JPH04500045A - マイクロメカニカルマニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロメカニカルマニピュレータ 〈技術分野〉 本発明は、基板、加熱素子及び少なくとも１個のマニピュレータアームヲ有スる マイクロメカニカルマニピュレータに関する。マニピュレータアームは、プレー ト及び少なくとも部分的にプレートを覆う層で構成される。マニピュレータアー ムの運動は、プレートと層とか異なる熱膨張係数を有する異なる材料で作成され ることにより生じる。温度が変化すると、固く接合した材料が個別に膨張して、 バイメタル効果によりマニピュレータアームか動く。

マイクロマニピュレータを使用して、目的物を極めて微少な距離だけ動かすこと かできる。このため、マイクロマニピュレータはこれらの精密修正に適する。マ イクロマニピュレータはまた、マイクロバルブキャップ、マイクロスイッチ又は 偏光用マイクロミラーとして使用できる。

〈背景技術〉 この種のマイクロマニピュレータは、例えば、“Ｍ［ＣＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡ ＬＭＥＭＢＲＡＮＥ　５ＷＩＴＣＨＥＳ　ＯＮ　５ＩＬＩＣＯＮ”（ＩＢＭ　Ｊ ＯＵＲＮＡＬ　ＲＥＳＥＡＲＣＨＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ２３巻、１９７９年２ ７６頁−２８５頁）又は’ＴＨＥＲＭＡＬＬＹ　ＥＸＣＩＴＥＤ　５ＩＬＩＣＯ Ｎ　ＭＩＣＲＯ−ＡＣＴＵＡＴＯＲ３”（ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ 　ＯＮ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＤＥＶ［ＣＢ、　３５巻、　１９８８年７５８頁− ７６３頁）に開示されている。これらの文献に共通した記載によれば、従来のマ イクロマニピュレータにあっては、マニピュレータアームの運動か基板表面から はみ出しているため、基板表面に沿った運動は不可能であった。

ジヨイント又はターヒンホイールのような可動性マイクロメカニカル要素か、米 国特許第４７４０４１０号又は刊行物”ＭＩＣＲＯ−ＧＥＡＲＳ　ＡＮＤ　ＴＵ ＲＢＩＮＥＳＥＴＣＨＥＤ　ＦＲＯ八ｌへ５ＩＬＩＣＯＮ“（ＳＥＮＳＯＲＳ　 ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲ３，１２（＋９８７）　３４］頁−３４８頁）等いく つかの刊行物に開示されている。しかしなから、今日まで、同一チップ上に組み 込まれる駆動手段は見当たらない。尚これらの要素は、例えば、外部から供給さ れる空気流により動くものである。

〈発明の開示〉 本発明は、複合材料を基準として容易に製造され、且つ基板表面に組み込まれた 可動性マイクロメカニカル要素を駆動するための駆動手段として形成されるマニ ピュレータアームを存するマイクロメカニカルマニピュレータを提供することを 目的とする。

上記目的は、第一の熱膨張係数を有する第一の材料で作成されたプレートと、第 二の熱膨張係数を有する第二の材料で作成されて少なくとも部分的に前記プレー トを覆う層で構成されるマニピュレータアームと、を有するマニピュレータによ り達成される。層は、プレートより大きい熱膨張係数を有し、マニピュレータア ームは基板表面に固く接合する第一の部分と、マニピュレータアームの温度か変 化すると基板表面に平行に移動するように、基板表面と平行にわずかの間隔をあ けて配置された自由部分である第二の部分とを有する。

本発明の有効な実施例及びその改良例を請求項２からＩ＋に示す。

製造技術上の利点か請求項２に係る実施例で示されており、ここではマイクロエ レクトロニクス技術においてよく使用される基礎材料が基板として提供される。

゛　プレートはポリシリコンで作成され、層は金属で作成される。金属、例えば 金、はポリシリコンよりも実質的に大きい熱膨張係数を有する。

これら２つの材料の組み合わせは、非常に著しいバイメタル効果を奏する。プレ ート又は層の上に配置される電気抵抗は、請求項３による加熱要素として提供さ れる。プレート自体、層目体又はプレートと層の両者か加熱抵抗として提供され る実施態様か特に有効である。請求項４に示されるように、マイクロメカニカル マニピュレータの全ての構成要素は、半導体チップ上に組み込まれる。この実施 例では、加熱要素用の電源及び他の電子回路もまた同一チップ上に組み込まれる 。

請求項５によれば、マニピュレータアームのプレートは、長方形に作成される。

この形状により、異なる熱膨張係数による最適な効果が得られる。請求項６によ れば、マイクロメカニカルマニピュレータは更にバルブに改良される。この改良 形態では、基板はマニピュレータアームか加熱されない限りマニピュレータアー ムの自由端部により閉塞されるバルブ開口を有する。加熱電流が印加されると、 マニピュレータアームは開口を開いてバルブを連通状態に切り替える。同様に、 請求項７によるマニピュレータは、粒子放射又は光線のためのシャツタ開口とし て形成される。更に有効な改良形態か請求項８から１０に示される。ここては、 １個または複数のマイクロマニピュレータがジヨイント、ディスク又はギアのよ うな可動性マイクロメカニカル構成要素を駆動する駆動手段として提供される。

本発明により得られる利点は、特に基板表面で生じる運動にある。このような可 動的に配置された機械構成要素は、この基板表面で駆動され動くものである。マ イクロメカニカルマニピュレータでは、マイクロメカニカルマシンが外部駆動に 依存しないように駆動手段が設けられる。

マニピュレータは、種々のシャッタ、ミラーのような光学要素、気体及び液体用 バルブ、スイッチ及びリレー、並進運動及び回転運動用の駆動手段として多様な 用途に使用できる。消極的な可動性マイクロメカニカル構成要素としては既に認 識されているので、積極的な駆動手段が重要である。これらは、マイクロロボッ ト技術、医療技術において有効に使用でき、またマイクロメカニカル構成要素の 製造工具としても有効に使用できる。

本発明の３つの実施例を添付の図面により以下に説明する。

〈図面の簡単な説明〉 第１ａ図は、マイクロメカニカルマニピュレータの概略図である。

第ｉｂ図は、マニピュレータアームか加熱されない状態のマイクロメカニカルマ ニピュレータの断面図である。

第１ｃ図は、マニピュレータアームか加熱された状態のマイクロメカニカルマニ ピュレータの断面図である。

第２ａ図は、シャッタ又はバルブとして形成されたマイクロメカニカルマニピュ レータのシャッタ又はバルブか閉塞された状態を示す断面図である。

第２ｂ図は、シャッタ又はバルブとして形成されたマイクロメカニカルマニピュ レータのシャッタ又はバルブが開放された状態を示す断面図である。

第３図は、２個のマニピュレータアームかのこぎり状ディスクを駆動する駆動手 段として形成されたマイクロメカニカルマニピュレータを示す図であり、６０° の回転過程が八からＥに示される。

〈本発明を実施するための最良の形態〉シリコンウェハからなる立方体が第１図 に示されるマイクロメカニカルマニピュレータの基板１として提供される。立方 体の長さ及び幅は、数百ミクロンであり、厚さは、ウェハの厚さ５００ミクロン に一致する。

マニピュレータアームは、約０．５ミクロン厚のＴ形状ポリシリコンプレート２ 及び略同じ厚さの、例えば金の、金属層３て構成される。金属層は、Ｔ形状プレ ートの横長部分を部分的に覆い、金属層とＴ形状プレートは互いに強固に接合さ れている。

横方向部片４の部分内でプレート２は、約０．５ミクロン厚の中間層５を介して 基板表面に強固に固定される。

プレート及び層の材料は、温度が上昇した時にマニピュレータアームの運動方向 か基板表面の方向に一致するように選択される。マニピュレータとしての機能は 、基板表面に直角方向の運動か機構上の抵抗によって相殺されることにより発揮 されるものである。機構上の抵抗の発生によってマニピュレータアームか膨らみ 、マニピュレータの自由端部が固定端部方向に基板表面に沿って移動する。この 運動は、第１ａ図及び第１ｂ図に矢印で示される。

マニピュレータアームか冷却されると、基板表面に沿った運動は反対方向の運動 になる。

第２図は、光線又は粒子放射用の閉塞可能なシャッタを有するようにさらに改良 したマイクロマニピュレータを示す。基板ｌ内にシャツタ開口Ｉ２を覆うカバー プレート１１か、マニピュレータアーム２の自由端部に配設されている（第２ａ 図）。シャツタ開口は、マニピュレータアームを加熱することにより開放される （第２ｂ図）。

可動性のこぎり状ディスクを駆動する駆動手段としての２個のマニピュレータア ームを有するように更に改良したマニピュレータか第３図に示される。２個のマ ニピュレータアーム２１及び２２は、のこぎり状ディスク２３に対し直角に配設 されて、９０°の角度を成して該ディスク２３を取り囲む。マニピュレータアー ムの自由端部はフック２４を形成しており、各々かのこぎり状ディスクに作用す る。のこぎり状ディスクは、６個の棒状歯２５を有し、棒状歯の長さは、歯が略 マニピュレータアームに対向している時に各々のマニピュレータアームが歯のみ に作用するように設定されている。第３図Ａは初期位置を示し、２個のマニピュ レータアームは長く延びており、のこぎり状ディスクの矢印で示される歯は、マ ニピュレータアーム２１に対向している。

マニピュレータアーム２１を加熱すると、フック２４として形成されたその自由 端部か基板表面に沿って移動し、前記矢印を付された歯かマニピュレータアーム の作用を受けなくなる位置までのこぎり状ディスクを回転運動させる。第３図Ｂ に示すように、この回転運動の後、他の歯かマニピュレータ２２に向く。−力、 マニピュレータアーム２１は冷却されると第３図Ｃに示すように、のこぎり状デ ィスクを回転運動させないで初期位置に戻る。

次のステップでは、第３図りに示されるように、のこぎり状ディスクはマニピュ レータアーム２２の作用により、前回と同様の角度だけ回転する。マニピュレー タアーム２２か冷却された後においては、のこぎり状ディスクは初期位置から６ ０°回転した位置になる（第３図Ｅ）。上記のステップを連続して行うことによ り、のこぎり状ディスクを回転させることか可能となる。

複数のマニピュレータアームと歯とを配置することによって、より高いのこぎり 状ディスクの回転速度が得られ、同期性が改善される。

詳細には説明しないが、更に改良を加えたものでは、選択可能なシャツタ開口を 備えた粒子放射又は光線用シャッタとしてのマニピュレータが提供される。のこ ぎり状ディスク２３は異なる直径のシャツタ開口を備え、該シャツタ開口はのこ ぎり状ディスクの同心円周上に配置される。

そしてのこぎり状ディスクの中心に対して同心円上に基板が開口部を有しており 、該開口部は前記のこぎり状ディスクが回転すると、所望の直径のシャツタ開口 と一致する。

他の実施例では、マニピュレータか材料の製造に適合するように、切断または粉 砕工具がのこぎり状ディスク上に配置される。

マニピュレータを有効に形成することにより、１個又は複数ののこぎり状ディス クの回転運動を並進運動に変換できる。のこぎり状ディスクの歯かのこぎり状四 角形プレートの歯と噛み合って、このプレートを基板表面に沿って移動させる。

この方法により、マニピュレータアームによる移動をはるかに上回る距離の並進 運動が得られる。

上記の全ての実施例は、マイクロ構造技術及びマイクロエレクトロニクス技術の 通常工程に係る製造技術に応用できる。この方法によれば、マニピュレータ及び 所望の制御又は評価エレクトロニクスの両者をチップ上に組み込むことか可能と なる。複数の同一マイクロメカニカルマニピュレータか一製造工程てウェハ上に 同時に製造できることとなる。

０　−ロ 〈背景技術〉 平成３年６月６日

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板、加熱要素及び第一の熱膨張係数を有する第一の材料からなるプレー ト及び第二の熱膨張係数を有する第二の材料からなり、前記プレートを部分的に 覆う層で構成される少なくとも１個のマニピュレータアームを含んで構成される マイクロメカニカルマニピュレータであって、前記層は前記プレートより大きい 熱膨張係数を有し、また前記マニピュレータアームは基板表面に強固に接合され る第一の部分と、マニピュレータアームの温度が変化すると前記プレートに平行 に移動可能なように基板表面に対して平行にわずかの間隔をおいて配置される自 由部分である第二の部分と、を有することを特徴とするマイクロメカニカルマニ ピュレータ。
2. （２）前記基板がシリコンウエハからなり、前記プレートがポリシリコンからな り、また前記層が金属から夫々なることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ メカニカルマニピュレータ。
3. （３）前記加熱要素が電気抵抗として形成されると共に該加熱要素が前記プレー ト又は前記プレートを覆う前記層に配置されるか、又は前記プレート及び前記層 の両者が加熱抵抗として形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のマ イクロメカニカルマニピュレータ。
4. （４）前記マニピュレータの全ての構成要素が半導体チップに組み込まれること を特徴とする請求項１から３のいずれら１つに記載のマイクロメカニカルマニピ ュレータ。
5. （５）前記マニピュレータアームの前記自由部分が長方形に形成されることを特 徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のマイクロメカニカルマニピュレ ータ。
6. （６）前記基板が前記マニピュレータアームの自由部分の下側にパルプ開口を有 し、前記マニピュレータアームの自由部分はマニピュレータアームが加熱されな い状態では前記バルブ開口を閉塞するように形成されることを特徴とする請求項 １から５のいずれか１つに記載のマイクロメカニカルマニピュレータ。
7. （７）前記基板が前記マニピュレータアームの自由部分の下側に少なくとも１個 のシャッタ開口を有し、前記マニピュレータアームの自由部分は前記マニピュレ ータアームが加熱されない状態ではシャッタ開口を覆うように形成されることを 特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のマイクロメカニカルマニピュ レータ。
8. （８）前記マニピュレータアームが可動性構成要素を駆動する駆動手段として形 成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のマイクロメカ ニカルマニピュレータ。
9. （９）少なくとも２個のマニピュレータアームが基板上の回転のこぎり状ディス クに対して直角に配置され、前記マニピュレータアームの前記自由部分が前記の こぎり状ディスクの歯と噛み合うフックを形成することを特徴とする請求項８に 記載のマイクロメカニカルマニピュレータ。
10. （１０）２個のマニピュレータが前記回転のこぎり状ディスクに対して互いに直 角に配設され、前記のこぎり状ディスクは、その円周上に均等に設けられた６個 の歯を有し、前記歯が略前記マニピュレータアームに対向しているときにのみ各 々のマニピュレータアームに噛み合うような長さに設定されることを特徴とする 請求項９に記載のマイクロメカニカルマニピュレータ。
11. （１１）シリコン基板上のシリコン酸化物を析出することにより、第一の熱膨張 係数を有する第一の材料としてのポリシリコン層を中間層として析出し、プレー トを平板状に構成して腐食させ、第二の熱膨張係数を有する第二の材料としての 金属層を析出し、プレート上の層を平板状に構成して腐食させ、前記マニピュレ ータアームの自由部分である前記基板上の析出された前記中間層を腐食させるこ とを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のマイクロメカニカルマニ ピュレータを製造する方法。