JPH0832397B2 - 対象を移動させるマイクロマニピュレータ - Google Patents

対象を移動させるマイクロマニピュレータ

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JPH0832397B2
JPH0832397B2 JP1504447A JP50444789A JPH0832397B2 JP H0832397 B2 JPH0832397 B2 JP H0832397B2 JP 1504447 A JP1504447 A JP 1504447A JP 50444789 A JP50444789 A JP 50444789A JP H0832397 B2 JPH0832397 B2 JP H0832397B2
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B81C99/0005—Apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of microstructural devices or systems, or methods for manufacturing the same
    • B81C99/002—Apparatus for assembling MEMS, e.g. micromanipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q5/00—Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/22—Feeding members carrying tools or work
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    • B23Q5/50—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission feeding step-by-step
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は対象を移動させる特に小さい対象を顕微鏡的
な距離にわたって移動させるマイクロマニピュレータに
関するものである。マイクロメートルのねじを有し、移
動に多く使用される微細機械的な操作部材の精度は、最
近のマイクロテクノロジーにおける移動には十分ではな
い。機械的な実施が障害源となる高真空及び他の閉鎖さ
れたシステム内で使用する場合にも、この操作部材は不
適である。この種の使用には、電磁駆動され、あるいは
圧電効果に基づく操作部材の方がずっと適している。
従来の技術 対象の移動に圧電移動素子が用いられているマイクロ
マニピュレータが、ドイツ特許公開公報DE−OS36 10 54
0に記載されている。ピエゾ効果によってもたらされる
移動素子の変形によって、このマイクロマニピュレータ
には２つの点に関して限界がある。まず、個々の移動ス
テップはnm単位に限定されているので、大きな距離にわ
たって移動させるためには非常に多数のステップを実施
しなければならない。また、個々の移動素子の寸法を余
り小さくすることはできない。というのは大きさが小さ
くなるにつれて、最大可能なステップ幅が減少するから
である。それによってマニピュレータの小型化が制限さ
れる。
発明の説明 本発明の課題は、移動の精度が高く、著しく小型化で
き、約100μｍの領域まで可変のステップ幅が得られる
対象を移動させるマイクロマニピュレータを提供するこ
とである。
この課題は本発明によれば、マイクロマニピュレータ
の機械的な部材が可動の舌片として形成され、舌片は異
なる熱膨張係数を有する種々の材料を積層して形成さ
れ、一方側が本体に取り付けられており、その自由端上
に対象あるいは対象支持体が載置されること、及び舌片
を加熱するために熱源が設けられていることによって解
決される。
舌片はエネルギの供給によって加熱される。１つの舌
片が異なる熱膨張係数を有する少くとも２つの層から積
層されて形成されているので、加熱によって舌片が屈曲
する。マイクロマニピュレータの多数の舌片の移動を適
当に調整することによって、対象を移動させることがで
きる。
本発明の好ましい実施例が、請求の範囲従属項に記載
されている。対象を線形に移動させるために、請求の範
囲第１項による舌片は対で配置され、それぞれ２つの舌
片が互いに180°変位して対向している。
請求の範囲第２項によれば、マイクロマニピュレータ
の本体はシリコンから形成されている。それによって材
料として工業的なマイクロエレクトロニクスで普及して
いる素材を使用することができる。小さな加熱電力でで
きるだけ大きな移動ステップを得るために、舌片はでき
るだけ熱膨張係数の異なる材料を組み合わせて形成され
る。シリコン化合物（たとえばシリコン窒化物あるいは
シリコン酸化物）の層を金属層の組合せによって、マイ
クロの構造技術の製造方法に適応することができる。
請求の範囲第３項によれば温度上昇は加熱素子によっ
て行われるが、原理的には他の方法、たとえば熱線によ
って行うこともできる。請求の範囲第４項によれば、加
熱素子は好ましくは電気的抵抗として形成され、均一な
加熱を保証するために層間あるいは層上に設けられる。
周囲温度の舌片の位置への影響を排除するために、請
求の範囲第５項には特に好ましい配置が示されており、
瞬間的な位置を検出し、位置制御を行うためには舌片上
にセンサ素子が設けられている。センサ素子は種々の物
理的効果に基いている。ピエゾ抵抗を使用すると特に効
果的である。というのはシリコンの場合には静的なピエ
ゾ抵抗効果が特に優れており、引張りあるいは押圧応力
の測定を介して直接舌片の位置を決定することができる
からである。他の利点は、ピエゾ抵抗はマイクロエレク
トロニクスの一般的な技術を用いて簡単に形成できるこ
とである。加熱体信号とセンサ信号は共通の制御回路で
互いに結合され、それによって舌片をたとえば加熱電力
を制御することによって所定の位置へ移動させることが
できる。それによって舌片の移動が調整されると共にス
テップ幅も決定される。個々の把持部材の構造と作用
は、未公開のドイツ特許出願DE 38 09 587.1に記載され
ている制御可能な位置変化可能な部材の構造と作用と同
様である。
高度な小型化を可能にするために、請求の範囲第６項
によれば、制御回路とマイクロマニピュレータは同一の
半導体チップ上に集積されている。このようにして多数
の同一舌片からなるマイクロマニピュレータを形成する
ことができ、それによって多数のステップ幅の距離にわ
たって複雑な移動が可能になる。
請求の範囲第７項に示すように、舌片の対が１本の線
に沿って配置される場合には、対象を１次元方向へ移動
させることができる（第２図Ａ）。舌片の対を多数の平
行な線に沿って配置することによって、移送すべき重量
を増大させることができる。
請求の範囲第８項によれば、交差している２群の平行
線に沿って舌片の対が配置されている。本発明のこの実
施例によって１つの平面内での任意の移動が可能にな
る。請求の範囲第９項に示すように同心円に沿って舌片
を配置することによって回転移動が可能となり、その場
合に回転軸は舌片の対が配置されている平面に垂直に設
けられている。
更に、対象支持体の種々の箇所を支持する舌片の自由
端が本体から異なる距離離れるように移動することによ
って、小さい角度の揺動動作が可能になる。すべての舌
片を同時に反らせることによって対象を所定範囲で舌片
の配置された平面に対して垂直に移動させることができ
る。舌片の長さによって限定されるこの移動は、対象を
たとえば光線あるいは電子線の合焦内で調節しなければ
ならない場合に非常に効果的である。本発明すべての実
施例は、好ましくはマイクロメカニクス及びマイクロエ
レクトロニクスで知られた方法で形成され、標準ICプロ
セスと互換性を有する。その場合に個々の構成部材はプ
レナー・リソグラフィープロセスで構成される。マイク
ロマニピュレータを駆動するためにはマイクロエレクト
ロニクスで普及している電圧レベルで十分である。
本発明によるマイクロマニピュレータとその実施例
は、高度な小型化，高精度，高い信頼性かつ安価である
という特徴を有する。これは特に、たとえば超高真空装
置（たとえばラスター電子顕微鏡）内など機械的な実施
を避けなければならない閉鎖されたシステム内で対象を
移動させるのに適している。著しい小型化によってマイ
クロ操作システムにおいて、顕微鏡調査における各種の
対象移動、マイクロテクノロジーあるいはマイクロバイ
オロジーにおける対象の処理あるいは分析に使用するこ
とが可能になる。
図面の簡単な説明 次に図面を用いてマイクロマニピュレータの３つの実
施例と機能原理について説明する。なお、 第１図ＡからＥはマイクロマニピュレータの機能原理
を示し、 第２図Ａは、一次元の並進移動を行わせるマニピュレ
ータの概略を示し、 Ｂは１つの平面で任意の移動を行わせるマイクロマニ
ピュレータの概略を示し、 Ｃは回転移動を行うマイクロマニピュレータの概略を
示している。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】機械的な部材を有し、対象を移動させるマ
    イクロマニピュレータにおいて、 機械的な部材が可動の舌片（1,2,3,4）として形成さ
    れ、舌片は異なる熱膨張率を有する種々の材料を積層し
    て形成され、一方の側が本体（５）に取り付けられ、他
    端が自由端となっており、それぞれ２つの舌片（たとえ
    ば１と２）が互いに180°変位して対で配置されてお
    り、その自由端上に移動すべき対象あるいは対象支持体
    （６）が載置されることを特徴とする対象を移動させる
    マイクロマニピュレータ。
  2. 【請求項２】マイクロマニピュレータの本体（５）がシ
    リコンから、舌片がシリコン化合物と金属層とから形成
    されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の対象
    を移動させるマイクロマニピュレータ。
  3. 【請求項３】舌片上に加熱素子が設けられていることを
    特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の対象を
    移動させるマイクロマニピュレータ。
  4. 【請求項４】加熱素子が電気的抵抗として形成され、舌
    片の層間あるいは層上に配置されていることを特徴とす
    る請求の範囲第３項に記載の対象を移動させるマイクロ
    マニピュレータ。
  5. 【請求項５】舌片上に位置を検出しかつ位置制御を行う
    センサ素子が設けられており、 センサ素子がピエゾ抵抗として形成され、あるいは磁気
    的，圧電的，強磁性的あるいは容量的な効果に基づいて
    おり、 加熱素子とセンサ素子が共通の制御回路を介して互いに
    結合されていることを特徴とする請求の範囲第１項から
    第４項のいずれか１つに記載の対象を移動させるマイク
    ロマニピュレータ。
  6. 【請求項６】すべての機械的及びすべての電気的要素が
    １つの半導体チップ上に集積されていることを特徴とす
    る請求の範囲第１項から第５項のいずれか１つに記載の
    対象を移動させるマイクロマニピュレータ。
  7. 【請求項７】それぞれ互いに180°変位して配置された
    多数対の舌片が１本の線あるいは多数の平行線に沿って
    配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項から
    第６項のいずれか１つに記載の対象を移動させるマイク
    ロマニピュレータ。
  8. 【請求項８】それぞれ互いに180°変位して配置された
    多数対の舌片が交差する２本の線に沿って、あるいは交
    差する平行線群に沿って配置されていることを特徴とす
    る請求の範囲第１項から第６項のいずれか１つに記載の
    対象を移動させるマイクロマニピュレータ。
  9. 【請求項９】多数対の舌片が円に沿って、あるいは同心
    円に沿って配置されていることを特徴とする請求の範囲
    第１項から第６項のいずれか１つに記載の対象を移動さ
    せるマイクロマニピュレータ。
JP1504447A 1988-04-29 1989-04-27 対象を移動させるマイクロマニピュレータ Expired - Fee Related JPH0832397B2 (ja)

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DE3814616.9 1988-04-29
PCT/DE1989/000271 WO1989010241A1 (en) 1988-04-29 1989-04-27 Micromanipulator for moving objects

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JPH03503988A JPH03503988A (ja) 1991-09-05
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