マイクロ光造形による３次元微小マイクロ光造形による３次元微小精密部品の製造と精密部品の製造とMEMSMEMS応用応用Fabrication of 3-D microdevices using

microstereolithography and MEMS applications

Department of Mechanical Engineering, Yokohama National University

丸尾昭二丸尾昭二Shoji Shoji MaruoMaruo

2011.2.16

JST新技術説明会

OutlineOutline1. 研究背景（マイクロ・ナノ光造形法）2. MEMS & Lab-on-a-chipへの応用3. 光駆動の新技術（光誘電泳動による遠隔駆動マイクロマシン）4. 超高分解能・ハイアスペクト比構造作製の新技術5. 新規光硬化性樹脂によるカーボンMEMSへの応用6. まとめ

AdvanvesAdvanves in Nanotechnology and Biotechnologyin Nanotechnology and Biotechnology

P. Kim, et al., Science 286 (1999) Caliper

Microchem. Tech.

Anal. Chem. 72,3158 (2000).

Nanotube nanotweezers

Metamaterials＆ Nanophotonics

Biochips

Glass

PDMSScience 305 (2004) Nature 398, 51 (1999)

多種多様な材料を利用可能な３次元ナノ・マイクロ加工技術が必要

２光子マイクロ光造形法２光子マイクロ光造形法

S. Maruo, O. Nakamura, S. Kawata, Opt.Lett. 22, 132 (1997)

Single-photon absorption Two-photon absorption

Pinpoint Transparent

Submicron ○ Deep region ○

Absorption ∝ (Light intensity)2

S. Maruo, O. Nakamura, S. Kawata, Opt.Lett. 22, 132 (1997)

Pinpoint Transparent

Submicron ○ Deep region ○

Absorption ∝ (Light intensity)2

Objective lens

Photopolymer

Two-photon microfabrication

Dr. Zhen-Li HuangUniversity of Central Florida

OneOne--photon photon ｖｓｖｓ twotwo--photonphoton

① ②

③ ④

Femtosecondpulsed laser beam

Cover glass

Photopolymer

Pinpoint Solidification (Two-photon absorption)

3D laser scanning

3D microstructures

Fabrication processFabrication process

Rinse

3D polymeric microstructure

1.3μm

2.2μm

Nature 398, 51 (1999)Opt. Lett. 22, 132 (1997) 

Nature 412, 697 (2001)Times Cited: 800

Times Cited: 549 Times Cited: 1028

ISI Web of Science 2010.1

APL 88, 221101 (2006)

Opt Lett 28, 301 (2003)

Kawata Lab.Osaka Univ.

Kawata Lab.Osaka Univ.

Misawa Lab.

3D microstructures produced by two3D microstructures produced by two--photon processphoton process

J. MEMS 12, 533 (2003).

Applications of twoApplications of two--photon microfabricationphoton microfabrication3D micro/nano structures

Osaka Univ Nature 412, 697 (2001).Nagoya Univ Proc. of MEMS 2001Arizona Univ Adv. Mater. 14, 194 (2002). etc

Metal (photoreduction)Univ. Meryland J. Phys. Chem. B. 108, 11256 (2004).

Photonic crystalsArizona Univ Nature 398, 51 (1999).Tokushima Univ Appl. Phys. Lett. 74, 786 (1999).Moscow Univ. Laser Phys. 8, 1105 (1998).Illinois Univ. Adv. Mater. 14, 271 (2002). etc

MicromachinesYokohama National Univ.Nagoya Univ. Appl. Phys. Lett. 82, 133 (2003).

Drug Delivery System & BiochemistryConnecticut Univ. Macromolecules 33, 1514 (2000). BSA

MaterialsArizona Univ, Cornell Univ., Jet Polusion Lab, Boston College, etcScience 296, 1106 (2002). Positive photoresist

Replication

Light-driven micromachines

1. Assembly-free fabrication of movable microstructures2. Simple rapid process compared with silicon micromachining

SingleSingle--step fabrication of movable microstructuresstep fabrication of movable microstructuresDirect laser writing of movable microparts

APL 76, 2656 (2000) J. MEMS 12, 533 (2003) APL 82, 133 (2003) APL 91, 084101 (2007)

Optically driven two-hands micromanipulators

No damage to the sampleFlexible positioning of samples with complicated shapes

No laser irradiation on the sample

Hiratsuka, μTAS2005＠Boston

Glass bead: 5 µm

3μm

ローブローター型マイクロポンプ

1pL/min以下の超微小流量を実現

5μm

Rotor : Outer diameter 9μmChannel : 5×7μm

TracerParticle

２つのロータを高精度に同時回転駆動

μ-TAS (2005)Appl. Phys. Lett. 89, 144101（2006）.

Outlet

Inlet

Laser beamObjective lens

Channel

Lobed rotors

シングルディスク型マイクロポンプ

脈動のない連続流れを実現

セルソーターなどへの応用

Laser beam

Disk rotor

Objective lens

U-shaped channel

Trap point

Scan trajectory

Rotor : Rotational speed 32rpmParticle : Movement speed 1.0μm/s

5μmµ-TAS (2007)Appl. Phys. Lett.91, 084101（2007）.

×2 speed

光制御バイオチップの提案光制御バイオチップの提案

Maruo Lab.@YNU since2003

Lens

Resultant force

Driving force(Optical trapping)

Laser beam

Micro-object

-マイクロ流体制御素子を内蔵した高機能なラボオンチップ--オールポリマー性のマイクロ流体デバイス（低コスト、ディスポーザブル可能）

-高出力レーザーが必要、装置コストが高い、-駆動可能なマイクロマシンのサイズや駆動範囲に制限

光電駆動マイクロマシンの提案光電駆動マイクロマシンの提案

AC

ITO glass

a-Si:H

ITO glass

He-Ne Laser beamVirtual Electrode

Electric field

Negative DEP

a-Si膜へレーザー光を照射↓

照射部分の導電率が向上

基板間に交流電圧を印加

不均一電場が形成

微弱レーザー光によるマイクロマシンの遠隔操作が可能（光ピンセットの２～３桁小さいレーザー出力）

微弱レーザー光によるマイクロマシンの遠隔操作が可能（光ピンセットの２～３桁小さいレーザー出力）

Lens(20×, NA=0.4)

負の誘電泳動によりマイクロマシンを駆動

特願2009-212415

マイクロ可動部品の作製

マイクロローターマイクロローターマイクロアームマイクロアーム

マイクロ可動部品の光電駆動に利用可能

5μm 5μm

ITO基板上でのマイクロ可動部品の作製に成功ITO基板上でのマイクロ可動部品の作製に成功

直径 φ60μmアーム長 30μm

マイクロアームの光電駆動実証

駆動条件He-Neレーザー 0.8mW電圧 4.5Vrms周波数 100kHz

マイクロアームの光電駆動を確認マイクロアームの光電駆動を確認

ステージを移動

光ピンセットより２~３桁小さいレーザーパワー

移動

旋回 固定

アーム長 30μm

幅広いサイズのローター駆動直径20μmローター直径20μmローター 直径150μmローター直径150μmローター

幅広いサイズのマイクロマシンを同一システムで駆動可能幅広いサイズのマイクロマシンを同一システムで駆動可能

10μm 100μm 1000μm

光電駆動光電駆動

光駆動光駆動

磁気駆動磁気駆動マイクロマシンサイズ

マイクロマシンの複数駆動

複数ローター駆動複数ローター駆動 マニピュレータ駆動マニピュレータ駆動

広範囲のマイクロマシンを同時駆動可能広範囲のマイクロマシンを同時駆動可能

レーザー光の時間分割走査

複数のマイクロマシンを同時駆動可能

アーム長 30μm直径 φ60μm

光電駆動マイクロマシンのまとめ従来技術との相違点• 従来の光ピンセット方式と比べて、駆動に必要なレーザー光強度を２～３桁小さくすることが可能• 駆動可能なマイクロマシンのサイズや駆動範囲を１０倍程度に拡大応用例• 高機能なラボオンチップデバイス（マイクロミキサー、マイクロポンプなど）

• 細胞・細菌などの遠隔微細操作技術（セルソーティング、単一細胞操作技術）

企業への期待・ より高効率な光導電性基板の開発・試作・ 具体的な応用に向けたデバイス開発（ラボオンチップの周辺技術を含む）

２光子マイクロ光造形法の分解能向上２光子マイクロ光造形法の分解能向上

Kawata’s groupAPL 80, 3673.(2002)

Nature 412, 697 (2001)

Lateral resolution：120nmDepth resolution: 500nm

J.W. Perry’s groupOpt. Express. 15, 3426（2007)

λ：520nm

Lateral resolution 60nm

J.T. Fourkas’s groupScience324, 910（2009)

Depth resolution 40nm

Augmentation through photo-induced deactivation

(RAPID) lithography.

超臨界乾燥プロセス超臨界乾燥プロセス

・Unique properties of a diffusible liquid and dense gas・No interface between gas and liquid

Surface tension while rinsing the microstructures is removed

A supercritical fluid

Chamber

Microstructure

Solvent interface

HexaneSupercritical CO2

CO2

Hexane

Supercritical CO2 (40℃and 12 MPa) +Hexane

The process of supercritical drying

Microstructures areimmersed in hexane

Supercritical CO2 permeates into hexane

Supercritical CO2 is converted into a gas

(Rexxam Co,.LTD., SCRD401, Japan)Jpn. J. Appl. Phys. 48, no. 6, 06FH05 (2009).

超臨界乾燥の有効性

ウェット洗浄

超臨界乾燥

5μm 5μm

5μm 5μm

カンチレバーサブナノポール

ハイアスペクト構造の形成ハイアスペクト構造の形成

高さ 20 µm

高さ 50 µm

直径: 500nm

アスペクト比100を達成

梁長さ 40 µm

梁長さ 30 µm

○スティッキングなし △変形

Chapter 6, Laser ablation and its application

オフセットによるフォトニック結晶の形状補正オフセットによるフォトニック結晶の形状補正

シングルアンカー支持法の提案・実証シングルアンカー支持法の提案・実証

超臨界乾燥時における形状ひずみを軽減可能

従来の造形法 アンカー支持法

底面が固定

上部のみ収縮

ひずみが大きい

アンカーを付与

形状全体が収縮

ひずみが小さい

アンカーなし

アンカー1本

アンカー２本特願2007-228176

A lattice with an anchor extractedby supercritical drying

anchor

Diameter of a rod ：500nmAnchor (Diameter：1μm，Height：1μm）

Fabrication of a lattice with an anchorComplex microstructures can be fabricated

using supercritical drying

5μm

anchor

超臨界乾燥・シングルアンカーサポート法による高精度3次元微細加工のまとめ

従来技術との相違点

- 超臨界乾燥法を利用することで、従来のウエット洗浄では、形状維持が困難な微細、複雑、ハイアスペクト比構造を作製可能

- シングルアンカーサポート法により、基板の影響による異方性の収縮を抑制し、高い再現性で３次元マイクロ部品を作製可能

応用例

- 高精度な３次元マイクロ・ナノ鋳型の作製- ハイアスペクト比構造体の高集積化- フォトニック結晶、マイクロコネクター部品など企業への期待

- 大面積造形のための超高精度ステージシステムの開発- ３次元マイクロ構造体の応用研究

33D optical micromachining and its applicationsD optical micromachining and its applications

CastingFlexible photopolymer

Photoreduction of metal ions

NanocompositeMagnetic driven micropump

Medical microtoolsPower MEMSMicroreactors

MicroelectronicsPlasmonics

Micropumps & valvesManipulatorsSensors

Optically driven biochip

3D polymer structures

33D optical micromachiningD optical micromachining＆＆moldingmolding

New materialsNew materialsPhotopolymers

Conducting polymersBiopolymers

MetalGlass

CeramicNanocomposite

Fusion MEMSFusion MEMS

＋

＝

Ceramic MicroreactorsElectronic devices

Glass MicroTASNanophotonics

BiopolymersDDS, BioMEMSMaruo Lab. @ YNU Since 2003

Composite materials for MicrostereolithographyComposite materials for MicrostereolithographyMagnetic nanoparticle composite photopolymer

Magnetic nanocluster(γ‐Fe2O3  φ7 nm)

SiO2

Magnetic rotor (φ2mm）Maximum rotation speed

2800rpm

Photosensitive Ionic gelProc. IEEE MHS 2008, p.291.

Ionic gel(Ionic liquid + photopolymer)

UV exposure

Before After

J. Micromech. Microeng. 19, 035005 (2009).Ionic gel

Flexible electrode

Applied voltage

従来のカーボンMEMS作製方法

UV (1) スピンコート (2) UV露光

(3) 現像(4) 炭化

シリコン基板 マスク

SU-8構造物

・カーボンマイクロ構造体作製プロセス

(5) 炭化後の構造体

C. Wang,etc.., A Novel Method for the Fabrication of High-Aspect Ratio C-MEMS Structures, J. of Microelectromech. Systems, vol. 14(2), pp. 348-358, 2005.

カーボン構造体

フォトレジスト（SU-8）

マイクロ電極、バイオセンサーなどへ応用２次元形状に限定

一般的な光硬化性樹脂の炭化実験

2mm樹脂A

2mm樹脂C

2mm樹脂B

通常の光硬化性樹脂で作製したモデルでは形状の維持が困難

5mm

炭化条件・窒素雰囲気・熱処理温度：800℃

新樹脂の炭化実験

5mm

Type 1収縮率 20%重量割合 32%

5mm

新規光硬化性樹脂 SU-8

Type 2収縮率 30%重量割合 26%

SU-8収縮率 20%重量割合 14%

5mm

シーメット株式会社との共同研究

炭化後も形状を維持高い炭素残存率

特願2009-36126

３次元造形物の炭化実験Polymer structure Carbon structure

Shrinkage ratio: ～42%

Shrinkage ratio: ～44%

5μm

5μm 5μm

5μm

Substrate: SiliconFabrication time: 40 min.

Carbon microelectrodes produced bytwo-photon microfabrication

ResistivityType 1: ～0.13 Ω・cmType 2: ～0.19 Ω・cm

Carbon microelectrode (Φ：1μm) on Al2O3 substrate

Current [mA]

Vol

tage

[mV

]

Type1Type2

10μm

100μm

Replication of 3D microstructures with overhangsReplication of 3D microstructures with overhangs

3D polymer model

Variety of replicas

InjectionPDMS mold

3D microtransfer molding

Gear model

5μm

Cone model Bunny modelJST PRESTO

5μm 2.5μm

JJAP 48, no.6, 06FH05 (2009).

Experimental results of pyrolysis of replicated polymer structures

30μm 30μm

3-D carbon microstructures could be produced by soft molding process

Polymer structures produced by soft molding (Before pyrolysis)

Carbon microstructures(After pyrolysis)

Shrinkage ratio: ～30%

新規光硬化性樹脂によるカーボンマイクロマシン作製のまとめ

従来技術との相違点

- 任意の３次元マイクロ・ナノ形状を有するカーボン構造体を作製可能

- シリコーン樹脂型を用いたソフトモールディングによる大面積カーボン構造体を低コストで作製可能（リソグラフィーが不要）

応用例

- 燃料電池などに向けた微小、高効率電極- バイオセンサー、高分子アクチュエータへの応用企業への期待

- 新規光硬化性樹脂を用いた応用研究- 炭素の成分分析と特性改善の共同研究

本技術に関する知的財産権

①発明の名称 ：光電駆動マイクロマシン及び微小可動部材の駆動方法

出願番号 ：特願2009-212415出願人 ：横浜国立大学

発明者 ：丸尾昭二、吉村直樹

②発明の名称 ：炭素質立体造形物の製造方法

出願番号 ：特願2009-36126出願人 ：横浜国立大学

発明者 ：丸尾昭二、村上輝匡、稲田誠、萩原恒夫、大長勇哉

③発明の名称 ：微細構造造形方法

出願番号 ：特願2007-228176出願人 ：横浜国立大学

発明者 ：丸尾昭二、長谷川拓也

お問い合わせ先

国立大学法人横浜国立大学

研究推進機構産学連携推進本部

知的財産マネージャー 石井 直樹

ＴＥＬ 045-339-4453

ＦＡＸ 045-339-3057

e-mail ishii.naoki＠ynu.ac.jp