專利名稱：微型加速度傳感器的制作方法
微型加速度傳感器
本發(fā)明涉及一種加速度傳感器，它響應(yīng)于外力并同時提供電信號。加速度傳感器本身隨經(jīng)受加速或減速的待測定系統(tǒng) 一起運動。
加速度傳感器是測量加速度的傳感器敏感元件，其測量作用于被測物的慣性力。因此，例如可以確定是否發(fā)生加速或減速以及速度增減多少。為了測量這樣的外部慣性力，使用了集成在運動系統(tǒng)中的傳感器。該傳感器隨系統(tǒng)一起運動，因而通常無需為測量運動而考慮外界固定點。
因而，每個加速度傳感器的核心件是這樣一個元件，它因外力而改變其眾多物理性能之一。如果加速度傳感器例如具有彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，則例如彈簧所懸掛的質(zhì)量的關(guān)于傳感器的一個固定點的位置可被考慮用于確定運動。
已知的加速度傳感器的技術(shù)解決方案依據(jù)各種不同的物理作用和
證明方法。已知的典型加速度傳感器如下所述
應(yīng)變片，它完成作用于被測物的力的確定，做法是借助應(yīng)變片測定固定點如桿的變形，該系統(tǒng)主要適用于低頻。
磁感應(yīng)，當掛于彈簧上的被測物運動時，磁體在線圏中感生電壓，類似于在電動傳聲器即電動話筒中。
微型化傳感器是比上述傳感器更精確、更敏感且更小型輕巧的傳感器。微型化傳感器主要是用壓電傳感器構(gòu)成或以微機電系統(tǒng)(MEMS)的形式構(gòu)成的
壓電加速度傳感器，壓電陶瓷傳感器片將動態(tài)壓力變化轉(zhuǎn)換成電信號，電信號能隨后被相應(yīng)地進一步處理。壓力變化由固定在壓電陶瓷上的"振動，，質(zhì)量產(chǎn)生并且在總系統(tǒng)加速時作用于壓電陶瓷。該系統(tǒng)例如將被用在轉(zhuǎn)輪平衡臺上，在這里，轉(zhuǎn)輪的每次失衡在壓電陶瓷中產(chǎn)生一個相應(yīng)信號。它在不到1秒的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)輪胎失衡。
一種因為經(jīng)濟而廣泛流行的傳感器依據(jù)MEMS技術(shù)。MEMS是由在襯底或芯片上的機械元件、傳感器元件、執(zhí)行元件和電路構(gòu)成的組件。MEMS依據(jù)半導(dǎo)體電子技術(shù)。基材或者說襯底一般是硅，但也可以是砷化鎵。微電子技術(shù)局限于電子元件，如晶體管(CPU)和電容器(RAM)。
4微系統(tǒng)技術(shù)擴充了機械元件、光學(xué)元件、化學(xué)元件和/或生物元件的樣式。
MEMS能被整合到硅技術(shù)當中，因而可以大量地成批制造和封裝。
過去幾年，基于MEMS的微型化加速度傳感器已取得越來越重要的意義，其中的"彈簧"只是幾pm寬的硅橋，而質(zhì)量也由硅制成。由于加速時的偏移，所以可以在彈性懸掛部分和靜止不動的參考電極之間測量電容變化?？偟臏y量范圍對應(yīng)于僅約為lpF的電容變化，因此必須將用于分析計算微小電容變化的電子元件集成在同一個半導(dǎo)體芯片上。為了制造該傳感器，質(zhì)量和小的硅彈簧或者說硅引線借助光刻技術(shù)由硅蝕刻而成。為了獲得懸空突伸結(jié)構(gòu)，位于其下的二氧化硅層同樣通過蝕刻被除去。
這種加速度傳感器的優(yōu)點是單件成本因批量生產(chǎn)而較低并且可靠性高。某些這樣的傳感器甚至能無損壞地經(jīng)受住高達測量范圍的上千倍的加速度。由于尺寸小，所以該傳感器的特點是測量速度快。因此，傳感器例如用于觸發(fā)車輛中的氣嚢。
加速度是一個機械參數(shù)，其在很多技術(shù)領(lǐng)域中扮演重要角色。小型傳感器的測量范圍從幾g(重力加速度)到幾十g,甚至幾百g,并且小型傳感器在很多情況下也非?？垢蓴_。精度大多在百分率或千分率范圍內(nèi)。
更精確但更大型的儀器目前提供遠超過百萬分之一的精度并且例如允許測量地球衛(wèi)星中的差分加速度。在采礦技術(shù)設(shè)備中，很早就利用加速度計來執(zhí)行罐籠控制，因為在這里， 一維測量系統(tǒng)就足夠了。對于火箭技術(shù)和車輛運動分析或汽車電子設(shè)備來說，同一類型的加速度測量也是必不可少的。
許多技術(shù)應(yīng)用場合需要三維全方位測量，例如在設(shè)備構(gòu)建中以控制
機械手，或者在空間行駛中。在這里，除了不易受溫度、振動和其它作用的影響之外，微型化也是一個重要前提條件?？墒牵绻婕暗氖窃谝粋€平面內(nèi)的運動，則許多應(yīng)用場合使用兩維傳感器就夠了 。
精密加速度計有時也用于測量地球重力場，參見重力測量學(xué)和坡度測量學(xué)，以及用于ESA衛(wèi)星GOCE。
加速度傳感器因此具有許多應(yīng)用可能性，在此只說明其中幾個例
子
借助加速度測量儀來測量線性加速度，測量建筑物和機器中的振動，車輛中的主動懸掛系統(tǒng)，
可動財產(chǎn)中的或作為觸摸傳感器的報警裝置，
貨物運輸中的損壞研究
振動和地震預(yù)警，
靜止系統(tǒng)中的傾斜度測量，尤其用在不可忽略與重力加速度相似的其它加速度的場合，有源揚聲器，
與回轉(zhuǎn)儀一起，用于飛機如直升機或UAVs的姿態(tài)控制或穩(wěn)定，
在移動電話領(lǐng)域，就是說在手機中，加速度傳感器允許各種各樣的控制器可行方案，
在醫(yī)療和護理領(lǐng)域，運動傳感器器發(fā)現(xiàn)病人何時一動不動了，相應(yīng)配備的報警器馬上招來醫(yī)療救護。
物體安保，傳感器記錄一個一般不應(yīng)運動的物體是否運動。例如，營地上的郊游居住車輛。在此情況下，如果運動了，也發(fā)出警報。
防摔保護，傳感器識別筆記本電腦是否落向地面。如果掉落，還將快速地使固定磁盤的讀取頭進入停留位，以避免數(shù)據(jù)損失。
監(jiān)測振動，傳感器也適于運輸昂貴的藝術(shù)品，以便能確定哪些在其旅途中遇到振動。
計算機鼠標，其到處起到以下功能運動傳感器可以記錄下鼠標運動，即使沒有背景的光掃描，這種運動甚至是在所有三個方向上。
從1988年起，博世制作出用于汽車的MEMS傳感器，迄今超過了400百萬件。這些傳感器必須在外界環(huán)境中例如在極端變化的溫度和振動的情況下在整個汽車使用壽命期間里可靠工作。來自汽車技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)的傳感器的研發(fā)和批量生產(chǎn)的經(jīng)驗促進了最新的相關(guān)傳感器創(chuàng)新的可靠性和耐用性。這些性能對用在日常裝置就是說消費裝置中的傳感器也有好處。加速度傳感器例如承受高達10000倍地心引力的加速載荷。
關(guān)于在目前的現(xiàn)有技術(shù)中對應(yīng)的加速度傳感器所涉及的缺點，如下所述
在這里，只與微型化傳感器比較，因為其它傳感器的性能差了許多。常見的微型化加速度傳感器的缺點如下
壓電傳感器無法用壓電加速度傳感器測量恒定加速度如重力加速MEMS: MEMS技術(shù)雖然可靠有益，尤其是大批量時，但是，需要 高精度和昂貴的成套設(shè)備。MEM S通常具有在單獨芯片上的獨立電子元 件。電子元件和納米加速度傳感器的集成雖可行，但復(fù)雜。
本發(fā)明提出以下任務(wù)，用低成本的簡單傳感器結(jié)構(gòu)代替技術(shù)復(fù)雜的 MEMS結(jié)構(gòu)。因此， 一方面考慮自組織化的納米絲作為慣性質(zhì)量和振動 系統(tǒng)，另一方面，磁性粒子和其它磁阻層系作為探測器單元。
因此，按照權(quán)利要求1的前序部分，本發(fā)明的主題是一種新的微型 傳感器，用于測量并求出物體、目標等的加速過程和減速過程，該微型 傳感器包括至少一個安置在彈簧件上且發(fā)散出場的慣性質(zhì)量、至少一個 對場強變化敏感的探測器以及一個指示單元，該微型傳感器可隨該物 體、目標等一起運動。該微型傳感器包括權(quán)利要求1的特征部分所述的 特征。本發(fā)明尤其基于納米絲和用于探測任務(wù)的MR探測器的組合。在 本發(fā)明中，慣性質(zhì)量由磁性材料構(gòu)成，彈簧由納米絲構(gòu)成。為了確定慣 性質(zhì)量的位置，本發(fā)明利用了對慣性質(zhì)量的漏磁場做出反應(yīng)的磁阻探測 器的阻抗變化。
關(guān)于在加速度傳感器領(lǐng)域的具體現(xiàn)有技術(shù)和與本發(fā)明的差別，提到 US6131457A，其公開了按照常見的MEMS技術(shù)的加速度傳感器的典型 布局，就象以上已作為現(xiàn)有技術(shù)加以敘述的那樣。
按照該美國文獻所采用的技術(shù)和本發(fā)明之間的非常主要且不能忽 視的區(qū)別在于
a) 根據(jù)上述美國文獻，其彈簧件明確地具有三維運動自由度，而按 照本發(fā)明的彈簧件即納米絲或在納米絲自由端上的質(zhì)量元件只有球體 運動自由度，因而沒有徑向運動自由度，就只有兩維運動自由度，這由 測量元件按照本發(fā)明的嶄新布局決定，
b) 按照該美國文獻，完全明確無疑地必須有至少四個相互分開的 探測器元件，而按照本發(fā)明，只在襯底上設(shè)置唯——個呈磁阻薄層形 式的探測器單元，
c) 按照該美國文獻所采用的探測器單元的制造方法截然不同于本 發(fā)明所采用的制造方法。按照該美國文獻，采用非常復(fù)雜的MEMS技 術(shù)，其中必須在一個單獨的平面上設(shè)置四個探測器，在與該平面間隔開 的、實際上在第一平面上方懸空的且可沿z方向彎曲的另一個平面上，
7必須使多個舌片等在x方向和y方向上被當時加速或減速的質(zhì)量帶動運 動，就是說，舌片運動在x方向、y方向和z方向即在所有三個空間方 向上完成。
按照該美國文獻的四個舌片2c在功能上大致對應(yīng)于本發(fā)明的納米 絲或單晶，而那里的銷4基本上對應(yīng)于在本發(fā)明納米絲的端部的粒子質(zhì) 量3。在按照該美國文獻所采用的MEMS技術(shù)中，如上所述，所述舌片 安置到一個基本上懸空的平面上。
還要強調(diào)，在MEMS技術(shù)中沒有采用單晶或納米絲的自組織化， 就是說沒有采用自生長，而在本發(fā)明中采用了這樣的自組織化或者說自 生長。但是，恰好是該自組織化允許得到本發(fā)明的全新理念，由此最終 得到在a)和b)中提出的、在US 6131457A所述現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明之間的 很主要的區(qū)別。
盡管如此，還是要指出，按照在此提出的美國文獻的傳感器只能按 照微米級規(guī)模制造，而本發(fā)明的技術(shù)本身是按照納米級實現(xiàn)的。
另夕卜，在這里要提到WO03/053851A2,該文獻尤其按照其權(quán)利要求 1和

圖12說明了一種借助微米絲測量彎曲力的裝置，但該裝置必然由壓 電材料制成。此時測量信號是由微米絲本身引起的電壓。
與本發(fā)明的不可忽^L的實質(zhì)區(qū)別如下所述
按照該國際申請，寫明由過渡族金屬氧化物構(gòu)成明確是壓電的納米 絲，而對于本發(fā)明的自生長納米絲或單晶來說必須避免這樣的材料，這
是因為本發(fā)明的目標是由明確是電中性材料構(gòu)成的納米絲或單晶。
按照該國際申請要采用的壓電納米絲的壓電效應(yīng)將對利用本發(fā)明 裝置的測量方法產(chǎn)生干擾，因而，預(yù)計實際上沒有結(jié)果。
d) 就是說，在上述的國際申請當中明確以壓電方式進行探測，而按 照本發(fā)明進行的是磁性變互作用的測量。
e) 就是說，在上述國際申請中指明納米絲本身起到探測器單元的作 用，而本發(fā)明的裝置以一個單獨的唯一磁阻層系的探測器單元來工作， 并且按照本發(fā)明，納米絲在此意義上起到轉(zhuǎn)接待測加速度或減速度的盡 是被動的元件的作用。
另外要提到WO 2005/038468 Al,該文獻描述一種原則上不同的加 速度傳感器變型，其通過探測發(fā)射電流來工作。
最后還要提到的EP1203749A1描述一種用于在場力顯微鏡中或者或許在質(zhì)"i普計上測量力的裝置。所述的結(jié)構(gòu)本身絕對無法測量加速度或 力。沒有規(guī)定一種就象按照本發(fā)明那樣促怎奈的集成結(jié)構(gòu)。作為可能的 附加探測器單元，在該文中提出了光學(xué)測量、利用電流測量的電子束和 表面聲波。
就是說，按照上述兩篇文獻的裝置和用其實施的測量方法的區(qū)別在 于本發(fā)明的基礎(chǔ)類型，其也具有其它著眼方向，例如如上所述地作為用 于按照非接觸工作模式的場力顯微鏡的傳感器元件。
根據(jù)權(quán)利要求2的規(guī)定，納米絲是從探測器襯底中向上長出來的。 自組織化被定義為用于形成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物理原理，其被定義為可逆過 程，在此可逆過程中，已經(jīng)存在的部分(例如分子)本身自動疊積成更復(fù) 雜的結(jié)構(gòu)或者圖案[IO]。 一個典型的例子是由相應(yīng)分子構(gòu)成的納米絲在 氣相沉積中自組織化，此時存在催化劑或者起催化作用的微粒。
權(quán)利要求3指出 一 種在生長晶芽下方形成納米絲的優(yōu)選方式，晶芽 本身最終形成在單晶末端上的漏磁場質(zhì)量。
權(quán)利要求4給出了納米絲的優(yōu)選部位，磁性涂層或者磁性納米粒子 設(shè)置在此部位，還給出了就獲得盡量高的信號強度的意義上的優(yōu)選材 料。
從權(quán)利要求5中知道了一種有利設(shè)置用來形成磁場探測層的材料。 關(guān)于納米絲的有利形成方法，參見權(quán)利要求6。 關(guān)于磁性納米粒子在單晶或納米絲上的結(jié)合所涉及的內(nèi)容，權(quán)利要 求7給出了詳細答復(fù)。
權(quán)利要求8提出了用于在納米絲上施加磁性涂層的優(yōu)選技術(shù)。 權(quán)利要求9給出了在本發(fā)明范圍內(nèi)優(yōu)選的納米絲材料。 從權(quán)利要求10中知道了磁場探測層相對納米絲結(jié)構(gòu)的一種有利布局。
權(quán)利要求11也涉及一種有利的新型加速度傳感器的形狀，確切地 說涉及與磁場探測層相關(guān)的納米絲結(jié)構(gòu)和角度安置。
從權(quán)利要求12和13中分別知道一種非常有效的、形成探測器襯底 或者該襯底所攜載的磁場探測層的方式以及帶有磁性納米粒子的"彈 動"的納米絲的結(jié)構(gòu)。
利用根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器，可以得到人們所期望的盡量高的 信號強度和高精度，即便是在所有三個空間方向上都發(fā)生加速或減速
9時。
結(jié)合附圖來說明本發(fā)明
圖la-lc表示三個不同的、但基本上同類型的信號發(fā)生式加速度傳
感器，其具有按照本發(fā)明的筒單結(jié)構(gòu)，此外，上述附圖還簡單示出磁性
元件與探測層通過漏磁場相互作用的、所依據(jù)的傳感器原理，圖2a-2e 表示帶有磁性納米粒子和磁場探測層的單晶或納米絲的不同相對布置
結(jié)構(gòu)，圖3a-3c表示對于一維、兩維和三維的加速過程和減速過程敏感 的新型傳感器的復(fù)雜實施例。
理。納米絲2起到可彎曲的彈簧的作用，其本身可以在納米絲2和附在 上面的磁性納米粒子3的慣性質(zhì)量的載荷下彎曲。此外，磁性納米粒子 3有利地固定在納米絲2的上自由端22,但也可以沿納米絲2的任何其 它位置來固定。納米絲2和磁性粒子3共同構(gòu)成慣性質(zhì)量tm。慣性質(zhì)量 tm的位置改變將通過由其發(fā)出的漏散場mf來測定。漏散場由用于制造 納米絲2和/或納米粒子3的磁性材料所產(chǎn)生。磁性漏散場由磁阻探測器 或者說這樣一種探測器4測到，該探測器緊挨著納米絲2。磁阻探測器 4有利地借助薄層方法形成在襯底5上。
如果慣性質(zhì)量tm就是說納米絲2和納米粒子3的結(jié)合體的位置改 變，則探測器4中的漏散場信號的強度也變化。變化強度取決于慣性質(zhì) 量tm和探測器4的相對運動方向。沿連接直線的間距變化產(chǎn)生最大的 信號變化并且按照乘冪定律以2-3的冪數(shù)變化。由此，可以推導(dǎo)出對
圖la表示以一端21與襯底5或探測層4相連的且從探測層斜向上 長出的單晶或納米絲2是如何從一個隨目標一起運動且涂有磁場探測層 4的探測器襯底5中以銳角a向上突出的，單晶或納米絲在其自由端22 上載有產(chǎn)生永久漏》茲場ms的納米粒子3。
如果例如出現(xiàn)了目標且進而襯底和^:測層4向左加速運動，則在納 米絲2向右略微彎曲且進而磁性納米粒子3也向右運動的情況下，該系 統(tǒng)移入漏磁場的下方，這種輕微的但重現(xiàn)性強的運動在磁阻涂層4中造 成其電阻的變化。電阻變化被探測單元7記錄下來并且可能被放大，最 終被繼續(xù)傳輸給存儲器單元、指示單元和/或輸出單元8。
新型加速度傳感器1的特殊優(yōu)點在于，其以最微型化的行駛存在并且優(yōu)選本身能以其磁阻層4作為 一個探測電子裝置尤其是芯片的整體組 成部分，這允許其納米結(jié)構(gòu)。
圖lb表示一種加速度傳感器1,其具有斜向長出襯底5之外的且隨 后向上彎向垂線的納米絲2，納米絲帶有磁性納米粒子3,還用雙箭頭 表示該傳感器在加速或減速時的運動，在其中的加速運動時預(yù)期產(chǎn)生相 對低的信號，按照圖lc,設(shè)有一根從襯底5上陡然長出的納米絲2，但 是，該納米絲朝向磁阻層4向下游彎曲，在加速時會產(chǎn)生相對高的或者 說高的信號。
圖ld表示傾斜的單晶或納米絲2，而在其端部沒有單獨的質(zhì)量，不 過它在那里配有磁性涂層3'。
在附圖標記在其它方面都一樣的情況下，圖2a-2e表示利用大致居 中的磁場涂層4和垂直長出的納米絲2、在垂直長出的納米絲2的邊緣 上的上述涂層4、同樣垂直向上伸出的但在留有間距a的情況下被磁阻 層4包圍的納米絲2的測量原理和位置,還示出了以銳角a從襯底5向上 伸出的納米絲2 ,其以間距b位于磁場探測層4旁以及終點在磁場探測 層4中。
在附圖標記在其它方面都一樣的情況下，圖3a表示大致帶有溝槽 51的襯底5，其中溝槽51的側(cè)面52涂有磁場探測層4,從另一個在此 不帶探測層的側(cè)面52,在此垂直地且大致平行于側(cè)面51地伸長出帶有 納米粒子3的納米絲2 ，結(jié)果，得到了高度靈敏的、至少一維的加速 度傳感器1。
在根據(jù)圖3b的傳感器1中，多個豎立的納米絲2按照例如規(guī)則的 排列從襯底5或者說其磁場探測層4中垂直伸長出，借此提供一個很靈 敏兩維加速度傳感器。
在根據(jù)圖3c的傳感器1中，襯底5形成有多個在這里是3個線性 結(jié)構(gòu)化布置的"隆起"55,在其最高點551的前面各自垂直伸出一根納 米絲2?，F(xiàn)在，左側(cè)的第一隆起55上沒有其它納米絲，而中央的隆起 55形成有兩個隆起側(cè)面552和553,它們各自有垂直突出的納米絲2, 最后，右側(cè)的隆起55只有一個從右側(cè)側(cè)面553伸出的帶納米粒子3的 納米絲2。
圖3c所示的傳感器尤其適用于很有效地測量確定在所有空間三維 上的加速過程和減速過程。
ii補充上述實施例地還要注意以下方面
就是說，圖l和2表示垂直伸出和傾斜伸出的納米絲2的作用，此 時假定探測器4的走向平行于薄層狀襯底5的表面。傾斜伸出的納米絲 2具有垂直于探測器4的振蕩分量，由此在一個震蕩周期里產(chǎn)生漏散場 分量的顯著變化。圖2a-2e表示納米絲2連帶磁性粒子3相對探測器4 的一系列定位可能性。
磁性粒子3可以由鐵磁材料或順磁材料制成。磁化的鐵磁納米粒子 3固有產(chǎn)生漏磁場ms。為了加強漏磁場，可以附加一個外部的恒定均勻 的磁場。這樣的磁場對于順磁或超順磁粒子是可靠有 一"的或者說必需 的。對于放置磁性納米粒子3，按照本發(fā)明提出三種優(yōu)選可行方案，在 此要強調(diào)，完全存在其它可行方案
為了納米絲2的生長，采用由鐵磁材料或順磁材料構(gòu)成的晶芽，其 最后落位在納米絲2的尖上，本身能產(chǎn)生漏磁場ms。磁性材料可借助 常見的平版印刷法和涂覆法被事后有目的地施加在納米絲2上。此時的 缺點在于所需要的附加工藝步驟。
磁性粒子可以通過適當?shù)慕Y(jié)合點被附接在納米絲或晶芽上。這例如 能以溶液行駛完成在外表面上具有特定結(jié)合點的溶解的磁性納米粒子 3在接觸到納米絲2或晶芽的表面時與之結(jié)合。典型的磁性粒子3的結(jié) 合例如通過硫醇結(jié)合成晶芽的金表面。
在襯底表面上制作磁阻探測器最好借助成膜方法和平版印刷技術(shù) 來完成。為此優(yōu)選較新的石茲阻效應(yīng)例如巨石茲阻效應(yīng)GMR和隧道》茲阻效 應(yīng)TMR，因為它們提供高許多的信號振幅。
根據(jù)納米絲2和磁阻探測器4的定位和取向的不同，出現(xiàn)新型加速 度傳感器1的不同的維度。通過適當調(diào)整納米絲2的生長條件和預(yù)定的 襯底形貌5,不僅可以制作出一維敏感的加速度傳感器1,而且可以制 作出兩維和三維敏感的加速度傳感器1。按照本發(fā)明設(shè)置的、納米絲2 和磁探測器的組合體允許唯一地得到很符合期望的傳感器設(shè)計。圖3a-3c 表示一維、二維和三維的傳感器1的實施方案的例子。
圖3a中的狀況表示一種一維傳感器1的一個可能布置方式的例子。 平行于納米絲2的力沒有作用，因為納米絲2太硬。平行于探測層4的 就時說朝向紙面的力沒有提供信號變化，因為作用于傳感器4的漏散場 作用保持不變。垂直于探測層4的單獨的運動和力用最大信號振幅來測量。
如圖3b所示，從探測層4垂直突出的納米絲2可以在兩維上運動。 這意味著，只能確定在一個平面里的力。根據(jù)圖3b的這樣一個傳感器 是兩維各向同性的。
圖3c表示其中一種可行的、但非常簡單的三維傳感器1的變型。 在此，在所有三個空間方向上的所有力導(dǎo)致探測器做出響應(yīng)。傳感器1 是非特定用于各方向的。不過，在任何一個方向上的每次加速會遇到一 根對應(yīng)的納米絲2,其垂直于探測層4地運動并且由此能發(fā)出信號。
應(yīng)注意如下所述的本發(fā)明所涉及的優(yōu),* :
成本因素，該新型加速度傳感器的制造包括簡單的工藝步驟，與制 造傳統(tǒng)的這種傳感器相比，這些工藝步驟的成本低廉了許多。因此， 該新型產(chǎn)品具有重要的成本優(yōu)勢。
傳感器多樣性，通過簡單改變納米絲的幾何形狀，可以無需改變制 造工藝而目的明確地調(diào)整傳感器性能，使之精確匹配于當時的任務(wù)。原 則上的布局保持不變。特別是共振頻率和頻率特性可被預(yù)先調(diào)整，也可 以相互組合。
組合性，本發(fā)明的傳感器可以簡單地與其它電子元件或者傳感器元 件相組合。
移動性，本發(fā)明適用于廣闊的應(yīng)用范圍。技術(shù)實施結(jié)構(gòu)非常小而輕， 耗用少量電能，因而尤其注定用于裝入電池驅(qū)動型儀器種。 輻射強度，這些獨立元件耐微粒和電子輻射。
韌性，該新型傳感器適用于壓力傳感器和旋轉(zhuǎn)傳感器之外的其它應(yīng) 用場合，因此開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。 關(guān)于/f茲阻的文獻 S. A. Wolf et al..Science 294. 1488 (2001) H. Briickl, M. Brzeska, D. Brinkmann, J. Schotter, G. Reiss, W. Schepper, P.B. Kamp, A.Becker, "Magnetoresistive logic and biochip", J. Magn. Magn. Mater. 282, pp. 219, 2004. H. Briickl， M. Panhorst， J. Schotter， P.B. Kamp, A. Becker, "Magnetic particles as markers and carriers of biomolecules", lEErfindung Proc.-Nanobiotechnol.152, 41 (2005) Nanodmht: R.S. Wagner, W.C. EfMs, Appl.Phys Lett. 4(5), 89 (1964)[5] I. G麗g謂，J.CrystGrowth 3，20 (1975) J. R. Health, F. K. LeGoues, Chem. Phys. Lett. 208, 263 (1993); T. J. Trentler, K. H. Hickmann, S. C. Goel, A. M. Viano, P. C. Gibbons, W. Erfindung Buhro, Science 270, 1791 (1995) J. Westwater， D. P. Gosain, S. Tomiya, S. Usui, H. Ruda,丄Vac. Sei. Techn. B 15 554 (1997) A. M. Morales, C. M. Ueber, Science 279, 208 (1998); D. P. Yu, C. S: Lee, I. Bello, X. S. Sim, Y. H. Tang, G. W. Zhou, Z. G. Bai, Z. Zhang, S. Q. Feng, Solid State Commun. 105, 403 (1998) X. T. Zhou, N. Wang, H. L. Lai, H. Y. Peng, I. Bello, N. B. Wong, C. S. Lee, Appl. Phys. Lett. 74, 3942 (1999) G. M. Whitesides, J. P. Mathias, CT. Seto, "Molecular self-assembly and nanochemistry - a Chemical strategy for the synthesis of 腦os加etures", Science 254, 1312 (1991)
1權(quán)利要求
1. 一種用于測量并求出物體、目標等的加速過程和減速過程的微型傳感器，該微型傳感器包括至少一個安置在彈簧件上且發(fā)出場的慣性質(zhì)量、至少一個對場強變化敏感的探測器以及一個指示單元，并且該微型傳感器可隨該物體、目標等一起運動，其特征在于，該微型傳感器(1)包括至少一個基本上成桿狀的、特別是通過自組織化構(gòu)成的彈簧件，該彈簧件由電中性材料制成的單晶或納米絲(2)構(gòu)成，該單晶或納米絲以一端同隨物體、目標等一起運動的探測器襯底(5)相連和突出于該探測器襯底，該單晶或納米絲至少在沿其延伸長度(E)的有限區(qū)域內(nèi)，優(yōu)選在其自由端(22)上或其附近區(qū)域內(nèi)具有一個發(fā)出永久恒定的漏磁場(ms)的、只能沿一個球的表面運動的涂層(3′)、這樣的質(zhì)量、這樣的納米粒子(3)等，其中所述球的中心總是位于單晶或納米絲(2)的初始點或者說結(jié)合端(21)上，其中所述單晶或納米絲(2)以及漏磁場涂層或漏磁場質(zhì)量(3′，3)共同構(gòu)成該慣性質(zhì)量，并且在該單晶或納米絲(2)的結(jié)合端(21)的鄰近區(qū)域內(nèi)，總是設(shè)有唯一一個連貫的磁場探測層(4)、尤其是由磁阻材料構(gòu)成的唯一一個這樣的層(4)，但最好是，一起運動的襯底(5)配有這樣一個層(4)，該層本身最好作為傳感器元件構(gòu)成一個微型磁場探測單元(7)的組成部分、零件等。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型傳感器，其特征在于，該單晶或納米 絲(2)通過自組織化生長而直接由探測器襯底(5)構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微型傳感器，其特征在于，磁性納米 粒子(3)本身構(gòu)成用于單晶或納米絲(2)的生成或者說長大的晶芽，并且以 其自由端(22)高出襯底(5)或者說其磁場探測層(4)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一所述的微型傳感器，其特征在于，在納米 絲上或者在其自由端(22)的附近區(qū)域中磁性涂層(3，)或者設(shè)置在那里的 納米粒子(3)用或由順磁材料或鐵磁材料構(gòu)成，最好用或由純鐵磁體例如 Fe、 Co、 Ni或上述元素的氧化物如Fe304 (磁鐵礦)構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4之一所述的微型傳感器，其特征在于，該磁場 探測層(5)通過薄層系、尤其通過具有巨磁阻效應(yīng)RMR的例如Cu/NiFe 系或具有隧道^f茲阻效應(yīng)TMR的多種層構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-5之一所述的微型傳感器，其特征在于，該單晶或納米絲(2)通過在包含單晶或納米絲材料的氣相或液相中在設(shè)置于探 測器襯底上的晶芽顆粒且最好是由磁性材料構(gòu)成的納米粒子(3)的下方在該探測器襯底(5)上完成生長而構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6之一所述的微型傳感器，其特征在于，磁性納 米粒子(3)通過化學(xué)結(jié)合被結(jié)合至單晶或納米絲(2)上，尤其是其自由端 (22)上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-5之一所述的微型傳感器，其特征在于，單晶或 納米絲(2)的磁性涂層(3 ，)借助蒸鍍法或平版印刷法被涂覆在該單晶或納 米絲上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l-8之一所述的微型傳感器，其特征在于，該單晶 或納米絲(2)是用或者說由硅或砷化鎵構(gòu)成或者本身由磁性材料構(gòu)成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l-9之一所述的微型傳感器，其特征在于，該磁 場探測層(4)按照以下方式被施加在該探測器襯底(5)上，圍繞該襯底所攜 載的單晶或納米絲(2)地間隔 一段距離(a)或者沒有間隔距離，或者其本身 設(shè)置在上述層(4)的邊緣上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l-10之一所述的微型傳感器，其特征在于，必要 時被制成彎曲形的單晶或納米絲(2)按照與90度不同的角度(a)相對探測 器襯底(5)的表面或者其磁場探測層(4)安置。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的微型傳感器，其特征在于，探測 器襯底(5)形成有多個、尤其相互平行延伸的溝槽、峰谷(51)等，其一個 側(cè)面(52)上突伸出該單晶或納米絲(2),其另一個側(cè)面(53)上分別載有該 磁場探測層(4)。(圖3a)
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的微型傳感器，其特征在于，它具 有許多個、有可能按照有規(guī)則的柵格順序從探測器襯底(5)或磁場探測層 (4)上以可能相對其表面為直角的角度(a)彼此相互平行定向地突伸出來 的單晶或納米絲(2)。(圖3b)
14. 根據(jù)權(quán)利要求1-13之一所述的微型傳感器，其特征在于，探測 器襯底(5)具有許多個、最好按照柵格形式排列的、帶有該磁場探測層(4) 的凸起(55)、隆起、突舌等，帶有磁性涂層(3，)或帶有磁性納米粒子(3) 的單晶或納米絲(2)最好以基本上垂直于那里的表面的方式分另'j從所述 凸起、隆起、突舌等的最高點或者說頂點(551)和從其側(cè)面(552,553)突伸 出來。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于探測加速過程和減速過程的微型傳感器，其特征是，它包括至少一個桿狀彈簧件，其由納米絲(2)構(gòu)成，以一端(21)與探測器襯底(5)相連并且伸出該探測器襯底之外，該彈簧件最好在其自由端(22)上有涂層(3′)，該涂層發(fā)出永久漏磁場(ms)，或是有此類型的納米粒子(3)，其中納米絲和漏磁場場涂層或者該質(zhì)量共同形成慣性質(zhì)量，并且還包括磁場探測層(4)，其例如由磁阻材料構(gòu)成，并且布置在納米絲(2)連接端(21)的附近，該襯底最好具有這樣一個層，該層優(yōu)選對其局部而言作為傳感器元件地構(gòu)成一個磁場探測單元(7)的一個組成部分。
文檔編號G01P15/105GK101501504SQ200780029327
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者H·布魯克爾, M·卡斯特 申請人:奧地利研究中心有限責(zé)任公司