JP2722010B2 - マイクロメカニカルマニピュレータ - Google Patents

マイクロメカニカルマニピュレータ

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JP2722010B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ＜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
ピュレータアームを有す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、プレートと層とが異な
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
ムが動く。
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ができる。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、“MICR
OMECHANICAL MEMBRANE SWITCHES ON SILICON"（IBN JOU
RNAL RESEARCH DEVELOPMENT 23巻、1979年276頁−285
頁）又は“THERMALLY EXCITED SILICON MICROACTUATOR
S"（IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICE、35巻、19
88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、アニピュレータアームの運動が基板表面か
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。
第一の刊行物は、異なる熱膨張係数を有する２つの層
で構成されるマニピュレータアームを有するマニピュレ
ータを開示している。アームは固定端部と、基板表面か
らわずかの間隔をあけて配置されて温度が変化する際に
基板表面に略直角に運動する自由端部と、を有する。
ジョイント又はタービンホイールのような可動性マイ
クロメカニカル要素が、米国特許第4740410号又は刊行
物“MICRO−GEARS AND TURBINES ETCHED FROM SILICON"
（SENSORS AND ACTUATORS,12（1987）341頁−348頁）等
いくつかの刊行物に開示されている。しかしながら、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
レータアームを有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、請求項１の特徴を有する一般的なマニピ
ュレータにより達成される。即ち、マイクロメカニカル
マニピュレータが、主要表面を有する基板（１）と、加
熱要素と、第一の熱膨張係数を有する第一の材料による
プレート（２）と、前記プレート（２）を部分的に覆う
と共に第二の熱膨張係数を有する第二の材料による層
（３）と、からなる少なくとも１個のマニピュレータア
ームと、を含んで構成される。
さらに、前記基板（１）と前記プレート（２）は半導
体材料からなり、超小型構造技術による処理で形成され
る。
また、前記プレート（２）と前記層（３）が、前記基
板（１）の前記主要表面に平行な平面を延伸し、前記層
（３）が前記プレート（２）より大きい熱膨張係数を有
し、前記マニピュレータアームが前記基板（１）の主要
表面に強固に接合される第一の部分と、前記基板（１）
の主要表面に平行にわずかの間隔をあけて配置される自
由部分である第二の部分を有し、さらに、前記層（３）
が前記プレート（２）の前記第一の部分と第二の部分と
の間の位置に配設され、温度が上昇したときに前記第二
の部分が前記基板（１）の前記主要表面に対して直角に
膨張して前記基板（１）の前記主要表面に対して凹面を
形成するとともに、前記第二の部分の端部が前記第一の
固定部分の方向に前記基板（１）の前記主要表面に対し
て平行に移動し、温度が下降したときには反対方向に移
動することとなる。
本発明の有効な実施例及びその改良例を請求項２から
８に示す。
製造技術上の利点が請求項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、層自体又
はプレートと層の両者が加熱抵抗として提供される実施
態様が特に有効である。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、マイクロ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
ュレータアームが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が、本願では、基
板表面上において並進運動を行う自由部分が長方形であ
ることにより、並進運動をする際に基板表面に略接して
移動する際の長さを長くとることを可能として、さらに
該自由部分により開口部の開閉を行うことが可能とな
る。同様に請求項６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ッタ開口として形成される。更に
有効な改良形態が請求項７及び８に示される。ここで
は、１個または複数のマイクロマニピュレータが、ジョ
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。
即ち、回転ディスクの回転面と同一面上に配置したマイ
クロメカニカルマニピュレータによりディスクを回転さ
せることが可能となる。
本発明に係る作用としては、まず、基板とプレートが
超小型構造技術による処理で形成されることであり、当
該作用を奏するための好ましい具体例がシリコンであっ
て、標準的な半導体処理、即ち、所謂フォトリソグラフ
ィック技術を利用して形成され、超小型構造技術手段に
より製造されるマイクロマニピュレータである。
また、基板が主要表面を有しており、温度が上昇しな
いときには、前記プレート（２）と前記層（３）が、前
記基板（１）の当該主要表面に平行は平面を延伸し、前
記層（３）が前記プレート（２）より大きい熱膨張係数
を有し、さらに前記層（３）が前記プレート（２）の前
記第一の部分と第二の部分との間に位置に配設されるこ
とにより、温度が上昇したときに前記第二の部分が前記
基板（１）の前記主要表面に対して直角に膨張して前記
基板（１）の前記主要表面に対して凹面を形成するとと
もに、前記第二の部分の端部が前記第一の固定部分の方
向に前記基板（１）の前記主要表面に対して平行に移動
し、温度が下降したときには反対方向に移動することと
なる。
従って本発明の効果は、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1b図は、マニピュレータアームが加熱されない状態
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が加熱された状態の
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が
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がのこぎり状
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Ａ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と基板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
で構成される。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。
即ち、基板１とＴ形状ポリシリコンプレート２は超小型
構造技術による処理で形成されている。そして、これら
は標準的な半導体処理、即ち、所謂フォトリソグラフィ
ック技術を利用して形成される。
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が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が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が膨らみ、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が冷却されると、基板表面に沿
った運動は反対方向の運動になる。即ち、基板１が主要
表面を有しており、温度が上昇しないときには前記Ｔ形
状ポリシリコンプレート２と前記金属層３が、前記基板
１の当該主要表面に平行な平面を延伸する。そして、前
記金属層３が前記Ｔ形状ポリシリコンプレート２より大
きい熱膨張係数を有し、さらに、前記金属層３が前記Ｔ
形状ポリシリコンプレート２の前記固定端部と自由端部
との間の位置に配設されることにより、機構上の抵抗が
発生し、温度が上昇したときに前記自由端部が前記基板
１の前記主要表面に対して直角に膨張して前記基板１の
前記主要表面に対して凹面を形成するように膨らみ、前
記自由部分の端部が前記固定部分の方向に前記基板１の
前記主要表面に対して平行に移動する。一方、温度が下
降したときには反対方向に移動することとなる。
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１内にシャッタ開口12を覆うカバープレー
ト11が、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）。シャッタ開口は、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
きたマニピュレータが第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、各々が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が基板表面に沿って移動し、
前記矢印を付された歯が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
歯がマニピュレータ22に向く。一方、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Ｄ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が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60゜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が可能となる。
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、
選択可能なシャッ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は異なる直径シャッタ開口を備え、該シャ
ッ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、所望の直径のシャッタ開口と
一致する。
他の実施例では、マニピュレータが材料の製造に適合
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がのこぎり状四角形
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
み込むことが可能となる。複数の同一マイクロメカニカ
ルマニピュレータが一製造構成でウェハ上に同時に製造
できることとなる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−73826（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−67976（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−79181（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−70175（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】主要表面を有する基板（１）と、 加熱要素と、 第一の熱膨張係数を有する第一の材料によるプレート
    （２）と、前記プレート（２）を部分的に覆うと共に第
    二の熱膨張係数を有する第二の材料による層（３）と、
    からなる少なくとも１個のマニピュレータアームと、 を含んで構成され、 前記基板（１）と前記プレート（２）は半導体材料から
    なり、超小型構造技術による処理で形成され、 前記プレート（２）と前記層（３）が、前記基板（１）
    の前記主要表面に平行な平面を延伸し、 前記層（３）が前記プレート（２）より大きい熱膨張係
    数を有し、前記マニピュレータアームが前記基板（１）
    の主要表面に強固に接合される第一の部分と、前記基板
    （１）の主要表面に平行にわずかの間隔をあけて配置さ
    れる自由部分である第二の部分を有し、 さらに、前記層（３）が前記プレート（２）の前記第一
    の部分と第二の部分との間の位置に配設され、温度が上
    昇したときに前記第二の部分が前記基板（１）の前記主
    要表面に対して直角に膨張して前記基板（１）の前記主
    要表面に対して凹面を形成するとともに、前記第二の部
    分の端部が前記第一の固定部分の方向に前記基板（１）
    の前記主要表面に対して平行に移動し、温度が下降した
    ときには反対方向に移動することを、特徴とするマイク
    ロメカニカルマニピュレータ。
  2. 【請求項２】前記基板（１）がシリコンウェハからな
    り、前記プレート（２）がポリシリコンからなり、また
    前記層（３）は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. 【請求項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（２）又は前記プレー
    ト（２）を覆う前記層（３）に配置されるか、又は前記
    プレート（２）及び前記層（３）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. 【請求項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のいずれか１つに記載のマイクロメカニカルマニピ
    ュレータ。
  5. 【請求項５】前記基板（１）が前記マニピュレータアー
    ムの自由部分の下側にバルブ開口（12）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（12）を閉塞す
    るように長方形に形成されることを特徴とする請求項１
    から４のいづれか１つに記載のマイクロメカニカルマニ
    ピュレータ。
  6. 【請求項６】前記基板（１）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前記シャッタ
    開口を覆うように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。
  7. 【請求項７】少なくとも２個のマニピュレータアーム、
    （21）、（22）が、基板上の回転のこぎり状ディスク
    （23）の回転平面と同一平面上に、該のこぎり状ディス
    クに対して直角に配置され、前記マニピュレータアーム
    の前記自由部分に前記のこぎり状ディスクの歯（25）と
    噛み合うフック（24）を形成することにより前記マニピ
    ュレータアームが可動性構成要素を駆動する駆動手段を
    形成す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。
  8. 【請求項８】２個のマニピュレータアーム（21）、（2
    2）が、前記回転のこぎり状ディスク（23）の回転平面
    と同一平面上に、該のこぎり状ディスクに対して互いに
    直角に配置され、前記のこぎり状ディスク（23）は、そ
    の円周上に均等に設けられた６個の歯（25）を有し、前
    記歯（25）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ていることを特徴とする請求項７に
    記載のマイクロメカニカルマニピュレータ。
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