JP2007276072A - ナノピンセット、把持力検出方法およびナノピンセットの駆動装置 - Google Patents
ナノピンセット、把持力検出方法およびナノピンセットの駆動装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】ナノピンセットに設けられたグリッパ部Gには一対のアーム1,2が設けられており、アーム1を駆動機構3による駆動することにより、アーム1,2間に試料を把持することができる。アーム2側には駆動機構4が設けられており、櫛歯状凹凸部40,41間に働く静電力によりアーム2が振動駆動される。試料を把持する際にはアーム2が振動駆動され、把持時における振動振幅の変化をアドミッタンス変化として検出することにより、把持力を算出する。
【選択図】図1
Description
請求項2の発明は、請求項1に記載のナノピンセットにおいて、振動機構は振動状態に応じたイミタンスを発生するものであり、検出手段によりイミタンスの変化を検出するようにしたものである。
請求項3の発明は、請求項2に記載のナノピンセットにおいて、振動機構に、静電力により振動する櫛歯電極を備えたものである。
請求項4の発明は、請求項3に記載のナノピンセットにおいて、一対のアームおよび振動機構を、フォトリソグラフィー法によりSOIウエハから一体で形成したものである。
請求項5の発明は、閉駆動機構により開閉自在な一対のアームで試料を把持するナノピンセットの把持力検出方法であって、一対のアームのいずれか一方を振動させ、試料把持時における振動の変化を検出し、その検出結果に基づいて一対のアームの把持力を演算することを特徴とする。
請求項6の発明は、開閉自在な一対のアームのいずれか一方を振動させる振動機構を備えたナノピンセットの駆動装置であって、振動機構によるアーム振動の変化を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づいて、一対のアームの把持力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
図3は、駆動機構4における電気・機械結合系の等価回路を示す図である。C0は櫛歯状凹凸部40,41間における静電容量であり、CSは浮遊容量である。一般に、電気・機械結合系においては、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの保存則が成立する。ここでは、外力f、電圧eが小さく、変位量、電荷量の変動も小さいとしてモデル化した。
i1=jω(C0+CS)e1+(E0C0/X0)ν1 …(1)
f1=jωmν1+rfν1+kν1/jω+E0C0e1/X0 …(2)
但し、i1は交流電流値、e1は入力交流電圧の振幅、ν1はアーム2の振動速度であり、f1は可動部分に作用する外力である。また、X0は初期状態の櫛歯間距離である。
A2−2ω(C0+CS)(ωm−k/ω)=0 …(4)
図6,7は、グリッパ部Gのアーム1,2による把持動作を示す図である。まず、図6(a)に示すように、アーム2を共振させつつグリッパ部Gが装着されている3次元ステージを駆動して、グリッパ部Gを把持対象である細胞Cの位置へとアプローチする。次に、図6(b)のようにアーム1,2を細胞Cを含む溶液の中に挿入する。
把持力を算出する場合には、まず、振動系の振動状態を特徴づけるQファクターを求める。Qファクターは、共振角周波数ω0と可動部分の質量mと機械抵抗rfとから次式(8)により与えられる。
Q=ω0m/rf …(8)
Q=2πE1/E2 …(11)
E1=kB0 2/2−kB2/2 …(12)
δB=π(B0 2−B2)/QB …(13)
F=πk(B0 2−B2)/QB …(14)
次に、グリッパ部GをSOI基板から製造する際の、製造工程について説明する。図9(a)の断面図に示すように、SOI基板100は、下部Si層101とSiO2層102と上部Si層103とから成る。下部Si層101および上部Si層103は、<110>方位の単結晶シリコンから成る。なお、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や、アモルファスシリコン基板や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Si層であって、このSi層の下層に絶縁層(SiO2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、例えば、ベース12(図2参照)が形成される層を多層構造としてもかまわない。
(1)一対のアームのいずれか一方を振動させ、その振動の変化を検出し、検出結果に基づいて一対のアームの把持力を演算するようにしたので、非常に小さな把持力を検出することができる。
(2)なお、振動機構のイミタンス変化を検出することによって振動変化を検出するようにしても良い。例えば、櫛歯電極の静電力によりアームを振動させる振動機構のイミタンスを検出する。
(3)また、一対のアームおよび振動機構を、フォトリソグラフィー法によりSOIウエハから一体で形成することにより、ナノピンセットを高精度に加工することができる。
Claims (6)
- 開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームで試料を把持するナノピンセットにおいて、
前記一対のアームのいずれか一方を振動させる振動機構と、
前記振動機構によるアーム振動の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記一対のアームの把持力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とするナノピンセット。 - 請求項1に記載のナノピンセットにおいて、
前記振動機構は振動状態に応じたイミタンスを発生するものであり、
前記検出手段は、前記イミタンスの変化を検出することを特徴とするナノピンセット。 - 請求項2に記載のナノピンセットにおいて、
前記振動機構は、静電力により振動する櫛歯電極を備えたことを特徴とするナノピンセット。 - 請求項3に記載のナノピンセットにおいて、
前記一対のアームおよび前記振動機構を、フォトリソグラフィー法によりSOIウエハから一体で形成したことを特徴とするナノピンセット。 - 開閉駆動機構により開閉自在な一対のアームで試料を把持するナノピンセットの把持力検出方法であって、
前記一対のアームのいずれか一方を振動させ、試料把持時における振動の変化を検出し、その検出結果に基づいて前記一対のアームの把持力を演算することを特徴とする把持力検出方法。 - 開閉自在な一対のアームのいずれか一方を振動させる振動機構を備えたナノピンセットの駆動装置であって、
前記振動機構によるアーム振動の変化を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記一対のアームの把持力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする駆動装置。
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