CN110418844A - 用于生物细胞注射的针操纵器的阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种装置，包括：细胞捕获器，其包括多个微腔室，每个微腔室配置成保持细胞。所述装置还可以包括操纵器阵列，其包括多个操纵器，每个操纵器与相应的微腔室空间连接，其中，每个操纵器包括针、平台和致动器，其中，针安装到平台，并且致动器可操作以在一个方向上向平台施加力，以移动针以穿透相应微腔室中的细胞。

Description

用于生物细胞注射的针操纵器的阵列
技术领域
本发明涉及通过用于注射生物细胞的针进行操纵的改进。
背景技术
注射生物细胞可以通过使用微米针或纳米针穿透细胞以传输待注射的试剂来实现。传统方法涉及使用装置以3-D移动针。传统装置使用涉及由硅晶片形成的装置的微工程机械(MEMS)技术。
人们普遍需要使生物细胞注射操作尽可能具有成本效益，并提供针操纵器的阵列，其导致生物细胞注射操作的吞吐量提高并且易于控制。
申请人已经观察到在单个硅晶片上平行的许多装置的潜在优势。
申请人已经观察到在控制单个硅晶片上平行的多个装置的潜在优势。
发明内容
在一个实施例中，提供一种装置，包括：
细胞捕获器，包括多个微腔室，每个微腔室配置成保持细胞。所述装置还包括操纵器阵列，包括多个操纵器，每个操纵器与相应的微腔室空间连接，其中，每个操纵器包括针、平台和致动器，其中，针安装到平台，并且致动器可操作以在一个方向上向平台施加力，以移动针以穿透相应微腔室中的细胞。
可替选地，每个操纵器可以包括多个致动器，所述多个致动器可操作以在多个方向上向所述平台施加多个力以移动所述针。
可替选地，所述操纵器阵列可以包括多个子阵列，每个子阵列包括所述多个操纵器的一部分。所述多个操纵器中的至少一个子阵列是三侧的。至少一个子阵列基本上形成三角形。所述操纵器阵列还可以包括互连，其中，所述互连包括连接到所述致动器。
可替选地，所述操纵器阵列还包括多个互连，其中，每个互连包括连接到所述致动器，并且其中，每个互连与操纵器相关联。所述互连包括局部互连、过渡互连和通用互连，其中，所述通用互连连接到所述过渡互连，以及所述过渡互连连接到所述局部互连。
可替选地，所述互连基本上位于所述操纵器阵列的一侧。
可替选地，所述子阵列被布置以基本上形成六边形。
可替选地，所述互连基本上位于所述操纵器阵列的周边。
在另一种实施例中，提供一种操纵器阵列，包括：
基板；布置在基板上的多个操纵器；和多个子阵列。每个操纵器可以包括针、平台、系绳和致动器，其中，针安装到平台，平台通过系绳连接到致动器，并且致动器可操作在至少一个轴线上施加张力，以在一个方向致动平台以操纵针。
每个子阵列可以包括多个操纵器的一部分，以及形成在每个子阵列的每一侧上的互连，其中，多个子阵列在基板上布置在一起，其中，互连的至少一部分位于操纵器阵列的周边。
可替选地，每个操纵器包括多个致动器，所述多个致动器可操作以在多于一个轴线上施加张力，以在一个方向上致动所述平台，以操纵所述针。
可替选地，所述多个操纵器中的至少一个子阵列是三侧的。
可替选地，至少一个子阵列基本上形成三角形。可替选地，子阵列被布置成基本上形成六边形。
可替选地，所述互连包括连接到所述致动器，并且其中，每个互连与操纵器相关联。
所述互连可以包括局部互连、过渡互连和通用互连，其中，所述通用互连连接到所述过渡互连，以及所述过渡互连连接到所述局部互连。
可替选地，所述多个致动器可操作以在三个方向上施加张力。
可替选地，所述多个致动器可操作以提供拉力。
可替选地，所述操纵器阵列可操作以在所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加张力，从而致动平行于与所述操纵器阵列平行的平面的所述平台，以操纵针。
可替选地，所述操纵器阵列可操作以在所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加张力，从而致动垂直于与所述操纵器阵列平行的平面的所述平台，以操纵针。
可替选地，所述操纵器阵列可操作以在所述装置的周边处的所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加力，从而致动平行于与操纵器平行的平面的所述平台，使针相对于细胞捕获器的相关微腔室移动。
可替选地，所述操纵器阵列可操作以在所述装置的周边处的所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加力，从而致动垂直于与操纵器平行的平面的所述平台，使针相对于细胞捕获器的相关微腔室移动。
附图说明
通过以下参考附图仅以示例方式给出的实施例的描述，本发明的附加和另外方面将对读者显而易见，附图中：
图1示出了根据各种实施例的具有包括在针操纵器阵列中的三个致动器的单机操纵器。
图2示出了根据各种实施例的单机操纵器的致动平台。
图3示出了根据各种实施例的致动器从三个不同方向向致动平台施加力。
图4示意性地示出了根据各种实施例的图3的致动器的梳状特征。
图5示出了根据各种实施例的梳状特征中产生的静电场。
图6示出了根据各种实施例的单机操纵器，其具有包括在针操纵器阵列中的四个致动器。
图7示意性地示出了根据各种实施例的针操纵器阵列中的针操纵器的填集密度。
图8示意性地示出了根据各种实施例的针操纵器阵列中的针操纵器的填集密度。
图9a、图9b和图9c示出了根据各种实施例的单机操纵器的力的轴线。
图10描绘了根据各种实施例的单机操纵器阵列的结构。
图11示出了根据各种实施例的包括单机致动器阵列的多针操纵器。
图12示出了由图11的多针操纵器的周边提供的互连。
图13示出了根据各种实施例的具有与细胞捕获器阵列对准的单机致动器阵列的装置。
图14示出了根据各种实施例的互连的导线。
图15示出了根据各种实施例的包括在单机致动器中的致动平台的各个轴线的位移。
图16示出了根据各种实施例的包括在单机致动器中的致动平台的各个轴线的位移。
图17示意性地描绘了平行板致动器，其示出了根据各种实施例的操作原理。
图18示出了根据各种实施例的单机操纵器的致动的模拟。
图19是根据各种实施例已经被注射的生物细胞的照片。
图20示意性地示出了根据各种实施例的表示用于刚度建模目的的单机操纵器的机械***。
图21a和图21b示意性地示出了根据各种实施例的用于分析目的的、在纵向应力下和经受纵向拉力的系绳。
图22a至图22c示出了根据各种实施例的弹簧弯曲梁。
图23示出了根据各种实施例的表示用于刚度建模目的的单机操纵器的机械***。
图24示出了根据各种实施例的表示用于刚度建模目的的单机操纵器的机械***。
图25a和图25b示出了根据各种实施例的表示用于刚度建模目的的单机操纵器的机械***。
图26示出了根据各种实施例的包括互连布置的阵列。
图27示出了根据各种实施例的包括互连布置的阵列。
图28示出了根据各种实施例的单机操纵器，其具有包括在针操纵器阵列中的单个致动器。
图29示出了根据各种实施例的针操纵器阵列。
图30示出了根据各种实施例的包括细胞捕获器和平行操纵器的装置。
应当理解，附图不一定按比例绘制，附图中的对象也不一定按比例绘制。附图是旨在使本文公开的设备、***和方法的各种实施例清楚和理解的描述。在可能的情况下，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。而且，应该理解的是，附图不旨在以任何方式限制本教导的范围。
具体实施例
以下对各种实施例的描述仅是示例性和说明性的，不应以任何方式解释为限制或限制性的。从说明书和附图以及权利要求，本教导的其他实施例、特征、目的和优点将显而易见。
如本文所用，术语“包含”、“包含”、“包含”、“含有”、“含有”、“含有”、“具有”、“具有”、“包含”、“包括”和“包括”和它们的变型不是限制性的，而是包括性的或开放式的，并且不排除另外的、未列举的添加剂、组分、整数、元素或方法步骤。例如包括特征列表的过程、方法、***、组合物、套件或设备不一定仅限于那些特征，而是可以包括未明确列出的或所固有的该过程、方法、***、组合物、套件或设备的其他特征。
如本文所用，术语“基本上形成三角形”或类似术语通常是指具有基部的形状，该基部适于提供适于提供电互连的相对宽的侧面，并且与宽区域相比具有相对窄的端部(例如在一个示例中为顶点)，其适合于布置在类似形状旁边，以比由提供互连的相对宽的侧面的形状更密集地填集(pack)。
如本文所用，术语“基本上形成六边形”通常是指六边形形状，其允许填集具有相对宽的基部的形状，其适于提供电互连并且相邻侧面与相对宽的基部成锐角，例如在一个示例中为三角形。
如本文所用，术语“安装”通常是指针定位或连接到致动平台的任何方式，包括与致动平台一体地形成针。
如本文所用，短语“在一个方向上”通常是指力的方向，该力的方向关于使用给定方向上的张力、压缩、应力或者为读者已知的其他方式施加力。
如本文所用，短语“操纵”、“操纵器”等通常是指移动针，以使针相对于生物细胞定位以使针穿透细胞。
图1示出了单机针操纵器1形式的纳米机器人或微米机器人，其包括在根据各种实施例的针操纵器阵列中，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。
单机操纵器1具有操纵平台2，针3安装在操纵平台2上。针3 可以是适于穿透物体或细胞以将试剂输送或注射到物体或细胞内部的类型。注射的物体或细胞可以是生物细胞，其中，针3可以是适于穿透生物细胞以将试剂输送或注射到细胞内部和/或细胞核的类型。
平台2可以位于塔架4上方，塔架4可以相对于平台2充电，以将静电力施加到平台2。平台和塔架可以统称为平行板致动器，其中，当在平台和塔架的相对的表面之间施加电压时，平台和塔架被静电充电。塔架4和平台2之间的静电力可以在Z轴线上驱动平台2。
如下面将参考图28详细描述的，Z轴线致动可以是提供影响针3 的适当细胞或物体穿透所必需的运动所需的唯一致动。
该Z轴线可以被视为是塔架4的中心轴线，如图1所示。通过系绳5a、系绳5b和系绳5c，平台2也可以在如图1所示的操纵器1的平面中、在位于X-Y平面内的不同轴线上被致动。平台2可以被配置为操纵适于穿透这种尺度的生物细胞上的物体的针3。这样，平台 2可以被称为微米平台或纳米平台。
系绳5a、系绳5b和系绳5c分别将平台2系在致动器6a、致动器6b和致动器6c上。致动器6可以定位成使得由系绳5传递的力可以在X-Y平面中的三个不同轴线上。每个系绳5a/系绳5b/系绳5c 可施加拉力。致动器6可以用于从三个不同的方向A、方向B和方向 C施加力。例如致动器6可以围绕平台2以120°的间隔布置。
致动器6a、致动器6b和致动器6c的系绳梁7a、系绳梁7b和系绳梁7c可以将系绳5a、系绳5b和系绳5c中的每一个连接到三个支撑梁8。支撑梁8支撑梳状特征或梳状静电致动器(未示出)。例如，致动器6a可具有支撑梁8a1、支撑梁8a2和支撑梁8a3。致动器6a 和致动器6c类似地分别具有支撑梁8b1/支撑梁8b2/支撑梁8b3和支撑梁8c1/支撑梁8c2/支撑梁8c3。
图2示出了单机操纵器的一部分，例如图1中所示，根据各种实施例，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。静电梳特征(未示出)可以位于与例如图1中所示的支撑梁8相同的平面中。梳状特征可以称为梳状驱动致动器或梳状驱动器。梳状特征 (未示出)可以被配置成在X-Y轴线上、在支撑梁7上施加力。包括中央微米平台2和位于其下方的塔架4的平行板致动器可以被配置成在Z轴线上、在系绳5上施加力。致动器可以在支撑梁8上具有一组梳状特征(未示出)，并且在操纵器主体上具有另一组相对的梳状特征(未示出)。两组相对的梳状特征可以相对于彼此充电，以在X-Y 轴线上产生静电力，从而提供梳状驱动。类似地，平行板致动器的相对的微米平台2和塔架4可以相对于彼此充电，以在Z轴线上产生静电电容力。
弹簧弯曲梁9a、弹簧弯曲梁9b和弹簧弯曲梁9c将支撑梁8a、支撑梁8b和支撑梁8c连接并锚固到操纵器1的基板10上。弹簧弯曲梁9由于其刚度而产生机械力，以允许支撑梁8和系绳7移动。
弹簧弯曲梁9a/弹簧弯曲梁9b/弹簧弯曲梁9c可以被配置和对准，以将支撑梁8a、支撑梁8b和支撑梁8c连接并锚固到操纵器1的基板 10。弹簧弯曲梁9允许支撑梁8和系绳7在致动器6的作用下运动。通过连接到相应致动器6的系绳5施加到平台2的张力可以在相应的致动器6的方向上向平台2施加力。控制在每个致动器6的方向上施加到平台2的力单独地允许平台2被致动，以便操纵针3。这样，系绳5可以伸展，并且平台2的运动可以取决于系绳5的拉伸或应变以及弹簧弯曲梁9的弯曲。
如图2所示，例如单机操纵器的三个系绳5将致动器在三个相应的方向上连接到中心平台，以向平台2提供弹性支撑结构。
如图2中进一步所示，例如为单机操纵器1的每个致动器6提供的三个支撑梁8提供支撑结构，以保持相对的梳状特征，并且可以用作弹簧弯曲梁9和系绳梁7之间的连接元件，其连接到系绳5。
图3示出了根据各种实施例的具有致动器6a、致动器6b和致动器6c的单机操纵器1，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。在图3中，致动器6b被致动以拉动支撑梁8a，而致动器6a和致动器6c未被致动。图3中所示的效果是在致动器6b 的方向上操纵安装在平台2上的针3。通过致动器6b，致动器6中的每一个致动器也可以实现类似或等效的效果，致动器6b相对于其他致动器被致动更大程度。类似地，平台2可以通过塔架4的前面上的静电荷或平行板致动器致动，以将针3向下操纵到页面中(未示出)。
图4给出了根据各种实施例的梳状驱动器11的示意图，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。梳状驱动器 11可包括可动梳子12，其可安装在支撑梁8上。梳子驱动器11还可包括固定梳子13，其可安装在操纵器1的基板10上。可动梳子12可以包括一组指状物14。如图所示，可以在固定梳子13上设置一组相对的和偏移的指状物15。从指状物14偏移指状物15可以允许两组指状物被拉到一起以在X-Y轴线中重叠。
图4还示出了指状物的长度16，对于每组14和15可以是相同的，但是可以根据需要长度不同。图4还示出了相对的梳子12和梳子13之间的间隔17以及相对的梳子12和梳子13的重叠部18。如果充当电极的梳子12和梳子13相对于彼此静电充电，则梳子12和梳子13可以形成电极，电极可以形成电场以将梳子12和梳子13拉向彼此。因此，对梳子12和梳子13上的相对静电荷的适当控制可以控制可动梳子12在方向E上的力。这提供了用于致动由致动器6提供的操纵器1的机构。
图5示出了根据各种实施例的由相对于指状物15而施加到指状物14的静电荷产生的电场，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。具体地，图5示出了吸引指状物14和指状物15的重叠部分的场19。图5中还示出了指状物14或指状物15的端部之间的场20、以及指状物14或指状物15与指状物15或指状物 14的侧面之间的场21。由于场19和场21吸引指状物15，它们可以抵消彼此的效果，例如留下指状物的轴向往复运动，从而拉动支撑梁 8、系绳梁7、系绳5和平台2。可以通过支撑梁8和基板10施加静电荷。指状物14形成梳子12的一部分，其安装在支撑梁8上，而指状物15形成梳子13的一部分，其安装在基板10上。所示的电场对应于施加到梳子12和梳子13的电荷或相反电荷的差异。
图28示出了单机针操纵器1b形式的纳米机器人或微米机器人，其包括在根据各种实施例的针操纵器阵列中，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。
如上所述，单机操纵器1b具有操纵平台2，针3安装在操纵平台2上。针3可以是适于穿透物体或细胞以将试剂输送或注射到物体或细胞内部的类型。注射的物体或细胞可以是生物细胞，其中，针3 可以是适于穿透生物细胞以将试剂输送或注射到细胞内部和/或细胞核的类型。
如上所述，平台2可位于支柱或塔架4上方，支柱或塔架4可相对于平台2充电，以将静电力施加到平台2。平台2和支柱4可形成平行板致动器。支柱4和平台2之间的静电力可以在Z轴线上致动平台2，引起平台2相对于平台4的垂直位移并且主动地偏转(悬臂梁的)系绳5。如图28所示，该Z轴线可以被视为支柱4的中心轴线。此外，如图所示，Z轴线致动器是唯一显示的致动器，因为它提供了影响针3的适当细胞或物体穿透所必需的运动。如本文详细讨论的，这种单一致动提供了优势。当伴随的细胞捕获器(如下面详细讨论的) 能够紧密控制在其微腔室内提供的细胞或物体时(如下面详细讨论的)，使得Z轴线致动提供被捕获细胞的针刺入所需的所有必需的运动时，单轴线致动特别有用。
图29示出了根据各种实施例的用于使用金属互连134，将单机操纵器1b填集和电连接到晶片上的可能结构，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。
图6示出了根据各种实施例的针操纵器101，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。针操纵器101具有平台 102，针103安装在平台102上。系绳105a至系绳105d将平台102 系在四个致动器106a至致动器106d上。图6的操纵器101具有布置在两个正交轴线(例如X轴线和Y轴线)上的四个致动器，例如作为两对相对的致动器106。如图6所示，操纵器101具有近似正方形的足迹，通过来自一对致动器106a和致动器106c中的每一个的相反的张力以及来自相对的一对致动器106b和致动器106d的相反的张力，来操纵平台102和针103。金属衬垫107提供与操纵器101的电连接。
图7示出了根据各种实施例，诸如图1中所示的单机操纵器1如何可以被填集到操纵器的阵列150中，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。为了有效地密集地填集对应于微机器人的电互连，可以考虑电耦合的影响。在电耦合占优势之前，它们通常存在这些电互连之间的最小距离。该最小距离可以是例如大约 30nm。因此，例如考虑具有六个微机器人的阵列，具有三个致动器的单机操纵器具有42个电连接，并且与具有四个致动器的单机操纵器相比占据至少小43％的表面积，所述四个致动器具有54个电连接。因此，就尺寸而言，单机操纵器从四面致动器到三面致动器的过渡不仅可以将每侧的电互连数量减少两个，而且还可以增加可以填集成一个平行的结构的微机器人的密度。
图8示出了根据各种实施例，诸如图6中所示的单机操纵器101 如何可以被填集到操纵器的阵列155中，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。
图9a、图9b和图9c示出了根据各种实施例的三个单机操纵器，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。图 9a示出了操纵器301，其具有连接到致动器(未示出)的系绳305a 和系绳305b，所述致动器布置成使得系绳305a和系绳305b是正交的。图9b示出了单机操纵器401，类似于图1的单机操纵器1，其具有系绳405a、系绳405b和系绳405c。图9c示出了单机操纵器501，类似于图6的单机操纵器101，具有系绳505a、系绳505b、系绳505c 和系绳505d。例如如图9a所示，在单机操纵器中具有双侧致动器，与其他两个致动器设计可实现的运动相比，纳米针的致动区域几乎减小到50％。对于双侧致动器，由于拉动模式，纳米针只能在x轴线和y轴线的一半方向上移动，这极大地限制了它的运动。对于另外两种致动器设计，由于拉动-拉动模式，致动区域覆盖整个x轴线和y 轴线。在操纵器设计的其他变型中，增加额外的侧面将继续增加***的弹簧刚度并且将导致减小的运动范围。
图10示出了根据各种实施例的用于将单机操纵器101填集到晶片上的结构，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。
图11示出了根据各种实施例的操纵器阵列130(或多针操纵器 130)，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。多针操纵器130可以包括例如如图1所示的单机操纵器1的平行阵列。如上所述，每个单机操纵器1可以具有平台2，并且可以定位三个致动器6，以将不同方向上的力提供给平台2。例如致动器6可以以120°的间隔围绕平台2布置。同样如图所示，每个单机操纵器1可以具有由致动器6指示的最小足迹形状。
图11还示出了布置或“填集”到子阵列131中的多个单机致动器1，子阵列131形成多针操纵器130的平行阵列132。
图12示出了六个子阵列131a至子阵列131f。每个子阵列131具有用于单机操纵器1的互连133。互连133允许连接电压电源，以在每个梳状驱动器11内提供静电场，以致动每个致动器6(参见例如图1至图4)。互连133可以允许每个单机操纵器1的每个致动器6 的单独致动。图11中所示的互连133具有三排134(也称为局部互连(local interconnect))、排135(也称为过渡互连)和排136(也称为通用互连)连接。这些互连是通常由铜(Cu)或铝(Au)制成的金属线，其形成将单机操纵器的不同部分连接到外部电路的三排。在三个侧面A、侧面B和侧面C中的每一侧面上保持固定梳状指状物的支撑梁8(参见图1)具有其各自的互连，每个互连处于单个施加电位，而支撑梁8在三个侧面A、侧面B和侧面C中的每一侧面保持自由梳状指状物。支撑梁8在单个电位处具有单个互连，其也对平台2充电。塔架4具有处于不同电位的单独互连。因此，每个单机操纵器可以具有例如五个互连，导致所有这种致动器的阵列产生不同的互连排134、排135和排136，以在连接到外部电路时避免导线碰撞。同样如图11所示，互连133经由每个子阵列131的通用互连136提供。
多针操纵器130的布置可以通过分析布局来确定，例如互连路由、单机操纵器1的放置的平面布置图。该布置可以包括与高性能IC电路技术的情况不同的考虑因素，例如来自IntelTM和AMDTM。在这些技术中，诸如互连寄生阻抗、功耗、噪声、带宽、晶体管栅极延迟和负载等因素对于每平方厘米一至四百万的互连密度至关重要。互连133 的互连密度可以比IC技术低几个数量级，因为与100nm尺寸的晶体管相比，单机操纵器1的显著尺寸在几毫米范围内，例如1-6mm。
在平行操纵器130中使用图1中所示的三致动器操纵器1与图6 中所示的四致动器操纵器101之间的区别在于，减少了互连的数量，否则这将导致由于互连133中的更大电容而导致更大的功率消耗。附加功率可能导致更高的填集成本和与加热相关的进一步挑战。互连电容的确定包括互连133和基板之间的电容；以及相邻互连排134、排 135和排136或可以使用的任何其他相邻互连排或导线之间的耦合电容。
降低经由互连133施加的电压电平中的噪声是有利的。噪声可能通过互连之间的耦合电容引起，并可能导致操纵器130中的故障。
图12示出了互连133，其可以位于例如每个三角形阵列131a至阵列131f的边缘或周边处。每个三角形阵列131或功能块可以包括单机操纵器1的布置。每个单机致动器可以经由局部互连134连接，局部互连134可以包括延伸到穿过三角形阵列的双侧周边139的过渡互连135的线。这些过渡互连可以比为每个单机操纵器1提供的局部互连134更宽和更高，以提供更低的电阻。过渡互连135延伸到通用互连136，通信互连136提供每个功能块之间的连接，并将来自外部电源的施加电压传递到芯片。过渡互连在平行结构的布局中可以是最长的，并且通常具有较低的电阻率。
对于操纵器130的结构，各种互连的金属化可包括形成主粘附层的低应力(40-140MPa)钛-钨(TiW)和作为主导体的Au。可以将 Au溅射或镀覆到不同的厚度值，以增强皮肤深度和导电性。Cu可用于代替Au，其具有成本较低的优点。Cu还具有由于其低电阻率而被广泛用作初级互连的标准材料的优点。具有矩形横截面的导体的电阻由下式给出，
其中，ρ是材料电阻率，l、W和H分别是互连的长度、宽度和厚度。Au和Cu的体(bulk)电阻率分别为2.2μΩ-cm和1.71μΩ-cm。
随着互连线(未示出)的尺寸收缩到λ的量级，即电子平均自由程(electron mean-free path)、电阻率可能由于表面和晶界散射而增加。这是因为电子在表面经受更多碰撞，增加了有效电阻率。在一个示例中，铜的λ在0℃时为42.1nm。对于一维表面散射，细导线的电阻率由下式给出，
其可以简化为，
其中，k＝d/λ是薄膜厚度与电子平均自由程的比率，p是在表面弹性散射的电子部分。考虑到细导线中的二维表面散射效应，有效电阻率较大，因此，可以使用减小的k。
读者已知的晶界作为部分反射平面，晶粒尺寸与导线尺寸成线性比例。因此，当晶粒尺寸与λ相当时，电子面对相对更多的晶界散射，从而进一步增加有效电阻率，有效电阻率如该等式所示，
其中，
dg是晶粒直径，pg是晶界反射系数，其值在0和1之间。
在使用Cu或Au作为互连材料的实施例中，电阻率随温度线性增加，如下给出，
ρt＝ρ0(1+βΔT) (6)
其中，β是电阻率的温度系数，ΔT是相对于参考温度的温度差。由于λ随着温度的升高而减小，因此，等式(2)中的k值变大，从而导致较小的值。因此，细导线互连的β值小于块状金属(bulk metal) 的β值。
诸如在IC芯片中使用的常规互连接常可以基于晶体管之间的信号的快速传输来设计，并且通常使用诸如A树、P树、H树、X树和 C树的设计树模型，以使得互连的线长最小化。与用于由门控制的集成电路(IC)的芯片上互连模型(单个和平行耦合)不同，其可以包括复杂的布局，例如集总C/RC/RLC模型，以及配置为彼此正交的分布式传输线，平行操纵器130的相对简单布局包括非正交布线连接。该布线连接方向至少部分地归因于操纵器1及其致动器6的相对布置。平行操纵器130的结构可包括多个单机操纵器1，每个单机操纵器具有布置成三角形阵列131的多个致动器6(例如三个)，其可以布置成六边形，在六边形的周边具有互连133。该结构最小化了从互连133 到致动器6的线的距离，同时使单机操纵器1在芯片上可用的给定表面积中的密度最大化。图12中所示的结构(其可被描述为在阵列的物理布局中具有三角形岛结构)利用将互连分成较小段(诸如局部 134、过渡135和通用136)，以减少在各种互连中发生的任何信号延迟。
作为说明，考虑与平行结构的圆形或矩形或正方形布局的比较。在这些结构中，角落到角落的互连长度会明显更长。在IC芯片中， RC互连的延迟为0.377RCl2，其中，l是导线长度。因此，可以引入中继器，以通过将互连分成k段来减少互连延迟，从而将互连延迟项减少到0.377RCl2/k。使用类似的概念，即由这种中继器***引起的部分互连延迟的总和小于原始较长互连路径中的延迟，例如使用如本文所讨论的操纵器的布置，选择六边形平行结构互连设计布局可以成功地将长的互连路径分成更小的段。图12示出了阵列130中的通用互连 136。通用互连接收控制电压，以致动致动器6和在平台2和塔架4 之间形成的平行板致动器。电压控制操纵器1。
图26和图27示出了根据各种实施例的图12的通用互连和单机操纵器1之间的互连，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。在图27中，位于由阵列131形成的三角形的侧面周边处的过渡互连135连接到通用互连136。过渡互连135在子阵列131中形成阶梯状楔形区域。局部互连134连接在过渡互连135和单机操纵器1之间。局部互连在子阵列131中形成阶梯状楔形区域。
图30示出了装置170，其可以是细胞注射装置，其可以包括与平行操纵器130结合使用的细胞捕获器160以捕获细胞，并定位与相应的单机操纵器1空间连接的各个细胞。然后，可以使用单机操纵器，例如用于由平台2操纵的针3的注射，根据各种实施例，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。细胞捕获器160 可以由基板形成，该基板由例如玻璃、半导体材料、金属、聚合物、复合材料、纳米结构材料、结晶材料或其组合制成。图13示出了被配置为例如通过将各个细胞161保持在相应的微腔室162中，捕获多个细胞的细胞捕获器160。微腔室162可以以一定间隔或间距布置，以匹配多操纵器阵列130中的单机操纵器1的间隔或间距，使得每个微腔室162可以与相应的单机操纵器1空间连接。细胞161可以通过输入端口163添加到细胞捕获器160中。如上所述，细胞捕获器160 可以形成在多种类型的基板材料上，包括例如玻璃基板165。
图14示出了为互连导线144提供的三排互连141、142和143。
图15示出了根据各种实施例的单机操纵器1的平台2的位移，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。位移显示为由给定系绳5引起的位移。描绘了模拟(实线)和分析(虚线) 位移。
图16示出了根据各种实施例的平台2的位移，其被描绘为X-Y 位移或装置面内位移以及Z位移或从塔架4到平台2的距离，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施方案组合。例如图15和图16中所示，平台2的位移可以对应于使用施加到致动器6上的金属衬垫(未示出)的施加电压或静电荷、经由针的操纵以产生经由系绳5传递到平台2的力，以及通过电压或静电荷施加到塔架4上的金属衬垫(未示出)。这些电压或静电荷将是在互连133处施加电压的结果，并且所讨论的效果可能发生在多操纵器130的部分中，例如在过渡互连135和局部互连134中。
对于三角形操纵器，例如在拉动模式下，在160V下、在一个方向上可以实现大于例如36μm的X-Y面内位移。因此，在拉动- 拉动模式下，它可以在160V下实现超过72μm(±36μm)的总面内位移。系绳5的长度和悬挂的致动器结构的厚度都不会显著影响平面内运动。如果不是致动一侧而是同时致动两侧以更好地有针对性地控制微针3，则也是如此。系绳中的拉伸也可以按亚纳米的数量级忽略不计。尽管如此，在平面外Z运动的情况下，这些参数对致动性能的影响更显著。例如如图16所示，随着系绳梁的长度增加或悬挂结构的厚度减小，平面外Z位移可以增加。例如系绳梁长度为800μm，在30V下，可以实现平面外位移大于6μm。由于致动器的平面外刚度通过这种尺寸变化而显著减小，因此，可以在系绳梁长度为1000μm和在22V下以及在系绳梁长度为1200μm和在17V下实现相同的位移。应注意，在致动器的整个表面积与其性能之间可能存在折衷。在这种情况下，尽管将系绳梁的长度从800μm增加到1200μm确实增加了平面外Z运动，但是它也可以将阵列式致动器的表面积增加至少40％。此外，例如将悬挂结构的厚度从10μm增加到25μm可以显著增加获得类似的平面外Z运动所需的直流(DC)电压。在这种情况下，可能需要大约115V才能获得大于6μm的位移。已经对平行板致动器间隙为15μm执行了平面外模拟。
比较如图1所示的三角形式单机操纵器1的阵列和如图6所示的正方形单机操纵器101的结果，给定所有尺寸相同，可以观察到几个有趣的点。对于平面内(X-Y)致动，通过正方形操纵器101中的板的一侧上的单个致动器的致动实现的位移可以小于由三角形操纵器1 实现的位移。例如在160V下，与略高于36μm的三角形操纵器1相比，通过单侧被致动，正方形操纵器101可以实现大约27μm的平面内(X-Y)运动。尽管如此，正方形操纵器101通过两侧的一对致动器的致动所实现的位移略大于三角形操纵器1的位移。例如与使用三角形操纵器略微超过36μm的运动相比，在160V下，通过两个致动器致动，正方形操纵器可以实现约38μm的平面内(X-Y)运动。添加额外的致动器确实增加了结构的总刚度。就平面外致动而言，与使用三角形操纵器可实现大于6μm的运动相比，在30V下，正方形操纵器实现约4.5μm的运动。很明显，通过减少额外的一侧，可以实现单机操纵器增加40％，以及提高性能。
在单机操纵器1和多针操纵器130中使用的接合金属衬垫(未示出)提供用于分别施加到固定梳状指状物15的静电荷的电极、施加到提供平面内(X-Y)致动的移动梳状指状物14的静电荷的电极，以及施加到为平台2和针3提供垂直微米平台操纵的平台2和塔架4的静电荷的电极。衬垫可由具有低的薄膜应力的、钛-钨和金(～850A) 的薄层形成。它们可以例如通过金属膜的毯式(blanket)物理沉积，然后，湿法化学蚀刻(wet chemicaletching)和图案化来制造。衬垫可以位于氧化硅绝缘层(未示出)上。金属衬垫(未示出)可以在互连133处线接合到印刷电路板和外部电子器件。
多针操纵器130可以由绝缘体上硅晶片(未示出)形成。这是夹层结构，包括顶部的装置层(有源层)，中间的掩埋氧化物层(绝缘 SiO2层)(例如几微米厚)，以及底部的处理晶片(块状硅)。装置层与块状硅层的这种隔离导致较低的寄生电容可以显著改善性能，并降低集成电路的功耗。底部基板可以是标准硅晶片，其是掩埋氧化物层厚度的数百倍。
塔架4可以是位于中心平台2下方的塔形电极(例如由硅制成)。塔架4为平台2提供静电或电容力，从而导致系绳和弹簧弯曲梁9的偏转。塔顶表面积(未示出)可以比平台2的表面积大例如两到三倍，以具有较大的可用表面积，以在由致动器6引起的平面内(X-Y)运动之后，产生吸引静电力，使得针3的位置准备好用于平面外(Z) 运动。由于微米平台的圆形几何形状，塔架4的横截面(未示出)可以是圆形的，与其他几何形状相比，在每侧具有足够的进入区域以获得更大的位移。这里参考X轴线、Y轴线和Z轴线描述的运动可以被称为操纵，因为它用于操纵针3以例如注射细胞。
针3可以称为微米针或纳米针。针3可以组装到微米平台或平台 2上，其形状为圆形，以向特定的三侧操纵器1提供几何对称性。由于平台2和底部塔架(例如硅塔架)之间的吸引电容力或塔架4与表面积成比例，塔架4的顶部的较大区域或横截面将导致较大的电容。由此，在Z轴线上将产生用于穿透细胞膜的较大垂直力。尽管如此，在增加微米平台表面积和实现致动器的最佳表面积之间可以存在比例关系，这对于平行结构是至关重要的。
图17示出了根据各种实施例的作为***200的单机操纵器，其包括平台202，其通过与塔架204的静电吸引、以及恢复偏置(restoring bias)205或具有弹簧常数k的弹簧作用在Z轴线上，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。该***中的偏置 205是经受应变的系绳5和弹簧弯曲梁9的组合效果。在一些示例中，平台上的力也可以被致动器6偏置、致动或被致动器6部分地致动和偏置。平台2的致动可以涉及由致动器6和塔架4施加的平衡力，其可以通过在互连133处施加的电压和由弹簧弯曲梁9和系绳5施加的力来控制。
对于平面内运动，在通过具有四个致动器的单机操纵器中起作用的一个致动器实现的位移可以小于通过具有三个致动器的单机操纵器所实现的位移。例如在160V时，与通过具有三个致动器的单机操纵器略高于36μm相比，具有四个致动器的单机操纵器可以实现大约27μm的平面内运动。尽管如此，使用具有四个致动器的单机操纵器中起作用的两个致动器实现的位移略大于具有三个致动器设计的单机操纵器。例如在160V时，与通过具有三个致动器的单机操纵器略高于36μm相比，具有两个致动器的单机操纵器可以实现大约 38μm的平面内运动。添加额外的侧面(或致动器)确实增加了结构的总刚度。就平面外致动而言，在30V时，与具有三个致动器的单机操纵器超过6μm的运动相比，具有四个致动器的单机操纵器实现了大约4.5μm的运动。通过减少额外的一侧，同时将可以集成在平行结构表面区域中的三致动器单机操纵器的数量增加到40％(与四致动器单机操纵器相比)，从而明显地提高了致动性能。关于图19中的人体细胞类型，通过图18中的3D体积图显示了致动区域。图18 特别示出了根据各种实施例的平台2在X轴线、Y轴线和Z轴线上的位移，其中，显示了各种电压施加在互连133，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。具体地，图19示出了根据本发明的各种实施例的生物细胞，例如可以通过针3和相关的操纵器1注射的生物细胞。该致动器具有800μm的系绳梁长度、10μ m的悬挂结构厚度和15μm的致动器间隙。鉴于细胞直径尺寸约为 25μm，致动器可以容易地在平面内和在平面外的合理范围上的尺寸内移动纳米针。
现在将参考图20至图24给出关于系绳和弹簧弯曲梁9的作用的进一步细节。
图20示出了根据各种实施例的作为用于分析目的的简单机械***的系绳5，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。
以供以下参考，图21a和图21b示出了根据各种实施例的弯曲系绳5和弹簧弯曲梁9的相应弯曲部分，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。
当系绳5c由于梳状驱动致动器的静电力而经受拉动时，系绳5a 和系绳5b经受弯曲，这导致弹簧弯曲梁的弯曲。类似地，当平行板致动器在垂直方向上经受静电力时，中央平台2向下或向上致动，因此系绳5a、系绳5b和系绳5c经受Z轴线上的相应弯曲。
例如假设具有三个悬挂结构厚度为10μm的致动器的单机操纵器，增加的平行板致动器间隙，并且所有其他尺寸保持恒定。应用上述概念，将平行板致动器间隙从例如15μm增加到30μm和50μm 可以显著地影响平面外运动。比较系绳梁长度为800μm的结果，需要超过200V才能实现间隙为30μm、超过6μm的平面外运动，以及需要超过320V才能实现间隙为50μm的运动。增加系绳梁的长度可以减少对电压的要求，但是它可以影响阵列结构的表面积。虽然减小致动器间隙确实导致在低电压下更大的平面外运动，但是如图17 所示，由于拉入效应(pull-in effect)，其可以限制致动器的总运动范围。
由平移和轴向偏转引起的系绳5和弹簧弯曲梁9的最大弯曲和拉伸对于致动器性能可能是关键的。这些梁的运动性能可以取决于下面讨论的效果。
第一个效果是系绳5的最小纵向拉伸，在图20的机械***中示意性地示出。
第二个效果是对于3D(X、Y和Z)运动范围的系绳的最大弯曲以及跨轴线的解耦运动。耦合运动是寄生行为，其显著影响致动器的运动性能和结构完整性。
在加载时，系绳的弯曲成为主要的关键行为，通常应该以在轴线上的最小耦合发生，如图16所示。
第三个效果是弹簧弯曲梁9的弯曲和系绳5的弯曲之间的关系，如图16所示。
控制致动器行为的许多重要属性中的两个属性是弯曲和纵向拉伸。拉伸系绳5的知识有助于理解在反复加载梁时的疲劳性能。拉伸可导致系绳的刚度增加，这会影响由平台2和系绳5形成的结构的整体强度。在系绳5中的拉伸可显著影响梁在循环加载下的疲劳寿命。此外，随着在梁中增加弯曲，可以在这些悬挂梁结构中引起塑性行为。这可能导致系绳的永久伸长，从而影响运动性能的准确性。
关于系绳和弹簧弯曲梁9的弯曲的知识允许在这些梁的期望的最大弯曲和允许的尺寸之间进行折衷。例如增加梁的长度或减小梁的厚度将明显地增加运动性能，但可能以致动器的总尺寸和致动器的弹簧刚度为代价。致动器的尺寸可以对多针操纵器130上的操纵器1的密度或间距产生影响。提供恢复力的弹簧弯曲梁9的3D行为可以取决于系绳5的性能。拉伸和弯曲现象可以针对许多不同的参数进行研究，包括例如以下参数，因为它们对致动器的运动有显著贡献：系绳 5或梁9的横截面积(w×h)、纵横比(w/h)和长度(1)。使用三个厚度10μm、20μm和25μm来研究梁的行为作为限制参数。考虑了用于平面内和平面外致动的系绳5和弹簧弯曲梁9的偏转干涉。基于这些标准和参数，绘制并分析了六个这样的情景，以概念化合适的梁尺寸。该分析的结果是，梁的横截面积不应大于例如50μm2，并且纵横比不大于例如0.5，以实现平行结构中的多个致动器的弯曲和集成之间的最佳折衷。发现纵向拉伸可忽略不计，比梁的3D弯曲低几个数量级。这种设计概念化和分析提供了关于梁的横截面积和纵横比的关键信息，用于在平行结构中弯曲和集成多个致动器之间的最佳折衷。
另一个效果是与系绳5弯曲相比，系绳5的平面内拉伸。如上所述，最小化系绳5拉伸是理想的。
另一个效果是与系绳5的弯曲相比，如图21所示，弹簧弯曲梁 9的X-Y平面内弯曲。
另一个效果是如图21所示，与系绳弯曲相比，弹簧弯曲梁的Z 平面外弯曲。
另一个效果是，与其平面外弯曲相比，系绳5的平面内弯曲。
另一个效果是，与弹簧弯曲梁9平面外弯曲相比，弹簧弯曲梁9 的X-Y平面内弯曲。
另一个效果是，与长度相比，系绳5和弹簧弯曲梁的拉伸和弯曲。
图22a至图22c示出了可以根据各种实施例使用的三种类型的弹簧弯曲梁9，其特征可以如图所示使用或与本文公开的其他实施例组合使用。图22a示出了可以称为两端夹紧(clamped-clamped)的类型。图22b示出了可以称为蟹腿(crab legh)的类型。图22c示出了可被描述为单个折叠的弹簧弯曲梁9的类型。
以下提供了系绳5和上述三种类型的弹性弯曲梁9的弯曲挠曲的进一步分析。
系绳5的纵向拉伸由下式计算：
其中，Fe是静电力，lt是系绳5的长度，A是系绳5的横截面积， E是杨氏模量。
系绳5的弯曲由下式计算：
其中，I是系绳5的第二惯性矩。
弹性弯曲梁9的弯曲由下式计算：
其中，ls是弹簧弯曲梁的长度。
我们已经使用有限元分析(FEA)模拟三种不同类型的弹簧弯曲梁9，来研究单机和多机操纵器的运动性能。即两端夹紧、蟹腿和单个折叠，如图22a至图22c所示。图22a的两端夹紧的弹簧弯曲梁(其具有设置在梁9的端部上的锚固件24)由于矩形梁中的拉伸轴向应力，而具有显著的刚性非线性弹簧常数。当将大腿部分26添加到夹紧的弯曲梁(见图22b)时，它形成蟹腿弹簧弯曲梁，经由连接胫骨 29形成偏心锚固件24。蟹腿弹簧弯曲梁可以帮助减少在不希望的方向上的刚度和在弯曲中的拉伸轴向应力。单个折叠的弯曲梁(参见图22c)还可以通过将桁架28添加到梁的平行布置来减小梁9中的轴向应力分量，并且它们经由锚固件24锚定在中心附近。该桁架28允许弯曲的端部向各个方向扩展或收缩。
对于两端夹紧式弹簧弯曲梁9，平面外刚度Kz为，
对于蟹腿弹簧弯曲梁，轴向刚度Kx，y[11]是，
其中，hs＝矩形梁的厚度，分别地lsh和wsh＝胫骨的长度和宽度，分别地lth和wth＝大腿的长度和宽度，其中α＝Ish/Ith＝(wsh/wth)3，分别地Ith和Ish是大腿和胫骨的惯性矩。
以及，横向刚度kl是，
因此，刚度比是，
平面外刚度Kz是，
其中，Ix，sh＝胫骨绕x轴线的惯性矩。
对于单个折叠弹簧弯曲梁，轴向刚度Kx，y为，
以及，横向刚度kl是，
平面外刚度Kz是，
hs＝厚度，
其中，ltr＝桁架的长度，并假设桁架比系绳或梁有明显更大刚性。
现在将描述横向拉动对梳状驱动6的影响。
除了x轴线上的静电力之外，例如还存在沿y轴线作用的垂直静电力，在可动指状物14和固定指状物15上产生横向拉力。假设，可动指状物14结构沿y轴线移动小位移y，由可动指状物的两侧产生的横向净静电力Fel为，
其中，tf＝梳状指状物14和指状物15的厚度，V＝致动电压，以及gsf是相邻梳状指状物14和指状物15之间的间隔。
其中，δx是梳状指状物在x轴线上的位移并且由下式给出，
由可动指状物的两侧产生的净横向静电力Fel将它们推离平衡位置而不是将它们拉回到原始位置，其起到负弹簧的作用。在y方向上没有机械恢复力下，移动电极对将是不稳定的。
等效的负弹簧常数kn是，
为了稳定梳状驱动致动器6而不会由于横向偏转而损害运动，通常应满足以下关系，
kl＞kn (21)
其中，kl是横向弹簧常数。
将等式(18)代入等式(19)，等效负弹簧常数作为平面内(X-Y) 弹簧刚度的函数是，
因此，根据等式(5)和等式(6)，在由于横向静电偏转而没有运动妥协的情况下，朝向致动器6的运动方向上的最大静态位移，
等式(7)对于在平面内运动期间保持致动器的稳定性是至关重要的。由于每侧的弹簧平行连接，因此，从已知的梁偏转理论得出的运动方向上的有效平面内轴向弹簧常数是，
其中，ks＝弹簧弯曲梁的平面内轴向刚度，kt＝系绳梁的平面内轴向刚度，E＝硅的杨氏模量129.5GPa，hs，ws，ls分别是弹簧弯曲梁的高度、弹簧弯曲梁的宽度和弹簧弯曲梁的长度，以及ht，wt，lt分别为系绳梁的高度、系绳梁的宽度和系绳梁的长度。
垂直于运动方向的有效横向弹簧常数是，
根据等式(24)和等式(25)，弹簧和系绳梁***的轴向和横向刚度之间的刚度比为，
因此，平面内拉动-拉动(pull-pull)静态位移Ux，y由下式给出，
Fe＝8Fact＝±Kx，yUx，y (27)
其中，Fact是来自各个梳状指状物致动器的静电力。
由梳状驱动致动器6的拉动-拉动模式引起的平台2的这种平面内(X-Y)位移表示在特定电压下可实现的最大运动。
现在将讨论单机操纵器1的平面内网格刚度的矩阵模型。
由于电压V施加到诸如节点23C处的梳状驱动致动器时的电场，我们计算由于静电力Fe在图23中的平台2(从D到D′)的平面内位移(由D到D′)。我们形成系绳5和弹簧弯曲梁9的等效网格刚度矩阵。操纵器1的示意图被分成七个节点23-1到23-7和六个元件23-E1到23-E6，每个对应于梁结构，如图23所示。
系绳21-E2、系绳21-E4和系绳21-E6的元件刚度[k]2，[k]4，[k]6相互倾斜成120°角度，由下式给出：
类似地，弹簧弯曲梁21-E1、弹簧弯曲梁21-E3和弹簧弯曲梁 21-E5的元件刚度[k]1，[k]3，[k]5由下式给出，
其中，c＝cosθn和s＝sinθn，θ3＝θ4＝60°，θ1＝θ2＝120°，和θ5＝θ6＝240°，下标表示相应的元件编号。1是梁的第二惯性矩。
在将单个元件刚度矩阵的项添加到全局刚度矩阵[K]中的相应位置之后，总的14×14刚度矩阵是，
当添加和组装时，等式(31)的每个4×4矩阵在左侧生成适当的14×14刚度矩阵。因此，由于组装前双侧矩阵的阶数不同，两侧彼此相当并不相等。
因此，考虑节点7和节点5上施加的静电力以及其他节点处的力和位移边界约束，编写总结构刚度等式，
因此，通过求解等式(31)可以找到最终位移，
∴[Uy]＝[K-1]14×14[Fe] (33)
该模型包括数学处理中的角度分量。因此，变换矩阵可用于将局部位移分量变换为全局位移分量，并且这导致全局刚度矩阵。
现在将描述单机操纵器的平面内斜率-偏转模型。
单机操纵器1的平面内运动也使用斜率-偏转等式进行分析建模，如图24所示，其作为研究致动器设计的附加工具。在这种情况下，所有的接头都被视为是刚性的，并且在加载下，接头处的梁之间的角度是恒定的。由轴向和剪切应力引起的变形可以忽略不计。每个侧面 A、侧面B和侧面C由梳状驱动器11和弹簧弯曲梁9的布置组成，弹簧弯曲梁9连接到图24中表示为24-D的平台2。系绳梁长度为lt，相应的系绳梁之间的角度为120°。当电压V施加到侧面C的梳状驱动器11时，连接到A和B的系绳梁横向移动Δ，垂直移动δ和角度α。因此，在组件梁的斜率、偏转和刚度方面，由侧面C的梳状驱动致动器引起的静电力是，
因此，致动器的有效平面内刚度是，
与前面讨论的刚度矩阵方法相比，这种分析推导给出了计算有效平面内刚度的不同视角。
为了计算如图25a和图25b所示的平面外刚度值，假设由于在侧面C的梳状驱动致动器的运动，平台23-D具有单位位移。
最终的连接矩阵变成，
因此，最终的连接刚度矩阵等式是，
因此，垂直平面外位移是，
[Uz]＝[K-1]21×21[Fz] (38)
应该理解的是，系绳5可以是梁或可以作为梁分析处理。
根据本发明的各种实施例，其上形成有多针操纵器130的晶片上硅的中间层在零点几微米到几微米厚的范围内。
这里参考各种实施例讨论的力和运动可以是动态的，并且可以涉及或依赖于机械共振。
实施例的引述：
实施例1：一种装置，包括：
细胞捕获器，包括多个微腔室，每个微腔室配置成保持细胞，和
操纵器阵列，包括多个操纵器，每个操纵器与相应的微腔室空间连接，其中，每个操纵器包括针、平台和致动器，其中，针安装到平台，并且致动器可操作以在一个方向上向平台施加力，以移动针以穿透相应微腔室中的细胞。
实施例2：根据实施例1的装置，其中，每个操纵器包括多个致动器，所述多个致动器可操作以在多个方向上向所述平台施加多个力以移动所述针。
实施例3：根据前述实施例中的任一实施例的装置，其中，所述操纵器阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括所述多个操纵器的一部分。
实施例4：根据实施例3的装置，其中，所述多个操纵器中的至少一个子阵列是三侧的。
实施例5：根据实施例3和4中的任一实施例的装置，至少一个子阵列基本上形成三角形。
实施例6：根据前述实施例中的任一实施例的装置，所述操纵器阵列还包括互连，其中，所述互连包括连接到所述致动器。
实施例7：根据前述实施例中的任一实施例的装置，所述操纵器阵列还包括多个互连，其中，每个互连包括连接到所述致动器，并且其中，每个互连与操纵器相关联。
实施例8：根据实施例6和7的任一实施例的装置，所述互连包括局部互连、过渡互连和通用互连，其中，所述通用互连连接到所述过渡互连，以及所述过渡互连连接到所述局部互连。
实施例9：根据实施例6至8的任一实施例的装置，其中，所述互连基本上位于所述操纵器阵列的一侧。
实施例10：根据实施例3至8的任一实施例的装置，其中，所述子阵列被布置以基本上形成六边形。
实施例11：根据实施例6至10的任一实施例的装置，其中，所述互连基本上位于所述操纵器阵列的周边。
实施例12：一种操纵器阵列，包括：
基板；
布置在基板上的多个操纵器，每个操纵器包括针、平台、系绳和致动器，其中，针安装到平台，平台通过系绳连接到致动器，并且致动器可操作在至少一个轴线上施加张力，以在一个方向致动平台以操纵针；和
多个子阵列，每个子阵列包括多个操纵器的一部分，以及形成在每个子阵列的每一侧上的互连，其中，多个子阵列在基板上布置在一起，其中，互连的至少一部分位于操纵器阵列周边。
实施例13：根据实施例12的装置，其中，每个操纵器包括多个致动器，所述多个致动器可操作以在多于一个轴线上施加张力，以在一个方向上致动所述平台，以操纵所述针。
实施例14：根据实施例12和13中的任一实施例的装置，其中，所述多个操纵器中的至少一个子阵列是三侧的。
实施例15：根据实施例12至14中的任一实施例的装置，其中，至少一个子阵列基本上形成三角形。
实施例16：根据实施例12至15中的任一实施例的装置，其中，所述互连包括连接到所述致动器，并且其中，每个互连与操纵器相关联。
实施例17：根据实施例12至16中的任一实施例的装置，所述互连包括局部互连、过渡互连和通用互连，其中，所述通用互连连接到所述过渡互连，以及所述过渡互连连接到所述局部互连。
实施例18：根据实施例12至17中的任一实施例的装置，其中，所述子阵列被布置成基本上形成六边形。
实施例19：根据实施例13至18中的任一实施例的装置，其中，所述多个致动器可操作以在三个方向上施加张力。
实施例20：根据实施例13至19中的任一实施例的装置，其中，所述多个致动器可操作以提供拉力。
实施例21：根据实施例12至20中的任一实施例的装置，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加张力，从而致动平行于与所述操纵器阵列平行的平面的所述平台，以操纵针。
实施例22：根据实施例12至21中的任一实施例的装置，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加张力，从而致动垂直于与所述操纵器阵列平行的平面的所述平台，以操纵针。
实施例23：根据实施例12至22中的任一实施例的装置，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述装置的周边处的所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加力，从而致动平行于与操纵器平行的平面的所述平台，使针相对于细胞捕获器的相关微腔室移动。
实施例24：根据实施例12至23中的任一实施例的装置，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述装置的周边处的所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加力，从而致动垂直于与操纵器平行的平面的所述平台，使针相对于细胞捕获器的相关微腔室移动。
在前面的描述和随后的权利要求中，词语“包括”或其等同变型以包含的含义使用以指定所述特征的存在。该术语不排除在各种实施例中存在或添加其他特征。
应当理解，本发明不限于这里描述的实施例，并且通过参考附图所示的示例，本领域技术人员将清楚本发明的精神和范围内的其他实施例。特别地，本发明可以存在于本文描述的特征的任何组合中，或者可以存在于替代实施例中或这些特征与给定特征的已知等同物的组合中。以上讨论的本发明的示例实施例的修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行。

Claims (24)

1.一种装置，包括：
细胞捕获器，包括多个微腔室，每个微腔室配置成保持细胞，和
操纵器阵列，包括多个操纵器，每个操纵器与相应的微腔室空间连接，其中，每个操纵器包括针、平台和致动器，其中，所述针安装到所述平台，并且所述致动器可操作以在一个方向上向所述平台施加力，以移动所述针以穿透所述相应微腔室中的细胞。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个操纵器包括多个致动器，所述多个致动器可操作以在多个方向上向所述平台施加多个力以移动所述针。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述操纵器阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括所述多个操纵器的一部分。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述多个操纵器中的至少一个子阵列是三侧的。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，至少一个子阵列基本上形成三角形。
6.根据权利要求1所述的装置，所述操纵器阵列还包括互连，其中，所述互连包括连接到所述致动器。
7.根据权利要求1所述的装置，所述操纵器阵列还包括多个互连，其中，每个互连包括连接到所述致动器，并且其中，每个互连与操纵器相关联。
8.根据权利要求5所述的装置，所述互连包括局部互连、过渡互连和通用互连，其中，所述通用互连连接到所述过渡互连，以及所述过渡互连连接到所述局部互连。
9.根据权利要求5所述的装置，其中，所述互连基本上位于所述操纵器阵列的一侧。
10.根据权利要求3所述的装置，其中，所述子阵列被布置以基本上形成六边形。
11.根据权利要求5所述的装置，其中，所述互连基本上位于所述操纵器阵列的周边。
12.一种操纵器阵列，包括：
基板；
布置在所述基板上的多个操纵器，每个操纵器包括针、平台、系绳和致动器，其中，所述针安装到所述平台，所述平台通过所述系绳连接到所述致动器，并且所述致动器可操作在至少一个轴线上施加张力，以在一个方向致动所述平台以操纵所述针；和
多个子阵列，每个子阵列包括所述多个操纵器的一部分，以及形成在每个子阵列的每一侧上的互连，其中，所述多个子阵列在所述基板上布置在一起，其中，所述互连的至少一部分位于所述操纵器阵列的周边。
13.根据权利要求12所述的阵列，其中，每个操纵器包括多个致动器，所述多个致动器可操作以在多于一个轴线上施加张力，以在一个方向上致动所述平台，以操纵所述针。
14.根据权利要求12所述的阵列，其中，所述多个操纵器中的至少一个子阵列是三侧的。
15.根据权利要求12所述的阵列，其中，至少一个子阵列基本上形成三角形。
16.根据权利要求12所述的阵列，其中，所述互连包括连接到所述致动器，并且其中，每个互连与操纵器相关联。
17.根据权利要求12所述的阵列，所述互连包括局部互连、过渡互连和通用互连，其中，所述通用互连连接到所述过渡互连，以及所述过渡互连连接到所述局部互连。
18.根据权利要求12所述的阵列，其中，所述子阵列被布置成基本上形成六边形。
19.根据权利要求13所述的阵列，其中，所述多个致动器可操作以在三个方向上施加张力。
20.根据权利要求12所述的阵列，其中，所述多个致动器可操作以提供拉力。
21.根据权利要求12所述的阵列，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加张力，从而致动平行于与所述操纵器阵列平行的平面的所述平台，以操纵所述针。
22.根据权利要求12所述的装置，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加张力，从而致动垂直于与所述操纵器阵列平行的平面的所述平台，以操纵所述针。
23.根据权利要求12所述的装置，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述装置的周边处的所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加力，从而致动平行于与所述操纵器平行的平面的所述平台，使所述针相对于所述细胞捕获器的相关微腔室移动。
24.根据权利要求12所述的装置，其中，所述操纵器阵列可操作以在所述装置的周边处的所述互连处接收施加的电压，所述电压产生静电力以使所述致动器施加力，从而致动垂直于与所述操纵器平行的平面的所述平台，使所述针相对于所述细胞捕获器的相关微腔室移动。
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