BG66593B1 - Sensor device for scanning probe microscopy - Google Patents
Sensor device for scanning probe microscopy Download PDFInfo
- Publication number
- BG66593B1 BG66593B1 BG111143A BG11114312A BG66593B1 BG 66593 B1 BG66593 B1 BG 66593B1 BG 111143 A BG111143 A BG 111143A BG 11114312 A BG11114312 A BG 11114312A BG 66593 B1 BG66593 B1 BG 66593B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- sensor
- length
- microcontroller
- actual sensor
- actual
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/02—Probe holders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретението се отнася до сензорни прибори за сканираща сондова микроскопия (ССМ), включително за сканираща атомно-силова микроскопия (АСМ), които имат микроконзоли с дължина до 100 pm.The invention relates to sensor instruments for scanning probe microscopy (CCM), including scanning atomic force microscopy (AFM), which have microconsoles up to 100 pm in length.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Сканиращата сондова микроскопия, в частност сканиращата атомно-силова микроскопия, е водещ метод за измерване и анализ на микро-/ нано-размерни обекти, както по брой на изследванията, така и по значимост на получените резултати. Но независимо от огромното развитие, което претърпя ССМ през последните десетилетия, апаратурата, с която се работи, и консумативите продължават да са относително скъпи. Един аспект на този проблем е свързан с цената на сензорите за ССМ, обусловена от методите за тяхното производство - всеки сензор съдържа функционално различни елементи, получаващи се чрез използването на специфични процесии стъпки и затова интегрирането им в обща процесна последователност е сложна задача.Scanning probe microscopy, in particular scanning atomic force microscopy, is a leading method for measuring and analyzing micro / nano-sized objects, both in number of studies and in the significance of the results obtained. But despite the tremendous development that CCM has undergone in recent decades, the equipment it handles and consumables are still relatively expensive. One aspect of this problem is related to the cost of CCM sensors, determined by the methods of their production - each sensor contains functionally different elements obtained by using specific process steps, and so integrating them into a common process sequence is a complex task.
Обичайно сензорите за ССМ, какъвто е показаният на фиг. 1а сензор за АСМ , 1, се състоят от монолитно тяло 2 с форма близка до правоъгълна, еластична микроконзола 3 с дължина 1 и сондов елемент, най-често с формата на ултра-остра игла (непоказана на фигурата), който елемент е разположен на свободния край на микроконзолата. Микроконзолата 3 се разпростира от избрана страна 4 на тялото 2. Тези сензори са направени от или върху силициеви подложки с използването на съвременни технологии за производство и контрол на отделните процеси за междинна обработка. Себестойността на сензорите се определя в частност и от броя на годните сензори, получени едновременно на една подложка. Независимо от факта, че диаметърът, както и дебелината на обичайно използваните в практиката подложки нарастват, а характерният размер на използваните елементи на структурите намалява, размерите на тялото на един сензор, съответно ширината ws и дължината ζ остават непроменени (около 1.6 х 3.4 mm). Това се дължи и на обстоятелството, че доминиращият метод на детекция на сигнала от сензорите е оптически.Typically, CCM sensors as shown in FIG. 1A, the AFM sensor, 1, consists of a monolithic body 2 in the shape of a rectangular, elastic microcontroller 3 with a length of 1 and a probe element, most often in the form of an ultra-sharp needle (not shown in the figure), which element is located on the free end of the microconsole. The microcontroller 3 extends from the selected side 4 of the body 2. These sensors are made from or on silicon pads using state-of-the-art technologies to produce and control individual intermediate processing processes. The cost of the sensors is determined in particular by the number of suitable sensors received simultaneously on a single pad. Despite the fact that the diameter, as well as the thickness of commonly used pads, increases, and the characteristic size of the used structural elements decreases, the dimensions of the body of one sensor, respectively the width w s and its length, remain unchanged (about 1.6 x 3.4 mm ). This is also due to the fact that the dominant method of detecting the signal from the sensors is optical.
При това се осъществява възпроизводимо първоначално позициониране на сензора спрямо носещата го конструкция в измервателната система и съответно към оптическата система за детекция на сигнала от сензора. При тези размери на тялото на сензора 7, размерът на страната 4, към която е формирана микроконзолата 3, е типично в диапазона от 0.5 до 1 mm. При типична дължина/ на микроконзолата 3 в диапазона от 70 pm до 450 pm, съотношението на размера на споменатата дължина към размера на страната 4, към която е формиран фиксираният край на микроконзолата, е в диапазона от 1:2 до 1:15. В примера за сензор за АСМ, показан на фиг. 1а, съотношението на дължината на микроконзолата 3 към размера на страната 4 е 1:15 и е показателен за ситуацията за дължина на микроконзолата около 70 pm при възприетия размер на тялото 2. Надлъжното сечение на тялото на този сензор е показано на фиг. 16, където db е дебелината на подложката, използвана за получаването му.In this case, a reproducible initial positioning of the sensor is carried out with respect to its supporting structure in the measuring system and, accordingly, to the optical system for detecting the signal from the sensor. At these sensor body sizes 7, the size of the side 4 to which the microcontroller 3 is formed is typically in the range of 0.5 to 1 mm. In a typical length / of microcontroller 3 in the range of 70 pm to 450 pm, the ratio of the size of said length to the size of the side 4 to which the fixed end of the microcontroller is formed is in the range of 1: 2 to 1:15. In the example of an AFM sensor shown in FIG. 1a, the ratio of the length of the micro-bracket 3 to the size of the side 4 is 1:15 and is indicative of the situation of the length of the micro-bracket about 70 pm with the perceived body size 2. The longitudinal section of the body of this sensor is shown in FIG. 16, where d b is the thickness of the substrate used to obtain it.
Друга особеност на ССМ, и в частност на АСМ е, че въпреки много високата разделителна способност, обичайно сканиращите сондови микроскопски методи са относително бавни методи за изследване. Ето защо през последните години се разработват множество системи за бързо сканиране, използващи сензори с висока резонансна честота. Високата резонансна честота в комбинация с нужните за съвременните изследвания малки стойности на еластични коефициенти (коравини) на микроконзолите на сензорите могат да бъдат постигнати само посредством намаляване на геометричните размери на микроконзолите. През последните няколко години на пазара се предлагат сензори за АСМ с дължина 1 на микроконзолите в диапазона 1050 цт, дори с дължина, по-малка от 10 цт. При това, размерът на тялото остава непроменен и се получават неудобни за практическо използване сензори със съотношение на дължината 1 на микроконзолата към размер на страната, от която е формирана микроконзолата, в диапазона от 1:20 до над 1:100.Another feature of CCMs, and in particular of AFMs, is that, despite the very high resolution, commonly used scanning probe microscopes are relatively slow methods of examination. That is why many rapid scanning systems have been developed in recent years using high resonance frequency sensors. The high resonant frequency, combined with the small values of elastic coefficients (rigidity) of the sensor micro-consoles required for modern research, can only be achieved by reducing the geometric dimensions of the micro-consoles. In the last few years, AFM sensors with a length of 1 microns in the range of 1050 µm have been marketed, even with a length of less than 10 µm. In this case, the body size remains unchanged and sensors with a ratio of length 1 of the microcontroller to a size of the side from which the microcircuit is formed are obtained, which are convenient for practical use, in the range from 1:20 to over 1: 100.
Един пример на монолитен сензор за АСМ с микроконзоли с малка дължина е разкрит в патент US 7637960. В него е описан метод за получаване на къси и тънки микроконзоли от силиций с интегрирани върху тях ултра остри игли, като за целта са използвани подложки отAn example of a monolithic sensor for AFMs with short-length microcircuits is disclosed in US Pat. No. 7,637,960. It describes a method for producing short and thin silicon microcircuits with ultra-sharp needles integrated thereon, using pads made of
66593 Bl типасилиций-върху-изолатор (SOI). Въпреки че разкритият в този патент метод за изработване на монолитни сензори позволява получаването на микроконзоли с малка коравина и относително висока резонансна честота, при него се използват скъпи подложки от типа силиций-върху-изолатор, като при това резонансната честота на така получените сензори не надвишава 102 kHz, което ограничава скоростта на сканиране на образеца.66593 B1 silica-on-insulator (SOI) type. Although the method of manufacturing monolithic sensors disclosed in this patent permits the production of low-rigidity and relatively high resonance frequencies, expensive silicon-on-insulator substrates are used, with the resonance frequency of the sensors thus obtained not exceeding 102 kHz, which limits the scanning speed of the sample.
Друг вариант на решение на проблемите, свързани с възпроизводимото получаване на микроконзолни сензори с малък размер, включително на проблема с голямото съотношение на размера на страната на тялото, от която е формирана микроконзола, към дължината на микроконзолата, е разкрито в патент US 7823216. Сензорите, получени по метода от това изобретение, притежават резонансна честота от 700 kHz и по-голяма. Както е показано на фигура 9А, 10А и 10В в този патент, тялото на монолитния сензор е с променлива ширина, като са използвани точно формирани компенсаторни структури за обемното ецване от задната страна на подложката на сензора. Претендираният метод, който се прилага за направата само на частта от сензора, включваща микроконзолата и участъка, към който тя е закрепена, предполага използването на разнообразни специфични методи за обработка и оборудване за точно ориентиране на фотолитографски структурираната маска по отношение на кристалографските направления на подложката, включително използването на техника за обработка на подложки с вече формирани мембрани, за осъществяване на споменатото ориентиране, както и на монитори за най-важните параметри на сензорите. За изпълнението на така описания метод обаче, се налага да се използват монокристални силициеви подложки без отклонение в дебелината, което е практически трудно изпълнимо. Също така се предвижда няколкократно повторение на фотолитографски стъпки до постигане на задоволително съвместяване на различните фотолитографски нива, както и прецизен контрол на параметрите на процесите на ецване, без да се гарантира възпроизводим размер на правия участък на тялото на сензора, от който се формира микроконзолата.Another solution to the problems associated with the reproducible production of small-size micro-console sensors, including the problem of the large aspect ratio of the body from which the micro-console is formed to the length of the micro-console, is disclosed in US patent 7823216. obtained by the method of this invention have a resonant frequency of 700 kHz and greater. As shown in Figures 9A, 10A and 10B in this patent, the body of the monolithic sensor is of variable width, using precisely formed compensatory structures for bulk etching on the back of the sensor pad. The claimed method, which applies only to the part of the sensor including the microcontroller and the region to which it is attached, involves the use of a variety of specific processing methods and equipment to accurately orient the photolithographically structured mask with respect to the crystallographic directions of the substrate, including the use of a technique for treating pads with already formed membranes to perform said orientation as well as monitors for the most important sensor parameters . However, for the implementation of the method described above, it is necessary to use single crystalline silicon substrates without deviation in thickness, which is practically difficult to do. It also provides for repeated repetition of photolithographic steps to achieve satisfactory alignment of the different photolithographic levels, as well as precise control of the parameters of the etching processes, without guaranteeing the reproducible size of the straight section of the sensor body from which the microcontroller is formed.
През последното десетилетие бяха развити разнообразни сложни микромеханични кон струкции, съставени от две и повече части, както и методи за получаването им. Така напр., в патент US 6393685 е разкрит метод за получаване на разнообразни микро електромеханични (МЕМС) компоненти с микро-сглобки, използващи елементи от типа, наречен „лястовича опашка”. В този патент са дадени разнообразни примери за приложение на споменатите сглобки, такива като оптични ключове, флуидни връзки и различни заключващи механизми, но няма пример за сглобяем сензор или устройство, аналогично или сходни на него.Over the last decade, various sophisticated micromechanical structures consisting of two or more parts have been developed, as well as methods for their preparation. For example, US 6393685 discloses a method for producing a variety of micro-electromechanical (MEMS) components with micro-assemblies using elements of the type called "swallow tail". Various examples of application of said assemblies are provided in this patent, such as optical switches, fluid couplings and various locking mechanisms, but there is no example of a prefabricated sensor or device similar or similar thereto.
Друг вариант за съвместяване и прецизно сглобяване на микромеханични компоненти е разкрит в международна патентна заявка № WO 2003/097902. В нея са дадени примери за получаване на електрически, магнитни, оптически и механични системи, при които се прилага детектор за край на процеса при ецване на многослойни структури. Въпреки, че се претендира за общ метод за получаване на тези системи, в посочената патентна заявка не се разглежда пример за получаване на сглобяем сензор за ССМ, нито се споменава за проблеми при използването на сензори с малко съотношение на размера на активните елементи към размера на тялото на отделните компоненти на сензора.Another embodiment for the assembly and precision assembly of micromechanical components is disclosed in International Patent Application No. WO 2003/097902. It gives examples of obtaining electrical, magnetic, optical and mechanical systems using an end-of-process detector for etching multilayer structures. Although claimed to be a common method of obtaining these systems, the said patent application does not address an example of obtaining a pre-fabricated CCM sensor, nor does it mention problems with the use of sensors with a small ratio of active element size to size the body of the individual sensor components.
Известни са сглобяеми сензори за ССМ, при които се сглобява или сондов елемент към тяло с микроконзола, или микроконзола със сондов елемент към носещо тяло. Така например в патент US 6690008 е разкрит сглобяем сензор, съставен от плоска тънкослойна микроконзолна структура със сондов елемент за АСМ, и отделно удебелено носещо тяло, както и метод за сглобяване на такъв сензор, с използването на припой, при което се получава достатъчно здрава връзка между споените елементи. В споменатия патент не се разглежда, нито се предполага конструкция на монолитен сензор с удебелено тяло, съдържащ микроконзоли с дължина до 100 цгп.Prefabricated CCM sensors are known in which either a probe element to a microcontroller body or a microcontroller with a probe element to a supporting body is assembled. For example, U.S. Pat. No. 6690008 discloses a prefabricated sensor composed of a flat thin-film micro-console structure with an AFM probe element and a separate thickened support body, as well as a method of assembling such a sensor, using a solder to produce a sufficiently strong connection. between the soldered elements. The said patent does not contemplate or suggest the construction of a monolithic thick-body sensor containing microcircuits up to 100 µg in length.
Ето защо, съществува практическа необходимост от създаването на сензорни прибори за сканираща сондова микроскопия (ССМ) с намалена себестойност и тела на сензорите, при които съотношението дължина 1 на микроконзолата, която е в диапазона от 0.1 до 100 цт, към дължина на страната на тялото, от която е формиран микроконзолния елемент, да бъде в диапазона от 1:10 до 1:1 и дори по-голямо.Therefore, there is a practical need for the creation of reduced cost scanning probe microscopy (CCM) sensors and sensor bodies at which the ratio of length 1 of the microcontroller, which ranges from 0.1 to 100 µm, to the length of the body side , from which the micro-console element is formed, to be in the range of 1:10 to 1: 1 or even larger.
66593 Bl66593 Bl
Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION
Настоящото изобретение в предпочитан вариант, се отнася до сензорен прибор за сканираща сондова микроскопия, включващ същински сензор с тяло и оформена в свободния му край еластична микроконзола със сондов елемент, с дължина на микроконзолата до 100 цш. Този сензорен прибор съдържа и носещо пасивно тяло с канавка, разположена към тясната му страна, а същинският сензор е умален, монолитен сензор с обичайна конструкция за ССМ. Тялото на същинския сензор е установено конзолно, неподвижно в канавката на пасивното тяло, като формата и размерите на канавката съответстват на тези на тялото на същинския сензор, а съотношението на дължината на микроконзолата към дължината на страната на тялото на същинския сензор, от която се разпростира микроконзолата е в диапазона от 1:10 до 5:1.The present invention preferably relates to a sensor probe for scanning probe microscopy comprising a genuine sensor with a body and an elastic probe element microphone console formed at its free end, with a microconsole length of up to 100 µm. This sensor device also contains a passive body with a groove located on its narrow side, and the actual sensor is a small, monolithic sensor with a conventional CCM construction. The body of the actual sensor is mounted cantileverly, stationary in the groove of the passive body, the shape and dimensions of the groove corresponding to those of the body of the real sensor, and the ratio of the length of the microcontroller to the length of the side of the body of the actual sensor from which it extends the microconsole is in the range of 1:10 to 5: 1.
В един предпочитан вариант, сензорният прибор съгласно изобретението съдържа при свободния край на тялото на същинския сензор още една, втора конзолна структура, в свободния край на която втора конзолна структура е формирана микроконзолата със сондовия елемент. В този вариант, микроконзолата е разположена върху или под втората конзолна структура. В един друг предпочитан вариант ширината на микроконзолата е равна на дължината на страната на втората конзолна структура на същинския сензор, от която се разпростира микроконзолата.In a preferred embodiment, the sensor device of the invention comprises at the free end of the body of the actual sensor another, second cantilever structure, at the free end of which a second cantilever structure is formed by the microcontroller with the probe element. In this embodiment, the microcontroller is located on or below the second cantilever structure. In another preferred embodiment, the width of the micro-console is equal to the length of the side of the second cantilever structure of the actual sensor from which the micro-console extends.
Допълнително, сензорният прибор от изобретението е снабден с високопроводящи метални пътечки, формирани както върху повърхността на пасивното тяло, така и върху повърхността на тялото на същинския сензор, които осигуряват галванична връзка на електрическите елементи на сензора с измервателната система.In addition, the sensor device of the invention is provided with high conductive metal paths formed both on the surface of the passive body and on the surface of the body of the actual sensor, which provide a galvanic connection of the electrical elements of the sensor to the measuring system.
В друг вариант на изобретението, същинският сензор е снабден с чувствителен елемент за измерване на огъването на микроконзолата чрез електрическа величина, такъв като например пиезорезистор.In another embodiment of the invention, the actual sensor is provided with a sensing element for measuring the bending of the microcontroller by an electrical quantity, such as a piezo resistor.
В още един друг вариант на изобретението, пасивното тяло на сензорния прибор е изработено от силиций, полимерен материал, прахов материал на керамична или метална основа, стъкла и подобни материали, а същинският сензор е от силиций, полимерни материали, стъкла, метали или техни комбинации.In yet another embodiment of the invention, the passive body of the sensing device is made of silicon, a polymeric material, a powder material on a ceramic or metal base, glasses and the like, and the actual sensor is made of silicon, polymeric materials, glasses, metals or combinations thereof. .
Пояснение на приложените фигуриExplanation of the annexed figures
На фигура 1 а е показан вид отгоре и напречен разрез по А-А’ на обичаен сензор за ССМ, известен от състоянието на техниката, а на фигура 1 б е показан надлъжен разрез по В-В’ на такъв сензор.Figure 1 a shows a top view and a cross-section through AA 'of a conventional CCM sensor known in the art, and Figure 1 b shows a longitudinal section B-B' of such a sensor.
Фигура 2а показва вида отгоре и напречен разрез по А-А’ на сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение, а фигура 26 показва надлъжен разрез по В-В’ на този сензорен прибор.Figure 2a shows a top view and a cross-sectional view along the A-A 'of a CCM sensor device of the present invention, and Figure 26 shows a longitudinal section along the V-B' of that sensor.
Фигура За показва поглед отгоре, напречен и надлъжен разрез на пасивното тяло на сензорния прибор от настоящото изобретение, а фигура 36 - видът отгоре, напречен и надлъжен разрез на същинския сензор.Figure 3a shows a top, cross-sectional and longitudinal section view of the passive body of the sensor device of the present invention, and figure 36 shows a top, cross-sectional and longitudinal section view of the actual sensor.
Фигура 4а показва напречен разрез на вариант на сензорен прибор от настоящото изобретение, когато ширината на канавката е равна на ширината на тялото на същинския сензор; фигура 46 показва напречен разрез на друг вариант на сензорния прибор, когато ширината на канавката е по-голяма от ширината на тялото на същинския сензор, а фигура 4в показва напречен разрез на още един друг вариант на сензорния прибор, когато ширината на канавката е по-малка от ширината на тялото на същинския сензор.Figure 4a shows a cross-sectional view of a variant of the sensor device of the present invention when the width of the groove is equal to the width of the body of the actual sensor; figure 46 shows a cross-sectional view of another variant of the sensing device when the width of the groove is greater than the width of the body of the actual sensor, and figure 4c shows a cross-section of another other variant of the sensing device when the width of the groove is short of the body width of the actual sensor.
На фигура 5а е показан увеличен поглед отгоре на вариант на сензорния прибор от настоящото изобретение, при който е реализирано съотношение на дължината на микроконзолата към дължината на страната на тялото, от която тя се разпростира, равно на 1:1, а фигура 56 представлява надлъжен разрез по В-В’ на същия вариант на сензорния прибор за ССМ.Figure 5a shows an enlarged top view of a variant of the sensor device of the present invention in which the ratio of the length of the microcantilever to the length of the side of the body from which it extends is equal to 1: 1, and figure 56 is longitudinal section B-B 'of the same variant of the CCM sensor device.
Фигура 6а е поглед отгоре на вариант на сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение, при който се използват електрически елементи и връзки за актюиране или за детекция на огъването на микроконзолата, а фиг. 66 представлява надлъжен разрез на същия вариант на сензорния прибор за ССМ.Figure 6a is a top plan view of an embodiment of a CCM sensor device of the present invention using electrical elements and connections for actuating or detecting bending of the microcontroller; 66 is a longitudinal section of the same embodiment of the CCM sensor device.
Фигура 7 показва схематично последователността от операции за производство на пасивното тяло на сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение.Figure 7 schematically shows the sequence of operations for producing the passive body of a CCM sensor device of the present invention.
Фигура 8 показва схематично последователността от операции за производство на същински сензор за ССМ от настоящото изобретение.Figure 8 shows schematically the sequence of operations for the production of the actual CCM sensor of the present invention.
На фигура 9а е показан поглед отгоре на същински сензор с реализирана втора конзолна структура, с разположена върху нея микроконзоFigure 9a shows a top view of a real sensor with a second console structure implemented, with a microcontroller located thereon
66593 Bl ласъс сондов елемент на върха, както и надлъжен разрез на този сензор; а фигура 96 показва поглед отгоре на същинския сензор за ССМ с реализирана втора конзолна структура с разположена под нея микроконзола със сондов елемент на върха, както и надлъжен разрез на този сензор.66593 Bl salas probe element on top as well as longitudinal section of this sensor; and Figure 96 shows a top plan view of a real CCM sensor with a second console structure with a micro-console with a probe tip attached below it, as well as a longitudinal section of that sensor.
На фигура 10а е показан поглед отгоре на междинна структура на вариант на същинския сензор от настоящото изобретение, с реализирана допълнителна област и с фоторезистивна маска за ецването на конзолата. Фигура 106 изобразява вида отгоре на частичен разрез на микроконзола със сондов елемент с ултра-остра игла на върха, разположена върху втора конзолна структура, а фигура 10в - надлъжен разрез на същия същински сензор с втора конзолна структура.Figure 10a shows a top plan view of an intermediate structure of a variant of the actual sensor of the present invention, with an additional area realized and a photoresistive mask for etching the console. Figure 106 depicts a top plan view of a partial section of a microcontroller with a probe element with an ultra-sharp tip needle located on a second cantilever structure, and figure 10c a longitudinal section of the same actual sensor with a second cantilever structure.
На фигура 11а е показан поглед отгоре на частите на сензорния прибор преди сглобяване, на фигура 116 е показан пример за нанасяне на свързващо вещество в канавката на пасивното тяло; а фигура 11 в представлява поглед отгоре на завършен сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение.Figure 11a shows a top view of the parts of the sensor device prior to assembly, figure 116 shows an example of applying a binder in the groove of the passive body; and Figure 11 c is a top plan view of a complete CCM sensor device of the present invention.
На фигура 12а е изобразен сензорен прибор с електрически елементи и връзки преди сглобяване; на фигура 126 е показан същият сензорен прибор след сглобяване чрез поставяне на същинския сензор в канавката, а фигура 12в демонстрира крайния вид на този вариант на сензор за ССМ от настоящото изобретение, с готови връзки между електрическите компоненти на двете части.Figure 12a shows a sensor device with electrical elements and connections before assembly; Figure 126 shows the same sensor assembly after assembly by inserting the actual sensor into the gutter, and Figure 12b shows the final appearance of this variant of the CCM sensor of the present invention, with ready connections between the electrical components of the two parts.
Примерни изпълнения на изобретениетоEmbodiments of the invention
Изобретението се отнася до сензорни прибори за сканираща сондова микроскопия, примери за конструкцията на които са дадени тук по-нататък в подробности. Както ще стане ясно, тези примери не са предназначени да ограничат изобретението, а само да го илюстрират.The invention relates to sensor instruments for scanning probe microscopy, examples of which are given hereinafter in detail. As will be appreciated, these examples are not intended to limit the invention, but merely to illustrate it.
Сензорният прибор 5 от настоящото изобретение, както е показано на фигура 2а, е сглобен от две части: пасивно тяло 6 с обичайни размери и форма за сензорите за ССМ, и монолитен същински сензор 7, с умален размер. Предназначението на пасивното тяло 6 е да служи за носач на умаления същински сензор 7. Същинският сензор 7 в този пример е с обичайна конструкция и се състои от тяло 8 и микроконзола 3’, което тяло 8 е разположено конзолно от избрана тясна страна 9 на пасивното тяло 6, като за целта в пасивното тяло 6 е оформена канавка 10. В завършено състояние двете тела са фиксирани едно към друго без хлабини по обичаен за практиката начин, както е показано на фигура 2а и на фигура 26. За целта, както тялото 8, така и канавката 10 са с трапецовидно сечение, като тялото 8 е значително (от 30 до 500, типично около 200 пъти) по-дебело от микроконзолата. Формата и размерите на тялото 8 съответстват на тези на канавката 10. Стените на тялото 8 и на канавката 10 са с еднаква ориентация и разположение по отношение на лицевите повърхности на подложките, така че при сглобяване те се съвместяват (включително самосъвместяват) и свързват плътно една към друга.The sensor device 5 of the present invention, as shown in Figure 2a, is assembled into two parts: a passive body 6 of the usual dimensions and shape for CCM sensors, and a monolithic actual sensor 7 of a reduced size. The purpose of the passive body 6 is to serve as a carrier for the diminished true sensor 7. The real sensor 7 in this example is of the usual construction and consists of a body 8 and a microcontroller 3 ', which body 8 is disposed console on a selected narrow side 9 of the passive body 6, for which purpose a ditch 10 is formed in the passive body 6. In the completed state, the two bodies are fixed to each other without slots in the usual manner, as shown in figure 2a and figure 26. For this purpose, as body 8 so the groove 10 has a trapezoidal section, such as the body 8 is significantly (30 to 500, typically about 200 times) thicker than the microcontroller. The shape and dimensions of the body 8 correspond to those of the groove 10. The walls of the body 8 and the groove 10 have the same orientation and arrangement with respect to the front surfaces of the pads, so that when assembled they align (including self-align) and connect one to another.
В едно предпочитано изпълнение на настоящото изобретение, двете части на сензорния прибор 5 са направени от подложки от монокристален силиций с ориентация (100), при което формираните околни плоски стени на тримерните съвместяващи се структури са ориентирани в кристалографските направления (111) на подложките. В това предпочитано изпълнение от настоящото изобретение, пасивното тяло 6, показано на фигура За е с обичайни размери, дължина 1 и ширина ws а дебелината ds е в диапазона от 625 цт до 775 цт и е равна на дебелината на използваните за получаването му подложки. При това, спомагателните елементи на конструкцията на тялото, като например компенсатори за обемното ецване на подложката, известни на специалистите в областта и непоказани на фигурите, са такива, че дължината на страната 9, от която конзолно се разпростира тялото 8 на същинския сензор 7, е минимална.In a preferred embodiment of the present invention, the two parts of the sensing device 5 are made of monocrystalline silicon substrates with orientation (100), whereby the formed surrounding flat walls of the three-dimensional matching structures are oriented in the crystallographic directions (111) of the substrates. In this preferred embodiment of the present invention, the passive body 6 shown in Figure 3a is of the usual dimensions, length 1 and width w s and the thickness d s is in the range from 625 µm to 775 µm and is equal to the thickness used to obtain it substrates. Moreover, the auxiliary elements of the body structure, such as compensators for bulk etching of the pad, known to those skilled in the art and not shown in the figures, are such that the length of the side 9 from which the body 8 of the actual sensor 7 extends cantilevered, is minimal.
Геометричните размери на тялото 8 на същинския сензор 7, показано на фигура 36, съответно ширина w, и дължина 1. се избират така, че със същинските сензори 7 да се работи удобно при тяхното производство с обичайни средства. При това, при известни стойности на дължината 1 на микроконзолата 3’, която се цели да бъде получена, споменатите размери се определят от дебелината dj на подложката, от която се получава същинският сензор 7 и от размера на страната 9 на пасивното тяло 6.The geometrical dimensions of the body 8 of the actual sensor 7, shown in Figure 36, respectively, width w, and length 1. are chosen so that the actual sensors 7 can be conveniently operated in their production by conventional means. Moreover, at known values of the length 1 of the microcontroller 3 'to be obtained, said dimensions are determined by the thickness d j of the substrate from which the actual sensor 7 is obtained and by the side size 9 of the passive body 6.
Практически е установено, че е удобно да се работи със сензори с минимална ширина наIt is practically found convenient to work with sensors with a minimum width of
66593 Bl тялото в диапазона 300 - 400 pm и минимална дебелина в диапазона от 200 pm до 280 pm, равна на дебелината на подложката, използвана за получаването им. При избиране на ширината W; на тялото 8 на същинския сензор 7 в съответствие със споменатия критерий, спомагателните елементи на конструкцията му, като например компенсаторите за обемното ецване на подложката, се определят така, че съотношението на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната 4’, от която се формира микроконзолата, както е показано на фигура 2а и фигура 36, да е в предварително зададения диапазон, например от 1:10 до 1:4, за предпочитане от 1:8 до 1:5. В настоящия пример, както е показано на фигура 2а, това отношение е 1:6 и може да се приложи при микроконзоли с дължина в диапазона от 20 pm до 50 pm поради малката дебелина d. на подложката.66593 Bl body in the range 300 - 400 pm and a minimum thickness in the range 200 pm to 280 pm equal to the thickness of the pad used to prepare them. When selecting the width W; of the body 8 of the actual sensor 7 in accordance with said criterion, the auxiliary elements of its construction, such as the compensators for bulk etching of the substrate, are determined such that the ratio of the length 1 of the microcontroller 3 'to the length of the side 4', from which the micro-console is formed, as shown in Figure 2a and Figure 36, in the predetermined range, for example from 1:10 to 1: 4, preferably from 1: 8 to 1: 5. In the present example, as shown in Figure 2a, this ratio is 1: 6 and can be applied to microconsoles with a length in the range of 20 pm to 50 pm due to the small thickness d. on the pad.
Дължината 1, на тялото 8 на същинския сензор 7 се определя от дължината на тясната страна 9 на пасивното тяло 6, от която се разпростира тялото 8 на същинския сензор 7, като дължината 1, е желателно да бъде в диапазона от 1.0 до 2.5 пъти дължината на страната 9 на пасивното тяло, за предпочитане от 1.1 до 1.6 пъти, например за предпочитане 1.2 пъти, както е показано на фигура За.The length 1 of the body 8 of the actual sensor 7 is determined by the length on the narrow side 9 of the passive body 6 from which the body 8 of the real sensor 7 extends, the length 1 being preferably in the range from 1.0 to 2.5 times the length on the side 9 of the passive body, preferably 1.1 to 1.6 times, for example, preferably 1.2 times, as shown in Figure 3a.
Канавката 10 е разположена така в пасивното тяло 6, че пресича неговата тясна страна 9, при което в сглобено състояние част от тялото 8 на същинския сензор 7 се подава конзолно от тази страна на пасивното тяло 6. Дължината lt на канавката 10 се избира в съответствие с дължината 1, на тялото 8 на същинския сензор 7, като за предпочитане е в диапазона от 51% до 80% от дължината I, на тялото 8 на същинския сензор, например 60%.The groove 10 is positioned so in the passive body 6 that it intersects its narrow side 9, whereby in the assembled state part of the body 8 of the actual sensor 7 is projected cantileverly from this side of the passive body 6. The length l t of the groove 10 is selected in according to the length 1 of the body 8 of the actual sensor 7, preferably in the range of 51% to 80% of the length I, of the body 8 of the actual sensor, for example 60%.
Дълбочината d( на канавката 10, формирана в пасивното тяло 6, се определя в зависимост от дебелината d] на тялото 8 на същинския сензор, като максималната й стойност d. се ограничава tmax г от ширината w на същата канавка. При това е изпълнено условието:The depth d ( of the groove 10 formed in the passive body 6 is determined by the thickness d ] of the body 8 of the actual sensor, its maximum value d. Being limited by tmax d from the width w of the same groove. :
d = 1/2.w.tg 54.7° (1)d = 1 / 2.w.tg 54.7 ° (1)
Когато ширината wt, на канавката 10, формирана в пасивното тяло 6, е постоянна, равнината на микроконзолата 3’ на завършения сензорен прибор 5 е успоредна на равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6.When the width w t of the groove 10 formed in the passive body 6 is constant, the plane of the microconsole 3 'of the completed sensor device 5 is parallel to the plane of the upper surface of the passive body 6.
Ширината w на канавката 10, формирана в пасивното тяло 6, се определя в зависимост от вече определената по-горе ширина w. на тялото на същинския сензор, така че да бъде постигната необходимата височина на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор 7 спрямо равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6, както това е показано на фигура 4а, фигура 46 и фигура 4в.The width w of the groove 10 formed in the passive body 6 is determined according to the width already defined above. of the actual sensor so as to achieve the required height of placement of the microcontroller 3 'of the actual sensor 7 relative to the plane of the upper surface of the passive body 6, as shown in Figure 4a, Figure 46 and Figure 4c.
Когато w = w., както е показано на фигура 4а, височината на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор е в равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6. Този вариант е предпочитан в обичайните приложения на сензорния прибор.When w = w., As shown in Figure 4a, the height of placement of the microcontroller 3 'of the actual sensor is in the plane of the upper surface of the passive body 6. This variant is preferred in conventional applications of the sensor device.
Когато w > w., както е показано на фиг. 46, височината на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор е на разстояние hb под равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6. Този вариант е предпочитан, когато разполагането под равнината на пасивното тяло 6 на сондовия елемент, непоказан на фигурата, е начин за намаляване на неговата ефективна височина.When w> w., As shown in FIG. 46, the placement height of the actual sensor 3 'micro-bracket 3' is at a distance h b below the plane of the upper surface of the passive body 6. This embodiment is preferred when positioning below the plane of the passive body 6 of the probe element not shown in the figure is a method to reduce its effective height.
Когато w < wj, както е показано на фигура 4в, височината на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор ha е над равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6. Този вариант е предпочитан, когато разполагането на сондовия елемент над равнината на пасивното тяло 6 е, например, начин за улесняване достъпа на сондовия елемент в дълбоки вдлъбнати структури с ширина, по-голяма от ширината м>, на тялото на същинския сензор 7, но по-малка от ширината ws на пасивното тяло 6.When w <w j , as shown in Figure 4b, the height of placement of the microcontroller 3 'of the actual sensor h a is above the plane of the upper surface of the passive body 6. This variant is preferred when positioning the probe element above the plane of the passive body 6 is, for example, a way of facilitating the access of the probe element to deep concave structures with a width greater than width m> at the body of the actual sensor 7 but smaller than the width w s of the passive body 6.
Един друг, особено предпочитан вариант на изобретението, показан на фигура 5а, дава възможност да се постигне съотношение на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната на тялото 8 на същинския сензор 7, от която се формира микроконзолата, в диапазона 1:5 и дори до 1:1. На фигура 5а е показан пример за сензорен прибор със съотношение 1:1. За целта, върху повърхността на тялото 8 на същинския сензор 7 е формирана втора конзолна структура 11 с прецизно контролирани форма и размери, която се разпростира от страната 4’ на тялото 8 на същинския сензор 7 и е с дължина ld и ширина wd в широката си част, а ширината на страната на втората конзолна структура 11,Another particularly preferred embodiment of the invention shown in Figure 5a makes it possible to obtain a ratio of the length 1 of the microcontroller 3 'to the length of the side of the body 8 of the actual sensor 7 from which the microcontroller is formed, in the range 1: 5 and even up to 1: 1. Figure 5a shows an example of a 1: 1 ratio sensor device. For this purpose, on the surface of the body 8 of the actual sensor 7 is formed a second cantilever structure 11 of precisely controlled shape and size, which extends from the side 4 'of the body 8 of the actual sensor 7 and is of length l d and width w d in the wide part and the width of the side of the second cantilever structure 11,
66593 Bl от която се разпростира микроконзолата 3’, е wd„ В този предпочитан вариант, споменатата страна на втората конзолна структура 11 с ширина w играе ролята на страна на тялото 8 на същинския сензор 7, от която се разпростира микроконзолата 3’. При това, предпочита се дебелината х, на втората конзолна структура 11 да бъде поне двукратно по-голяма от дебелината на микроконзолата 3’, както е показано на фигура 56, а размерите - дължина 1 и ширина wd, се определят от приложението и характеристиките на микроконзолата, която се цели да бъде получена.66593 B1 from which extends the micro-console 3 'is w d ' In this preferred embodiment, said side of the second cantilever structure 11 having a width w plays the role of the body side 8 of the actual sensor 7 from which the micro-console 3 'extends. In this case, it is preferable that the thickness x, of the second cantilever structure 11 be at least twice as large as the thickness of the microconsole 3 ', as shown in Figure 56, and the dimensions length 1 and width w d are determined by the application and characteristics of the micro-console that is intended to be obtained.
В едно изпълнение на изобретението, когато елементът за актюиране на микроконзолата е интегриран в сензорния прибор 5’, или когато е необходим сензорен прибор, притежаващ тяло с обичаен размер и методът за детекция на огъването на микроконзолата е чрез измерване на електрическа величина, върху повърхността както на пасивното тяло 6’, така и на тялото 8’ на същинския сензор 7’, са оформени проводящи пътечки, съответно 12 и 13, както е показано на фигура 6а и в разрез на фигура 66. Тези пътечки са с ниско електрическо съпротивление за осъществяване на галванична връзка между актюаторните и сензорните елементи с останалата част на измервателната система. Съответните проводящи пътечки са свързани една с друга посредством подходящи допълнителни връзки 14, такива като връзки от жица от сплави на злато (Au), алуминий (А1) или друг обичаен за областта материал.In one embodiment of the invention, when the actuating member of the microcontroller is integrated into the sensing device 5 ', or when a sensing device having a conventional body size is required and the method of detecting the bending of the microcontroller is by measuring an electrical magnitude on the surface as on the passive body 6 'and on the body 8' of the actual sensor 7 ', conductive paths 12 and 13 are respectively formed, as shown in Figure 6a and in section in figure 66. These paths are of low electrical resistance for carrying out is a galvanic connection between the actuator and sensor elements with the rest of the measurement system. The corresponding conductive paths are connected to each other by suitable additional connections 14, such as gold alloy (Au) wire, aluminum (A1), or other customary material.
Съгласно настоящото изобретение, пасивното тяло 6 на сензора може да бъде изградено освен от силиций, и от друг материал, например такъв с ниска цена, като полимерен материал, прахов материал на различни метали или керамики, стъкла и др. подобни, подходящи за конкретното приложение, известен на специалистите в областта.According to the present invention, the passive body 6 of the sensor can be constructed in addition to silicon, and from other material, such as low-cost material, such as polymeric material, powders of various metals or ceramics, glasses, and the like. similar, suitable for the particular application known to those skilled in the art.
Сензорните прибори за сканираща сондова микроскопия съгласно изобретението, се произвеждат чрез две независими процесии последователности. Това дава възможност, в сравнение с досегашните методи за производство, частите на сензорните прибори да се произвеждат изгодно на подложки с различен размер, и съответно, различна дебелина. Включително е възможно, двете части да се произвеждат на подложки, направени от различен материал и с различни свойства. При това, изискванията към точността на параметрите на готовите части е съществено различна: тя е относително малка и лесно постижима при производството на пасивното тяло 6 и е много висока и изискваща обичайните специални усилия при производството на същинския сензор 7. Настоящото изобретение осигурява възможност себестойността на една подложка с пасивни тела 6 да е около или по-малка от 30-40% от себестойността на една подложка със същински сензори 7. Тази ниска себестойност се постига с използването на относително евтини материали и оборудване, без специални изисквания за производството на пасивните тела 6, както и посредством рационализиране на процесната последователност, благодарение на формирането само на вдлъбнати елементи, каквито са канавките 10 при производството на тази част от сензора.Sensor scanning probe microscopes according to the invention are manufactured by two independent sequencing processes. This makes it possible to produce parts of sensor devices, in comparison with the current production methods, advantageously on substrates of different sizes and, accordingly, of different thickness. It is also possible that the two parts are made on substrates made of different material and properties. However, the requirements for the accuracy of the parameters of the finished parts are substantially different: it is relatively small and easily achievable in the production of the passive body 6 and is very high and requires the usual special effort in the production of the actual sensor 7. The present invention provides the cost one pad with passive bodies 6 should be about or less than 30-40% of the cost of one pad with real sensors 7. This low cost is achieved by using relatively inexpensive materials and equipment This is done without any special requirements for the production of passive bodies 6, as well as by streamlining the process sequence, due to the formation of only concave elements such as the ditches 10 in the production of this part of the sensor.
Пример за производство на пасивното тяло съгласно изобретението е показан на фиг. 7. В него за подложка се използва монокристална силициева пластина 15 с ориентация(100)с голям размер (например с диаметър в диапазона от 150 до 300 мм) и стандартна за съответния диаметър на подложката, дебелина dc в диапазона от 625 цт до 775 цт. При това, когато ецването на канавката 10 с ширина wt е извършено във воден разтвор на калиев хидроксид (КОН), получените стени на канавката 10 са с кристалографска ориентация (111).An example of the production of the passive body according to the invention is shown in FIG. 7. In the substrate, a single crystal silicon wafer 15 with a large orientation (100) in diameter (for example, with a diameter in the range of 150 to 300 mm) and a standard thickness of d c in the range from 625 µm to 775 is used as the substrate. Tue. Moreover, when the etching of the groove 10 of width w t is carried out in aqueous potassium hydroxide (KOH) solution, the resulting walls of the groove 10 are crystallographically oriented (111).
В друго предпочитано изпълнение на сензорните прибори от настоящото изобретение, за получаването на пасивното тяло 6 се използва за подложка материал, който се формова, щанцова или шприцва с матрица, съдържаща тримерно копие на част от тялото 8 на същинския сензор и така се получава необходимото пасивно тяло 6 с канавка 10, която канавка е тримерна реплика на част от тялото 8 на същинския сензор 7. Когато полученото по този метод тяло 6’ се използва за получаване на прибор с интегрирани актюаторни или сензорни елементи, за които е необходимо галванично свързване, за предпочитане е проводящите пътечки 12 на повърхността на пасивното тяло 6’ да се оформят преди формирането на канавката 10.In another preferred embodiment of the sensory devices of the present invention, for the preparation of the passive body 6, a material is used to form a pad, which is molded, stamped or injected, comprising a three-dimensional copy of a portion of the body 8 of the actual sensor, thus producing the necessary passive body 6 with groove 10, which groove is a three-dimensional replica of part of body 8 of the actual sensor 7. When body 6 'obtained by this method is used to obtain a device with integrated actuator or sensor elements for which a gal is required It is preferable that the conductive paths 12 on the surface of the passive body 6 'are formed before the groove 10 is formed.
Пример за производство съгласно настоящото изобретение, на същинския умален монолитен сензор 7 с тяло 8 и микроконзола 3’, получена отAn example of manufacturing according to the present invention is the actual small monolithic sensor 7 with body 8 and microcontroller 3 'obtained from
66593 Bl тънък слой материал 17, в свободния край на която микроконзола е разположен сондов елемент 18, е показан на фигура 8. В него за подложка се използва монокристална силициева пластина 16 с ориентация (100) с относително малък диаметър: 76.2 или 100 mm, и минимална дебелината на пластината ф при която е възможно ефективно получаване на тези сензори. Практически е установено, че пластини с посочения диаметър и дебелина ф в диапазона от 200 цт до 280 цт са подходящи за производството на същинския сензор 7, като при това, минималната ширина w., на тялото на същинския сензор е в диапазона 300 - 400 pm.66593 B1 a thin layer of material 17, at the free end of which the probe element 18 is located at the free end, is shown in Figure 8. It uses a single crystal silicon wafer 16 with orientation (100) of relatively small diameter: 76.2 or 100 mm as a support. and minimum plate thickness u at which these sensors can be effectively obtained. It has been practically found that plates of the specified diameter and thickness u in the range from 200 µm to 280 µm are suitable for the production of the actual sensor 7, with the minimum width w., Of the body of the actual sensor being in the range 300 - 400 pm .
Когато се извършва ецване на обема на подложката 16 във воден разтвор на калиев хидроксид, тялото 8 е с околни стени, ориентирани в направления (111).When etching the volume of the substrate 16 in aqueous potassium hydroxide solution, the body 8 has side walls oriented in directions (111).
Един пример за вариант на същински сензор 7 за ССМ съгласно изобретението, при който съотношението на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната на тялото 8 на същинския сензор 7, към който е закрепен неподвижният й край, е в диапазона от 1:4 до 1:1, е показан на фигура 9а. При него в лицевата страна или върху нея, на тялото 8, е формирана или съответно разположена, втора конзолна структура 11 с дебелина х определена в зависимост от желаните механични характеристики на микроконзолата 3’. Формата и размерите на тази структура 11, в частност ширината w - на участъка, от който се разпростира микроконзолата 3’ с интегриран в свободния й край сондов елемент 18, са прецизно определени от фотолитографски структурирана маска. На фигура 9а е показан и надлъжен разрез на същински сензор за ССМ, при който дебелината х, на втората конзолна структура 11 е поне двукратно по-голяма от дебелината на разположената върху нея микроконзола 3 ’.One example of a real CCM sensor 7 according to the invention, in which the ratio of the length 1 of the microcontroller 3 'to the length of the body side 8 of the actual sensor 7 to which its fixed end is attached is in the range of 1: 4 to 1: 1 is shown in Figure 9a. Here, a second cantilever structure 11 having a thickness x determined depending on the desired mechanical characteristics of the microcontroller 3 'is formed or positioned on the face or on the body 8 thereof. The shape and dimensions of this structure 11, in particular the width w - of the portion from which extends the microcontroller 3 'integrated into its free end probe element 18, are precisely determined by a photolithographically structured mask. Figure 9a also shows a longitudinal section of a real CCM sensor in which the thickness x, of the second cantilever structure 11 is at least twice the thickness of the microcontroller 3 'therein.
В друго изпълнение, показано на фиг. 96, втората конзолна структура 11 с дебелина х, е разположена върху микроконзолата 3’, която от своя страна е разположена на лицевата страна на тялото 8. Аналогично, в свободния край на микроконзолата 3 ’ е интегриран сондовия елемент 18. Формата и размерите на тази структура 11, в частност ширината wd, на участъка, от който се разпростира микроконзолата 3’, са прецизно определени от фотолитографски структурира на маска. На фигура 96 е показан и надлъжен разрез на същински сензор за ССМ, при който дебелината х на втората конзолна структура 11 е поне двукратно по-голяма от дебелината на разположената под нея микроконзола 3’.In another embodiment shown in FIG. 96, the second cantilever structure 11, of thickness x, is disposed on the microcontroller 3 ', which in turn is disposed on the front side of the body 8. Similarly, the probe element 18 is integrated into the free end of the microconsole 3'. structure 11, in particular the width w d , of the region from which the micro-console 3 'extends, are precisely defined by photolithographic structures on the mask. Figure 96 also shows a longitudinal section of a real CCM sensor in which the thickness x of the second cantilever structure 11 is at least twice the thickness of the microcontroller 3 'below it.
Друг пример на същински сензори за ССМ съгласно изобретението, при които съотношението на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната на тялото 8 на същинския сензор 7, към която е закрепен неподвижният й край, е по-голямо от 1:1, е показан на фиг. 10. При него, след формирането на сондовия елемент 18, в или върху лицевата страна на подложката е формирана допълнителна област 19 с дебелина х, определена в зависимост от механичните характеристики на микроконзолата3’. Материалът на допълнителната област 19 е избран така, че да притежава висока селективност при процеса на ецване на подложката 16, но да има ниска селективност при процеса на ецване на тънкослойния материал 17 за формиране на конзолата 3 ’.Another example of genuine CCM sensors according to the invention in which the ratio of the length 1 of the microcontroller 3 'to the length of the side of the body 8 of the actual sensor 7 to which its fixed end is attached is greater than 1: 1 is shown in FIG. 10. Upon it, after the formation of the probe element 18, an additional area 19 of thickness x is formed in or on the face of the substrate, determined depending on the mechanical characteristics of the microcontroller3 '. The material of the additional region 19 is selected so as to have high selectivity in the etching process of the support 16, but to have low selectivity in the etching process of the thin film material 17 to form the console 3 '.
Видът отгоре на структурата от този пример преди ецването на микроконзолата 3 ’ е показан на фигура 10а. Фоторезистивната маска 20 е структурирана като са отворени прозорците 21, а областите 22 защитават микроконзолата 3’ и лежащата под нея част от допълнителната област 19, и едновременно с това, частта от допълнителната област 19, която е извън микроконзолата, е незащитена. Частичен разрез на получения след ецването същински сензор 7 за ССМ е показан на фигура 106, където от допълнителната област 19 е формирана втора конзолна структура 11. При това, ширината w на участъка на втората конзолна структура 11, от който се разпростира микроконзолата 3’, е точно равна на ширината на микроконзолата 3’. Втората конзолна структура 11 се разпростира от страната 4’ на тялото 8 на същинския сензор 7. На фигура 10в е показан надлъжен разрез на така получения същински сензор, като е реализиран вариант с желана дебелината х на втората конзолна структура 11, която е определена в зависимост от желаните механични характеристики на микроконзолата 3’.The top view of the structure of this example prior to etching of the microconsole 3 'is shown in Figure 10a. The photoresistive mask 20 is structured by opening the windows 21, and the regions 22 protect the microcontroller 3 'and the part below it from the additional area 19, and at the same time, the part of the additional area 19 outside the microcontroller is unprotected. A partial section of the real etching sensor obtained after etching is shown in Figure 106, where a second cantilever structure 11 is formed from the additional region 19. In this case, the width w of the portion of the second cantilever structure 11 from which extends the microconsole 3 '. is exactly equal to the width of the microconsole 3 '. The second cantilever structure 11 extends from the side 4 'of the body 8 of the actual sensor 7. Figure 10c shows a longitudinal section of the actual sensor thus obtained, realizing a variant with the desired thickness x of the second cantilever structure 11, which is determined depending on of the desired mechanical characteristics of the microconsole 3 '.
В един вариант от настоящото изобретение, осъществен в подложка от монокристален силиций, допълнителната област 19 е локално силнолегирана р+ област, получена при дифузия на р-тип примес бор (В). Степента на легиране на споменатата локалнолегирана област е такаIn one embodiment of the present invention made on a single-crystal silicon substrate, the additional region 19 is a locally highly alloyed p + region obtained by diffusion of p-type boron impurity (B). The degree of doping of said locally doped region is thus
66593 Bl ва, че да осигури необходимата селективност по отношение на нелегираните области при използване на подходящ процес на селективно ецване на подложката. При това, за предпочитане е дебелината х на локалнолегираната структура да бъде поне двукратно по-голяма от дебелината на микроконзолата 3’.66593 Bl is intended to provide the necessary selectivity for the non-alloyed regions using an appropriate process of selective etching of the pad. In this case, it is preferable that the thickness x of the locally alloyed structure is at least twice the thickness of the microconsole 3 '.
В друг вариант на изпълнение на същинския сензор от настоящото изобретение, допълнителната област 19 е формирана с помощта на маска за фотолитография, от допълнително получен слой, такъв като силициев диоксид, силициев нитрид или друг материал с подходящи характеристики за конкретното приложение на сензора. Тънкият слой материал 17 е получен преди структурирането на допълнителната област 19, обичайно чрез използване на процес на ецване или на нов процес за отлагане на тънък слой силициев нитрид, силициев диоксид или друг подходящ материал. От слоя 17 чрез ецване се формира микроконзолата 3’.In another embodiment of the actual sensor of the present invention, the additional region 19 is formed by means of a photolithography mask, from an additional layer obtained, such as silica, silicon nitride or other material with suitable characteristics for the particular application of the sensor. The thin layer of material 17 is obtained prior to the structuring of the additional region 19, typically using a pickling process or a new deposition process of a thin layer of silicon nitride, silica or other suitable material. From the layer 17 by etching the micro-console 3 'is formed.
В ССМ обичайно използваните микроконзоли понастоящем имат дължина, която е до пет пъти по-голяма от тяхната ширина. Настоящото изобретение обаче, осигурява сензорни прибори, при които съотношението на дължината на микроконзолата към дължината на страната, от която тя се разпростира, достига стойност, равна на посоченото съотношение дължина на микроконзолата към нейната ширина. Този резултат представлява възможно най-доброто решение на проблема, с който се занимава настоящото изобретение.In CCMs, commonly used microcircuits currently have a length that is up to five times their width. The present invention, however, provides sensory devices in which the ratio of the length of the microcontroller to the length of the side from which it extends reaches a value equal to the specified ratio of the length of the microcontroller to its width. This result represents the best possible solution to the problem of the present invention.
Във варианта на изпълнение на настоящото изобретение, при който в същинския сензор 7’ е интегриран елемент за актюиране на микроконзолата или метода за детекция на огъването на микроконзолата е електрически, върху лицевата страна на подложката се формират структурирани метални пътечки 13. В един предпочитан вариант на изпълнение на настоящото изобретение, структурираните метални пътечки 13 се използват за осъществяване на галваничен контакт с изводите на предварително формирани в основата на микроконзолата пиезорезистори, непоказани на фигурите.In an embodiment of the present invention, wherein in the actual sensor 7 'an actuating element of the micro-console or a method of detecting the bending of the micro-console is electrically integrated, structured metal paths are formed on the face of the substrate 13. In one preferred embodiment, embodiment of the present invention, the structured metal paths 13 are used to make galvanic contact with the terminals of piezo resistors previously formed at the base of the microcontroller, not shown in the invention. figures.
За специалистите в областта е ясно, че сензорният прибор от изобретението може да бъде изпълнен и със същински сензори, за телата на които са използвани полимерни материали, стъкла, метали или техни комбинации. В тези случаи, за микроконзолите се предпочита да бъде използван тънък слой от материал 17 като силициев диоксид, силициев нитрид, метали, полимерни материали, стъкла, керамики или техни комбинации.It will be appreciated by those skilled in the art that the sensor device of the invention may also be provided with genuine sensors for the bodies of which polymeric materials, glasses, metals or combinations thereof have been used. In these cases, it is preferable to use a thin layer of material 17 for the microconsoles such as silica, silicon nitride, metals, polymeric materials, glasses, ceramics, or combinations thereof.
След разделеното получаване на двете части на сензорния прибор, те се сглобяват, като тялото 8 на същинския сензор 7 се поставя в канавката 10, в която предварително е нанесено вещество, свързващо двете части. За предпочитане е, за формиране на тялото на същинския сензор 8 и на канавката 10 в пасивното тяло 6 да се използва процес на мокро ецване във воден разтвор на калиев хидроксид (КОН), при което двете тела се съвместяват и надлъжно едно към друго без хлабина, като се постига висока възпроизводимост на позициониране на микроконзолата 3’ на сензора в равнина, успоредна на повърхността на пасивното тяло 6.After the two parts of the sensor device are separated, they are assembled by inserting the body 8 of the actual sensor 7 into the groove 10, in which a substance connecting the two parts is pre-applied. Preferably, a wet etching process in aqueous potassium hydroxide (KOH) is used to form the body of the actual sensor 8 and the groove 10 in the passive body 6, in which the two bodies are combined and longitudinally to one another without slack , by achieving high reproducibility of positioning the microconsole 3 'of the sensor in a plane parallel to the surface of the passive body 6.
Пример за изпълнение на един предпочитан вариант за сглобяване на сензорен прибор 5 за ССМ от настоящото изобретение е показан на фигура 11 а до фигура 11 в. На фигура 11 а е показан поглед отгоре на двете части на сензорния прибор, пасивното тяло 6 и същинският сензор 7 с тяло 8, преди сглобяване. На фигура 116 е показан един вариант за нанасяне на свързващо вещество 23 в канавката 10 на пасивното тяло. Това нанасяне е по разнообразни обичайни за областта начини. Нанесеното вещество свързва двете части на сензорния прибор 5 за ССМ в общо тяло, а количеството му е такова, че позволява получаването на тънък слой от него между съответните стени на двете части. Обичайно за областта, за описаното свързване на двете части в едно тяло се използва процес при повишена температура, такъв като например полимеризация при температура в диапазона 150- 180°С. На фигура Иве демонстриран крайния вид отгоре на сензора за ССМ от настоящото изобретение.An exemplary embodiment of a preferred embodiment of the sensor assembly 5 for the CCM of the present invention is shown in Figure 11 a through Figure 11 c. Figure 11 a shows a top view of the two parts of the sensor device, the passive body 6 and the actual sensor 7 with body 8, before assembly. Figure 116 shows an embodiment of the attachment of binder 23 in the groove 10 of the passive body. This application is in a variety of customary ways. The applied substance binds the two parts of the CCM sensor device 5 into a common body, and the amount thereof is such that a thin layer of it is formed between the respective walls of the two parts. Typically, for the area, the described bonding of the two parts into one body uses an elevated process, such as, for example, polymerization at a temperature in the range of 150-180 ° C. Figure Ive shows the top end top view of the CCM sensor of the present invention.
Когато функцията на сензорния прибор 5’ за ССМ изисква използването на проводящи пътечки, сглобяването на сензора е по аналогичен на описания по-горе начин. Пример за такова сглобяване е показан на фиг. 12а до фиг.12в. На фигура 12а е показан поглед отгоре на частите, съответно 6’ и 7’, на вариант на сензорния прибор 5’ с електрически елементи и формирани проводящи пътечки 12 и 13 преди сглобяване.When the function of the sensor instrument 5 'for CCM requires the use of conductive paths, the assembly of the sensor is analogous to the method described above. An example of such assembly is shown in FIG. 12a to FIG. 12c. Figure 12a shows a top view of the parts 6 'and 7' respectively of a variant of the sensing device 5 'with electrical elements and formed conductive paths 12 and 13 prior to assembly.
66593 Bl66593 Bl
А на фигура 126 е показан същият сензорен прибор, получен след нанасяне на свързващо вещество в канавката на пасивното тяло 6’, сглобяване чрез поставяне на същинския сензор 7’ в канавката 10, и последващ процес на втвърдяване при повишена температура, такъв като например полимеризация при температура в диапазона 150-180°С за свързване на двете части в едно тяло.A in Fig. 126 shows the same sensing device obtained after applying a binder in the groove of the passive body 6 ', assembling by inserting the real sensor 7' in the groove 10, and subsequent curing at elevated temperature, such as polymerization at temperature in the range 150-180 ° C for connecting the two parts in one body.
След това се извършва процес на свързване на пътечките 13 от тънък слой метал върху тялото на същинския сензор 7 със съответните пътечки 12 от тънък слой метал върху пасивното тяло 6 с връзки 14 тънка жица от златна или алуминиева сплав, или друг обичайно използван в областта материал, както е показано на фигура 12в.Thereafter, a process of connecting the thin metal layer 13 paths to the body of the actual sensor 7 with the corresponding thin metal layer path 12 to the passive body 6 with 14 gold or aluminum alloy thin wire or other material commonly used in the field as shown in Figure 12c.
По аналогичен начин се извършва сглобяване на сензорния прибор от настоящото изобретение във варианта, когато за получаването на пасивното тяло 6 се използва материал, който се формова, щанцова или шприцва с матрица, съдържаща тримерно копие на напасващата се част от тялото 8 на същинския сензор 7 към канавката 10 на пасивното тяло 6.Similarly, assembly of the sensor device of the present invention is carried out in the embodiment, when a material which is molded, stamped or sprayed with a matrix containing a three-dimensional copy of the matching part 8 of the actual sensor 7 is used to obtain the passive body 6 to the groove 10 of the passive body 6.
Claims (7)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG111143A BG66593B1 (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Sensor device for scanning probe microscopy |
| PCT/BG2013/000004 WO2013120153A1 (en) | 2012-02-16 | 2013-02-12 | Sensor device for scanning probe microscopy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG111143A BG66593B1 (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Sensor device for scanning probe microscopy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG111143A BG111143A (en) | 2013-08-30 |
| BG66593B1 true BG66593B1 (en) | 2017-08-31 |
Family
ID=48013668
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG111143A BG66593B1 (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Sensor device for scanning probe microscopy |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG66593B1 (en) |
| WO (1) | WO2013120153A1 (en) |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5253515A (en) * | 1990-03-01 | 1993-10-19 | Olympus Optical Co., Ltd. | Atomic probe microscope and cantilever unit for use in the microscope |
| US6393685B1 (en) | 1997-06-10 | 2002-05-28 | The Regents Of The University Of California | Microjoinery methods and devices |
| JP4610811B2 (en) | 2000-09-15 | 2011-01-12 | アイメック | Probe manufacturing method and apparatus |
| US6813937B2 (en) * | 2001-11-28 | 2004-11-09 | General Nanotechnology Llc | Method and apparatus for micromachines, microstructures, nanomachines and nanostructures |
| US6818137B2 (en) | 2002-05-15 | 2004-11-16 | The Regents Of The University Of California | Fabrication of electronic magnetic, optical, chemical, and mechanical systems using chemical endpoint detection |
| US7637960B2 (en) | 2005-11-15 | 2009-12-29 | University Of Houston | Short and thin silicon cantilever with tip and fabrication thereof |
| EP1860424B1 (en) * | 2006-05-26 | 2011-08-17 | NanoWorld AG | Self-aligning scanning probes for scanning probe microscope |
| US7823216B2 (en) | 2007-08-02 | 2010-10-26 | Veeco Instruments Inc. | Probe device for a metrology instrument and method of fabricating the same |
| JP5046039B2 (en) * | 2008-04-16 | 2012-10-10 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | Liquid observation sensor and liquid observation device |
-
2012
- 2012-02-16 BG BG111143A patent/BG66593B1/en unknown
-
2013
- 2013-02-12 WO PCT/BG2013/000004 patent/WO2013120153A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013120153A1 (en) | 2013-08-22 |
| BG111143A (en) | 2013-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5576250A (en) | Process for the production of accelerometers using silicon on insulator technology | |
| TWI220423B (en) | A method of fabrication of a sensor | |
| KR100214152B1 (en) | Piezoresistive cantilever for atomic force microscoph | |
| US5725729A (en) | Process for micromechanical fabrication | |
| US20070209437A1 (en) | Magnetic MEMS device | |
| GB2249174A (en) | Rate of rotation sensor | |
| US20120270355A1 (en) | Inertial sensor and method of manufacturing the same | |
| US10612925B2 (en) | Assembly processes for three-dimensional microstructures | |
| JPH0832090A (en) | Inertia force sensor and manufacture thereof | |
| EP0880671A4 (en) | ||
| WO2004041998A9 (en) | Nanomechanichal energy, force, and mass sensors | |
| WO2019067488A1 (en) | Graphene microelectromechanical system (mems) resonant gas sensor | |
| EP1035595A2 (en) | Piezoelectric/electrostrictive device | |
| JP4685309B2 (en) | Nanodrive for high-resolution positioning and multi-probe probe positioning | |
| EP0868648B1 (en) | Integrated silicon profilometer and afm head | |
| JP2013031917A (en) | Method for manufacturing suspended diaphragm structure with buried electrode | |
| EP3211393A1 (en) | Mems device using a released device layer as membrane | |
| JP3346379B2 (en) | Angular velocity sensor and manufacturing method thereof | |
| BG66593B1 (en) | Sensor device for scanning probe microscopy | |
| JPH1038916A (en) | Probe device and electrically connecting method for minute region | |
| WO2000042666A1 (en) | Inertia force sensor and method for producing inertia force sensor | |
| Aktakka | Integration of Bulk Piezoelectric Materials into Microsystems. | |
| Dutta et al. | Fabrication challenges for realization of wet etching based comb type capacitive microaccelerometer structure | |
| KR20030033237A (en) | Cantilever for atomic force microscopy and method for fabricating the same | |
| Mateti et al. | Fabrication and characterization of micromachined piezoelectric T-beam actuators |