專利名稱：量子隧道效應(yīng)傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及細微的相對運動或位移，例如線性或角度分離或者平移，的精確測量和監(jiān)測。本發(fā)明在微米或納米級位移的檢測方面有特別的效用。特別，但非排他的，感興趣的是對振動和位置轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的量的測量。
背景技術(shù)：
已經(jīng)有許多應(yīng)用可檢測的量子隧道效應(yīng)電流的變化測量微米或納米級的位移或運動的公開的提議。例如，Kobayashi et al，已經(jīng)提出用于微觀結(jié)構(gòu)的位移探測器，如依賴于隧道效應(yīng)電流對試樣和尖銳的金屬尖之間的1納米級間隙長度的極度敏感性的原子力顯微鏡探針。由Kobayashi et al所作的早期相關(guān)的公開“集成的隧道效應(yīng)裝置”出現(xiàn)在1992年的MEMS刊(Proceedings of MEMS)，Travemünde(德國)，2月4-7，1992。在《設(shè)計工程(Design Engineering)》(Morgan Grampian有限公司，倫敦，英國)，1997年11月1日，的名為“微傳感器得到隧道效應(yīng)(Microsensors get tunnelling)”的摘錄中，公開了制造成絕緣硅(S.O.L.)片的依賴于隧道電流效應(yīng)的加速度計。這個裝置和在歐洲專利公開號262253中公開的微型-機械原子力傳感器頭均依賴于檢測的量子隧道效應(yīng)電流對間隙，通常是在尖端和相對的表面之間，的可變寬度的敏感性。也就是說，該尖端和該表面彼此相向和相背運動。
利用尖端和相對的表面之間的量子隧道效應(yīng)的裝置的其他公開可在美國專利號4,806,755和國際專利公開號WO 97/20189中找到。
本申請人的先前的國際專利公開WO 00/14476號公開了用于測量或監(jiān)測兩個元件相對位置或位移的微機械裝置，其中一對伸長的導(dǎo)電體被相互分離布置，以致在跨該導(dǎo)電體施加電位差時，在導(dǎo)電體間存在可探測的量子隧道效應(yīng)電流。這種裝置對在對置導(dǎo)電體之間的橫向或角度的對中度是敏感的。在該裝置的一種形式中，各基片以在2至100埃范圍的間隔安裝導(dǎo)體的相對陣列。所公開的用于精確保持此間隙的裝置包括C60納米支架或有機介質(zhì)，如環(huán)已烷，的分隔膜的使用。
在公開號WO 00/14476中公開的概念和結(jié)構(gòu)對微米或納米級別的各種各樣的申請具有重大的啟示。本發(fā)明的目的是提供體現(xiàn)這些概念的一類的實用的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實際主要涉及應(yīng)用在國際專利公開號WO 00/14476中公開的概念的單塊MEMS或NEMS，該結(jié)構(gòu)允許一對對置的基片的平行移動。
因此本發(fā)明提供單塊的微米或納米的機電傳感裝置，包括一對分別安裝一個或多個伸長的導(dǎo)電體的基片；以及彈性固態(tài)鉸鏈裝置，其與上述基片結(jié)合成一體并連接上述基片以相對地定位基片，以使上述基片各自伸長的導(dǎo)電體以一定的間隔被對置，該間隔允許在跨該導(dǎo)體應(yīng)用合適的電位差時導(dǎo)體之間可探測的量子隧道效應(yīng)電流；
其中上述固態(tài)鉸鏈裝置允許上述基片與上述伸長的導(dǎo)電體橫向地基片相對平行移動。
優(yōu)選地，安裝在各基片上的對置的伸長的導(dǎo)電體基本上是平行的。
較佳地，上述的彈性固態(tài)鉸鏈裝置的外形形成為在選擇的方向上相對于與之正交的方向具有充分低的硬度。
在一種實施方式中，上述的固態(tài)鉸鏈裝置至少包括一個從上述基片中之一突出的支柱或柱子，和將支柱與另一個基片的邊緣區(qū)域整體連接的連接板。為了檢測線性位移，上述的鉸鏈裝置將適宜地包括一對固態(tài)鉸鏈，而旋轉(zhuǎn)的或角度的平移運動的檢測通常需要一個或四個固態(tài)鉸鏈。
在較佳的裝置中，通常各個基片都是平的板或片，各個都是均勻厚度的且一個疊加在另一個的上面。矩形或正方形的板或片是較佳的，雖然在四個以角度間隔固態(tài)鉸鏈的情況下，基片中的之一為圓盤形狀是適宜的。


現(xiàn)在本發(fā)明將參照附圖，僅通過例子進一步描述，其中圖1是按照本發(fā)明實施例的單塊傳感裝置的立體圖，該裝置具有一對整體形成的固態(tài)鉸鏈并特別適合測量線性振動；圖2和圖3分別為圖1所示裝置的俯視圖和側(cè)面視圖；圖4是與圖1相似的但以不同角度觀察的視圖，是圖1所描繪的裝置的變型，具有四個整體形成的固態(tài)鉸鏈；
圖5描繪了圖1所示裝置的變型，具有一個鉸鏈以致對旋轉(zhuǎn)位移或振動是敏感的；以及圖6是具有等角度間隔布置在圓盤基片周圍的四個固態(tài)鉸鏈的裝置的近似圖。
具體實施例方式
圖1至3描繪的傳感裝置10是典型地適合于制造微米或納米結(jié)構(gòu)的類型的材料，例如硅或砷化鎵，形成的集成的單塊結(jié)構(gòu)。該裝置包括一對矩形的板或片20、25，一個20比另一個大并形成結(jié)構(gòu)的基底，另一個25由一對彈性固態(tài)鉸鏈結(jié)構(gòu)30、32被懸置在基底板20上方。在這個特定的實施例中，各個板或片20、25都是均勻厚度的，板25中心對稱地定位在基底板20之上。
鉸鏈結(jié)構(gòu)30、32與基片板20、25是一體的。各包括從基底板20直立的壁狀的支柱34。在這個特定的實施例中，各支柱34在基底板20的邊緣，支柱的外表面35與基底板的端面21齊平，當然其他的配置也是可能的。懸置的板25通過各伸長的鉸鏈連接板36、38連接到支柱34，該鉸鏈連接板以相互共面對齊的方式把板25的相對的側(cè)面與支柱34的內(nèi)表面接合在一起。在這個特定的構(gòu)造中，鉸鏈連接板36具有與板25的厚度相等的寬度，并布置成其上、下緣37分別與板25的上、下表面24齊平，并使連接板的上緣37與支柱34的上緣33齊平且相對于支柱34的上緣33正交地排列。
可以理解，因為鉸鏈連接板36在平行于板20、25的方向上比較薄，但是在與板垂直的方向上具有相對大的尺寸，所以鉸鏈是可高度彎曲的，即在平行方向上具有非常低的運動抗性但在垂直方向上具有高的硬度和對運動的抗性。
板20、25的相對面23、24是以高精確度平行的，并且以均勻的間隔或間隙50設(shè)置，以該間隔或間隙上述表面中可能存在相對的導(dǎo)體之間的可檢測的量子隧道效應(yīng)電流。為用作微米或納米機電裝置，這些表面23、24已經(jīng)嵌入與鉸鏈連接板36的平面平行排列的直接對置的對的形式的伸長的導(dǎo)電體40。適宜的電觸點42設(shè)置在金屬板20、25上以跨過對置的導(dǎo)體對施加適當?shù)碾娢徊疃a(chǎn)生穿過問隙50的可檢測的量子隧道效應(yīng)電流。在觸點42和導(dǎo)體40之間的電連接能夠通過鉸鏈連接板36被整合。
正如在前述的國際專利公開號WO 00/14476中闡述的一樣，此量子隧道效應(yīng)電流極度地依賴于導(dǎo)體之間的間隔，因為在導(dǎo)體表面之外量子波作用以指數(shù)衰減，并且檢測到的電流也是一對對置的導(dǎo)體之間的任何橫向重疊或相對角度的函數(shù)。該裝置利用了隧道效應(yīng)電流的檢測值隨著對置的導(dǎo)體的失對準而變化的線性關(guān)系，在鉸鏈連接板36彎曲時，板20、25橫向于導(dǎo)體的任何相對平行移動造成對置的導(dǎo)體的失對準。
在圖1至3所示的傳感裝置10的特別合適的應(yīng)用中，在基底板20固定到表面上并且該表面中的振動引起鉸鏈連接板36上的板25的相對振動的情況下，橫向于鉸鏈36的平面的線性振動可被檢測。所示種類的微米或納米尺寸的傳感器能夠通過在對置的導(dǎo)體在對準和失對準狀態(tài)間振蕩時檢測量子隧道效應(yīng)電流的峰值以高頻發(fā)揮作用，因此可作為高頻振動的傳感器。
圖1至3中描繪的傳感裝置的另一個應(yīng)用是作為流量計，其中板25伸入到流量中并響應(yīng)流量。應(yīng)該理解，此裝置通?？杀粦?yīng)用于測量源自位置轉(zhuǎn)換的量。
圖4至6進一步圖示說明具有其它特性或應(yīng)用的單塊微米或納米裝置的實施例。圖4所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的結(jié)構(gòu)相似，除了在懸置的板125的任一側(cè)具有兩個鉸鏈連接板130a、130b，132a、132b外。這種設(shè)計允許懸置的板125在板的尺寸大于圖1所示的情況下相對于基底板120作線性運動。
相反地，圖5所示的結(jié)構(gòu)僅有一個連接板鉸鏈230以致較小的板225從單一的支柱234以懸臂形式伸出。這種設(shè)計允許懸臂板相對于基底板的角位移。圖6所示的結(jié)構(gòu)也適用于板的相對角位移。此處，懸置板有四個等角度間隔、沿徑向延伸的鉸鏈連接板336以確保板更好、更精確的定位并提供完全不同的響應(yīng)。
圖示結(jié)構(gòu)表明的示例性的尺寸范圍將使懸置板尺寸(邊長或直徑)在100μm至100nm的范圍內(nèi)。典型的鉸鏈尺寸將包括100μm至100nm的長度、50μm至50nm的寬度及50μm至10nm的厚度。
許多已知的加工方法中的任何一種都可被應(yīng)用于本發(fā)明裝置的制造。適宜的這類方法可能包括(1)用于大約15nm甚至更小的板間的間隙50的聚焦離子束(FIB)。
(2)用于5nm甚至更小的板間的間隙的絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)。
(3)使用活性離子腐蝕(RIE)的間隙材料的蝕除法。
(4)STM/AFM電化學(xué)腐蝕。
另一種選擇是分別制造兩塊板，例如通過在底面上沉積自對準分子(SAM)層，然后，例如，通過FIB，焊接兩塊板形成鉸鏈。之后蒸發(fā)該SAM層。在這種情況下，板間的間隙將與SAM材料的厚度有關(guān)。
對于1nm或更小的間隙，當前已知的加工方法是不適宜的。因此，在這種情況下板可以被分別加工，使其彼此適宜地相隔，并使用致動器使其接近。
使用植入或納米印刻技術(shù)或任何合適的方法可應(yīng)用伸長的導(dǎo)電體和觸點。
固態(tài)的整合的鉸鏈40是非常精確的，并具有非常高的耐受性。由彈性常數(shù)或連接板結(jié)構(gòu)細節(jié)和材料的變化引起的誤差能夠被控制和減小到極低的值。圖示說明的傳感器能夠在真空中、在極度侵蝕性的空氣中、在強磁場和電場的情況下、在強放射性或宇宙輻射中和在極度低或高的溫度下起作用。
在前述范圍中從微米到納米尺度減小傳感裝置的外形尺寸(即從MEMS到NEMS)將改善鉸鏈的性能和可靠性，因此，正如通過許多研究所確立的一樣，減小尺寸相應(yīng)的伴隨著減小許多缺陷。隨著減小尺寸許多物理參數(shù)可以以更高的精度被控制。這樣的參數(shù)包括彈性模量和數(shù)個其他的物理性質(zhì)，特別是對于硅。固態(tài)的連接板鉸鏈的可靠性是非常高的，具有通常超過10年的預(yù)計壽命或連續(xù)操作超過3×1011次的循環(huán)。
各種可選擇構(gòu)造的數(shù)值和結(jié)構(gòu)分析，例如使用有限元方法，能夠為特殊的應(yīng)用提供最佳的解決方案。尤其對于板的最佳平移，在所選的運動范圍和需要的頻率下，選擇傳感器或固態(tài)的連接板鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu)、材料和尺寸是可能的。
該裝置的應(yīng)用包括測力計、流量計、陀螺儀、測振計和加速計。特別重要的一個應(yīng)用是對測量環(huán)境的最低限度的干擾都是至關(guān)緊要的表面的應(yīng)用，例如在飛機或輪船的設(shè)計中測量空氣動力面和測試，或計算機磁盤驅(qū)動器測試。
權(quán)利要求
1.一種單塊的微米或納米機電傳感裝置，包括一對分別安裝一個或多個伸長的導(dǎo)電體的基片；以及彈性固態(tài)鉸鏈裝置，該裝置與上述基片結(jié)合并連接上述基片以相對地定位基片，以致于上述基片的各伸長導(dǎo)電體以一定的間隔被對置，該間隔在跨過導(dǎo)體應(yīng)用合適的電位差時基片允許導(dǎo)體之間可探測的量子隧道效應(yīng)電流；其中上述固態(tài)鉸鏈裝置允許所述基片相對于上述伸長的導(dǎo)電體基片橫向平行移動。
2.按照權(quán)利要求2所述的機電傳感裝置，其特征在于，安裝在各基片上的對置的伸長導(dǎo)電體基本上是平行的。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的機電傳感裝置，其特征在于，上述的彈性固態(tài)鉸鏈裝置形成為在選定的方向上相對于與之正交的方向具有基本較低的硬度。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的機電傳感裝置，其特征在于，上述的固態(tài)鉸鏈裝置至少包括一個由上述基片之一突出的支柱或柱子，和將支柱整體地連接到另一個基片的邊緣區(qū)域的連接板。
5.按照前述的任何一項權(quán)利要求所述的機電傳感裝置，其特征在于，為了檢測線性位移，上述的鉸鏈裝置包括一對上述的彈性固態(tài)鉸鏈。
6.按照權(quán)利要求5所述的機電傳感裝置，其特征在于，上述的鉸鏈包括相互共面對準的鉸鏈連接板。
7.按照權(quán)利要求1至4中的任何一項所述的機電傳感裝置，其特征在于，為檢測旋轉(zhuǎn)的或角度的平移運動，上述的鉸鏈裝置包括一個或多個以角度間隔的固態(tài)鉸鏈。
8.按照權(quán)利要求1至7中的任何一項所述的機電傳感裝置，其特征在于，各基片是平的板或片，一個疊置在另一個的上面。
9.按照權(quán)利要求8所述的機電傳感裝置，其特征在于，上述的板或片是矩形的。
全文摘要
一種單塊的微米或納米的機電傳感裝置，包括一對分別安裝一個或多個伸長的導(dǎo)電體(40)的基片(20，25)；和彈性固態(tài)鉸鏈裝置(30，32)，該裝置與基片結(jié)合并連接基片以相對地定位基片，以致于基片的各伸長的導(dǎo)電體(40)以一定的間隔被對置，該間隔在跨過導(dǎo)體應(yīng)用合適的電位差時允許導(dǎo)體之間可探測的量子隧道效應(yīng)電流。固態(tài)鉸鏈裝置允許基片相對于伸長的導(dǎo)電體基片橫向平行移動。
文檔編號G01P3/52GK1809728SQ200480011047
公開日2006年7月26日 申請日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月22日
發(fā)明者馬克雷·塔德烏什·米哈利維卡茲, 齊格蒙特·雷穆察 申請人:量子精密儀器亞洲私人有限公司