CN1899950A - 传感接触探头 - Google Patents

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Abstract

一种传感接触探头包括梁支承和探头。该探头具有从梁的支承延伸到探头端面的弯曲梁体，该探头端面在一角度方向上放置并朝向。弯曲梁体包括接合在一起并具有使梁体弯曲的不同残余应力的第一和第二梁层。应力释放区域在弯曲梁体内形成。应力释放区域具有调节弯曲以控制探头端面位置和角度方向的调节应力属性。

Description

传感接触探头
技术领域
本发明一般涉及接触探头，尤其涉及但不限于与铁电体存储器一起使用的接触探头。
背景技术
微型悬臂(microcantilever)在微型机械设备中被用作接触指或支承针。微型悬臂通常具有1到100微米范围内的尺寸，并通过MEMS(微型机电系统)或MST(微型系统技术)方法制成。微型悬臂的一个问题是梁末端的位置和角度倾向于有一些变化，且该可变性被视为是因为在制造期间加工条件的难以控制的变化。该可变性限制了使用微型悬臂的设备的制造精密度。需要一种方法和装置来减小微型悬臂梁末端的位置和角度的可变性。
本发明的各个实施例对这些和其它问题提供了解决方案，并在本领域上提供了其它优点。
发明内容
所公开的是传感接触探头。传感接触探头包括梁支承和探头。该探头包括从梁的支承延伸到探头端面的弯曲梁体。探头端面与梁支承之间有间隔。探头端面在一角度方向上放置并朝向。
弯曲梁体包括接合在一起并具有使梁体弯曲的不同残余应力的第一和第二梁层。应力释放区域在弯曲梁体内形成。应力释放区域具有调节弯曲以控制探头端面位置和角度方向的调节应力属性。
在一实施例中，第一梁层包括电绝缘层，而第二梁层包括向探头端面提供电连接的金属层。
在另一实施例中，探头端面是从公用的探头支承伸出的一行多个探头端面的第一个，且第一探头端面的调节使第一探头端面与其余多个探头端面的对齐得到改进。
在阅读以下详细描述并查看相关附图之后，表征本发明各实施例的其它特征和优点将显而易见。
附图说明
图1示出铁电体数据存储设备。
图2-3示出传感接触探头阵列。
图4-7示出制造传感接触探头阵列中的工艺步骤。
图8示出用于调节传感接触探头的制造夹具。
图9-10示出传感接触探头中应力释放区域的示例。
具体实施方式
在以下结合图1-10描述的实施例中，传感接触探头包括由具有不同残余应力的两个层形成的梁体(微型悬臂)。这两个层被接合在一起，且不同大小的残余应力将该梁弯成一圆弧。弯曲梁体用作弹簧，提供使梁一端的探头端面与该探头端面要扫描的表面相接触的预载力。该传感接触探头可以阵列形成，以在表面上提供多点的同时(并行)扫描。当阵列中的各个梁因为制造工艺变化而没有对齐时，可通过调节梁体内的应力释放区域的应力属性来对齐它们。可使用激光或化学蚀刻来调节应力属性。梁的阵列可彼此对齐以确保准确放置和探头端面上的均匀机械预载。传感接触探头可用于扫描铁电体存储器中的信息以及其它应用。
图1示出其中使用本发明实施例的一示例性铁电体数据存储驱动器10。该驱动器10包括具有可扫描表面12的铁电体存储介质16。悬臂梁14的阵列接触可扫描表面12，并将数据往返传送给可扫描表面12。诸如微型致动器20的微型致动器提供可扫描表面12和悬臂梁14之间的相对扫描移动。电触点18提供驱动器10和主机计算机系统之间的连接。
图2-3示出在衬底214的空穴内形成的传感接触探头202、204、206、208、210、212的阵列200。图2示出阵列200的顶(俯)视图，而图3示出沿图2线3-3取得的前横截面视图。
衬底214提供用于传感接触探头202、204、206、208、210、212的公用梁支承。衬底214在图2-3中仅部分地示出，并可扩展以支承未在图2-3中示出的更多传感接触探头。传感接触探头202、204、206、208、210、212最好排列成如图所示的常规矩形阵列，或斜对齐地排列。衬底214可沿X和Y轴相对于表面216(图3)移动，以通过传感接触探头202、204、206、208、210、212提供表面216的扫描。衬底214支承于距离表面216一受控间隔Z处。该受控间隔Z通常被选为在表面216和各个传感接触探头之间提供期望大小的预载力。该预载力使传感接触探头202、204、206、208、210、212偏转，使传感接触探头202、204、206、208、210、212较佳地用作弹簧。衬底214和表面216之间的相对移动可受到衬底214的移动、表面216的移动、或衬底214和表面216的移动的影响。受控间隔Z可持续保持，或者受控间隔可在快速相对移动期间暂时增大，或者将衬底“停放”在传感接触探头202、204、206、208、210、212与表面216不接触的转换位置。在一示例性应用中，衬底214由第一致动器(未示出)沿X轴移动，且表面216由第二致动器(未示出)沿Y轴移动。
衬底214和表面216在图2-3中被示为扁平元件，然而，衬底214和表面216可具有诸如圆柱形的其它形状。表面216最好包括可由探头202、204、206、208、210、212访问的铁电体存储器或磁性存储器的表面。衬底214和表面216之间的相对移动可以是任何适当的扫描移动，诸如随机存取扫描、光栅扫描、或其它已知的表面扫描移动或模式。在使用多个探头的情况下，大量的数据位可同时(并行)读或写以提供高速存取。
示例性通信通道218、220、222在衬底214的上表面上运行，以将信息往返运送给传感接触探头208、210、212。通信通道218、220、222可包括诸如电导体、光波导或这两者的已知通信通道。通信通道218、220、222还可用于向传感接触探头208、210、212供电。通信通道218、220、222耦合到可位于衬底表面215或其它地方的电子电路(未示出)。
诸如传感接触探头210的示例性传感接触探头包括梁支承224(衬底214的一部分)和探头226。探头226包括从梁支承224延伸到与梁支承224有间隔的探头端面230的弯曲梁体228。探头端面230在一角度方向上放置并朝向，如以下结合图6所述示例更详细地描述。
如以下结合图4-7更详细描述的，弯曲梁体228包括接合在一起的具有不同残余应力的第一和第二梁层。不同的残余应力使梁体弯曲。当第一和第二梁层在不同加工条件下制成使该两个层中的残余应力不同时，该第一和第二梁层可由相同材料制成。第一和第二层最好用不同材料组分制成，从而提供更为不同的残余应力。
应力释放区域232在弯曲梁体228中形成，应力释放区域232具有调节弯曲梁体228的弯曲以控制探头端面230的位置和角度方向的调节应力属性。在制造阵列200后，会发现阵列中的一个或多个探头端面未与阵列中的其它探头端面最佳地对齐，从而不会以与其它探头端面相同的力和角度方向接触表面216。如以下所详述的，未对齐的传感接触探头通过调节应力释放区域232的应力属性而得以正确对齐。应力释放区域232可包括激光烧蚀区域、激光诱导塑流区域、化学蚀刻区域、或其它已知的可调节的应力释放区域。
图4-7示出制造与图2-3所示的传感接触探头210相当的传感接触探头的工艺步骤。图4示出前横截面视图，而图5示出传感接触探头400在第一制造阶段的侧向横截面视图。
在图4-5中，衬底402具有上表面404，其上沉积有通信通道406。该通信通道406包括钽的有图案的薄膜层，它用作用于电接触铁电体存储器表面的电导体。衬底402包括一氧化铝层。钽薄膜层406可使用任何适当的MEMS光刻法来形成图案。钽薄膜406的厚度最好为约0.5微米的数量级。
在完成沉积工艺之后，钽薄膜406处于沿与上表面404平行的线的残余机械应力的状态中，有或没有双轴应力。在钽薄膜406下面的衬底402的一部分也处于沿与上表面404平行的线的残余机械应力的状态中。钽薄膜406中残余应力的大小与衬底402的下层部分中残余应力的大小不同。钽薄膜406通过沉积工艺连续接合到衬底上表面404，以形成无缝体。连续接合消除或有效限制了徐变(creep)，徐变可使多个层彼此相对滑动并释放残余应力差。不同的残余应力在衬底402和薄膜层中保持。
衬底402经显微机械加工在衬底402中形成空穴408，该空穴在钽薄膜406的一部分之下。氧化铝层410留在钽薄膜406下方。在一较佳实施例中，氧化铝层410具有0.5微米的厚度。
图6示出前横截面视图，且图7示出传感接触探头450在第一制造阶段之后的第二制造阶段时的侧向横截面视图。
在图6-7中，可有选择地在钽薄膜406周围的区域中去除氧化铝层410，留下在钽梁层454之下的氧化铝梁层452。有选择的去除可通过蚀刻或其它已知的MEMS成形法来完成。氧化铝梁层452和钽梁层454一起组成了弯曲梁体456。弯曲梁体456从探头端面460延伸到作为衬底402一部分的梁支承462。
氧化铝梁层452和钽梁层454中的不同残余应力使梁体456弯曲。探头端面460弯过角度θ。该角度θ超过45°，且最好接近90°并接近期望的角度方向。探头端面460处于接近期望位置的笛卡尔位置X、Z。然而，发现笛卡尔位置和角度方向会因为诸如梁的厚度的工艺参数的变化而变化。需要对探头端面的笛卡尔位置和角度方向作微调以便于获得期望的角度方向、期望的笛卡尔位置、或两者。
应力释放区域S2在梁体456内形成。应力释放区域S2具有可调的应力释放区域以便于将探头端面460的位置和角度方向调节为期望值。应力释放属性最好包括应力释放区域的机械削弱。该机械削弱可包括因为激光烧蚀或化学蚀刻的永久削弱。机械削弱可有选择地包括在激光诱导塑流期间因加热引起的削弱。在冷却后，材料因不同形状而重获其强度，且应力场也已改变。
应力释放区域的位置可被选择为在沿梁体456的长度S上的不同位置，诸如S1、S2、S3。所选择的位置控制X、Z中的相对偏转调节量。所选择的位置还影响Z、θ中的相对变化量。该调节在调节多个传感接触探头的阵列(如图2-3所示)中的选定传感接触探头、使触点阵列有统一的定位(受X调节影响)和统一的预载量(受Z调节影响)时特别有用。在一较佳实施例中，梁体456的厚度为1微米，宽度为25微米、而长度为75微米。钽中典型的初始应力为100M帕的数量级，而氧化铝梁层452中的典型初始应力为1G帕的数量级。应力释放区域的槽宽通常为1微米，槽深为0.25微米。调节提供了0到1微米范围内的Z的变化。
氧化铝梁层452包括电绝缘层，而钽梁层454包括提供与探头端面460的电连接的金属层。
在一较佳排列中，探头端面460是从公用的探头支承伸出的一行多个探头端面的第一个。该第一探头端面460的调节使第一探头端面460与其余多个探头端面的对齐得到改进。在一较佳排列中，传感接触探头450还包括具有存储介质表面(诸如图3中表面216)的铁电体存储介质，且多个探头端面与铁电体存储介质表面216接触以向表面216提供多个电触点。
探头端面460可有选择地包括用于扫描磁性介质的磁头、或用于传感与表面的接触的机械接触传感器。
图4-7示出一种制造传感接触探头的阵列的方法。第一层452具有第一表面404，而第二层454具有接合到第一表面404的第二表面462。第一层452和第二层454具有不同的内部应力。第一和第二层452、454成形为限定多个梁的阵列，这些梁具有由第一层支承的第一梁端部462，并具有包括探头端面460的第二梁端部。梁的阵列因不同的内部应力弯曲以提供探头端面460的位置和角度方向。在梁阵列的至少一个梁上提供了具有应力释放属性的应力释放区域。调节该应力释放属性以调节所述至少一个梁上的探头端面的位置和角度方向。
图8示出了可用来使用激光器调节弯曲梁体806中的应力属性的调节夹具800。调节夹具800包括可调地导向弯曲梁体806的激光器802、804。应力释放区域K1可由激光器802沿弯曲梁体806上表面上的长度K形成。应力释放区域S1、S2、S3可由激光器804沿弯曲梁体806的长度S形成。来自激光器802、804的激光脉冲的强度和持续时间可被设置成提供应力释放区域的激光烧蚀和激光诱导塑流。力和位置传感器808传感探头端面810上的力和位置。力和位置传感器808由微型致动器812定位。处理器814控制微型致动器812以及激光器802、804的方向、强度和持续时间。在操作时，调节夹具传感探头端面810的初始力和位置。如果力和位置不正确，则处理器814计算使用激光器802、804之一或两者的调节。在作出调节之后，再次传感力和位置，并且按需进行第二次调节以将力和位置变成期望大小。在完成阵列中一个弯曲梁体的调节之后，夹具可移到需要调节的阵列中的第二个弯曲梁体。整个阵列都可得到调节以便与要扫描的表面适当接触。
图9示意性地示出多类应力释放区域的各个示例。应力释放区域900包括通道902中的激光烧蚀区域。应力释放区域904包括化学蚀刻到绝缘衬底层906中的槽。应力释放区域908包括衬底层906中的激光诱导塑流区域。
图10示出图9中应力释放区域908的放大视图。区域908已被加热成塑态，然后冷却，且应力线910不穿过应力释放区域908。
可以理解，尽管本发明各个实施例的许多特征和优点、以及本发明各个实施例的结构和功能的细节已在前面描述中进行了阐述，但本公开仅是说明性的，且可在本发明的原理内作详细的、特别是有关各部件的结构和排列的改变，其全部范围由所附权利要求所表达的条款的广泛一般含义指示。例如，特定元件可取决于传感接触探头的特定应用改变，同时基本上保持相同的功能而不背离本发明的范围和精神。此外，尽管本文中所述的较佳实施例涉及铁电体存储器的扫描系统，但本领域技术人员可以理解，本发明的示教可应用于其它机械扫描系统，而不背离本发明的范围和精神。

Claims (20)

1.一种传感接触探头，包括：
梁支承和探头，包括从梁的支承延伸到与所述梁支承有间隔的探头端面的弯曲梁体，所述探头端面在一角度方向上放置并朝向该角度方向；
所述弯曲梁体包括接合在一起并具有使所述梁体弯曲的不同残余应力的第一和第二梁层；以及
在所述弯曲梁体内形成的应力释放区域，所述应力释放区域具有调节弯曲以控制探头端面位置和角度方向的调节应力属性。
2.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述应力释放区域从激光烧蚀区域、激光诱导塑流区域、以及化学蚀刻区域组成的组中选择。
3.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述第一梁层包括电绝缘层，且第二梁层包括提供与所述探头端面的电连接的金属层。
4.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述第一梁层包括氧化铝，且第二梁层包括钽。
5.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述探头端面是从多个探头端面的行所公用的探头支承伸出的一行多个探头端面的第一个，且第一探头端面的调节使第一探头端面与其余多个探头端面的对齐得到改进。
6.如权利要求5所述的传感接触探头，其特征在于，还包括具有一阵列表面的铁电体存储器阵列，其中所述多个探头端面接触所述铁电体存储器表面以向所述阵列表面提供多个电触点。
7.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述梁包括将辐射传送到所述探头端面的光波导。
8.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述探头端面包括磁头。
9.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述探头端面包括机械接触传感器。
10.如权利要求1所述的传感接触探头，其特征在于，所述探头支承和第一梁层包括材料的无缝体。
11.一种制造传感接触探头阵列的方法，所述方法包括：
提供具有第一表面的第一层，并提供具有接合到所述第一表面的第二表面的第二层，所述第一和第二层具有不同内部应力；
使所述第一和第二层成形为具有多个梁的阵列，所述梁具有由所述第一层支承的第一梁端部，并具有包括探头端面阵列的第二梁端部，所述梁阵列因不同的内部应力弯曲以提供所述探头端面的位置和角度方向；
在所述梁阵列的至少一个梁上提供具有应力释放属性的应力释放区域，并调节所述应力释放属性以调节探头端面在所述至少一个梁上的位置和角度方向。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述应力释放属性的调节包括从激光烧蚀、激光诱导塑流、以及化学蚀刻组成的组中选择的调节工艺。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
由电绝缘材料形成所述第一层；以及
由提供与所述探头端部的电连接的金属层形成所述第二层。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述调节使所述一个探头端面与所述阵列中的其它探头端面的对齐得到改进。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
用所述探头端面接触铁电体存储器阵列。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
相对于所述探头端面移动所述铁电体存储器阵列，以提供所述铁电体存储器阵列的扫描。
17.一种传感接触探头，包括：
梁支承和探头，包括从所述梁支承延伸到与所述梁支承有间隔的探头端面的弯曲梁体，所述探头端面在一角度方向上放置并朝向该角度方向；所述梁体包括接合在一起并具有使所述梁体弯曲的不同残余应力的第一和第二梁层；以及
在所述弯曲梁内形成的应力释放装置，所述应力释放装置调节弯曲以控制所述探头端面位置和角度方向。
18.如权利要求17所述的传感接触探头，其特征在于，所述应力释放装置从激光烧蚀区域、激光诱导塑流区域、以及化学蚀刻区域组成的组中选择。
19.如权利要求17所述的传感接触探头，其特征在于，所述第一梁层包括电绝缘层，且第二梁层包括提供与所述探头端面的电连接的金属层。
20.如权利要求17所述的传感接触探头，其特征在于，所述第一梁层包括氧化铝，且第二梁层包括钽。
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