(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小試料を把持するために開閉自在な第１アームおよび第２アームと、
前記第１アームを駆動する第１固定電極および第１可動電極と、前記第２アームを駆動する第２固定電極および第２可動電極とを備えた静電アクチュエータと、
前記第１固定電極と前記第１可動電極の間に直流電圧を印加する第１直流電圧源と、
前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に直流電圧を印加する第２直流電圧源と、
前記第１固定電極と前記第１可動電極の間に印加される直流電圧と、前記第１アームの駆動距離との対応関係を第１電圧出力パターンとして記憶し、且つ、前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に印加される直流電圧と、前記第２アームの駆動距離との対応関係を第２電圧出力パターンとして記憶しておく記憶手段と、
前記第１電圧出力パターンおよび前記第２電圧出力パターンとしてそれぞれ記憶されている対応関係に基づいて、前記第１アームの駆動距離と前記第２アームの駆動距離を同じにするための直流電圧を前記第１直流電圧源および前記第２直流電圧源から発生させる対称駆動制御手段とを備えた微小試料把持装置であって、
前記第１固定電極は第１の櫛歯状凹凸部を有し、且つ前記第１可動電極は前記第１の櫛歯状凹凸部と噛合する第２の櫛歯状凹凸部を有しており、
前記第２固定電極は第３の櫛歯状凹凸部を有し、且つ前記第２可動電極は前記第３の櫛歯状凹凸部と噛合する第４の櫛歯状凹凸部を有しており、
前記第１の櫛歯状凹凸部および前記第２の櫛歯状凹凸部が密着する第１プルイン状態を生じさせる第１ロック電圧、および、前記第１プルイン状態を解除する第１アンロック電圧は櫛歯移動距離に対応して前記記憶手段に記憶されており、
前記第３の櫛歯状凹凸部および前記第４の櫛歯状凹凸部が密着する第２プルイン状態を生じさせる第２ロック電圧、および、前記第２プルイン状態を解除する第２アンロック電圧は櫛歯移動距離に対応して前記記憶手段に記憶されていることを特徴とする微小試料把持装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微小試料把持装置において、
前記第１アンロック電圧と前記第２アンロック電圧を所定の時間差をもって発生させる制御手段をさらに備えることを特徴とする微小試料把持装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の微小試料把持装置において、
前記記憶手段に記憶されている複数種類の対応関係から、何れか一の対応関係を選択する選択手段をさらに備えることを特徴とする微小試料把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小試料把持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノピンセットは、一対のアームの先端部の開閉動作により、ナノオーダーあるいはミクロンオーダーサイズの微小物体を把持し、移送し、開放する機能を有する。従来、一対のアームの開閉を行わせるためのアクチュエータとしては、静電方式、熱方式、圧電方式など種々のものが提案されている。静電方式のアクチュエータとしては、一対のアームのそれぞれに形成された櫛歯電極間に働く静電力によりアームを開閉させるものや、往復運動する搬送子を用いて各アームを所定量ずつ駆動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−５２０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一対のアームの機械的特性、例えば弾性特性は製造バラツキなどのために厳密に同一とするのは難しく、左右で異なっている場合が多い。そのため、櫛歯電極間に働く静電力によりアームを開閉させるものでは、一対のアームの動きが左右対称とならないという不都合が生じる。また、搬送子を用いる装置においても、上述したアームの機械的特性や、各アーム毎に設けられた搬送子駆動用静電アクチュエータのバラツキ等により、左右アームの動きにアンバランスが生じる。そのため、いずれの装置の場合も、試料の把持および解放を正確に行えないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る微小試料把持装置は、微小試料を把持するために開閉自在な第１アームおよび第２アームと、前記第１アームを駆動する第１固定電極および第１可動電極と、前記第２アームを駆動する第２固定電極および第２可動電極とを備えた静電アクチュエータと、前記第１固定電極と前記第１可動電極の間に直流電圧を印加する第１直流電圧源と、前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に直流電圧を印加する第２直流電圧源と、前記第１固定電極と前記第１可動電極の間に印加される直流電圧と、前記第１アームの駆動距離との対応関係を第１電圧出力パターンとして記憶し、且つ、前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に印加される直流電圧と、前記第２アームの駆動距離との対応関係を第２電圧出力パターンとして記憶しておく記憶手段と、前記第１電圧出力パターンおよび前記第２電圧出力パターンとしてそれぞれ記憶されている対応関係に基づいて、前記第１アームの駆動距離と前記第２アームの駆動距離を同じにするための直流電圧を前記第１直流電圧源および前記第２直流電圧源から発生させる対称駆動制御手段とを備えた微小試料把持装置であって、前記第１固定電極は第１の櫛歯状凹凸部を有し、且つ前記第１可動電極は前記第１の櫛歯状凹凸部と噛合する第２の櫛歯状凹凸部を有しており、前記第２固定電極は第３の櫛歯状凹凸部を有し、且つ前記第２可動電極は前記第３の櫛歯状凹凸部と噛合する第４の櫛歯状凹凸部を有しており、前記第１の櫛歯状凹凸部および前記第２の櫛歯状凹凸部が密着する第１プルイン状態を生じさせる第１ロック電圧、および、前記第１プルイン状態を解除する第１アンロック電圧は櫛歯移動距離に対応して前記記憶手段に記憶されており、前記第３の櫛歯状凹凸部および前記第４の櫛歯状凹凸部が密着する第２プルイン状態を生じさせる第２ロック電圧、および、前記第２プルイン状態を解除する第２アンロック電圧は櫛歯移動距離に対応して前記記憶手段に記憶されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、一対のアームが対称駆動されるように、一対のアクチュエータへそれぞれ異なる駆動信号を印加するようにしたので、試料の把持および解放を正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態によるナノピンセット装置について図を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態によるナノピンセット装置全体の概略を示す構成図である。ナノピンセット装置５０は、ナノピンセット１と、コントローラ２とを備えている。コントローラ２にはＤＣ電源２０ａ，２０ｂおよび制御部４０が設けられている。制御部４０には操作ダイヤルや操作スイッチ等が設けられる操作部４０ａとデータ記憶用の記憶部４０ｂが設けられている。ナノピンセット１は、後述するようにＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。ＳＯＩウエハは、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ２層を形成し、ＳｉＯ２層を介して貼り合わせたものである。
【０００８】
図１に示すように、ナノピンセット１は、一対のアーム３ａ，３ｂと、一対の静電アクチュエータ４ａ，４ｂと、一対の支持部７ａ，７ｂと、一対の連結部８ａ，８ｂと、一対のアーム支持部９ａ，９ｂと、台座１０とを備える。静電アクチュエータ４ａには、固定電極５ａおよび可動電極６ａが設けられ、静電アクチュエータ４ｂには固定電極５ｂおよび可動電極６ｂが設けられている。台座１０は、不図示のホルダに着脱可能に取り付けられ、そのホルダは、不図示の移動機構により３次元方向に移動可能であり、これにより、ナノピンセット１全体が３次元方向に移動可能となっている。
【０００９】
図２を参照しながら、ナノピンセット１の構造を詳しく説明する。図２は、図１に示すナノピンセット１を拡大して示す平面図である。図２以下では、ナノピンセット１の左右対称に設けられる構成部品については、主として左側についてのみ説明する。固定電極５ａおよび可動電極６ａは、いずれも櫛歯形状を呈しており、相互に複数の櫛歯が噛み合うように対向配置されている。固定電極５ａは台座１０に固定されているが、可動電極６ａは、細いビーム状の支持部７ａによって台座１０に弾性的に固定されている。アーム３ａ，３ｂは、それぞれ細いビーム状のアーム支持部９ａ，９ｂを介して台座１０に弾性的に固定されている。アーム３ａと可動電極６ａとは連結部８ａによって連結され、アーム３ｂと可動電極６ｂとは連結部８ｂによって連結されている。
【００１０】
ナノピンセット１には、左側電極端子２ａ、左側電極端子２ｂ、左アーム用電極端子２ｃ、右アーム用電極端子２ｄ、右側電極端子２ｅ、右側電極端子２ｆおよびアース電極端子２ｇが形成されている。左側電極端子２ａは固定電極５ａに接続され、左側電極端子２ｂは可動電極６ａに接続され、左アーム用電極端子２ｃはアーム３ａに接続されている。右アーム用電極端子２ｄはアーム３ｂに接続され、右側電極端子２ｅは可動電極６ｂに接続され、右側電極端子２ｆは固定電極５ｂに接続され、アース電極端子２ｇは台座１０に接続されている。これら７つの電極端子２ａ〜２ｇとコントローラ２の７つの端子２ａ〜２ｇとが、対応する符号同士接続されている。
【００１１】
コントローラ２において、左側電極２ａ，２ｂの間にはＤＣ電源２０ａが接続され、右側電極２ｅ，２ｆの間にはＤＣ電源２０ｂが接続されている。左側電極２ａ，２ｂ間に直流電圧を印加することにより、固定電極５ａと可動電極６ａとの間にクーロン力による静電引力を発生させ、可動電極６ａを固定電極５ａに対して動かすことができる。右側の固定電極５ｂ，可動電極６ｂについても同様に動作する。制御部４０はＤＣ電源２０ａ，２０ｂをそれぞれ独立に制御し、静電アクチュエータ４ａ，４ｂに印加される駆動電圧を独立に制御する。
【００１２】
左アーム用電極端子２ｃと右アーム用電極端子２ｄは、アーム３ａ，３ｂ間に作用する電気量などを検出するために設けられている。そのため、アーム３ａ，３ｂは、それぞれ可動電極６ａ，６ｂとは絶縁されている。アース電極端子２ｇは、台座１０が浮遊電極になるのを防ぐために設けられている。また、チップ抵抗Ｒ１〜Ｒ６は、ナノピンセット１に人体が接触したり、ナノピンセット１とコントローラ２とを結ぶケーブルが電磁波を受けたりしてノイズが混じるのを防ぐために設けられている。
【００１３】
図３は、図１に示すナノピンセット１の要部を示す平面図である。可動電極６ａと固定電極５ａとの間に電圧を印加すると、可動電極６ａが固定電極５ａに対して、図３の右方向（ｘ方向）に動くことにより、アーム３ａがｘ方向に駆動される。電圧印加を解除すると、アーム３ａは元の位置、つまり図３に示す位置へ復帰する。右側については動作が反転するだけであり、同様に、可動電極６ｂが固定電極５ｂに対して、図中、左方向に動くことにより、アーム３ｂが左方向に駆動される。したがって、アーム間隔Ｄを変えることができ、微小物体を把持したり解放したりすることができる。
【００１４】
ここで、静電アクチュエータ４ａ，４ｂの動作原理を説明する。
図４は、ナノピンセット１の固定電極５ａおよび可動電極６ａの一部を模式的に示す斜視図である。印加電圧Ｖ＝０の初期状態におけるアーム間隔ＤをＤ０とする。櫛歯型静電アクチュエータの典型的なモデルでは、固定電極５ａと可動電極６ａとの間に生じる静電容量Ｃcomb(ｘ)は、可動電極６ａの初期位置からの移動距離ｘの関数として式（１）で与えられる。但し、式（１）において、ε０は真空の誘電率、ｗは櫛歯の幅、ｌ０は櫛歯先端と対向する電極の壁面との初期間隔、ｌは櫛歯の長さ、ｇは櫛歯間のギャップ、ｂは櫛歯の厚み、Ｖは印加電圧、Ｎは櫛歯の本数であり、これらは図４に対比させて示されている。
【数１】
0004562615.tif 000002
【００１５】
このとき、可動電極６ａ，固定電極５ａ間に蓄えられるエネルギーはＣcomb(ｘ)Ｖ２／２なので、電極間に発生するクーロン力（静電気力）Ｆcomb(ｘ)は式（２）で与えられる。
【数２】
0004562615.tif 000003
【００１６】
次に、アーム３ａが初期位置から閉じるように移動した場合の弾性力について説明する。図２に示すようにアーム３ａと可動電極６ａとは連結部８により一体とされ、それらは支持部７ａおよびアーム支持部９ａにより弾性的に支持されている。ただし、支持部７ａの弾性力に対してアーム支持部９ａの弾性力は比較的小さいので、以下ではアーム支持部９ａの弾性力を無視して説明する。
【００１７】
可動電極６ａに設けられた一対の支持部７ａを片持ち梁とみなして、モールの定理により導かれる応力の一般式を用いると、支持部７ａの弾性力Ｆel（ｘ）は、可動電極６ａの移動距離ｘの関数として式（３）のように表される。式（３）において、Ｌは支持部７ａの長さ、Ｂは支持部７ａの幅、ｈは支持部７ａの厚さ、Ｅ（GPa）はシリコンの横弾性係数、Ｎｓは支持部７ａの数である。
【数３】
0004562615.tif 000004
【００１８】
左右のアーム３ａ，３ｂが互いに接触してアーム間隔Ｄが０となったときの可動電極６ａの移動距離をｘdとすると、式（３）で表される支持部７ａの弾性力Ｆe l （ｘ）は、０≦ｘ＜ｘdの範囲で成り立つ。アーム間隔Ｄが０となった後に、さらに可動電極６ａが移動してアーム３ａ，３ｂが変形すると、アーム３ａと３ｂの変形による弾性力が上記Ｆe l （ｘ）に加算されることになる。このとき、アーム３ａ，３ｂをアーム先端から連結部８の力点までを片持ち梁状構造体（バネ定数をｋとする）と仮定すると、アーム３ａ，３ｂの変形による弾性力はｋ（ｘ−ｘd）にて表され、ｘd ≦ｘ＜ｌ０の範囲では、式（４）のように表される。ｌ０は櫛歯の先端と谷部との隙間の初期値であり、ｘ＝ｌ０のとき隙間はゼロとなる。
【数４】
0004562615.tif 000005
【００１９】
図５は、式（２）で表されるクーロン力Ｆcomb(ｘ)と、式（３）、（４）で表される弾性力Ｆe l （ｘ）を、可動電極６ａの移動距離である櫛歯移動距離ｘに関して示したものである。図５において、縦軸はクーロン力または弾性力を、横軸は櫛歯移動距離ｘをそれぞれ表している。
【００２０】
曲線Ｃ１，Ｃ２は印加電圧がＶ１，Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）の場合のクーロン力を示し、直線部Ｅ１は式（３）による弾性力を、直線部Ｅ２は式（４）による弾性力をそれぞれ示している。上述したようにｘdはアーム３ａ，３ｂが互いに接触した時の移動距離であり、ｘ＞ｘｄではアーム３ａ，３ｂの変形による弾性力が加わるため、直線部Ｅ２の傾きは直線部Ｅ１の傾きよりも大きくなっている。
【００２１】
《動作説明》
次に、ナノピンセット１の開閉動作について説明する。上述したように、連結部８ａにより一体となった可動電極６ａおよびアーム３ａは、支持部７ａおよびアーム支持部９ａにより弾性支持されている。そのため、電極５ａ，６ａに電圧を印加すると、電極間に働くクーロン力（式（２）参照）によるアーム３ａを閉じようとする力と、そのクーロン力に反してアーム３ａを初期位置に戻そうとする弾性力とが釣り合う位置まで可動電極６ａおよびアーム３ａが移動することになる。ただし、ここでは、上述したようにアーム支持部９ａの弾性力は無視して考える。
【００２２】
そして、印加電圧を大きくする程この櫛歯移動距離ｘは大きくなり、アーム間隔Ｄ（図３参照）が小さくなる。図５における曲線Ｃ１と直線部Ｅ１との交点は、印加電圧がＶ１のときにクーロン力と弾性力とが釣り合う位置を表しており、図２１（ａ）に示すように櫛歯移動距離はｘaでアーム間隔は（Ｄ０−２ｘa）となる。なお、Ｄ０は、櫛歯移動距離ｘがｘ＝０のときのアーム間隔初期値である。
【００２３】
図６は、印加電圧Ｖと櫛歯移動距離ｘとの関係を示す図である。印加電圧Ｖを０から徐々に大きくすると、曲線Ｆ１上を左端から右方向へと移動して櫛歯移動距離ｘが大きくなる。上述したように、印加電圧Ｖ１では櫛歯移動距離はｘaとなり、印加電圧をＶ３に増加すると櫛歯移動距離がｘdとなって図２１（ｂ）に示すようにアーム３ａ，３ｂ同士が接触する。さらに印加電圧を増加させると、図２２（ａ）に示すように可動電極６ａ，６ｂはアーム３ａ，３ｂを変形させつつ移動する。このとき、アーム３ａ，３ｂの変形による弾性力が加わるため、電圧変化に対する移動距離変化傾向がｘ＝ｘdの前後で変化する。
【００２４】
図５において、印加電圧を徐々に大きくすると、クーロン力を示す曲線は右上がりの傾向が大きくなると共に全体的に図示上方へと移動する。そのため、クーロン力の曲線と弾性力に関する直線部Ｅ１，Ｅ２との交点は右方向へ移動する。すなわち、印加電圧Ｖの増加に伴う交点の右方向への移動が、図６の曲線Ｆ１上における右方向への移動に対応している。
【００２５】
（プルインに関する説明）
ところで、印加電圧をさらに増加させてＶ２とすると、図５の曲線Ｃ２のように直線部Ｅ１，Ｅ２よりも常に上側となる。すなわち、どのような櫛歯移動距離ｘであってもクーロン力が常に弾性力を上回る状態（クーロン力＞弾性力）となり、印加電圧をそれ以上増加させなくても可動電極６が固定電極５ａに引き寄せられ、図２２（ｂ）に示すような密着状態となる。このような現象のことを、プルイン(Pull-in）現象と呼ぶ。
【００２６】
このようなプルイン現象が発生する電圧は、クーロン力の曲線と弾性力の直線部Ｅ１，Ｅ２との接点が無くなる電圧Ｖｐであって、ここでは電圧Ｖｐをロック電圧と呼ぶことにする。なお、本実施の形態では、プルイン時に固定電極５ａと可動電極６ａとが短絡するのを防止するために、７０ｎｍ程度の厚さの絶縁層が固定電極５ａおよび可動電極６ａの表面に形成されている。
【００２７】
図６において、印加電圧ＶをＶ３からＶｐへと徐々に増加させると、櫛歯移動距離ｘはｘdからｘbへと移動する。そして、印加電圧がロック電圧Ｖｐに達すると、ｘbからｘpまで急激に移動して可動電極６ａが固定電極５ａに密着する。なお、プルイン状態における移動距離ｘpは櫛歯電極の初期間隔ｌ０に等しい。
【００２８】
印加電圧がＶｐとなる直前におけるアーム３ａ，３ｂの把持力は、アーム変形量（ｘb−ｘd）に対応した弾性力であるが、プルイン状態（Ｖ＝Ｖｐ）になるとアーム変形量（ｘp−ｘd）に対応した弾性力へと増加するので、その弾性力増分はアーム３ａ，３ｂをさらに（ｘp−ｘb）だけ変形させるのに要する力に等しい。すなわち、わずかな電圧増加で把持力を大きく増加させることができる。なお、上述した把持力は、図２２（ｂ）に示すようにアーム３ａ，３ｂ間に試料を把持していない場合の値であり、試料を把持した場合には試料の寸法に応じて異なる。
【００２９】
このように、プルイン状態では大きなクーロン力によって可動電極６ａが固定電極５ａに密着して固定状態となっているため、電極５ａ，６ａ同士が一体になっているとみなすことができる。その結果、ナノピンセット１に対して、搬送に伴う振動が加わったり、外部衝撃が加わったりしても、安定して試料を把持し続けることができ、試料搬送の信頼性を著しく向上させることができる。
【００３０】
（プルアウトに関する説明）
次に、プルイン状態の解除動作について説明する。プルイン状態を解除するためには、ロック電圧Ｖｐとなっている印加電圧を減少させれば良い。実際に印加電圧をＶｐから減少させると、図６の直線Ｆ２に示すように印加電圧がＶｒとなるまでプルイン状態が継続され、可動電極６ａは固定電極５ａに密着したままである。そして、印加電圧がＶｒとなったときにプルイン状態が解除され、弾性力と印加電圧Ｖｒにおけるクーロン力とが釣り合う櫛歯移動距離ｘrまで可動電極６ａが移動する。図６に示す例では、ｘr＜ｘdとなっているので、アーム３ａ，３ｂが開くことになる。ここでは、電圧Ｖｒをアンロック電圧と呼ぶことにする。
【００３１】
このように、プルイン状態となる電圧（ロック電圧Ｖｐ）とプルイン状態が解除される電圧（アンロック電圧Ｖｒ）とが異なる原因として、次のような理由が考えられる。図２３はアンロック電圧Ｖｒを説明する図であり、クーロン力または弾性力と櫛歯移動距離ｘとの関係を示したものである。なお、図２３では、櫛歯移動距離ｘが小さい領域については、説明に必要ない領域であるので図示を省略した。
【００３２】
図２３において、曲線Ｃ（Ｖｐ）は印加電圧がロック電圧Ｖｐのときのクーロン力を示しており、曲線Ｃ（Ｖｒ）は印加電圧がアンロック電圧Ｖｒのときのクーロン力を示している。曲線Ｃ（Ｖｒ）は、櫛歯移動距離ｘrで直線部Ｅ１と交わっている。また、曲線Ｃ（Ｖ４）は印加電圧Ｖ４のときのクーロン力を示しており、Ｖｐ＞Ｖ４＞Ｖｒである。
【００３３】
前述したように、固定電極５ａおよび可動電極６ａには、プルイン状態のときに電極５ａ，６ａ同士が短絡しないように表面に絶縁層が形成されている。また、電極５ａ，６ａの接触面は理想的な平面ではなく微少な凹凸が有るため、プルイン状態のときに電極５ａ，６ａ間の距離は厳密にはゼロになっていない。そのため、プルイン状態となっていても、電極５ａ，６ａ間には絶縁層の厚さΔｘ0に相当する隙間が形成されている。すなわち、プルイン状態の時の櫛歯移動距離ｘpはｘp＝ｌ０−Δｘ0となっている。
【００３４】
仮に、絶縁層が無く、固定電極５ａと可動電極６ａとが厳密に密着していた場合、櫛歯移動距離ｘはｘ＝ｌ０となるので、電極５ａ，６ａに僅かでも電圧が印加されていれば、プルイン状態のｘ＝ｌ０ではクーロン力が無限大となる。しかし、実際には接触面に凹凸や自然酸化膜があったり、上述したように絶縁層が形成されていたりするため、プルイン状態となっていてもクーロン力が無限大になることはない。
【００３５】
例えば、図２３に示す例では、厚さΔｘ0の絶縁層が形成されているので、プルイン状態（ｘ＝ｘp）であっても、曲線Ｃ（Ｖｐ），Ｃ（Ｖ４），Ｃ（Ｖｒ）で示したクーロン力は無限大になっていない。このとき、ロック電圧Ｖｐのプルイン状態から印加電圧ＶをＶ４まで減少させた場合を考えると、図２３のクーロン力曲線Ｃ（Ｖ４）からも分かるように、櫛歯移動距離ｘpにおいてはクーロン力＞弾性力となっている。そのため、可動電極６ａが固定電極５ａから離れることはなく、プルイン状態が維持される。
【００３６】
ところが、さらに印加電圧Ｖを下げてＶ＝Ｖｒとすると、櫛歯移動距離ｘpにおけるクーロン力曲線Ｃ（Ｖｒ）の位置が弾性力を表す直線部Ｅ２よりも下側となって、クーロン力＜弾性力となる。その結果、弾性力によりアーム３ａ，３ｂは開く方向に駆動されて櫛歯移動距離ｘrまで戻り、その位置でクーロン力と弾性力とが釣り合う。すなわち、可動電極６ａのプルイン状態が解除されてアンロック状態となり、アーム３ａ，３ｂが開いた状態となる。
【００３７】
このように、印加電圧Ｖを制御することにより、アーム３ａ，３ｂの開閉、プルインおよびプルイン解除を行うことができる。ところで、図６に示すように、プルインの際の可動電極６ａの移動量は（ｘp−ｘb）であり、絶縁層の膜厚Δｘ0を調整することによりプルイン時の把持力増分を調整することができる。また、絶縁層の膜厚Δｘ0を大きくすることにより、プルイン解除時の可動電極６ａの移動量（ｘp−ｘr）を小さくすることも可能である。
【００３８】
例えば、図２３において絶縁層膜厚を（ｌ０−ｘc）のように大きくした場合、プルイン時のアーム３ａ，３ｂの変形量増加（ｘc−ｘd）は、膜厚Δｘ0の場合の変形増加量＝ｘp−ｘdよりも小さくなる。その結果、プルイン状態における把持力の増加を小さくすることができ、例えば、生物試料のような強く把持したくない試料に好適である。
【００３９】
印加電圧をロック電圧ＶｐからＶ＝Ｖ４へと減少させると、クーロン力曲線Ｃ（Ｖ４）の位置が弾性力を表す直線部Ｅ２よりも下側となって、クーロン力＜弾性力となる。その結果、弾性力によりアーム３ａ，３ｂは開く方向に駆動されて櫛歯移動距離ｘeまで戻り、その位置でクーロン力と弾性力とが釣り合う。上述した膜厚＝ｌ０−ｘpの場合には、印加電圧をＶｒまで下げないとプルインを解除できなかったが、膜厚＝ｌ０−ｘc（＞ｌ０−ｘp）の場合にプルイン解除に必要な印加電圧減少量を小さくできる。さらに、プルイン解除時の櫛歯移動距離を小さくすることができ、図２３の場合にはｘe＞ｘdであるためアーム３ａ，３ｂは開かない。
【００４０】
図７は、ナノピンセット装置５０による各々の状態相互の移行の様子を示す図である。図７では、電圧上昇時の電圧であってアンロック電圧Ｖｒと等しい電圧をクローズ電圧と呼び、クローズ電圧印加時の状態をクローズ状態と呼ぶ。通常、微小試料の把持の場合は、オープン状態からクローズ状態を経由してロック状態へ移行し、試料解放の場合は、ロック状態からアンロック状態を経由してオープン状態へ戻る。しかし、大電圧を急激に印加してオープン状態から直接にロック状態へ移行することも可能であり、また、ロック電圧Ｖｐをアンロック電圧以下に急激に低下させてロック状態からオープン状態へ移行することも可能である。
【００４１】
図８は、図１に示す操作部４０ａが設けられる操作パネル４１を示す図である。操作パネル４１には、操作部４０ａとして電源スイッチ４２、オープンスイッチ４３、ロック／アンロックスイッチ４４、グリップスイッチ４５、電圧調整ノブ４６および出力パターン選択ダイヤル４７が設けられている。出力パターン選択ダイヤル４７は、左アーム用選択ダイヤル４７ａと右アーム用選択ダイヤル４７ｂとで構成される。オープンスイッチ４３およびグリップスイッチ４５をそれぞれオンすると、アーム３ａ，３ｂのオープン動作およびグリップ動作をそれぞれ行わせることができる。
【００４２】
ロック／アンロックスイッチ４４は電源オン後に、最初に操作されるとロック動作が行われてプルイン（ロック）状態となり、再度操作するとプルイン解除動作が行われてアンロック状態と行われる。また、プルイン状態でオープンスイッチ４３が操作されると、ロック／アンロックスイッチ４４は電源オン直後の初期状態となり、同時に、クローズ状態或いはロック状態となる直前のオープン電圧（必ずしも０ではない）出力状態に復帰する。すなわち、ナノピンセット装置５０は、再びロック／アンロックスイッチ４４を操作すればロック動作が行われる状態となり、また、オープン電圧により決められたアーム間距離を保持している。電圧調整ノブ４６は、回転させることにより連続的に印加電圧を変化させることができ、例えば上記のオープン電圧の設定を行うこともできる。グリップスイッチ４５をオン操作すると、上述したクローズ電圧印加により、アーム３ａ，３ｂによる試料のグリップを行わせることができる。
【００４３】
ところで、ナノピンセット１の機械的特性（例えば、アーム３ａ，３ｂ、支持部７ａ，７ｂおよびアーム支持部９ａ，９ｂの弾性係数）はナノピンセット毎に微妙に異なり、また、左側と右側の機械的特性も同一であるとは限らない。そこで、本実施の形態のナノピンセット装置５０では、制御部４０の記憶部４０ｂに、印加電圧と櫛歯移動距離との関係を表すデータ（以下では、電圧出力パターンと呼ぶ）を左右のアーム３ａ，３ｂ毎に複数パターン記憶しておき、供されたナノピンセット１の特性に応じて電圧出力パターンを設定できるようにしている。実際には、記憶したデータは左右のアームの間で共通に使用でき、例えば、左アーム３ａ用のデータを右アーム３ｂでも利用できる。いずれの電圧出力パターンを適用すべきかは、出荷時に添付されているデータシートに記載されているので、ユーザはそれを参照して設定作業を行えばよい。そのような設定を行うことにより、アーム３ａ，３ｂは左右対称に駆動される。
【００４４】
図９は、記憶部４０ｂに記憶されている電圧出力パターンの一例を示す図であり、二種類のパターンＰ１，Ｐ２が示されている。上述したように、記憶部４０ｂにはこれらのパターンが複数記憶されている。図８に示した例では、１０種類の電圧出力パターンが記憶されており、左アーム用選択ダイヤル４７ａを操作して指標４００を数字１に合わせると、パターンＰ１が左アーム３ａの電圧出力パターンに設定される。また、右アーム用選択ダイヤル４７ｂを操作して指標４００を数字２に合わせると、パターンＰ２が右アーム３ｂの電圧出力パターンに設定される。
【００４５】
同時に、各アーム３ａ，３ｂ毎にロック電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２およびアンロック電圧Ｖｒ１，Ｖｒ２も設定される。すなわち、ロック／アンロックスイッチ４４を操作してプルインを行わせると、アーム３ａ側の電極５ａ，６ａにはロック電圧Ｖｐ１が印加され、アーム３ｂの電極５ｂ、６ｂにはロック電圧Ｖｐ２が印加される。同様に、ロック／アンロックスイッチ４４を操作してプルインを解除すると、アーム３ａ側の電極５ａ，６ａにはアンロック電圧Ｖｒ１が印加され、アーム３ｂの電極５ｂ、６ｂにはアンロック電圧Ｖｒ２が印加される。
【００４６】
また、電圧調整ノブ４６を回転操作することによっても、電極５ａ，６ａおよび電極５ｂ、６ｂの印加電圧を同時に変えて開閉動作を行うことができる。図１０は電圧調整ノブ４６の回転数と印加電圧との関係を示す図であり、曲線Ｋ１１はパターンＰ１に設定されたアーム３ａ側の関係を示し、曲線Ｋ１２はパターンＰ２に設定されたアーム３ｂ側の関係を示す。この場合、アーム３ａとアーム３ｂとに適用される電圧出力パターンは異なるので、電圧調整ノブ４６の回転数に対して、電極５ａ，６ａに印加される電圧と電極５ｂ，６ｂに印加される電圧とは異なっている。
【００４７】
すなわち、電圧調整ノブ４６の回転数をＫｒとすると、電極５ａ，６ａにはアンロック電圧Ｖｒ１が印加され、電極５ｂ，６ｂにはアンロック電圧Ｖｒ２が印加される。同様に、電圧調整ノブ４６の回転数をＫｐとすると、電極５ａ，６ａにはロック電圧Ｖｐ１が印加され、電極５ｂ，６ｂにはロック電圧Ｖｐ２が印加される。また、回転数Ｋｒ，Ｋｐ以外の回転数においても、図９の電圧出力パターンＰ１，Ｐ２に従って印加電圧が与えられる。
【００４８】
図１１は、ロック／アンロックスイッチ４４を操作してプルイン解除させる場合の、アンロック動作の一例を示す図であり、アンロック動作時の電圧変化をアーム３ａ，３ｂ毎に示したものである。本実施の形態では、左右のアーム３ａ，３ｂのアンロック動作を同時に行わせるのではなく、時間差を設けて行うようにした。図１１に示す例では、左側のアーム３ａをアンロック動作させる。時刻ｔ１でロック／アンロックスイッチ４４が操作されてアンロックの指示が入力されると、左アーム３ａに関するアンロック動作が開始され、電極５ａ，６ａの印加電圧がロック電圧Ｖｐ１から徐々に下げられる。そして、時刻ｔ２において、電極５ａ，６ａの印加電圧はアンロック電圧Ｖｒ１となり、電極５ａ，６ａのプルイン状態が解除される。時刻ｔ２以後は、電極５ａ，６ａの印加電圧はアンロック電圧Ｖｒ１に保持される。
【００４９】
電極５ａ，６ａの印加電圧がアンロック電圧Ｖｒ１となる時刻ｔ２から所定時間Δｔだけ経過したならば、右アーム３ｂの電極５ｂ，６ｂの印加電圧をロック電圧Ｖｐ２から徐々に下げる。そして、時刻ｔ４に印加電圧がアンロック電圧Ｖｒ２となったならば、印加電圧をアンロック電圧Ｖｒ１に保持する。すなわち、時刻ｔ１にアンロック動作が開始され、時刻ｔ４にアンロック動作が終了し、アーム３ａ，３ｂはそれぞれプルイン解除状態となる。その後、オープンスイッチ４３をオン操作することにより、アーム３ａ，３ｂによる試料の把持が解除される。このように、所定時間Δｔを設けて、アーム３ａ，３ｂの片側ずつプルイン状態の解除（アンロック）を行うことにより、アンロック動作時のアーム先端のブレを防止することができ、アンロック動作時に試料を落としてしまうようなことがない。
【００５０】
次に、図１２〜図２０を参照して、ＳＯＩ基板を用いてナノピンセット１を形成する場合の製造方法について説明する。ＳＯＩ基板１００としては、図１２（ａ）に示すように＜１１０＞方位の単結晶シリコンから成るベース層１０１、ＳｉＯ２から成る絶縁層１０２、＜１１０＞方位の単結晶シリコンから成るシリコン層１０３が順に積層された基板が用いられる。
【００５１】
ナノピンセット１を形成する材料には、ＳＯＩ基板だけでなく、ガラス基板上に単結晶シリコン層を有する基板、アモルファスシリコン基板、ポリシリコン基板上にＳＯＩ層を有する基板なども用いることができる。すなわち、最上層が＜１１０＞方位を有するシリコン層１０３であって、このシリコン層１０３の下層に絶縁層１０２が形成されているような層構造を有する基板であれば、ベース層１０１を多層構造としてもかまわない。
【００５２】
ＳＯＩ基板１００の各層の厚さの一例を述べると、シリコン層１０３は２５μｍ、絶縁層１０２は１μｍ、ベース層１０１は３００μｍである。また、ＳＯＩ基板１００上で１つのナノピンセット１を形成する領域は、縦、横ともに数ｍｍの矩形状をしている。図１２（ａ）に示す工程では、スパッタリング法や真空蒸着法などにより、厚さ約５０ｎｍのアルミ層１０４をシリコン層１０３の表面に形成する。
【００５３】
次に、図１２（ｂ）に示すように、アルミ層１０４の表面にレジスト層１０５を約２μｍの厚さで形成し、フォトリソグラフィによりレジスト層１０５を露光・現像することにより、図１２（ｃ）に示すレジストパターン１０５ａを形成する。図１５は、ＳＯＩ基板１００の斜視図であり、アルミ層１０４の上面に、アーム３、静電アクチュエータ４等に対応するレジストパターン１０５ａが形成されている。なお、図１２（ｃ）は、図１５のＩ−Ｉ断面を示したものである。
【００５４】
図１２（ｄ）に示すように、このレジストパターン１０５ａをマスクとして混酸液によりアルミ層１０４をエッチングし、シリコン層１０３を露出させる。その後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）によりシリコン層１０３を垂直方向に異方性エッチングする。このエッチングは絶縁層１０２が露出するまで行われ、エッチング終了後、硫酸・過酸化水素混合液によりレジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去する（図１３（ａ）参照）。
【００５５】
図１６は、レジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去した後のＳＯＩ基板１００を示す斜視図である。絶縁層１０２上には、シリコン層１０３による立体構造体が形成される。その立体構造体は、アーム３を構成する部分１０３ａと、静電アクチュエータ４を構成する部分１０３ｂと、電極端子２ａ〜２ｆを構成する部分１０３ｃと、ガードを構成する部分１０３ｄとから成る。なお、ガードは、製造時にアーム３を損傷から防護するものであり、ナノピンセット１の構成部品ではないので、以下、その形成過程については説明を省略する。
【００５６】
図１３（ｂ）に示すように、露出した絶縁層１０２およびシリコン層１０３（１０３ａ〜１０３ｃ）を覆うようにレジスト１０６を塗布する。レジスト１０６の塗布厚さは１０μｍ程度とする。その後、フォトリソグラフィによりレジスト１０６にマスクパターンを転写して現像することにより、図１７に示すように、アーム構成部１０３ａの先端部分におけるレジスト１０６が矩形状に除去されたレジストパターン１０６ａを形成する。そして、レジストパターン１０６ａをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥや通常のＲＩＥなどを行い、アーム構成部１０３ａの先端部分を所定の形状と寸法に加工する。
【００５７】
次に、図１３（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板１００を表裏反転させて、スパッタリング法や真空蒸着法によりベース層１０１の表面にアルミ層１０７を形成する。アルミ層１０７の厚さは、約５０ｎｍとする。そして、アルミ層１０７の上にレジスト１０８を約２μｍの厚さに形成した後に、フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、そのレジスト１０８をマスクに用いてアルミ層１０７を混酸液によりエッチングする（図１４（ａ）参照）。
【００５８】
図１８は、レジスト１０８およびアルミ層１０７の形状を示す斜視図である。図１４（ａ）は、図１８のＩＩ−ＩＩ断面を示すものであり、絶縁層１０２の図示下側（表面側）にはシリコン層１０３によるアーム部１０３ａの断面が図示されている。レジスト１０８は、連結部８に対応する部分１１１や台座１０に対応する部分１１２などが残っており、逆に、アーム３の周辺領域が除去されてベース層１０１が露出している。
【００５９】
その後、ベース層１０１の上に形成されたレジスト１０８およびアルミ層１０７をマスクとして、ベース層１０１をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする。ベース層１０１は異方性エッチングにより垂直方向にエッチングされ、エッチングは絶縁層１０２が露出するまで行われる。図１４（ｂ）も図１８のＩＩ−ＩＩ断面を示すものであり、エッチング終了後に、硫酸・過酸化水素混液によりレジスト１０８，１０６およびアルミ層１０７を除去する。
【００６０】
図１９は、図１４（ｂ）に示すベース層１０１の裏面側を示す図である。エッチングにより、ベース層１０１には台座１０、連絡部８などが形成される。次いで、台座１０上に露出している酸化シリコンから成る絶縁層１０２を、緩衝フッ化水素溶液を用いてエッチングする。その結果、シリコン層１０３とベース層１０１とで挟まれた領域を除いて、絶縁層１０２が除去される（図１４（ｃ）参照）。
【００６１】
図２０は、ベース層１０１の表面側を示す斜視図であり、図１４（ｃ）は図２０のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示したものである。上述したように、シリコン層１０３とベース層１０１との間には絶縁層１０２が介在している。その後、図１４（ｄ）に示すように、露出しているベース層１０１の上および各構造体を構成するシリコン層１０３の上に、真空蒸着法等によりアルミ等からなる導体膜１０９を形成する。導体膜１０９の厚さは５００ｎｍ以下とする。このようにして、ナノピンセット１が完成するが、把持対象によってはＦＩＢなどの加工装置によりアーム３を追加工しても良い。
【００６２】
上述した実施の形態では、静電アクチュエータを用いたナノピンセットを例に説明したが、アーム３ａ、３ｂを駆動するアクチュエータは静電式のものに限らず、熱膨張を利用したものや、圧電体を用いたもの等でも良い。また、本発明は、開閉駆動する一対のアクチュエータにより駆動される一対のアーム３ａ，３ｂを備える微少試料把持方法において、試料把持装置であるナノピンセット１を特定し、一対のアームが対称駆動されるように、特定したナノピンセット１に対応する駆動信号を一対のアクチュエータ４ａ，４ｂへ印加するものにも適用できる。すなわち、ナノピンセット１の左右アーム３ａ，３ｂに関して機械的特性の差違がない場合であって、製造ロット毎にバラツキが見られる場合には、左右のアクチュエータ４ａ，４ｂ毎に電力出力パターンを設定せずに、左右とも共通の電力出力パターンに設定するようにしても良い。
【００６３】
また、開閉駆動する一対のアクチュエータ４ａ，４ｂにより一対のアームをそれぞれ駆動して対象物を把持する微小試料把持装置であるナノピンセット１に使用する制御部４０において、ナノピンセット１を特定する特定信号を発生する特定手段である出力パターン選択ダイヤル４７と、アーム開閉量を示す指令信号を出力する出力手段であるオープンスイッチ４３，電圧調整ノブ４６，ロック／アンロックスイッチ４４およびグリップスイッチ４５と、一対のアーム３ａ，３ｂの開閉量と一対のアクチュエータ４ａ，４ｂに印加する駆動信号を対応付けた異なるテーブルを前記特定信号に対応付けて記憶する記憶手段である記憶部４０ａと、出力手段から指令信号が出力されると、特定信号に基づいて、複数のテーブルの中から何れかのテーブルを選択し、選択されたテーブルに基づいて、一対のアクチュエータ４ａ，４ｂへそれぞれ駆動信号を印加する駆動信号印加手段であるコントローラ２とを備えるようにしても良い。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態のナノピンセット装置５０は、次のような作用効果を奏する。
（１）左右のアーム３ａ，３ｂの機械的特性に応じて印加電圧の電圧出力パターンを各々設定することができるので、アーム３ａ，３ｂの機械的特性のバラツキを補正してアーム３ａ，３ｂが左右対称に移動するように、静電アクチュエータ４ａ，４ｂへの駆動電圧の印加を独立して行うことができる。一旦、電圧出力パターンを設定すると、単独のスイッチ操作または電圧調整ノブ４６の回転を行うことで各静電アクチュエータ４ａ，４ｂに異なる電圧が印加され、アーム３ａ，３ｂは左右対称に移動する。その結果、微少試料の正確な把持および解放が可能となる。
（２）また、記憶部４０ｂには異なる電圧出力パターンが複数記憶されているので、ナノピンセット１の製造バラツキ等に起因する機械的なバラツキに容易に対応することができ、ナノピンセット１に対する要求精度を緩和することができる。
（３）アンロック動作時に、左右のアーム３ａ，３ｂの時間差Δｔを設けてプルイン解除を行うことにより、アンロック動作時におけるアーム先端のブレを低減することができる。
【００６５】
なお、本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態に係るナノピンセット装置全体の概略を示す構成図である。
【図２】図１に示すナノピンセット１を拡大して示す平面図である。
【図３】図１に示すナノピンセット１の要部を示す平面図である。
【図４】ナノピンセット１の固定電極５ａおよび可動電極６ａの一部を模式的に示す斜視図である。
【図５】櫛歯移動距離とクーロン力および弾性力の変化を示す図である。
【図６】印加電圧Ｖと可動電極６ａの櫛歯移動距離ｘとの関係を示す図である。
【図７】ナノピンセット装置における各々の状態相互の移行の様子を示す図である。
【図８】操作パネル４１を示す図である。
【図９】パターンＰ１，Ｐ２を示す図である。
【図１０】電圧調整ノブ４６の回転数と印加電圧との関係を示す図である。
【図１１】アンロック動作を説明する図である。
【図１２】ナノピンセット１の製造工程を説明する図であり、図１２（ａ）〜図１２（ｄ）の順に工程が進む。
【図１３】図１２に続く工程を示す図であり、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）の順に工程が進む。
【図１４】図１３に続く工程を示す図であり、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）の順に工程が進む。
【図１５】図１２（ｃ）に示すＳＯＩ基板１００の斜視図である。
【図１６】図１５に示すレジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去した後のＳＯＩ基板１００の斜視図である。
【図１７】レジストパターン１０６ａの形状を示すＳＯＩ基板１００の斜視図である。
【図１８】図１４（ａ）に示すレジストパターン１０８およびアルミ層１０７の形状を示すＳＯＩ基板１００の斜視図である。
【図１９】図１４（ｂ）に示すベース層１０１の裏面側を示すＳＯＩ基板１００の斜視図である。
【図２０】図１４（ｃ）に示すベース層１０１の表面側を示すＳＯＩ基板１００の斜視図である。
【図２１】櫛歯移動距離とアーム３ａ，３ｂとの関係を示す図であり、（ａ）はアーム３ａ，３ｂが開いている場合を示し、（ｂ）はアーム３ａ，３ｂが閉じている状態を示す。
【図２２】櫛歯移動距離とアーム３ａ，３ｂとの関係を示す図であり、（ａ）はプルイン前の状態を示し、（ｂ）はプルイン状態を示す。
【図２３】アンロック動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：ナノピンセット                ２：コントローラ
３ａ，３ｂ：アーム                ４ａ，４ｂ：静電アクチュエータ
５ａ，５ｂ：固定電極              ６ａ，６ｂ：可動電極
７ａ，７ｂ：支持部                ８ａ，８ｂ：連結部
９ａ，９ｂ：アーム支持部          １０：台座
２０ａ，２０ｂ：ＤＣ電源          ４０：制御部
４０ａ：操作部                    ４０ｂ：記憶部
４３：オープンスイッチ            ４４：ロック／アンロックスイッチ
４５：グリップスイッチ            ４６：電圧調整ノブ
４７：出力パターン選択ダイヤル    ５０：ナノピンセット装置
１００：ＳＯＩウエハ              １０１：ベース層
１０２：絶縁層                    １０３：シリコン層
【図１】
0004562615.tif 000006
【図２】
0004562615.tif 000007
【図３】
0004562615.tif 000008
【図４】
0004562615.tif 000009
【図５】
0004562615.tif 000010
【図６】
0004562615.tif 000011
【図７】
0004562615.tif 000012
【図８】
0004562615.tif 000013
【図９】
0004562615.tif 000014
【図１０】
0004562615.tif 000015
【図１１】
0004562615.tif 000016
【図１２】
0004562615.tif 000017
【図１３】
0004562615.tif 000018
【図１４】
0004562615.tif 000019
【図１５】
0004562615.tif 000020
【図１６】
0004562615.tif 000021
【図１７】
0004562615.tif 000022
【図１８】
0004562615.tif 000023
【図１９】
0004562615.tif 000024
【図２０】
0004562615.tif 000025
【図２１】
0004562615.tif 000026
【図２２】
0004562615.tif 000027
【図２３】
0004562615.tif 000028