JP4562614B2 - ナノピンセット装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電力を利用して微小物体を把持、解放するナノピンセット装置に関する。

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、解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。その中で、静電方式のアクチュエータとしては、噛合する２つの櫛歯電極を用いる方式のものが知られており、電極間に印加される電圧をオン・オフ制御することによりアームを開閉させている（例えば、特許文献１参照）。さらに、特許文献１に記載の装置では、往復運動する搬送子を用いてアームを所定量ずつ開閉させるようにしている。

特開平７−５２０７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、微小物体を把持する際に、その微小物体を正しく把持したか否かの判断が難しい。また、把持している微小物体を解放する際に、把持状態から解放状態への移行過程をチェックできないので、解放動作を正確に行うのが難しいという問題がある。

請求項１に係るナノピンセット装置は、開閉自在な一対のアームと、前記一対のアームを開閉駆動するための固定電極および可動電極を備えた静電アクチュエータと、前記一対のアームおよび前記可動電極を支持すると共に、前記前記一対のアームが前記静電アクチュエータにより開閉駆動されたとき前記可動電極に対して弾性力を生じさせる弾性支持部と、前記固定電極と前記可動電極の間に直流電圧を印加することにより、前記固定電極と前記可動電極の間にクーロン力を生じさせる直流電圧源と、前記固定電極および前記可動電極の表面にそれぞれ形成されている絶縁層が互いに接触する位置まで前記可動電極が変位したとき前記弾性支持部の変形および前記一対のアームの変形に起因して生じる弾性力よりも、前記固定電極と前記可動電極の間に生じるクーロン力が常に上回るようなプルイン状態を生じさせるロック電圧を、前記直流電圧源から発生させる電圧制御手段とを備えている。

本発明によるナノピンセット装置によれば、静電アクチュエータにロック駆動電圧を印加することにより、微小物体を確実に把持することができる。

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、電源回路２とを備えており、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ＳｉＯ_２層を形成し、ＳｉＯ_２層を介して貼り合わせたものである。

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。

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。

図１および図２を参照すると、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と電源回路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。

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。２００はＤＣ電源２０ａ，２０ｂを制御するコントローラであり、詳細は後述する。

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と電源回路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。

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することができる。

ここで、静電アクチュエータ４ａ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Ｄ_０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Ｃ_comb(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、ε_０は真空の誘電率、ｗは櫛歯の幅、ｌ_０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。

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Ｃ_comb(ｘ)Ｖ^２／２なので、電極間に発生するクーロン力（静電気力）Ｆ_comb(ｘ)は式（２）で与えられる。

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。

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Ｆ_el（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、Ｎ_ｓは支持部７ａの数である。

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Ｆ_{e 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Ｆ_{e 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＜ｌ_０の範囲では、式（４）のように表される。ｌ_０は櫛歯の先端と谷部との隙間の初期値であり、ｘ＝ｌ_０のとき隙間はゼロとなる。

図５は、式（２）で表されるクーロン力Ｆ_comb(ｘ)と、式（３）、（４）で表される弾性力Ｆ_{e 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。

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。

《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でまで可動電極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。

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１７（ａ）に示すように櫛歯移動距離はｘaでアーム間隔は（Ｄ_０−２ｘa）となる。なお、Ｄ_０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。

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１７（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１８（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。

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。

（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に引き寄せられて図１８（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。

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Ｖ_ｐであって、ここでは電圧Ｖ_ｐ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。この場合、固定電極５ａと可動電極６ａとは１４０ｎｍ程度の距離でプルイン状態となっている。このときに働くクーロン力は、式（２）における真空の誘電率ε_０の代わりに、絶縁層（例えば、シリコン酸化膜）の誘電率を用いて求めることができる。シリコン酸化膜の比誘電率は約４．２である。

図６において、印加電圧ＶをＶ３からＶ_ｐ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Ｖ_ｐ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ｌ_０に等しい。

印加電圧がＶ_ｐ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＝Ｖ_ｐ）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。アーム３ａ，３ｂが変形することによって生じる弾性力には構造上、上限があり、印加電圧Ｖ_ｐのとき、クーロン力は、その上限値（アーム３ａ，３ｂが変形することによって生じる最大弾性力）を上回っている。なお、上述した把持力は、図１８（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。

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。また、一旦、プルイン状態となると、可動電極６ａと固定電極５ａとの間に摩擦が生じることにより、櫛歯の突出方向と垂直な方向にも動き難くなる。

（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Ｖ_ｐ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Ｖ_ｐ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Ｖ_ｒ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Ｖ_ｒ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Ｖ_ｒ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Ｖ_ｒをアンロック電圧と呼ぶことにする。

このように、プルイン状態となる電圧（ロック電圧Ｖ_ｐ）とプルイン状態が解除される電圧（アンロック電圧Ｖ_ｒ）とが異なる原因として、次のような理由が考えられる。図７はアンロック電圧Ｖ_ｒ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７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。

図７において、曲線Ｃ（Ｖ_ｐ）は印加電圧がロック電圧Ｖ_ｐのときのクーロン力を示しており、曲線Ｃ（Ｖ_ｒ）は印加電圧がアンロック電圧Ｖ_ｒのときのクーロン力を示している。曲線Ｃ（Ｖ_ｒ）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、Ｖ_ｐ＞Ｖ４＞Ｖ_ｒである。

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＝ｌ_０−Δｘ0となっている。

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＝ｌ_０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＝ｌ_０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。

例えば、図７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（Ｖ_ｐ），Ｃ（Ｖ４），Ｃ（Ｖ_ｒ）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Ｖ_ｐ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７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。

ところが、さらに印加電圧Ｖを下げてＶ＝Ｖ_ｒとすると、櫛歯移動距離ｘpにおけるクーロン力曲線Ｃ（Ｖ_ｒ）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。

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。

例えば、図７において絶縁層膜厚を（ｌ_０−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。

印加電圧をロック電圧Ｖ_ｐ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＝ｌ_０−ｘpの場合には、印加電圧をＶ_ｒまで下げないとプルインを解除できなかったが、膜厚＝ｌ_０−ｘc（＞ｌ_０−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、プルイン解除時の可動電極移動量を小さくすることができ、図７の場合にはｘe＞ｘdであるためアーム３ａ，３ｂは開かない。

上述した例では、絶縁層の膜厚を大きくすることにより、より高い印加電圧でプルイン解除ができるようにしたが、複数ある櫛歯の一部にストッパー構造を設けて、プルイン時に実際に接触する櫛歯（すなわち、プルイン状態の櫛歯）の数を減らすようにしても良い。図１９はそのような櫛歯アクチュエータの例を示したものであり、台形状の固定電極２５ａおよび可動電極２６ａを示したものである。プルイン時において、固定電極２５ａに形成された櫛歯２５０は可動電極２６ａの谷部に設けられたストッパー部２６０と密着してプルイン状態となり、他の櫛歯２５１は可動電極２６ａの谷部との間に隙間が生じることになる。可動電極２６ａの谷部に絶縁層、例えば酸化シリコンを形成することにより、ストッパー部２６０を設けてもよいし、可動電極２６ａの谷部に外部から構造体を挿入することにより、ストッパー部２６０を設けてもよい。

ストッパー部２６０の溝深さ方向厚さをｔ２とすると、櫛歯２５１の隙間寸法もｔ２となる。櫛歯は台形状をしているので可動電極２６ａが移動すると櫛歯側面の間隔である櫛歯間隔ｇも変化し、櫛歯間隔ｇは櫛歯移動距離ｘの関数ｇ（ｘ）となる。ここで、プルイン状態における櫛歯間隔をｇx3とし、印加電圧オフ時の櫛歯間隔をｇ0とすると、関数ｇ（ｘ）は次式（５）で与えられる。

櫛歯２５０の数をＮ１、櫛歯２５１の数をＮ２とすると、クーロン力Ｆcom2（ｘ）は次式（６）で与えられる。式（６）において、ｗ２は台形状櫛歯の先端部の幅であり、θは櫛歯側面の傾斜角である（図１９参照）。式（６）においてθ＝０、ｇ0＝ｇx3とおけば、矩形状の櫛歯に対する式となる。

台形状櫛歯の場合、実際にクーロン力に寄与する櫛の先端部の幅ｗ２は、面積、初期ギャップ、櫛歯長、櫛歯間隔に関して同一条件で形成した矩形状の櫛歯の幅ｗに比べて小さくなる。しかし、移動距離が大きくなるほど櫛歯のギャップｇが狭くなり、かつ、傾斜角θがあるため櫛歯のオーバラップを大きくすることができ、ｗ２が小さくなることによるクーロン力の低下を補うことが可能となる。

また、図２０に示すように固定電極３５ａおよび可動電極３６ａの櫛歯先端を山形状にして、プルイン状態における接触面積を小さくするようにしても良い。図２０の例では、段付の櫛歯にすることで、櫛歯移動とともに入れ子状態となってギャップｇが狭くなる。この場合、ギャップの変化率が櫛歯移動距離ｘの変化に対して一様でないため、クーロン力の変化も入れ子状態になる前と後とでは大きく変化する。

なお、上述した開閉動作の際の印加電圧Ｖの変更は手動で行っても良いが、本実施の形態では図１に示したコントローラ２００に設けられたスイッチを操作することによりアーム開閉やプルイン、プルイン解除に必要な電圧変更を自動で行わせることにより、操作性の向上を図ることができる。図２１はコントローラ２００の操作パネルを示す図であり、２０１は電源スイッチ、２０２はオープンスイッチ、２０３はロック・アンロックスイッチ、２０４はグリップスイッチであり、２０５は電圧調整ダイアルである。

オープンスイッチ２０２を操作すると印加電圧Ｖがオープン電圧とされ、アーム３ａ，３ｂが開状態となる。初期状態ではオープン電圧はゼロボルトに設定されているので、全開状態となる。通常は、対象とする試料の大きさに合わせて開状態が設定され、全開状態から電圧調整ダイアル２０５により印加電圧を調整して適切なオープン状態となるようにする。一旦、オープン電圧Ｖopの調整を行えば、次回からは、オープンスイッチ２０２を操作すると印加電圧はオープン電圧Ｖopとされ、所定のオープン状態となる。

また、ロック・アンロックスイッチ２０３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、再度操作するとアンロック動作が行われてプルイン解除状態となる。また、プルイン状態でオープンスイッチ２０２が操作されると、ロック・アンロックスイッチ２０３は電源オン直後の初期状態となる。すなわち、再びロック・アンロックスイッチ２０３を操作すれば、ロック動作が行われる状態となる。

オープンスイッチ２０２を操作した後にグリップスイッチ２０４を操作すると、アーム３ａ，３ｂが閉じられて試料が把持される。この場合、所定の把持力で試料が把持されるように、グリップ電圧Ｖgはアーム間隔が試料寸法と同じになる印加電圧よりもやや大きく設定される。そして、ロック・アンロックスイッチ２０３を操作してロック電圧Ｖ_ｐを印加してプルイン状態とする。

その後、ナノピンセット１による試料搬送を行って試料を所定位置に移動したならば、ロック・アンロックスイッチ２０３を操作してプルイン状態を解除し、さらにオープンスイッチ２０２を操作してアーム３ａ，３ｂをオープン状態とし、試料把持を解除する。上述したように、プルイン状態では可動電極６ａが固定電極５ａに強固に密着しているので、搬送中に振動等によって試料を落とすようなおそれがない。

このように、コントローラ２００の各スイッチを操作することにより、オープン状態、グリップ状態、プルイン状態（ロック状態）、プルイン解除状態（アンロック状態）との間の移行をスムーズに行わせることができる。

次に、図８〜図１６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８（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、ＳｉＯ_２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。

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。

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８（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。

次に、図８（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８（ｃ）に示すレジストパターン１０５ａを形成する。図１１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８（ｃ）は、図１１のＩ−Ｉ断面を示したものである。

図８（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９（ａ）参照）。

図１２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。

図９（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１３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。また、ダイシングなどの機械的な切削加工によりその部分を所定の形状と寸法に加工することも可能である。

次に、図９（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１０（ａ）参照）。

図１４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１０（ａ）は、図１４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。

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１０（ｂ）も図１４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。

図１５は、図１０（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１０（ｃ）参照）。

図１６は、ベース層１０１の表面側を示す斜視図であり、図１０（ｃ）は図１６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１０（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。

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。

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１に示すナノピンセット１の要部を示す平面図である。 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。 実施の形態に係るナノピンセット装置におけるクーロン力および弾性力の変化を示すグラフである。 実施の形態に係るナノピンセット装置における印加電圧Ｖと可動電極６ａの移動距離ｘとの関係を示すグラフである。 アンロック電圧Ｖ_ｒを説明する図である。 実施の形態に係るナノピンセット１の製造工程を説明する図であり、図８（ａ）〜図８（ｄ）の順に工程が進む。 図８に続く工程を示す図であり、図９（ａ）〜図９（ｃ）の順に工程が進む。 図９に続く工程を示す図であり、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）の順に工程が進む。 図８（ｃ）に示すＳＯＩ基板１００の斜視図である。 図１１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。 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１０（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１０（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１０（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。 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）アーム３ａ，３ｂが閉じている状態を示す。 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）プルイン状態を示す。 電極の歯形状を台形状櫛歯とした場合の固定電極２５ａおよび可動電極２６ａを示す図である。 電極の歯形状を段付きとした場合の固定電極３５ａおよび可動電極３６ａを示す図である。 コントローラ２００を示す図である。

符号の説明

１：ナノピンセット ２：電源回路
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
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 ２００：コントローラ
２０３：ロック・アンロックスイッチ
２０４：グリップスイッチ

Claims (5)

1. 開閉自在な一対のアームと、
   前記一対のアームを開閉駆動するための固定電極および可動電極を備えた静電アクチュエータと、
   前記一対のアームおよび前記可動電極を支持すると共に、前記前記一対のアームが前記静電アクチュエータにより開閉駆動されたとき前記可動電極に対して弾性力を生じさせる弾性支持部と、
   前記固定電極と前記可動電極の間に直流電圧を印加することにより、前記固定電極と前記可動電極の間にクーロン力を生じさせる直流電圧源と、
   前記固定電極および前記可動電極の表面にそれぞれ形成されている絶縁層が互いに接触する位置まで前記可動電極が変位したとき前記弾性支持部の変形および前記一対のアームの変形に起因して生じる弾性力よりも、前記固定電極と前記可動電極の間に生じるクーロン力が常に上回るようなプルイン状態を生じさせるロック電圧を、前記直流電圧源から発生させる電圧制御手段とを備えたことを特徴とするナノピンセット装置。
2. 請求項１に記載のナノピンセット装置において、
   前記固定電極は第１の櫛歯状凹凸部を有し、且つ前記可動電極は前記第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、
   前記プルイン状態における前記第２の櫛歯状凹凸部の移動距離は、前記第１の櫛歯状凹凸部および前記第２の櫛歯状凹凸部に直流電圧が印加されていないときの櫛歯初期間隔から前記絶縁層の合計膜厚を差し引いた値であることを特徴とするナノピンセット装置。
3. 請求項１または２に記載のナノピンセット装置において、
   前記電圧制御手段は、前記プルイン状態を解除するアンロック電圧を前記直流電圧源から発生させる際に、前記一対のアームにおけるアーム間隔を零とするための直流電圧より低い直流電圧を発生させることを特徴とするナノピンセット装置。
4. 請求項１または２に記載のナノピンセット装置において、
   前記電圧制御手段は、前記プルイン状態を解除するアンロック電圧を前記直流電圧源から発生させる際に、前記一対のアームを閉じたままとする直流電圧を発生させることを特徴とするナノピンセット装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のナノピンセット装置において、
   前記ロック電圧の印加を指令するスイッチと、前記ロック電圧の印加を解除するスイッチとを有するコントローラをさらに備えることを特徴とするナノピンセット装置。
   

Images