微型化的弹簧元件及其制造方法技术

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，特别使在扫描力显微镜（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′）按照本发明专利技术包括一基体（４），其由一包括嵌入的大量纳米粒子（１４）或疵点的母体构成。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′）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种微型化的具有可弯曲基体的弹簧元件。本专利技术还 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。
技术介绍
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。
技术实现思路
因此本专利技术的目的在于，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。关于弹簧元件按照本专利技术通过可弯曲基体具有一探测区域达到该目的，通过电子的隧道过程、电离过程或优选跳跃过程(Hopping-prozesse)确定其导电能力。本专利技术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疯点或俘获点之 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In cj ~ t々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y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ln ct ~ f y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量的较小的膨胀的区域，其具有较;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(An)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 起局部化状态的各疯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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型化的弹簧元件（１、１′），包括一可弯曲的基体（４），该基体具有一探测区域（１０），通过隧道过程、电离过程或跳跃过程确定该探测区域的导电能力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A卡亚，M胡特，
申请(专利权)人：纳米尺度体系NANOSS有限公司，约翰沃尔夫冈歌德大学，
类型：发明
国别省市：DE[德国]