CN1174417C - 显微制造的器件中的移位的磁传感 - Google Patents

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    • G11B9/1418—Disposition or mounting of heads or record carriers

Abstract

公开一种用于测量纳米级的位移的磁传感单元。为此，微型器件中的可动部分和固定部分包括一具有磁场的磁性元件及磁传感器。磁性元件位于可动部分上，磁传感器位于固定部分上；或者，所述磁传感器位于可动部分上，所述磁性元件位于所述固定部分上；固定部分和/或磁性元件是微型器件的一个集成部分。磁性元件和磁传感器彼此相对配置，使得当可动部分位移时，通过利用磁传感器可检测在磁传感器处的所述磁场的变化。应用场合是扫描探针显微镜中的悬臂梁的偏转检测或存储器件中的浮动的头。

Description

显微制造的器件中的移位的磁传感
                           技术领域
本发明涉及一种显微制造的器件中的移位(motion)的磁传感(sensing)。更具体地说，本发明涉及一种用于测量纳米级的位移或弯曲的磁传感器。
                           背景技术
机械组件和器件的微型化在各不同领域提供了新的应用，这允许了解和利用一新的世界即所谓的纳米世界。20世纪末，已经创立了微米和纳米级机械学时代的基础。已经形成基于当代芯片制造方法的批量制造，这提供了以低成本创建高性能系统和器件的巨大潜力。在海量数据存储器的领域中的应用实现了小得多的存储器件并开辟了实现存储密度在每平方英寸几百兆位量级的可能性。在例如为扫描隧道显微镜技术(STM)和原子力(atomic force)显微镜(AFM)的显微镜的领域，近些年来已经成功地引入对于原子级的表面分析。这些显微镜技术一般称为扫描探针显微镜(SPM)，其利用一尺寸很小的可弯曲的悬臂梁(cantilever)，因而要利用显微机加工技术来制造该悬臂梁。具有尖端的悬臂梁扫描横越试样的表面并检测悬臂梁的位移或移位，以便形成达到原子分辩率的图像。已经设计了各种光学方法来检测悬臂梁的偏转。在该尖端和试样之间的典型作用力范围从6到11nN(纳牛顿)，可以检测到小到0.001纳米的偏转。三种不同的操作方式是：接触模式、非接触或电动力模式以及居间(tapping)模式，这些模式使得能检测：横向、磁、静电作用力以及范德瓦尔力。此外这种悬臂梁可以用于写和读数据。
虽然本发明可应用于各种显微机械应用，但本介绍将集中在悬臂梁应用。
当前已知几种测量在例如扫描探针显微镜(SPM)或其它显微制造的器件中的悬臂梁位移或移位的技术。
该也称为激光检测或光束偏转的光学技术，或者利用在悬臂梁表面的激光束偏转和在偏转的过程中随之而来的激光束角度的变化，或者利用入射和反射光束之间的干扰效应。通过将离自悬臂梁的激光束反射到一光电二极管来监测悬臂梁的偏转。在扫描的过程中，可以通过这种被检测的激光束偏转形成图像。
利用一种压敏电阻(piezoresistive)技术可以测量在悬臂梁的弯曲臂表面上限定的压敏电阻路径的电阻变化。在由M.Tortonese等人所著的“利用压敏电阻悬臂梁的原子力显微镜”的论文(Proc.Of the Intl Conf.on SolidState Sensors and Actuators，San Francisco，Jun.24-27，1991，pp.448-451)中，介绍了用于检测自身偏转的、带有的集成压敏电阻的硅悬臂梁的制造。为了制造在绝缘体材料上使用了硅。
根据5345815号美国专利，已知一种微悬臂梁结构，悬臂梁臂具有靠近悬臂梁臂的固定端置入的压敏电阻式电阻。悬臂梁臂的自由端偏转在悬臂梁的基部产生应力。该应力改变在悬臂梁的基部的压敏电阻式电阻的电阻值，其变化与悬臂梁臂的偏转成比例。一种电阻测量装置连接到压敏电阻式电阻，以便测量其电阻并产生与悬臂梁偏转相对应的信号。
45444244号美国专利涉及一种用于扫描探针显微镜的、包括压敏电阻的悬臂梁。还介绍了制造这样一种悬臂梁的过程，该过程产生一具有高纵横比的尖端，在该尖端的顶点具有小的曲率半径。还公开了一种包括两个或更多个压敏电阻的组合式原子力/横向力显微镜，该压敏电阻响应于悬臂梁的弯曲和扭转。
然而，尽管压敏电阻悬臂梁的灵敏度几乎与光学设计方案相似，但对所有的半导体应变计固有地受到低频噪声和温度漂移的影响。此外它们还需要由单晶硅形成悬臂梁。
IBM的58756617号美国专利介绍了一种原子力显微镜(AFM)，其利用一个集成在AFM悬臂梁上的旋转阀式磁致电阻应变计，以便检测悬臂梁的偏转。旋转阀式应变计工作在没有施加磁场情况下。AFM悬臂梁上的旋转阀式应变计是由多层薄膜制成的，其中之一是具有非零的磁约束的自由铁磁层，在出现施加磁场情况下其磁矩是自由旋转的。在由于悬臂梁偏转出现施加在该自由铁磁层上的应力时，发生该自由铁磁层的磁矩的角位移，导致旋转阀式应变计的电阻变化。一电阻检测电路连接到该旋转阀式应变计用于确定悬臂梁的偏转。
文献WO 96 03461涉及一种扫描探针显微镜组件，该组件具有原子力测量(AFM)模式、扫描隧道测量(STM)模式、近场光谱测量(spectronomy)模式、近场光学模式以及用于检查一物体的硬度测试模式。
欧洲专利申请EP 0 397 416 A1介绍一种用于大分子的高分辨率成像以及涉及大分子的相互作用的装置。该装置包括一表面，被测试的大分子和多个微小探针置于其上。提供一种装置用于按照这样一种方式即探针的总输出覆盖整个表面的方式，扫描该表面中一小的区域的每个的探针。该装置例如为扫描隧道和/或原子力检测器，用于监测单个探针沿与该表面横移的方向的移动，以及显示装置用于显示探针的横移移动，以描绘该表面的照片。
另一欧洲专利申请EP 0 306 178 A2涉及一种加速度传感器，该传感器包括一具有附着有一永久磁铁的自由端的悬臂梁。一对磁传感器面向磁铁配置并相对于该是对称的，每个磁传感器由一可调(barber)极型磁致电阻传感元件构成。悬臂梁弯曲和磁铁按一加速度移动，按照磁致电阻传感元件的输出检测加速度。
公开的德国专利DE 41 03 589 A1涉及一种利用一机械谐振元件的传感器元件。其结构与前一节所述的该加速度传感器相似，其小的差别是，仅在该早的延长部分配置一个传感器元件。
4954904号美国专利涉及一种用于控制在旋转介质上方的读写头的浮动高度的装置和方法，例如用在采用磁、磁光或光记录技术的硬盘驱动器中。利用磁吸引或推斥控制该浮动高度，以维持所选择的和基本上均匀的读写头相对于旋转介质的浮动高度。
该光学技术和压敏电阻技术是当今最广泛使用的技术。但是，也可以利用其它技术像电容、压电或热技术，以替代光学技术和压敏电阻技术来检测悬臂梁或微型器件的偏转。电容或静电技术测量由悬臂梁和一固定的参考电极形成的电容器的电容的变化。热技术例如利用不同布线层次(wiring level)的电流，以加热微型器件中的各部分。
对于悬臂梁作为外加的偏转检测技术，需要花费时间校准。可以利用各种各样的反馈机理来获得数据以维持尖端的正确位置。
显微制造的器件与电控功能的组合和结合便于纳米技术的应用，这些应用的特征是精确的移位、增加检测灵敏度以及执行动作。
发明内容
本发明的目的是克服该现有技术的缺点。
本发明的另一个目的是提供另一种提高灵敏度的测量方法。
本发明的再一个目的是提供用于测量显微制造的器件的位移的集成系统，其无需用于校准的附加设备。
本发明的再一个目的是提出一种可简单实现的并可以低成本制造的检测系统。
本发明提供一种磁传感单元，用于测量微型器件中的可动部分和固定部分之间的位移，包括：具有磁场的磁性元件；以及磁传感器；所述磁性元件位于可动部分上，所述磁传感器位于所述固定部分上；或者，所述磁传感器位于可动部分上，所述磁性元件位于所述固定部分上；所述磁传感器和/或所述磁性元件是所述微型器件的一个集成部分，以及所述磁性元件和所述磁传感器彼此相对配置，使得当所述可动部分位移时，通过利用所述磁传感器可检测在所述磁传感器处的所述磁场的变化；以及所述磁性元件和磁传感器配置在微型器件的内部，通过使磁性元件相对于磁传感器的位移大于所测量的可动部分的位移而使得机械放大作用提高了所述磁传感单元的灵敏度。
本发明还提供一种用于样品的探查和/或操作器件，包括：可动部分，具有一带尖端的自由端，所述可动部分附着到固定部分；具有磁场的磁性元件；磁传感器；所述磁性元件位于可动部分上，所述磁传感器位于所述固定部分上；或者，所述磁传感器位于可动部分上，所述磁性元件位于所述固定部分上；所述磁传感器和/或所述磁性元件是所述微型器件的一个集成部分，以及所述磁性元件和所述磁传感器彼此相对配置，当所述可动部分位移时，通过利用所述磁传感器可检测在所述磁传感器处的所述磁场的变化；磁性元件和磁传感器配置在微型器件的内部，通过使磁性元件相对于磁传感器的位移大于所测量的可动部分的位移而使得机械放大作用提高了所述器件的灵敏度。
本发明是一种用于测量纳米级的相对位移的无触点式磁传感系统。这种系统可以应用在微型器件(即显微制造的器件)中。本发明基于通过利用置于相邻的固定部分上的灵敏的磁传感器，测量位于一可动部分上的磁偶极的磁场B。该磁传感器还可以配置在可动部分上，也可以称为磁性元件的磁偶极配置在固定部分上。然而，该磁传感器应相对于磁性元件正确定位，以便获得该磁场的最大磁场梯度dB/dz的优点并因此使灵敏度达到最佳。根据本发明的这种磁传感或检测系统的灵敏度至少10倍于关于公知的压敏电阻技术的检测系统，并且其具有超过光学系统的优点即完全集成到一器件上而无需特定的光学路径。这种磁传感或检测系统可以易于利用标准的光刻实施到Si技术中。可以提出不同的磁性材料、几何形状以及传感结构，以便进一步使灵敏度达到最佳。
在本发明中，用于测量一探查和/或操作器件的偏转。为此，该探查和/或操作器件包括：一悬臂梁，也称为可动部分；一产生磁场的磁性元件以及一检测该磁场的磁传感器。可动部分附着在固定部分上并包括一具有尖端的自由端。磁性元件位于可动部分上，磁传感器位于固定部分上。另一方面，也可以使磁传感器位于可动部分上，磁性元件位于固定部分上。至少一个磁性元件和至少一个磁传感器形成一磁传感单元。磁传感器和/或磁性元件可以集成到探查和/或操作器件中，使得它们形成集成到探查和/或操作器件的集成部分。磁性元件和磁传感器彼此相对配置，使得当可动部分位移时，通过利用磁传感器可以检测在磁传感器处的磁场变化。后续的测量设备处理传感器得到的信息并产生代表集成的探查和/或操作器件的位置或扭转的特征值。
然而应用的领域可以扩展到其中需要控制相对运动或定位的更宽范围的器件，并可扩展到在其中需要迅速和灵敏反馈的移位部分例如浮动的头或执行机构的器件中。
如果磁传感器可以与磁性元件相反配置，则产生的优点是，磁性元件的磁场穿过磁传感器，并可以检测和确定磁场梯度，最好是最大磁场梯度。
磁传感器可以用于无触点检测，由于不产生摩擦损耗并使灵敏度达到最佳，所以特别有利。可动部分的偏转或移位是自由的，不受阻尼或妨碍。
当利用间隙使可动部分中的大部分与固定部分分开时，则具有的优点是具有加大的测量范围，可保证可动部分的自由偏转或移位。
该磁性元件可以是永久磁铁，具有的优点是提供恒定的磁场。既无需外部的磁场也无需嵌入具有引线的螺线圈。因此，无需可能导致产生不希望有的热效应的电流。
磁性元件包括磁性层，该磁性层可以由Fe、Fe2O3、Ba、Co、Cr、Mg、Mn、Ni、Pt、Sr、V或其含金制成；或者由如下各成分的其中之一制成：AlNiCo、FeCoCr、FeCoV、FeCoVCr、FeNiCo、NdFeB、SmCo。此外，该磁性层可以包括结晶或非晶材料例如：AlNiCo型的合金、铂钴合金、铁钴钒(铬)合金、铬铁钴合金、稀土钴合金或稀土铁合金。该磁性层可以由多种材料和成分制成，最好由如上列举的硬磁材料制成，因此，可以根据应用场合采用这些材料和成分。
如果可以将磁传感器集成到柔性或固定部分之中或其顶部，使得磁传感器就是微型器件的一个集成部分，则形成的优点是，磁传感器是预安装的，并无需在使用之前校准。
如果该微型器件包括硅，和磁传感器集成到硅中，则形成的优点是，可以应用标准光刻的硅加工技术。
磁传感器可以是霍尔传感器、磁控晶体管、磁控二极管或一大型的磁致电阻传感器。这显示的优点是可以利用几种类型的传感器。
可以这样配置磁传感器，使该磁传感器和后续测量器件能够确定磁场的磁场梯度。通过利用这一后续测量器件或系统，可以产生代表各自偏转或移位的用于进一步处理的特征值。
可动部分和固定部分可以由相同材料制成。这对于简单的制造方法是有益的。但是，另一方面，可动部分和固定部分也可以由不同材料制成，因而柔性部分和固定部分具有不同的机械和物理特性。
如果利用附着装置，最好是利用支臂(leg)将可动部分附着在固定部分上，则形成的优点是，可动部分呈现自由平滑的位移。如果附着装置包括：孔口例如孔或缝；或者一个或多个窄道，则可以降低附着装置的有效宽度，导致降低弹性常数以达到较高的灵敏度。与之相似，为了达到最佳的灵敏度，可以调节可动部分的厚度。
如果磁性元件和磁传感器配置在微型器件内部，机械放大作用提高了磁传感系统的灵敏度，这是特别有利的。如果将可动部分伸入到微型器件的固定部分中，可以实现这一点。如果磁性元件和磁传感器配置在同一个平面上，以及可动部分伸入到固定部分中的长度比伸出固定部分的长度更大，则由于机械放大比便利地提高灵敏度。
当微型器件包括多个磁传感器和至少一个磁性元件，它们一起形成一个磁传感单元，此外当磁传感器配置在磁性元件附近时，则形成的优点是，通过利用多个传感器可以提高信号的幅度。另一方面，当微型器件包括多个磁传感器和至少一个磁性元件，它们一起形成一个磁传感单元，此外，在磁传感器配置在磁性元件的附近或围绕着磁传感器时，则形成的优点是，正如在其它系统中发生的那样，可以提高灵敏度而不会增加噪声。
利用一曲折形状的间隙，可以实现用于磁检测系统的这些磁传感单元的配置，其中该间隙分别将可动部分与固定部分分开，并以该间隙将磁性元件与磁传感器分开。可以适当地将磁传感器和磁性元件按一行配置在曲折形的内部。还可以将至少两个磁传感器配置在一个磁性元件附近，这常用于检测扭转。应注意，有几种可能方案配置磁传感单元。在大多数情况下，设计取决于应用场合。
微型器件还可以包括多个可动部分，以及每一个可动部分至少有一个磁性元件和至少一个磁传感器。可以在这样一个微型器件内部配置或组合例如用于不同测量的多个检测系统。
                           附图说明
下面参照如下示意附图详细介绍本发明：
图1示意表示根据本发明的具有磁传感单元的磁检测系统。
图2示意表示典型的探查和/或操作器件的顶视平面图，其具有根据本发明的具有两个磁传感单元的磁检测系统。
图3表示由位于4个不同距离x0、而y0维持恒定的磁性元件(磁偶极)产生的沿z轴方向的磁场B(x0，y0，z)的关系曲线。
图4表示探查和/或操作器件的另一个实施例，其具有根据本发明的利用机械放大的磁传感系统。
图5a表示为提高灵敏度而具有多个磁传感单元的实施例。
图5b表示为提高灵敏度而具有多个磁传感单元的再一实施例。
为了更清晰，所有特征部分未按实际尺寸表示，不是以实际比例表示的尺寸之间的相互关系。
                        具体实施方式
在图1中提供了磁场梯度检测方案的原理。首先，根据本发明建议磁偏转检测系统中的某些基本部分称为磁检测系统。
磁传感器
在根据本发明在可以使用的和可以简单地集成到硅中的不同类型的磁传感器，例如磁控晶体管、磁控二极管、大型的磁致电阻传感器或霍尔传感器中间，这里仅讨论霍尔传感器的情况。这种传感器可以直接通过对硅掺杂以小尺寸简单地以平面或圆柱的几何形状制造。有效霍尔区域形成在外延层，该基元的几何形状通过深p+隔离扩散限定。通过浅n+扩散形成电流电极和霍尔电极。该表面可以由一反型(inversion)层覆盖，以便将本征噪声降到最小。灵敏度由SH＝VH/(IB)定义，其中VH为霍尔电压，I为电源电流，B为施加的磁场。对于厚度低于20微米的器件，可以达到典型的400V/AT的灵敏度，如在Mechnical Sensors(磁传感器)，Vol.7，Edts Copet，J.N.Zemel，VCH Verlag，(1994)p.181中所介绍的。
在具有铁磁聚集装置的圆柱形结构中，可以达到SH＝2000V/AT，如在H.Blanchardet al.，EPFL Lausanne，IEEE，1996及R.S.Popovic，Hallsensors(磁传感器)，Adam Hilger Bristol，philadelphia，New York，1991中所介绍的。补偿热漂移和将l/f噪声最小化的技术是公知的。特别是利用锁定技术可以在相当高的频率(＜400KHz)下测量霍尔电压。在最新的结构中，由于噪声所引起的1Hz下的等效输出漂移是2.5μT。
磁性层
根据本发明使用的磁性元件具有一相对于周围的扰动和温度具有很强的稳定的磁矩的永久磁铁。可以有不同的几何形状，以便使这种磁性元件的杂散磁场最佳。一种方案是具有为矩形横截面的磁性层或薄膜，厚度t为几百纳米到10μm，宽度w为几十μm，长度适合于微型器件的尺寸。厚度应当是这样的，例如使得该层不影响微型器件或探查和/或操作器件的机械特性，但为形成适当大小的磁矩，保留最后的体积要足够大，并导致在传感器的位置处产生很强的磁场梯度。所选择的具有很大的剩磁的该层或薄膜材料可以是用在存储介质中的磁记录化合物，例如Co(Cr，Pt)合金，或者具有稍大的饱和磁矩的铁，或用在磁带中的Fe2O3。此外还可以是：Co、Ni、Mn、Mg、V、Cr、Pt、Ba、Sr或其合金；或者由如下各成分的其中之一：AlNiCo、FeNiCo、NdFeB、FeCoVCr。然而，该材料应当例如是一种易于通过标准方法在硅上淀积的材料。一种稍微复杂的方法是将SmCo的小颗粒嵌入到聚合物中在磁场中使取向这些颗粒，并利用该适当的取向将其粘结在硅表面上。这可以用于生成厚度为30μm的若干层。
为了估计灵敏度，可考虑形成一立方形状的Co层，其饱和磁化强度Ms＝163emu/g＝1.745Am2/m3，尺寸大小为50×50×10μm3。这样形成的体积V＝2.5×10-8cm3，总磁矩mx＝3.63×10-8Am2。
利用点磁偶极的磁场分布可以近似得到沿该层的z轴方向的磁场分布。在指定的距离x0处的沿z轴方向的磁场变化可以计算如下：
B z = A × ( m x × z x 4 ) [ 1 + y 2 + z 2 x 2 ] 5 2
其中A＝3×10-7VS/Am，B单位为Tesla(特斯拉)，x单位为米。
利用以上关系式可以计算磁场B(x0，y0，z)和沿z轴方向的磁场梯度，以便选择最好的条件。
灵敏度
为了估计磁检测系统的总灵敏度，根据本发明，假设霍尔传感器的横向(沿x轴方向)尺寸为20μm，以及与尺寸大小为50×50×10μm3的磁性层由2μm的间隙分开。通过在磁性层实际尺寸范围内积分关于Bz的该关系式，可以计算在霍尔传感器的中心的磁场B(x0，z)和其磁场梯度dB/dz。
通过利用如下公式可以估计具有一层的探查和/或操作器件偏转Δz的分辨率：
ΔV Δz = I × S H × ΔB Δz
对于典型的电流I＝1mA，不计热效应，SH＝400V/TA，以及具有磁矩mx＝3.63×10-8Am2的上述Co层，灵敏度可以估计为ΔV/Δz＝6μV/nm。
如下表1表示某些典型的灵敏度数值与可以易于达到的距离的关系：
                       表1
    x0(μm)     ΔB/Δz(T/nm)   ΔV/Δz(μV/nm)
    20     6.8×10-5     27
    40     4.25×10-6     1.7
    80     2.66×10-7     0.11
另一方面，压敏电阻杠杆(lever)灵敏度ΔV/Δz最高可达1.25μV/nm。这一事实表明，根据本发明通过利用磁传感系统或磁检测系统，灵敏度可以比压敏电阻式的对应灵敏度高达10倍或以上。通过选择其它材料例如具有最大饱和磁化强度的Fe或甚至利用SmCo替代Co，也可以提高灵敏度。此外，如在下面要详细介绍的，通过包括机械放大比R＞1材料或者通过倍增传感器的数量，也可以提高灵敏度。
图1以横断面示意表示根据本发明的具有磁传感单元的磁检测系统，示有可以作为微型器件的部件的附加形体尺寸。还称为磁性元件1的磁偶极1配置在可动部分10上，位于可动部分10的一侧。具有磁性元件1的可动部分10可以沿z轴方向位移，如由在可动部分10旁边的箭头所示。作为固定部分的延伸或一部分的第一基准部分12.1由间隙13与可动部分10分开。磁传感器2位于第一基准部分12.1之上，朝向间隙13。磁传感器2可以以构成为其中的一集成部分的方式，集成到硅中或微型器件的材料中。此外，磁性元件1或者是可动部分10的一集成部分，或者可以粘附或粘结在可动部分10上。集成部分是指磁性元件1和/或磁传感器2是微型器件中的主要组成部分。微型器件上还可以有一器件，磁性元件1或磁传感器2定位在其上。磁传感器2配置在磁性元件1的附近，以便检测和测量高磁场梯度，最好是最高磁场梯度。换句话说，磁性元件1和磁传感器2彼此相对配置，使得当可动部分10沿z轴方向位移时，通过利用磁传感器2可以检测在磁传感器2处的磁场B变化。磁场B由穿过磁传感器2的磁力线表示。可以计算磁场B(x0，z)及其梯度。如果可动部分10偏转，则在磁传感器2处的磁场B的变化。磁场B的变化与可动部分10偏转大小成比例。可以利用任何材料形成这样一种微型器件或探查和/或操作器件。该材料可以是一种材料，或是两种或更多种材料的组合。
在如下的部分中，介绍本发明的各种示范性的实施例，尤其是用在扫描探针式显微镜中的探查和/或操作器件的一个实例。
参照图2，图2以顶视平面图示意表示根据本发明的具有磁检测系统的探查和/或操作器件，其示出两个磁传感单元。顺便指出，上述图1可以看作为是放大的图2中的细节，即其中配置磁性元件1和磁传感器2，因此，对于相同的部分使用相同的数字标号。如图2中所示，探查和/或操作器件具有一悬臂梁或杠杆10，在下文中称为可动部分10，如参照图1所述的一样。可动部分10的确切的几何形状可以是任何类型的。此外，可动部分10形成一个三角形的自由端，在其上示有尖端4。尖端4通常位于底部。顺便指出，这一尖端4使得能对试样或试样表面探查或操作，为了清晰，在图中未予表示。从可动部分10延伸一附着装置14a和14b，这里附着装置具有两个柔性支臂14a和14b，以便使可动部分10能弯曲和扭转。为了可靠，每个探查和/或操作器件可以具有两个以上的支臂。在论文“设计用于扭转磁测量的压敏电阻式悬臂梁”(M.Willemin et al.，J.Appl.Phys.83(3)，1 Feburary1998，pp.1163-1170)中，介绍了具有附着装置的悬臂梁，以便检测沿与弯曲和扭转相对应的两个方向的扭转。每个柔性支臂14a和14b包括一个孔口15，在该处是一缝15；但是也可以具有一个或多个孔或增强柔性的任何形状的结构。两个柔性支臂14a和14b达到一下文称为固定部分12的支承或安装部分12。可动部分10在一侧，固定部分12在相反的一侧，在其它侧的每个柔性支臂14a和14b分别在探查和/或操作器件的内部限定一个方形的开口16。可动部分10中的平台与附着装置14a和14b相比较基本上是刚性的，以便在尖端4的偏转和磁性元件1之间具有近似的线性关系，在可动部分10的每一侧，或在该平台内部，这一磁性元件1位置接近间隙13。固定部分12用于安装。在可动部分10与柔性支臂14a和14b的旁边，第一基准部分12.1和第二基准部分12.2从固定部分12延伸，因此，在这一视图中的每个立方形状的基准部分12.1和12.2分别在自由端斜削，保留具有其尖端4的可动部分10的端部是自由的。每个基准部分12.1和12.2的自由端达到接近可动部分10的长度的一半，每个基准部分12.1和12.2与可动部分10由间隙13分开。间隙13也可填充有液体或其它任何适宜的材料。每个基准部分12.1和12.2与可偏转的可动部分10相比较基本上是刚性的，这对于基准是便利的。在每个基准部分12.1和12.2上，磁传感器2(这里为霍尔传感器)定位朝向间隙13和可动部分10。配置在可动部分10上的每个磁性元件1面向其对应的磁传感器2，并形成一磁传感单元。磁性元件1按这样一种方式取向，即通过利用磁传感器2可以检测最大磁场梯度。这里在可动部分10的每一侧，一个磁性元件1和一个磁传感器2一起形成磁偏转检测系统或简短(short)磁检测系统，以便能够一起测量可动部分10的弯曲和扭转。如果将磁性元件1和磁传感器2彼此相对配置，使得当可动部分10位移时，通过利用磁传感器2可以检测在磁传感器2处的磁场变化则可以实现这一点。磁性元件1和磁传感器2之间可以有几种配置。这意味着，有不同的替换方案例如沿竖直方向来配置磁检测系统。
为了清晰，未示出测量器件的其它部分例如引线、处理单元或显示单元，但是对通过利用磁传感器2得到的信息可根据现有技术的状态进行处理是公知的。
图3示出接4个不同的距离x0(x0＝5μm、10μm、15μm、20μm)的磁偶极的磁场B(x0，y0，z)的几条曲线。横坐标代表单位为μm的距离z，而纵坐标代表单位为Tesla的磁场B(x0，z)。由图可以看出，在z＝0附近，磁场几乎具有线性斜率。距离越短其数值越大，希望将磁传感器2足够接近磁性元件1以达到最高灵敏度。磁传感器2应足够薄，即小于峰峰值距离，以防止在B(x0，z)曲线的正侧和负侧范围内进行平均。
图4表示利用机械放大作用的探查和/或操作器件的另一个实施例。为了简化，对于相同的部分使用相同的数字标号。根据图2中所示的配置可以进行改进，以放大在磁传感器2位置处的偏转幅度Δz，在这里该偏转幅度小于尖端的偏转。该总体方案和图2中所示的主要差别是，利用一自由臂或中心梁10.1沿其反方向即朝向固定部分12延长了可动部分10。第一长度L1代表可动部分10中从固定部分12伸出的一部分，另一方面，第二长度L2代表可动部分10中伸入固定部分12的一部分，在这里还被称为中心梁10.1。通过利用柔性支臂14a和14b将可动部分10附着到固定部分12上。可以使对应的L2和L1的比大于1。将磁检测系统配置在中心梁10.1的端部，因此，仅一个磁性元件1位于这一中心梁10.1的极端。在磁性元件1旁边将两个磁传感器2配置在固定部分12上，固定部分12在这里包含基准部分的功能，以便提高灵敏度和检测扭转。由间隙13再次将磁性元件1与两个磁传感器2分开。该方案特别适合于接触模式。与可动部分10中的其它部分相比较，中心梁10.1应是刚性的，以便将尖端4的z向移位或偏转传递给磁检测系统。利用R＝L2/L1(L2＞L1)提供机械放大。通过使对应的L2或L1长度适合于应用场合，该机械放大可以用于进一步提高灵敏度。将磁性元件1和磁传感器2位置远离尖端4的另一个优点是，使与该可能是磁性的或是非磁性的该表面的相互作用降到最小。
用于提高磁检测系统的灵敏度的另外的方法是自然地增大磁传感器2的数目，使得会有更大的输出信号。例如通过根据梳状结构形成一阵列可以实现这一点，如在如下的附图中所示。
图5a表示为提高灵敏度而利用多个磁传感单元的实施例，因此，仅示出与探查和/或操作器件的磁检测系统相关的部分。为了简化未示出伸出的部分例如带有尖端的自由端，因此仅用点划线表示。上述实施例可以变化，可动部分10或中心梁10.1的端部以曲折形状终止。任何其它适合的形状也是可以的。该曲折由间隙13将可动部分10与固定部分12分开。如上所述，与可动部分10相比较，固定部分12是刚性的，以便作为基准。正如由顶视图所看到的，在该曲折的每一个隆起中，在一行中定位一个磁性元件1。另一方面，在固定部分12的每一个对应的配对部分在一行中定位12个磁传感器2。在可动部分10的端部旁边，还留有一个左侧传感器2.1，在另外一侧，一个传感器2.2定位在固定部分12上。适当地排列磁性元件1的磁取向，如由在右侧图5a中磁性元件1内部的箭头所指示的，以避免负面的影响，因此，N代表北极或“+”S代表南极或“-”。
图5a中所示的配置通过倍增磁传感单元的数目能增强输出信号或灵敏度。
图5b表示为提高灵敏度利用多个磁传感单元的再一实施例，因此再次仅示出探查和/或操作器件中的相关的部分。该实施例的变化是，可动部分10的端部以矩形形状终止。多个磁性元件1配置在一行内，位于可动部分10的端部。另一方面，多个磁传感器2也配置在固定部分12上的一行内。这两行由间隙13分开，但这两行是这样配置的，即每个磁性元件1直接面向对应的一个磁传感器2。如上所述，应适当配置磁性元件1，以便对相邻的磁传感单元不产生负面影响。
所公开的任何实施例可以和所表示和/或介绍的一个或几个其它实施例相结合。对于各实施例的一个或多个特征也是可以的。

Claims (13)

1.一种磁传感单元，用于测量微型器件中的可动部分(10)和固定部分(12)之间的位移，包括：
具有磁场的磁性元件(1)；以及
磁传感器(2)；
所述磁性元件(1)位于可动部分(10)上，所述磁传感器(2)位于所述固定部分(12)上；或者，所述磁传感器(2)位于可动部分(10)上，所述磁性元件(1)位于所述固定部分(12)上；
所述磁传感器(2)和/或所述磁性元件(1)是所述微型器件的一个集成部分，以及
所述磁性元件(1)和所述磁传感器(2)彼此相对配置，使得当所述可动部分(10)位移时，通过利用所述磁传感器(2)可检测在所述磁传感器(2)处的所述磁场的变化；以及
所述磁性元件(1)和磁传感器(2)配置在微型器件的内部，通过使磁性元件相对于磁传感器的位移大于所测量的可动部分的位移而使得机械放大作用提高了所述磁传感单元的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的磁传感单元，其特征在于，可动部分(10)伸入微型器件的固定部分(12)。
3.根据权利要求1所述的一种磁传感单元，其特征在于，可动部分(10)和固定部分(12)配置在相同平面内，可动部分(10)中伸入固定部分(12)的长度比伸出固定部分(12)的长度更长。
4.根据权利要求1所述的一种磁传感单元，其特征在于，磁性元件(1)包括一磁性层(1)，优选由硬磁材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种磁传感单元，其特征在于，磁传感器(2)是一霍尔传感器、磁控晶体管、磁控二极管或一大型磁致电阻传感器。
6.根据权利要求1所述的一种磁传感单元，其特征在于，磁传感器(2)的配置，使磁传感器(2)和后续的测量器件能够确定磁场的磁场梯度。
7.根据权利要求1所述的一种磁传感单元，其特征在于，可动部分(10)通过利用附着装置(14a，14b)优选通过支臂附着到固定部分(12)，所述附着装置(14a，14b)使可动部分(10)能自由位移。
8.根据权利要求7所述的一种磁传感单元，其特征在于，附着装置(14a，14b)包含一孔口(15)或窄道。
9.根据权利要求1所述的一种磁传感单元，其特征在于，该微型器件包括多个可动部分(10)，以及每个可动部分有至少一个磁性元件(1)和至少一个磁传感器(2)。
10.根据权利要求1所述的一种磁传感单元，其特征在于，由一曲折形间隙(40)将磁性元件(1)与磁传感器(2)分开。
11.根据前述权利要求中之一所述的一种磁传感单元，其特征在于，其构成为微型机械器件的一部分，例如悬臂梁或存储器件中的浮动的读写头。
12.一种用于样品的探查和/或操作器件，包括：
可动部分(10)，具有一带尖端(4)的自由端，所述可动部分(10)附着到固定部分(12)；
具有磁场的磁性元件(1)；
磁传感器(2)；
所述磁性元件(1)位于可动部分(10)上，所述磁传感器(2)位于所述固定部分(12)上；或者，所述磁传感器(2)位于可动部分(10)上，所述磁性元件(1)位于所述固定部分(12)上；
所述磁传感器(2)和/或所述磁性元件(1)是所述微型器件的一个集成部分，以及
所述磁性元件(1)和所述磁传感器(2)彼此相对配置，当所述可动部分(10)位移时，通过利用所述磁传感器(2)可检测在所述磁传感器(2)处的所述磁场的变化；
磁性元件(1)和磁传感器(2)配置在微型器件的内部，通过使磁性元件相对于磁传感器的位移大于所测量的可动部分的位移而使得机械放大作用提高了所述器件的灵敏度。
13.根据权利要求12所述的用于样品的探查和/或操作器件，其特征在于，将至少一个磁性元件(1)和至少一个磁传感器(2)定位，以便检测可动部分(10)的弯曲和/或扭转。
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