JP2003519267A

JP2003519267A - 粘着性ミクロ構造物及びその形成方法

Info

Publication number: JP2003519267A
Application number: JP2001550314A
Authority: JP
Inventors: ロバート，ジェイ．フル，; ロナルド，エス．フィーリング，; トーマス，ダブリュ．ケニー，; ケラーオータム，
Original assignee: THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Current assignee: THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2003-06-17
Anticipated expiration: 2020-12-11
Also published as: CY1112846T1; WO2001049776A3; US7011723B2; US20050072509A1; US20040005454A1; AU5515001A; EP1241930A4; US6737160B1; ATE483008T1; WO2001049776A9; DK1241930T3; US7229685B2; EP1241930A2; PT1241930E; EP1241930B1; DE60045039D1; US20080073323A1; WO2001049776A2; JP4830083B2; US7828982B2

Abstract

(57)【要約】粘着力を作り出す方法であって、該方法は、生存試料から剛毛を除去するステップ、剛毛を基板に付けるステップ、及び基板と表面の間で粘着力を確立するために、剛毛を表面に適用させるステップを含む。剛毛は、表面と垂直な力で表面に適用される。その後、剛毛の粘着力をプレロードするために剛毛は表面と平行な力で引張られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本出願は、１９９９年１２月２０日に提出された、仮出願番号６０／１７２７
３１号「非咬合の乾式粘着性ミクロ構造物とその形成方法（Non-interlocking D
ry Adhesive Microstructure and Method of Forming Same）」という名称の仮
特許出願について優先権を主張する。

【０００２】本発明は、I. S. Robotics からの副契約を介して、ＤＡＲＰＡから与えられ
た奨学金（契約）第Ｎ０００１４−９８−Ｃ０１８３号の下、政府支援によりな
された。本発明に関しては政府が特定の権利を有する。

【０００３】（発明の簡単な説明）本発明は、一般に、ミクロスケール構造物の作製及び利用に関する。より具体
的には、本発明は、非咬合の粘着性ミクロ構造物に関する。

【０００４】（発明の背景）改善された粘着材に対して必要性が求められている。改善された粘着材の応用
は、日常生活の一般面（例えば、テープ、ファスナー、及び玩具）からハイテク
ノロジー（例えば、半導体ウエハからの顕微粒子の除去、光ファイバーデバイス
のトランスポート、及びサブミリメカニズムのアセンブリー（特に、ミクロ作製
された部品、又は、グリッパー、粘着材又は真空マニピュレータに耐性でない部
品を含むもの））に至って存在する。

【０００５】自然界における粘着メカニズムの研究がされてきたが、完全には理解も開拓も
されていない。例えば、ゲッコー（Geckos）はスムーズな垂直表面を素早く登る
能力において例外的である。ゲッコー、アノリストカゲ（Anolis Lizards）、幾
つかのスキンク（Skinks）、及び幾つかの昆虫において使われる粘着メカニズム
については、一世紀近くにもわたって議論されてきた。

【０００６】ゲッコー及び他の昆虫によって使われている剛毛（seta）の形態については、
従来からの研究によって同定されているが、この従来からの研究においては、剛
毛がどのように機能するかは同定されていない。さらに、従来からの研究では、
有効な作業を実行するためにどのように剛毛を使ったらよいかについては同定で
きていない。

【０００７】ゲッコー及び他の昆虫によって利用されている粘着力メカニズムを同定及び開
拓することが高く望まれる。このような情報により、新規なミクロ構造物の利用
及びこのような構造物の作製がされ得る。

【０００８】（発明の要約）本発明は、粘着力を作り出す方法（a method of forming an adhesive force
）を含む。この方法には、生存試料から剛毛を除去するステップ、この剛毛を基
板に付けるステップ、この剛毛を表面に適用させて基板と表面の間で粘着力を確
立するステップ、が含まれる。

【０００９】また、本発明は、粘着性ミクロ構造物を確立する方法を含む。この方法には、
ある表面にそれと垂直な力で剛毛を適用させるステップが含まれる。その後、剛
毛の粘着力をプレロード（preload）するために、表面と水平な力で剛毛は引張
られる。

【００１０】また、本発明は、粘着性ミクロ構造物を作製する方法を含む。作製技術には、
シャフトアレー（array of shafts）を作製すること、その後にシャフトアレー
上にスパチュラ（spatulae）を作ることが含まれる。

【００１１】また、本発明は、５００ミクロン未満の長さを持つシャフトを用いて作製され
たミクロ構造物を含む。このシャフトは、その長さの０．０１−０．１倍の直径
を有している。このシャフトの端には、スパチュラアレー（array of spatulae
）が作られている。このスパチュラアレーは、１０ミクロン未満の幅を有してい
る。これらのスパチュラ（spatulae）中、個々のスパチュラ（individual spatu
la）は、パドル、球の曲がったセグメント、又は球の平らなセグメント等の拡張
した表面を備えた末端を含んでいる。

【００１２】（発明の詳細な説明）本発明は、粘着を達成するためのミクロスケール構造物の使用に向けて指図さ
れている。特に、本発明は、剛毛構造を使用する。この剛毛構造は、シャフトを
有している。シャフト端に位置しているのは、スパチュラ又はスパチュラアレー
である。スパチュラ又はスパチュラアレーが表面と密接な接触を起こすと、粘着
が引き起こされる。

【００１３】一般に、シャフトの長さは、１ミクロンと５００ミクロンの間であり、好まし
くは約１０−１００ミクロンである。このシャフトの直径は、好ましくは、シャ
フトの長さの０．０１倍と０．１倍の間であり、シャフトの長さの約０．０５倍
であることが好ましい。

【００１４】シャフトの末端には、少なくとも１個のスパチュラがある。好ましくは、シャ
フトの末端には、１個と１０００個の間の数のスパチュラがある。スパチュラの
アレーは、好ましくは、１０ミクロン幅未満であり、好ましくは約１ミクロン幅
である。好ましくは、スパチュラアレー中の個々のスパチュラは、その末端に拡
張した表面を有している。この拡張した表面は、以下に示すように、パドル又は
球の曲がったセグメントの形であってよい。

【００１５】本発明の構造物は、トカイ（Tokay）・ゲッコー（Gekko gecko）の足上に見ら
れる剛毛等の自然界に見られる構造をモデルとしている。多種類のゲッコー（例
えば、クレード・ゲッコノイデア（clade Gekkonoidea））、アノリス種（speci
es of Anolis）、及び幾つかのスキンク種（skink species）が、粘着性の剛毛
を有しており、また、本発明に従って使うことのできるものである。さらに、ビ
ートル（beetles）及びサシガメ類（kissing-bugs）も、本発明に従って使うこ
とのできる剛毛を有している。本発明は、以下に議論されるように、自然の又は
作製された剛毛を用いて実施される。

【００１６】自然界に見られる剛毛構造の例は以下の通りである。トカイ・ゲッコーの剛毛
は、ストーク（シャフト）直径５μ、ストーク高さ１１０μ、チップ（スパチュ
ラ）長さ０．２μ、チップ幅０．２μ、及び１００個〜１０００個の間のチップ
数を有する。ここで、ストーク当たりのチップ全体面積は、２〜２０μ²である
。アノリス・キュビエリ（Anolis cuvieri）は、ストーク直径０．５μ、ストー
ク高さ２２μ、チップ長さ０．６μ、チップ幅０．７μ、及び１００個〜１００
０個の間のチップ数を有する。ここで、ストーク当たりのチップ全体面積は、２
〜２０μ²である。プラジノハエマ・ビレンス（Prasinohaema virens）（スキン
ク）は、ストーク直径２μ、ストーク高さ２６μ、チップ長さ６μ、チップ幅７
μ、及び１００個〜１０００個の間のチップ数を有する。ここで、ストーク当た
りのチップ全体面積は、約２０μ²である。

【００１７】一例として、図１Ａには、トカイ・ゲッコー２０が、自然に生じた剛毛を持つ
末端の肢２１と共に例示されている。生きたゲッコー２０は拘束されている。末
端の肢（例えば、指）２１の一部分の小皮層（cuticular layer）を除去する。
この施術は、髪の毛のカットに類似し、ゲッコーに害を与えずにその剛毛を再生
させることができる。剛毛の除去源となる生き物を犠牲にすることなく、何百何
千もの剛毛が簡単に得られることが実証されている。

【００１８】除去後、小皮表面をこすって個々の剛毛に分ける。剛毛のシャフトの基部でこ
することが好ましい。図１Ｂに、ゲッコー２０と関連している剛毛の列（２２）
を例示する。図１Ｃに、単一の剛毛２６のシャフト２４を例示する。この図は、
また、シャフト２４の端に位置するスパチュラ２８も例示している。

【００１９】図１Ｄは、単一の剛毛２６についての拡大図である。この図は、シャフト２４
がスパチュラ２８と略垂直であることを示している。

【００２０】図１Ｅは、スパチュラストーク３０上の単一スパチュラ２９についての拡大図
である。スパチュラストーク３０は、シャフト２４又はシャフト２４から伸張す
る別個のつる（tendril）であってもよい。好ましくは、各スパチュラ２９には
拡張した表面がある。図１Ｅでは、拡張した表面が、パドル構造の形をしている
。図１Ｆでは、拡張した表面が球の形をしている。図１Ｇは、スパチュラ２８の
アレーについての拡大図である。

【００２１】剛毛による大きな粘着力の実現は、本発明に従って行われるプレロード操作に
よって左右される。本発明に従って明記されるように、剛毛の剥離は特有の角度
で起こる。図１Ｈは、こうした粘着力を特徴付けるために使われた基板（つまり
、センサ３２）を例示する。図１Ｉは、本発明の剛毛を剥離する特有の角度（α
）を例示する。特有の角度（α）は、剛毛２６と、剛毛が付着する表面４０との
間に形成される。

【００２２】発明者等は、剛毛の粘着力がその３次元配向性（表面の方を向いているか、表
面から離れて向いているか）と、初期接触中に剛毛がプレロードされる（表面内
に押され、且つ、表面に沿って引張られる）程度とに依存することを同定した。
表面に向かって突出しているのではなく他の方向を向いたスパチュラを備えた剛
毛を表面に接触させると、剛毛が表面と垂直に表面から引張られるときの力は、
０．３μＮ未満であった。表面と平行な引張りでは、不活性の非スパチュラ領域
によって起こされる力は、ノーマル（normal）又は垂直（perpendicular）の力
と共に増大し、摩擦係数が０．２に等しい材料の典型である。これに対して、活
性なスパチュラ領域が表面に向かって突出している場合には、力は２０−６０倍
に増大した。付着中、表面と平行に剛毛を引張ることによって起こる力は、最初
に剛毛が表面に向かって押される場合に増大した。これにより、垂直のプレロー
ディング力（perpendicular preloading force）が提供された。この初期の垂直
力は、その後の引張り中に維持される必要はない。表面と平行の剛毛力は、垂直
のプレローディング力と共に線形に増大した。

【００２３】ワイヤ表面から剛毛が引張り離された実験により、垂直のプレローディングの
みでは、剛毛が簡単に外されないよう防止するには十分ではないことが実証され
た。表面内にまず押し付けられ、その後に表面と平行に引張られた剛毛は、表面
から引張り離されるときに、垂直ローディングのみを持つ剛毛（０．６μＮ±０
．７ＳＤ；Ｎ＝１７）に比べて１０倍を超える力（１３．６μＮ±２．６ＳＤ；
Ｎ＝１７）を呈した。数ミクロン滑動した後のみに、最大水平力が観察された。
剛毛力の産出にプレローディングをすることの結果により、粘着に「かみ合う」
（"engage" ）ためには、後方移動又は水平プレロードと協力する小さな垂直プ
レローディング力が必要であろうことが示唆される。プレローディングにより、
表面と接触しているスパチュラ数が増加すると考えられている。

【００２４】剥離においても剛毛の方向性がまた重要である。同じ垂直プレロードが与えら
れた場合には、剛毛が表面から引張り離されるときに産出された力は、表面と平
行の引張り中に測定された力とわずかに異なっただけであった。しかし、センサ
の表面から引張り離されたとき、類似の角度（３０．６°±１．８ＳＤ；Ｎ＝１
７）及び力で剛毛が剥離したことが同定されている。剥離の臨界角の存在を調べ
るために、垂直力を一定に保ち、剥離が起こるまで剛毛の角度を徐々に増大させ
た。剥離時の剛毛角度は、垂直力の範囲にわたって、ほんの１５％だけ変化した
。したがって、本発明は、３５°と２５°の間の剥離角度、好ましくは約３０°
の剥離角度を利用するものである。剥離角度値は、開示された剛毛構造に基いて
おり、この構造においては、図１Ｄに示されるように、剛毛のシャフトはスパチ
ュラ表面に対して略垂直である。剛毛の方向性、及びおそらくはスパチュラの幾
何学的形状の変化によっても、剥離は容易にされ得る。

【００２５】トカイ・ゲッコー（Gekko gecko）の足には、剛毛が約５０００ｍｍ^-2あり、
約１００ｍｍ²のパッド面積で１０Ｎの粘着力を産出することができる。従って
、各剛毛は、２０μＮの平均力と０．１Ｎｍｍ^-2（〜１atm）の平均圧力を産出
することになる。実際の大きさは、全剛毛が同時に粘着するとは思えないので、
たぶんもっと大きい。

【００２６】先の情報は、本発明に従って実行される特定の操作と関連して、より完全に理
解されよう。先に議論された技術によって得られた、単離された剛毛を、エポキ
シ（例えば、TTWDevcom（マサチューセッツ州、Danvers）によって販売されてい
る５-MINUTE EPOXY）を用いて基板（例えば、＃２昆虫ピンの端）に接着した。
ピンの直径は約１５μｍであった。剛毛のストークにエポキシが入るのを防ぐた
め（それにより試料の機械的特性が変わってしまうこともあり得るので）、エポ
キシは、試料に適用する前に約１分間予め硬化されていることが好ましい。活性
のある表面がピンの軸に対しておおよそ垂直になるよう、全ての剛毛について方
向付けした。全ての調製は複式顕微鏡下で行った。

【００２７】図１Ｈに例示されたタイプの、マイクロ加工された二軸のピエゾ感応センサ３
２を使って、単離された単一の剛毛によって付着中に産出される力を測定した。
以下の議論は、センサ３２に関する情報を提供する。米国特許第５９５９２００
号には、本明細書で述べるタイプのセンサについて記載されている。センサ３２
は、本発明の一部をなすわけではなく、むしろ、以下に記載する実施結果を得る
ために使われたに過ぎない。

【００２８】図１Ｈのカンチレバーセンサ（cantilever sensor）３２は、単結晶シリコン
ウエハ上に作製されたものである。カンチレバー３２には、２つの独立した力セ
ンサが備わっており、コンプライアンスの方向性がそれぞれ支配されている。垂
直力センサは、薄い三角形のプローブ５０からなる。水平力センサは、長くて細
い４つのリブ５２から構成されている。特有４５°斜角イオン注入法により、水
平及び垂直表面の両表面上にピエゾ感応性及び導電性の領域を同時に着床させる
ことが許容された。センサのチップにかけられる力は、２つの直角方向（水平及
び垂直）に分割され、ピエゾレジスターの抵抗変化によって測定された。このデ
バイスは、原子間力顕微鏡のためにもともと考案されたものであるので、これら
のカンチレバーデバイスの各々は、三角形プローブの頂点付近に鋭いチップを有
しているものであった。ゲッコー剛毛の粘着測定には、剛毛粘着用のスムーズな
面を提供するために、このデバイスの背面が使われた。

【００２９】接触を増やし且つ粘着を引き起こすために、表面と垂直に小さなプレロードを
かけることによって、センサ３２に各剛毛２６を接触させた。亜最大（submaxim
al）水平力に対するプレロード力の効果を決定するために、図３に示されるよう
に、センサのチップに剛毛が付くと、プレロード力を変化させた。この点につい
ては、以下で議論する。最大水平力を測定するために、三角形プローブのベース
を使った。ベースの使用により、接触面積は増大したが、プレロード力を同時に
測定することは許容されなかった。ピエゾエレクトリックマニピュレータによっ
て〜５μｍ／秒の速度で剛毛が表面と平行に引張られる間、センサ信号をとった
。センサ信号を増幅し、３００Ｈｚローパスフィルターでフィルターをかけ、そ
の後、１６ビットデータ収集カード（ＰＣ上のLab View^TM）を使って１００Ｈｚ
でデジタル化した。集めたデータを、キャリブレーション定数を介してセンサの
偏差に変換し、カンチレバーの剛性を乗じで力値を得た。

【００３０】剛毛が表面から離れる直前に、表面に対して垂直又は表面にノーマルに発揮す
ることができる最大力として、破壊又は剥離力を定義した。その値は、剛毛が、
２５μｍの呼び径を備えた４．７ｍｍのアルミニウムボンディングワイヤででき
た力ゲージ（American Fine Wire 社、Selma、アラバマ州；図１Ｉにワイヤ４０
が示されている）を変位させる値を測定することにより、個々の剛毛について決
定した。剛毛の活性表面のワイヤへの接触面積を最大にするために、ワイヤチッ
プの５０μｍｘ１００μｍ断片を平らにした。ブラス突出部上にワイヤの基端を
エポキシで固定させた。剛毛の活性表面を平らにされたワイヤで押圧し、既知の
垂直プレロード（１．６±０．２５μＮ；平均±ＳＤ）を産出した。２つの異な
る剥離方法を使って力測定をした：（１）ワイヤと垂直に剛毛を引張った；及び
（２）ワイヤに対して垂直又はノーマルに引張る前に、剛毛上に追加の水平プレ
ロードを産出するように、ワイヤに沿って昆虫ピンを１９．７±３．４５μｍ移
動させた。

【００３１】全ての試験において、剛毛によって引張られたワイヤの最大移動値から剥離力
を計算した。全てのシーケンスをビデオカメラ（例えば、ＳＯＮＹによって販売
されているＣＣＤカメラ）で記録し、ビデオ編集システム（例えば、ＭＥＤＩＡ
１００社、Marlboro、マサチューセッツ州）を使ってコンピュータ（例えば、ア
ップルマッキントッシュ）へデジタル化した。ワイヤの初期値、ワイヤに対する
剛毛の角度、分離点でのワイヤの位置を記録し、イメージ分析ソフトウェア（例
えば、ＮＩＨイメージソフトウェア）を使って分析した。力ゲージを標準的重さ
に対してキャリブレーションした後、力ゲージの偏差を粘着力に変換した。

【００３２】これらの操作結果を図２−４に示す。図２Ａは、本発明に従う垂直プレロード
及びそれに続く水平の引張りに関連した力の例示である。図２Ａに示されるよう
に、表面と平行の剛毛粘着力は、時間Ｔ_sでセンサの端から剛毛が滑り落ち始め
るまで線形に増大した。センサの表面に沿って剛毛が約５μｍ（足のレベルでは
微細な距離）滑動することが許容された場合には、図２Ｂに示されるように、粘
着力は増大し続けた。単一剛毛の最大粘着力は、平均で１９４μＮ±２５ＳＤ（
Ｎ＝２８）であり、動物全体の推定値から予想された値より１０倍近く大きかっ
た。

【００３３】単一の剛毛力測定により、同時に且つ最も効果的に全ての剛毛が付いたとする
と、ゲッコーの単一足から１００Ｎ（‐１０arm）の粘着力が産出されることが
示唆された。他の方式で述べれば、ゲッコーの足は、その剛毛のほんの１０％が
最も効果的に付けば、観察された最大力（１０Ｎ）を発生させることができる。

【００３４】所与の剛毛によって発揮される最大力を、分子間相互作用又は顕微解剖学のみ
から予測することはできない。剛毛力は、その３次元配向性（表面の方を向いて
いるか、表面から離れて向いているか）と、初期接触中にヘアー（hair）がプレ
ロードされる（例えば、表面内に押され、且つ、表面に沿って引張られる）程度
とに依存した。表面に向かって突出しているのではなく他の方向を向いたスパチ
ュラを備えた剛毛を表面に接触させると、剛毛が表面と垂直に表面から引張られ
るときの力は、０．３μＮ未満であった。表面と平行な引張りでは、不活性の非
スパチュラ領域によって起こされる力は、ノーマル又は垂直の力と共に増大し、
摩擦係数が０．２５に等しい材料の典型である（図３参照）。これに対して、活
性なスパチュラ領域が表面に向かって突出している場合には、力は２０−６０倍
に増大した。付着中、表面と平行に剛毛を引張ることによって起こる力は、最初
に剛毛が表面に向かって押されると増大し、これにより、図２Ａに示されるよう
に垂直プレローディング力が提供された。この初期の垂直力は、その後の引張り
中に維持される必要はない。図３に示されるように、表面と平行の剛毛力は、垂
直のプレローディング力と共に線形に増大した。剛毛が表面（例えば、図１Ｆの
ワイヤ、表面４０）から引張り離される実験により、垂直のプレローディングの
みでは、剛毛が簡単に外されないよう防止するには十分ではないことが実証され
た。表面内にまず押し付けられ、その後に表面と平行に引張られた剛毛は、表面
から引張り離されるときに、垂直ローディングのみを持つ剛毛（０．６μＮ±０
．７ＳＤ；Ｎ＝１７）に比べて１０倍を超える力（１３．６μＮ±２．６ＳＤ；
Ｎ＝１７）を呈した。図２Ｂに示されるように、数ミクロン滑動した後のみに、
最大水平力が観察された。

【００３５】剛毛力の産出にプレローディングをすることの結果により、粘着に「かみ合う
」ためには、後方移動又は水平プレロードと協力する小さな垂直プレローディン
グ力が必要であろうことが示唆される。剛毛のチップは足指の爪（toenail）か
ら後方へ向いているので、プレローディングにより、表面と接触するスパチュラ
数が増加すると考えられている。

【００３６】移動中の剥離においても剛毛の方向性がまた重要である。同じ垂直プレロード
が与えられた場合には、剛毛が表面から引張り離されるときに産出された力は、
表面と平行の引張り中に測定された力とわずかに異なっただけであった。しかし
、ワイヤのセンサ表面から引張り離されたとき、類似の角度（３０．６°±１．
８ＳＤ；Ｎ＝１７）で剛毛が剥離したことが同定された。剥離の臨界角の存在を
調べるために、垂直力を一定に保ち、剥離が起こるまで剛毛の角度（α；図１）
を徐々に増大させた。図４に示されるように、剥離時の剛毛角度は、垂直力の範
囲にわたってほんの１５％だけ変化した。この観察は、剛毛の臨界角度よりも大
きい角度で引張られると滑動が止まり、ゆえに境界で圧力が増大し、接触が破壊
されるという粘着モデルと一貫している。剛毛の方向性、及びおそらくはスパチ
ュラの幾何学的形状の変化によっても、剥離は容易にされ得る。

【００３７】ゲッコーが走行中にスムーズな表面から足指のチップを剥がすことについては
長い間知られている。足指の剥がしは２つの効果を持つことができる。第一には
、足指を剥がすことで、個々の剛毛が一方向に置かれるか、又は解放が助けられ
る臨界角に置かれる。第二に、足指剥がしにより、付いた全剛毛のうちのわずか
な集団に瞬間的な剥離力が集中する。足指を剥がす行動は、表面から一片のテー
プを除去するというヒトによって使われるテクニックに類似する。

【００３８】直接的な剛毛力測定は、ゲッコーの粘着が分子間力に帰着するという仮説と一
貫している。利用可能な簡単なモデルは、剛毛力産出の最も概算的な推定値を提
供できるのみである。スパチュラのチップが球の曲がったセグメントであって、
且つ、大きく平らな表面から少し離れている（ヴァンデルワールス力が有意にな
る辺り（原子ギャップ距離、Ｄ？０．３ｎｍ））と仮定すると、剛毛力は、ＡＲ
／６Ｄ²である。ここで、Ａは、物質に依存するハマカー定数（Hamaker constan
t）であり１０^-19Ｊ¹⁰としてある。この推定値によれば、１つのスパチュラに対
するヴァンデルワールス力は約０．４μＮになる。剛毛当たりのスパチュラ数は
、１００〜１０００個の間で変わるので、剛毛力は４０−４００μＮの範囲と推
定される。

【００３９】先の実験は、基板の表面エネルギーを増大させると共にゲッコー全体の粘着力
が増大するという観察から来るヴァンデルワールス仮説を指示する。さらに、吸
引、静電、摩擦、ミクロ咬合、及び湿式粘着等の代替メカニズムの排除について
も企てられた。真空で行われた粘着実験及び1気圧の粘着圧力よりも大きい露出
実験から、吸引が関与していないことが強く示唆される。Ｘ線照射実験により、
イオン化された空気中においても剛毛がなお粘着することができることから、剛
毛粘着に必要なメカニズムとしての静電引力が除かれる。ミクロ咬合は、第二の
メカニズムとして機能し得るが、磨かれたガラスに粘着するゲッコーの能力によ
り、スパチュラレベルの不規則さが粘着のためは必要でないことが示される。本
明細書に記載するこれらの発見は、摩擦メカニズムを支持するものではない。カ
ンチレバーの表面はスムーズであり（表面粗さは、２．５ｎｍ以下）、シリコン
への剛毛ケラチンの摩擦係数は低い（μ＝０．２５；図３；点線）からである。
キャピラリー粘着又は粘着は、ありそうにないメカニズムである。トカゲの足に
は表皮腺が存在しないからである。粘着のメカニズムには、剛毛及び／又は基板
の上に吸着した水分子、又は水の薄い層が含まれ得る。

【００４０】原子距離ギャップよりも大きいところでは、ヴァンデルワールス力は非常に小
さく、粘着物と表面との間には密接な接触が必要とされる。テープ等の高分子粘
着物はや柔らかく、比較的大きな表面積にわたって、密接な接触を得るために十
分に変形することができる。トカイ・ゲッコー（Gekko gecko）の足には、約１
０億個のスパチュラが含まれており、それらは、ヴァンデルワールス力の結果で
あろう粘着のために、基板と密に接する十分に大きな表面積を提供しているよう
に見える。

【００４１】先に示したように、生存試料から得られた剛毛と関連して本発明を使うことが
できる。代わりとして、作製された剛毛との関連で本発明の技術を使うことがで
きる。当業者であれば、本発明に従い剛毛を作製するために使うことのできる数
々の技術を認識することができよう。例えば、図５Ａ−５Ｃに示されるように、
酸化物／窒化物プロセスを介して、デバイスを作製することができる。

【００４２】まず、半導体基板に溝をエッチングする。図５Ａは、半導体基板１００に形成
された溝１０１を例示する。その後、基板１００上に、窒化物層と酸化物層を堆
積する。図５Ａは、窒化物層１０２と酸化物層１０４を例示する。その後、表面
をパターン化してエッチングすると、図５Ｂの構造が得られる。

【００４３】その後、下に横たわる基板１００をエッチングすると、図５Ｃに示されるよう
に、ウェル１０６が得られる。この時点で、窒化物層と酸化物層の間での圧力差
のため、基板１００によって画定される平面からカールした構造になり、シャフ
ト構造が形成される。その後、スパチュラを形成するために、シャフトの端を粗
くすることができる。例えば、湿式エッチング、照射、プラズマ粗仕上げ（plas
ma roughening）、電気化学エッチング等によってスパチュラを作ることができ
る。代わりとして、シャフトに別のスパチュラを固定することができる。スパチ
ュラを作製するための技術については下記で論じる。

【００４４】本発明に従い利用することのできるもう１つの技術は、励起源を活用するもの
である。図６Ａに示されるように、基板１２０上に感光材料１２２を形成する。
感光材料１２２に励起エネルギーを印加するためには励起源１２４を使う。深く
透過する励起により、励起軌道に沿って体積が変えられる。変えられた体積は、
その後、選択的にエッチングされる。これにより、図６Ｂに示されるよう、チュ
ーブ１２６が得られる。高い露光密度においては、残りの材料は分離された指の
ランダムアレーになる。各チューブ１２６の端は、その後、スパチュラを形成す
るか、又はチューブにスパチュラを付けるためにプロセスされる。

【００４５】図７は、本発明に従い利用することができるもう１つの技術を例示する。この
実施形態は、基板１３０上にエッチングできる材料を堆積することによる。その
後、エッチングできる材料から、ストーク１３２がパターン化及びエッチングさ
れる。エッチングされた基板を、酸化物層及び／又は窒化物層で被覆してもよい
。代わりとして、ポリマー層を被覆として使ってもよい。ポリマー層は、フォト
レジスト、ガラス、又はエポキシをベースにした化合物等の材料を使って、スピ
ンキャストすることができる。その後、得られたストーク１３２には、接種によ
りナノチューブ１３６が作られ、スパチュラとして働く。

【００４６】端部で狭い口径（例えば、５００ｎｍ）に引張られたガラスマイクロピペット
を使って人工スパチュラをつくることができる。中空ピペットを通して液体ポリ
マーを押し出した後、硬化させる。ピペットの端部では、表面張力により半球ド
ロップが生じる。図８は、この技術についての例示である。特に、この図は、マ
イクロピペット１５０の中に液体ポリマー１５２が入って半球のドロップを生じ
させたものの例示である。

【００４７】マイクロピペットに適用できる材料には、低粘性のＵＶ硬化エポキシ樹脂、未
硬化のシリコンゴム、又はポリウレタン樹脂が含まれる。マイクロピペット端の
半球は、磨かれた表面に対して押圧することにより、平らになっているか又はエ
ンボス加工されてもよい。図１Ｅのパドル構造を持つ平らにされた表面は、大き
な接触面積を備えており、球に比べてより良い粘着特性を有する。

【００４８】エンボス加工ツールとして単一スパチュラピペットを使って、溶解ポリスチレ
ン等の材料を成形的に変形させることによってナノ型を作ることもできる。ステ
ップ・リピート（step and repeat）エンボス加工により、又はピペットアレー
を作り且つ大きなパターンをエンボス加工することにより、大きな面積の型（例
えば、２０ミクロンｘ２０ミクロン）を作ることができる。

【００４９】図９は、エンボス加工ツール１６０を作るために使われるピペットアレーを例
示する。基板１６４上に位置するポリスチレン材料１６２にエンボス加工ツール
１６０を適用させる。これにより、パターン化されたポリスチレン表面１６６が
できる。

【００５０】代わりとして、中空グラスファイバーの多数の束からなるナノチャネルガラス
を使うこともできる。ナノチャネルガラスをポリマーで充填した後、酸でガラス
を溶かすことができる。

【００５１】リソグラフィーにより誘導される自己構築（self construction）により、ス
パチュラを作ることもできる。この技術によると、マスクを介して液体を引張り
、これによってスパチュラを「成長させる（sprout）」ために、静電引力が使わ
れる。このプロセスは、図１０Ａ−１０Ｄと関連して示されている。

【００５２】図１０Ａは、基板１７２上に位置した成長する層１７０を例示する。成長する
層は、溶解ポリマー又は熱可塑性材料であってよい。基板１７２上にスペーサを
位置させて、スペーサ１７４上にマスク１７６を構築する。成長する層１７０は
、上部のマスク層１７６に静電的に引き寄せられ、図１０Ｃに示されるように、
突起１７８のセットを産出する。図１０Ｄに、結果としてできたスパチュラアレ
ーが示されている。

【００５３】ナノインプリンティングローラーを使うことによって、型からストーク及びス
パチュラを作ることができる。この技術は、図１１Ａ−１１Ｂと関連して示され
ている。図１１Ａ−１１Ｂに示されているこのタイプのナノインプリンティング
技術は、従来技術分野で使われているがスパチュラ構造を産出するためとしてで
はない。

【００５４】図１２は、相違するレジスト露光感受性を用いて２層のフォトレジストを形成
することができるので、上部層は、例えば、１００ｎｍの正方形板でより長く薄
いペデスタルで支えられるものを形成することができることを示している。特徴
部を露光及びパターン化して広い面積のアレイを作製するために、定在波の干渉
パターン（standing-wave interference patterns）を使うことができる。プラ
ズマエッチングにより、シリコン基板上にSiOx層を用いて同様の構造物を作るこ
とができる。

【００５５】ポリマー層のサンドイッチを使って剛毛シャフトを作製することができる。ポ
リマー層には、フォトレジスト、ポリイミド、ガラス、又はエポキシをベースに
した化合物等のスピンキャストポリマー材料が含まれる。また、ポリマー層には
、フォトレジスト、ポリイミド、ガラス、又はエポキシをベースにした化合物等
のスプレー堆積ポリマー材料も含まれる。代わりとして、ポリマー層は、ＵＶ硬
化可能な化合物であってもよい。

【００５６】図１３は、本発明の実施形態に従って作られたたマニピュレータ２００を例示
する。マニピュレータ２００は、対立するペアーで配置された剛毛２６Ａ−２６
Ｄのセット（例えば、２６Ａと２６Ｃが互いに対向し、２６Ｂと２６Ｄが互いに
対向する）を備えたビーム２０２を含んでいる。ビーム２０２は、基板２０４に
向かって押され、剛毛２６Ａ−２６Ｄをプレロードし、且つ、広げる。その後、
ビーム２０２を、基板２０４から離す方向へ引いて、基板２０４を引き上げて掴
む。ビーム２０２は、剛毛２６Ａ−２６Ｄを解放させるために基板２０４の方向
へ押される。

【００５７】当業者であれば、本発明の粘着ミクロ構造物が種々の方法で利用され得ること
を認識できよう。例えば、本発明の技術は、持ち上げ及び配置を行う、ミクロ生
産、顕微操作及び顕微手術の分野に利用することができる。例えば、マイクロマ
ニピュレーターに剛毛を付けて光ファイバーを持ち上げ、移動させ、降ろすこと
ができる。他の使用には、網膜のプロステーシス・インプラント／外植体の操作
、手術中における神経への付着、シリコンウエハ又はディスクドライブ部品の持
ち上げ及び配置が含まれる。

【００５８】また、本発明の剛毛を、マイクロマシンのクラッチ機構として使うこともでき
る。剛毛は、方向性をもって粘着するので、ラチェットと同様のクラッチ機構（
しかし、スムーズな表面上）として剛毛を使うことができる。

【００５９】本発明の技術の他の応用としては以下のものが含まれる：昆虫トラップ、テー
プ、ロボット・フィート又はトレッド、登山用、グリップ用等のグローブ／パッ
ド、クリーンルームプロセスツール、表面を傷跡つけず、残留物又は引っかき傷
を残さないマイクロ光学マニピュレーション、マイクロほうき、マイクロ真空、
ウエハからの薄片除去、個々粒子の光学位置付けと除去、クライミング、スロー
イング、及びステッカー玩具、プレスオン・フィンガーネイル、無音ファスナー
、特定の位置への粘着を防ぐための基板、ディスクドライブを掃除するほうき、
ポストイット・ノート、バンドエイド、半導体トランスポート、衣類ファスナー
等。これらの多くの応用において、シャフト上に位置したスパチュラのパッチに
対して、平面基板上のスパチュラのパッチを使うことができる。

【００６０】先の詳細には、説明の目的のために、発明の完全な理解を提供する具体的な術
語が使われている。しかし、発明の実施をするために具体的な詳細が要求されな
いことが当業者には明らかであろう。従って、本発明の具体的な実施形態につい
ての先の詳細は、例示と説明のために表示されているものである。それらは、発
明を網羅的に意図しているものではなく、また、開示された厳密な型に発明を制
限することを意図しているものでもない。上記教示の観点からは、様々な修飾及
び変更が可能である。実施形態は、発明の原理及びその実践的応用について最適
な説明をするため、また、それにより特定の意図される使用に適した種々の修飾
がなされた発明及び種々の実施形態を他の当業者が最適に利用するために選択さ
れ且つ詳述されている。発明の範囲は、請求項及び均等物から定義されるよう意
図されている。

【００６１】本発明のより良い理解のために、添付の図面と共に詳細な説明が参照されるべ
きである。図面を通して、類似の符号がその相当する部分に付されている。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の一実施形態に従って行われるプレロード操作の例示である。

【図１Ｂ】本発明に従って使われる剛毛の列の例示である。

【図１Ｃ】本発明に従って使われる単一の剛毛の例示である。

【図１Ｄ】本発明の一実施形態に従って使われる単一の剛毛の拡大図である。

【図１Ｅ】本発明の一実施形態に従う、スパチュラストーク上に拡張した表面を持つ単一
のスパチュラの拡大図である。

【図１Ｆ】本発明の一実施形態に従う、スパチュラストーク上に拡張した表面を持つ単一
のスパチュラの拡大図である。

【図１Ｇ】本発明に従い使われる剛毛を作るために、シャフト端に形成されたスパチュラ
アレーの例示である。

【図１Ｈ】本発明に従い達成される粘着力を測定するためのシステムの例示である。

【図１Ｉ】本発明に従い達成される粘着力を測定するためのシステムの他の例示である。

【図２】本発明の構成のプレロード及び粘着操作に関連した、時間の関数としての、異
なる力の例示である。

【図３】本発明の一実施形態に関連した垂直プレロード力を例示する。

【図４】本発明に従って利用される構造物の剥離中における垂直力を例示する。

【図５】本発明の一実施形態に従って利用される酸化物/窒化物製作プロセスに従う、
スパチュラ構造を用いた剛毛アレーの作製について例示する。

【図６】本発明の一実施形態に従って利用される励起源プロセスに従う、剛毛アレーの
作製について例示する。

【図７】本発明の一実施形態に従って利用されるストーク及びシーディングプロセスに
従う、スパチュラ構造を用いた剛毛アレーの作製について例示する。

【図８】マイクロピペットを使った単一スパチュラの作製について例示する。

【図９】本発明の一実施形態に従って使うためのスパチュラ型の形成に使われるエンボ
シングツールを例示する。

【図１０】本発明の一実施形態に従う、リソグラフィーで誘導されたスパチュラの自己構
築を例示する。

【図１１】本発明の一実施形態に従ってスパチュラを形成するために使われ得るローラー
・ナノ-インプリンティング技術を例示する。

【図１２】本発明の一実施形態に従って使われ得る二層フォトレジスト作製技術を例示す
る。

【図１３】本発明の一実施形態に従って使われ得る剛毛をベースにしたマニピュレータを
例示する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者フル，ロバート，ジェイ．アメリカ合衆国，カリフォルニア州，コンコード，ウェストワトソンコート 2855 (72)発明者フィーリング，ロナルド，エス．アメリカ合衆国，カリフォルニア州，エルセリト，マニラアヴェニュー 7010 (72)発明者ケニー，トーマス，ダブリュ．アメリカ合衆国，カリフォルニア州，サンカーロス，デヴォンシャーボウルヴァード 132 (72)発明者オータム，ケラーアメリカ合衆国，オレゴン州，ポートランド，エスダブリュマーサストリート 1919 Ｆターム(参考） 4J040 LA06 PA00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粘着力を作り出す方法であって、生存試料から剛毛を除去するステップ、前記剛毛を基板に付けるステップ、及び前記基板と表面の間で粘着力を確立するために、前記剛毛を前記表面に適用さ
せるステップ、を含む、前記方法。
【請求項２】前記除去ステップが、ゲッコーから剛毛を除去するステップ
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】前記除去ステップが、アノリス種、スキンク種、ビートル種
及びサシガメ類種からなる群より選択される生存試料から剛毛を除去するステッ
プを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】前記適用ステップが、前記表面と垂直な力で前記表面に前記剛毛を適用させるステップ、及び前記粘着力とかみ合うよう、前記表面と平行な力で前記剛毛を引張るステップ
、を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】前記粘着力が、前記適用ステップ及び前記引張りステップの
累積的な力よりも大きい、請求項４記載の方法。
【請求項６】粘着性ミクロ構造物を確立する方法であって、表面に、前記表面と垂直な力で剛毛を適用させるステップ、前記剛毛の粘着力をプレロードするために、前記表面と水平な力で前記剛毛を
引張るステップ、を含む、前記方法。
【請求項７】前記粘着力が、前記適用ステップ及び前記引張りステップの
累積的な力よりも大きい、請求項６記載の方法。
【請求項８】粘着性ミクロ構造物を作製する方法であって、シャフトアレーを作製するステップ、前記シャフトアレー上にスパチュラを作るステップ、を含む、前記方法。
【請求項９】前記作製ステップが、窒化物と酸化物とのサンドイッチで前
記シャフトアレーを構築するステップを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】前記作製ステップが、ポリマー層のサンドイッチで前記シ
ャフトアレーを構築するステップを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】前記構築ステップが、フォトレジスト、ポリイミド、ガラ
ス及びエポキシベース化合物からなる群より選択されるスピン-キャストポリマ
ー材料のポリマー層サンドイッチで前記シャフトアレーを構築するステップを含
む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】前記構築ステップが、フォトレジスト、ポリイミド、ガラ
ス及びエポキシベース化合物からなる群より選択されるスプレー堆積ポリマー材
料のポリマー層サンドイッチで前記シャフトアレーを構築するステップを含む、
請求項１０記載の方法。
【請求項１３】前記構築ステップが、紫外線硬化可能なエポキシを含むポ
リマー層サンドイッチで前記シャフトアレーを構築するステップを含む、請求項
１０記載の方法。
【請求項１４】作製されたミクロ構造物であって、５００ミクロン未満の長さのシャフトであって、前記シャフト長さの０．０１
倍と０．１倍の間の直径を有する前記シャフト、及び前記シャフト端に作られたスパチュラアレーであって、１０ミクロン未満の幅
を有しており、前記スパチュラ中の個々のスパチュラは、スパチュラ末端におい
て球の曲がったセグメントを含んでいる、前記スパチュラアレー、を備えた、前記ミクロ構造物。
【請求項１５】前記シャフトが、約１０−１００ミクロンの長さを有する
、請求項１４記載の作製されたミクロ構造物。
【請求項１６】前記シャフトが、前記シャフトの前記長さの約０．０５倍
の直径を有する、請求項１４記載の作製されたミクロ構造物。
【請求項１７】前記スパチュラ末端における球の曲がったセグメントが、
約２μｍの半径を有する、請求項１４記載の作製されたミクロ構造物。