JP4562615B2 - 微小試料把持装置 - Google Patents
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Description
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D0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Ccomb(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、ε0は真空の誘電率、wは櫛歯の幅、l0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。
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。
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、図22(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。
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Vp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Vp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Vr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Vr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Vr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Vrをアンロック電圧と呼ぶことにする。
(1)左右のアーム3a,3bの機械的特性に応じて印加電圧の電圧出力パターンを各々設定することができるので、アーム3a,3bの機械的特性のバラツキを補正してアーム3a,3bが左右対称に移動するように、静電アクチュエータ4a,4bへの駆動電圧の印加を独立して行うことができる。一旦、電圧出力パターンを設定すると、単独のスイッチ操作または電圧調整ノブ46の回転を行うことで各静電アクチュエータ4a,4bに異なる電圧が印加され、アーム3a,3bは左右対称に移動する。その結果、微少試料の正確な把持および解放が可能となる。
(2)また、記憶部40bには異なる電圧出力パターンが複数記憶されているので、ナノピンセット1の製造バラツキ等に起因する機械的なバラツキに容易に対応することができ、ナノピンセット1に対する要求精度を緩和することができる。
(3)アンロック動作時に、左右のアーム3a,3bの時間差Δtを設けてプルイン解除を行うことにより、アンロック動作時におけるアーム先端のブレを低減することができる。
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
20a,20b:DC電源 40:制御部
40a:操作部 40b:記憶部
43:オープンスイッチ 44:ロック/アンロックスイッチ
45:グリップスイッチ 46:電圧調整ノブ
47:出力パターン選択ダイヤル 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
Claims (3)
- 微小試料を把持するために開閉自在な第1アームおよび第2アームと、
前記第1アームを駆動する第1固定電極および第1可動電極と、前記第2アームを駆動する第2固定電極および第2可動電極とを備えた静電アクチュエータと、
前記第1固定電極と前記第1可動電極の間に直流電圧を印加する第1直流電圧源と、
前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に直流電圧を印加する第2直流電圧源と、
前記第1固定電極と前記第1可動電極の間に印加される直流電圧と、前記第1アームの駆動距離との対応関係を第1電圧出力パターンとして記憶し、且つ、前記第2固定電極と前記第2可動電極の間に印加される直流電圧と、前記第2アームの駆動距離との対応関係を第2電圧出力パターンとして記憶しておく記憶手段と、
前記第1電圧出力パターンおよび前記第2電圧出力パターンとしてそれぞれ記憶されている対応関係に基づいて、前記第1アームの駆動距離と前記第2アームの駆動距離を同じにするための直流電圧を前記第1直流電圧源および前記第2直流電圧源から発生させる対称駆動制御手段とを備えた微小試料把持装置であって、
前記第1固定電極は第1の櫛歯状凹凸部を有し、且つ前記第1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、
前記第2固定電極は第3の櫛歯状凹凸部を有し、且つ前記第2可動電極は前記第3の櫛歯状凹凸部と噛合する第4の櫛歯状凹凸部を有しており、
前記第1の櫛歯状凹凸部および前記第2の櫛歯状凹凸部が密着する第1プルイン状態を生じさせる第1ロック電圧、および、前記第1プルイン状態を解除する第1アンロック電圧は櫛歯移動距離に対応して前記記憶手段に記憶されており、
前記第3の櫛歯状凹凸部および前記第4の櫛歯状凹凸部が密着する第2プルイン状態を生じさせる第2ロック電圧、および、前記第2プルイン状態を解除する第2アンロック電圧は櫛歯移動距離に対応して前記記憶手段に記憶されていることを特徴とする微小試料把持装置。 - 請求項1に記載の微小試料把持装置において、
前記第1アンロック電圧と前記第2アンロック電圧を所定の時間差をもって発生させる制御手段をさらに備えることを特徴とする微小試料把持装置。 - 請求項1または2に記載の微小試料把持装置において、
前記記憶手段に記憶されている複数種類の対応関係から、何れか一の対応関係を選択する選択手段をさらに備えることを特徴とする微小試料把持装置。
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