[发明专利]集成有运动传感器的纳米探针N/MEMS装置、方法和应用

说明书

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(Nano Probe Actuator)”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发明的研究是由美国国家科学基金会基于合作协议DMR 1120296进行资助的。美国政府对于在本申请中要求保护的发明具有权益。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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(electrostatic energy sustaining gap)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(meander spring)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。