CN101379383B - 微型化的弹簧元件及其制造方法梁式探针、扫描力显微镜及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种微型化的弹簧元件(1、1′)，拟特别适用于作为梁式探针或悬臂(2)使用，以便检测原子力或分子力，特别是在扫描力显微镜(22)内进行，并且为此能够特别可靠地和高分辨地检测偏移。为此弹簧元件(1、1′)按照本发明包括一基体(4)，其由一包括嵌入的大量纳米粒子(14)或疵点的母体构成，其中，近似地通过lnσ～t-γ的关系给出探测区域(10)的导电能力σ(t)的温度依赖性，其中特征指数γ具有在0与1之间的数值。通过局部沉积的原理的应用，利用聚焦的能量粒子或电磁波或借助于热解作用诱发的沉积制造弹簧元件(1、1′)。本发明还涉及弹簧元件制造方法、梁式探针、扫描力显微镜及其操作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型化的具有可弯曲基体的弹簧元件。本发明还涉及一种用于扫描力显微镜的包括这样的弹簧元件的梁式探针，以及这样的弹簧元件的制造方法。
背景技术
微型化的具有可弯曲的显微尺寸的基体的弹簧元件可以在大量的应用中使用。这样的弹簧元件通常包括一可弯曲基体，其在对一外面作用的机械力的反应时被变形或偏移并且在取消外面的力时重新具有其原来的形状。基体的偏移对此可以特别是与作用力成比例。在微型化的形式中，亦即具有显微尺寸的基体，这样的弹簧元件可以例如作为微量天平，用于高精密地称量各个分子的重量，作为传感器元件用于微力学、生物传感装置等中。
这样的微型化的弹簧元件的特别知名和传播的应用是作为所谓的梁式探针或悬臂结合于扫描力显微镜中。在这样的扫描力显微镜中利用这样的原理，即由于在细的探针针尖与紧挨着的待检验表面之间的原子力而在探针针尖与该表面之间产生相互作用，其可以用于分析表面的原子结构。对此通常将探针针尖安装在可弯的载体或基体上，其中根据待检验表面的以原子尺度形成的轮廓，与位置有关地校准易弯基体的相应的偏移。通过该偏移的适当的检测或也通过适当选择的控制信号的检测，借其例如保持探针针尖与待检验表面之间的间距不变，因此可以按原子尺度建立待检验表面的轮廓图像。
在微型化的弹簧元件的这样的应用中通常重要的意义在于，可以较精确地测量或检测相应的弹簧元件的根据参数或位置出现的偏移。对此例如可以通过在相应弹簧元件的上面上的光反射或也通过在可弯曲基体中的压阻效应的利用实现偏移的检测。尤其关于待检验试件的通常原子尺度，对此高精确的和特别可靠的偏移检测是特别值得追求 的。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种上述型式的微型化的弹簧元件，借其可按特别可靠的方式和以高的精度检测弹簧元件的偏移。此外拟提供一种特别适用的用于制造这样的微型化弹簧元件的方法。
按本发明的微型化的弹簧元件，该弹簧元件包括一可弯曲的基体，该基体具有一探测区域，该探测区域的导电能力是通过电子的隧道过程、电离过程或跳跃过程导致的，其中，近似地通过ln σ～tγ的关系给出探测区域的导电能力σ(t)的温度依赖性，其中特征指数γ具有在0与1之间的数值。
按本发明的用于制造上述弹簧元件的方法，通过局部能量施加来制造所述探测区域，其中，为一在一基片附近的沉积区域气态地供给前身物质，大量前身物质用能量被激发以进行转变，此时转变产物以固体的并且不挥发的形式沉降在基片上。
利用按照上述方法制成的微型化的弹簧元件。
关于弹簧元件按照本发明通过可弯曲基体具有一探测区域达到该目的，该探测区域的导电能力是通过电子的隧道过程、电离过程或优选跳跃过程(Hopping-prozesse)导致(bestimmt)的。
本发明对此从这样的考虑出发，即通常随着可弯曲基体的弯曲而出现上述型式的弹簧元件的偏移，其本身以显微尺寸与至少若干体积区域的长度变化、例如关于基体的内表面或外表面的出现的弯曲相关联。为了能够特别可靠地检测偏移，因此拟提供即使极小的长度变化、特别是在可弯曲基体的表面附近的区域内也特别灵敏的检测。为了能够实现这一点，在基体的一探测区域的范围内设置一系统，其即使对极小的长度变化也很灵敏地以其导电能力的一较大的明显的变化作出反应。
这可通过在探测区域内提供一系统来达到，其中通过电绝缘的纳米粒子、掺杂质、疵点或俘获点或者通过局部化的状态的结构上的紊乱或通过一零维的电子气体或按其他方式俘获的载流子的能量状态被形成。在这种情况下在供给一支持的外部的电的、电磁的或热的激活能时可以只热激活地实现电荷传送。可能的传导机理是：所谓的跳跃机理(跳跃)、场致发射效应或磁致电离效应、波尔弗伦克尔(Poole-Frenkel)效应或在各局部化的位置之间或各疵点或俘获点之间的不同性质的电子隧道效应。尤其在这样的系统中，其中电子传递基本上基于隧道效应、电离效应或跳跃效应，亦即导电能力在极大的程度上取决于各个局部化的状态的彼此间距，从而在极小的间距变化时已可得到对导电能力的较大影响，特别是因为电气量如电阻或导电性在这样的系统中随各隧道配对之间的间距成指数地变化。
在对于探测区域的导电能力跳跃过程占优势的情况下，其一般出现于紊乱的无定形的系统例如无定形的硅中，对此优选近似地通过lnσ～t-γ的关系说明其导电能力的温度依赖性。有利地对此将探测区域构成为使该关系的特征指数γ具有在0与1之间的数值，优选约0.25的数值、约0.5的数值或约1的数值。
在单一的隧道过程占优势的情况下，如其通过场致发射效应或电离效应或Poole-Frenkel效应在各局部变换的区域内以低的和高的导电性形成并且不遵循lnσ～t-γ的关系，探测区域相对于位置变化的机械应力具有一直接成指数退化的敏感性，因为随隧道效应而出现的隧道电流成指数地随隧道配对的间距而降低。这些局部变换的具有低的和高的导电性的区域例如通过复合系统(包括在一电绝缘的母体(基础介质)中嵌入的传导的大量纳米晶粒、疵点(Stoerstellen：有杂质)或俘获点(Einfangstellen)或掺杂质构成。由于指数函数在全部的方案中是最强增长的函数，该变形探测的方法通过隧道效应也构成为测定位置变化的最灵敏的方法。
为了确保为探测区域的导电能力设置的电子的隧道过程、电离过程或跳跃过程的优势，构成它的材料有利地具有特别适合的表面几何形状。特别是探测区域中的表面几何形状对此优选选择成使得构成大量的较小的膨胀的区域，其具有较高的导电能力，其经由各具有较低导电能力的中间区域相互连接或相互邻接。对此，构成探测区域的材料可以具有例如无定形的纳米的或多晶的结构。但有利地探测区域由大量在一由适当选择的、较小导电能力的特别是不导电的材料构成的 母体中嵌入的纳米粒子构成，纳米粒子与母体材料相比具有较高的导电能力。
纳米粒子对此可以由具有适当高导电能力的材料、例如由半导的或超导的材料构成。但通过有利地纳米粒子由金属特别是金(Au)或铂(Pt)构成，可达到要求的特性的特别符合需求的校准。
优选为了形成成母体，设置无机的、有机的或介电的材料或也设置聚合物材料。
有利地将构成探测区域的材料，其作为传感活性的材料设置，关于其相应参数的选择在特别的程度上按照导电能力对变形或长度变化所要求的很大的依赖性设计。为了确保这一点，特别将纳米粒子或引起局部化状态的各疵点关于其在嵌入母体时的尺寸、间距、特性和粒子数目密度适当选择成使得产生的导电能力基本上通过所述电子的隧道过程、电离过程或跳跃过程主导控制。对此纳米粒子具有例如达10nm的平均的粒子尺寸。但按选择也可设想达100nm或更大的粒子尺寸，只要它们彼此足够地电绝缘和其间距充分地小，从而可以校准它们之间的隧道效应。
在一有利地进一步构成中，探测区域通过在一载体上涂覆的涂层构成。关于微型化弹簧元件的其他的特性，例如品质、变形性或其他的弹性特性，对此可以利用现有的和在使用中已证明适用的弹簧元件，其中特别在用作为梁式探针在扫描力显微镜中使用时，可以设置一硅基片。在这样的通常的弹簧元件或悬臂的一改进的型式中，对此可以通过涂覆所述型式的涂层来构成基体的探测区域。但按选择基体也可以作为整体并从而其全部构成探测区域。
弹簧元件和特别是构成它的基体优选关于其尺寸确定和造型特别匹配于设定的应用目的。例如基体对此可以构成膜片式的，这特别能够在压力传感器等中使用。但有利地基体也可以以一种沿纵向方向延伸的杆的型式构成，其中通过预定这样的纵向延伸来构成一确定的测量几何形状。基体对此有利地具有基本上棱柱形的横截面。
弹簧元件适用于大量的应用，例如作为极小型的和灵敏的气体或 生物传感器用于分子化学或生命科学的领域中，例如在气体浓度测定或DNA(脱氧核糖核酸)分析中。在医学中可设想这样的弹簧元件的多维弹簧例如用于经由呼出的空气的新陈代谢产物的分析通过直接称量分子的重量和描述其特性诊断疾病。借助于极小的微型化弹簧元件的血液分析一般也可以用于心肌梗塞诊断学或用于追踪肿瘤标志。在微生物学的领域中，弹簧元件由于经由探测区域结合的偏移传感装置用于化验细菌以及检验对抗菌素的抵抗力，如其在由细菌引起的疾病的用药克服中越来越经常出现的。这样的弹簧元件在环境保护中也可以用于化验空气中、气体中和液体中的有毒的成分或在化学工业中发现有毒的或爆炸的物质。
但在特别有利的进一步构成中，将弹簧元件作为悬臂用于扫描力显微镜中，其中悬臂为了构成扫描力显微镜的所谓梁式探针而以适当的方式设有一探针针尖或探针头。尤其在这样的应用中亦即特别有利地起极灵敏的和高分辨的偏移传感器装置的作用并且其在扫描力显微学中能够实现需要的特别高的测量灵敏性。
扫描力显微镜对此符合目的地以本来通用的方式和方法设计用来侧面地探测测量对象的表面几何形状。为了对此可以特别有利地利用探测区域依赖于弹簧元件的偏移的导电性的高灵敏的变化，扫描力显微镜有利地设有一评价装置，其借助梁式探针的控制数据或测量数据产生一反映测试物体的表面几何形状特性的数据组，其中该评价装置在数据组的产生中考虑到反映悬臂探测区域的导电性特性的特征值。同时表面几何形状可以例如以一表面形貌的型式来评价。在利用一磁性的探针头评价一磁化的试样时，也可以评价“磁性的表面几何形状”。按选择或附加地也可以设置悬臂沿表面的侧面运动，其中由于与试样表面的摩擦导致悬臂的扭转(所谓“摩擦模式”)。
在扫描力显微镜操作中有利地借助一反映梁式探针探测区域的导电能力特性的测量值求得梁式探针的偏移。为此使弹簧元件的探测区域优选适当地接触并连接于扫描力显微镜的评价装置。
为了弹簧元件的制造基本上可设想不同的技术。但一种可特别好 地适应于弹簧元件设计原理、特别是适应于探测区域的制备并从而特别适用于制造的方法，借其按照本发明达到与此有关的目的，是通过局部的能量激发的沉积，例如离子射线诱发的、热解作用诱发的或光子束诱发的沉积、特别有利的是电子射线诱发的沉积(EBID)。该方法基于通过包括电子、离子或光子的屏蔽的粒子射线或一由电磁波构成的射线发生的、一在射线点存在的前身气体的物理和化学的转变过程。通过该方法特别是在以显微尺度的沉淀物结构化的意义上，功能性的纳米结构的针对的材料沉积是可能的，其中通过适当的沉积参数的选择，将所要求的结构的针对的空间构造限制到在成品中要求的空间的构成是可能的。
由此为了在微型化的成品中产生要求的空间形状，按传统的方法一次沉淀(deponierte)的构造的以后的后处理、例如通过光刻蚀刻是不必需的。沉淀物构造的过程对此基于这样的原理，即一原始构造物质(前体：Praekursor)的分子，其处于气相并在一真空环境内吸附在一表面上，利用一局部集中的能量入射，其例如包括聚焦的电子、离子或光子或其他的能量聚束的物体，被激发并且通过其化合(Bindungen)的分解或转变过程作为沉积物或沉淀物持久地固定在一附近的基片的表面上。开始的材料沉积同时作为晶芽点用于新的沉积，其通过能量作用的局部位置及其停留持续时间引导，从而根据能源的聚焦性可以用达纳米精度的精确度在基片上沉积任意的三维物体。
通过原始物质或前体材料的适当选择和也通过在沉积过程中应用的参数的适当选择，以特别灵活的和广泛的方式采取对成品的显微特性的影响措施是可能的。为了在探测区域内确保导电能力对可能发生的长度变化的要求的很大的依赖性和为此设置的针对的和较均匀的纳米粒子在一适当的母体中的分布，对此作为前体材料有利地采用有机的、无机的、介电的或金属有机的络合物、单体、低聚物、聚合物或者由这些单体、低聚物和聚合物构成的混合物，其优选处于气相并且具有一对于沉积特别有利的蒸汽压力。有利地作为前身物质特别采用 CH3、C5O2H7、C5O2F3H4、C5O2F5H、C5H5、Me2Au(acac)[(化学)总式：(CH3)2AuC5O2H7]、Me2Au(tfac)[总式：(CH3)2AuC5O2F3H4]、Me2Au(hfac)[总式：(CH3)2AuC5O2F6H]、Cu(hfac)2[总式：Cu(C5O2F6H)2]、CpPtMe3[总式：C5H5Pt(CH3)3]、CpMePtMe3[总式：C3H4(CH3)Pt(CH3)3]、MO(CO)6、W(CO)6、WF6、[RhCl(PF3)2]2、Co2(Co)8、AuCl(PF3)和/或Ni(CO)4。
所述沉积方法特别是不仅适用于制造表面涂层用于在一用作为载体的基片上以事后载体改进的方式产生探测区域而且适用于制造块体，其中弹簧元件的基体本身已由嵌入母体的纳米粒子构成并从而其本身全部构成探测区域。为了制造这样的结构，有利地将一为前身物质的能量激发设置的能量粒子射线或一局部热解的处理例如通过激光辐射，关于基片在侧面或三维地根据预定的沉淀物理想几何形状引导。
有利地对此在沉积过程中适当地控制母体的温度。借此影响在基片上的表面扩散过程的速度，这导致前体材料的可控的补充率并从而导致受控的沉淀物的增长率。或者也可以这样控制补充率，即提高或降低前体源的温度，因为这对前体的蒸汽压力具有直接的影响。
或者也可以有利地采用热解作用的或热解诱发的沉积。对此也可以将固体的沉淀物沉积在一基片上，即按照前体分子的不定向的吸附作用加热基片，例如从下面经由加热丝或从上面通过激光束。能量供给接着局部引起前体材料的要求的转变。借此可得到侧面的虽然只较粗构造成的沉淀物，但例如特别适用于悬臂在硅基上的事后的改进(Veredelung)。此外这样的热解作用的沉积可以用于制造用于压力测定的膜片，其中侧面的微观结构化只具有次要的意义。
通过所述沉淀物结构化的应用、特别是通过借助于电子射线诱发的沉积或特借助于离子射线诱发的、热解作用诱发的或光子射线诱发的沉积来制造弹簧元件的探测区域整个基体，在校准成品的要求特性时可达到特别高的灵活性。通过对母体的适当结构的选择，不仅可以在对长度变化时要求的灵敏性的目的上适当地校准导电能力，而更确切地说在沉淀结构时制造参数的针对的影响也能够实现对其他的显微 特性的针对性的影响措施。特别是同时可以根据预定的应用目的适当地影响基体并从而整个弹簧元件的机械特性，其中特别是可以校准对应用目的特别有利的弹簧元件弹性或特别有利的弹簧元件品质。
例如通过由金属有机的络合物构成的前体的应用，为在隧道电子学中的使用，沉积可特别易弯的柔软结构、特别是具有纳米晶粒特性的导电的物质结构。相反，具有高的碳含量的前体，例如挥发性的剩余气体-油分子，作为沉淀物由于在聚集中起作用的共价的碳化合而构成机械上特别“硬”的金刚石似的沉淀物，其作为弹簧元件表现出特别刚性的性能。这在制造弹簧元件时应特别有利地这样考虑，将一些参数即前身物质的类型、量和/或成分、沉积区域内的气体压力、局部能量施加的强度(例如电子射线)、电子射线的入射持续时间、电子射线的聚焦量、基片材料和/或基片温度调节成使弹簧元件具有一预定的弹簧常数和/或一预定的品质。
通过沉积参数的适当选择也可以制造这样的弹簧元件，其在机械负荷方面与基于半导体的由单晶的或多晶(例如由硅悬臂)构成的弹簧元件相比以较高的牢固性和耐用性或无疲劳为特征。沉积参数可以例如选择成使弹簧元件的绝大部分由一具有占优势的共价的化合成分的母体构成，例如在各碳原子之间为金刚石状化合的形式(四面体的配位)。于是也可以制造很硬的弹簧元件，如果只局部地构成金刚石状的化合(无定形的结构)的话。在相当程度上无定形的结构中由于缺少有序的原子晶格结构而不出现或只出现很小的位错形成。结构由此变成无疲劳的，因为重要的耗损过程是各位错的滑动。因此这样的复合结构一般很好地适用于硬材料应用，例如用于硬材料涂层。
在这方面还可以考虑，在沉积时以纳米精度可自由选择的沉淀物弹簧结构在基片上的定位性，还允许较复杂的功能相关的多重弹簧系统的构造，从而能够按特别简单的方式制造弹簧装置场(所谓弹簧或悬臂阵列)。此外对应用相关的目的的另一适应性也这样提供，即在设定的沉淀物结构化中关于几何形状外表提供较高的灵活性。特别是侧面的分辨率和外表状况(或高宽比)以及沉淀物的其他的机械弹性的、 电的和磁性的特性较灵敏地取决于所选择的能源的类型、其强度和其作用持续时间以及所使用的前体材料的为在沉淀物沉积在母体上时转变过程重要的较复杂的相互作用、其数量和其他的环境因素例如温度、基片材料和过程真空的质量。通过对这些参数的影响措施由此使制成的沉淀物的不同特性的有针对的校准是可能的。
利用本发明达到的优点特别在于，通过在嵌入一母体的纳米粒子的基础上提供一探测区域，可以达到探测区域的导电能力对以极小尺寸的长度变化的特别灵敏的依赖性。由此可实施特别灵敏的测定，其随极小的长度变化而出现，例如其导致弹簧元件的表面附近的区域的局部收缩或扩展。由此可特别精确地测量弹簧元件的偏移，从而在这样的偏移测定的基础上可以提供高精密的传感器。对于也要检测较大的偏移的应用情况，弹簧元件可以附加设有镜面化(verspiegelte)的表面，其使得能够实现偏移的光检测。
这样的传感器可以例如在微力学、生物传感装置等中使用。并且通过借助于沉淀物结构化方法如特别是电子射线诱发的沉积制造探测区域或整个弹簧元件，显微结构包括要求的特性的高频带宽度的针对的制造是可能的，其中特别通过适当的材料和参数选择，除电的特性外还可以特别有利地校准机械特性。特别是通过这样的灵活性具有预先校准各元件的弹簧特征的可能性，这使其特别是增强在扫描力显微镜中使用。此外，通过电子射线诱发的沉积可制造极微型化的弹簧元件或悬臂，其中特别是几乎可自由选择弹簧和探测几何形状。微力学系统的微型化对此与通用的系统相比变得进一步有意义，其中与用传统的结构化方法制成的系统相比例如可达到减小1000倍的长度测定。
用于扫描力显微镜的梁式探针，包括一设有一探针针尖的悬臂，其特征在于，悬臂构成为利用上述方法制造的弹簧元件。
具有上述的梁式探针的扫描力显微镜。
用于操作上述的扫描力显微镜的方法，其特征在于，借助于反映梁式探针的导电能力特性的测量值求得梁式探针的偏移。
上述的弹簧元件作为传感器元件的应用，用于检测长度变化或偏 移力。
附图说明
借助附图更详细地说明本发明的一个实施例。其中：
图1a、1b 分别示出一个微型化的弹簧元件；
图2示意示出的扫描力显微镜；以及
图3a-3c各一个在基片上生长的沉淀物的不同沉积阶段。
相同的部分在全部图中设有相同的标记。
具体实施方式
按图1a或图1b的微型化的弹簧元件1、1′特别设定在扫描力显微镜中作为悬臂2或梁式探针使用。但按选择也可设想在微传感装置或生物传感装置等中大量其他的应用可能性。微型化的弹簧元件1、1′包括一可弯的基体4，其以沿由箭头6表示的纵向方向延伸的杆的型式构成并且具有一基本上棱柱形的横截面。基体同时关于其弹性特性等为此设计成，使其因一外面施加的机械力沿一由箭头8表示的基本上垂直于纵向方向的偏移方向偏移，此时产生基体2的相应的弯曲。图1a、1b中示出相应的基体4处于一这样的偏移的位置。在取消由外面作用的机械力时基体4恢复原状，并且整个弹簧元件1、1′与基体一起处于一基体上直线定位的静止位置。如果人们使弹簧元件1、1′在其外形上垂直于中间平面延伸，则产生一薄的膜片用以检测平面作用的力，例如用于测量热力学的气体压力。
弹簧元件1、1′为此设计成按特别灵敏的和高分辨的方式精确地检测在机械力作用时的偏移。为此弹簧元件1、1′的基体4分别包括一探测区域10，其由嵌入一母体12的优选金属的纳米粒子14构成。母体12对此在该实施例中构成为聚合物母体，在其中嵌入金属的纳米粒子14。纳米粒子对此构成嵌入的局部化的电荷状态。其也可以按选择或附加地通过疵点或俘获点或通过结构上的紊乱、例如以无定形的介质构成。
关于母体12和纳米粒子14的材料选择以及关于在实施例中约 10nm的平均粒子尺寸、和纳米粒子14的密度，将各相应的参数选择成使得通过跳跃过程反映在母体12内各纳米粒子14之间电传递的特性并经由隧道过程引导。探测区域10中的传导机理因此通过在各局部化的位置之间的热激活的跳跃机理(跳跃、最邻接的跳跃、可变范围的跳跃)来实现并通过量子力学的隧道效应形成。通过遵守这样的边界条件确保，探测区域10的导电能力也非常强地和灵敏地取决于极小的长度或间距变化，从而可证明其具有高的灵敏性和分辨率。如由图1a、图1b中的视图可看出的，至少局部产生基体4在偏移方向上的偏移，并且在基体4的表面附近沿纵向方向产生至少微小的长度变化，从而也可以经由探测区域10的导电能力变化以高的灵敏性测量这样的偏移。
按图1a的弹簧元件1在这里回归传统结构形式的在硅基础上的弹簧元件地构成，其用作为载体16并且为了构成探测区域10设有一表面的涂层。因此按图1a的弹簧元件1的结构形式相当于传统的弹簧元件的改进，其中通过事后的涂层涂覆为所要求的高测量分辨率设置的探测区域10。
不同于此，按图1b的弹簧元件1′以一种三维的型式或成块(Bulk)全新制成的基体4的形式构成，其已本来由嵌入母体12的金属的纳米粒子14构成并因此其本身整体构成探测区域10。尤其在该实施例中因此通过适当的参数选择，除探测区域10的电特性、特别是传导特性外，还可适当地调节整个基体4的机械特性。特别是在该实施例中总体上母体12的机械特性、基体4的弹性特性(弹性模量)和机械品质占主导。通过为形成母体12所使用的材料的适当选择和通过金属成分的纳米部分的结构，在制造基体4时在相当大程度上抑制位错形成，从而其同时可达到的弹簧元件1′的品质和机械许可应用及无疲劳并从而其在机械负荷时的牢固性和耐用性是特别高的。
弹簧元件1、1′特别地构成为在扫描力显微镜中使用。为此在基体4上相应成形一探针针尖20，经由它能够探测一测量对象。一相应的扫描力显微镜22的结构示意地示于图2中。扫描力显微镜22包括一 悬臂2，也称为梁式探针，其构成为弹簧元件1、1′。对此探针针尖20可沿一测量对象24的表面移动。探针针尖20同时通过一压电的探测装置26在测量对象的表面上移动。通过经由分别设置的探测区域10的适当接触而求得构成悬臂2的弹簧元件1、1′的导电能力的变化，同时确定悬臂2的偏移。
一探测装置(压电变换器)26由一压电放大器29驱动。通过一比较器28预定其输出电压，比较器28将来自悬臂2的偏移传感器的、在放大器27中放大的测量信号(实际值)与一来自额定值传感器的额定性相比较。比较器的输出电压发生变化，直到额定值与实际值的差消失为止。借此在侧面扫描时保持悬臂在测量对象上面的高度或悬臂在以“接触模式”的测量时压紧力不变。由比较器28的输出电压按传统的方式求得扫描力显微镜图象。
为了用具有周期性出现的离测量对象表面的最小间距的振动的悬臂进行测定，设有一振荡器31。振荡器信号在此供给比较器。在这种情况下悬臂偏移的测定需要相位灵敏的整流器(Gleichrichter)作为放大器27的部分。
弹簧元件1、1′的探测区域10和可能也整个的基体4通过所谓的沉淀物结构化制造，其中在这些空间范围内产生相应结构的部分增长并也限制在这些空间范围上，在这些空间范围内设定形成所要求的结构。借此取消在其他的微型化构造中所要求的事后的例如光刻的蚀刻。为了制造相应的结构，在该实施例中设置所谓的电子射线诱发的或离子射线诱发的沉积的方法。相应结构的各个形成阶段对此示于图3a至3c中。
如由图3a中的示意图可看出的，在适当的环境中，特别是在真空中将前身物质，如其在图3a中借助各粒子50所示的，以气态的形式置于一基片52的附近。通过在前体分子与基片之间的粘附力，在基片上发生前体材料的吸附作用。
在一紧挨着基片52的沉积区域54内用能量激发前身物质以进行转变，此时转变产物以固体的且不挥发的形式作为沉积物或沉淀物56 持久地沉降在基片52上。在基片52上的开始的材料沉积同时用作为新沉积的晶芽点，其通过能量作用的局部位置及其停留持续时间引导，从而可以在基片52上产生几乎任意的三维物体。如图3b中所示，对此通过电子射线或离子射线的焦点的适当的空间变化，以不同的几何形状针对地沉积沉淀物是可能的，其中如图3c中所示，通过侧面的相对运动也可以产生沉淀物56的弯曲的结构。
附图标记清单
1、1′ 弹簧元件
2 悬臂(梁式探针)
4 基体
6、8 箭头
10 探测区域
12 母体
14 纳米粒子
16 载体
20 探针针尖
22 扫描力显微镜
24 测量对象
26 探测装置(压电变换器)
27 放大器(必要时对数式的)
28 比较器
29 压电放大器
30 额定值传感器
31 振荡器(任选的)
50 粒子(前身物质)
52 基片
54 沉积区域
56 沉淀物
Claims (35)
1.微型化的弹簧元件(1、1′)，该弹簧元件包括一可弯曲的基体(4)，该基体具有一探测区域(10)，该探测区域的导电能力(σ)是通过电子的隧道过程、电离过程或跳跃过程导致的，其中，近似地通过lnσ～t-γ的关系给出探测区域(10)的导电能力σ(t)的温度依赖性，其中特征指数γ具有在0与1之间的数值。
2.按照权利要求1所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，特征指数γ具有约0.25、约0.5或约1的数值。
3.按照权利要求1所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，该弹簧元件的探测区域(10)由嵌入一母体(12)中的纳米粒子(14)构成，纳米粒子与母体材料相比具有较高的导电能力。
4.按照权利要求2所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，该弹簧元件的探测区域(10)由嵌入一母体(12)中的纳米粒子(14)构成，纳米粒子与母体材料相比具有较高的导电能力。
5.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，纳米粒子(14)是金属的。
6.按照权利要求5所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，金属的纳米粒子(14)由化学稳定的材料构成。
7.按照权利要求6所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，金属的纳米粒子(14)由Au或Pt构成。
8.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由聚合物材料构成。
9.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由有机的或无机的结构元件构成。
10.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由有机的或无机的材料构成。
11.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由介电的材料构成。
12.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，纳米粒子(14)具有达100nm的平均的粒子尺寸。
13.按照权利要求12所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，纳米粒子(14)具有达10nm的平均的粒子尺寸。
14.按照权利要求1至13之一项所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，探测区域(10)通过一涂覆在一载体(16)上的涂层构成。
15.按照权利要求1至13之一项所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，基体(4)构成探测区域(10)。
16.按照权利要求11至13之一项所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，基体(4)构成为薄的膜片或以一种沿纵向方向延伸的杆的形式构成。
17.按照权利要求16所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，基体(4)具有基本上棱柱形的横截面。
18.用于扫描力显微镜的梁式探针，包括一设有一探针针尖(20)的悬臂(2)，其特征在于，悬臂(2)构成按照权利要求1至17之一项所述的弹簧元件(1、1′)。
19.具有按照权利要求18所述的梁式探针的扫描力显微镜(22)。
20.按照权利要求19所述的扫描力显微镜(22)，包括一评价装置，该评价装置借助梁式探针的控制数据或测量数据产生一反映测量对象(24)的表面几何形状特性的数据组，其中，评价装置在数据组的产生中考虑到反映悬臂(2)的导电能力(σ)特性的特征值。
21.用于操作按照权利要求19或20所述的扫描力显微镜(22)的方法，其特征在于，借助于反映梁式探针的导电能力特性的测量值求得梁式探针的偏移。
22.一种按照权利要求1至17之一项所述的弹簧元件(1、1′)作为传感器元件的应用，用于检测长度变化或偏移力。
23.用于制造按照权利要求1至17之一项所述的弹簧元件(1、1，)的方法，其中，通过局部能量施加来制造所述探测区域(10)，其中，为一在一基片(52)附近的沉积区域(54)气态地供给前身物质(50)，大量前身物质用能量被激发以进行转变，此时转变产物(56)以固体的并且不挥发的形式沉降在基片(52)上。
24.按照权利要求23所述的方法，其特征在于，通过局部能量施加制造基体(4)。
25.按照权利要求23所述的方法，其特征在于，通过电子射线诱发的沉积来制造探测区域(10)和/或基体(4)。
26.按照权利要求23至25之一项所述的方法，其特征在于，作为前身物质，采用有机的、无机的单体和/或聚合物。
27.按照权利要求23至25之一项所述的方法，其特征在于，作为前身物质，采用介电的单体和/或聚合物。
28.按照权利要求23至25之一项所述的方法，其特征在于，作为前身物质，采用金属有机的单体和/或低聚物。
29.按照权利要求23至25之一项所述的方法，其特征在于，将为前身物质(50)的能量激发而设置的离子、光子或电子射线、关于基片(52)在侧面或三维地、根据一预定的沉淀物(56)的理想几何形状进行引导。
30.按照权利要求23至25之一项所述的方法，其特征在于，在沉积过程中根据在沉积区域(54)内求得的前身物质(50)蒸汽压力来控制基片(52)的温度和/或前体源的温度。
31.按照权利要求23至25之一项所述的方法，其特征在于，将一些参数，即前身物质(50)的类型、量和/或成分，沉积区域(54)内的气体压力，局部能量施加的强度，其入射持续时间，其聚焦尺寸，基片材料和/或基片温度调节成，使得弹簧元件(1、1′)具有一预定的弹簧常数和/或一预定的品质或者探测区域(10)具有一预定的导电能力。
32.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由以碳为基础的化合物构成。
33.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由氢化合物构成。
34.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由氟化合物构成。
35.按照权利要求3所述的弹簧元件(1、1′)，其特征在于，母体(12)由含金属的结构元件构成。
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