JP2002514945A

JP2002514945A - ミクロ製造された治療用アクチュエータメカニズム

Info

Publication number: JP2002514945A
Application number: JP53634596A
Authority: JP
Inventors: ノースラップ，ミルトン，エイ．; シアロ，ディノ，アール．; リー，エイブラハム，ピー．; エイ．クルラヴィッチ，ピーター
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1995-05-22
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 2002-05-21
Also published as: US5645564A; CA2220883A1; WO1996038092A1; KR19990014771A; EP0833589A1; EP0833589A4

Abstract

(57)【要約】集積回路（ＩＣ）のシリコンベース又は精密機械加工された電気機械的ミクロ構造(70)（ミクログリッパ）は、脳内動脈瘤の治療又は他の介入臨床的治療のための、カテーテルによる介入治療を拡張及び改善する。これらのミクロメカニズムは、特に、動脈瘤として知られる血管中の膨張部内の白金コイルその他の部材を解放するために適用することができる。脳の血管は身体中で最も小さいため、“ミクロ”サイズの解放メカニズムが要求される。１ｍ以上のカテーテルを介して、カテーテルの一端に配置されたミクロメカニズムをその他端から操作することができる。また、本発明のミクログリッパ（ミクロメカニズム）は、遠隔操作されるミクログリッパ又は同様のアクチュエータが有用であり、若しくはミクロ組立てが要求されるような非医療分野への適用を有する。

Description

【発明の詳細な説明】ミクロ製造された治療用アクチュエータメカニズム米国政府は、ローレンス・リバーモア・ナショナル・ラボラトリーの計画についての米国エネルギー省とカリフォルニア大学との間の契約No.W-7405-ENG-48に従って、本発明に関する権利を有する。発明の背景本発明は、ミクロ構造に関し、特に電気機械的ミクロメカニズムに関し、とりわけカテーテルによる介入治療又は遠隔操作によるミクロ組立て応用において使用するミクログリッパに関する。小物体の遠隔及び精密な操作のためのミクロアクチュエータは、非常に様々の応用において多くの関心事となっている。そのようなミクログリッパ装置の設計及び開発努力は、関連技術において有益であり、一般的なミクロ制作手法に適用可能であり、ロボット工学、ミクロテクノロジー、予知工学、防衛、エネルギー、及び生物医学的研究を含むミクロ工学努力のインフラストラクチャー、カテーテルによる介入治療の如き医療応用における使用、並びにミクロ機械システムの遠隔組み立て及び使用を確立する。血管の一部分が弱くなると、それは膨張して動脈瘤を形成し、それは最終的に血管が虚脱し、血管に穴が開くと、発作の主原因の一つとなる。動脈瘤は伝統的に手術により処置されてきており、外科医は、切除により動脈瘤を外科的に治療しようとする前に治療する部位を切開しなければならない。しかし、多くの動脈瘤は脳内などの危険な部位にあり、手術が困難又は危険であるか、絶対的に不可能である。最近の２０年間、先駆的な医者は介入神経放射線学的手法を用いて脳内動脈瘤の治療を援助してきた。長く（１−２メートル）細い（即ち、２５０μｍ−５００μｍ）のカテーテルをそけい内の動脈を通じて脳まで押し込み、動脈瘤に到達する。既存のカテーテルによる介入器具は、極度に単純化され、常に単一の作動手段に依存する。バルーン式血管形成を含むこれらの手法は、心臓内の如き大血管の治療については確立されている。脳内の血管の如き小血管にこの医療実践を拡張するためには、カテーテルによる器具を小型化しなければならない点に困難性がある。最も最近の方法では、充電された時に変則的な形状を満たす能力及び血管内での電気分解に対する耐性の点から、動脈瘤を満たすために白金コイルが選択される。コイルはガイドワイヤによりカテーテルを通じて動脈瘤まで押し込まれるか、又はカテーテルのガイドワイヤと治療装置との間のハンダ付け結合部の電解による溶解により開放され、神経学的治療のためのその治療装置は約２５０μｍ以下の直径を有する。コイルの充電はコイル周辺に電気的血栓形成を生じさせるが、コイルを解放するために要する時間は長く（４分から１時間）、通常、多くのコイルは標準サイズの動脈瘤を満たすことを要求される。溶解した物質が人体に与える影響は未知であり、電気分解はんだ付けは脳内に長期の電流を要求し、それは時には信頼性に欠ける。これらの問題点は、外科医及び臨床医の患者に対して、潜在的に生命を脅かす問題を提示する。従って、直径２５０μｍの領域に適合し、且つ、一度誤った時間又は位置で解放された場合に医師がコイルその他の療法を解放及び回収することが可能なミクロメカニズムの要求がある。本発明は、ミクロ機械的解放メカニズムを提供することによりこの要求を満足し、そのメカニズムにより、この処置はより安全且つより信頼性の高い手術の代替手段となり、またそのメカニズムは２５０μｍの領域である脳の血管に適合可能である。ミクログリッパを含む電気機械的ミクロ構造は、既知のシリコンによる手法、又は精密ミクロ機械加工、若しくはこれらの手法の組み合わせを使用して制作することができる。本発明は遠隔から作動されるミクログリッパを必要とする様々の領域における応用を有するが、特にカテーテルによる介入治療における応用を有する。発明の概要本発明の目的は、電気機械的ミクログリッパを提供することにある。本発明の他の目的は、大きな把持力と、比較的固い構造本体と、機能設計における柔軟性とを有するミクログリッパを提供することにある。本発明の他の目的は、カテーテルの一端部に配置され、他端部から操作可能な電気機械的ミクロメカニズムを提供することにあり、それによりカテーテルによる介入治療を拡張及び改善する。本発明の他の目的は、２５０μｍ程度の領域、例えば脳内の血管中において動作可能なミクログリッパを提供することにある。本発明の他の目的は、遠隔能動的加熱及びフィードバック制御のため、ヒータと歪みセンサとを一体化するために使用可能なミクログリッパを提供することにある。本発明の他の目的は、生体組織サンプラー、又はミクロ部品の操作のために設計された先端部として使用可能なミクログリッパを提供することにある。本発明の他の目的は、油圧又は単純な熱バイモルフ素子により交互の作動メカニズムを適用する可能性を有するミクログリッパを提供することにある。本発明の他の目的は、大きな把持力（４０ｍＮ）を有するミクログリッパを提供することにあり、その動作は形状記憶合金の薄いフィルムにより生じ、誘起される応力がミクログリッパの個々の側部を約５５μｍ曲げ、合計で約１１０μｍの把持動作を行うことが可能である。本発明の他の目的及び長所は、以下の記述及び添付図面により明らかになる。基本的に、本発明は電気機械的ミクロメカニズムに関連し、それは医療的及び非医療的応用に使用可能であり、特に脳内その他の小血管の動脈瘤の治療のための、カテーテルによる介入治療に適用可能である。本発明のミクログリッパは以下のものを有する：１）大きな把持力、２）比較的固い構造本体、３）２５０μｍの領域において使用可能であること、４）把持用あご部の形成における柔軟性があること、５）生体組織サンプリング又はミクロ部品の操作に使用可能であること、６）迅速な解放及び回復能力、７）遠隔能動的加熱及びフィードバック制御のためにヒータ及び歪みセンサと一体化可能であること、８）油圧又は単純な熱バイモルフ素子の作動と共に使用できること、９）従来の集積回路のシリコンベースの技術又は精密機械加工若しくはその両方を使用して構成できること。図面の簡単な説明開示に含められ、その一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、記述と一体として本発明の原理を説明する。図１Ａ及び１Ｂは、バルーンによる作動を使用するミクログリッパの実施形態の断面図であり、閉じられ及び開けられた位置を示す。図２は図１Ａ−１Ｂの実施形態の拡大図であり、バルーンが省略されている。図３Ａ及び３Ｂは、薄いフィルムのピンセット状作動部を使用する、ミクログリッパの他の実施形態を示す。図４Ａ及び４Ｂは、形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤのクリック止めを使用する、ミクログリッパの他の実施形態を示す断面図である。図５は、図４Ａ−４Ｂの実施形態の拡大図であり、ＳＭＡワイヤが省略されている。図６は、ＳＭＡのダブルコイルを使用する本発明の実施形態である。図７は、本発明に従って制作されたシリコンミクログリッパの好適な実施形態である。図８は、共晶接合プロセスを示す断面図である。図９、９Ａ及び９Ｂは、図７のミクログリッパのための抵抗ヒータ及び電気的フィードスルーを示す。図１０、１０Ａ及び１０Ｂは、図８Ａのヒータの実施形態であり、図１０Ａ及び１０Ｂに示す断面図を大きく拡大したものである。図１１、１１Ａ及び１１Ｂは、図９のヒータの他の実施形態を示し、図１１Ａ及び１１Ｂの断面図を大きく拡大したものである。図１２は、図７のミクログリッパのための力フィードバック制御システムを示す。図１３は、本発明に従い、ミクロバルーンからの油圧／流体供給を提供し、ＳＭＡフィルムにより動作するミクロアクチュエータを示す図である。好適な実施形態の詳細な説明本発明は電気機械的把持／解放ミクロメカニズムであり、以下、ミクログリッパ又はミクロクランパと呼ぶ。ミクログリッパは大きな把持力と、比較的堅い構造本体と、機能的設計における柔軟性とを備え、例えば、生体組織サンプラー、ミクロ部品を操作するために設計された先端部、又は動脈瘤として知られる血管内の膨張部内の白金コイルその他の材料の如きアイテムの解放／回収メカニズムとして使用可能である。本発明のミクログリッパは、カテーテルによる介入治療の応用の拡張及び改良のために特に有用であり、脳内の小血管の如き２５０μｍ領域内の使用が可能である。ミクログリッパは、遠隔からの能動的加熱及びフィードバック制御のためのヒータ又は歪みセンサを一体化するために使用可能な外面を有するように構成することができる。例えば、ミクログリッパの一例はシリコン構造であり、形状記憶合金（ＳＭＡ）の薄いフィルムを有し、誘起される応力がその側面をたわませて約１１０μｍの把持動作を可能とする。ミクログリッパは、精密ミクロ機械加工又はシリコンベースの集積回路の製造に使用される技術により製造することができる。把持／解放メカニズム又はミクログリッパの最終的な目的は、以下の事項を実現することにある：１）断面が２５０μｍ（開及び閉）程度に小さい直径の領域に適合すること；２）血管内への材料の解放が１０秒以下であること；３）温度範囲が摂氏０度から３７度の範囲内であること；４）例えば電気的エネルギーを使用する場合に電流が１０mA以下であること；５）１００％の信頼性。従来のシリコンバルクミクロ機械加工技術を使用して、図１Ａ、１Ｂ及び２に示す機械式クランパ又はミクログリッパは、カンチレバー構造を有するように製造することができ、それは例えば長さ約８００μｍ、その構造の合計の高さが２５０μｍである。それから、図１Ａ及び１Ｂに示すように、シリコンミクロバルーンを使用してカンチレバーのアームを機械的にたわませて、その前端部で他の物体を締め付け固定させる。ミクロバルーンは良好に特徴付けられ、１０アトム（atm）までの圧力に耐え得る。また、そのようなミクロバルーンは人間の血管内の使用が試験されたものである。図１Ａ−１Ｂ及び図２に示すように、ミクロバルーンにより作動する、１０で示されるミクログリッパは、一対のあご部と、各々が複数のスロットを有するカンチレバー１３及び１４を備えるグリップアーム又はグリップ部材１１及び１２と、押し付けパッド１５及び１６と、つかみ具１７及び１８と、を備える。幾つかの応用では、押し付けパッドを省略することができる。あご部又はグリップ部材１１及び１２は、１９で示されるように一体に接着され、さもなくば固定される。バルーン２０の如き膨張可能な部材を、グリップ部材１１及び１２の間に配置し、且つ、バルーンの通路２２（図２参照）に沿って延びる送出管又はカテーテル２１に接続し、その通路２２を通じて作動用流体又はガスを供給してバルーン２０を作動（膨張）させる。押し付けパッド１５及び１６はバルーンを押し付ける点２３として作用し（図２参照）、完全に膨張すると、バルーンの端部は図１Ａに示すように押し付けパッド１５−１６の間に至る。バルーン２０が非作動（非膨張）位置にあると、押し付けパッド１５及び１６は図１Ａに示す位置にある。バルーン２０が作動して拡大すると、グリップ部材１１及び１２の外端部はスロットを有するカンチレバー１３及び１４の位置で外側へたわみ又は曲がり、つかみ具１７及び１８を引き離し、図１Ｂに示すようにそれらの間に保持された物質２４を除去可能とする。グリップ部材１１及び１２は、長さ０．８ｍｍから１．５ｍｍで幅と結合後の高さが好ましくは約２５０μｍ未満のシリコン、アルミニウム、ニッケルその他の適合性金属、テフロンその他の適合性ポリマー、及び、セラミックスにより構成することができる。バルーン２０は、管２１から供給される１０気圧までの圧力に耐え得るシリコーンミクロバルーンとすることができ、その管２１は直径８０μｍから４００μｍのテフロンその他の不活性樹脂により構成することができる。バルーン２０は他の膨張可能な部材で置き換えることができる。接着１９は、例えば選択的な共晶接合により形成することができる。押し付けパッド１５及び１６は例えば厚さ２０μｍから４０μｍであり、つかみ具１７及び１８は厚さ９０μｍから１５０μｍ、長さ５０μｍから１５０μｍとすることができる。スロットを有するカンチレバー１３及び１４は、幅５μｍから１００μｍ、長さ５０μｍから５００μｍの３個から１０個のスロットを有するように構成することができる。カンチレバーのスロットは直線的、又はその長さに沿って先細り状とすることができる。グリップ部材１１及び１２が構成される材料は、関連のある流体又は薬品に対して不活性でなければならない。図３Ａ及び３Ｂに示す実施形態は、一対の初期のＳＭＡの薄いフィルムヒンジを使用し、ＳＭＡの薄いフィルムがさらされる温度に従ってグリップアーム又はグリップ部材を開閉する。また、図３Ａ及び３ＢのＳＭＡの薄いフィルムは、ポリイミド層により挟まれ、カンチレバーのクランプ又はグリッパを延ばし又はたわませるヒータにより置き換えることができる。図３Ａ及び３Ｂに示すように、一般的に３０で示されるミクログリッパは、一対のグリップアーム又はグリップ部材３１及び３２を有し、それらは例えばシリコンウェハにより形成され、各々が断面の厚さが小さい領域３３及び３４と、内部へ向けられ離隔した一対のつかみ具３５及び３６を有する。各々の対の一方のつかみ具のみが図示されており、それらつかみ具は白金セルの軸などの材料又は部品３７を保持する（図３Ａ参照）。薄いフィルム３８及び３９は厚さが小さい領域３３及び３４の近傍でグリップ部材３１及び３２に固定され、薄いフィルム３８及び３９は上述のようにＳＭＡ又はポリイミド層により構成される。また、グリップ部材３１及び３２は押し付けパッド４０及び４１を有する。図示しないヒータにより薄いフィルム３８及び３９を加熱すると、フィルムは膨張し、領域３３及び３４でグリップ部材３１及び３２の外端部を外側へ曲げ又はたわませてつかみ具３５及び３６を引き離し（図３Ｂ参照）、それにより物体がそこから除去される。例えば、グリップアーム又はグリップ部材３１及び３２は、シリコン、又は適合性金属、ポリマー、若しくはセラミックスにより構成され、結合後の合計の高さ及び幅が好ましくは２５０μｍ未満であり、部材３１及び３２の厚さは２０から１００μｍであり、厚さの小さい領域３３及び３４は５から１５μｍの厚さを有し、つかみ具３５及び３６は部材３１及び３２から内側へ２０から５０μｍの距離延びている。押し付けパッド４０及び４１は例えば厚さ２０から４０μｍ、深さ（高さ）３０から１００μｍである。ＳＭＡにより構成した場合、薄いフィルム３８及び３９は２から５μｍの厚さのＮｉ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ、又は他の低温ＳＭＡにより構成することができ、例えばポリイミドにより構成した場合、厚さ３から１０μｍ、長さ３００から５００μｍの２層を有し、それらはＴｉ−Ａｕにより構成されるヒータをその間に挟持する。ＳＭＡフィルム３８及び３９の加熱は、例えば統合ポリシリコンヒータ、図９及び図１０に関連して以下に説明するＳＭＡの直接抵抗ヒータ、又は光ファイバによるレーザ加熱により達成することができる。J.D.Busch et alに１９９１年１０月２９日に発行された米国特許No.5,061,914号に記載されるように、形状記憶合金は周知である。また、図１Ａ−１Ｂ及び３Ａ−３Ｂの実施形態は、動脈瘤を治療するために使用される白金コイルなどの物体又は部品を回収するために使用することができる。これらの実施形態は、電気的導電性を有する従来の既知のミクログリッパ（C.J.Kim et alの"Silicon-Processed Overhanging Microgripper"，Journal of Microelectromechanical Systems，Vol．1，No ．1，pp.31-36，March1992を参照）に対して有利な点を有し、生物電解層又は組み立てのためのミクロ部品の操作に使用することができる。図４Ａ−４Ｂ及び図５の実施形態は、通常は開いた状態である解放メカニズム（図４Ｂ参照）であるミクログリッパであり、ＳＭＡワイヤをラッチとして使用してミクログリッパを閉じさせ（図４Ａ参照）、作動した時にメカニズムをクリック開放する。図示のように、一般的に５０で示されるこの実施形態は、図１Ａ −１Ｂの実施形態に示すグリップ部材１１及び１２と構造上ほぼ同等であるグリップアーム又はグリップ部材５１及び５２を有し、それらは、フックコネクタ５３及び５４と、押し付けパッド５５及び５６と、一つのみが図示される一対のつかみ具５７及び５８と、を有する。圧縮性の薄いフィルム５９及び６０は、グリップ部材５１及び５２の開口６１及び６２内に固定される。フックコネクタ５３及び５４は開口６３及び６４（図５参照）を有し、それを通じてＳＭＡワイヤ６５が延びて（図４Ａ参照）グリップ部材５１及び５２を“閉め”、圧縮性の薄いフィルム５９及び６０を圧縮する。ＳＭＡワイヤ６５を作動させると、矢印６６（図４Ｂ参照）で示すようにワイヤはフックコネクタ５３及び５４の開口６３及び６４から引き出され、それにより圧縮性の薄いフィルム５９及び６０が膨張してグリップ部材５１及び５２の端部を外側へ曲げ又はそらせる。閉じた位置では（図４Ａ参照）、つかみ具の対５７及び５８はその間に物体又は部品６７を保持し、ラッチ（フックコネクタ５３及び５４並びにワイヤ６５）の作動又はクリック開放によりつかみ具５７及び５８は外側へ移動し、物体又は部品６７がそこから除去可能とされる。図１Ａ−１Ｂの実施形態と同様に、グリップ部材５１及び５２は６８で示すように一体に接着される。例えば、グリップ部材５１及び５２、押し付けパッド５５及び５６、つかみ具５７及び５８は、図１Ａ−１Ｂの実施形態で説明したのと同様に構成及び形成することができる。フックコネクタ５３及び５４は、シリコン、金属、ポリマー、又はセラミックスにより構成され、ミクロ機械加工により固定され、高さ８０から２００μｍ、幅２００から５００μｍであり、内部の開口６３及び６４は８０から３８０μｍの断面と、１８０から４８０μｍの幅を有し、四角形以外に構成することができる。ＳＭＡワイヤ６５は、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ、Ｎｉ−Ｔｉ、又はＮｉ−Ｔｉ−Ｈｆにより構成することができ、フックコネクタ５３及び５４の開口６３及び６４に対応する断面及び構成を有する。圧縮性の薄いフィルム５９及び６０は、厚さ３から８μｍ、断面が２５０×２５０又は２５０×４００μｍの二酸化シリコン、ドープされたポリシリコン、又はポリマーにより構成することができる。図６は、２つのＳＭＡミクロコイルを使用するミクログリッパを示し、その一つは例えば白金コイルの軸上にグリップし、他方は白金コイルを外側へ押しやって解放を確実とし、そのミクロコイルは、その一端がカテーテルによる介入治療に使用されるようなガイドワイヤの先端部に固定される。図６に示すように、２つのＳＭＡコイル７０及び７１はその一端においてガイドワイヤ７２に固定される。コイル７１より実質的に大きな断面及び直径を有するコイル７０は延在し（例えば、コイル７１及びプラチナセルの軸７３の端部に巻き付き）、軸７３を保持又は把持する。コイル７１はガイドワイヤ７２の先端部７９と軸７３の端部７５との間に延びている。通常の状態では、コイル７０は軸７３が移動しないように保持し、動作時にはコイル７１は延びて軸７３をコイル７０の外部へ押しやる。例えば、大コイル７０は、５０から７５μｍの直径を有するＳＭＡワイヤにより構成し、巻回又は巻き付けの数は１０から１５の範囲であり、Ｎｉ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ、又はＮｉ−Ｔｉ−Ｈｆにより構成される。小コイル７１はＮｉ −Ｔｉ、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ又はＮｉ−Ｔｉ−ＨｆのＳＭＡワイヤにより構成することができ、３０から５０μｍの直径を有し、巻回又は巻き付けの数は５から１０の範囲である。ミクロコイル７０及び７１は、接着、ハンダ付けその他によりガイドワイヤ７２に固定することができる。図７の好適な実施形態は、シリコン構造とＳＭＡの薄いフィルムの組み合わせを使用し、信号入力のための配線ジャケットを備える。この実施形態は、低温（摂氏１００度未満）で局部的に作動可能であり、大きな把持力（１０から４０ｍＮ）と、比較的堅い構造本体と、機能的設計における柔軟性とを有するミクログリッパを提供する。また、このミクログリッパは対象となる把持物体を固定する能力を有する。ミクログリッパの動作は、例えばＮｉＴｉＣｕの形状記憶合金の薄いフィルムにより生じ、誘起された応力はミクログリッパの各々の側部を５５ μｍまでそらせ、合計で１１０μｍの把持運動を行う。この開放運動はグリッパの先端部上の２０ｍＮの開放力に対応する。さらに、ミクログリッパは液体環境下でも動作することができる。開放あご部、押し付けパッド、及び中空チャンネルは、シリコンの精密なのこ引きとバルク機械加工の組み合わせにより形成される。予め処理された２つのシリコンウェハは、Ａｕ−Ｓｉ共晶プロセスにより予備配置され、且つ、選択的に接合され、そのプロセスは図８に関連して後に詳述するように、ウェハ上にマスクを配置し、マスクを通じてグリッパの接着部分上に蒸着する。図７のミクログリッパは１ｍｍ×２００μｍ×３８０μｍの寸法であり、１２．５ μｍの厚さの一対のシリコンカンチレバーを有し、ミクログリッパの動作を提供するためのカンチレバー又はグリッパアームの外側部上に析出した５μｍの厚さのＮｉＴｉＣｕのＳＭＡの薄いフィルムを有する。ＳＭＡの薄いフィルムは摂氏３０度から７０度の間の変態温度で５００ＭＰａまでの動作応力を発生することができ、その変態温度は既知の全ての熱バイモルフ素子のミクログリッパより低温である。実験的立証のため、ミクログリッパを外部からの加熱により作動し、ビデオテープを用意して開閉運動を実証した。図７の詳細な実施形態に言及すると、一般的に７０で示されるミクログリッパは、一対のシリコンカンチレバーと、グリッパアーム又はグリップ部材７１及び７２と、一対の６０×１１０×１００μｍ³のグリップあご部又はつかみ具７５及び７６とを有し、各々のグリップ部材７１及び７２はそれぞれ７３及び７４で示される３０μｍ幅の押し付けパッドを有する。グリップ部材７１及び７２はインターフェース７７において一体にＡｕ−Ｓｉ共晶接合され、各々がその外面又は外側部にＳＭＡの薄いフィルム７８及び７９を有する。カンチレバ一又はグリップ部材７１及び７２は、接合されたインターフェース７７の領域内に１１０μ ｍ幅の中空チャンネル８０を規定するように構成され、その中空チャンネル８０は、例えばミクログリッパが載置されるカテーテルの一端と連結される。ミクログリッパ７０は、一般的に８１で示される信号入力のための配線ジャケットに固定される。グリップ部材７１及び７２、ＳＭＡの薄いフィルム７８及び７９、共晶接合７７、及びミクログリッパ７０の寸法は既に述べた通りである。例えば、押し付けパッド７３及び７４は厚さ２０から４０μ ｍ、高さ８０から１００μｍとし；グリッパ７５及び７６は高さ８０から１００ μｍ、端部断面が７０×１５０μｍとし；中空チャンネル８０は幅１００から２５０μｍ、高さ５０から１８０μｍとすることができる。図１Ａ−１Ｂ、３Ａ−３Ｂ、４Ａ−４Ｂ及び７、特に図７のミクログリッパの実施形態の製造は、目標の標本の指示のようにグリップあご部を形成することにおいて設計者にいくらかの柔軟性を許容し、生体組織サンプラー又はミクロ部品を扱うために設計されたカテーテルチップとして使用することができる。特に図７のミクログリッパの外面は、図９−１２を参照して後述する遠隔能動的加熱及び可能なフィードバック制御のためにヒータ又は歪みセンサを一体化するために使用することができる。図７の実施形態の中空チャンネルは、ワイヤ接続、若しくは液体及び治療薬の注入の可能性を有する。もう一つの重要な長所は、油圧式又は単純に熱バイモルフ素子による、ミクログリッパ構造への代替的な作動メカニズムの適用可能性である。様々の応用のための実際のミクログリッパの多くの創造的な設計を、この基本的なアプローチを使用することにより考え付くことができる。製造プロセスの工程は高度に自動化することができ、ミクログリッパのバッチ製造は製造コストを減少させる。図７のミクログリッパの応用は、製造のための小部品の組立て、最小限の侵襲性の生体内での生体組織サンプリング、カテーテルによる血管内の治療処置、及び、極限環境（高／低圧、危険な液体、その他）における小粒子の遠隔操作を含む。図７の実施形態のミクロ製造プロセスは、バルク機械加工、精密調整、エッチング、及びＮｉ−Ｔｉ−ＣｕのＳＭＡの薄いフィルムの析出に類別することができる。上述のように、図７に示す特定の実施形態のタイプのミクログリッパは、１０００×２００×３８０ μｍ³の寸法である。各々のシリコンカンチレバー（７２及び７３）は、厚さ１２５μｍであり、カンチレバーの作動のためにその外面上に厚さ５μｍのＮｉ− Ｔｉ−ＣｕのＳＭＡの薄いフィルム（７８及び７９）が析出される。押し付けパッド（７３−７４）は幅３０μｍであり、グリップあご部（７５−７６）は６０ ×１１０×１００μｍ³である。中空チャンネル８０は幅１１０μｍ、高さ１７５μｍである。グリップあご部、押し付けパッド、及び中空チャンネルは、シリコンの精密なのこ引きとバルク機械加工により形成され、それゆえバッチ処理により製造可能である。ミクログリッパの外部リード線及びミリ単位のエンドイフェクタ（図９に例示）への接続は組立てを要し、それゆえバッチ処理による製造は見込めない。しかし、パッケージングのための組立て技術を開発しようとする進行中の努力がある。ミクログリッパのカンチレバー又はグリッパアーム(７１−７２)は２つのシリコンウェハ上に製造される。このプロセスは厚さ１００μｍ（１１０）の２つのｐタイプシリコンウェハから開始し、それらは幅２００μｍから全体の幅３８０ μｍになるまで研削され、研磨される。パターン付け及びエッチシリコンのための共通のマスキングフィルムはシリコン窒化物の１０００Åであった。テストパターンは、ウェハ平面に対する正確な（１１１）面を識別するために必須のものであり、それは典型的には２度から３度のオフセットである。この結晶面識別パターンを使用して位置合わせ目標を各々のシリコンウェハ上に刻印し、正確な結晶面へのその後の位置合わせを確実にする。２種類の位置合わせ目標を規定しなければならず、その一つは前後の位置合わせを行うためのものであり、他方はウェハを通じてエッチングされ、共晶接合のための正確なピンの機械的位置合わせの穴を提供する。次に、各々のウェハの背面上にダイシングライン（深さ２μｍ）をパターン形成する。各々のウェハの前面上には、精密鋸のための鋸切断チャンネルガイドラインをパターン形成し、シリコンカンチレバー（７１−７２）及び押し付けパッド（７３−７４）を形成する。これらのパターンはシリコンを下方へ１μｍエッチングすることにより刻印される。マスク用シリコン窒化物を再度適用した後、グリップあご部(７５−７６) 及び中空チャンネル（８０）のためのリソグラフィーを行う。その後、４４％のＫＯＨ中でシリコンウェハをエッチングし、８５μｍの深さの垂直壁を形成する。それからシリコン窒化物のマスクを剥がして、例えばKulicke & Soffaのモデル８０の如き精密鋸のために２．５μｍ以上の位置決め精度で準備をする。精密鋸切断は、シリコンの異方性エッチング制限を防止するために選択され、その制限は、注意深い角部の補償及び完成した面の犠牲無くしては、垂直壁のエッチングチャンネルが９０度離隔することを許容しない。２つの切断されたチャンネルの幅は夫々２００μｍと４００μｍであるので、選択される歯は２００μｍの厚さである。２つの近接する鋸の切断により、さらに幅広の切断チャンネル（４００μｍ）が形成される。鋸は、押し付けパッド（７３−７４）の幅３０μｍを残すために印付けされる。切断の深さの注意深い制御のためには、ウェハの底部からの深さを印付けする必要がある。更に、歯を粗い表面に仕上げて垂直方向の端部を実現することが理想的である。シリコンウェハから形成される一対のシリコンカンチレバー又はグリッパアーム（７１−７２）はこれで接合の準備がされる。図７のカンチレバー又はグリッパアームの接合は、例えばＡｕ−Ｓｉ共晶接合により行われ、それにより低温（摂氏４００度未満）で選択的な領域の接合が達成される。図７のグリッパアームの如きシリコンミクロ構造は、上述のように２つのシリコンウェア上にバルクミクロ機械加工することができ、その後、共晶接合され、それにより設計者間の相違が最小となり、キャパシタンスセンサ／アクチュエータ及び密閉を有するミクロ流体システムに適用可能なミクロ構造を可能とする。Ａｕ−Ｓｉ共晶結合を使用して、図７に示すような２つのシリコン機械製作されたウェハを有するミクロ構造を、図８に示すようにして製造することができる。シリコンウェハから作られるカンチレバー８２の各々の上には、一般的に８３で示され、例えば面積５００×５００μｍのＴｉ／Ａｕパッドが、８４に矢印で示される電子ビーム（Ｅ−ビーム）蒸着により析出され、図８に示すようにシャドウマスク８５及び８６を通じてパターン形成される。Ｔｉ層は接着層であり、ＡＵ層８８の拡散バリアとしても機能することができる。パッド８３の厚さは例えばＴｉ（層８７）について５００Åであり、ＡＵ（層８８）については１μｍである。焼きなまし温度は摂氏３７０度から３９０度であり、それはインターフェースが流動化することを確実とする摂氏３６３度の共晶接合点より高い。この温度において５分間の浸漬が必要である。シャドウマスク８５−８６は、（１００）シリコンウェハからウィンドウをエッチングすることにより容易に製造することができる。シャドウマスクをウェハに位置合わせすることにより、Ｔｉ／Ａｕによりコートされた領域のみが一体に接合される。組み合わせるシリコンウェハは、接合が生じるべき完全に清潔なシリコン面を有するべきである。それから、ウェハは一体に加圧され、低真空（公称１０^-4トル）内で保持され、例えば摂氏３８０度で３分間浸漬される。２インチの一対のシリコンウェハを通じて見た、Ｔｉ／Ａｕ共晶接合パッド８３のアレイの音響的イメージは、高度に均一かつ固い接合が形成されたことを示した。Ａｕ−Ｓｉ接合の強度はインストロン型引っ張り試験により計測され、そこでは９個の共晶接合パッドが引っ張られ、５．５ＧＰａの引っ張り応力で作動しなくなった。プロセス中に接合領域を取り囲むシリコンの破断が生じるので、共晶接合領域はそのままである。接合プロセス中に、精密な直径のピンを使用する機械的位置合わせが行われ、処理の制御、及び、もろく薄いカンチレバーの破砕防止を確実にする。これで、接合された一対のカンチレバー（７１−７２）は、ＳＭＡの薄いフィルムの析出のための準備が完了する。ＳＭＡの薄いフィルムは、直流マグネトロンスパッタ析出により析出されたＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕにより構成され、混合スパッタリングプロセスの詳細は、１９９５年５月に出願され、本願の譲受人に譲渡されたシリアルNo.08/(IL-9463)の係属中の出願「形状記憶合金の薄いフィルムの多ソース析出」に記載されている。そのスパッタリングプロセスでは、３つの分離した目標を使用して合金を析出し、それによりパワーを独立に制御して合金の組成を積極的に決定する。薄いフィルムは例えば摂氏５０５度で析出し、その結果それは元の位置に焼なまされ、残余の応力を緩和する。ＳＭＡフィルムは最初は例えば図７のカンチレバーアーム（７１−７２）の外側部又は外面上に連続的に析出され、それにより一方の面は摂氏５０５度で２度焼なまされるが、好適にはカンチレバーアームの接合以前のＳＭＡの析出がフィルム内の熱応力を減少させる。以下に示すのは、図７に示すようなミクロアクチュエータの製造のための簡易プロセスシークエンスである：ａ）結晶面テストマークをパターン形成し、目標物及び位置合わせ穴を位置合わせする。ｂ）鋸切断チャンネルガイドラインをパターン形成する。ｃ）（１１１）面方向に従ってシリコンエッチチャンネルをパターン形成する。ｄ）ＫＯＨによるシリコンエッチチャンネルの異方性エッチング。ｅ）シャドウマスクをウェハに位置合わせし、Ｔｉ／Ａｕフィルムを析出する。ｆ）機械的ピンを位置合わせし、摂氏３８０度（３分）、１０トルで共晶接合する。ｇ）摂氏５０５度のもとの位置の焼きなましにより、両側にＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕフィルムをマグネトロンスパッタ析出する。ｈ）個々のミクログリッパを切り離す。図７のミクログリッパは、直流マグネトロンスパッタリングされたニッケル− チタン−銅の形状記憶合金フィルムを使用して作動する。形状記憶合金による作動は、結晶質相変態に基づき、それにおいては低温位相（マルテンサイト）は双晶により容易且つ可逆的に変形可能であり、高温位相（オーステナイト）は一つの固い構成を有する。Ｎｉ₄₂Ｔｉ₅₀Ｃｕ₈合金は、丁度体温より上で変形し、移植可能な医用装置で有用であり、効率を増加させ、応答時間を改善する２成分のニッケル−チタンより狭いヒステリシスを有する。さらに、銅を加えることにより、フィルムの組成に対する変態温度の感度が低下する。ミクログリッパの応用では、形状記憶合金フィルム内の残余の引っ張り応力の回復により作動が生じ、そのデータは物体の曲率を温度の関数として測定することにより取得される。摂氏５００度で析出したフィルムは、析出後に冷却された時に引っ張り熱応力を生じる。マルテンサイト変態が始まる温度未満に冷却されると、フィルム内の熱応力は双晶に関連する変形により弱くなる。この引っ張り熱応力は、フィルムを加熱することにより回復できる。従って、シリコンミクログリッパのカンチレバーはバイアスバネとして作用し、それは加熱時に収縮する形状記憶合金フィルム（７８−７９）により開き、冷却時にたわんで中立位置に戻り、形状記憶合金フィルムを伸ばす。５００ＭＰａまでの回復可能な応力を有するフィルムが析出されるが、例えば図７のカンチレバー上のフィルムは３７５ＭＰａの回復可能な応力を有する。Ｎｉ− Ｔｉ−Ｃｕフィルムにより生じた応力の試験は、Tencor FLX-2320レーザシステムにより測定され、そのシステムはフィルムによりＳｉ基板に生じた曲率を測定し、それは応力に変換される。Ｎｉ−Ｔｉ−ＣｕのＳＭＡフィルムにより生じる把持力を評価するために、先端部に開放力を有する等価モデルを仮定する。バイメタルの応力式を適用することにより、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕフィルムの応力とグリッパ先端部の曲りとの関係が計算される。厚さ５μｍのフィルムについては、曲りは５３μｍと計算された。実験結果は、完全に作動した時にグリッパの開口は５５μｍになることを示した。等価モデルを使用することにより、ミクログリッパを５５μｍまで曲げるには２０ｍＮが必要であることが分かった。従って、ミクログリッパを完全に開放するために４０ｍＮ（各々のカンチレバーに２０ｍＮ）の把持力が加わる。図７のミクログリッパの加熱は、図１０及び１１に関連して後に詳述される、集積回路（ＩＣ）により製造された薄いフィルム抵抗ヒータパッドにより加えられる。ヒータパッドがミクログリッパカンチレバー上に配置されて電流が印加され、熱はヒータからＳｉグリッパカンチレバーへ移ってＮｉ−Ｔｉ−ＣＵフィルム内で相変態が生じる。こうして、ＳＭＡフィルムの遠隔能動的加熱が達成される。また、図７のミクログリッパは、図１２に関連して以下に説明されるフィードバック制御のために歪みセンサと一体化される。図９、９Ａ及び９Ｂは、図７のミクログリッパのカテーテル上へのパッケージングを示す。図７と同様の構成要素には対応する参照符号を付してある。ミクログリッパ７０は、一般的に９０で示され、カンチレバー７１上にあり、接触パッド９１及び９２を有するＳＭＡフィルム抵抗ヒータを通じて配線ジャケット８１’に電気的に接続され、それら接触パッド９１及び９２は、リード線９３及び９４を通じて例えば銅製の導電フィルム９７及び９８上の接触パッド９５及び９６に接続され、それら導電フィルム９７及び９８は一般的に１００で示され、ポリイミド部材９９に接着された電気的フィードスルーリボンのものである。リード線９３’及び９４’で示されるように、ミクログリッパ７０のカンチレバー７２と配線ジャケット８１のポリイミド部材９９’上の導電フィルムとの間に、同一の抵抗ヒータ及び電気的接続構成が提供される。ポリイミド部材９９及び９９’と、関連する銅フィルムとは、リボン１００の絶縁フィードスルーワイヤ１０１／１０２及び１０１’／１０２’に接続され、カテーテル管１０３内に配置される（図９Ａ参照）。ポリイミド部材９９及び９９’は突出端部１０４及び１０４’を有し、それらは矢印１０５で示すようにミクログリッパ７０の中空チャンネル８０内に延びる。配線ジャケット８１’はヒートシュリンクチューブ１０６（図９Ｂ参照）によりミクログリッパ７０に固定される。図９でミクログリッパ７０のカンチレバー７１及び７２上に配置された抵抗ヒータ９０は、図１０、１０Ａ、１０Ｂ又は図１１、１１Ａ、１１Ｂに示すタイプとすることができ、各々がピエゾ抵抗フィードバック能力を有する。図１０の実施形態において、抵抗ヒータ９０は図９と同様の接触パッド９１及び９２を有し、抵抗性ワイヤ１０７がパッド９１と電気的に接触し、抵抗性ワイヤ１０８がパッド９２と電気的に接触している。図１０Ａは図１０の大きく拡大した断面であり、シリコンビーム（カンチレバー７１）、抵抗性ヒータ９０のＳＭＡ抵抗性ワイヤ１０７、１０８、１０７を有し、それらの間には酸化物の層１０９及び１１０があり、その上にはポリシリコン（poly-Si）の層１１１及び１１２があり、その上にはＳＭＡの薄いフィルム７８の部分があり、酸化物又は保護層１１３により覆われている。図１０Ｂは図１０の実施形態の拡大断面側面図である。図１１、１１Ａ及び１１Ｂの抵抗ヒータ９０は、図１０の実施形態とほぼ同様であり、同様の参照符合が使用されている。図１１においては、図１０の実施形態と同様に、抵抗ヒータ９０は接触パッド９１及び９２を有し、抵抗性ワイヤ１０７がパッド９１に接続され、抵抗性ワイヤ１０８がパッド９２に接続されている。図１１Ａは図１１の断面を大きく拡大した図であり、シリコンビーム（カンチレバー）７１と、酸化物層１１４と、酸化物層１１７及び１１８がその上に析出された一対のポリシリコン（poly-Si）層１１５及び１１６と、ＳＭＡの薄いフィルム７８と、酸化物又は保護層１１３と、を有する。図１１Ｂは、図１１の実施形態の拡大断面側面図である。図１２は図７の実施形態のミクログリッパ７０の力フィードバック制御を示し、同様の構成要素には対応する参照符合を付している。感知フィルム１２０はカンチレバー７１上に析出され、１２１で示す上述の歪み−応力変換を介して、特定の力表示器１２２に接続され、その出力はシグナルプロセッサ（アンプ）１２３を介して作動フィルム（ＳＭＡフィルム）７８へ送られる。図示はしないが、下側のカンチレバー７２も同様の構成で設けられている。図７の実施形態は、図１３に示すように、油圧／流体送りシステムを提供するように変更することができる。ここで、ミクロアクチュエータ７０’のカンチレバー１２５及び１２６は夫々ＳＭＡフィルム１２７及び１２８を有し、カンチレバー１２５及び１２６は、内部に図示しない開口を有する部分１２９において接続される。ミクロバルーン１３０はカンチレバー１２５及び１２６の一端１３１及び１３２の中間に位置し、それらの他端１３４及び１３５はつかみ具又はあご部１３５及び１３６を有する。作動すると、カンチレバーの端部１３１／１３２が矢印で示すように内側へ移動し、端部１３３及び１３４が矢印で示すように外側へ移動し、それによりミクロバルーン１３０内の流体がそこから矢印１３７で示すように押しやられ、流体１３７を使用点まで送る。このように、本発明は電気機械的ミクロメカニズム（ＩＣシリコンベース又は精密ミクロ機械的のいずれか）を提供し、それは例えば脳内動脈瘤の治療又は他の介入臨床治療のために、カテーテルによる介入治療の応用を拡張及び改善する。本発明のミクログリッパは、医療的応用に加えて、小物体のミクロ組立て、小物体の遠隔及び精密操作などの非医療的使用を有し、小血管などの直径２５０μ ｍの小領域内での動作可能性を有する。本発明を例示するために特定の実施形態、材料、パラメータなどを記述してきたが、それらは限定的であることを意図してはいない。当業者は変形及び変更を理解することができ、本発明は添付の請求の範囲の視野によってのみ限定されることが意図される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者シアロ，ディノ，アール. アメリカ合衆国，94550 カリフォルニア州，リヴァーモア，ダンスミューイルプレース 1178 (72)発明者リー，エイブラハム，ピー. アメリカ合衆国，94596 カリフォルニア州，ウォールナットクリーク，ホワイトクリフウェイ 1428 (72)発明者クルラヴィッチ，ピーターエイ. アメリカ合衆国，94024 カリフォルニア州，ロスアルタス，ハーリントンコート 440

Claims

【特許請求の範囲】１．少なくとも一方が、関連する物体を把持する一対の部材と、前記関連する物体を把持するように接触した状態で前記部材を保持し、且つ、関連する物体を把持するように接触した状態から前記部材を解放する手段と、を有することを特徴とするミクログリッパ。２．前記一対の部材は、一対のコイルを有することを特徴とする請求項１に記載のミクログリッパ。３．前記一対のコイルの一方のコイルは他方のコイルより大きいことを特徴とする請求項２に記載のミクログリッパ。４．前記部材は一対のグリップアームを有し、前記グリップアームは一端にグリップ部材を有し、且つ、他端において一体に固定されることを特徴とする請求項１に記載のミクログリッパ。５．前記手段は膨張可能な部材を含むことを特徴とする請求項４に記載のミクログリッパ。６．前記手段は形状記憶合金フィルムを含むことを特徴とする請求項４に記載のミクログリッパ。７．前記手段は圧縮可能な薄いフィルムを含むことを特徴とする請求項４に記載のミクログリッパ。８．前記手段は、さらに形状記憶合金ワイヤを含むことを特徴とする請求項７に記載のミクログリッパ。９．前記グリップアームの各々は、自身の外部を夫々に対して曲げることが可能な手段を含むことを特徴とする請求項４に記載のミクログリッパ。１０．前記グリップアームは、それらの間に中空チャンネルを規定することを特徴とする請求項４記載のミクログリッパ。１１．前記グリップアームの各々は、前記グリップ部材と間隔を有して配置された押し付けパッドを有することを特徴とする請求項４に記載のミクログリッパ。１２．前記一対のグリップアームはシリコンにより構成されていることを特徴とする請求項４に記載のミクログリッパ。１３．前記一対の部材は、直径２５０μｍ程度の領域内で動作可能な断面を有することを特徴とする請求項１に記載のミクログリッパ。１４．生体組織サンプラー又は介入治療に使用するカテーテルの前端部に装着するミクロメカニズムにおいて、一端部において接続され、他端部において移動する一対の部材と、前記他端部を移動させる手段と、を有し、前記一対の部材の各々は、前記他端部に配置された少なくとも一つのつかみ具を有することを特徴とするミクロメカニズム。１５．前記一対の部材の各々は、前記つかみ具に対して間隔を有して配置された押し付けパッドを有することを特徴とする請求項１４に記載のミクロメカニズム。１６．前記一対の部材の各々は、カンチレバー部を有することを特徴とする請求項１４に記載のミクロメカニズム。１７．前記他端部を移動させる手段は、膨張可能な部材であることを特徴とする請求項１６に記載のミクロメカニズム。１８．前記他端部を移動させる手段は、複数の形状記憶合金を含むことを特徴とする請求項１４に記載のミクロメカニズム。１９．前記複数の形状記憶合金はワイヤの形状であり、前記一対の部材は、前記ワイヤが除去可能に挿入される手段を含むことを特徴とする請求項１８に記載のミクロメカニズム。２０．前記複数の形状記憶合金は、フィルムの形状であることを特徴とする請求項１８に記載のミクロメカニズム。２１．前記フィルムは、前記一対の部材の各々の面に沿って延在することを特徴とする請求項２０に記載のミクロメカニズム。２２．前記フィルムは、前記一対の部材の各々の外面上に配置されることを特徴とする請求項２１に記載のミクロメカニズム。２３．前記一対の部材は、前記接続された端部を通じる中空チャンネルを形成するように構成されることを特徴とする請求項２２に記載のミクロメカニズム。２４．前記フィルムは、前記一対の部材の各々の内面上に配置されることを特徴とする請求項２１に記載のミクロメカニズム。２５．前記一対の部材の各々は、前記フィルムに近接して配置された、断面の小さい部分を含むことを特徴とする請求項２４に記載のミクロメカニズム。２６．前記一対の部材の各々は、圧縮可能なフィルムを含む部分を有することを特徴とする請求項１９に記載のミクロメカニズム。２７．前記一対の部材の間に流体を含む手段を有し、前記一対の部材の移動が前記手段からの流体を移動させることを特徴とする請求項１に記載のミクログリッパ。２８．前記一対の部材を移動させる加熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載のミクログリッパ。２９．前記一対の部材の各々の上に配置された形状記憶合金フィルムを有し、前記加熱手段は、前記形状記憶合金フィルムを移動させることにより前記一対の部材を移動させることを特徴とする請求項２８に記載のミクログリッパ。３０．前記一対の部材は、Ａｕ−Ｓｉ共晶接合により一体に接合されることを特徴とする請求項１に記載のミクログリッパ。３１．前記一対の部材の共晶接合は、少なくとも一つのＳｉ部材上に接着層を析出し、接着層のＡｕ層を析出し、Ａｕ層の共晶点を焼なまし、Ｓｉ部材を一定時間加圧して高度に均一且つ固い接合を形成することを特徴とする請求項３０に記載のミクログリッパ。