集成有运动传感器的纳米探针N/MEMS装置、方法和应用制造方法及图纸

本申请公开了一种多尖端纳米探针装置，和一种在使用多尖纳米探针装置的同时用于探测样品的方法，其均使用位于衬底上的：(1)相对于衬底的不可移动的探针尖端；(2)相对于衬底的可移动的探针尖端；以及(3)与可移动的探针尖端耦接的运动传感器。由于运动传感器与可移动的探针尖端的紧密耦接以及可移动探针尖端相对于不可移动探针尖端的可缩进性，这种多尖端纳米探针装置和相关方法提供了改进的样品探测。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成有运动传感器的纳米探针N/MEMS装置、方法和应用相关申请的交叉引用本申请涉及于2011年12月16日提交的、名称为“纳米探针执行器(NanoProbeActuator)”的序号为61/576,455的美国专利临时申请，并且要求该申请的优先权，该申请的内容被通过引用方式全部并入于本申请。政府权益陈述形成本申请所述实施例以及在本申请中要求保护的专利技术的研究是由美国国家科学基金会基于合作协议DMR1120296进行资助的。美国政府对于在本申请中要求保护的专利技术具有权益。
本专利技术总体涉及纳米尺度的微机电系统(N/MEMS)装置和相关方法。更具体地，实施例涉及集成有运动驱动(actuation)和传感器的纳米尺度的微机电系统(N/MEMS)装置和相关方法。
技术介绍
基于纳米探针尖端的纳米制造工艺常常需要精确地放置多个纳米探针尖端。同样地，基于纳米探针尖端的纳米测量装置也可以通过原子力显微镜(AFM)传感方法或扫描隧道显微镜(STM)传感方法来感测被接触的实体表面。由于纳米制造工艺应用和纳米测量装置有可能继续增多，需要另外的基于纳米探针尖端的装置、相关方法和相关应用。
技术实现思路
本申请的实施例包括具有集成JFET(结型场效应晶体管)作为预放大器的、用于基于探针尖端感测的多尖端纳米探针装置。由于电容性换能器被缩小到纳米尺度，因此它们的阻抗(1/jωC)大大地增加，这使得它们容易受到寄生电容、RF噪声以及来源于局部静电场和RF电场的电荷耦合的影响。由于噪声耦合的问题，以往针对集成扫描系统所作的工作成果欠佳，这是因为需要连接到芯片外电子装置的连线增加了显著的RF耦合噪声。因此，本申请的实施例提供带有被紧凑地集成在纳米探针装置内JFET的、多尖端纳米探针装置，用来实现局部信号测量，包括差分测量。JFET器件被单片集成在N/MEMS装置上，以减小寄生电路元件、信号和失配的影响。JFET还针对低噪声操作提供了片上增益和阻抗变换。由于JFET的低1/f噪声、高增益、制造中较少的掩膜版数量、不存在寄生二极管、以及对于静电放电的不敏感性，JFET是用于N/MEMS信号传导的理想候选。在一些实施例中，其位置可相对于衬底自由移动的纳米探针尖端(即，纳米探针尖端不附着于衬底)通过静电能量维持间隙(electrostaticenergysustaininggap)耦接到JFET电极，并可以两种方式被JFET感测。第一，在JFET上的静电力在沟道中引起应变，该应变趋向于改变JFET的沟道载流子迁移率。第二，纳米探针装置的探针臂上耦合的电荷在JFET的一个栅极上产生浮动电位，该浮动电位将晶体管沟道电流调制为可被测量的信号。在一些实施例中，可自由移动的纳米探针还通过曲折弹簧(meanderspring)耦接到JFET电极，从而相对于可自由移动的纳米探针尖端位置和运动而言，JFET和曲折弹簧一起可被看作为运动传感器。如上所述，在一些实施例中，“可自由移动的”纳米探针尖端是指没有附着于衬底的探针尖端。在一些实施例中和在权利要求中，使用关于衬底上方的两层或两个结构的术语“上方”用于表示两层或两个结构重叠的空间和平面布置，但两层或两个结构不一定接触。相反地，使用关于衬底上方的两层或两个结构的术语“上面”是指这两层或两个结构重叠的空间和平面布置，并且这两层或两个结构相接触。在一些实施例中和在权利要求中，希望所有的层和结构位于并形成在单个衬底上方。在一些实施例中和在权利要求中，使用关于运动传感器的部件的术语“耦接”或“可操作地耦接”，或者关于运动传感器的可移动探针尖端的耦接，是指电的、机械的、机电的或其它类型的连接，这些连接采用了提供所需的并可操作的信号结果的方式。在一些实施例中和在权利要求中，关于运动传感器的术语“压敏部件”也意味着包括在单位面积情况下的力敏感部件，其操作因此通常源于压力灵敏度的操作。在一些实施例中和在权利要求中，关于至少一个可移动的探针尖端和至少一个不可移动的探针尖端的“指向相同的方向”是指名义上相同的方向，并且考虑到一组不可移动的探针尖端和可移动的探针尖端中任意一个尖端相对于其他尖端的偏移。根据这些实施例的具体纳米探针装置包括衬底。这个具体的纳米探针装置还包括位于衬底上方的至少一个可移动的探针尖端。所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于衬底移动。这个具体的纳米探针装置还包括位于衬底上方的至少一个运动传感器。所述至少一个运动传感器包括与至少一个弹簧可操作地耦接的至少一个压敏部件。所述至少一个运动传感器可以与所述至少一个可移动的探针尖端可操作地耦接。根据这些实施例的另一个具体的纳米探针装置包括衬底。这个另外的具体纳米探针装置还包括位于衬底上方的至少一个不可移动的探针尖端。所述至少一个不可移动的探针尖端不能够相对于衬底移动。这个另外的纳米探针装置还包括位于衬底上方的至少一个可移动的探针尖端。所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于衬底移动。根据这些实施例的再一个具体纳米探针装置包括衬底。这个另外的具体纳米探针装置还包括位于衬底上方的至少一个不可移动的探针尖端。所述至少一个不可移动的探针尖端不能够相对于衬底移动。这个另外的纳米探针装置还包括位于衬底上方的至少一个可移动的探针尖端。所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于衬底和相对于不可移动的探针尖端移动。这个具体的纳米探针装置还包括位于衬底上方的、并与所述至少一个可移动探针尖端相耦接的至少一个运动传感器。根据这些实施例的具体探测方法包括相对于样品放置探针装置中的至少一个可移动的探针尖端，所述探针装置包括：(1)衬底；(2)位于衬底上方的至少一个可移动的探针尖端，所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于衬底移动；以及(3)位于衬底上方的至少一个运动传感器，所述至少一个运动传感器包括至少一个压敏部件和至少一个弹簧，所述至少一个运动传感器与至少一个可移动的探针尖端可操作地耦接。这个具体探测方法还包括在测量所述至少一个运动传感器输出信号的同时，使得所述至少一个可移动的探针尖端相对于样品移动。根据这些实施例的另一个具体探测方法包括相对于样品放置探针装置中的至少一个可移动的探针尖端，所述探针装置包括：(1)衬底；(2)位于衬底上方的至少一个不可移动的探针尖端，所述至少一个不可移动的探针尖端不能够相对于衬底移动的；(3)位于衬底上方的至少一个可移动的探针尖端，所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于衬底移动；以及(4)位于衬底上方的至少一个运动传感器，其与所述至少一个可移动的探针尖端可操作地耦接。这个另外的具体方法还包括在测量所述至少一个运动传感器输出信号的同时，使得所述至少一个可移动的探针尖端相对于样品移动。附图说明实施例的目的、特征和优点可以在下述具体实施方式的内容中理解。具体实施方式可以在附图的内容中理解，附图构成了本公开的重要部分，其中：图1显示根据实施例的带有探针、JFET、曲折部和限位器(S)的多尖端纳米探针装置的平面视图，限位器限制了执行器F3的外部梳状部分的运动；图2显示：(A)带有曲折弹簧的JFET的SEM显微图；以及(B)按照本专利技术的多尖端纳米探针装置的侧视SEM显微图；图3显示根据实施例的多尖端纳米探针装置中JFET沟道的压电应变的驱动和感测的示意图，图3还显示了JFET的掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探针装置，包括：衬底；位于所述衬底上方的至少一个可移动的探针尖端，所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于所述衬底移动；以及位于所述衬底上方的至少一个运动传感器，所述至少一个运动传感器包括与至少一个弹簧可操作地耦接的至少一个压敏部件，所述至少一个运动传感器与所述至少一个可移动的探针尖端相耦接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.16 US 61/576,4551.一种探针装置，包括：衬底；位于所述衬底上方的至少一个可移动的探针尖端，所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于所述衬底移动；以及位于所述衬底上方的至少一个运动传感器，所述至少一个运动传感器包括与至少一个弹簧可操作地耦接的至少一个场效应器件，所述至少一个运动传感器通过至少一个弹簧与所述至少一个可移动的探针尖端静电地且机械地相耦接。2.根据权利要求1所述的探针装置，其特征在于，还包括也位于所述衬底上方的至少两个不可移动的探针尖端，所述至少两个不可移动的探针尖端不能够相对于所述衬底移动，并且与所述可移动的探针尖端相分离。3.根据权利要求1所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个可移动的探针尖端：相对于所述衬底是能够自由移动的；以及具有从30到500微米的长度，和从300到1000纳米的横向尺度，并且悬空在所述衬底上方。4.根据权利要求1所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个可移动的探针尖端具有相对于所述衬底的从30度到60度的角度。5.根据权利要求1所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个运动传感器包括结型场效应器件和至少一个弹簧。6.根据权利要求5所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个运动传感器包括所述结型场效应器件的沟道区域和所述至少一个弹簧。7.根据权利要求1所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个运动传感器通过至少一个执行器与所述至少一个可移动的探针尖端相耦接。8.一种探针装置，包括：衬底；位于所述衬底上方的至少一个不可移动的探针尖端，所述至少一个不可移动的探针尖端不能够相对于所述衬底移动；以及位于所述衬底上方的至少一个可移动的探针尖端，所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于所述衬底移动；其中，所述至少一个可移动的探针尖端通过至少一个弹簧与包括至少一个场效应器件的至少一个运动传感器静电地且机械地相耦接。9.根据权利要求8所述的探针装置，其特征在于：所述至少一个不可移动的探针尖端和所述至少一个可移动的探针尖端指向同一个方向；以及所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于所述至少一个不可移动的探针尖端缩进。10.根据权利要求8所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个可移动的探针尖端可相对于所述至少一个不可移动的探针尖端偏移。11.根据权利要求8所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个可移动的探针尖端：相对于所述衬底是能够自由移动的；以及具有从30到500微米的长度和从300到1000纳米的横向尺度。12.根据权利要求8所述的探针装置，其特征在于，所述至少一个可移动的探针尖端具有相对于所述衬底的从30度到60度的角度。13.一种探针装置，包括：衬底；位于所述衬底上方的至少一个不可移动的探针尖端，所述至少一个不可移动的探针尖端不能够相对于所述衬底移动；位于所述衬底上方的至少一个可移动的探针尖端，所述至少一个可移动的探针尖端能够相对于所述衬底移动；以及位于所述衬底上方的、并且通过至少一个弹簧与所述至少一个可移动的探针尖端静电地且机械地相耦接的至少一个运动传感器，其中所述至少一个运动传感器包括至少一个场效应器件。14.根据权利要求13所述的探针装置，其特征在于：所述至少一个不可移动的探针尖端和所述至少一个可移动的探针...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·拉尔，K·阿姆庞萨，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：发明
国别省市：美国;US