(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトリソグラフィマスキングを用いたマイクロファブリケーション工程によって製造され、二軸力の検出能力を有するグリッピングデバイスであって、
（ａ）協働して前記物品を把持可能な、１本の駆動アームと１本の検出アームとを含む２本のグリッパアームと、
（ｂ）前記２本のグリッパアームの少なくとも１本に連結されておりかつ前記２本のグリッパアームを変形させ及び撓ませるように作動でき、前記駆動アームを駆動する、マイクロアクチュエータと、
（ｃ）前記検出アームを含む前記２本のグリッパアームのうち少なくとも１本に連結された１又は２以上の力センサを有し、前記１又は２以上の力センサは前記検出アームと前記駆動アームとともに動作可能であり、前記１又は２以上の力センサは、二軸に沿う力検出を可能とし、グリップ力及び前記２本のグリッパアームの端部に加えられる力をナノニュートンの分解能まで測定可能であり、
前記軸は（ｉ）前記グリッパアームの長手方向に延びたｘ方向軸を有し、前記グリッピングデバイスが前記検出アームと前記物品を把持する前記駆動アームに関する力フィードバックを生成可能とし、前記力フィードバックは接触フィードバックとして前記２本のグリッパアームの前記物品への接触の検出を示し、グリッピングフィードバックとして引張り強度又は接着力を示し、前記力フィードバックは前記２本のグリッパアームの破損を回避するために前記グリッピングデバイスによって用いられ、そして
（ii）前記ｘ方向軸に対して垂直に延びたｙ方向軸を有し、前記グリッピングデバイスが前記２本のグリッパアームの変形及び撓みに関する変位のフィードバックを生成可能とし、
（ｄ）前記２本のグリッパアームを機械的に連結し、かつ前記２本のグリッパアームを湿潤環境内での作動のために電気的に絶縁する、インシュレータウェーハハンドル層を有する、
ことを特徴とするグリッピングデバイス。
【請求項２】
前記マイクロアクチュエータは、曲りビーム電熱マイクロアクチュエータ、Ｕビーム電熱マイクロアクチュエータ、または、静電マイクロアクチュエータであることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項３】
前記力センサは、二軸の静電容量の力センサ、または、ピエゾ抵抗形の力センサであることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項４】
前記力センサは、横向き差動の静電容量コームドライブであることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項５】
前記グリッパアームは、撓み部材を介してマイクロアクチュエータに連結されていることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項６】
前記グリッパアームは、撓み部材を介して力センサに連結されていることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項７】
１ナノメートルから５００ミクロンまでの範囲の物品を把持できることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項８】
グリップすることおよび引っ張ることにより、マイクロ物品およびナノ物品の引張り強度または接着力を測定すべく作動できることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項９】
二軸力フィードバック間の交軸カップリングが最小化されていることを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項１０】
ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ベース材料が、アクチュエーション経路と検出経路との間の電気信号アイソレーションを達成することを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【請求項１１】
二軸力の検出能力を有するマイクログリッピングデバイスであって、
（ａ）協働して前記物品を把持可能な、１本の駆動アームと１本の検出アームとを含む２本のグリッパアームと、
（ｂ）少なくとも１本の前記グリッパアームに連結されており、かつ前記２本のグリッパアームを変形させ及び撓ませるように作動でき、前記駆動アームを駆動する、曲りビーム電熱マイクロアクチュエータと、
（ｃ）接触フィードバックおよびグリッピングフィードバックを可能にする力を検出すべく作動できる横向き差動静電コームドライブである１又は２以上の力センサであって、前記１又は２以上の力センサは、前記検出アームを含む前記２本のグリッパアームのうち少なくとも１本に連結され、前記１又は２以上の力センサは前記検出アーム及び前記駆動アームと協働可能であり、前記１又は２以上の力センサは、二軸に沿う力検出を可能とし、グリップ力及び前記２本のグリッパアームの端部に加えられる力をナノニュートンの分解能まで測定可能であり、
前記軸は（ｉ）前記グリッパアームの長手方向に延びたｘ方向軸を有し、前記グリッピングデバイスが前記検出アームと前記物品を把持する前記駆動アームに関する力フィードバックを生成可能とし、前記力フィードバックは接触フィードバックとして前記２本のグリッパアームの前記物品への接触の検出を示し、グリッピングフィードバックとして引張り強度又は接着力を示し、前記力フィードバックは前記２本のグリッパアームの破損を回避するために前記グリッピングデバイスによって用いられ、そして
（ii）前記ｘ方向軸に対して垂直に延びたｙ方向軸を有し、前記グリッピングデバイスが前記２本のグリッパアームの変形及び撓みに関する変位のフィードバックを生成可能とし、
（ｄ）前記マイクロアクチュエータと前記グリッパアームとを連結しかつ前記力センサと前記グリッパアームとを連結する撓み部材とを有することを特徴とするマイクログリッピングデバイス。
【請求項１２】
前記グリッピングデバイスは更に、キャパシタンス読取り回路と、力をピコニュートンまで下がるように分解可能な寸法を有する拘束スプリングを備えたことを特徴とする請求項１記載のグリッピングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連する出願）
本願は、２００６年６月２３日付カナダ国特許第２，５５１，１９１号の利益を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、マイクロシステムおよびナノシステム、およびマイクロテクノロジおよびナノテクノロジに関する。
【背景技術】
【０００３】
マイクロサイズおよびナノメートルサイズをもつ物品のインテリジェントマニピュレーション（例えば、把持およびグリッピング）には、集積形の力センサを備えた極小マイクログリッパの使用が必要とされる。現在、マイクロマニピュレーションおよびナノマニピュレーションは、一般に、光学的顕微鏡または電子顕微鏡からの視覚フィードバックに純粋に頼っている。マイクロニュートンレベルおよびナノニュートンレベルでの力フィードバックがなされないと、インテリジェントマイクロマニピュレーションおよびナノマニピュレーションが厳しく制限される。
【０００４】
極小化および電気的制御以外に、マイクログリッパは、次の条件を満たすため、多軸力フィードバックができなくてはならない。これらの条件とは、（ｉ）マイクログリッパを保護すること、およびマイクログリッパとマニピュレートすべき物品との接触を検出すること、および（ｉｉ）把持すべき物品を保護している間に確実な把持を行うため、把持している間にグリップ力フィードバックを行うことである。
【０００５】
力センサとマイクログリッパとを集積させることが困難であるため、既存のマイクログリッパの殆どは力フィードバックを行なっていない。力フィードバックを行わないと、力が制御されたマニピュレーションが不可能であり、マイクログリッパの破損を容易に引起こしかつマニピュレートすべき物品に損傷を与えてしまう。
【０００６】
下記非特許文献１において最近報告されている電熱駆動形（electrothermally driven）マイクログリッパの設計は、グリップ力の測定のみが可能な単軸ピエゾ抵抗形力センサに集積したものである。しかしながら、グリップ力検出分解能は幾分劣っており、マイクロ−ナノマニピュレーションが必要とする分解能より劣る大きさのミリニュートン程度である。
【０００７】
最近の論文である下記非特許文献２には、グリップ力のみを測定できる単軸静電容量形力センサを備えた静電駆動形マイクログリッパの設計が報告されている。静電作動の制限（力出力が小さいこと、変位が小さいことおよび駆動電圧が高いこと）により、このマイクログリッパの設計は、小さいサイズ範囲の物品を把持できるに過ぎない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. MolhaveおよびO. Hansen著「集積形の力フィードバックを行う電熱作動形マイクログリッパ」（Electrothermally actuated microgrippers with integrated force-feedback）」（J. of Micromechanics and Microengineering, 15(6), 第１２６５−１２７０頁、２００５年）
【非特許文献２】F. Beyeler、D.J. Bell、B.J. Nelson、Yu Sun、A. Neild、S. ObertiおよびJ. Dual著「ミクロンサイズ物品を取扱うマイクログリッパおよび超音波マニピュレータの設計」（Design of a micro-gripper and ultrasonic manipulator for handling micron sized objects）」（IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems、中国、北京、２００６年１０月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
既存の設計では、第二軸に沿うナノニュートンより小さい力を検出する能力をもたないため、マイクログリッパの保護およびマイクログリッパとマニピュレートすべき物品との接触の検出を行うことができない。必要とされることは、広範囲のサイズのマイクロ物品およびナノ物品を把持できかつ二軸力検出能力を備えているマイクログリッパの設計およびマイクロファブリケーションである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様では、本発明は、広範囲のサイズのマイクロ物品およびナノ物品を把持できかつ二軸力検出能力を備えたマイクログリッパの設計およびマイクロファブリケーションに、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム：microelectromechanical systems）技術を使用する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一実施形態では、集積形二軸力検出能力を有する電熱非駆動形マイクログリッパである集積形単一チップバッチマイクロファブリケーションＭＥＭＳデバイスが開示される。グリッピング運動は、曲りビームアクチュエータ等のアクチュエータにより発生される。曲りビームアクチュエータは、少ないパワーで済みかつ広範囲のグリップ力および変位を生じさせることができる。横向き差動静電容量形コームドライブを用いた面内ｘ方向およびｙ方向に沿う集積形力センサは、グリップ力並びに法線方向に沿ってマイクログリッパアームの端部に加えられる力を測定でき、両方とも、ナノニュートンより小さい分解能を有する。
【００１２】
他の態様では、マイクログリッパのマイクロファブリケーション法が提供される。
【００１３】
本発明のマイクログリッパ設計は、インテリジェントマイクロマニピュレーションおよびナノマニピュレーションでの使用に適した二軸力検出能力を有することに特徴を有する。また、曲りビーム電熱マイクロアクチュエータは、広範囲のサイズの物品を把持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】集積形二軸静電容量力センサを備えたマイクログリッパを示す図面である。
【図２】図１のマイクログリッパのＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】図１のマイクログリッパのＢ−Ｂ線における断面図である。
【図４】マイクログリッパを製造するマイクロファブリケーション段階を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の１つ以上の実施形態を単なる例示として説明する。図面には、本発明の１つ以上の実施形態が例示されている。本明細書の説明および添付図面は、図示および理解の補助のみを目的とするもので、本発明の限定を意図するものではないことを理解すべきである。
【００１６】
本発明の一実施形態において、電熱作動形マイクログリッパは、図１に示すように、４つの部品、すなわち（ｉ）グリッパアームＧ１を駆動するための電熱マイクロアクチュエータＤと、（ｉｉ）マイクロ物品およびナノ物品を把持すべく一緒に使用される駆動アームＧ１および検出アームＧ２と、（ｉｉｉ）力を変位に変換するのに使用されるリニアビーム撓み部材Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４およびＦ５と、（ｉｖ）変位を静電容量変化に変換するキャパシタＣｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１およびＣｙ２を形成する数対のキャパシタプレートとを有している。
【００１７】
この場合、電熱マイクロアクチュエータＤは、曲りビームマイクロアクチュエータである。しかしながら、例えばＵビーム電熱アクチュエータまたは静電アクチュエータ等の他の形式の電熱アクチュエータも可能でありかつ本発明の範囲内にあることを理解すべきである。また、静電容量形の力センサの代わりに、ピエゾ抵抗形の力センサを使用できることも理解すべきである。
【００１８】
電熱曲りビームマイクロアクチュエータＤは、撓み部材Ｆ３を介してマイクログリッパアームＧ１を撓ませる力を発生する。電極Ｅ１と電極Ｅ２との間に電圧および電流を加えることにより電熱力が発生されると、Ｆ３の直線運動が駆動アームＧ１の回転運動に変換される。電熱マイクロアクチュエータの単一の曲りビームからの変位および駆動力は、
【数１】
0005591535.tif 000002
【数２】
0005591535.tif 000003
ここで、αはビーム材料の熱膨張係数、Ｅはヤング係数、ｌdはビーム長、Ａdはビーム断面積、Ｉdは慣性モーメント、およびθは曲りビームの曲り角である。撓み部材Ｆ１の曲りはグリッパアームＧ１の反力を増大させるが、撓み部材Ｆ１の曲りからのこの寄与は僅かであり、従って無視できる。グリッパアームＧ１の端部の変位は、曲りビームマイクロアクチュエータの変位からの増幅定数により増幅される。
【００１９】
第二マイクログリッパアームＧ２は、撓み部材Ｆ２、Ｆ５により支持されており、かつ静電容量形力力センサＣｙ１、Ｃｙ２に連結されている。第二マイクログリッパアームＧ２は、協働して差動コームドライブ（differential comb drive）を形成する横向きコームドライブＣｙ１、Ｃｙ２の可動キャパシタプレートにグリップ力を伝達する。グリップ力Ｆgが加えられると、撓み部材Ｆ５が変形され、電極Ｅ３、Ｅ４およびＥ５を介してコームドライブＣｙ１、Ｃｙ２が測定される。撓み部材Ｆ２の曲げ力により、第二マイクログリッパアームの回転運動が直線運動に変換されるが、この直線運動は小さくて、無視できるものである。
【数３】
0005591535.tif 000004
ここで、ｌは撓み部材Ｆ５の長さ、ｔは面外厚さ、ｗgは面内幅、およびｘは撓みである。
【００２０】
各コームドライブのキャパシタンスＣは、
【数４】
0005591535.tif 000005
ここで、ε0は誘電定数、ｎはキャパシタプレート対の数、Ａはオーバーラップ面積、ｄはギャップ距離である。オーバーラップ面積Ａの代わりにギャップｄを変えると、小さい変位Δｄで大きいキャパシタンス変化が得られ、従って力検出の分解能が高くなる。
【００２１】
マイクログリッパがマイクロ物品に接近すると、純粋な視覚フィードバックからマイクログリッパと基板との接触を検出することは困難である。従って、マイクログリッパの破損を回避するには、接触検出を行うのにｘ方向（すなわち長手方向）の力フィードバックが必要になる。また、ｘ方向の力フィードバックは、基板上にくっ付いた生物学的細胞等の引張り強度または接着力を、グリップしかつ引っ張ることにより測定するのにも使用できる。撓み部材Ｆ３、Ｆ４が撓むと、電極Ｅ６、Ｅ７およびＥ８を介してキャパシタンス変化Ｃｘ１、Ｃｘ２が測定される。キャパシタンス変化Ｃｘ１、Ｃｘ２は、協働して差動コームドライブを形成する。
【００２２】
撓み部材Ｆ１、Ｆ２は、ｙ方向に（すなわち横方向）に変形するように設計されており、ｙ方向に力を伝達する。これに対し、撓み部材Ｆ３は、ｘ方向に変形するように設計されておりかつｘ方向に力を伝達する。Ｆ４、Ｆ５は、撓み部材として機能する以外に、電気信号ルーチングにも使用される。撓み部材Ｆ５は、ｘ方向に充分大きい剛性を有し、グリッパアームＧ１、Ｇ２の回転運動からキャパシタＣｙ１、Ｃｙ２を保護するように設計されなくてはならない。
【００２３】
力−変位の変化とキャパシタンス−電圧の変化との間にリニアな関係を得るには、差動コームドライブ構造がＣｘおよびＣｙについて下記のように使用される。
【数５】
0005591535.tif 000006
，
0005591535.tif 000007
【数６】
0005591535.tif 000008
，
0005591535.tif 000009
ここで、ｄ1およびｄ2は、ｘ方向およびｙ方向に沿う２つの静電容量プレートの間のそれぞれ小さいギャップおよび大きいギャップ、ｘはｘ方向の撓み、ｙはｙ方向の撓み、および、ＡxおよびＡyはオーバーラップ面積である。キャパシタＣｘ１、Ｃｘ２のキャパシタプレートは、ｘｚ平面に対して平行に配向されている。キャパシタＣｙ１、Ｃｙ２のキャパシタプレートはｙｚ平面に対して平行に配向されている。グリップ力Ｆgを決定するため、撓み部材Ｆ５の撓みがＣｙ１、Ｃｙ２を介して測定される。マイクログリッパアームの垂線方向への力Ｆxを決定するため、Ｃｘ１、Ｃｘ２が測定される。
【００２４】
マイクログリッパアームの長さＬは、例えば生物学的細胞を取扱う場合のような湿潤環境内で作動する目的から、３．０ｍｍより長くすることができる。両アームを機械的に連結しかつ電気的に絶縁するため、両グリッパアームは、好ましくは、図２および図３に示すように、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ：Silicon on Insulator）ウェーハのハンドル層を用いて連結される。構造体を形成しかつ電気的信号ルーチングを達成するため、埋入酸化物層、デバイス層およびハンドル層が一緒に使用される。
【００２５】
図４には、マイクログリッパのマイクロファブリケーション工程が一例として示されている。用途の必要性に従って、一例として、厚さが２００μｍから５００μｍであるハンドル層と、厚さが１μｍから２μｍである二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）と、厚さが０．５μｍから３００μｍであるデバイス層とを有するＳＯＩウェーハが選択される。マイクログリッパを製造するには、全部で４つのフォトリソグラフィマスクが必要とされる。
【００２６】
より詳しくは、図示の特定段階は下記の段階を有している。
（Ａ）ＳＯＩウェーハのハンドル層上に二酸化ケイ素を蒸着する。
（Ｂ）二酸化ケイ素をパターン化して、ＤＲＩＥ（ディープリアクティブイオンエッチング：Deep Reactive Ion Etching）エッチマスクを形成する（マスク１）。
（Ｃ）フォトレジストの中央部が除去され（マスク２）、かつウェーハのハンドル層が、電気的絶縁および機械的連結を行う構造体を形成する５０μｍまでエッチングされる。
（Ｄ）二酸化ケイ素の中央部がエッチングされる。
（Ｅ）ウェーハのハンドル層が、ハンドル層の厚さからハンドル層の厚さの１／２までの厚さを引いた厚さ、例えば５０μｍまで再びエッチングされる。
（Ｆ）埋入酸化物層がエッチングされる。
（Ｇ）電子ビーム蒸発によりオーミック接触が形成され、かつリフト・オフによりパターン化される（マスク３）。
（Ｈ）ウェーハのデバイス層がエッチングされ、その構成要素（この場合、この例のマイクログリッパ用のグリッパアーム、撓み部材、曲りビームアクチュエータおよびコームドライブ（マスク４）を含む）が形成される。
【００２７】
拘束スプリング（tethering spring）の寸法およびキャパシタンス読取り回路を変更することにより、本発明によるデバイスが、力をピコニュートンまで下がるように分解できることに留意されたい。このレベルでの力の分解により、広範囲の用途、特に、個々の分子がマニピュレートされかつ特徴付けられるナノデバイス組立体および生物理学の研究に使用できる。
【００２８】
本発明は、一定範囲のマイクロナノ物品を把持しかつ二軸に沿う力を検出する作動範囲に関して第一の本質的特徴を有することを理解されたい。この領域で障害となることは、アクチュエータと力センサとをモノリシック集積させることにあるが、これは、本発明により達成できる。また本発明は、二軸に沿う力検出の新規なデカップリング方法を提供する。
【００２９】
当業者ならば、本発明の範囲から逸脱することなく、本願で説明した１つ以上の実施形態の他の変更が可能でありかつ実施できることは明らかであろう。
【符号の説明】
【００３０】
Ｃｘ１、Ｃｘ２  キャパシタ
Ｃｙ１、Ｃｙ２  キャパシタ（コームドライバ）
Ｄ  電熱マイクロアクチュエータ
Ｅ１〜Ｅ８  電極
Ｆ１〜Ｆ５  撓み部材
Ｇ１  グリッパアーム（駆動アーム）
Ｇ２  第二マイクログリッパアーム（検出アーム）
【図１】
0005591535.tif 000010
【図２−３】
0005591535.tif 000011
【図４】
0005591535.tif 000012