JP3704558B2

JP3704558B2 - ３次元構造体の組立方法

Info

Publication number: JP3704558B2
Application number: JP2002009689A
Authority: JP
Inventors: 勲下山; 英治岩瀬; 潔松本
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: JP2003211398A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の部位を折り曲げて構造体を作成する組立方法にかかり、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた微細構造体の組立方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の発展に伴い、半導体プロセスを用いて作成した微細な電気機械構造体の、産業への応用が広がっている。半導体プロセスは、基本的には半板状の基板の面を加工する２次元加工であるが、加工面の上に別の加工面を積層する２．５次元加工と呼ばれる手法により、擬似的な３次元形状を作製していた。それに対し最近、基板上に２次元加工で展開図構造を作っておき、それを基板から起こして組み立てて薄膜３次元構造体を作る技術が開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
２次元展開構造体を折り曲げて起こし、薄膜３次元構造を組み立てるためには、以下のような問題がある。
１）対象とする構造体が微小である。そのため、先端を尖らせたガラス棒のような道具を使い、顕微鏡下で組み立て作業が行われているが、作業性、生産性の点から非効率的である。
２）対象とする構造体の数が多い。半導体プロセスを用いると、１枚の基板上に複数の構造体を一度に作製することができる。用途にもよるが、１枚の基板上に数万個もの構造体を作製することもある。これらの素子をひとつひとつ組み立てるのは、非常に困難を伴う。
３）対象とする構造体の組立にあたり、構造体の構成部位を、順序立てて組み立てる必要がある。
【０００４】
本発明は上述した問題を生じることのない、２次元的な平面構造体から３次元的な構造体を簡易に作製することのできる、新規な組立方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明においては、２次元的な平面状の部材の所定部位において、磁場、電場及び加速度から選択される少なくとも一つの場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質を貼付、又は前記所定部位を前記作用物質から直接的に構成する。そして、前記部材を前記場中に配置し、前記場と前記作用物質との間に生じる前記外力によって、前記部材の前記所定部位を３次元的に変形させ、目的とする３次元的な構造体を作製する。
【０００６】
このとき、前記部材の複数の部位に対して前記作用物質を貼付する、又は前記複数の部位を前記作用物質から直接的に構成することによって、これら複数の部位を３次元的に折り曲げて変形させることができ、比較的複雑な構造体をも簡易に作製することができる。
【０００７】
前記磁場との間で力の作用を起こす物質としては、磁気モーメントを持つ物質があり、半導体プロセスではたとえば磁気異方性材料が好適である。具体的には、Ｎｉ、ＮｉＦｅ及びＮｉＣｏを例示することができる。
【０００８】
電場との間に力の作用を起こす物質としては、電気双極子モーメントを有する電気分極性材料が好適であり、具体的には、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ_３及びＳｒＴｉＯ_３を例示することができる。同様に、加速度との間に力の作用を起こす物質は、材料の種類などは限定されず、負荷された加速度に対して感応するに足る所定の質量を有する総ての物質を用いることができる。これらにより、外部から場を印加するだけで、折り曲げるべき部位を基板から起こすような力を働かせることができる。
【０００９】
前記部材の複数の部位を変形させる場合においても、半導体プロセス技術を用いれば、前記部材の複数の部位において前記作用物質を一度の操作で貼付することができる。
【００１０】
前記複数の部位は同時に折曲げて変形させることもできるが、例えば、前記作用物質の貼付面積、貼付量（貼付体積）、貼付位置、又は前記複数の部位の折曲部の剛性を適宜に変化させることによって、前記複数の部位を順次に変形させることもできる。また、場の強度を適当に変化させることによっても、前記複数の部位を順次に変形させて、３次元構造体を作製することができる。この場合は、前記複数の部位に対して前記作用物質を貼付する場合に限らず、前記複数の部位を前記作用物質から直接的に構成する場合についても適用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の基本原理を示す図である。折り曲げ部位１０１は、その一部が基板１０３に固定されている。折曲部位１０１は、曲がりやすいように剛性を下げたヒンジ部１０２を持つ。折り曲げ部位１０１には上述したような磁気異方性材料１０４が貼付されている。磁気異方性材料１０４は、図１に示す矢印の方向に磁化されており、その磁化量をＩとする。
【００１２】
図１に示す矢印の方向において強さＦの磁場１０５中に基板１０３を配置すると、磁気異方性材料１０４には、前記磁場より内部の磁化が磁場の方向を向くような力（回転力）Ｔｆが発生する。なお、力ＴｆはＩ・Ｆ／ｓｉｎθに比例し、この力Ｔｆにより折り曲げ部位１０１は持ち上げられる。一方、ヒンジ部１０２においては、前述した折曲げに抗する反力Ｔｈが発生するので、折り曲げ部位１０２は、力Ｔｆと反力Ｔｈとが釣り合う角度θで止まる。このとき、印加する磁場Ｆの大きさを変えることで、折り曲げ部位１０１を持ち上げる角度θを制御することができる。
【００１３】
なお、磁気異方性材料の代わりに上述した電気双極子モーメントを持つ電気分極性材料、又は所定の質量を有する材料を用いることもできる。これらの場合においては、前述した磁場に変えてそれぞれ電場又は加速度を用いる。
【００１４】
図２は、単一の平板上に複数の折り曲げ部位を有する場合の、組み立て順序を説明するための図である。図２（ａ）においては、基板２０１の上に、薄板２０２からなる２次元の平面構造体（展開構造体）が作製されている。薄膜２０２の中には、第１の折り曲げ部位２０３と、支持部位２０４が作り込まれている。この例において、支持部位２０４も折り曲げ部位であるが、ここではその機能に着目して支持部位とする。薄板２０２は、斜線を記した部分で基板２０１に固定されている。また折り曲げ部位２０３及び支持部位２０４には、磁気異方性材料が貼付されているものとする。
【００１５】
図２（ｂ）に示すように、弱い磁場Ｆを印加すると、折り曲げ部位２０３が持ち上がる。次に図２（ｃ）に示すように、強い磁場Ｆを印加すると、支持部位２０４が持ち上がり、折り曲げ部位２０３を保持するようになる。もし逆に支持部位２０４が先に持ち上がってしまうと、折り曲げ部位２０３を挟み込んで保持することができない。この例で示したように、構造体を組み立てるには、各部位を順序つけて持ち上げる必要がある。折り曲げ部位を順次に変形させる方法については後に詳述する。
【００１６】
なお、図２においては、強弱２種類の磁場Ｆを用いて折り曲げ部位２０３及び支持部位２０４を順次に折り曲げて変形させたが、特に折り曲げ部位及び支持部位を同方向に折り曲げて変形させる場合などにおいては、印加する磁場の方向などを変化させることなどによって、これらを同時に折り曲げ、変形させることもできる。
【００１７】
図３は、単一の基板上に上述した折り曲げ部位と指示部位とを複数設け、図２に示す組み立て手順に従って変形させることにより作製した３次元構造体の一例を示す図である。このように本発明の組立方法によれば、多数の折り曲げ部位を有する場合においても、上述したような極めて簡易な方法でこれらを順次に又は同時に折り曲げ、変形させることができ、図３に示すような複雑な３次元構造体をも簡易に作製することができる。
【００１８】
図４は、単一の基板上に複数の折り曲げ部位を有し、これを順次に折り曲げて変形させる組立方法を説明するための図である。図４（ａ）においては、基板３０１上に折り曲げ部位３０２〜３０４がその一部を基板３０１に固定されることによって配置されている。また、折り曲げ部位３０２〜３０４の上面には厚さが一定であり、面積が異なる磁気異方性材料３０５〜３０７が取り付けられている。なお、貼付面積は、３０５、３０６、３０７の順に大きく、磁化の大きさもこの順に大きくなっている。
【００１９】
このような状態の基板３０１に一様な磁場Ｆが印加されると、折り曲げ部位を起こす力は磁気異方性材料３０５、３０６、３０７の順に大きくなり、持ち上がり量も、図４（ａ）に示すように、折り曲げ部位３０２、３０３、３０４の順に大きくなる。このように、磁気異方性材料の貼付面積を制御することにより、ある大きさの磁場での持ち上がり量を変化させることができるため、磁場の大きさを制御する、具体的には増加させていくことによって複数の折り曲げ部位の組立順序を制御することができる。
【００２０】
図４（ｂ）は、磁気異方性材料の体積を換えることにより組立順序を制御する例である。折り曲げ部位３０２〜３０４の上面に設けられた磁気異方性材料３０８〜３１０の体積は３０８、３０９、３１０の順に大きく、磁化の大きさもこの順に大きくなっている。したがって、磁場Ｆを印加したときの外力は磁気異方性材料３０８、３０９、３１０の順に大きくなり、折り曲げ部位３０２〜３０４の持ち上がり量もこの順に大きくなる。このように、磁気異方性材料の貼付体積を制御することにより、ある大きさの磁場での持ち上がり量を変化させることができるため、磁場の大きさを制御する、具体的には増加させていくことによって複数の折り曲げ部位の組立順序を制御することができる。
【００２１】
図４（ｃ）は、折り曲げ部位のヒンジ部の剛性を変えることにより組立順序を制御する例である。折り曲げ部位３０２〜３０４の上面には磁気異方性材料３０６が設けられており、その面積及び体積は一定に保持されている。なお、折り曲げ部位３０２〜３０４の、ヒンジ部３１１〜３１３の曲げに対する剛性はｋ１、ｋ２、ｋ３であり、ｋ１＜ｋ２＜ｋ３なる関係を有する。すなわち、ヒンジ部３１１〜３１３の剛性はこの順に大きくなっているので、磁場Ｆを印加したときの発生する外力は同じであっても、ヒンジ部の曲がり量はヒジ部３１３、３１２、３１１の順に多くなり、持ち上が量もこの順に大きくなる。
【００２２】
このように、ヒンジ部３１１〜３１３の剛性を制御することにより、ある大きさの磁場での折り曲げ部位の持ち上がり量を変化させることができるため、磁場の大きさを制御する、具体的には増加させていくことによって複数の折り曲げ部位の組立順序を制御することができる。
【００２３】
なお、図４（ａ）〜（ｃ）においては、磁気異方性材料を用い、これに対して磁場を印加することによって、折り曲げ部位を順次に変形させる場合について説明してきたが、電気分極性材料を用い、これに対して電場を印加することによって、折り曲げ部位を順次に変形させることもできる。
【００２４】
図４（ｄ）は、上述した磁場に代えて加速度を用いて組立順序を制御する例である。折り曲げ部位３０２〜３０４の上面には、質量体３１４〜３１６が貼付されている。質量体３１４〜３１６の大きさはそれぞれｍ１、ｍ２、ｍ３であり、ｍ１＞ｍ２＞ｍ３なる関係を有する。なお、質量の貼付位置は同じする。加速度Ｆを印加したときの発生力は質量３１４、３１５、３１６の順に大きく、持ち上がり量もこの順に大きくなる。このように、加速度と異なる質量の質量体とを用いることによっても、複数の折り曲げ部位の組立順序を制御することができる。
【００２５】
図４（ｅ）は、質量体の質量を変化させる代わりに、貼付位置を変化させることにより組み立て順序を制御する例である。折り曲げ部位３０２〜３０４の上面には質量体３１４が取り付けられており、その面積及び体積は一定に保持されている。但し、質量体３１５の貼付位置が異なり、左側から右側に向かうにつれて固定部分から外方に取り付けられている。このような状態で加速度Ｆが印加されると、質量体３１５の折り曲げ部位の固定部分からより外方に取り付けられている場合においてより大きな外力が発生し、折り曲げ部位の持ち上がり量も大きくなる。
【００２６】
このように、質量体の、折り曲げ部位における取り付け位置を制御することにより、所定の加速度による折り曲げ部位の持ち上がり量を変化させることができ、複数の折り曲げ部位の組立順序を制御することができる。
【００２７】
以上、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変型や変更が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、２次元的な平面部材の所定部位に対して、場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質を貼付し、前記部材を前記場中に配置することにより、前記場と前記作用物質との間で生じる前記外力によって、前記部材の前記所定部位を３次元的に変形させるようにしたので、３次元的な構造体を極めて簡易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を示す図である。
【図２】単一の平板上に複数の折り曲げ部位を有する場合の、組み立て順序を説明するための図である。
【図３】複数の折り曲げ部位と支持部位とを具える３次元構造体の一例を示す図である。
【図４】単一の基板上に複数の折り曲げ部位を有し、これを順次に折り曲げて変形させる組立方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１折り曲げ部位
１０２ヒンジ部
１０３基板
１０４磁気異方性材料
１０５磁場
２０１基板
２０２薄膜
２０３折り曲げ部位
２０４支持部位
３０１基板
３０２〜３０４折り曲げ部位
３０５〜３１０磁気異方性材料
３１１〜３１３ヒンジ部
３１４〜３１６質量体

Claims

平面状の部材の複数の部位において、磁場、電場及び加速度から選択される少なくとも一つの場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質を貼付し、前記部材を前記場中に配置することにより、前記場と前記作用物質との間で生じる前記外力によって、前記複数の部位を３次元的に折り曲げて変形させるとともに、前記場の強度を変化させ、前記複数の部位の変形順序を制御し、３次元的な構造体を作製することを特徴とする、３次元構造体の組立方法。
平面状の部材の複数の部位において、磁場、電場及び加速度から選択される少なくとも一つの場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質を貼付し、前記部材を前記場中に配置することにより、前記場と前記作用物質との間で生じる前記外力によって、前記複数の部位を３次元的に折り曲げて変形させるとともに、前記部材の前記複数の部位に貼付する前記作用物質の貼付面積を変化させることによって、前記複数の部位の変形順序を制御することを特徴とする、３次元構造体の組立方法。
平面状の部材の複数の部位において、磁場、電場及び加速度から選択される少なくとも一つの場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質を貼付し、前記部材を前記場中に配置することにより、前記場と前記作用物質との間で生じる前記外力によって、前記複数の部位を３次元的に折り曲げて変形させるとともに、前記部材の前記複数の部位に貼付する前記作用物質の貼付体積を変化させることによって、前記複数の部位の変形順序を制御することを特徴とする、記載の３次元構造体の組立方法。
平面状の部材の複数の部位において、磁場、電場及び加速度から選択される少なくとも一つの場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質を貼付し、前記部材を前記場中に配置することにより、前記場と前記作用物質との間で生じる前記外力によって、前記複数の部位を３次元的に折り曲げて変形させるとともに、前記部材の前記複数の部位に貼付する前記作用物質の貼付位置を変化させることによって、前記複数の部位の変形順序を制御することを特徴とする、３次元構造体の組立方法。
平面状の部材の複数の部位において、磁場、電場及び加速度から選択される少なくとも一つの場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質を貼付し、前記部材を前記場中に配置することにより、前記場と前記作用物質との間で生じる前記外力によって、前記複数の部位を３次元的に折り曲げて変形させるとともに、前記複数の部位の折曲部の剛性を変化させることによって、前記複数の部位の変形順序を制御することを特徴とする、３次元構造体の組立方法。
平面状の部材の複数の部位を、磁場、電場及び加速度から選択される少なくとも一つの場との相互作用によって所定の外力を生じさせる作用物質から構成し、前記部材を前記場中に配置することにより、前記場と前記作用物質との間で生じる前記外力によって、前記部材の前記複数の部位を３次元的に折り曲げて変形させるとともに、前記場の強度を変化させ、前記複数の部位の変形順序を制御し、３次元的な構造体を作製することを特徴とする、３次元構造体の組立方法。
前記場は磁場であって、前記作用物質は磁気異方性を有する物質であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の３次元構造体の組立方法。
前記場は電場であって、前記作用物質は電気分極性を有する物質であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の３次元構造体の組立方法。
前記場は加速度であって、前記作用物質は所定の質量を有する物質であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の３次元構造体の組立方法。
前記部材は薄膜から構成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の３次元構造体の組立方法。
前記部材の前記複数の部位は、前記３次元構造体の展開部位であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の３次元構造体の組立方法。