JP4806771B2 - ナノピンセット、把持方法および把持力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、微少試料をソフトハンドリングするためのナノピンセット、およびそのナノピンセットの把持方法および把持力検出装置に関する。

従来、ミクロンオーダーの試料をハンドリングするピンセットが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そのピンセットにおいては、ピンセットを開閉駆動する櫛歯電極の静電容量とピンセットの間隔との相関、および、印加電圧と静電容量との相関を予め求めておき、実際に検出される印加電圧および静電容量とそれらの相関とを用いて、把持力を求めるようにしている。

特開２００６−２６８２６号公報

しかしながら、上述したピンセットにおいて非常に小さな把持力を検出する場合、ピンセットの間隔をナノメートルオーダーで計測して相関を求める必要があり、高精度な相関を求めるのは困難であった。そのため、細胞等を把持する際に、把持力の微妙な調整が難しいという問題がある。

請求項１の発明によるナノピンセットは、試料を把持するための第１および第２のアームと、第２のアームに対して第１のアームを開閉駆動する開閉駆動機構と、第２のアームを振動させる振動機構と、第２のアームを振動させて振動機構のアドミッタンスを検出する検出手段と、非把持時の振動機構による振動の共振角周波数、第２のアームを含む振動部分の質量、および、振動部分の機械抵抗に基づいて振動機構による振動のＱファクターを演算し、該Ｑファクターと、非把持時に検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される第２のアームの振幅と、第１および第２のアームによって試料を把持した時に検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される第２のアームの振幅とに基づいて、試料を把持した時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。
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、開閉駆動機構は、第１のアームに設けられた第１の櫛歯電極と、第１の櫛歯電極と隙間を介して噛合する第２の櫛歯電極とを備え、第１および第２の櫛歯電極間に直流電圧を印加して第１のアームを開閉駆動することを特徴とする。
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、振動機構は、第２のアームに設けられた第３の櫛歯電極と、第３の櫛歯電極と隙間を介して噛合する第４の櫛歯電極とを備え、第３および第４の櫛歯電極間に交流電圧を印加して第３の櫛歯電極および第２のアームを一体に振動させることを特徴とする。
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、第１および第２のアーム，開閉駆動機構および振動機構を、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、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のナノピンセットを使用した把持方法であって、第２のアームの振動を共振させつつ把持対象に近づけ、非把持時における共振角周波数、第２のアームを含む振動部分の質量、および、振動部分の機械抵抗に基づいて振動機構による振動のＱファクターを演算し、開閉駆動機構により前記第１のアームを閉駆動させて把持対象を把持し、非把持時におけるアドミッタンスに基づいて算出される第２のアームの振幅、演算されたＱファクター、および、第１および第２のアームによって試料を把持した時のアドミッタンスに基づいて算出される第２のアームの振幅に基づいて、把持力を演算し、演算された把持力が所定値となったならば開閉駆動機構による閉駆動を停止する、ことを特徴とする。
請求項６の発明は、試料を把持するための第１および第２のアームと、第２のアームに対して第１のアームを開閉駆動する開閉駆動機構と、第２のアームを振動させる振動機構と、を備えたナノピンセットによる把持力を検出する把持力検出装置であって、第２のアームを振動させて振動機構のアドミッタンスを検出する検出手段と、非把持時の振動機構による振動の共振角周波数、第２のアームを含む振動部分の質量、および、振動部分の機械抵抗に基づいて振動機構による振動のＱファクターを演算し、該Ｑファクターと、非把持時に検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される第２のアームの振幅と、第１および第２のアームによって試料を把持した時に検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される第２のアームの振幅とに基づいて、試料を把持した時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。

本発明によれば、アーム振動の変化を検出して把持力を演算するようにしたので、微小な把持力を精度良く検出することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係るナノピンセットの概略構成を示す図である。図１のナノピンセットは、試料を把持する機構であるグリッパ部Ｇと、グリッパ部Ｇを駆動制御するとともに把持力の演算を行う駆動部Ｄとで構成されている。グリッパ部Ｇは、一対のアーム１，２、アーム１の駆動機構３，アーム２の駆動機構４を備えている。駆動部Ｄは、駆動機構３用の直流電源５、駆動機構４用の直流電源６および交流電源７，検出部８、演算部９、制御部１０および入力部１１を備えている。

把持対象である試料を把持する際には、アーム１を左右に開閉動作させてアーム１，２間に把持する。その際に、アーム２を振動駆動させて駆動機構４のアドミッタンスを検出部８で検出し、アドミッタンスの変化から把持力を求める。把持力算出の詳細は後述する。演算部９は、検出されたアドミッタンスの変化に基づいて把持力を演算し、その演算結果を制御部１０に入力する。制御部１０は、演算部９から入力された演算結果と、入力部１１から入力された指令とに基づいて、直流電源５，６および交流電源７の出力を制御する。

図２は、グリッパ部Ｇの詳細を示す斜視図である。アーム１，２および駆動機構３，４は、絶縁層を挟んだ上下２つのシリコン層からなる３層構造の基板、例えばＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いて、半導体微細加工技術により一体で形成される。ＳＯＩ基板は上部Ｓｉ層、ＳｉＯ_２層および下部Ｓｉ層で構成され、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ_２層を形成し、そのＳｉＯ_２層を挟むように貼り合わせたものである。アーム１，２および駆動機構３，４はＳＯＩ基板の上部Ｓｉ層を加工して形成され、それらは下部Ｓｉ層からなるベース１２上に設けられている。符号１３で示す部分がＳｉＯ_２層である。

試料は、アーム１，２の先端部分に形成された平行部１ａ，２ａの間に把持される。アーム１を開閉駆動する駆動機構３は、アーム１側に設けられた櫛歯状凹凸部３０と、櫛歯状凹凸部３０と対向配置された櫛歯状凹凸部３１とを備えている。櫛歯状凹凸部３０，３１の凸部３０ａ，３１ａは、互いに相手方の凸部の間に入り込むように配置されている。各櫛歯状凹凸部３０，３１は、幅の狭くなった弾性連結部３０ｂ，３１ｂを介して基部３０ｃ，３１ｃに連結されており、各基部３０ｃ，３１ｃはＳｉＯ_２層１３を介してベース１２上に接続されている。

アーム２を振動させる駆動機構４は、アーム２側に設けられた櫛歯状凹凸部４０と、櫛歯状凹凸部４０と対向配置された櫛歯状凹凸部４１とを備えている。櫛歯状凹凸部４０，４１の凸部４０ａ，４１ａは、互いに相手方の凸部の間に入り込むように配置されている。各櫛歯状凹凸部４０，４１は、幅の狭くなった弾性連結部４０ｂ，４１ｂを介して基部４０ｃ，４１ｃに連結されており、各基部４０ｃ，４１ｃはＳｉＯ_２層１３を介してベース１２上に接続されている。

電極が形成されている基部３０ｃ、３１ｃには、図１に示すように直流電源５が接続されている。直流電源５により電圧を印加すると、櫛歯状凹凸部３０，３１間の静電力により弾性連結部３０ｂが変形し、アーム１が閉じる方向に駆動される。印加電圧をゼロにすると、弾性連結部３０ｂの元に戻ろうとする弾性力によりアーム１が開く。アーム１の開閉度合いは印加電圧の電圧値を調整することにより制御される。

一方、電極が形成されている基部４０ｃ、４１ｃには直流電源６と交流電源７とが接続されており、直流電源６により印加されたバイアス電圧Ｅ_０に交流電源２２による交流電圧ｅが重畳して印加されている。この交流電圧ｅの印加によりアーム２が振動することになる。

《アドミッタンスの説明》
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。Ｃ_０は櫛歯状凹凸部４０，４１間における静電容量であり、Ｃ_Ｓ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。

直流電源６によるバイアス電圧Ｅ_０は機械系と電気系とを結合する働きをし、その結合係数をＡとする。ｉは電流、ｍは櫛歯状凹凸部４０およびアーム２から成る可動部分の質量、ｋはバネ定数、ｒ_ｆは機械抵抗である。この機械抵抗ｒ_ｆには、可動部分が振動することにより発生する流体抵抗や、試料を把持した際の把持力の影響している。図３の等価回路に関して、線形近似基本方程式は式（１），（２）のように表される。
ｉ_１＝ｊω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）ｅ_１＋（Ｅ_０Ｃ_０／Ｘ_０）ν_１ …（１）
ｆ_１＝ｊωｍν_１＋ｒ_ｆν_１＋ｋν_１／ｊω＋Ｅ_０Ｃ_０ｅ_１／Ｘ_０ …（２）
但し、ｉ_１は交流電流値、ｅ_１は入力交流電圧の振幅、ν_１はアーム２の振動速度であり、ｆ_１は可動部分に作用する外力である。また、Ｘ_０は初期状態の櫛歯間距離である。

式（１），（２）より、外力ｆ_１がゼロの場合、駆動機構４のアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と角周波数ωの関係は式（３）のように表すことができる。ここで、Ａ＝Ｅ_０Ｃ_０／Ｘ_０である。なお、本実施の形態では、駆動機構４のアドミッタンスを検出して把持力を算出しているが、より広い概念で言えば、アドミッタンスやインピーダンスを含むイミタンスを検出して把持力を算出するものである。

図４は、アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。このアドミッタンス曲線は、電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、｜Ｙ｜＝ω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）で表される直線は、機械系が無い電気系のみの場合の特性曲線、すなわち、式（３）において次式（４）が成り立つ場合の特性曲線を表している。
Ａ^２−２ω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）（ωｍ−ｋ／ω）＝０ …（４）

共振角周波数ω_０は、アドミッタンス曲線のピーク位置より僅かに高いところに位置している。関数ｆ(ω^２)＝｜Ｙ｜^２−ω^２（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）に対して、ｄｆ(ω^２)／ｄω^２＝０を解くことにより、アドミッタンス曲線のピークの角周波数ω_ｐ、凹カーブを示す部分のボトムの角周波数ω_ｂが得られる。図５は、関数ｆ(ω^２)の模式図である。

共振角周波数ω_０と発振角周波数ω_１との関係は、次式（７）で表される。発振角周波数ω_１、ピーク角周波数ω_ｐおよびボトム角周波数ω_ｂとの間には、２（１／ω_１）^２＝（１／ω_ｐ）^２＋（１／ω_ｂ）^２という関係がある。

アドミッタンス値｜Ｙ｜の式（３）には機械抵抗ｒ_ｆが含まれており、上述したように、機械抵抗ｒ_ｆはアーム２の振動に起因する流体抵抗や把持力の影響によって変化する。すなわち、試料を把持する際の把持力の変化をアドミッタンスの変化として検出することができる。

《把持動作の説明》
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。

図８（ａ）は図６（ａ）の状態におけるアドミッタンス曲線Ｌ１１を示す図であり、図８（ｂ）は図６（ｂ）の状態におけるアドミッタンス曲線Ｌ１２を示す図である。図６（ｂ）の場合にはアーム２の一部が溶液中に入った状態で振動しているので、溶液の粘性抵抗のために機械抵抗ｒ_ｆが大きくなる。その結果、図８（ｂ）に示すようにアドミッタンス値｜Ｙ_０｜が小さくなり、アドミッタンス曲線Ｌ１２のピーク間の上下幅は、アドミッタンス曲線Ｌ１１に比べて小さくなる。なお、アドミッタンス曲線と直線｜Ｙ｜＝ω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）との差は振動の振幅に換算され、差が大きいと振幅も大きくなる。

次いで、図７（ａ）に示すようにアーム１を閉動作させて、細胞Ｃをアーム２の方向へと移動させ、図７（ｂ）に示すようにアーム１，２間に細胞Ｃを把持する。アーム１，２間に細胞Ｃを把持すると、把持力に相当する力が細胞Ｃからアーム２へと作用する。その結果、アーム２の振動の振幅が把持前に比べて小さくなり、図８（ｃ）に示すアドミッタンス曲線Ｌ１３のようにピーク間の上下幅がさらに小さくなる。そして、このようなアドミッタンス曲線Ｌ１２から曲線Ｌ１３への変化から、把持力を算出することができる。

図７（ｂ）に示すようにアーム１，２間に細胞Ｃを把持し、所定の把持力となったならば、アーム１の移動動作を停止するとともに、交流電源７からの印加電圧をオフしてアーム２の振動を停止する。なお、把持力が所定値となったか否かは、後述する算出方法により得られる把持力により判定する。その結果、細胞Ｃを所望の把持力で把持することができる。細胞Ｃを把持したならば、グリッパ部Ｇの引き上げおよび移動を行って、細胞Ｃを所定の場所へと搬送する。

《把持力の算出》
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ω_０と可動部分の質量ｍと機械抵抗ｒ_ｆとから次式（８）により与えられる。
Ｑ＝ω_０ｍ／ｒ_ｆ …（８）

ω＝ω_１は上述した式（４）を満たす角周波数であるから、式（４）にω＝ω_１を代入し、ω_０＝√（ｋ／ｍ）を用いて変形すると、質量ｍは次式（９）で算出される。また、式（３）においてω＝ω_０とおくことにより、機械抵抗ｒ_ｆは共振周波数ω_０におけるアドミッタンス値｜Ｙ_０｜を用いて式（１０）で算出される。

式（９），（１０）において、共振角周波数ω_０はアドミッタンス曲線から求まる。なお、レーザードップラー振動計で共振角周波数ω_０を測定しても良く、アドミッタンス曲線から求める場合よりも正確な値が得られる。また、電気機械結合係数Ａは、直流電源６のバイアス電圧Ｅ_０、初期状態の櫛歯間距離Ｘ_０、および櫛歯部分のみの静電容量Ｃ_０を用いて、Ａ＝Ｅ_０Ｃ_０／Ｘ_０の式により算出される。

ここで、櫛歯部分のみの静電容量Ｃ_０は次のようにして求める。まず、凸部４０ａ，４１ａが形成されていない駆動部を製作し、櫛歯状凹凸部４０，４１の静電容量（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）と、凸部４０ａ，４１ａが形成されていない駆動部の静電容量（浮遊容量Ｃ_Ｓ）とを実測する。そして、それらの差分を取ることにより静電容量Ｃ_０が求まる。このようにして得られた値を式（９），（１０）に代入して質量ｍおよび機械抵抗ｒ_ｆを求め、それらを式（８）に代入することによりＱファクターが算出される。なお、このＱファクターとしては、アーム２が溶液中にある場合、すなわち、アドミッタンス曲線が図８（ｂ）の場合について求める。

次に、このＱファクターを用いて、図７（ｂ）の把持状態における把持力を算出する。この振動系におけるＱファクターは、共振時における回路の蓄積エネルギーをＥ１、共振角周波数ω_０の１周期での消費エネルギーをＥ２とすると、次式（１１）のように表すことができる。そして、力（把持力）は、共振角周波数ω_０の１周期での消費エネルギーＥ２より算出される。
Ｑ＝２πＥ１／Ｅ２ …（１１）

共振時における回路の蓄積エネルギーＥ１は、次式（１２）で算出される。ここで、ｋはアーム２のバネ定数であり、Ｂ_０は無負荷時すなわち図７（ａ）におけるアーム２の振幅で、Ｂは負荷時（図７（ｂ）の把持時）におけるアーム２の振幅である。把持時の振幅Ｂは、無負荷時の振幅Ｂ_０よりも小さくなる。
Ｅ１＝ｋＢ_０ ^２／２−ｋＢ^２／２ …（１２）

ところで、図７（ｂ）の状態から細胞Ｃを突然除去したと仮定すれば、アーム２の振幅Ｂは振幅Ｂ_０に回復する。このとき、１周期中に回復する振幅量をδＢとすると、共振角周波数ω_０の１周期での消費エネルギーＥ２は、Ｅ２＝ｋＢδＢとなる。このδＢを式（１１）に代入すると、δＢは次式（１３）のように表される。一方、細胞Ｃに加わる把持力ＦはＦ＝ｋδＢと表されるので、これを式（１３）を用いて変形すると、把持力Ｆは式（１４）で算出されることになる。
δＢ＝π（Ｂ_０ ^２−Ｂ^２）／ＱＢ …（１３）
Ｆ＝πｋ（Ｂ_０ ^２−Ｂ^２）／ＱＢ …（１４）

なお、式（１４）の振幅Ｂ、Ｂ_０については、以下のように算出する。前述した線形近似基本方程式（１），（２）において、正弦波駆動の場合にはν_１＝ｊωｘ_１のように書けるので、式（１）は次式（１５）のようになる。このとき、アドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜は式（１６）のようになり、｜Ｙ｜とアーム２（すなわち、櫛歯状凹凸部４１）の変位ｘ_１との関係は式（１７）のようになる。

測定時の角周波数ωを共振角周波数ω_０に固定すれば、振幅Ｂ_０，Ｂは、無負荷時のアドミッタンス｜Ｙ_０｜と負荷が加わったときのアドミッタンス｜Ｙ_Ｌ｜とを用いて次式（１８），（１９）のように表される。

このように、本実施の形態のナノピンセットでは、アーム２の振動の変化をアドミッタンス変化として検出し、そのアドミッタンス変化から把持力を算出するようにした。その結果、非常に小さな把持力を検出することができ、細胞等の生物試料をｐＮオーダーでソフトハンドリングすることが可能となる。

例えば、バネ定数ｋを３４５Ｎ／ｍで設計した場合、水中でのアドミッタンス測定でＱ＝１２２が得られる。初期振幅Ｂ_０が４０ｎｍで負荷時の振幅Ｂが１ｎｍ減少した場合、把持力ＦはＦ＝６．５ｎＮとなる。さらに、水の負荷を考慮した設計にすることにより、バネ定数を下げつつＱファクターを増加させることができる。そのため、ｋ＝３４．５Ｎ／ｍで設計した場合に、Ｑファクターを２４４とすることも十分可能であり、その場合、把持力ＦとしてＦ＝９００ｐＮが得られる。

一方、前述した従来のピンセットでは、ｐＮオーダーの非常に小さな把持力まで検出できるようにするためには、相関を求めるための計測においてピンセットの間隔をナノメートルオーダーで計測する必要があり、満足できる程度の相関を求めるのは困難であった。

《製造工程の説明》
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ＳｉＯ_２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（ＳｉＯ_２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。

ＳＯＩ基板１００の各層の厚さの一例を述べると、上部Ｓｉ層１０３は２５μｍ、ＳｉＯ_２層１０２は１μｍ、下部Ｓｉ層１０１は３００μｍである。また、ＳＯＩ基板１００上における１つのグリッパ部Ｇ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９（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を上部Ｓｉ層１０３の表面に形成する。

次に、図９（ｂ）のようにアルミ層１０４の表面にレジスト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１０５を露光・現像することにより、図２のナノピンセットの形状を成すレジストパターン１０５ａを形成する（図９（ｃ））。その後、図９（ｄ）に示すように、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、上部Ｓｉ層１０３を露出させる。図１２（ａ）は、図９（ｄ）の状態におけるＳＯＩ基板１００の斜視図である。なお、図９（ｄ）は図１２のＥ−Ｅ断面を示したものである。

次に、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）により上部Ｓｉ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ＳｉＯ_２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１０（ａ）参照）。図１２（ｂ）は、レジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去した後の基板１００を示す斜視図である。ＳｉＯ_２層１０２上には、同一の上部Ｓｉ層１０３によりナノピンセットを構成する立体構造体が形成される。

次いで、図１０（ｂ）に示すように基板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下部Ｓｉ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（ｃ）参照）。なお、図１０（ｃ）の断面図は、櫛歯状凹凸部３０，３１，４０，４１の弾性連結部３０ｂ，３１ｂ，４０ｂ，４１ｂの部分の断面を示したものである。

下部Ｓｉ層１０１の上に形成されたレジスト１０８およびアルミ層１０７は、アーム下部の下部Ｓｉ層１０１を除去するためのマスクであり、これらをマスクとして下部Ｓｉ層１０１をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする。下部Ｓｉ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ＳｉＯ_２層１０２が露出するまで行われる。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およびアルミ層１０７を除去する（図１１（ａ）参照）。

次いで、露出しているＳｉＯ_２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、基部３０ｃ，３１ｃ，４０ｃ，４１ｃの上部Ｓｉ層１０３と下部Ｓｉ層１０１とで挟まれた領域を除いて、ＳｉＯ_２層１０２が除去される（図１１（ｂ）参照）。図１２（ｃ）は、図１１（ｂ）に示す工程の後の基板１００を示す斜視図である。その後、図１１（ｃ）に示すように、基部３０ｃ，３１ｃ，４０ｃ，４１ｃ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は電極として機能するものである。

以上説明した本実施の形態においては、以下に述べるような作用効果を奏することができる。
（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。

なお、上述した実施の形態では、櫛歯駆動機構によりアーム２を振動駆動したが、電気的に駆動する駆動機構を用いてアーム２を振動させるようにしても良い。例えば、圧電素子でアーム２を振動駆動する場合、圧電素子のアドミッタンスの変化を計測して把持力を検出する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明に係るナノピンセットの概略構成を示す図である。 グリッパ部Ｇの詳細を示す斜視図である。 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。 アドミッタンス曲線を示す図である。 関数ｆ(ω^２)の模式図である。 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。 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り、図６に続く工程を示す。 把持動作におけるアドミッタンスの変化を示す図であり、（ａ）は大気中におけるアドミッタンス曲線Ｌ１１を、（ｂ）は溶液中におけるアドミッタンス曲線Ｌ１２を、（ｃ）は把持時のアドミッタンス曲線Ｌ１３を示す。 グリッパ部Ｇの製造工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｄ）は第１〜第４の工程を示す。 グリッパ部Ｇの製造工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）は第５〜第７の工程を示す。 グリッパ部Ｇの製造工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）は第８〜第１０の工程を示す。 （ａ）は第４工程における基板１００の斜視図、（ｂ）は第５工程における基板１００の斜視図、（ｃ）は第９工程における基板１００の斜視図を示す図である。

符号の説明

１，２：アーム、３，４：駆動機構、５，６：直流電源、７：交流電源、８，１０：制御部、９：演算部、１１：入力部、１２：ベース、３０，３１，４０，４１：櫛歯状凹凸部、Ｄ：駆動部、Ｇ：グリッパ部

Claims (6)

1. 試料を把持するための第１および第２のアームと、
   前記第２のアームに対して前記第１のアームを開閉駆動する開閉駆動機構と、
   前記第２のアームを振動させる振動機構と、
   前記第２のアームを振動させて前記振動機構のアドミッタンスを検出する検出手段と、
   非把持時の前記振動機構による振動の共振角周波数、前記第２のアームを含む振動部分の質量、および、前記振動部分の機械抵抗に基づいて前記振動機構による振動のＱファクターを演算し、該Ｑファクターと、非把持時に前記検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される前記第２のアームの振幅と、前記第１および第２のアームによって前記試料を把持した時に前記検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される前記第２のアームの振幅とに基づいて、前記試料を把持した時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。
2. 請求項１に記載のナノピンセットにおいて、
   前記開閉駆動機構は、前記第１のアームに設けられた第１の櫛歯電極と、前記第１の櫛歯電極と隙間を介して噛合する第２の櫛歯電極とを備え、
   前記第１および第２の櫛歯電極間に直流電圧を印加して前記第１のアームを開閉駆動することを特徴とするナノピンセット。
3. 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、前記第２のアームに設けられた第３の櫛歯電極と、前記第３の櫛歯電極と隙間を介して噛合する第４の櫛歯電極とを備え、
   前記第３および第４の櫛歯電極間に交流電圧を印加して前記第３の櫛歯電極および前記第２のアームを一体に振動させることを特徴とするナノピンセット。
4. 請求項３に記載のナノピンセットにおいて、
   前記第１および第２のアーム，前記開閉駆動機構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。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のナノピンセットを使用した把持方法であって、
   前記第２のアームの振動を共振させつつ把持対象に近づけ、非把持時における前記共振角周波数、前記第２のアームを含む振動部分の質量、および、前記振動部分の機械抵抗に基づいて前記振動機構による振動のＱファクターを演算し、
   前記開閉駆動機構により前記第１のアームを閉駆動させて前記把持対象を把持し、
   前記非把持時におけるアドミッタンスに基づいて算出される前記第２のアームの振幅、前記演算されたＱファクター、および、前記第１および第２のアームによって前記試料を把持した時のアドミッタンスに基づいて算出される前記第２のアームの振幅に基づいて、把持力を演算し、
   前記演算された把持力が所定値となったならば前記開閉駆動機構による前記閉駆動を停止する、ことを特徴とする把持方法。
6. 試料を把持するための第１および第２のアームと、前記第２のアームに対して前記第１のアームを開閉駆動する開閉駆動機構と、前記第２のアームを振動させる振動機構と、を備えたナノピンセットによる把持力を検出する把持力検出装置であって、
   前記第２のアームを振動させて前記振動機構のアドミッタンスを検出する検出手段と、
   非把持時の前記振動機構による振動の共振角周波数、前記第２のアームを含む振動部分の質量、および、前記振動部分の機械抵抗に基づいて前記振動機構による振動のＱファクターを演算し、該Ｑファクターと、非把持時に前記検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される前記第２のアームの振幅と、前記第１および第２のアームによって前記試料を把持した時に前記検出手段により検出されるアドミッタンスに基づいて算出される前記第２のアームの振幅とに基づいて、前記試料を把持した時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把持力検出装置。

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