CN101693512A - 一种用于微纳显微技术的复合悬臂梁针尖及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微纳显微技术的复合悬臂梁针尖及其制作方法。本发明包括底座，悬臂梁和针尖，其特征在于，在底座，悬臂梁和针尖上有一层绝缘介电层，在绝缘介电层上分布4个阻值相等的压敏电阻，其中两个压敏电阻位于底座上，另外两个压敏电阻位于悬臂梁上且平行于悬臂梁的长度方向分布，通过导线将4个压敏电阻连接成一个惠斯通电桥。利用本发明的复合悬臂梁针尖将不再使用激光定位测量扫描探针显微镜悬臂梁针尖所发生的微小应变，而是将能够精确测量微小应变的压敏电阻与悬臂梁针尖耦合在一起，测量悬臂梁与样品发生作用时的力学信号，以及静电力的大小，磁场的分布等信息，属于微机械传感器技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微纳显微技术的复合悬臂梁针尖及其制作方法，利用本发明的复合悬臂梁针尖将不再使用激光定位测量扫描探针显微镜(原子力显微镜、静电力显微镜、磁力显微镜等)悬臂梁针尖所发生的微小应变，而是将能够精确测量微小应变的压敏电阻与悬臂梁针尖耦合在一起，测量悬臂梁与样品发生作用时的力学信号，以及静电力的大小，磁场的分布等信息，属于微机械传感器技术领域。
背景技术
随着纳米技术的发展，对微纳信号(力、电、磁、光等)的测试手段的要求越来越强烈。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)，扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopy，SPM)，透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)的发明和使用极大的提高了人们认识和感知微纳世界的能力。扫描探针显微镜是原子力显微镜(Atomic ForceMicroscopy，AFM)，静电力显微镜(Electrostatic Force Microscopy，EFM)，磁力显微镜(Magnetic Force Microscopy，MFM)等的统称，其力学传感器的结构与性能将对仪器的性能、测量分辨率和图像质量有极大的影响。通常扫描探针显微镜的探针都要求有低的力弹性系数；高的固有频率、机械品质因素等等，同时还要求背部平整光滑，以满足激光位移传感器的要求，每次使用前都得准确的调整激光经针尖背面的反射角度和位置，才能确保实验的进行。虽然激光位移传感器可以比较精确的定位，但是正是由于它的存在使的当要把扫描探针纤维***与透射电子显微***或者扫描电子纤维***等耦合的时候由于结构的复杂而较难实现，即使实现了，由于结构的限制也使得两者的耦合不能最大限度的发挥两者的优势。
M.A.Haque课题组在2002年以来发表的系列文章中提到，利用MEMS工艺制作了一种用于透射电镜和扫描电镜的纳米力学传感器，在传感器上制作了两个标志位置，用来测量样品所发生的应变，并且得出了施加在样品上的力学信号，但是众所周知的，透射电镜中的视野较小，要监测两个距离几百μm的标志点位置的变化就必须在做实验的过程中不断的在高倍与低倍之间转换，因此可能在倍数转换的过程中丧失了捕捉重要结构变化信息的机会，不能真正做到在原位的监测样品结构变化的同时还能够得出样品所发生的应变以及施加在样品上的应力信号。
本发明的目的在于提供一种不用激光位移定位***，而是利用位于针尖背面的压敏电阻的电阻值精确灵敏的反映悬臂梁所发生的应变大小的原理，通过外接电路将复合悬臂梁针尖上的压敏电阻组成一个惠斯通电桥，精确的测量复合悬臂梁针尖在受到静电力、磁力或者其他外力作用时所发生的应变，根据复合悬臂梁针尖的杨氏模量精确的测得受到的应力的大小，实现对应力的传感作用。
发明内容
针对现有技术难题，本发明旨在提供一种利用压敏电阻测量微小应变，适用于扫描探针显微镜并且可以方便的耦合在扫描电镜和透射电镜中的复合悬臂梁针尖。
为了实现上述目的，本发明除了具备与普通针尖相同的底座，悬臂梁和针尖外，在底座，悬臂梁和针尖上有一层绝缘介电层，在绝缘介电层上分布4个阻值相等的压敏电阻，两个位于底座上，另外两个位于悬臂梁上，且平行于悬臂梁的长度方向分布，通过导线将4个压敏电阻连接成一个惠斯通电桥。本发明的复合悬臂梁针尖其特征在于可以通过以下工艺步骤实现：
1.在基片1上预制出悬臂梁2，针尖3和底座4；
2.制备一层绝缘介电层5。
3.在绝缘介电层5上制备4个阻值相等的压敏电阻6，其中两个位于底座4上，两个位于悬臂梁2上并且平行于悬臂梁2的长度方向分布。
4.在绝缘介电层5上制作导线7将4个压敏电阻连接成一个惠斯通电桥。
进一步的，所述的复合悬臂梁针尖的基片材质为硅、锗、碳化硅、氮化硅、氮化镓等。当用于测量样品静电力的测量时须在针尖表面制作一层导电层如金、银、铂、铜、铝等导电性能良好的材料；当用于样品磁场分布测量时可以在针尖表面制作一层铁磁材料如铁、钴、镍。复合针尖悬臂梁的尺寸可以根据实验的需要定制，形状也可以根据实验的需要进行改装，并不局限于扫描探针显微镜所用探针的通用形状。
进一步的，所述的压敏电阻为电阻在材料发生应变时变化显著的材质如：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铂、铂铝合金等材料；形状可以不固定，但是4个压敏电阻的阻值必须相同。
进一步的，所述的电极和导线采用金、银、铂、铜、铝等导电性能良好的材料。
本发明的优点：
1、本发明取代了扫描探针显微镜中的激光定位***，能够更加方便准确的测出悬臂梁所发生的微小应变，并将其转换成力学信号直观的输出给操作者；
2、由于本发明不再使用激光定位***，因此可以方便的将本发明与扫描电子显微镜、透射电子显微镜样品进行耦合实现在原位力学性能测试的同时得出结构变化信息甚至在原子尺度揭示材料结构演变过程。
附图说明：
图1复合悬臂梁针尖制作剖面图
图2复合悬臂梁针尖平面示意图
图3复合悬臂梁针尖主视图
图4复合悬臂梁针尖测出的SiO2纳米线应力-应变曲线
图面标号如下：
1基片 2悬臂梁 3针尖 4底座 5绝缘介电层 6压敏电阻 7导线 8电极I 9电极II 10电极III 11电极IV
具体实施方式：
1、用硅片作为基片1，在其上通过有掩膜、无掩膜技术和各向异性湿法或干法腐蚀方法一体制作长为2mm-4mm，宽1mm-2mm的底座4，长50-1000μm，宽10-200μm的悬臂梁2，高5-10μm的针尖3。所述基片1材料还可以用硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌。
2、在一体形成的悬臂梁2和针尖3上面通过热氧化制作一层二氧化硅绝缘介电层5厚度在50-500nm之间，此外还可以用CVD、PCVD、沉积、蒸镀、或者溅射等方法制作绝缘介电层5；绝缘介电层5的材料还可以用碳化硅、氮化硅、氧化铪。
3、在二氧化硅绝缘介电层上制作一层氮化硅牺牲层，厚度为50-500nm之间，利用第一次光刻制作出4个压敏电阻6的形状，2个位于底座上，2个位于悬臂梁上且平行对称分布于悬臂梁长轴的两侧，距离悬臂梁和底座的连接处5-20μm，用康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铂、铂铝合金等材料蒸镀或者溅射4个压敏电阻6，阻值在50-500Ω之间，去掉氮化硅牺牲层。所述的牺牲层还可以用二氧化硅、碳化硅、氧化铪。
4、在制作好的压敏电阻6上另行制作一层氮化硅牺牲层，厚度为50-500nm之间，利用第二次光刻制作出导线7，电极I8、电极II9、电极III10、电极IV 11，用金、银、铂、铜、铝等导电性能良好的材料制作厚度为20-500nm导线7和电极I 8、电极II 9、电极III10、电极IV 11，将4个压敏电阻6连接成一个惠斯通电桥，去掉氮化硅牺牲层。所述的牺牲层还可以用二氧化硅、碳化硅、氧化铪。
5、通过背面腐蚀的方法释放底座4、悬臂梁2和针尖3，悬臂梁2的厚度为1-20μm，底座4的厚度为100-1000μm。
6、若制作了多个复合悬臂梁针尖，将制作好多个复合悬臂梁针尖的基片1进行裂片得到多个复合悬臂梁针尖。
具体实施例：
1.将直径2英寸，N型(001)面，厚1mm的硅片作为基片，正面采用掩膜和各向异性湿法腐蚀制作出高7μm的针尖，长3mm，宽1mm的底座，长500μm，宽40μm的悬臂梁。
2.在硅片正背面制作二氧化硅绝缘介质层，厚度为200nm。
3.在二氧化硅绝缘介电层上第一次光刻利用镍铬合金(Ni80Cr20)制作出4个压敏电阻，阻值都为120Ω，2个位于底座上，2个位于悬臂梁上且平行于悬臂梁的长度方向。
4.在制作好的压敏电阻上利用第二次光刻用金制作出厚为100nm，宽为5μm的导线和4个厚度为100nm，长为200μm，宽为200μm的电极I，电极II，电极III，电极IV，将4个压敏电阻连接成一个惠斯通电桥。
5.通过背腐蚀方法最终形成复合悬臂梁针尖，悬臂梁的最终厚度为2μm，底座的最终厚度为400μm。
6.由于制作了多个复合悬臂梁针尖，还需通过裂片的方法将硅片裂片最终得到多个复合悬臂梁针尖。
7.选取一个制作好的复合悬臂梁针尖，固定在扫描电镜的样品台上，悬臂梁和针尖悬空，用导线将复合悬臂梁针尖的电极I，电极II，电极III，电极IV与外部力学测试设备连接，其中电极II和电极III作为电压输入端，接3V直流电，电极I和电极IV为输出端。将已经固定好SiO2纳米线的微机械手移动到靠近复合悬臂梁针尖的位置，关闭样品室。
8.抽好真空后，利用扫描电镜成像***观测微机械手和复合悬臂梁针尖的位置，利用微机械手粗调装置将微机械手移动到复合悬臂梁针尖的位置使SiO2纳米线未固定端能够正好搭在针尖的上面。
9.利用电子束沉积的方法将SiO2纳米线固定在针尖上，移动微机械手使微机械手远离针尖移动，从而给SiO2纳米线施加力带动悬臂梁的弯曲，悬臂梁的应变和受力就可以通过外部力学测试设备给出。
10.结合样品所发生的应变得出SiO2的应力-应变曲线。
Claims (2)
1.一种用于微纳显微技术的复合悬臂梁针尖，包括底座，悬臂梁和针尖，其特征在于，在底座，悬臂梁和针尖上有一层绝缘介电层，在绝缘介电层上分布4个阻值相等的压敏电阻，其中两个压敏电阻位于底座上，另外两个压敏电阻位于悬臂梁上且平行于悬臂梁的长度方向分布，通过导线将4个压敏电阻连接成一个惠斯通电桥。
2.根据权利要求1所述的一种用于微纳显微技术的复合悬臂梁针尖的制作方法其特征在于，通过以下工艺步骤实现：
1)在基片上预制出悬臂梁，针尖和底座；
2)在底座，悬臂梁和针尖上制备一层绝缘介电层；
3)在绝缘介电层上制备4个阻值相等的压敏电阻，其中两个位于底座上，另外两个压敏电阻位于悬臂梁上并且平行于悬臂梁的长度方向分布；
4)在绝缘介电层上制作导线将4个压敏电阻连接成一个惠斯通电桥。
Priority Applications (1)
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| CN200910209566A CN101693512A (zh) | 2009-10-30 | 2009-10-30 | 一种用于微纳显微技术的复合悬臂梁针尖及其制作方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104931741A (zh) * | 2014-03-19 | 2015-09-23 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 微探针及其制备方法 |
| CN105606158A (zh) * | 2016-03-16 | 2016-05-25 | 黑龙江大学 | 一种力/磁多功能传感器 |
| WO2021120167A1 (en) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | Jiangsu Jitri Micro-Nano Automation Institute Co., Ltd. | Method and apparatus for manipulating micro-nanometer sized samples and uses thereof |
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2009
- 2009-10-30 CN CN200910209566A patent/CN101693512A/zh active Pending
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| CN104931741B (zh) * | 2014-03-19 | 2018-05-29 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 微探针及其制备方法 |
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