專利名稱：微型化的彈簧元件及其制造方法
技術領域：
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：
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 應用中使用。這樣的彈簧元件通常包括一可彎曲基體，其在對一外面 作用的機械力的反應時被變形或偏移并且在取消外面的力時重新具有 其原來的形狀?；w的偏移對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分子的重量，作為傳感器元件用 于微力學、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用是作為所謂的 梁式探針或懸臂結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，即由于在細的探針針尖與緊挨著的待檢驗表面之間的 原子力而在探針針尖與該表面之間產生相互作用，其可以用于分析表 面的原子結構。對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)待檢驗表面的以原子尺度形成的輪廓，與位置有關地校準易彎 基體的相應的偏移。通過該偏移的適當?shù)臋z測或也通過適當選擇的控 制信號的檢測，借其例如保持探針針尖與待檢驗表面之間的間距不變， 因此可以按原子尺度建立待檢驗表面的輪廓圖像。
在微型化的彈簧元件的這樣的應用中通常重要的意義在于，可以 較精確地測量或檢測相應的彈簧元件的根據(jù)參數(shù)或位置出現(xiàn)的偏移。 對此例如可以通過在相應彈簧元件的上面上的光反射或也通過在可彎 曲基體中的壓阻效應的利用實現(xiàn)偏移的檢測。尤其關于待檢驗試件的
通常原子尺度，對此高精確的和特別可靠的偏移檢測是特別值得追求 的。

發(fā)明內容
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。
關于彈簧元件按照本發(fā)明通過可彎曲基體具有一探測區(qū)域達到該
目的，通過電子的隧道過程、電離過程或優(yōu)選跳躍過程(Hopping-prozesse)確定其導電能力。
本發(fā)明對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)域的長度變化、例如關于基體的內表面或外表面的出現(xiàn)的彎曲相關 聯(lián)。為了能夠特別可靠地檢測偏移，因此擬提供即使極小的長度變化、 特別是在可彎曲基體的表面附近的區(qū)域內也特別靈敏的檢測。為了能 夠實現(xiàn)這一點，在基體的一探測區(qū)域的范圍內設置一系統(tǒng)，其即使對 極小的長度變化也很靈敏地以其導電能力的一較大的明顯的變化作出 反應。
這可通過在探測區(qū)域內提供一 系統(tǒng)來達到，其中通過電絕緣的納 米粒子、摻雜質、疵點或俘獲點或者通過局部化的狀態(tài)的結構上的紊 亂或通過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 能時可以只熱激活地實現(xiàn)電荷傳送?？赡艿膫鲗C理是所謂的跳躍 機理(跳躍)、場致發(fā)射效應或磁致電離效應、波爾弗倫克爾 (Poole-Frenkel)效應或在各局部化的位置之間或各瘋點或俘獲點之 間的不同性質的電子隧道效應。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、電離效應或跳躍效應，亦即導電能力在極大的 程度上取決于各個局部化的狀態(tài)的彼此間距，從而在極小的間距變化 時已可得到對導電能力的較大影響，特別是因為電氣量如電阻或導電 性在這樣的系統(tǒng)中隨各隧道配對之間的間距成指數(shù)地變化。
在對于探測區(qū)域的導電能力跳躍過程占優(yōu)勢的情況下，其一般出 現(xiàn)于紊亂的無定形的系統(tǒng)例如無定形的硅中，對此優(yōu)選近似地通過
In cj ~ t々的關系說明其導電能力的溫度依賴性。有利地對此將探測區(qū) 域構成為使該關系的特征指數(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。
在單一的隧道過程占優(yōu)勢的情況下，如其通過場致發(fā)射效應或電 離效應或Poole-Frenkel效應在各局部變換的區(qū)域內以低的和高的導 電性形成并且不遵循ln ct ~ f y的關系，探測區(qū)域相對于位置變化的機 械應力具有一直接成指數(shù)退化的敏感性，因為隨隧道效應而出現(xiàn)的隧 道電流成指數(shù)地隨隧道配對的間距而降低。這些局部變換的具有低的 和高的導電性的區(qū)域例如通過復合系統(tǒng)(包括在一電絕緣的母體(基 礎介質)中嵌入的傳導的大量納米晶粒、疵點(Stoerstellen:有雜質) 或俘獲點(Einfangstellen)或摻雜質構成。由于指數(shù)函數(shù)在全部的方案 中是最強增長的函數(shù)，該變形探測的方法通過隧道效應也構成為測定 位置變化的最靈敏的方法。
為了確保為探測區(qū)域的導電能力設置的電子的隧道過程、電離過 程或跳躍過程的優(yōu)勢，構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;的導電能力:其經由各具有較低
導電能力的中間區(qū)域相互連接或相互鄰接。對此，構成探測區(qū)域的材 料可以具有例如無定形的納米的或多晶的結構。但有利地探測區(qū)域由 大量在一由適當選擇的、較小導電能力的特別是不導電的材料構成的 母體中嵌入的納米粒子構成，納米粒子與母體材料相比具有較高的導 電能力。
納米粒子對此可以由具有適當高導電能力的材料、例如由半導的 或超導的材料構成。但通過有利地納米粒子由金屬特別是金(An)或 鉑(Pt)構成，可達到要求的特性的特別符合需求的校準。
優(yōu)選為了形成成母體，設置無機的、有機的或介電的材料或也設 置聚合物材料。
有利地將構成探測區(qū)域的材料，其作為傳感活性的材料設置，關 于其相應參數(shù)的選擇在特別的程度上按照導電能力對變形或長度變化 所要求的很大的依賴性設計。為了確保這一點，特別將納米粒子或引 起局部化狀態(tài)的各瘋點關于其在嵌入母體時的尺寸、間距、特性和粒 子數(shù)目密度適當選擇成使得產生的導電能力基本上通過所述電子的隧 道過程、電離過程或跳躍過程主導控制。對此納米粒子具有例如達
10nm的平均的粒子尺寸。但按選擇也可設想達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 它們之間的隧道效應。
在一有利地進一步構成中，探測區(qū)域通過在一載體上涂覆的涂層 構成。關于微型化彈簧元件的其他的特性，例如品質、變形性或其他 的彈性特性，對此可以利用現(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，可以設置一硅 基片。在這樣的通常的彈簧元件或懸臂的一改進的型式中，對此可以 通過涂覆所述型式的涂層來構成基體的探測區(qū)域。但按選擇基體也可 以作為整體并從而其全部構成探測區(qū)域。
彈簧元件和特別是構成它的基體優(yōu)選關于其尺寸確定和造型特別 匹配于設定的應用目的。例如基體對此可以構成膜片式的，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 伸的桿的型式構成，其中通過預定這樣的縱向延伸來構成一確定的測 量幾何形狀?；w對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或生命科學的領域中，例如在氣體濃度測定 或DNA (脫氧核糖核酸)分析中。在醫(yī)學中可設想這樣的彈簧元件的 多維彈簧例如用于經由呼出的空氣的新陳代謝產物的分析通過直接稱 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或用于追蹤腫瘤標志。在 微生物學的領域中，彈簧元件由于經由探測區(qū)域結合的偏移傳感裝置 用于化驗細菌以及檢驗對抗菌素的抵抗力，如其在由細菌引起的疾病
的用藥克服中越來越經常出現(xiàn)的。這樣的彈簧元件在環(huán)境保護中也可 以用于化驗空氣中、氣體中和液體中的有毒的成分或在化學工業(yè)中發(fā) 現(xiàn)有毒的或爆炸的物質。
但在特別有利的進一步構成中，將彈簧元件作為懸臂用于掃描力 顯微鏡中，其中懸臂為了構成掃描力顯微鏡的所謂梁式探針而以適當 的方式設有一探針針尖或探針頭。尤其在這樣的應用中亦即特別有利 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 學中能夠實現(xiàn)需要的特別高的測量靈敏性。
掃描力顯微鏡對此符合目的地以本來通用的方式和方法設計用來 側面地探測測量對象的表面幾何形狀。為了對此可以特別有利地利用 探測區(qū)域依賴于彈簧元件的偏移的導電性的高靈敏的變化，掃描力顯 微鏡有利地設有一評價裝置，其借助梁式探針的控制數(shù)據(jù)或測量數(shù)據(jù) 產生一反映測試物體的表面幾何形狀特性的數(shù)據(jù)組，其中該評價裝置 在數(shù)據(jù)組的產生中考慮到反映懸臂探測區(qū)域的導電性特性的特征值。 同時表面幾何形狀可以例如以一表面形貌的型式來評價。在利用一磁 性的探針頭評價一磁化的試樣時，也可以評價"磁性的表面幾何形狀"。 按選擇或附加地也可以設置懸臂沿表面的側面運動，其中由于與試樣 表面的摩擦導致懸臂的扭轉(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區(qū)域的導 電能力特性的測量值求得梁式探針的偏移。為此使彈簧元件的探測區(qū) 域優(yōu)選適當?shù)亟佑|并連接于掃描力顯微鏡的評價裝置。
為了彈簧元件的制造基本上可設想不同的技術。但一種可特別好
地適應于彈簧元件設計原理、特別是適應于探測區(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)明達到與此有關的目的，是通過 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 法基于通過包括電子、離子或光子的屏蔽的粒子射線或一由電磁波構 成的射線發(fā)生的、 一在射線點存在的前身氣體的物理和化學的轉變過 程。通過該方法特別是在以顯微尺度的沉淀物結構化的意義上，功能
性的納米結構的針對的材料沉積是可能的，其中通過適當?shù)某练e參數(shù) 的選擇，將所要求的結構的針對的空間構造限制到在成品中要求的空 間的構成是可能的。
由此為了在微型化的成品中產生要求的空間形狀，按傳統(tǒng)的方法
一次沉淀(deponierte)的構造的以后的后處理、例如通過光刻蝕刻 是不必需的。沉淀物構造的過程對此基于這樣的原理，即一原始構造 物質(前體Praekursor)的分子，其處于氣相并在一真空環(huán)境內吸 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)并且通過其化合 (Bindungen)的分解或轉變過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。開始的材料沉積同時作為晶芽點用于新的沉 積，其通過能量作用的局部位置及其停留持續(xù)時間引導，從而根據(jù)能 源的聚焦性可以用達納米精度的精確度在基片上沉積任意的三維物 體。
通過原始物質或前體材料的適當選擇和也通過在沉積過程中應用 的參數(shù)的適當選擇，以特別靈活的和廣泛的方式采取對成品的顯微特 性的影響措施是可能的。為了在探測區(qū)域內確保導電能力對可能發(fā)生
米粒子在一適當^母體中的分布，對此作為前體材料有利地采^]有機 的、無機的、介電的或金屬有機的絡合物、單體、低聚物、聚合物或 者由這些單體、低聚物和聚合物構成的混合物，其優(yōu)選處于氣相并且 具有一對于沉積特別有利的蒸汽壓力。有利地作為前身物質特別采用 CH3、 C502H7、 C502F3H4、 C502F5H、 C5HS、 Me2Au ( acac)(化學) 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的方式產生探測區(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成并從而其 本身全部構成探測區(qū)域。為了制造這樣的結構，有利地將一為前身物 質的能量激發(fā)設置的能量粒子射線或一局部熱解的處理例如通過激光 輻射，關于基片在側面或三維地根據(jù)預定的沉淀物理想幾何形狀引導。
有利地對此在沉積過程中適當?shù)乜刂颇阁w的溫度。借此影響在基 片上的表面擴散過程的速度，這導致前體材料的可控的補充率并從而 導致受控的沉淀物的增長率?；蛘咭部梢赃@樣控制補充率，即提高或 降低前體源的溫度，因為這對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，例如從下面經由加熱絲或從上面通過激光束。能量供 給接著局部引起前體材料的要求的轉變。借此可得到側面的雖然只較 粗構造成的沉淀物，但例如特別適用于懸臂在硅基上的事后的改進
(Veredelung)。此外這樣的熱解作用的沉積可以用于制造用于壓力測 定的膜片，其中側面的微觀結構化只具有次要的意義。
通過所述沉淀物結構化的應用、特別是通過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) 的沉積來制造彈簧元件的探測區(qū)域整個基體，在校準成品的要求特性 時可達到特別高的靈活性。通過對母體的適當結構的選擇，不僅可以 在對長度變化時要求的靈敏性的目的上適當?shù)匦蕦щ娔芰?，而更確 切地說在沉淀結構時制造參數(shù)的針對的影響也能夠實現(xiàn)對其他的顯微 特性的針對性的影響措施。特別是同時可以根據(jù)預定的應用目的適當 地影響基體并從而整個彈簧元件的機械特性，其中特別是可以校準對 應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。
例如通過由金屬有機的絡合物構成的前體的應用，為在隧道電子 學中的使用，沉積可特別易彎的柔軟結構、特別是具有納米晶粒特性 的導電的物質結構。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的碳化合而構
成機械上特別"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應特別有利地這樣考慮，將一些參 數(shù)即前身物質的類型、量和/或成分、沉積區(qū)域內的氣體壓力、局部能 量施加的強度(例如電子射線)、電子射線的入射持續(xù)時間、電子射線 的聚焦量、基片材料和/或基片溫度調節(jié)成使彈簧元件具有一預定的彈 簧常數(shù)和/或一預定的品質。
通過沉積參數(shù)的適當選擇也可以制造這樣的彈簧元件，其在機械 負荷方面與基于半導體的由單晶的或多晶(例如由硅懸臂)構成的彈
簧元件相比以較高的牢固性和耐用性或無疲勞為特征。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)勢的共價的化合成分
的母體構成，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，如果只局部地構成金剛石狀
的化合(無定形的結構)的話。在相當程度上無定形的結構中由于缺
少有序的原子晶格結構而不出現(xiàn)或只出現(xiàn)很小的位錯形成。結構由此
變成無疲勞的，因為重要的耗損過程是各位錯的滑動。因此這樣的復
合結構一般很好地適用于硬材料應用，例如用于硬材料涂層。
在這方面還可以考慮，在沉積時以納米精度可自由選擇的沉淀物
彈簧結構在基片上的定位性，還允許較復雜的功能相關的多重彈簧系
統(tǒng)的構造，從而能夠按特別簡單的方式制造彈簧裝置場(所謂彈簧或
懸臂陣列)。此外對應用相關的目的的另一適應性也這樣提供，即在設
定的沉淀物結構化中關于幾何形狀外表提供較高的靈活性。特別是側 面的分辨率和外表狀況(或高寬比)以及沉淀物的其他的機械彈性的、
電的和磁性的特性較靈敏地取決于所選擇的能源的類型、其強度和其 作用持續(xù)時間以及所使用的前體材料的為在沉淀物沉積在母體上時轉 變過程重要的較復雜的相互作用、其數(shù)量和其他的環(huán)境因素例如溫度、 基片材料和過程真空的質量。通過對這些參數(shù)的影響措施由此使制成 的沉淀物的不同特性的有針對的校準是可能的。
利用本發(fā)明達到的優(yōu)點特別在于，通過在嵌入一母體的納米粒子 的基礎上提供一探測區(qū)域，可以達到探測區(qū)域的導電能力對以極小尺
寸的長度變化的特別靈敏的依賴性。由此可實施特別靈敏的測定，其 隨極小的長度變化而出現(xiàn)，例如其導致彈簧元件的表面附近的區(qū)域的 局部收縮或擴展。由此可特別精確地測量彈簧元件的偏移，從而在這 樣的偏移測定的基礎上可以提供高精密的傳感器。對于也要檢測較大
的偏移的應用情況，彈簧元件可以附加設有鏡面化(verspiegelte )的 表面，其使得能夠實現(xiàn)偏移的光檢測，
這樣的傳感器可以例如在微力學、生物傳感裝置等中使用。并且 通過借助于沉淀物結構化方法如特別是電子射線誘發(fā)的沉積制造探測 區(qū)域或整個彈簧元件，顯微結構包括要求的特性的高頻帶寬度的針對 的制造是可能的，其中特別通過適當?shù)牟牧虾蛥?shù)選擇，除電的特性 外還可以特別有利地校準機械特性。特別是通過這樣的靈活性具有預 先校準各元件的彈簧特征的可能性，這使其特別是增強在掃描力顯微 鏡中使用。此外，通過電子射線誘發(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幾何形狀。微力學 系統(tǒng)的微型化對此與通用的系統(tǒng)相比變得進一步有意義，其中與用傳 統(tǒng)的結構化方法制成的系統(tǒng)相比例如可達到減小1000倍的長度測定。


借助附圖更詳細地說明本發(fā)明的一個實施例。其中 圖la、 lb分別示出一個微型化的彈簧元件； 圖2 示意示出的掃描力顯微鏡；以及 圖3a-3c各一個在基片上生長的沉淀物的不同沉積階段。 相同的部分在全部圖中設有相同的標記。
具體實施例方式
按圖la或圖lb的微型化的彈簧元件l、l'特別設定在掃描力顯微 鏡中作為懸臂2或梁式探針使用。但按選擇也可設想在微傳感裝置或 生物傳感裝置等中大量其他的應用可能性。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 式構成并且具有一基本上棱柱形的橫截面。基體同時關于其彈性特性 等為此設計成，使其因一外面施加的機械力沿一由箭頭8表示的基本
上垂直于縱向方向的偏移方向偏移，此時產生基體2的相應的彎曲。 圖la、 lb中示出相應的基體4處于一這樣的偏移的位置。在取消由外 面作用的機械力時基體4恢復原狀，并且整個彈簧元件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，則產生一薄的膜片用以檢測平面作用的 力，例如用于測量熱力學的氣體壓力。
彈簧元件1 、 1 '為此設計成按特別靈敏的和高分辨的方式精確地檢 測在機械力作用時的偏移。為此彈簧元件l、 l'的基體4分別包括一探 測區(qū)域IO，其由嵌入一母體12的優(yōu)選金屬的納米粒子14構成。母體 12對此在該實施例中構成為聚合物母體，在其中嵌入金屬的納米粒子 14。納米粒子對此構成嵌入的局部化的電荷狀態(tài)。其也可以按選擇或 附加地通過瘋點或俘獲點或通過結構上的紊亂、例如以無定形的介質 構成。
關于母體12和納米粒子14的材料選擇以及關于在實施例中約 10nm的平均粒子尺寸、和納米粒子14的密度，將各相應的參數(shù)選擇 成使得通過跳躍過程反映在母體12內各納米粒子14之間電傳遞的特 性并經由隧道過程引導。探測區(qū)域10中的傳導機理因此通過在各局部 化的位置之間的熱激活的跳躍機理(跳躍、最鄰接的跳躍、可變范圍 的跳躍)來實現(xiàn)并通過量子力學的隧道效應形成。通過遵守這樣的邊 界條件確保，探測區(qū)域io的導電能力也非常強地和靈敏地取決于極小
的長度或間距變化，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生至少微小的長度變化， 從而也可以經由探測區(qū)域10的導電能力變化以高的靈敏性測量這樣 的偏移。
按圖la的彈簧元件l在這里回歸傳統(tǒng)結構形式的在硅基礎上的彈 簧元件地構成，其用作為載體16并且為了構成探測區(qū)域10設有一表 面的涂層。因此按圖la的彈簧元件1的結構形式相當于傳統(tǒng)的彈簧元 件的改進，其中通過事后的涂層涂覆為所要求的高測量分辨率設置的
14探測區(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的形式構成，其已本來由嵌入母體12的金屬的納米 粒子14構成并因此其本身整體構成探測區(qū)域10。尤其在該實施例中 因此通過適當?shù)膮?shù)選擇，除探測區(qū)域10的電特性、特別是傳導特性 外，還可適當?shù)卣{節(jié)整個基體4的機械特性。特別是在該實施例中總 體上母體12的機械特性、基體4的彈性特性(彈性模量)和機械品質 占主導。通過為形成母體12所使用的材料的適當選擇和通過金屬成分 的納米部分的結構，在制造基體4時在相當大程度上抑制位錯形成， 從而其同時可達到的彈簧元件l'的品質和機械許可應用及無疲勞并從 而其在機械負荷時的牢固性和耐用性是特別高的。
彈簧元件l、 l'特別地構成為在掃描力顯微鏡中使用。為此在基體 4上相應成形一探針針尖20,經由它能夠探測一測量對象。 一相應的 掃描力顯微鏡22的結構示意地示于圖2中。掃描力顯微鏡22包括一 懸臂2,也稱為梁式探針，其構成為彈簧元件l、 l'。對此探針針尖20 可沿一測量對象24的表面移動。探針針尖20同時通過一壓電的探測 裝置26在測量對象的表面上移動。通過經由分別設置的探測區(qū)域10 的適當接觸而求得構成懸臂2的彈簧元件1、 l'的導電能力的變化，同 時確定懸臂2的偏移。
一探測裝置(壓電變換器)26由一壓電放大器29驅動。通過一 比較器28預定其輸出電壓，比較器28將來自懸臂2的偏移傳感器的、 在放大器27中放大的測量信號(實際值)與一來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，直到額定值與實際值的差 消失為止。借此在側面掃描時保持懸臂在測量對象上面的高度或懸臂 在以"接觸模式"的測量時壓緊力不變。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)的離測量對象表面的最小間距的振動的懸 臂進行測定，設有一振蕩器31。振蕩器信號在此供給比較器。在這種 情況下懸臂偏移的測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'的探測區(qū)域10和可能也整個的基體4通過所謂的 沉淀物結構化制造，其中在這些空間范圍內產生相應結構的部分增長 并也限制在這些空間范圍上，在這些空間范圍內設定形成所要求的結 構。借此取消在其他的微型化構造中所要求的事后的例如光刻的蝕刻。 為了制造相應的結構，在該實施例中設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。相應結構的各個形成階段對此示于圖3a 至3c中。
如由圖3a中的示意圖可看出的，在適當?shù)沫h(huán)境中，特別是在真空 中將前身物質，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內用能量激發(fā)前身物質以進行 轉變，此時轉變產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上的開始的材料沉積同時用作為 新沉積的晶芽點，其通過能量作用的局部位置及其停留持續(xù)時間引導， 從而可以在基片52上產生幾乎任意的三維物體。如圖3b中所示，對 此通過電子射線或離子射線的焦點的適當?shù)目臻g變化，以不同的幾何 形狀針對地沉積沉淀物是可能的，其中如圖3c中所示，通過側面的相 對運動也可以產生沉淀物56的彎曲的結構。
附圖標記清單
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測量對象
26探測裝置(壓電變換器)
27放大器(必要時對數(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)
52基片
54沉積區(qū)域
56沉淀物
權利要求
1. 一種微型化的彈簧元件(1、1′)，包括一可彎曲的基體(4)，該基體具有一探測區(qū)域(10)，通過隧道過程、電離過程或跳躍過程確定該探測區(qū)域的導電能力。
2. 按照權利要求1所述的彈簧元件(1、 l')，其特征在于，近似 地通過lnCT t々的關系給出探測區(qū)域(10)的導電能力(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. 按照權利要求1或2所述的彈簧元件(1、 1')，其探測區(qū)域(10 ) 由嵌入一母體(12)中的納米粒子(14)構成，納米粒子與母體材料 相比具有較高的導電能力。
4. 按照權利要求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)由化學穩(wěn)定的材料、優(yōu)選由Au或Pt構成。
6，按照權利要求3至5之一項所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，母體(12)由聚合物材料、優(yōu)選由有機的或無機的結構元件、 由以碳為基礎的化合物、由碳氧化合物、由氫化合物、由氟化合物和/ 或由含金屬的結構元件構成。
7. 按照權利要求3至5之一項所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，母體(12)由有機的、無機的或介電的材料構成。
8. 按照權利要求3至7之一項所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，納米粒子(14)具有達100nm、優(yōu)選達10nm的平均的粒子尺 寸。
9. 按照權利要求1至8之一項所述的彈簧元件(1、 l')，其特征 在于，探測區(qū)域(10)通過一涂覆在一載體(16)上的涂層構成。
10. 按照權利要求1至8之一項所述的彈簧元件(1、 其特征 在于，基體(4)構成探測區(qū)域(10)。
11. 按照權利要求1至IO之一項所述的彈簧元件(1、 l')，其基 體(4)構成為薄的膜片或以一沿縱向方向延伸的桿的型式構成。
12. 按照權利要求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，包括一設有一探針針尖(20) 的懸臂(2)，其特征在于，懸臂(2)構成為按照權利要求1至12之 一項所述的彈簧元件(1、 l')。
14. 具有按照權利要求13所述的梁式探針的掃描力顯微鏡(22 )。
15. 按照權利要求14所述的掃描力顯微鏡，包括一評價裝置，該 評價裝置借助于梁式探針的控制數(shù)據(jù)或測量數(shù)據(jù)產生一反映測量對象(24)的表面幾何形狀特性的數(shù)據(jù)組，其中，評價裝置在數(shù)據(jù)組的產 生中考慮到反映懸臂(2)的導電能力(5)特性的特征值。
16. 用于制造按照權利要求1至12之一項所述彈簧元件(1、 l') 的方法，其特征在于，通過局部的能量施加，優(yōu)選通過電子射線誘發(fā) 的沉積制造探測區(qū)域(10 )。
17. 按照權利要求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(50)用能量被 激發(fā)以進行轉變，此時轉變產物以固體的且不揮發(fā)的形式沉淀在基片(52)上。
18. 按照權利要求17所述的方法，其特征在于，作為前身物質(50) 采用有機的、無機的、介電的或金屬有機的單體、低聚物和/或聚合物。
19. 按照權利要求16至18之一項所述的方法，其特征在于，將 為前身物質(50)的能量激發(fā)而設置的離子、光子或電子射線關于基 片(52)在側面或三維地根據(jù)預定的沉淀物(56)理想幾何形狀引導。
20. 按照權利要求17至19之一項所述的方法，其特征在于，在 沉積過程中根據(jù)在沉積區(qū)域(54)測得的前身物質(50)蒸汽壓力控 制基片(52)的溫度和/或前體源的溫度。
21. 按照權利要求17至20之一項所述的方法，其特征在于，將 一些參數(shù)，即前身物質(50)的類型、數(shù)量和/或成分，沉積區(qū)域(54) 內的氣體壓力，局部能量施加的強度，其入射持續(xù)時間，其聚焦尺寸， 基片材料和/或基片溫度調節(jié)成，使得彈簧元件(l、 l')具有一預定的彈簧常數(shù)和/或一預定的品質或者探測區(qū)域(10)具有一預定的導電能力。
22.用于操作按照權利要求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電能力特性的測量值求 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，以便檢測原子力或分子力，特別使在掃描力顯微鏡(22)內進行，并且為此能夠特別可靠地和高分辨地檢測偏移。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)或疵點的母體構成。通過局部沉積的原理的應用，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G01N27/00GK101379383SQ200780004282
公開日2009年3月4日 申請日期2007年1月29日 優(yōu)先權日2006年2月1日
發(fā)明者A·卡亞, M·胡特 申請人:納米尺度體系Nanoss有限公司;約翰沃爾夫岡歌德大學