CN114252815B - 磁性悬臂梁传感器及其制作方法和测量装置、成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性悬臂梁传感器，包括玻璃基底、硅基盖、硅基悬臂梁和磁球，其中所述玻璃基底的第一面上设有第一空腔，所述硅基盖的第一面上设有第二空腔，所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面相对贴合并进行真空热压封装以使得所述硅基悬臂梁和所述磁球位于所述第一空腔和所述第二空腔组合形成的真空腔室，且所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面在二者相贴合的位置处分别镀有相同金属材料形成的金属层，所述硅基悬臂梁的根部固定连接在所述玻璃基底的第一面上，所述磁球固定连接在所述硅基悬臂梁的悬臂端上。本发明还公开了磁性悬臂梁传感器的制作方法和相关的测量装置、成像系统。本发明大大提高磁性悬臂梁传感器的探测灵敏度。

Description

磁性悬臂梁传感器及其制作方法和测量装置、成像系统
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种磁性悬臂梁传感器及其制作方法和相关的测量装置、成像系统。
背景技术
磁共振成像(Magnetic Resonant Imaging)作为一种无创伤获取人体内部三维信息的强有力技术，在生物医学领域有着广泛的应用。由于该磁共振成像系统是基于线圈感应检测技术的工作原理，其空间分辨率通常限制在几十微米以内。为了进一步将该磁共振技术的空间分辨率提升到纳米级，结合了原子力显微技术(Atomic Force Microscope)的磁共振力显微镜(Magnetic Resonant Force Microscope)应用而生，通过利用一个超灵敏的磁性微型悬臂梁传感器，能够在纳米尺度上检测自由基或电子自旋密度。迄今为止，在生物、化学、物理和材料科学等多个领域取得了重大进展。但是采用当前的磁性微型悬臂梁传感器对待测样品的内部自由基浓度进行测试时，普遍存在配置要求高，例如测试时需要待测样品也同样处于真空环境来进行测试，严重限制了测试试样的类型；而且探测灵敏性也有待提高。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁性悬臂梁传感器及其制作方法和相关的测量装置、成像系统，大大提高磁性悬臂梁传感器的探测灵敏度，且只需在大气环境下即可实现探测待测样品的内部自由基浓度等。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一个实施例公开了一种磁性悬臂梁传感器，包括玻璃基底、硅基盖、硅基悬臂梁和磁球，其中所述玻璃基底的第一面上设有第一空腔，所述硅基盖的第一面上设有第二空腔，所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面相对贴合并进行真空热压封装以使得所述硅基悬臂梁和所述磁球位于所述第一空腔和所述第二空腔组合形成的真空腔室，且所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面在二者相贴合的位置处分别镀有相同金属材料形成的金属层，所述硅基悬臂梁的根部固定连接在所述玻璃基底的第一面上，所述磁球固定连接在所述硅基悬臂梁的悬臂端上。
进一步地，所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面在二者相贴合的位置处同时镀有金、铝或铜。
进一步地，所述硅基悬臂梁的厚度大于1μm且小于10μm，宽度大于10μm且小于20μm，长度大于100μm且小于1000μm。
进一步地，所述磁球的直径小于20μm。
更进一步地，所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面相贴合的位置处镀有的金属层的厚度分别为8～12μm。
本发明的一个实施例一种制作上述的磁性悬臂梁传感器的方法，包括以下步骤：
S1：采用深硅刻蚀工艺在绝缘体上硅的器件层中加工硅基悬臂梁，对绝缘体上硅的埋氧层进行湿法刻蚀，对绝缘体上硅的衬底层的上表面进行深硅刻蚀，并在所述衬底层上沉积停止层以停止对所述衬底层的深硅刻蚀；
S2：在玻璃基底上通过湿法刻蚀加工出第一空腔，然后在玻璃基底上设有所述第一空腔的一侧的表面沉积第一种子层，并在所述第一种子层上旋涂并曝光成型光刻胶作为掩膜，再电镀金属材料，并去除光刻胶和所述第一种子层以在所述玻璃基底上形成第一金属层；
S3：通过阳极结合工艺将硅基悬臂梁键合在所述玻璃基底上，并去除所述衬底层、所述埋氧层和所述停止层，在液体中通过超临界干燥工艺释放硅基悬臂梁；
S4：将磁球固定连接在所述硅基悬臂梁的悬臂端；
S5：在硅基盖上通过深硅刻蚀加工出第二空腔，然后在硅基盖上设有所述第二空腔的一侧的表面沉积电镀金属材料的第二种子层，并在所述第二种子层上旋涂并曝光成型光刻胶作为掩膜，再电镀金属材料，并去除光刻胶和所述第二种子层以在所述硅基盖上形成第二金属层；
S6：把所述硅基盖的所述第二金属层和所述玻璃基底的所述第一金属层的位置对准，然后在真空环境下进行放气，再进行热压封装，得到磁性悬臂梁传感器。
进一步地，步骤S1中的绝缘体上硅的器件层的厚度大于0.1μm且小于10μm。
进一步地，对绝缘体上硅的衬底层的上表面进行深硅刻蚀的蚀刻深度为10～20μm。
更进一步地，所述停止层为铝层，厚度为100～300nm。
进一步地，步骤S2中在玻璃基底上通过湿法刻蚀加工出的所述第一空腔的深度为20～50μm；步骤S5中在硅基盖上通过深硅刻蚀加工出的所述第二空腔的深度为10～20μm。
进一步地，步骤S2中的所述第一种子层和步骤S5中的所述第二种子层分别为金-铬层，其中金层的厚度为100～300nm，铬层的厚度为10～30nm。
更进一步地，步骤S2和步骤S5中曝光成型的光刻胶的厚度为8～12μm。
进一步地，步骤S2和步骤S5中电镀的金属材料的厚度为10～12μm。
进一步地，步骤S2和步骤S5中在电镀金属材料之后还分别包括平整化处理步骤，平整化处理步骤具体为：采用带有金刚石钻头的平面刨床通过飞切工艺将电镀的金属材料表面进行平整化处理以达到30～50nm的粗糙度，以将所述第一金属层和所述第二金属层的厚度降至8～10μm。
进一步地，步骤S4中具体包括：将磁球通过静电力附着在玻璃针尖上，并通过所述玻璃针尖将所述磁球通过胶体粘附在所述硅基悬臂梁的悬臂端；
进一步地，步骤S6中在真空环境下进行放气具体为：在150～250℃和1～5×10-2Pa真空环境下进行20～40分钟放气。
更进一步地，步骤S6中进行热压封装具体为：在300～400℃、60～80MPa进行数十分钟热压封装。
本发明的一个实施例一种外部磁场梯度测量装置，用于测量外部磁场梯度，包括基底、驱动器、激光多普勒测振仪和上述的磁性悬臂梁传感器。
本发明的一个实施例一种磁共振力显微成像系统，用于探测待测样品的内部自由基浓度，包括射频线圈、磁场调制线圈、激光多普勒测振仪和上述的磁性悬臂梁传感器，其中所述待测样品置于大气环境中进行测试。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的磁性悬臂梁传感器，基于相同的金属层真空热压封装，使得其中的磁性悬臂梁拥有很高的真空环境及高的探测灵敏性，进一步可以极大提升该磁共振力显微成像系统在大气压环境下的空间分辨率，实现了在大气环境下即可实现探测待测样品的内部自由基浓度等。
在进一步的方案中，利用电镀方法在密封腔的边缘位置沉积致密的金层、铝层或铜层，使用配有金刚石车刀的平面刨床对金属材料进行表面平整化，进一步提高磁性悬臂梁的探测灵敏度。
附图说明
图1是本发明优选实施例的基于金-金热压结合的真空封装磁性悬臂梁传感器示意图；
图2a～图2k是本发明优选实施例的基于金-金热压结合的真空封装磁性悬臂梁结构的微纳加工工艺步骤示意图；
图3是本发明优选实施例的基于悬臂梁共振频率波动的外部磁场梯度测量装置；
图4是本发明优选实施例的在不同外部磁场下磁性悬臂梁的共振频率偏移示意图；
图5是本发明优选实施例的大气环境中基于真空封装磁性悬臂梁的磁共振力显微成像系统。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，是本发明优选实施例提出的基于金-金热压结合的真空封装磁性悬臂梁传感器的结构示意图，该真空封装磁性悬臂梁传感器100包括硅基悬臂梁10、磁球20、玻璃基底30、硅基盖40，硅基悬臂梁10的尺寸为：1μm<厚度<10μm，10μm<宽度<20μm，100μm<长度<1000μm；硅基悬臂梁10通过阳极结合工艺键合在拥有第一腔体32的玻璃基底30上面，磁球20的直径<20μm，磁球20通过胶体固定在硅基悬臂梁10的尖端，用于感测外部的磁力；通过电镀工艺在玻璃基底30和硅基盖40的边框位置分别电镀金(Au)层31、41，其中金层31、41的厚度为8～12μm；利用平面刨床对所电镀的金层31、41进行表面平整化；其中硅基盖4上也设有第二腔体42，最后镀有金(Au)层41的硅基盖4和镀有金(Au)层31的玻璃基底3进行位置匹配对准(此时第一腔体32与第二腔体42相连通以形成真空腔室)，放置在高真空环境下完成金-金热压结合的真空封装。
如图2a～图2k所示，展示了该基于金-金热压结合的真空封装磁性悬臂梁结构的详细微纳加工工艺流程，加工流程具体包括：
(1)制作硅基悬臂梁(图2a～图2c)
悬臂梁结构是由绝缘体上硅(SOI：silicon on insulator)的器件层(devicelayer)11制成，该器件层的厚度大于0.1μm且小于10μm，如图2a所示；采用深硅刻蚀工艺(DEIR：deep reactive iron etching)在绝缘体上硅的器件层11中加工悬臂梁结构(即硅基悬臂梁10)，考虑到后续阳极键合过程中玻璃基板上电镀金层所需的预留空间，进一步对埋氧层(SiO2层)12进行湿法刻蚀和对衬底层(handle layer)13进行深硅刻蚀，其中对衬底层的刻蚀深度大致范围为10～20μm，如图2b所示；在衬底层上面沉积一层100～300nm厚的铝层14，作为衬底层深硅刻蚀的停止层，如图2c所示。
(2)制作玻璃基底(图2d～图2f)
为了给悬臂梁的谐振运动提供一定空间，在玻璃基底30(200～400μm厚)上面通过湿法刻蚀加工约为20～50μm深的第一腔体32，如图2d所示；在玻璃基底30上沉积金属层Au(100～300nm)-Cr(10～30nm)作为电镀金材料的种子层33，在种子层33上旋涂并曝光成型一层光刻胶(8～12μm)作为掩膜，在此基础上电镀金薄膜材料(10～12μm)，利用带有金刚石钻头34的平面刨床通过飞切工艺将电镀金层表面进行平整化处理(30～50nm的粗糙度)，同时电镀金层31的高度降低至8～10μm左右，如图2e所示；通过去除光刻胶和种子层33，在玻璃基底30上形成电镀金层31图案，如图2f所示。
(3)将硅基悬臂梁固定在玻璃基底上(图2g～图2h)
通过阳极结合工艺把悬臂梁结构(即硅基悬臂梁10)键合在玻璃基底30上面，如图2g所示；对衬底层13、埋氧层12、铝层14通过刻蚀工艺分别进行去除，在液体(异丙醇)中通过超临界干燥工艺释放悬臂梁结构(即硅基悬臂梁10)，如图2h所示。
(4)将磁球固定在硅基悬臂梁上(图2i)
小磁球(汝铁硼磁球)20通过静电力附着在玻璃针尖上，精准操作玻璃针尖把小磁球通过胶体粘附在悬臂梁结构(即硅基悬臂梁10)的尖端，并对小磁球20进行磁化，如图2i所示；
(5)制作硅基盖(图2j)
通过深硅刻蚀工艺制作了拥有深度为10～20μm的第二腔体42的硅基盖40，并利用与制作玻璃基底时相同的工艺在硅基盖40的边框位置电镀沉积一层大约8～10μm厚的金层41，如图2j所示；
(6)把硅基盖和玻璃基底结合起来(图2k)
把硅基盖40和玻璃基底30的边框位置的电镀金层41、31进行位置对准，在150～250℃和1～5×10-2Pa真空环境下进行20～40分钟放气，之后在300～400℃、60～80MPa进行数十分钟热压操作实现金-金层的结合，最终可以实现基于金-金热压结合的高真空封装磁性悬臂梁传感器100，如图2k所示。
下述结合具体应用对本发明优选实施例提供的磁性悬臂梁传感器的效果做进一步的说明。
如图3所示，本发明优选实施例所构建的基于金-金热压结合的真空封装磁性悬臂梁可用于外部磁场梯度测量。为了评价该真空封装的磁性悬臂梁对外部磁场梯度的敏感性，在真空封装装置的底部放置一个致动器200(如PZT等)和基底300进行机械共振激励，致动器200连接一函数生成器201，利用激光多普勒测振仪(包括透镜401、激光多普勒402和锁相放大器403)检测该真空封装磁性悬臂梁传感器100的振动情况，通过快速傅里叶变换(FFT)分析仪把激光多普勒402测得的速度信号转变为频域信号。
首先，磁性悬臂梁(是指带有磁球的硅基悬臂梁整体)的共振频率f0公式可表示为：
式中，m为磁性悬臂梁的有效重量，k0为悬臂梁结构的本征弹簧常数。
当外部磁体靠近该磁性悬臂梁时，由于外部磁体在垂直方向上面的梯度磁场作用，在外部磁体与磁性小球之间会产生相互作用的磁力Fz可表示为：
式中，Mz为小磁球的磁矩，为外部磁体的磁场梯度。
在该磁力Fz的作用下，悬臂梁传感器的有效弹簧常数值keff变为：
式中，为磁力的梯度。
因此，通过结合公式(1)和(3)，该磁性悬臂梁的共振频率变化Δf可以用公式表示为：
式中，feff为该磁性悬臂梁的有效共振频率(Δf＜＜f0)。
通过公式(4)可以看到，外部磁体所产生的磁力梯度与悬臂梁的共振频率变化值具有一定的比例关系。通过在水平方向移动外部磁体，在小磁体位置产生不同的磁场梯度；在每一个磁场梯度下作用下，测量磁性悬臂梁的有效共振频率值；通过以上公式可以反推出共振频率的变化所对应的磁场梯度值，如图4所示。
另外，基于机械共振感测的悬臂梁传感器，通常需要高真空的工作环境，以降低空气阻尼、提高品质因数和提高探测灵敏度。因此，基于悬臂梁感测的测量设备，如磁共振力显微成像系统，需要系统整体都集成在密封腔中，以保持高真空测试环境。但是，这种传统配置强烈限制了可适用于磁共振力显微镜的试样类型，尤其是细胞等活体样品。值得注意的是，为悬臂梁传感器构建独立的真空微室，能够有效地将真空环境与整个镜测量装置进行分离，可以将磁共振力显微成像系统的测量环境扩展到适用于不同样本的大气环境中。当前，通过阳极结合的方法可以实现磁性悬臂梁的真空封装，由于硅和玻璃在阳极结合过程中会有气体释放，如O2、H2等，最终封装的真空度高于7.3×102Pa的大气压，严重影响该磁性悬臂梁的探测灵敏性。
而本发明优选实施例提供的真空封装的磁性悬臂梁传感器可以进一步在大气环境下探测如细胞等内部自由基浓度，其中除了真空封装磁性悬臂梁传感器之外，其他的设备和样品均不需再真空环境，只需在大气环境中进行即可。如图5为在大气环境中所构建的基于真空封装磁性悬臂梁的磁共振力显微成像系统，包括射频线圈501、磁场调制线圈502、真空封装磁性悬臂梁传感器100、透镜401、激光多普勒402和锁相放大器403等。首先该射频(RF：radio frequency)线圈将射频信号施加在自由基样品中，以激发自由基600中共振切片601内的电子自旋共振(ESR：electro spin resonance)；同时，真空封装的磁性悬臂梁传感器100能够对自由基600提供高梯度磁场。当射频线圈施加的射频磁场满足自由基600样品的电子自旋磁共振条件时，自由基600样品和小磁体之间产生的磁力可以通过调制磁场调制线圈的射频信号，以激发该磁性悬臂梁结构的共振。这里，ESR条件要求自旋的拉莫尔进动频率ν0＝γH0/2π(其中H0是小磁球施加的静磁场，γ是旋磁比)与射频线圈所施加的振荡频率相匹配。最后，通过激光多普勒402的干涉仪+锁相放大器403测量磁性悬臂梁的振动情况可以分析所产生的磁共振力大小：Fz＝A(k/Q)，式中A为磁性悬臂梁的振幅，k为磁性悬臂梁的弹簧常数，进一步可以获得所探测目标的自由基浓度。
本发明优选实施例提出了一种基于金属金-金热压结合的磁性悬臂梁真空封装新方法，利用电镀方法在密封腔的边缘位置沉积致密的金材料，使用配有金刚石车刀的平面刨床对金(Au)材料进行表面平整化，进一步通过热压的方式使磁性悬臂梁传感器在真空环境下进行封装，能够使所封装的磁性悬臂梁拥有很高的真空环境及高的探测灵敏性，可以极大提升该磁共振力显微成像系统在大气压环境下的空间分辨率。
除了以上所提到的基于金属金-金热压结合的封装技术，在其他实施例中，也可以采用其它金属进行热压结合，如铝-铝(Al)、铜-铜(Cu)等，都可以实现该磁性悬臂梁的真空封装，同样也能达到相应的效果。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (18)

1.一种制作磁性悬臂梁传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用深硅刻蚀工艺在绝缘体上硅的器件层中加工硅基悬臂梁，对绝缘体上硅的埋氧层进行湿法刻蚀，对绝缘体上硅的衬底层的上表面进行深硅刻蚀，并在所述衬底层上沉积停止层以停止对所述衬底层的深硅刻蚀；
S2：在玻璃基底的第一面上通过湿法刻蚀加工出第一空腔，然后在玻璃基底上设有所述第一空腔的一侧的表面沉积第一种子层，并在所述第一种子层上旋涂并曝光成型光刻胶作为掩膜，再电镀金属材料，并去除光刻胶和所述第一种子层以在所述玻璃基底上形成第一金属层；
S3：通过阳极结合工艺将硅基悬臂梁键合在所述玻璃基底上，并去除所述衬底层、所述埋氧层和所述停止层，在液体中通过超临界干燥工艺释放硅基悬臂梁；
S4：将磁球固定连接在所述硅基悬臂梁的悬臂端；
S5：在硅基盖的第一面上通过深硅刻蚀加工出第二空腔，然后在硅基盖上设有所述第二空腔的一侧的表面沉积电镀金属材料的第二种子层，并在所述第二种子层上旋涂并曝光成型光刻胶作为掩膜，再电镀金属材料，并去除光刻胶和所述第二种子层以在所述硅基盖上形成第二金属层；
S6：将所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面相对贴合并把所述硅基盖的所述第二金属层和所述玻璃基底的所述第一金属层的位置对准，然后在真空环境下进行放气，再进行热压封装，以使得所述硅基悬臂梁和所述磁球位于所述第一空腔和所述第二空腔组合形成的真空腔室，得到磁性悬臂梁传感器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中的绝缘体上硅的器件层的厚度大于0.1 μm且小于10 μm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对绝缘体上硅的衬底层的上表面进行深硅刻蚀的蚀刻深度为10~20 μm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述停止层为铝层，厚度为100~300 nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中在玻璃基底上通过湿法刻蚀加工出的所述第一空腔的深度为20~50 μm；步骤S5中在硅基盖上通过深硅刻蚀加工出的所述第二空腔的深度为10~20 μm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中的所述第一种子层和步骤S5中的所述第二种子层分别为金-铬层，其中金层的厚度为100~300 nm，铬层的厚度为10~30nm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2和步骤S5中曝光成型的光刻胶的厚度为8~12 μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2和步骤S5中电镀的金属材料的厚度为10~12 μm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2和步骤S5中在电镀金属材料之后还分别包括平整化处理步骤，平整化处理步骤具体为：采用带有金刚石钻头的平面刨床通过飞切工艺将电镀的金属材料表面进行平整化处理以达到30~50 nm的粗糙度，以将所述第一金属层和所述第二金属层的厚度降至8~10 μm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中具体包括：将磁球通过静电力附着在玻璃针尖上，并通过所述玻璃针尖将所述磁球通过胶体粘附在所述硅基悬臂梁的悬臂端。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤S6中在真空环境下进行放气具体为：在150~250℃和1~5×10-2 Pa真空环境下进行20~40分钟放气；更进一步地，步骤S6中进行热压封装具体为：在300~400℃、60~80 MPa进行数十分钟热压封装。
12.一种磁性悬臂梁传感器，其特征在于，是根据权利要求1至11任一项所述的方法制得的。
13.根据权利要求12所述的磁性悬臂梁传感器，其特征在于，所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面在二者相贴合的位置处同时镀有金、铝或铜。
14.根据权利要求12所述的磁性悬臂梁传感器，其特征在于，所述硅基悬臂梁的厚度大于1 μm且小于10 μm，宽度大于10 μm且小于20 μm，长度大于100 μm且小于1000 μm。
15.根据权利要求14所述的磁性悬臂梁传感器，其特征在于，所述磁球的直径小于20 μm。
16.根据权利要求14所述的磁性悬臂梁传感器，其特征在于，所述玻璃基底的第一面与所述硅基盖的第一面相贴合的位置处镀有的金属层的厚度分别为8~12 μm。
17.一种外部磁场梯度测量装置，其特征在于，用于测量外部磁场梯度，包括基底、驱动器、激光多普勒测振仪和权利要求12至16任一项所述的磁性悬臂梁传感器。
18.一种磁共振力显微成像系统，其特征在于，用于探测待测样品的内部自由基浓度，包括射频线圈、磁场调制线圈、激光多普勒测振仪和权利要求12至16任一项所述的磁性悬臂梁传感器，其中所述待测样品置于大气环境中进行测试。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117148239B (zh) * 2023-10-30 2024-02-20 华中科技大学 一种磁性颗粒等效磁矩测量方法及标准样品

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004112050A1 (en) * 2003-06-18 2004-12-23 Atilla Aydinli Integrated optical displacement sensors for scanning probe microscopy
CN102157679A (zh) * 2009-12-28 2011-08-17 通用电气公司 用于制造传感器的方法
FR2941534B1 (fr) * 2009-01-26 2011-12-23 Commissariat Energie Atomique Capteur de champ magnetique a jauge de contrainte suspendue
CN105174198A (zh) * 2015-08-12 2015-12-23 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种封装结构的加速度传感器及其制备方法
CN108039404A (zh) * 2017-12-28 2018-05-15 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种悬臂梁式磁传感器、其制备方法与使用方法
CN111693906A (zh) * 2020-06-24 2020-09-22 电子科技大学 硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法
CN113092545A (zh) * 2021-04-13 2021-07-09 哈尔滨理工大学 一种基于CuO/In2O3修饰的石墨烯MEMS气体传感器的制备方法
CN113270491A (zh) * 2021-04-27 2021-08-17 有云信息科技(苏州)有限公司 一种具有高灵敏度的压力传感器及其制备方法
CN113466764A (zh) * 2021-07-22 2021-10-01 西安理工大学 一种带有温度补偿的广义磁电效应测量方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020092340A1 (en) * 2000-10-30 2002-07-18 Veeco Instruments Inc. Cantilever array sensor system

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004112050A1 (en) * 2003-06-18 2004-12-23 Atilla Aydinli Integrated optical displacement sensors for scanning probe microscopy
FR2941534B1 (fr) * 2009-01-26 2011-12-23 Commissariat Energie Atomique Capteur de champ magnetique a jauge de contrainte suspendue
CN102157679A (zh) * 2009-12-28 2011-08-17 通用电气公司 用于制造传感器的方法
CN105174198A (zh) * 2015-08-12 2015-12-23 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种封装结构的加速度传感器及其制备方法
CN108039404A (zh) * 2017-12-28 2018-05-15 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种悬臂梁式磁传感器、其制备方法与使用方法
CN111693906A (zh) * 2020-06-24 2020-09-22 电子科技大学 硅基腔光机械系统洛伦兹力磁场传感器加工方法
CN113092545A (zh) * 2021-04-13 2021-07-09 哈尔滨理工大学 一种基于CuO/In2O3修饰的石墨烯MEMS气体传感器的制备方法
CN113270491A (zh) * 2021-04-27 2021-08-17 有云信息科技(苏州)有限公司 一种具有高灵敏度的压力传感器及其制备方法
CN113466764A (zh) * 2021-07-22 2021-10-01 西安理工大学 一种带有温度补偿的广义磁电效应测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《基于磁各向异性的铁磁构件残余应力磁测理论与方法研究》;辛伟等;《仪器仪表学报》;全文 *

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