JPH089148B2 - 把持装置 - Google Patents

把持装置

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JPH089148B2
JPH089148B2 JP1504446A JP50444689A JPH089148B2 JP H089148 B2 JPH089148 B2 JP H089148B2 JP 1504446 A JP1504446 A JP 1504446A JP 50444689 A JP50444689 A JP 50444689A JP H089148 B2 JPH089148 B2 JP H089148B2
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ヴォルフガング ベネッケ
ヴェルナー リートミュラー
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フラウンホッファー‐ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ.
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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/06Gripping heads and other end effectors with vacuum or magnetic holding means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1085Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements positioning by means of shape-memory materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、本体と把持部材とを有する把持装置に関す
るものである。この種の把持装置は、たとえばロボット
技術で使用され、多数の文献に記載されている。把持す
べき対象は把持部材間に機械的に把持され、その後たと
えば保持され、あるいは他の場所へ移送される。
顕微鏡的に小さい対象を把持する把持部材には、微細
機械的な精度をきわめて必要とされる。
従来の技術 機械的な把持部材の他に、電磁的な部材が使用される
ことが多い。対象は、たとえば電磁コイルによって発生
される磁力によって保持される。この種の把持装置は、
機械的な部材を持たないものもあるが、磁化可能な対象
にしか使用することができない。
機械的な把持装置には把持部材が設けられており、把
持部材は摺動可能(把持ジョー)、あるいはリンク(把
持フィンガー)でなければならず、かつ機械的あるいは
電気機械的な駆動装置を必要とする。この種の把持装置
は機械的な摩耗にさらされる。
更に機械的な把持部材は潤滑を必要とし、従ってクリ
ーンルームか真空の条件の下で限定的にしか使用できな
い。
IBMのTechnical Disclosure Bulletin(第25巻,8号,1
983年,第4443頁)の記載から知られている把持装置の
場合には、把持アームはバイメタルで形成されている。
この把持アームは適当な温度変化によって固定の把持ア
ーム方向へ屈曲し、それによって両方の把持アーム間に
把持すべき対象を挾持する。
上述のすべての把持装置は、顕微鏡的な対象を把持す
るには限界がある。というのは製造に必要な微細機械的
な方法はミニチュア化が進むにつれてどんどん複雑にな
り、コスト高を招くからである。
発明の説明 本発明の課題は、煩雑な微細技術的な方法を用いずに
形成することができ、顕微鏡的に小さい対象(ミクロン
単位)を把持するのに適した、簡単な把持装置を提供す
ることである。
この課題は本発明によれば、把持装置が次に示すよう
な特徴の組合せを有することによって解決される。
すなわち 本体が1つあるいは複数の半導体テープからなり、 舌片がそれぞれ、沈積あるいは蒸着プロセスにより形
成された薄い層を積層して形成され、 温度変化に対応するために舌片の層上あるいは層間に
設けられている層状の加熱素子が装備されている。
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。
もちろん把持装置は種々の大きさで形成することがで
きる。機械的な駆動装置を必要としないので、特にミニ
チュア化(小型化)に適している。従ってマイクロテク
ノロジーが普及するにつれて増大する、より小さい操作
システムへの要請に適合できる。公知の把持装置のミニ
チュア化には微細機械的な製造方法の限界があるが、本
発明装置は数百マイクロメートルの単位でマイクロ構造
技術で形成することができる。
請求の範囲第2項によれば、加熱に用いられる加熱部
材は電気的な抵抗として形成され、舌片の層上あるいは
層間に配置されている。把持装置の本体の材料として
は、請求の範囲第3項によればシリコン・ウェハーが使
用され、シリコン・ウェハーはマイクロエレクトロニク
スでは広く普及している。
できるだけ少ない加熱電力で舌片を移動できるように
するために、舌片は請求の範囲第4項によればできるだ
け異なった熱膨脹係数を有する材料を組み合わせて形成
されている。シリコン化合物(シリコン窒化物あるいは
シリコン酸化物)を使用することによって、特に小さい
寸法の把持装置を形成する場合に、マイクロ構造技術を
使用することができる。
把持部材を所定の位置に位置決めできるようにし、か
つ周囲の温度が把持部材に与える影響を防止するため
に、請求の範囲第5項には特に好ましい装置が示されて
おり、それによれば瞬間的な位置を検出し、位置の閉ル
ープ制御を行うために、舌片上にセンサ素子が設けられ
ている。センサ素子の機能は種々の物理的な効果に基づ
いている。ピエゾ抵抗の使用が特に効果的である。とい
うのはシリコンにおいては静的なピエゾ抵抗効果は抜群
であって、引張りあるいは押圧応力の測定を介して即座
に舌片の位置を決定することができる。他の利点は、ピ
エゾ抵抗はマイクロエレクトロニクスにおける一般的な
技術を用いて簡単に形成できることである。
請求の範囲第6項によれば、加熱体信号とセンサ信号
は共通の閉ループ制御回路において互いに論理処理さ
れ、それによって舌片をたとえば加熱電力の閉ループ制
御により所定の位置に保持することができる。従って互
いに関連する2つの舌片の動きも複数の把持部材も調節
され、それによってより大きいかつ複雑な対象の操作も
確実に行うことができる。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DE38 09597.1に記載され
た制御可能な位置変化部材の構造及び作用と同様であ
る。特に高度なミニチュア化を行うために、請求の範囲
第7項によれば、制御回路と把持装置はそれぞれ同一の
半導体チップ上にまとめられている。それによって複数
の同一舌片を有する把持装置、あるいは複数の同一の把
持装置も同時に形成することができる。
好ましい実施例が請求の範囲第8項に記載されてい
る。本体は2つのシリコンチップからなり、シリコンチ
ップはそれぞれ舌片を有し、スペースプレートを介し互
いに結合されている。スペースプレートの厚さによっ
て、把持装置を移動させるべき対象の大きさに適合させ
ることができる。
請求の範囲第9項に記載の実施例は、特に簡単な構造
を有する。1つだけのシリコンチップからなる本体に3
つの舌片が取り付けられており、舌片は適当な制御によ
って移動すべき対象を捕捉する。
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、かつ標準ICプロセスと互換性を有する。個々の
構成部材はプレナー・リングラフィープロセスで構成さ
れる。把持装置を駆動するには、マイクロエレクトロニ
クスで一般的な電圧レベルで十分である。
本発明の把持装置とその実施例は、高度の小型化(ミ
ニチュア化),高精度,信頼性が大きく,安価であると
いう特徴を有する。極端な小型化によって、顕微鏡的な
対象を操作する場合、たとえば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いて対象を処理し分析
するのに使用することができる。この把持装置は特に機
械的操作を避けるべきたとえば超高真空装置内のよう
な、閉鎖されたシステム内でこの種の対象を取り扱うの
に適している。
図面の簡単な説明 次に、図面を用いて把持装置の2つの実施例を説明す
る。
図面において、第1図は2つのチップからなる把持装
置の概略を示し、Aは舌片が閉じた状態、Bは舌片が開
放した状態を示し、 第2図は1つのチップからなる把持装置の概略を示
し、Aは側面図、Bは上面図である。
本発明を実施する方法 第1図Aに示す把持装置の本体は2つの単結晶シリコ
ンチップ1,2(たとえば方位100厚さ約0.5mm)からな
り、シリコンチップはスペースプレート3を介して互い
に結合されている。シリコンあるいはガラスから形成す
ることのできるスペースプレートは、たとえば接着技術
によってシリコンチップと結合されている。その厚さは
数マイクロメートルから数ミリメートルまで把持すべき
対象の大きさによって調節される。舌片4(長さは数百
マイクロメートルまで)を形成するために、シリコンチ
ップの上面にシリコン層が沈積される。その上に第2の
層として金属層(好ましくは金)が蒸着される。リソグ
ラフィープロセスによって舌片の形状配置が形成され、
次に異方性エッチングステップを用いてエッチング溝5
が形成されて、一方側が自由にされる。
金属層は適当な蒸着技術によって、引張り応力がシリ
コン層に作用し、舌片4が非作動(エネルギーを供給さ
れない)状態においてエッチング溝から突出するように
(第1図A)形成される。2つのチップの舌片がスペー
スプレートに関して鏡対象に設けられている場合には、
非作動状態において把持装置は閉じられている。
熱エネルギーを供給することによって舌片はバイマテ
リアル構造であることにより屈曲して、把持装置が開放
状態となる(第1図B)。センサ素子を用いて舌片を所
定の位置に位置決めすることができ、それによって対象
を保持する力と開口の大きさを決定することができる。
第2図には特に簡単に構成された実施例の側面図(第
2図A)と上面図(第2図B)が示されている。把持装
置は1つのチップ6と平行に配置された3つの舌片7,8,
9とから構成されている。最も簡単にする場合には、中
央の舌片8は2層から形成され、舌片7と9はシリコン
あるいはシリコン化合物の1層だけで形成される。バイ
マテリアル舌片8が舌片7と9に対して移動することに
よって、対象を保持し、あるいは離すことができる。3
つの舌片のすべてがバイマテリアルで構成され、個々に
作動される場合には、把持装置のフレキシビリティは向
上する。それによってたとえば3つの舌片を反らせてそ
の自由端が本体の表面に対して傾斜した平面に来るよう
にすることによって、対象を回動させることもできる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−148174(JP,A) 特開 昭62−235747(JP,A) 実開 昭63−32786(JP,U)

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】本体と把持部材とを有し、把持部材が一方
    側が本体に取り付けられた舌片として形成され、前記舌
    片は重なり合って配置された熱膨脹の異なる種々の材料
    の層から形成されている把持装置において、次のような
    特徴、すなわち イ)本体が1つあるいは複数の半導体チップからなり、 ロ)舌片がそれぞれ、沈積あるいは蒸着プロセスによっ
    て形成された薄い層を積層して形成されており、 ハ)温度変化に対応するため舌片の層上あるいは層間に
    設けられた層状の加熱素子が装備されていること、 を特徴とする把持装置。
  2. 【請求項2】加熱素子が電気的な抵抗として形成されて
    いることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の把持装
    置。
  3. 【請求項3】本体の材料としてシリコンウェハーが用い
    られることを特徴とする請求の範囲第1項及び第2項に
    記載の把持装置。
  4. 【請求項4】舌片がそれぞれシリコンあるいはシリコン
    化合物の層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項から第3項のいずれか1つに記載の把
    持装置。
  5. 【請求項5】舌片に位置を検出し、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,強誘電的あ
    るいは容量的な効果に基づい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つに記載の把持
    装置。
  6. 【請求項6】加熱素子とセンサ素子が共通の電気的な制
    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5項のいずれか1つに記載の把
    持装置。
  7. 【請求項7】すべての機械的及び電気的な要素が半導体
    チップ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6項のいずれか1つに記載の把持装置。
  8. 【請求項8】本体が、スペースプレートを介して互いに
    結合された2つのシリコンチップから形成されることを
    特徴とする請求の範囲第1項から第7項のいずれか1つ
    に記載の把持装置。
  9. 【請求項9】本体が1つのシリコンチップだけから形成
    され、前記シリコンチップに3つの舌片が設けられてお
    り、そのうちの少くとも1つがバイマテリアルから形成
    されることを特徴とする請求の範囲1から7のいずれか
    1つに記載の把持装置。
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