispiel 700, da das Zeichen der Subtraktion zwischen beliebigen zwei Differenzdrucken umgekehrt werden muss, im Vergleich zu dem für Ausführungsbeispiel 300, um die Energiepotentialdifferenzen zwischen zwei Regionen zu berechnen. Somit dann gilt z. B. für Ausführungsbeispiel 700, wenn das Tor als der Referenzpunkt ausgewählt ist, an dem das Energiepotential als Null definiert ist, &Pgr;quelle = &Dgr;Pf,e,tor – &Dgr;Pf,e,quelle.

Die Operation des Ausführungsbeispiels 700 ist analog zu der Operation des Ausführungsbeispiels 300. Die Blase wird in die Tor-Region 723 eingebracht, wächst mit der Eingabe von Energie, um die Barriere-Region 725 zu füllen, wird instabil und tritt in die Austritts-Region 727 aus. Der Zustand der Blase 702, wie gezeigt, ist einer der Metastabilität, und ein weiteres Wachstum hin zu der Austritts-Region verursacht, dass dieselbe instabil wird und in den Austritt fließt. Somit entspricht der Zustand des Ausführungsbeispiels 700 in 7 im Hinblick auf Zeit dem des Ausführungsbeispiels 300 in 6D.

Es wird darauf hingewiesen, dass, da die Breite der Austritts-Region 727 mit der Distanz von der Barriere-Region 725 abnimmt, die Blase 702 sich nicht von den Kapillarwänden ablösen kann, da sie sich nur bewegt, da die Kapillare breiter wird, wie es bei dem Ausführungsbeispiel 300 der Fall war. Somit ist zumindest ein Mechanismus weniger verfügbar bei Ausführungsbeispiel 700 zum Wiederherstellen des freien Flusses von Fluid 1, als es bei Ausführungsbeispiel 300 oben der Fall war.

Alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ebenfalls Differenzen bei Oberflächenbenetzungseigenschaften anstelle von Differenzen bei der Geometrie verwenden. 8 stellt ein Ausführungsbeispiel 800 der vorliegenden Erfindung dar, bei dem die Geometrie einheitlich durch Quelle, Tor, Barriere und Austritt ist, aber bei dem die Beziehung von Gl. 13 durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien erreicht wird.

8A stellt vier wandbeschränkte Blasen in den vier Regionen von Vorrichtung 800 dar, um die unterschiedlichen Gleichgewichts-Freioberflächen-Radien der vier Regionen zu demonstrieren. Quelle 802, Tor 804, Barriere 806 und Austritt 808 weisen Wände auf, die Materialien 810, 812, 814 bzw. 816 aufweisen und wandbeschränkte Blasen 818, 820, 822 bzw. 824 enthalten. Bei dem Ausführungsbeispiel 800 sind die Wände im Allgemeinen fluiphil, obwohl ihre Benetzungscharakteristika variieren, um durch Entwurf die Beziehungen zwischen den Gleichgewichts-Freioberflächen-Radien zu erreichen, die gegeben sind durch Gl. 11.

8B stellt die Operation des Ausführungsbeispiels 800 als eine ABC dar. Eine einzelne Blase 826 des Fluids 2 wird erzeugt durch den Blasenerzeuger 828, der z. B. ein Stück eines lichtabsorbierenden Materials sein kann, das durch einen Laserstrahl erwärmt wird, um eine Blase zu erzeugen, durch Kochen von Fluid 1. Die Freioberflächen 830 und 832 weisen gleiche Krümmungsradien auf, die durch den Gleichgewichts-Freioberflächen-Radius, rf,e,barriere, der Barriere-Region bestimmt werden. Die Blase füllt sowohl das Tor als auch die Barriere und ist an dem Punkt einer Metastabilität, bei dem eine inkrementelle Erhöhung des Blasenvolumens verursacht, dass dieselbe in die Barriere-Region 808 eindringt und die Tor-Region 804 verlässt. Der dargestellte Zustand von Ausführungsbeispiel 800, gezeigt in 8B, entspricht somit dem Zustand des Ausführungsbeispiels 300, wie in 6D gezeigt ist, und dem des Ausführungsbeispiels 700, wie in 7 gezeigt ist.

9 stellt ein fluiphiles Ausführungsbeispiel 900 der vorliegenden Erfindung dar, zur Verwendung beim Entfernen von gelöstem Gas aus einer Flüssigkeit. 9 ist eine Querschnittansicht von oben und 9B ist eine Seitenquerschnittansicht. Die Blase 902 enthält gelöstes Gas, befreit aus der Flüssigkeit 904 durch den Heizer 906, plus den Dampf der Flüssigkeit 904, erzeugt durch den Heizer 906. Mehrere Quellenhälse 908, 910 und 912 lassen Flüssigkeit 904 zu dem Tor 914. Die Barriere 916 fängt die Blase 902 ein, bis ausreichend Energie hinzugefügt ist, um die Blase in den Austritt 918 fließen zu lassen und dieselbe somit aus der Nähe des Flüssigkeitsflusses 920 zu entfernen. Der Fluss 920 der Flüssigkeit 904 kann reich an gelöstem Gas sein, wo er in die Vorrichtung an Punkt 922 eintritt, und ist weniger reich an gelöstem Gas, wo er an Punkt 924 austritt. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, während nur zwei Quellhälse 908, 910 und 912 zu Darstellungszwecken gezeigt sind, in der Praxis viele Quellhälse, die parallel wirken, wünschenswert sind für eine effiziente Entfernung des gelösten Gases aus der Flüssigkeit 904, und dass zusätzlich dazu mehrere Ausführungen einer Vorrichtung, wie z. B. von dem Ausführungsbeispiel 900, in Reihe in dem Fluss 920 platziert werden können, um die Konzentration des gelösten Gases effizient zu reduzieren.

Die strukturellen Details des Ausführungsbeispiels 900 sind wie folgt. Ein Material 926 kann ein photodefinierbares Polymer sein, wie z. B. Photoresist oder photoempfindliches Epoxyd, in das eine Rille durch lithographische Mittel definiert werden kann, um die Seitenwände der Kapillare zu bilden. Ein Material 928 kann eine Glasschicht sein, die auf dem Material 926 gebondet wird, um das Dach der Kapillare zu bilden. Die Schicht 930 ist ein elektrisch isolierendes Material, wie z. B. Silizium-Dioxid, das den Heizer 906 abdeckt. Die Schicht 932 ist eine elektrisch und thermisch isolierende Schicht, wie z. B. Silizium-Dioxid, und das Substrat 934 ist ein thermisch leitfähiges Material, wie z. B. Silizium.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele basieren nicht primär auf einer Thermokapillare, d. h. dem Marangoni-Effekt, sondern basieren statt dessen primär auf der Kapillargeometrie und den Materialeigenschaften, um die Blasenbewegung zu steuern. Dies kann bei Ausführungsbeispielen funktionieren, wie z. B. 300 und 700 oben, egal ob das Marangoni-Phänomen ihre Operation unterstützt oder behindert, da geometrische Wirkungen auf dem Krümmungsradius entworfen sein können, um viel stärker zu sein als Temperaturwirkungen auf die Oberflächenspannung. Der Marangoni-Effekt kann jedoch als ein Steuerungseffekt zweiter Ordnung bei einer Mehrfachaustrittsversion verwendet werden, um eine Richtung zu wählen, in der die Blase aus dem Tor austritt.

10 zeigt eine schematische Querschnittansicht von oben eines fluiphilen Ausführungsbeispiels 1000 der vorliegenden Erfindung mit mehreren Barrieren 1002 und 1004 und mit mehreren Austritten 1006 und 1008. Die Materialien, die für das Ausführungsbeispiel 1000 gesetzt sein können, können dieselben sein wie jene für Ausführungsbeispiel 900, obwohl dies nicht notwendig ist.

Der Heizer 1010 erzeugt eine Blase 1012 in dem Tor 1014, die durch relativ gesehen höhere Energiepotentiale in der Barriere 1002, der Barriere 1004 und der Quelle 1016 gefangen ist. Die Barrieren 1002 und 1004, obwohl sie entworfen sind, um dieselben Gleichgewichts-Freioberflächen-Radien aufzuweisen, weisen fast immer eine gewisse Differenz bei jenen Radien aufgrund von Herstellungsabweichungen auf. Somit tritt die Blase 1012 fast immer aus dem Tor 1014 durch eine oder die andere der Barrieren 1002 und 1004 aus und fast nie durch beide gleichzeitig.

Der Marangoni-Effekt kann jedoch verwendet werden, um den Gleichgewichts-Freioberflächen-Druck bei einer Barriere relativ zu der anderen zu verringern, durch lokales Reduzieren der Oberflächenspannung der Blase, wie durch Betrachten von Gl. 4 oben erkannt wird. Der Gleichgewichts-Kontaktwinkel &thgr;e, genommen innerhalb des Fluids 1, ist annähernd konstant mit der Temperatur, und stellt in Zuordnung mit der Kapillargeometrie den Gleichgewichts-Freioberflächenradius rf,e innerhalb einer Barriere-Region annähernd konstant mit der Temperatur ein. Die Oberflächenspannung &sgr; jedoch verringert sich, wenn sich die Temperatur erhöht, und somit verringert sich der Gleichgewichts-Freioberflächen-Druck &Dgr;Pf,e ebenfalls, wenn sich die Temperatur erhöht. Wenn eine Barriere-Region, z. B. 1002, durch den Heizer 1018 erwärmt wird, während der Heizer 1020 kalt ist, verringert sich der Gleichgewichts-Freioberflächen-Druck &Dgr;Pf,e bei der Barriere 1002 und somit verringert sich das Energiepotential dieser Barriere relativ zu der Barriere 1004. Es wird somit leichter für die Blase 1012, aus dem Tor 1014 durch die Barriere 1002 auszutreten als durch die Barriere 1004.

Die Quelle 1016 kann als der Weg zur Flüssigkeitswiederauffüllung dienen, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es kann jedoch ersichtlich sein, wenn keine Einschränkung auf einen Rückwärtsfluss von dem Austritt 1008 durch die Barriere 1004 besteht, dass eine Wiederauffüllung ebenfalls oder statt dessen aus dem Austritt 1008 durch die Barriere 1004 in das Tor 1014 erfolgen kann. Somit kann bei dem Ausführungsbeispiel 1000 eine Barriere ebenfalls als eine Quelle dienen, wodurch demonstriert wird, dass die funktionalen Rollen von Quelle und Barriere umgekehrt werden können, mit Hilfe einer lokalen Erwärmung. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Quelle 1016 verstopft oder abwesend sein und die Vorrichtung kann trotzdem funktionieren, da die eine oder andere Barriere als eine Quelle wirkt. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich zu dem aus 10, aber bei dem die Quelle 1016 nicht vorhanden ist. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 12 kann eine der Barrieren (ähnlich zu Barrieren 1002 und 1004 aus 10) als die Quelle wirken. An Position 1216 (die der Position der Quelle 1016 aus 10 entspricht), bildet ein Festkörpermaterial die Wand des Tores.

Vorteilhafterweise steuert das Ausführungsbeispiel 1000 die Richtung der Fluidbewegung ohne Verwendung eines sich bewegenden Festkörperteils, wie z. B. eines schwingenden Tors oder eines anderen mechanischen Ventils, das langsam, einem Ausfall unterliegend und schwierig in kleiner Größe herzustellen sein kann.

11 zeigt ein Ausführungsbeispiel 1100 der vorliegenden Erfindung, bei dem zwei ABC-Vorrichtungen 1102 und 1104 hintereinander platziert sind, so dass die Region 1106 sowohl die Barriere der ABC 1102 in Verarbeitungsrichtung aufwärts als auch die Quelle der ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts umfasst, während die Region 1108 sowohl den Austritt der ABC 1102 in Verarbeitungsrichtung aufwärts als auch das Tor der ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts umfasst. Diese Anordnung kann vorteilhaft für die Operation der ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts sein, da sowohl die Blaseneinbringung in das Tor 1108 der ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts als auch die Extrahierung aus diesem Tor durch den gleichen Mechanismustyp auftreten.

Die Blase 1110 wird vorab erzeugt in dem Tor 1112 der ABC 1102 in Verarbeitungsrichtung aufwärts unter Verwendung eines Blasenerzeugers 1114, der z. B. ein Satz aus Elektroden sein kann, die Wasser elektrolysieren, das das Fluid 1 bildet, in eine Mischung aus Sauerstoff- und Wasserstoff-Gasen, die Fluid 2 bilden.

Die Blase 1110 kann dann in ihrem Fluid wachsen durch Energie, die eingegeben wird, um die Barriere 1106 der ABC 1102 in Verarbeitungsrichtung aufwärts zu füllen oder annähernd zu füllen, so dass sie direkt unter dem Punkt der Metastabilität der Energie ist. Sie kann dann schnell eingebracht werden, durch eine geringe zusätzliche Energieeingabe in das Tor 1108 der ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts. Somit wird die Einbringung der Blase 1110 in die ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts durch mikrofluidische Mittel erreicht. Vorteilhafterweise kann das Volumen der Blase 1110, wenn sie an einem Punkt der Metastabilität ist, entworfen sein, um gleich dem Volumen des Tors 1108 der ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts zu sein, so dass sie vollständig die Region 1108 füllt, wenn sie erstmals in diese Region eingespritzt wird.

Bei der ABC 1104 in Verarbeitungsrichtung abwärts wird die Blase durch ein Element 1116 beibehalten, das z. B. ein Heizwiderstand sein kann. Das Erhöhen der Leistung zu dem Element 1116 erhöht die Größe der Blase, wie bei dem Ausführungsbeispiel 300 oben, und führt schließlich zu einer zweiten Schaltoperation, wenn die Blase durch die Barriere 1118 und in den Austritt 1120 des unteren ABC 1104 austritt.

Ausführungsbeispiele 300 (3), 700 (7), 800 (8) und 900 (9) oben stellen Beispiele von Vorrichtungen dar, wie z. B. Heizwiderständen, Ventilen oder lasererwärmten Stücken, die alle Aspekte der Blaseneinbringung, Blasenbeibehaltung und des Blasenwachstums auf einheitliche Weise schaffen. Ausführungsbeispiele 1000 (10) und 1100 (11) im Gegensatz dazu stellen eine Trennung von Blasenbewegungsfunktionen dar. Bei Ausführungsbeispiel 1000 erzeugt der Heizer 1010 die Blase und behält die Blase in dem Tor bei, während der Heizer 1018 eine Steuerung der Richtung des Blasenwachstums liefert und ebenfalls Wärme liefern kann, um das Wachstum des Volumens der Blase zu unterstützen. Bei Ausführungsbeispiel 1100 wird die Blase durch den Erzeuger 1114 erzeugt, wird in das Tor 1108 in Verarbeitungsrichtung abwärts durch die ABC 1102 in Verarbeitungsrichtung aufwärts eingebracht, wird durch das Element 1116 beibehalten und wird dann in ihrem Volumen durch das selbe Element 1116 erhöht. Somit stellen die obigen Ausführungsbeispiele Fälle einheitlicher und getrennter Blasensteuerungsfunktionen dar, und stellen Fälle thermischer, pneumatischer, hydraulischer, optischer, elektrolytischer und mikrofluidischer Mechanismen dar, die zur Blasen-Erzeugung, -Einbringung, -Beibehaltung, -Wachstum und -Bewegung verwendet werden können. Andere Mechanismen zur Blasen-Erzeugung, -Einbringung, -Beibehaltung, -Wachstum und -Bewegung sind für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie z. B. die Erzeugung von Gasblasen durch Ultraschall-Bewegung.

Die obigen Beispiele beziehen sich auf Ausführungsbeispiele, die entweder fluiphil für Fluid 1 oder fluiphob für Fluid 1 sind. Ausführungsbeispiele jedoch, die fluiphile Abschnitte mit fluiphoben Abschnitten mischen, können von Fachleuten auf dem Gebiet basierend auf der vorliegenden Offenbarung implementiert werden.

Verschiedene Geometrien, verschiedene Materialien und verschiedene Kombinationen von Fluiden können verwendet werden, um die vorliegende Erfindung zu verkörpern. Tabelle 1 unten beschreibt Beispiele von einigen möglichen ABC-Ausführungsbeispielen. Diese Ausführungsbeispiele werden nicht als einschränkend, sondern eher als darstellend betrachtet.

In Tabelle 1 ist die „fluiphile" Geometrie ähnlich zu der von Ausführungsbeispiel 300 oben, bei dem der Gleichgewichts-Kontaktwinkel, genommen innerhalb von Fluid 1, geringer ist als 90° und bei dem die Druckbeziehungen aus Gl. 12 erfüllt sind. Die „fluiphobe" Geometrie ist ähnlich zu der von Ausführungsbeispiel 700, bei dem der Gleichgewichts-Kontaktwinkel, genommen innerhalb von Fluid 1, größer ist als 90°, und bei dem die Druckbeziehungen von Gl. 17 erfüllt sind. Die „Benetzungs"-Geometrie ist ähnlich zu der von Ausführungsbeispiel 800, bei dem Abweichungen bei Wandmaterial-Benetzungseigenschaften und nicht Geometrieabweichungen die Energiepotentialbeziehungen von Gl. 13 erreichen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Benetzungseigenschaften wichtig für die Funktionalität der ABC sind.

Alle der oben dargestellten Ausführungsbeispiele haben die Quellen-, Tor-, Barriere- und Austritts-Regionen in eine einzelne Ebene platziert, zu Zwecken der Darstellung, und da die Herstellung der Elemente in einer einzelnen Ebene einfach ist unter Verwendung lithographischer Techniken, die in der Welt der Mikroelektronik bekannt sind. Eine Koplanarität der Regionen ist jedoch keine Anforderung der Erfindung. Es wäre z. B. eine einfache Möglichkeit, das Ausführungsbeispiel 300, wie es in 3 gezeigt ist, so zu modifizieren, dass die Quelle in dem Material 315 und nicht dem Material 304 definiert wäre. 13A und 13B stellen ein solches Ausführungsbeispiel dar. In 13A ist eine Quelle nicht ersichtlich, die mit dem Tor 1306 verbunden ist, da das Tor auf einer unterschiedlichen Ebene bei der Schaltvorrichtung 1300 vorliegt. Die Position 1330 (die der Position einer Quelle bei den Ausführungsbeispielen entspricht, wie z. B. Position 406 in 4) ist nur ein Festkörpermaterial. Bei dem Ausführungsbeispiel 1300 ist die Quelle 1350 mit dem Tor 1306 in einem rechten Winkel zu der Orientierung des Tors 1306 und dem Kanal in Verarbeitungsrichtung abwärts verbunden. Der Raum 1315 an der anderen Seite des Tors 1305 gegenüberliegend zu der Quelle 1350 ist mit Festkörpermaterial verstopft. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel 1400 ähnlich zu Ausführungsbeispiel 1300, bei dem aber keine separate Quellenregion an Position 1430 vorhanden ist. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel 1300, bei dem die separate Quellenregion 1350 vorliegt, existiert bei dem Ausführungsbeispiel 1400 eine Schicht 1408 an jeder Seite der Kapillare. In diesem extremen Fall wird ein Wiederauffüllen des Fluids 1 bereitgestellt durch einen Leckfluss vorbei an der sich bewegenden Blase. Wenn die Blase 1402 aus dem Tor 1404 in den Austritt 1406 fließt, ist das Fluid 1 in der Lage, das Tor 1404 langsam wieder aufzufüllen, durch Fließen in den Vorbeiblas-Wegen 1410, 1412, 1414 und 1416 in einer Aufwärts-Richtung von dem Austritt zu dem Tor.

Andere Anwendungen der vorliegenden Erfindung als jene, die hierin betrachtet werden, sind für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es wird vorhergesagt, dass solche Anwendungen unter anderem auf dem Gebiet von Genomik, Proteomik, chemischer Analyse, Biomedizin, Optik und Mikrofluiden, entstehen werden. Solche Anwendungen können auch andere Energiepotentialquellen verwenden, z. B. inerte Mittel, wie z. B. Beschleunigung oder Zentrifugierung, um die Energiepotentiale zu unterstützen, zu bekämpfen oder zu modifizieren, die in der ABC vorliegen. Die Zentrifugierung kann z. B. die Energie einer gefangenen Blase erhöhen, ohne ihr Volumen zu erhöhen. Ein Beispiel eines hydrophoben Wandmaterials, das in einem fluiphoben System verwendet werden kann, ist Polytetrafluorethylen (PTFE), z. B. TEFLON, hergestellt von der DuPont Company.

Tabelle 1. Verschiedene Fluid- und Material-Kombinationen für beispielhafte ABC-Ausführungsbeispiele.

Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben und dargestellt wurden, wird darauf hingewiesen, dass ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung ausführen kann. Ferner, obwohl die wissenschaftliche Theorie der Blasenbewegung oben beschrieben wurde, ist die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht von einer bestimmten Theorie abhängig und kann von einem Fachmann auf dem Gebiet praktiziert werden.


Anspruch[de]
  1. Ein optischer Schalter, der folgende Merkmale aufweist:

    (a) eine Kapillare (312), die eine Quellen-Region (321), eine Tor-Region (323), eine Barriere-Region (325) und eine Austritts-Region (327) umfasst, die räumlich in dieser Reihenfolge verbunden sind, wobei die Regionen (321, 323, 325, 327) in der Kapillare (312) unterschiedliche Energiepotentiale aufweisen, wobei sich das Energiepotential auf die Einbringung einer wandbeschränkten Blase (402) eines Fluids in die Kapillare (312) bezieht, wenn die Kapillare (312) mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die sich von dem Fluid unterscheidet, derart, dass das Energiepotential einer Region die minimale Energie ist, die erforderlich ist, um eine wandbeschränkte Blase eines gegebenen Volumens in die Region der Kapillare einzubringen, wobei das Energiepotential der Quellen-Region (321) größer ist als das der Barriere-Region (325), das Energiepotential der Barriere-Region (325) größer ist als das Energiepotential der Tor-Region (323) und das Energiepotential der Tor-Region (323) größer ist als das Energiepotential der Austritts-Region (327); und

    (b) einen ersten optischen Weg (340) und einen zweiten optischen Weg (346), die die Tor-Region (323) schneiden, wodurch ein optisches Signal innerhalb des ersten optischen Wegs (340) durch die Tor-Region (323) zu dem zweiten optischen Weg (346) fließen kann, wenn die Tor-Region (323) mit einer Flüssigkeit eines Brechungsindex gefüllt ist, der mit der Kapillare (312) kompatibel ist; und

    (c) einen Blasenlieferer (316) zum Einbringen einer Blase (402) eines Fluids mit einem Brechungsindex, der sich von dem der Flüssigkeit unterscheidet, in die Tor-Region (323), um die Flüssigkeit in derselben zu verdrängen, wodurch eine Lichtkommunikation zwischen dem ersten optischen Weg (340) und dem zweiten optischen (346) blockiert wird;

    (d) eine Einrichtung zum Erhöhen der Energie der Blase (402), um zu verursachen, dass die Blase (402) in Verarbeitungsrichtung abwärts bewegt wird, aufgrund der Differenz bei den Energiepotentialen zwischen der Tor-Region (323) und der Austritts-Region (327), und um ein Wiederauffüllen der Tor-Region (323) mit der Flüssigkeit aus der Quellen-Region (321) zu verursachen, um dadurch eine Lichtkommunikation zwischen dem ersten optischen Weg (340) und dem zweiten optischen Weg (346) wieder einzurichten.
  2. Der optische Schalter gemäß Anspruch 1, der einen dritten optischen Weg (342) aufweist, derart, dass das optische Signal im Wesentlichen vollständig von der Tor-Region (323) in den dritten optischen Weg (342) reflektiert wird, wenn eine Gasphasenblase die Tor-Region (323) im Wesentlichen füllt.
  3. Der optische Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, der einen dritten optischen Weg (342) aufweist, derart, dass das optische Signal im Wesentlichen vollständig von der Tor-Region (323) in den dritten optischen Weg (342) reflektiert wird, wenn eine Gasphasenblase die Tor-Region (323) im Wesentlichen füllt, und der einen vierten optischen Weg (344) aufweist, derart, dass ein zweites optisches Signal durch das Tor zwischen dem dritten optischen Weg (342) und dem vierten optischen Weg (344) fließen kann, wenn die Tor-Region (323) mit der Flüssigkeit gefüllt ist.
  4. Der optische Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem solche Energiepotentiale im Wesentlichen verursacht werden durch Abweichungen bei der Kapillargeometrie entlang der Kapillare (312), und bei dem die Kapillarebenetzungseigenschaften von sowohl dem Fluid als auch der Flüssigkeit im Wesentlichen konstant entlang der Kapillare (312) sind.
  5. Der optische Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Regionen (321, 323, 325, 327) im Wesentlichen rechteckige Querschnitte mit einer im Wesentlichen einheitlichen Höhe und unterschiedlichen Breiten aufweisen, die Tor-Region (323) eine Tor-Breite aufweist, die Barriere-Region (325) eine Barriere-Breite geringer als die Tor-Breite aufweist, die Austritts-Region (327) eine Austritts-Breite größer als die Tor-Breite aufweist und die Quellen-Region (321) eine Quellen-Breite geringer als die Barriere-Breite aufweist.
  6. Der optische Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der erste optische Weg (340) über einen ersten Wellenleiter verläuft und der zweite optische Weg (346) über einen zweiten Wellenleiter verläuft, wobei jeder der Wellenleiter einen Torregion-Kontaktierungsabschnitt aufweist, der sich zu der Tor-Region (323) erstreckt, wobei jeder Wellenleiter für eine optische Kommunikation zwischen den Wellenleiter-Torregion-Kontaktierungsabschnitten durch die Tor-Region (323) der Kapillare (312) ausgerichtet ist, während eines Übertragungszustands, wenn die Tor-Region (323) mit der Flüssigkeit gefüllt ist, und wohingegen im Wesentlichen keine optische Übertragung zwischen den optischen Wegen (340), (346) erfolgt, wenn die Tor-Region (323) im Wesentlichen von der Flüssigkeit entleert ist.
  7. Der optische Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Blasenlieferer (316) einen Elektrischer-Widerstand-Heizer benachbart zu der Tor-Region (323) umfasst, wodurch, wenn die Kapillare (312) mit der Flüssigkeit gefüllt ist, eine wandbeschränkte Gasphasenblase (402), die im Wesentlichen das Volumen der Tor-Region (323) füllt, innerhalb der Flüssigkeit erzeugt werden kann, durch Erwärmen, um den Weg des optischen Signals zu steuern, wobei die Gasblase (402), wenn sie im Wesentlichen die Tor-Region (323) füllt, verhindert, dass das optische Signal durch dieselbe verläuft, und wodurch das Volumen der Gasphasenblase (402) durch den Elektrischer-Widerstand-Heizer (316) erhöht werden kann, um sowohl die Tor-Region (323) als auch die Barriere-Region (325) zu füllen und in die Austritts-Region (327) einzudringen, und wodurch das Volumen der Gasphasenblase (402) weiter erhöht werden kann, um zu verursachen, dass dasselbe von der Tor-Region (323) zu der Austritts-Region (327) bewegt wird.
  8. Der optische Schalter gemäß Anspruch 7, bei dem der Elektrischer-Widerstand-Heizer zwei Einheiten aufweist, eine Einheit (1114) zum Erzeugen der Gasphasenblase und eine andere Einheit (1116) zum Erwärmen der Flüssigkeit, um das Volumen der Gasphasenblase zu erhöhen, um sowohl die Tor-Region (1108) als auch die Barriere-Region (1118) zu füllen, um in die Austritts-Region (1120) einzudringen.
  9. Ein Verfahren zum optischen Schalten, das folgende Schritte aufweist:

    (a) Senden von Licht von einem Weg (340) zu einem anderen Weg (346) durch eine optische Region (323), die mit einer Flüssigkeit in einer Kapillare (312) gefüllt ist, die eine Quellen-Region (321), die optische Region (323), eine Barriere-Region (325) und eine Austritts-Region (327) umfasst, die in dieser räumlichen sequentiellen Reihenfolge verbunden sind, wobei die Regionen (321, 323, 325, 327) unterschiedliche Energiepotentiale innerhalb der Kapillare (312) aufweisen, wobei sich das Energiepotential auf die Einbringung einer wandbeschränkten Blase (402) eines Fluids in die Kapillare (312) bezieht, wenn die Kapillare (312) mit der Flüssigkeit gefüllt ist, derart, dass das Energiepotential einer Region die minimale Energie ist, die erforderlich ist, um eine wandbeschränkte Blase eines gegebenen Volumens in die Region der Kapillare einzubringen „ und wobei die Energiepotentiale derart geordnet sind, dass

    (i) das Energiepotential der Quellen-Region (321) größer ist als das Energiepotential der Barriere-Region (325);

    (ii) das Energiepotential der Barriere-Region (325) größer ist als das Energiepotential der optischen Region (323);

    (iii) das Energiepotential der optischen Region (323) größer ist als das Energiepotential der Austritts-Region (327);

    (b) Einbringen und Beschränken einer Blase (402) des Fluids in der optischen Region (323) derart, dass die Blase (402) in der optischen Region (232) eine Energie aufweist, die niedriger ist als die, die erforderlich ist, um aus der optischen Region (323) in die Austritts-Region (327) auszutreten, derart, dass die Blase (402) eine Lichtübertragung durch die optische Region (323) blockiert;

    (c) nachfolgendes Erhöhen der Energie der Blase (402), um zu verursachen, dass sich die Blase (402) aus der optischen Region (323) bewegt, aufgrund der Differenz des Energiepotentials zwischen der optischen Region (323) und der Austritts-Region (327); und

    (d) Fließen der Flüssigkeit von der Quellen-Region (321) in die optische Region (323), um eine Lichtkommunikation zwischen einem Weg (340) und dem anderen Weg (346) wieder einzurichten, wenn sich die Blase (402) aus der optischen Region (323) bewegt.
  10. Eine Vorrichtung (300) zum Steuern der Bewegung eines Fluids, die folgende Merkmale aufweist:

    (a) eine Kapillare (312) mit Regionen (321, 323, 325, 327) mit unterschiedlichem Energiepotential innerhalb der Kapillare (312), wobei sich das Energiepotential auf die Einbringung einer wandbeschränkten Blase (402) eines zweiten Fluids in die Kapillare (312) bezieht, wenn die Kapillare (312) mit einem ersten Fluid gefüllt ist, das nicht mit dem zweiten Fluid mischbar ist, derart, dass das Energiepotential einer Region die minimale Energie ist, die erforderlich ist, um eine wandbeschränkte Blase eines gegebenen Volumens in die Region der Kapillare einzubringen, wobei die Regionen eine Quellen-Region (321), eine Tor-Region (323), eine Barriere-Region (325) und eine Austritts-Region (327) umfassen, die in dieser räumlichen sequentiellen Reihenfolge verbunden sind, und wobei die Energiepotentiale derart geordnet sind, dass

    (i) das Energiepotential der Quellen-Region (321) größer ist als das Energiepotential der Barriere-Region (325);

    (ii) das Energiepotential der Barriere-Region (325) größer ist als das Energiepotential der Tor-Region (323);

    (iii) das Energiepotential der Tor-Region (323) größer ist als das Energiepotential der Austritts-Region (327);

    (b) einen Blasenlieferer (316) zum Einbringen einer Blase (402) des zweiten Fluids in die Tor-Region (323); und

    (c) eine Leistungsversorgung (316) zum Erhöhen der Energie der Blase (402), um die Barriere des Energiepotentials zwischen der Tor-Region (323) und der Austritts-Region (327) derart zu überwinden, dass die Energiepotentialdifferenz zwischen der Tor-Region (323) und der Austritts-Region (327) verursacht, dass sich die Blase von der Tor-Region (323) an der Barriere-Region vorbei zu der Austritts-Region (327) bewegt.
Es folgen 13 Blatt Zeichnungen






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