JP5396281B2 - マイクロデバイスを配列する方法、前記方法に用いる磁気配列装置、前記方法に用いるマイクロデバイス製品、およびマイクロデバイスの配列システム - Google Patents
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Description
A.マイクロデバイス配列を形成するためのシステム
マイクロデバイスは、マイクロデバイスが磁化の優先軸を有する磁化可能な物質を含む。追加的な特徴は、光認識可能な符号化パターンを含むがこれに限らず、マイクロデバイスに組み込まれることができる。光認識可能な符号化パターンを含むそのようなマイクロデバイスの特性は、米国特許第7,015,047号において列挙される。米国特許第7,015,047号は、磁気アセンブリ過程と共存できるマイクロデバイスのサブセットを議論する。
配列チップは、磁性および非磁性体の両方から構成される。いかなる適切な磁化可能な材料も、配列チップにおいて使われることができる。一実施態様において、使用される磁化可能な物質は、常磁性の物質、強磁性体、フェリ磁性体または超常磁性物質である。好ましくは、磁化可能な物質は、例えば鉄、ニッケル、銅、コバルト、マンガン、タンタルおよびジルコニウムのような遷移金属組成またはその合金である。好適な実施態様において、磁気物質は金属酸化物である。さらに好適な材料は、NiFeおよびコバルトを含む。追加的な好適な材料は、例えばCoTaZr、CoFe、CoNiFe、CoNbZr、CoNbHfおよびCoTaHfのようなコバルトの合金を含む。好ましくは、このような特徴は、磁化の優先軸を有するバーの形状である。多くの用途において、配列チップの残りの磁化は、望ましい品質である。マイクロデバイスと類似して、配列チップの磁化可能な物質、完全に配列チップを含む非磁化可能な基板内部に(封入される)および、完全に、外側は配列チップを含む非磁化可能な基板に付着して完全に外側に位置する、または、その中間のどこかに位置することができる。好ましい実施態様では、ガラス製基板の上に磁気要素を置き、二酸化ケイ素が平面または本質的に平面の表面を形成するように二酸化ケイ素でそれらを封入する。
B.マイクロデバイス・アレイを形成する方法
a) 各々のマイクロデバイスが磁化可能な要素を含む複数のマイクロデバイスの提供であって、そこにおいて、該マイクロデバイスは磁化の予め定められた優先軸を有するような提供;b) 該マイクロデバイスの配列チップと相補的な複数の固定した磁気要素を含む配列チップの提供;c) 一以上の外部磁場発生器;d) 該配列チップ上への該複数のマイクロデバイスの導入;および、e) 磁気および/または他の力によって該配列チップ上での該マイクロデバイスの操作であって、それによって、力の組み合わされた効果、該配列チップの磁気要素の分配、および、該マイクロデバイスの磁気要素の分配が、配列チップの表面上に順序付けられたパターンのマイクロデバイスを実質的に表示するような操作。
(1)EAR∝mMD・mAC;ESA∝mMD・mMD;ERI∝mMD・mAC
(2)F∝m1m2/r2
であるように、分離された磁極間の相互作用として接近されることができる(すなわちクローンの法則)(Poon Am. J. Phys., 71 : 943-947 (2003)による「二つの磁石およびボールベアリング:画像の方法の単純な実証」)
(3) τ=μBsinθ
(4)FArraying∝1/(dMD+dAC)2
(5)FSA∝1/(dMD+dMD)2
(*訳注2)
磁気的相補性。全体的な磁気強度のいかなる考慮とは別にして、マイクロデバイスのバーの長さと関連する配列チップ上のバーの長さは、重要である。マイクロデバイスは、マイクロデバイス間、および、マイクロデバイスと配列チップとの間の重複または重複に近い磁気領域で起こる引力および反発力によって、適所に導かれる。好ましくは、マイクロデバイス上の、および、配列チップ上の要素は、類似した長さ(二倍以内)である。(*訳注3)「磁気電荷」が磁気領域の端の近くに集中されるので、長いバーはそれらの中央域においてかなり短いバーを引きつける。これらの相互作用が適切に配列された方位より弱いので、磁力の除去がそれらを乱れさせるために用いられるのを認識することは重要である。しかしながら、バーが類似した長さである場合、完全に重なり合うバーの間の相互作用は、もはや引力的ではなく反発的である。この反発的相互作用は、例えば図10に示されるもののように配列チップ磁気要素のずれた構成において利用される。より長い磁気領域がアレイ密度を減少させるので、より短いバーが一般に好ましい。
小さいバーと重なる場合に好都合な磁気相互作用を有する長いバーの能力は、望ましい配列の相互作用の全体的な強度を増やし、配列効率を改善する配列チップ・パターンを生成するために用いることができる。この手順において、配列されたマイクロデバイスの磁気バーが、二つの他のバーと部分的に重なり合う好都合な相互作用において係合するままである一方で完全に小さいバーに重なり、図19は、配列されるマイクロデバイス上の磁気バーより小さい磁気バーを含むチップ上の配列過程の模式的な例を示す。図20は、このタイプのバー・パターンを用いた配列チップの実際の例を示す。好ましい実施態様において、アレイ上の完全に重ねられたバーは、配列されたマイクロデバイス上で重なり合うバーの長さの50%より少ない。部分的および完全に重なった組合せを使用する配列チップの使用による配列は、60x70x3ミクロンであって、二酸化ケイ素(1.0ミクロン)の下層(下側表面)よりも厚い二酸化ケイ素(1.8ミクロン)の上層(上側表面)を有するマイクロデバイスが適所で反転することを示す図20において示されるようにz軸に沿って非対称に位置する磁気バーを含むマイクロデバイスの適所での反転を非常に容易にする。図20に示される過程が図17に示されるものに非常に類似している一方、図20に示されるタイプの配列チップ上の小さい磁気バーの追加は適所における反転過程を容易にし、および、完全に直立した(配列チップの表面から90°上げられた)マイクロデバイスさえ、そのような配列チップ上で適所において反転される。好ましい実施態様において、配列チップは交互の大きいおよび小さいバーを含む。さらに好ましい実施態様において、小さいバーは、大きいバーの隙間の60%より少ない。磁気要素の集合の間で配列軸に沿った最適な隙間の間隔は、多くの要素に依存している。これらは、配列磁界の強度と同様に、(マイクロデバイスおよび配列チップの両方の)磁気要素の形状および組成を含む。配列過程が磁極間の強い相互作用を含むので、隙間の間隔は、一般にマイクロデバイスの相補型磁気要素の長さより小さくなければならない。この距離は、磁場を算出するために設計された標準のプログラムを用いて計算機的に算出することができる。この距離はまた、経験的に計量されることができる。同様に、最適なバー・サイズは、計算機的および経験的に直ちに決定されることができる。広範囲な隙間およびバーのサイズは、配列過程と共存でき、それらはエネルギー的に最も好都合な寸法と一致する必要はない。
*訳注1 ここで原文はdiscreet(目立たない、慎重ななどの意味)regionsという単語になっていますがこれでは意味が通らず、文章全体をみるとほとんどdiscrete(分離した、別々のという意味)regions等となっています。このdiscreet はスペルミスであると思われますので、discreteとして訳しています。
*訳注2 新しい項目が記載されていますが、原文では段落分けされていないので、そのままで記載しています。
*訳注3 原文では、(within a factor or two)となっていますが、文脈から考えて、
(within a factor of two)の誤りであると思われますので、訂正して訳しました。
*訳注4 ここで、sorting chipsという単語が使われていて、おそらくarraying chipsの誤りだと思われますが、そのまま訳してあります。
Claims (22)
- 磁気要素を有する基板を含む配列チップであって、前記磁気要素の各々は磁化の予め定められた優先軸を有し、外部磁場に応答して各々磁力を出すことができる分離した領域のアレイが形成される配列チップと、
アレイ形成を導くための一台の磁場発生器からの外部磁場とを備え、
前記配列チップ上に、各々が磁化の予め定められた優先軸をもつ製造されたマイクロデバイスを置き、前記配列チップおよび前記配列チップ上の前記マイクロデバイスに前記外部磁場を印加することによって前記配列チップ上の前記マイクロデバイスを配列する方法であって、
前記磁気要素の磁化の予め定められた優先軸は、前記配列チップの平面に対して平行であり、
前記マイクロデバイスの予め定められた優先軸に沿って誘発された磁化の絶対量は他の軸に沿って誘発された磁化の絶対量より20%以上大きいことを特徴とする、マイクロデバイスを配列する方法。 - 前記配列後の前記マイクロデバイスの方位が、該マイクロデバイスの少なくとも二つの分離した方位において向きを定められている、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 前記配列後の前記マイクロデバイスの方位が、該マイクロデバイスの少なくとも四つの分離した方位において向きを定められている、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 前記配列後の前記マイクロデバイスの方位が、該マイクロデバイスの少なくとも八つの分離した方位において向きを定められている、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 前記配列後の前記マイクロデバイスの方位が、該マイクロデバイスの少なくとも12の分離した方位において向きを定められている、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 前記マイクロデバイスが最長500μmの長さを有する、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 配列された前記マイクロデバイスが完全に前記アレイの磁気要素と重なる、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 配列された前記マイクロデバイスがパターン化された磁気バーを含む、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 前記マイクロデバイスが最長500μm未満の長さを有し、前記磁気要素に対して第1の方位に配列されている場合において、
前記マイクロデバイスに対して、前記磁場発生器により第1と第2の外部磁場を順次印加することにより、配列された前記マイクロデバイスのうちの選択されたマイクロデバイスの方位を前記第1の方位から少なくとも90°変化させることを特徴とする、請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法。 - 前記第1の方位に配列されている前記マイクロデバイスが前記配列チップに平行な平面に配列されている場合において、外部磁場印加により、前記マイクロデバイスのうちの選択されたマイクロデバイスが該平面に垂直な方向に再配向される、請求項9に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 外部磁場印加により、前記マイクロデバイスのうちの選択されたマイクロデバイスが逆さに反転される、請求項9に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 外部磁場印加により、前記マイクロデバイスのうちの選択されたマイクロデバイスが配列チップ上の位置を変えることなく逆さに反転される、請求項9に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 個々の前記マイクロデバイスが少なくとも103の選択を支える磁気コード化空間を利用するコードを含む、請求項9に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 個々の前記マイクロデバイスの各々が化学的に反応する部位を含む、請求項9に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 前記マイクロデバイスのうちの少なくとも100が相互に異なる重合体と相互に異なるコードとを含む、請求項9に記載のマイクロデバイスを配列する方法。
- 請求項1に記載のマイクロデバイスを配列する方法に用いる磁気配列装置であって、
前記磁気配列装置は、分離した領域のアレイを形成する埋め込まれた磁化可能な磁気要素を有する基板を含む配列チップを含み、そこで各々の要素が外部磁場によって引き起こされると磁力を出し、前記磁気要素は隙間により分離される交互の長いおよび短いバーを含み、
前記短いバーは二つの前記長いバーの長い方向の端と端の間の隙間に位置し、前記長いバーの少なくともいくつかは500μm未満の平均の長さを有し、前記短いバーの少なくともいくつかは前記長いバーのうちの最長のものの50%未満の平均の長さを有し、
前記配列チップ上の配列した複数のマイクロデバイスの中の少なくともいくつかのマイクロデバイスは、前記配列チップの隣接する二つの長いバーの端と端との間の隙間より長いことを特徴とする磁気配列装置。 - 前記長いおよび短いバーがABABABの方法で交替する、請求項16に記載の磁気配列装置。
- 前記長いおよび短いバーがABABAB以外の方法で交替する、請求項16に記載の磁気配列装置。
- 隣接した前記長いバーの端の間の隙間に配置する前記短いバーの長さは前記隙間の60%よりも少ない、請求項16に記載の磁気配列装置。
- 配列チップと配列チップ上のマイクロデバイスに外部磁場を印加することによって前記マイクロデバイスを配列するマイクロデバイスの配列システムであって、前記システムは、
外部磁場を印加するための一台の磁場発生器と、
埋め込まれた磁気要素を有する基板を含む配列チップであって、前記磁気要素は、磁化の予め定められた優先軸の要素を有し、該磁場発生器からの外部磁場に応答して各々磁力を出すことができる分離した領域のアレイを形成するような配列チップと、
それぞれが磁化の予め定められた優先軸を有する一組のマイクロデバイスとを含み、
前記磁気要素の磁化の予め定められた優先軸は、該配列チップの平面に対して平行であり、
前記マイクロデバイスの予め定められた優先軸に沿った誘発された磁化の絶対量は他の軸に沿って誘発された磁化の絶対量より20%以上大きいことを特徴とする、
マイクロデバイスの配列システム。 - 少なくともいくつかの前記マイクロデバイスが、隣接する前記分離した領域の間にまたがるのに十分な長さを有する、請求項20に記載のマイクロデバイスの配列システム。
- 少なくともいくつかの前記マイクロデバイスが化学的に活性の部位を含む、請求項21に記載のマイクロデバイスの配列システム。
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