專利名稱：微型化的彈簧元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型化的具有可彎曲基體的彈簧元件。本發(fā)明還 涉及一種用于掃描力顯微鏡的包括這樣的彈簧元件的梁式探針，以及 這樣的彈簧元件的制造方法。
背景技術(shù)：
微型化的具有可彎曲的顯微尺寸的基體的彈簧元件可以在大量的 應(yīng)用中使用。這樣的彈簧元件通常包括一可彎曲基體，其在對(duì)一外面 作用的機(jī)械力的反應(yīng)時(shí)被變形或偏移并且在取消外面的力時(shí)重新具有 其原來(lái)的形狀。基體的偏移對(duì)此可以特別是與作用力成比例。在微型 化的形式中，亦即具有顯微尺寸的基體，這樣的彈簧元件可以例如作 為微量天平，用于高精密地稱量各個(gè)分子的重量，作為傳感器元件用 于微力學(xué)、生物傳感裝置等中。
這樣的微型化的彈簧元件的特別知名和傳播的應(yīng)用是作為所謂的 梁式探針或懸臂結(jié)合于掃描力顯微鏡中。在這樣的掃描力顯微鏡中利 用這樣的原理，即由于在細(xì)的探針針尖與緊挨著的待檢驗(yàn)表面之間的 原子力而在探針針尖與該表面之間產(chǎn)生相互作用，其可以用于分析表 面的原子結(jié)構(gòu)。對(duì)此通常將探針針尖安裝在可彎的載體或基體上，其 中根據(jù)待檢驗(yàn)表面的以原子尺度形成的輪廓，與位置有關(guān)地校準(zhǔn)易彎 基體的相應(yīng)的偏移。通過(guò)該偏移的適當(dāng)?shù)臋z測(cè)或也通過(guò)適當(dāng)選擇的控 制信號(hào)的檢測(cè)，借其例如保持探針針尖與待檢驗(yàn)表面之間的間距不變， 因此可以按原子尺度建立待檢驗(yàn)表面的輪廓圖像。
在微型化的彈簧元件的這樣的應(yīng)用中通常重要的意義在于，可以 較精確地測(cè)量或檢測(cè)相應(yīng)的彈簧元件的根據(jù)參數(shù)或位置出現(xiàn)的偏移。 對(duì)此例如可以通過(guò)在相應(yīng)彈簧元件的上面上的光反射或也通過(guò)在可彎 曲基體中的壓阻效應(yīng)的利用實(shí)現(xiàn)偏移的檢測(cè)。尤其關(guān)于待檢驗(yàn)試件的
通常原子尺度，對(duì)此高精確的和特別可靠的偏移檢測(cè)是特別值得追求 的。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于，提供一種上述型式的微型化的彈簧元件， 借其可按特別可靠的方式和以高的精度檢測(cè)彈簧元件的偏移。此外擬 提供一種特別適用的用于制造這樣的微型化彈簧元件的方法。
關(guān)于彈簧元件按照本發(fā)明通過(guò)可彎曲基體具有一探測(cè)區(qū)域達(dá)到該
目的，通過(guò)電子的隧道過(guò)程、電離過(guò)程或優(yōu)選跳躍過(guò)程(Hopping-prozesse)確定其導(dǎo)電能力。
本發(fā)明對(duì)此從這樣的考慮出發(fā)，即通常隨著可彎曲基體的彎曲而 出現(xiàn)上述型式的彈簧元件的偏移，其本身以顯微尺寸與至少若干體積 區(qū)域的長(zhǎng)度變化、例如關(guān)于基體的內(nèi)表面或外表面的出現(xiàn)的彎曲相關(guān) 聯(lián)。為了能夠特別可靠地檢測(cè)偏移，因此擬提供即使極小的長(zhǎng)度變化、 特別是在可彎曲基體的表面附近的區(qū)域內(nèi)也特別靈敏的檢測(cè)。為了能 夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，在基體的一探測(cè)區(qū)域的范圍內(nèi)設(shè)置一系統(tǒng)，其即使對(duì) 極小的長(zhǎng)度變化也很靈敏地以其導(dǎo)電能力的一較大的明顯的變化作出 反應(yīng)。
這可通過(guò)在探測(cè)區(qū)域內(nèi)提供一 系統(tǒng)來(lái)達(dá)到，其中通過(guò)電絕緣的納 米粒子、摻雜質(zhì)、疵點(diǎn)或俘獲點(diǎn)或者通過(guò)局部化的狀態(tài)的結(jié)構(gòu)上的紊 亂或通過(guò)一零維的電子氣體或按其他方式俘獲的載流子的能量狀態(tài)被 形成。在這種情況下在供給一支持的外部的電的、電磁的或熱的激活 能時(shí)可以只熱激活地實(shí)現(xiàn)電荷傳送。可能的傳導(dǎo)機(jī)理是所謂的跳躍 機(jī)理(跳躍)、場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)或磁致電離效應(yīng)、波爾弗倫克爾 (Poole-Frenkel)效應(yīng)或在各局部化的位置之間或各瘋點(diǎn)或俘獲點(diǎn)之 間的不同性質(zhì)的電子隧道效應(yīng)。尤其在這樣的系統(tǒng)中，其中電子傳遞 基本上基于隧道效應(yīng)、電離效應(yīng)或跳躍效應(yīng)，亦即導(dǎo)電能力在極大的 程度上取決于各個(gè)局部化的狀態(tài)的彼此間距，從而在極小的間距變化 時(shí)已可得到對(duì)導(dǎo)電能力的較大影響，特別是因?yàn)殡姎饬咳珉娮杌驅(qū)щ?性在這樣的系統(tǒng)中隨各隧道配對(duì)之間的間距成指數(shù)地變化。
在對(duì)于探測(cè)區(qū)域的導(dǎo)電能力跳躍過(guò)程占優(yōu)勢(shì)的情況下，其一般出 現(xiàn)于紊亂的無(wú)定形的系統(tǒng)例如無(wú)定形的硅中，對(duì)此優(yōu)選近似地通過(guò)
In cj ~ t々的關(guān)系說(shuō)明其導(dǎo)電能力的溫度依賴性。有利地對(duì)此將探測(cè)區(qū) 域構(gòu)成為使該關(guān)系的特征指數(shù)y具有在0與1之間的數(shù)值，優(yōu)選約0.25 的數(shù)值、約0.5的數(shù)值或約1的數(shù)值。
在單一的隧道過(guò)程占優(yōu)勢(shì)的情況下，如其通過(guò)場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)或電 離效應(yīng)或Poole-Frenkel效應(yīng)在各局部變換的區(qū)域內(nèi)以低的和高的導(dǎo) 電性形成并且不遵循ln ct ~ f y的關(guān)系，探測(cè)區(qū)域相對(duì)于位置變化的機(jī) 械應(yīng)力具有一直接成指數(shù)退化的敏感性，因?yàn)殡S隧道效應(yīng)而出現(xiàn)的隧 道電流成指數(shù)地隨隧道配對(duì)的間距而降低。這些局部變換的具有低的 和高的導(dǎo)電性的區(qū)域例如通過(guò)復(fù)合系統(tǒng)(包括在一電絕緣的母體(基 礎(chǔ)介質(zhì))中嵌入的傳導(dǎo)的大量納米晶粒、疵點(diǎn)(Stoerstellen:有雜質(zhì)) 或俘獲點(diǎn)(Einfangstellen)或摻雜質(zhì)構(gòu)成。由于指數(shù)函數(shù)在全部的方案 中是最強(qiáng)增長(zhǎng)的函數(shù)，該變形探測(cè)的方法通過(guò)隧道效應(yīng)也構(gòu)成為測(cè)定 位置變化的最靈敏的方法。
為了確保為探測(cè)區(qū)域的導(dǎo)電能力設(shè)置的電子的隧道過(guò)程、電離過(guò) 程或跳躍過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成它的材料有利地具有特別適合的表面幾何
量的較小的膨脹的區(qū)域，其具有較;的導(dǎo)電能力:其經(jīng)由各具有較低
導(dǎo)電能力的中間區(qū)域相互連接或相互鄰接。對(duì)此，構(gòu)成探測(cè)區(qū)域的材 料可以具有例如無(wú)定形的納米的或多晶的結(jié)構(gòu)。但有利地探測(cè)區(qū)域由 大量在一由適當(dāng)選擇的、較小導(dǎo)電能力的特別是不導(dǎo)電的材料構(gòu)成的 母體中嵌入的納米粒子構(gòu)成，納米粒子與母體材料相比具有較高的導(dǎo) 電能力。
納米粒子對(duì)此可以由具有適當(dāng)高導(dǎo)電能力的材料、例如由半導(dǎo)的 或超導(dǎo)的材料構(gòu)成。但通過(guò)有利地納米粒子由金屬特別是金(An)或 鉑(Pt)構(gòu)成，可達(dá)到要求的特性的特別符合需求的校準(zhǔn)。
優(yōu)選為了形成成母體，設(shè)置無(wú)機(jī)的、有機(jī)的或介電的材料或也設(shè) 置聚合物材料。
有利地將構(gòu)成探測(cè)區(qū)域的材料，其作為傳感活性的材料設(shè)置，關(guān) 于其相應(yīng)參數(shù)的選擇在特別的程度上按照導(dǎo)電能力對(duì)變形或長(zhǎng)度變化 所要求的很大的依賴性設(shè)計(jì)。為了確保這一點(diǎn)，特別將納米粒子或引 起局部化狀態(tài)的各瘋點(diǎn)關(guān)于其在嵌入母體時(shí)的尺寸、間距、特性和粒 子數(shù)目密度適當(dāng)選擇成使得產(chǎn)生的導(dǎo)電能力基本上通過(guò)所述電子的隧 道過(guò)程、電離過(guò)程或跳躍過(guò)程主導(dǎo)控制。對(duì)此納米粒子具有例如達(dá)
10nm的平均的粒子尺寸。但按選擇也可設(shè)想達(dá)100nm或更大的粒子 尺寸，只要它們彼此足夠地電絕緣和其間距充分地小，從而可以校準(zhǔn) 它們之間的隧道效應(yīng)。
在一有利地進(jìn)一步構(gòu)成中，探測(cè)區(qū)域通過(guò)在一載體上涂覆的涂層 構(gòu)成。關(guān)于微型化彈簧元件的其他的特性，例如品質(zhì)、變形性或其他 的彈性特性，對(duì)此可以利用現(xiàn)有的和在使用中已證明適用的彈簧元件， 其中特別在用作為梁式探針在掃描力顯微鏡中使用時(shí)，可以設(shè)置一硅 基片。在這樣的通常的彈簧元件或懸臂的一改進(jìn)的型式中，對(duì)此可以 通過(guò)涂覆所述型式的涂層來(lái)構(gòu)成基體的探測(cè)區(qū)域。但按選擇基體也可 以作為整體并從而其全部構(gòu)成探測(cè)區(qū)域。
彈簧元件和特別是構(gòu)成它的基體優(yōu)選關(guān)于其尺寸確定和造型特別 匹配于設(shè)定的應(yīng)用目的。例如基體對(duì)此可以構(gòu)成膜片式的，這特別能 夠在壓力傳感器等中使用。但有利地基體也可以以一種沿縱向方向延 伸的桿的型式構(gòu)成，其中通過(guò)預(yù)定這樣的縱向延伸來(lái)構(gòu)成一確定的測(cè) 量幾何形狀?；w對(duì)此有利地具有基本上棱柱形的橫截面。
彈簧元件適用于大量的應(yīng)用，例如作為極小型的和靈敏的氣體或 生物傳感器用于分子化學(xué)或生命科學(xué)的領(lǐng)域中，例如在氣體濃度測(cè)定 或DNA (脫氧核糖核酸)分析中。在醫(yī)學(xué)中可設(shè)想這樣的彈簧元件的 多維彈簧例如用于經(jīng)由呼出的空氣的新陳代謝產(chǎn)物的分析通過(guò)直接稱 量分子的重量和描述其特性診斷疾病。借助于極小的微型化彈簧元件 的血液分析一般也可以用于心肌梗塞診斷學(xué)或用于追蹤腫瘤標(biāo)志。在 微生物學(xué)的領(lǐng)域中，彈簧元件由于經(jīng)由探測(cè)區(qū)域結(jié)合的偏移傳感裝置 用于化驗(yàn)細(xì)菌以及檢驗(yàn)對(duì)抗菌素的抵抗力，如其在由細(xì)菌引起的疾病
的用藥克服中越來(lái)越經(jīng)常出現(xiàn)的。這樣的彈簧元件在環(huán)境保護(hù)中也可 以用于化驗(yàn)空氣中、氣體中和液體中的有毒的成分或在化學(xué)工業(yè)中發(fā) 現(xiàn)有毒的或爆炸的物質(zhì)。
但在特別有利的進(jìn)一步構(gòu)成中，將彈簧元件作為懸臂用于掃描力 顯微鏡中，其中懸臂為了構(gòu)成掃描力顯微鏡的所謂梁式探針而以適當(dāng) 的方式設(shè)有一探針針尖或探針頭。尤其在這樣的應(yīng)用中亦即特別有利 地起極靈敏的和高分辨的偏移傳感器裝置的作用并且其在掃描力顯微 學(xué)中能夠?qū)崿F(xiàn)需要的特別高的測(cè)量靈敏性。
掃描力顯微鏡對(duì)此符合目的地以本來(lái)通用的方式和方法設(shè)計(jì)用來(lái) 側(cè)面地探測(cè)測(cè)量對(duì)象的表面幾何形狀。為了對(duì)此可以特別有利地利用 探測(cè)區(qū)域依賴于彈簧元件的偏移的導(dǎo)電性的高靈敏的變化，掃描力顯 微鏡有利地設(shè)有一評(píng)價(jià)裝置，其借助梁式探針的控制數(shù)據(jù)或測(cè)量數(shù)據(jù) 產(chǎn)生一反映測(cè)試物體的表面幾何形狀特性的數(shù)據(jù)組，其中該評(píng)價(jià)裝置 在數(shù)據(jù)組的產(chǎn)生中考慮到反映懸臂探測(cè)區(qū)域的導(dǎo)電性特性的特征值。 同時(shí)表面幾何形狀可以例如以一表面形貌的型式來(lái)評(píng)價(jià)。在利用一磁 性的探針頭評(píng)價(jià)一磁化的試樣時(shí)，也可以評(píng)價(jià)"磁性的表面幾何形狀"。 按選擇或附加地也可以設(shè)置懸臂沿表面的側(cè)面運(yùn)動(dòng)，其中由于與試樣 表面的摩擦導(dǎo)致懸臂的扭轉(zhuǎn)(所謂"摩擦模式")。
在掃描力顯微鏡操作中有利地借助 一反映梁式探針探測(cè)區(qū)域的導(dǎo) 電能力特性的測(cè)量值求得梁式探針的偏移。為此使彈簧元件的探測(cè)區(qū) 域優(yōu)選適當(dāng)?shù)亟佑|并連接于掃描力顯微鏡的評(píng)價(jià)裝置。
為了彈簧元件的制造基本上可設(shè)想不同的技術(shù)。但一種可特別好
地適應(yīng)于彈簧元件設(shè)計(jì)原理、特別是適應(yīng)于探測(cè)區(qū)域的制備并從而特 別適用于制造的方法，借其按照本發(fā)明達(dá)到與此有關(guān)的目的，是通過(guò) 局部的能量激發(fā)的沉積，例如離子射線誘發(fā)的、熱解作用誘發(fā)的或光
子束誘發(fā)的沉積、特別有利的是電子射線誘發(fā)的沉積(EBID)。該方 法基于通過(guò)包括電子、離子或光子的屏蔽的粒子射線或一由電磁波構(gòu) 成的射線發(fā)生的、 一在射線點(diǎn)存在的前身氣體的物理和化學(xué)的轉(zhuǎn)變過(guò) 程。通過(guò)該方法特別是在以顯微尺度的沉淀物結(jié)構(gòu)化的意義上，功能
性的納米結(jié)構(gòu)的針對(duì)的材料沉積是可能的，其中通過(guò)適當(dāng)?shù)某练e參數(shù) 的選擇，將所要求的結(jié)構(gòu)的針對(duì)的空間構(gòu)造限制到在成品中要求的空 間的構(gòu)成是可能的。
由此為了在微型化的成品中產(chǎn)生要求的空間形狀，按傳統(tǒng)的方法
一次沉淀(deponierte)的構(gòu)造的以后的后處理、例如通過(guò)光刻蝕刻 是不必需的。沉淀物構(gòu)造的過(guò)程對(duì)此基于這樣的原理，即一原始構(gòu)造 物質(zhì)(前體Praekursor)的分子，其處于氣相并在一真空環(huán)境內(nèi)吸 附在一表面上，利用一局部集中的能量入射，其例如包括聚焦的電子、 離子或光子或其他的能量聚束的物體，被激發(fā)并且通過(guò)其化合 (Bindungen)的分解或轉(zhuǎn)變過(guò)程作為沉積物或沉淀物持久地固定在 一附近的基片的表面上。開(kāi)始的材料沉積同時(shí)作為晶芽點(diǎn)用于新的沉 積，其通過(guò)能量作用的局部位置及其停留持續(xù)時(shí)間引導(dǎo)，從而根據(jù)能 源的聚焦性可以用達(dá)納米精度的精確度在基片上沉積任意的三維物 體。
通過(guò)原始物質(zhì)或前體材料的適當(dāng)選擇和也通過(guò)在沉積過(guò)程中應(yīng)用 的參數(shù)的適當(dāng)選擇，以特別靈活的和廣泛的方式采取對(duì)成品的顯微特 性的影響措施是可能的。為了在探測(cè)區(qū)域內(nèi)確保導(dǎo)電能力對(duì)可能發(fā)生
米粒子在一適當(dāng)^母體中的分布，對(duì)此作為前體材料有利地采^]有機(jī) 的、無(wú)機(jī)的、介電的或金屬有機(jī)的絡(luò)合物、單體、低聚物、聚合物或 者由這些單體、低聚物和聚合物構(gòu)成的混合物，其優(yōu)選處于氣相并且 具有一對(duì)于沉積特別有利的蒸汽壓力。有利地作為前身物質(zhì)特別采用 CH3、 C502H7、 C502F3H4、 C502F5H、 C5HS、 Me2Au ( acac)(化學(xué)) 總式(CH3)2AuC502H7l、 Me2Au(tfac)[總式(CH3)2AuC502F3H4I、 Me2Au ( hfac )[總式:(CH3)2AuC502F6HI 、 Cu(hfac)總式: Cu(C502F6H)2、CpPtMe總式C5H5Pt(CH3)3l 、 CpMePtMe總式 C3H4(CH3)Pt(CH3)3、MO(CO)" W(CO)6、 WF6 、 [RhCl(PF3)22 、 Co2(Co)8、 AuCl(PF3)和/或Ni(CO)4。
所述沉積方法特別是不僅適用于制造表面涂層用于在一用作為載
體的基片上以事后載體改進(jìn)的方式產(chǎn)生探測(cè)區(qū)域而且適用于制造塊 體，其中彈簧元件的基體本身已由嵌入母體的納米粒子構(gòu)成并從而其 本身全部構(gòu)成探測(cè)區(qū)域。為了制造這樣的結(jié)構(gòu)，有利地將一為前身物 質(zhì)的能量激發(fā)設(shè)置的能量粒子射線或一局部熱解的處理例如通過(guò)激光 輻射，關(guān)于基片在側(cè)面或三維地根據(jù)預(yù)定的沉淀物理想幾何形狀引導(dǎo)。
有利地對(duì)此在沉積過(guò)程中適當(dāng)?shù)乜刂颇阁w的溫度。借此影響在基 片上的表面擴(kuò)散過(guò)程的速度，這導(dǎo)致前體材料的可控的補(bǔ)充率并從而 導(dǎo)致受控的沉淀物的增長(zhǎng)率?；蛘咭部梢赃@樣控制補(bǔ)充率，即提高或 降低前體源的溫度，因?yàn)檫@對(duì)前體的蒸汽壓力具有直接的影響。
或者也可以有利地采用熱解作用的或熱解誘發(fā)的沉積。對(duì)此也可 以將固體的沉淀物沉積在一基片上，即按照前體分子的不定向的吸附 作用加熱基片，例如從下面經(jīng)由加熱絲或從上面通過(guò)激光束。能量供 給接著局部引起前體材料的要求的轉(zhuǎn)變。借此可得到側(cè)面的雖然只較 粗構(gòu)造成的沉淀物，但例如特別適用于懸臂在硅基上的事后的改進(jìn)
(Veredelung)。此外這樣的熱解作用的沉積可以用于制造用于壓力測(cè) 定的膜片，其中側(cè)面的微觀結(jié)構(gòu)化只具有次要的意義。
通過(guò)所述沉淀物結(jié)構(gòu)化的應(yīng)用、特別是通過(guò)借助于電子射線誘發(fā) 的沉積或特借助于離子射線誘發(fā)的、熱解作用誘發(fā)的或光子射線誘發(fā) 的沉積來(lái)制造彈簧元件的探測(cè)區(qū)域整個(gè)基體，在校準(zhǔn)成品的要求特性 時(shí)可達(dá)到特別高的靈活性。通過(guò)對(duì)母體的適當(dāng)結(jié)構(gòu)的選擇，不僅可以 在對(duì)長(zhǎng)度變化時(shí)要求的靈敏性的目的上適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)導(dǎo)電能力，而更確 切地說(shuō)在沉淀結(jié)構(gòu)時(shí)制造參數(shù)的針對(duì)的影響也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其他的顯微 特性的針對(duì)性的影響措施。特別是同時(shí)可以根據(jù)預(yù)定的應(yīng)用目的適當(dāng) 地影響基體并從而整個(gè)彈簧元件的機(jī)械特性，其中特別是可以校準(zhǔn)對(duì) 應(yīng)用目的特別有利的彈簧元件彈性或特別有利的彈簧元件品質(zhì)。
例如通過(guò)由金屬有機(jī)的絡(luò)合物構(gòu)成的前體的應(yīng)用，為在隧道電子 學(xué)中的使用，沉積可特別易彎的柔軟結(jié)構(gòu)、特別是具有納米晶粒特性 的導(dǎo)電的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。相反，具有高的碳含量的前體，例如揮發(fā)性的剩 余氣體-油分子，作為沉淀物由于在聚集中起作用的共價(jià)的碳化合而構(gòu)
成機(jī)械上特別"硬"的金剛石似的沉淀物，其作為彈簧元件表現(xiàn)出特別 剛性的性能。這在制造彈簧元件時(shí)應(yīng)特別有利地這樣考慮，將一些參 數(shù)即前身物質(zhì)的類型、量和/或成分、沉積區(qū)域內(nèi)的氣體壓力、局部能 量施加的強(qiáng)度(例如電子射線)、電子射線的入射持續(xù)時(shí)間、電子射線 的聚焦量、基片材料和/或基片溫度調(diào)節(jié)成使彈簧元件具有一預(yù)定的彈 簧常數(shù)和/或一預(yù)定的品質(zhì)。
通過(guò)沉積參數(shù)的適當(dāng)選擇也可以制造這樣的彈簧元件，其在機(jī)械 負(fù)荷方面與基于半導(dǎo)體的由單晶的或多晶(例如由硅懸臂)構(gòu)成的彈
簧元件相比以較高的牢固性和耐用性或無(wú)疲勞為特征。沉積參數(shù)可以
例如選擇成使彈簧元件的絕大部分由一具有占優(yōu)勢(shì)的共價(jià)的化合成分
的母體構(gòu)成，例如在各碳原子之間為金剛石狀化合的形式(四面體的
配位)。于是也可以制造很硬的彈簧元件，如果只局部地構(gòu)成金剛石狀
的化合(無(wú)定形的結(jié)構(gòu))的話。在相當(dāng)程度上無(wú)定形的結(jié)構(gòu)中由于缺
少有序的原子晶格結(jié)構(gòu)而不出現(xiàn)或只出現(xiàn)很小的位錯(cuò)形成。結(jié)構(gòu)由此
變成無(wú)疲勞的，因?yàn)橹匾暮膿p過(guò)程是各位錯(cuò)的滑動(dòng)。因此這樣的復(fù)
合結(jié)構(gòu)一般很好地適用于硬材料應(yīng)用，例如用于硬材料涂層。
在這方面還可以考慮，在沉積時(shí)以納米精度可自由選擇的沉淀物
彈簧結(jié)構(gòu)在基片上的定位性，還允許較復(fù)雜的功能相關(guān)的多重彈簧系
統(tǒng)的構(gòu)造，從而能夠按特別簡(jiǎn)單的方式制造彈簧裝置場(chǎng)(所謂彈簧或
懸臂陣列)。此外對(duì)應(yīng)用相關(guān)的目的的另一適應(yīng)性也這樣提供，即在設(shè)
定的沉淀物結(jié)構(gòu)化中關(guān)于幾何形狀外表提供較高的靈活性。特別是側(cè) 面的分辨率和外表狀況(或高寬比)以及沉淀物的其他的機(jī)械彈性的、
電的和磁性的特性較靈敏地取決于所選擇的能源的類型、其強(qiáng)度和其 作用持續(xù)時(shí)間以及所使用的前體材料的為在沉淀物沉積在母體上時(shí)轉(zhuǎn) 變過(guò)程重要的較復(fù)雜的相互作用、其數(shù)量和其他的環(huán)境因素例如溫度、 基片材料和過(guò)程真空的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的影響措施由此使制成 的沉淀物的不同特性的有針對(duì)的校準(zhǔn)是可能的。
利用本發(fā)明達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)特別在于，通過(guò)在嵌入一母體的納米粒子 的基礎(chǔ)上提供一探測(cè)區(qū)域，可以達(dá)到探測(cè)區(qū)域的導(dǎo)電能力對(duì)以極小尺
寸的長(zhǎng)度變化的特別靈敏的依賴性。由此可實(shí)施特別靈敏的測(cè)定，其 隨極小的長(zhǎng)度變化而出現(xiàn)，例如其導(dǎo)致彈簧元件的表面附近的區(qū)域的 局部收縮或擴(kuò)展。由此可特別精確地測(cè)量彈簧元件的偏移，從而在這 樣的偏移測(cè)定的基礎(chǔ)上可以提供高精密的傳感器。對(duì)于也要檢測(cè)較大
的偏移的應(yīng)用情況，彈簧元件可以附加設(shè)有鏡面化(verspiegelte )的 表面，其使得能夠?qū)崿F(xiàn)偏移的光檢測(cè)，
這樣的傳感器可以例如在微力學(xué)、生物傳感裝置等中使用。并且 通過(guò)借助于沉淀物結(jié)構(gòu)化方法如特別是電子射線誘發(fā)的沉積制造探測(cè) 區(qū)域或整個(gè)彈簧元件，顯微結(jié)構(gòu)包括要求的特性的高頻帶寬度的針對(duì) 的制造是可能的，其中特別通過(guò)適當(dāng)?shù)牟牧虾蛥?shù)選擇，除電的特性 外還可以特別有利地校準(zhǔn)機(jī)械特性。特別是通過(guò)這樣的靈活性具有預(yù) 先校準(zhǔn)各元件的彈簧特征的可能性，這使其特別是增強(qiáng)在掃描力顯微 鏡中使用。此外，通過(guò)電子射線誘發(fā)的沉積可制造極微型化的彈簧元 件或懸臂，其中特別是幾乎可自由選擇彈簧和探測(cè)幾何形狀。微力學(xué) 系統(tǒng)的微型化對(duì)此與通用的系統(tǒng)相比變得進(jìn)一步有意義，其中與用傳 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化方法制成的系統(tǒng)相比例如可達(dá)到減小1000倍的長(zhǎng)度測(cè)定。


借助附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。其中 圖la、 lb分別示出一個(gè)微型化的彈簧元件； 圖2 示意示出的掃描力顯微鏡；以及 圖3a-3c各一個(gè)在基片上生長(zhǎng)的沉淀物的不同沉積階段。 相同的部分在全部圖中設(shè)有相同的標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式
按圖la或圖lb的微型化的彈簧元件l、l'特別設(shè)定在掃描力顯微 鏡中作為懸臂2或梁式探針使用。但按選擇也可設(shè)想在微傳感裝置或 生物傳感裝置等中大量其他的應(yīng)用可能性。微型化的彈簧元件1、 1' 包括一可彎的基體4，其以沿由箭頭6表示的縱向方向延伸的桿的型 式構(gòu)成并且具有一基本上棱柱形的橫截面。基體同時(shí)關(guān)于其彈性特性 等為此設(shè)計(jì)成，使其因一外面施加的機(jī)械力沿一由箭頭8表示的基本
上垂直于縱向方向的偏移方向偏移，此時(shí)產(chǎn)生基體2的相應(yīng)的彎曲。 圖la、 lb中示出相應(yīng)的基體4處于一這樣的偏移的位置。在取消由外 面作用的機(jī)械力時(shí)基體4恢復(fù)原狀，并且整個(gè)彈簧元件l、 l'與基體一 起處于一基體上直線定位的靜止位置。如果人們使彈簧元件1、 l'在其 外形上垂直于中間平面延伸，則產(chǎn)生一薄的膜片用以檢測(cè)平面作用的 力，例如用于測(cè)量熱力學(xué)的氣體壓力。
彈簧元件1 、 1 '為此設(shè)計(jì)成按特別靈敏的和高分辨的方式精確地檢 測(cè)在機(jī)械力作用時(shí)的偏移。為此彈簧元件l、 l'的基體4分別包括一探 測(cè)區(qū)域IO，其由嵌入一母體12的優(yōu)選金屬的納米粒子14構(gòu)成。母體 12對(duì)此在該實(shí)施例中構(gòu)成為聚合物母體，在其中嵌入金屬的納米粒子 14。納米粒子對(duì)此構(gòu)成嵌入的局部化的電荷狀態(tài)。其也可以按選擇或 附加地通過(guò)瘋點(diǎn)或俘獲點(diǎn)或通過(guò)結(jié)構(gòu)上的紊亂、例如以無(wú)定形的介質(zhì) 構(gòu)成。
關(guān)于母體12和納米粒子14的材料選擇以及關(guān)于在實(shí)施例中約 10nm的平均粒子尺寸、和納米粒子14的密度，將各相應(yīng)的參數(shù)選擇 成使得通過(guò)跳躍過(guò)程反映在母體12內(nèi)各納米粒子14之間電傳遞的特 性并經(jīng)由隧道過(guò)程引導(dǎo)。探測(cè)區(qū)域10中的傳導(dǎo)機(jī)理因此通過(guò)在各局部 化的位置之間的熱激活的跳躍機(jī)理(跳躍、最鄰接的跳躍、可變范圍 的跳躍)來(lái)實(shí)現(xiàn)并通過(guò)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)形成。通過(guò)遵守這樣的邊 界條件確保，探測(cè)區(qū)域io的導(dǎo)電能力也非常強(qiáng)地和靈敏地取決于極小
的長(zhǎng)度或間距變化，從而可證明其具有高的靈敏性和分辨率。如由圖 la、圖lb中的視圖可看出的，至少局部產(chǎn)生基體4在偏移方向上的偏 移，并且在基體4的表面附近沿縱向方向產(chǎn)生至少微小的長(zhǎng)度變化， 從而也可以經(jīng)由探測(cè)區(qū)域10的導(dǎo)電能力變化以高的靈敏性測(cè)量這樣 的偏移。
按圖la的彈簧元件l在這里回歸傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的在硅基礎(chǔ)上的彈 簧元件地構(gòu)成，其用作為載體16并且為了構(gòu)成探測(cè)區(qū)域10設(shè)有一表 面的涂層。因此按圖la的彈簧元件1的結(jié)構(gòu)形式相當(dāng)于傳統(tǒng)的彈簧元 件的改進(jìn)，其中通過(guò)事后的涂層涂覆為所要求的高測(cè)量分辨率設(shè)置的
14探測(cè)區(qū)域10。
不同于此，按圖ib的彈簧元件r以一種三維的型式或成塊(Buik)
全新制成的基體4的形式構(gòu)成，其已本來(lái)由嵌入母體12的金屬的納米 粒子14構(gòu)成并因此其本身整體構(gòu)成探測(cè)區(qū)域10。尤其在該實(shí)施例中 因此通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇，除探測(cè)區(qū)域10的電特性、特別是傳導(dǎo)特性 外，還可適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)整個(gè)基體4的機(jī)械特性。特別是在該實(shí)施例中總 體上母體12的機(jī)械特性、基體4的彈性特性(彈性模量)和機(jī)械品質(zhì) 占主導(dǎo)。通過(guò)為形成母體12所使用的材料的適當(dāng)選擇和通過(guò)金屬成分 的納米部分的結(jié)構(gòu)，在制造基體4時(shí)在相當(dāng)大程度上抑制位錯(cuò)形成， 從而其同時(shí)可達(dá)到的彈簧元件l'的品質(zhì)和機(jī)械許可應(yīng)用及無(wú)疲勞并從 而其在機(jī)械負(fù)荷時(shí)的牢固性和耐用性是特別高的。
彈簧元件l、 l'特別地構(gòu)成為在掃描力顯微鏡中使用。為此在基體 4上相應(yīng)成形一探針針尖20,經(jīng)由它能夠探測(cè)一測(cè)量對(duì)象。 一相應(yīng)的 掃描力顯微鏡22的結(jié)構(gòu)示意地示于圖2中。掃描力顯微鏡22包括一 懸臂2,也稱為梁式探針，其構(gòu)成為彈簧元件l、 l'。對(duì)此探針針尖20 可沿一測(cè)量對(duì)象24的表面移動(dòng)。探針針尖20同時(shí)通過(guò)一壓電的探測(cè) 裝置26在測(cè)量對(duì)象的表面上移動(dòng)。通過(guò)經(jīng)由分別設(shè)置的探測(cè)區(qū)域10 的適當(dāng)接觸而求得構(gòu)成懸臂2的彈簧元件1、 l'的導(dǎo)電能力的變化，同 時(shí)確定懸臂2的偏移。
一探測(cè)裝置(壓電變換器)26由一壓電放大器29驅(qū)動(dòng)。通過(guò)一 比較器28預(yù)定其輸出電壓，比較器28將來(lái)自懸臂2的偏移傳感器的、 在放大器27中放大的測(cè)量信號(hào)(實(shí)際值)與一來(lái)自額定值傳感器的額 定性相比較。比較器的輸出電壓發(fā)生變化，直到額定值與實(shí)際值的差 消失為止。借此在側(cè)面掃描時(shí)保持懸臂在測(cè)量對(duì)象上面的高度或懸臂 在以"接觸模式"的測(cè)量時(shí)壓緊力不變。由比較器28的輸出電壓按傳統(tǒng) 的方式求得掃描力顯微鏡圖象。
為了用具有周期性出現(xiàn)的離測(cè)量對(duì)象表面的最小間距的振動(dòng)的懸 臂進(jìn)行測(cè)定，設(shè)有一振蕩器31。振蕩器信號(hào)在此供給比較器。在這種 情況下懸臂偏移的測(cè)定需要相位靈敏的整流器(Gleichrichter )作為
放大器27的部分。
彈簧元件1、 1'的探測(cè)區(qū)域10和可能也整個(gè)的基體4通過(guò)所謂的 沉淀物結(jié)構(gòu)化制造，其中在這些空間范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)結(jié)構(gòu)的部分增長(zhǎng) 并也限制在這些空間范圍上，在這些空間范圍內(nèi)設(shè)定形成所要求的結(jié) 構(gòu)。借此取消在其他的微型化構(gòu)造中所要求的事后的例如光刻的蝕刻。 為了制造相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，在該實(shí)施例中設(shè)置所謂的電子射線誘發(fā)的或離 子射線誘發(fā)的沉積的方法。相應(yīng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)形成階段對(duì)此示于圖3a 至3c中。
如由圖3a中的示意圖可看出的，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中，特別是在真空 中將前身物質(zhì)，如其在圖3a中借助各粒子50所示的，以氣態(tài)的形式 置于一基片52的附近。通過(guò)在前體分子與基片之間的粘附力，在基片 上發(fā)生前體材料的吸附作用。
在一緊挨著基片52的沉積區(qū)域54內(nèi)用能量激發(fā)前身物質(zhì)以進(jìn)行 轉(zhuǎn)變，此時(shí)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以固體的且不揮發(fā)的形式作為沉積物或沉淀物56 持久地沉降在基片52上。在基片52上的開(kāi)始的材料沉積同時(shí)用作為 新沉積的晶芽點(diǎn)，其通過(guò)能量作用的局部位置及其停留持續(xù)時(shí)間引導(dǎo)， 從而可以在基片52上產(chǎn)生幾乎任意的三維物體。如圖3b中所示，對(duì) 此通過(guò)電子射線或離子射線的焦點(diǎn)的適當(dāng)?shù)目臻g變化，以不同的幾何 形狀針對(duì)地沉積沉淀物是可能的，其中如圖3c中所示，通過(guò)側(cè)面的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)也可以產(chǎn)生沉淀物56的彎曲的結(jié)構(gòu)。
附圖標(biāo)記清單
i、 r彈簧元件
2懸臂(梁式探針)
4基體
6、 8箭頭
10探測(cè)區(qū)域
12母體
14納米粒子
16載體
20探針針尖
22掃描力顯微鏡
24測(cè)量對(duì)象
26探測(cè)裝置(壓電變換器)
27放大器(必要時(shí)對(duì)數(shù)式的)
28比較器
29壓電放大器
30額定值傳感器
31振蕩器(任選的)
50粒子(前身物質(zhì))
52基片
54沉積區(qū)域
56沉淀物
權(quán)利要求
1. 一種微型化的彈簧元件(1、1′)，包括一可彎曲的基體(4)，該基體具有一探測(cè)區(qū)域(10)，通過(guò)隧道過(guò)程、電離過(guò)程或跳躍過(guò)程確定該探測(cè)區(qū)域的導(dǎo)電能力。
2. 按照權(quán)利要求1所述的彈簧元件(1、 l')，其特征在于，近似 地通過(guò)lnCT t々的關(guān)系給出探測(cè)區(qū)域(10)的導(dǎo)電能力(cj)的溫度依 賴性，其中特征指數(shù)(Y)具有在0與1之間的數(shù)值，優(yōu)選約0.25的 數(shù)值、約0.5的數(shù)值或約1的數(shù)值。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的彈簧元件(1、 1')，其探測(cè)區(qū)域(10 ) 由嵌入一母體(12)中的納米粒子(14)構(gòu)成，納米粒子與母體材料 相比具有較高的導(dǎo)電能力。
4. 按照權(quán)利要求3所述的彈簧元件(1、 l')，其納米粒子(14) 是金屬的。
5. 按照權(quán)利要求4所述的彈簧元件(1、 l')，其特征在于，金屬 的納米粒子(14)由化學(xué)穩(wěn)定的材料、優(yōu)選由Au或Pt構(gòu)成。
6，按照權(quán)利要求3至5之一項(xiàng)所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，母體(12)由聚合物材料、優(yōu)選由有機(jī)的或無(wú)機(jī)的結(jié)構(gòu)元件、 由以碳為基礎(chǔ)的化合物、由碳氧化合物、由氫化合物、由氟化合物和/ 或由含金屬的結(jié)構(gòu)元件構(gòu)成。
7. 按照權(quán)利要求3至5之一項(xiàng)所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，母體(12)由有機(jī)的、無(wú)機(jī)的或介電的材料構(gòu)成。
8. 按照權(quán)利要求3至7之一項(xiàng)所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，納米粒子(14)具有達(dá)100nm、優(yōu)選達(dá)10nm的平均的粒子尺 寸。
9. 按照權(quán)利要求1至8之一項(xiàng)所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，探測(cè)區(qū)域(10)通過(guò)一涂覆在一載體(16)上的涂層構(gòu)成。
10. 按照權(quán)利要求1至8之一項(xiàng)所述的彈簧元件(1、 其特征 在于，基體(4)構(gòu)成探測(cè)區(qū)域(10)。
11. 按照權(quán)利要求1至IO之一項(xiàng)所述的彈簧元件(1、 l')，其基 體(4)構(gòu)成為薄的膜片或以一沿縱向方向延伸的桿的型式構(gòu)成。
12. 按照權(quán)利要求11所述的彈簧元件(1、 l')，其基體(4)具有 基本上棱柱形的橫截面。
13. 用于掃描力顯微鏡的梁式探針，包括一設(shè)有一探針針尖(20) 的懸臂(2)，其特征在于，懸臂(2)構(gòu)成為按照權(quán)利要求1至12之 一項(xiàng)所述的彈簧元件(1、 l')。
14. 具有按照權(quán)利要求13所述的梁式探針的掃描力顯微鏡(22 )。
15. 按照權(quán)利要求14所述的掃描力顯微鏡，包括一評(píng)價(jià)裝置，該 評(píng)價(jià)裝置借助于梁式探針的控制數(shù)據(jù)或測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生一反映測(cè)量對(duì)象(24)的表面幾何形狀特性的數(shù)據(jù)組，其中，評(píng)價(jià)裝置在數(shù)據(jù)組的產(chǎn) 生中考慮到反映懸臂(2)的導(dǎo)電能力(5)特性的特征值。
16. 用于制造按照權(quán)利要求1至12之一項(xiàng)所述彈簧元件(1、 l') 的方法，其特征在于，通過(guò)局部的能量施加，優(yōu)選通過(guò)電子射線誘發(fā) 的沉積制造探測(cè)區(qū)域(10 )。
17. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，氣態(tài)地供給一在 一基片(52)附近的沉積區(qū)域(54)的大量前身物質(zhì)(50)用能量被 激發(fā)以進(jìn)行轉(zhuǎn)變，此時(shí)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以固體的且不揮發(fā)的形式沉淀在基片(52)上。
18. 按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，作為前身物質(zhì)(50) 采用有機(jī)的、無(wú)機(jī)的、介電的或金屬有機(jī)的單體、低聚物和/或聚合物。
19. 按照權(quán)利要求16至18之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將 為前身物質(zhì)(50)的能量激發(fā)而設(shè)置的離子、光子或電子射線關(guān)于基 片(52)在側(cè)面或三維地根據(jù)預(yù)定的沉淀物(56)理想幾何形狀引導(dǎo)。
20. 按照權(quán)利要求17至19之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在 沉積過(guò)程中根據(jù)在沉積區(qū)域(54)測(cè)得的前身物質(zhì)(50)蒸汽壓力控 制基片(52)的溫度和/或前體源的溫度。
21. 按照權(quán)利要求17至20之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將 一些參數(shù)，即前身物質(zhì)(50)的類型、數(shù)量和/或成分，沉積區(qū)域(54) 內(nèi)的氣體壓力，局部能量施加的強(qiáng)度，其入射持續(xù)時(shí)間，其聚焦尺寸， 基片材料和/或基片溫度調(diào)節(jié)成，使得彈簧元件(l、 l')具有一預(yù)定的彈簧常數(shù)和/或一預(yù)定的品質(zhì)或者探測(cè)區(qū)域(10)具有一預(yù)定的導(dǎo)電能力。
22.用于操作按照權(quán)利要求14或15所述掃描力顯微鏡(22)的 方法，其特征在于，借助一反映梁式探針的導(dǎo)電能力特性的測(cè)量值求 得梁式探針的偏移。
全文摘要
一種微型化的彈簧元件(1、1′)，擬特別適用于作為梁式探針或懸臂(2)使用，以便檢測(cè)原子力或分子力，特別使在掃描力顯微鏡(22)內(nèi)進(jìn)行，并且為此能夠特別可靠地和高分辨地檢測(cè)偏移。為此彈簧元件(1、1′)按照本發(fā)明包括一基體(4)，其由一包括嵌入的大量納米粒子(14)或疵點(diǎn)的母體構(gòu)成。通過(guò)局部沉積的原理的應(yīng)用，利用聚焦的能量粒子或電磁波或借助于熱解作用誘發(fā)的沉積制造彈簧元件(1、1′)。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101379383SQ200780004282
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月1日
發(fā)明者A·卡亞, M·胡特 申請(qǐng)人:納米尺度體系Nanoss有限公司;約翰沃爾夫?qū)璧麓髮W(xué)