CN101657729A - 具有接触探测器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测测试样品表面区域电学性能的探针。所述探针位于与所述测试样品相应的特定方向内。所述探针包含确定第一表面的支撑体，可从与第一表面共面的支撑体延伸的多个悬臂(12)。所述多个悬臂(12)可基本上彼此平行地延伸，且所述多个悬臂(12)的每一个包含将相对于测试样品表面的所述探针移动到所述特定方向来接触所述测试样品区域的电导体端部。所述探针还包括从支撑体延伸的接触探测器(14)，使得在进行上述移动时，所述接触探测器(14)先于接触所述测试样品所述表面的多个悬臂(12)的任一个之前接触所述测试样品的所述表面。

Description

具有接触探测器的装置

技术领域

本发明涉及一种测定测试样品电学性能的探针，进一步地涉及一种测定测试样品电学性能的方法，更进一步地涉及一种测定测试样品电学性能的系统。

背景技术

如US2004/0056674、US2002/153909、WO2005/124371、US5266801、US6621080、US5907095、US6953519、US6148622和JP2006/284599中已公开了测定测试样品电学性能的探针、方法和系统。上述所有的美国专利公开文本均被引用，通过引用并入本说明书中。

在使用具有一个或多个向外延伸的悬臂的探针时，将探针放入测试样品表面的预定部分内与其接触时，常常会出现悬臂表面受损的现象。假设的情况是测试样品的表面基本为平面且测试探针最好地保持在对准测试样品相应表面的方向上。实际上，该表面可能具有凸块、沉积物、凹槽、孔或其他可能损毁或造成探针大面积毁坏的缺陷或瑕疵。而且，探针常常安装在测试设备或系统的容器内，而测试样品安装在相应的测试样品容器内。如果探针不与相应的测试样品表面重合，探针朝向探针表面的移动可能会毁损一个或多个探针臂。

由此，本发明的发明目的是提供一种能获得测试样品电学性能的方法，且探测测试样品表面时能限制或避免对探针造成毁损。本发明的另一个目的是提供一种能测定测试样品电学性能的探针，且该探针包含接触探测器。本发明的又一个目的是提供一种能测定测试样品电学性能的系统，其中该系统使用本发明所教导的探针。

JP2006/284599中公开了一种测试电路电学性能的装置。该装置包括从支撑体同向延伸的多个悬臂梁。该多个悬臂梁具有两个不同的长度，其中长悬臂梁用作接触探测器，短悬臂用于测量测试样品的电学性能。同时，JP2006/284599公开了一种长悬臂梁中压阻材料的电子通路(electrical pathway)，且该长悬臂能生成指示接触测试电路的偏移信号。

当电阴值随着提供的机械压力改变时，压阻效应取决于外受力和压阻材料的几何形状。已知电阻值相对于外受力的变化是非线性的。同样已知的，在非常好的环境下，作为结果的探测信号中相应的非线性能通过电学或数字组件进行补偿。

但是，基于悬臂梁或柔性臂的接触探测器和压阻材料之间存在干扰的问题，这和外受力的方向性有关。作用力的方向和大小对探测信号产生影响，这意味着从单一的探测信号中不可能分辨这两个参数。也就是说两种不同大小和方向的作用力会得到相同的探测信号。

当沿法线探测两个平坦测试表面的距离时，其中一个表面是光滑的，另一个表面是不平坦的且具有凹槽和凸块的，即使柔性臂沿法线的偏差是相同的，探测信号也可能不同，因为在表面中的不平坦面可能存在由凹槽和凸块导致的分力，而光滑面不存在该分力。这可能导致接触探测器从先前的校准中给出显示用于测定电学性能的悬臂梁与与测试样品接触的信号，即使不是这种情况。很明显，如果让接触探测器对垂直于平面法线的作用力敏感，则能改进距离测量及测试样品相关的电学性能测定的准确性。

因此，本发明的另一个目的是提供一种能更好地测定到测试表面距离的接触探测器，其在接触探测器柔性臂的电学通路(electrical pathway)中部分避免使用压阻材料。

发明内容

本发明可获得上述发明目的，其中第一方面涉及一种测定测试样品表面区域电学性能的探针，该探针位于与测试样品相应的特定方向内，其包括：

确定第一表面的支撑体；

从与所述第一表面共面的支撑体延伸的多个悬臂，所述多个悬臂彼此大致平行地延伸，所述多个悬臂的每一个包括一个电传导的端部，所述端部通过将与测试样品表面相应的探针移动到所述特定方向内以接触所述测试样品的所述表面，以及

从所述支撑体延伸的接触探测器，所述接触探测器设置成进行上述移动时在接触所述测试样品所述表面的所述多个悬臂的任一个之前或同时接触所述测试样品的所述表面，其中所述接触探测器是一个应变计式传感器，包括：

在自身基座处分成两个锚臂的柔性臂，以及从其中一个锚臂传输到柔性臂并由另外一个锚臂传输回来的非压阻材料的电学通路。

在本发明的说明书中，“压阻”按照压阻的一般含义定义如下：在长度为1的导线中，机械应力作用时或变形时该导线沿导线轴向的电阻率会显示出不同的变化，定义为：

$\frac{\mathrm{dR}}{R}=(1+2v)\frac{\mathrm{dl}}{l}+\frac{\mathrm{d\ρ}}{\mathrm{\ρ}},$ ${\mathrm{\ϵ}}_l=\frac{\mathrm{dl}}{l}$

其中为R为电阻值，ρ为电阻率，v为泊松比。

在此基础上，应变系数定义如下：

该应变系数包括两个部分。第一部分为第二部分为(1+2v)。

第一部分表示压阻效应，第二部分表示几何效应。

在本发明的文本中，认为材料是具有压阻效应的压阻材料，如第一部分相对于第二部分为主要的，如相对于几何效应，而认为材料是具有第二部分效应的非压阻材料，如几何效应相对于第一部分为主要的，如相对于压阻效应。

一般而言，大多数金属具有低应变系数，一般约为2，还具有低压阻效应。本发明的文本中使用的相关金属为镍、金、钌、钛、铜、铝、银、钴、铬、锰、铁、铂及其合金。

本发明文本中使用的相关压阻材料为半导体材料，其一般具有数值约为200的应变系数，相关的半导体材料的示例有p-n型锗、p-n型锑化铟和p-n型硅。

本发明优选实施例中的支撑体、悬臂和接触探测器都采用相同的原材料制成。例如：由同一块半导体材料制成，优选材料为硅。悬臂和接触探测器可采用蚀刻、光刻或其他方法来形成。

在本发明改进的一个实施例中，悬臂具有多边形的横截面，例如基本为方形的横截面。所述支撑体的第一表面优选为平面或基本为平面。悬臂的每一个优选为在第一表面的主平面内或在平行于第一表面的平面内。

悬臂优选为彼此分离放置。相邻悬臂间的间隔优选为全部相同。在可选实施例中，该间隔可以不同，如：在一个间隙中。本发明优选实施例中与悬臂纵向垂直方向上的间隔。

在本发明的优选实施例中，每个悬臂包含一个电导体端部。同时，每个悬臂包括用于在端部和包含信号产生器和/或信号探测器的测试设备之间建立电通信的导电路径。所述末端与测试样品表面区域相接触，从而测定其电学性能。

采用根据本发明第一方面的探针的优选方式可由设备来实现，其中探针安装在可移动的容器内且移动到与测试样品接触的表面内。将所述探针放入容器中，使得电导体末端能几乎同时与测试样品的表面接触。但是，所述探针可能会在容器内错位或被略微错误地放置，或者容器可能存在与先前测量的刻度值相应的偏差，或任何其他原因。优选地，测试样品也安装在容器内。放置测试样品的容器优选地是不能移动的。测试样品的位置也可能是使与测试样品相应的探针产生偏移的原因。

如果探针和测试样品具有与预期不同的相应位置，探针相对于测试样品的移动可能导致悬臂的损坏，比如悬臂离所述表面比预期的近。而且，如果测试样品的表面具有材料的残留物或其他不希望的表面缺陷时，悬臂也可能被损坏。根据本发明教导的探针的使用，其中具有接触探测器的探针相对于没有这样的接触探测器的探针具有很大的优势。

在本发明的优选实施例中，接触探测器包含一个应变计式传感器。该应变计有时相应为应变片。该应变计是基于一些材料变形时电学性能发生变化而产生的影响的，如：受到应力而产生变形。应变计能用于将应力、压力、张力和/或重力的变化转换成电阻值的变化，然后对其进行测量。作为一个技术术语，“应变”包括拉张应变和压缩应变，通过正号或负号来区分。因此，应变计可用于测定扩张和压缩。

当探针放入并与上述测试样品的表面接触，且接触探测器包括上述传感器组件之一时，该传感器或传感器组件可以探测接触探测器的偏移、弯曲或变形。接触探测器的变形或偏移可表示探针接近或位于测试样品的表面。同样，也可表示探针，尤其是悬臂接近该表面和/或一个不理想的表面缺陷。

进一步地，该探针还可以包括探测接触探测器中信号变化的电学探测电路。

在本发明优选的实施例中，接触探测器可以是一个自由悬臂，且可以通过测量自由悬臂的偏移来探测样品的表面。然后接触探测器可以通过悬臂的偏移来显示表面或表面缺陷的存在。偏移度数也可以由探针臂和表面缺陷之间的作用力来表示。

在本发明的一个实施例中，电学探测电路包括惠斯登电桥或选择为四线欧姆电路。惠斯登电桥可用于测量应变计中电阻值的变化，从而对接触探测器柔性臂的偏移进行测量。任何其他用于测定电阻值或电阻值变化的电路都可以使用。

根据本发明的教导，接触探测器可以从与多条悬臂相关的特定角度延伸。如上所述，该多条悬臂从支撑体以大致平行的方向延伸。接触探测器优选为也从支撑体延伸，也可以在特定夹角的方向内延伸，该特定夹角为平行延伸的悬臂定义的方向和接触探测器之间所定义的夹角。在根据本发明的第一方面的探针的特定实施例中，该特定夹角可以是0度、45度或90度。0度时，接触探测器沿与多个悬臂基本平行的方向延伸。90度时，接触探测器沿与多个悬臂基本垂直的方向延伸。接触探测器和悬臂定义的夹角可以在0到180度之间任意选择。该夹角优选为位于与支撑体的第一表面相同的平面内。

在本发明的另一个优选实施例中，每个悬臂可从所述支撑体延伸以定义第一长度。所述接触探测器可从所述支撑体延伸以定义不同于第一长度的第二长度。在另一实施例中，第二长度可长于第一长度。在一可选实施例中，第二长度可短于第一长度。每个悬臂在特定长度间隔内定义长度。该特定长度间隔优选为比悬臂的平均长度窄。但是，在某些实施例中，悬臂可具有更大变化的不同长度。例如：多个悬臂可分割成两组或多组，其中每组在一组长度间隔内定义长度，且每组长度间隔不同。同样的，接触探测器也可分成多组，其中每组具有相同的间隔。

为了得到接触探测器电阻值明显变化，自由分臂优选为定义分臂孔径，该分臂孔径沿接触探测器的纵向定义分臂长度，其中分臂长度有利地构成了接触探测器总体长度的特定百分比，如10-99％、15-75％、20-30％、25-40％或选择10-15％、15-20％、20％-25％、25-30％、30-35％、35-40％、40-45％、45-50％、50-55％、55-60％、60-65％、65-70％、70-75％、75-80％、80-85％、85-90％、90-95％、95-99％。

本发明基本涉及小尺寸的探针，由此所述第一长度和/或所述第二长度优选约为1μm-1000μm，如2μm-500μm，例如5μm-100μm，或选择为1μm-5μm、5μm-20μm、25μm-50μm、50μm-75μm、75μm-100μm、100μm-150μm、150μm-200μm、200μm-300μm、300μm-500μm、500μm-1000μm。

可以预见接触探测器定义的长度大于最长的悬臂长度的实施例具有尤佳的优点。在这些实施例中，可以预见接触探测器在悬臂的任一个之前到达所述表面。

在另一个实施例中，多个悬臂具有共同表面。由悬臂定义的共同表面优选为平行于所述支撑体的所述第一表面定义的平面。在一个可选实施例中，所述悬臂没有共同表面，例如：悬臂位于所述支撑体的所述第一表面法线的方向内。

在一个优选实施例中，所述接触探测器可放置在第二平面上，所述第二表面在所述共同表面内或，可选择性地，所述第二表面在平行与所述共同表面的平面内。所述接触探测器的表面被放置以使悬臂的共同表面和接触探测器的平面间限定一距离，其中该距离沿两平行平面的共享法线测量。

一般而言，所述探针采用微机电系统(MEMS)或纳米电机系统(NEMS)制造技术制成。根据本发明教导的探针可采用用于生产微元件或纳米元件的任何技术，或其他用于生产机器细微元件的技术制造。

在本发明的优选实施例中，接触探测器位于两个悬臂之间。在其他实施例中，悬臂可紧挨放置，且接触探测器与多个悬臂以一定距离间隔放置。在一个优选实施例中，悬臂和接触探测器可与位于接触探测器任一边的两个悬臂放置在同一结构中。

在其他实施例中，所述探针包括两个平行放置的接触探测器，以使所述多个悬臂位于所述两个接触探测器之间。可选择地，多组悬臂可与位于每组悬臂间的接触探测器顺序放置。每组中的悬臂数量很少。需要注意的是空的组和只包含一个元件的组也包含在组的定义内。更一般地，悬臂梁和接触探测器的任意组合都可以满足特定的测试情况。

相据本发明第一方面的探针的优选实施例中，包含具有惠斯登电桥的所需探针的变形，包含接触探测器的惠斯登电桥的一个分支还包含另一个接触探测器，其包含被所述支撑体掩盖以防止所述参考探测器与所述测试样品的所述表面接触的参考探测器。通过提供所述惠斯登电桥的第一分支的两个电阻，其中第一分支包含所述接触探测器，将所述接触探测器复制成虚拟电阻或参考电阻，能确信的是所述惠斯登电桥的第一分支的所述两个电阻在一定程度上具有相同的结构和相同的物理特性，如相同的电阻率。具有接触探测器的惠斯登电桥的第一分支的两个电阻间的相同点使得在生产探针的过程中还需要考虑同步骤放置两个电阻、简化生产包含惠斯登电桥回路的集成探针的工艺。

为了提高惠斯登电桥的灵敏度，优选的是所述惠斯登电桥的第一分支的电阻值小于所述第二分支的电阻值，所述第一分支包括接触探测器并可选择性地具有经接触探测器复制成的参考探测器，所述第二分支包括参考电阻，该参考电阻通过向所述第二分支提供大于所述第一分支阻值的电阻来获得增加或改进的灵敏度。因此，优选实施例相应地包括与第二分支相比具有更低电阻值的第一分支，所述第一分支的电阻值至少是所述第二分支电阻值的两倍，优选为至少小于所述第二分支的阻抗的一个10的数量级(one order of magni tude of power of 10)。

本发明的第二方面涉及一种获得测试样品电学性能的方法，该方法包括：

提供所述测试样品、所述测试样品限定测试表面；

提供包括用于测定测试样品表面区域电学性能的探针的测试设备，所述探针位于相对于所述测试样品特定角度内，所述探针包括：

确定第一表面的支撑体；

从与所述第一表面共面的支撑体延伸的多个悬臂，所述多个悬臂彼此大致平行地延伸，所述多个悬臂的每一个包括一个电传导的端部，所述端部通过将与测试样品表面相应的探针移动到所述特定方向内以接触所述测试样品的所述表面，以及

从所述支撑体延伸的接触探测器，所述接触探测器设置成进行上述移动时在接触所述测试样品所述表面的所述多个悬臂的任一个之前或同时接触所述测试样品的所述表面；

所述设备进一步包括电连接到所述探针电导体端部的电信号发生器，

电连接到所述接触探测器的接触探测电路，

相对于所述测试样品的所述表面移动所述探针，监测所述接触探测电路以标示所述接触探测器与所述测试样品的所述表面接触的状态，其中所述接触探测器是一个应变计式传感器，包括：

在自身基座处分成两个锚臂的柔性臂，以及从其中一个锚臂传输到柔性臂并由另外一个锚臂传输回来的非压阻材料的电学通路。

因此，本发明第二方面涉及一种使用根据本发明第一方面的探针来测量、测定或获得测试样品电学性能的方法。

所述方法包含监测由接触探测器产生的信号。接触探测器生成的信号可被用于测定是否有障碍物邻近悬臂，如测试样品表面或测试样品表面上的缺陷。这种监测可包括通过在探测器表面的传感器传输电信号。在一个特殊实施例中，传感器可以是一个应变计且接触探测器的偏移可以采用惠斯登电桥测定。

一般而言，根据第二方面的方法包含一个具有根据本发明第一方面的探针的任何特征的探针。

第三方面，本发明进一步涉及一种测定测试样品表面区域电学性能的系统，所述系统包括：

用于容纳所述测试样品的测试样品容器；

容纳用于测定测试样品表面区域电学性能探针的探针容器，所述探针位于相对于所述测试样品的特定角度内，所述探针包括：

确定第一表面的支撑体；

从与所述第一表面共面的支撑体延伸的多个悬臂，所述多个悬臂彼此大致平行地延伸，所述多个悬臂的每一个包括一个电传导的端部，所述端部通过将与测试样品表面相应的探针移动到所述特定方向内以接触所述测试样品的所述表面，以及

从所述支撑体延伸的接触探测器，所述接触探测器设置成进行上述移动时在接触所述测试样品所述表面的所述多个悬臂的任一个之前或同时接触所述测试样品的所述表面；

所述系统进一步包括：电连接到所述探针电导体端部的电信号发生器以及电连接到所述接触探测器的接触探测电路；

当相对于所述测试样品的所述表面移动所述探针时，所述接触探测电路探测所述测试样品的所述表面接触所述接触探测器的标示，其中所述接触探测器是一个应变计式传感器，其包括：

在自身基座处分成两个锚臂的柔性臂，以及从其中一个描臂传输到柔性臂并由另外一个锚臂传输回来的非压阻材料的电学通路。

根据本发明第三方面的系统可用于操作根据本发明第二方面的方法，也可包括根据本发明第一方面的探针。所述探针可包括本发明第一或第二方面所述的任一特征。

根据本发明的教导，使用探针时，尤其具有的优点是，在接近上述基于悬臂的装置的表面时，所述表面接触探测器的一个或多个悬臂将产生偏移撞到所述表面上。所述偏移将导致被测电信号变化，使得至少在一个方向内能探测物体表面的位置。同时，与所述表面相应的多悬臂探针的位置能被高度准确地测定，至少在一个方向内优于±2μm。

在本发明的优选实施例中，所述多悬臂探针位于所述探针的间隔内，且所述表面探测传感器能被很好地控制在至少在一个方向内优于±2μm。上述能通过在相同的基板内(如硅、石英、陶瓷或聚合物)或半组装、高准确度的组装技术组装的两个基板内制造探针和传感器来实现。这种高准确度的组装可采用MEMS或NEMS制造技术来实现。

现结合本发明的实施例参照附图来说明上述各优点和实现方式，其中：

附图说明

图1是有四个悬臂和一个接触探测器的探针的第一实施例的示意图；

图2是有四个悬臂和两个接触探测器的探针的第二实施例的示意图；

图3是惠斯登电桥结构中应变计的简单示意图；

图4是惠斯登电桥被测输出电压/应变传感器位移的示意图，以及

图5是探针第三实施例的示意图。

具体实施方式

图1是具有由数字12表示的四个悬臂和接触探测器14的探针10的第一实施例的部分示意图。悬臂12和接触探测器14从探针10向探针10的表面18的边缘16以上延伸。

接触探测器可用于探测测试样品表面上或表面内的障碍物和变形，或对探针和测试样品的表面接触进行简单地探测。

悬臂12从边缘16基本平行地自由延伸。接触探测器14也从边缘16自由延伸。所示接触探测器为具有柔性臂21的悬臂结构。柔性臂21以基本平行于悬臂的方向延伸。

柔性臂21通过锚臂20和锚臂22附着在探针10上。所述臂涂覆了导电非压阻金属层，由此可用作探测接触探测器偏移的应变计式传感器。

柔性臂21电连接到用于探测由柔性臂21的偏移引起电压/电阻变化的惠斯登电桥电路24中。在任何惠斯登结构中，电路24包含三个已知阻值的电阻。由柔性臂21的臂20和臂22形成的应变计部分的电阻用于测量柔性臂21的偏移。应变计由支撑硅层或结构上的非压阻金属层形成。该硅层也形成支撑体，例如：探针体10。

在接触探测器14的柔性臂21中使用非压阻金属层或非压阻电学路径的优点较易地能由图1解释。为简化问题，图1中建立了坐标系统，其中z轴平行于纸面的主平面，y轴平行于柔性臂21且位于纸面内，x轴垂直于柔性臂21且位于纸面内。假设沿z轴的力作用在柔性臂48的端部，导致柔性臂48产生偏移。根据金属层位于支撑体的哪一边，偏移压缩涂层或是拉伸涂层。对于被压缩的涂层，导电金属的横截面积增加，同时导电路径的长度减少。这两种效应都会导致电阻值的减少。对于被拉伸的涂层，导电金属的横截面积减小，同时导电路径的长度增加，从而导致电阻值的增加。

假设将外力替换为沿x轴的方向作用在图1右方的柔性臂21的端部。由于作用时锚臂20会被压缩，而另一个锚臂22会被拉伸。和没有被作用的接触探测器相比，从第一锚臂20到柔性臂21产生电学通路时，电阻值降低，而从柔性臂21通过锚臂22传输回时，电阻值增加。由此可见作用力会导致第一锚臂20的横截面积增加，而第二锚臂22的横截面积减少。进而，第一锚臂20的长度会减少，而第二锚臂22的长度会增加。对于适度的偏移，横截面积的变化和长度的变化将彼此抵消，从而导致接触探测器电路24的电阻值几乎近似没有变化。但是，如果锚臂20和锚臂22是压阻材料，由于电阻对应作用力的非线性，接触探测器电路24的电阻值将明显改变，即使柔性臂21发生适度的偏移。因此，为了避免沿x轴的分力产生探测信号，对于放置这里的基于上述特征的探测器应该具有非压阻材料的锚臂20和锚臂22。应该注意的是，图1中的接触探测器对沿x轴的分力不敏感。由此可见，在此种情况下，柔性臂21不能用作在臂上的基座独立于长度方向的操作杆。

图中所示的实施例包括邻近或位于接触结构的惠斯登电桥，例如：探针10体的顶部。在其他的实施例中，该电路可略微被替代。例如：在测试设备中或其他，或仅仅在探针10的其他部分。

接触探测器14起补偿的作用，称为误差作用。如果柔性臂21断开，通过锚臂20和锚臂22定义的电路将断开，因此电阻值会增加大无穷大，或至少很大。

如果接触探测器14的柔性臂21放入测试样品表面内，应变计的电阻值会变化。当应变计的电阻值或电阻值的相关变量超过预定值，系统将停止探针的移动。如果接触探测器在锚臂20或锚臂22处断开，相比几乎平衡的惠斯登电桥而言，电阻值会有略微的增加。

图2是具有多个，如4个悬臂28、30、32、34的探针10’的第二实施例的示意图。其中每个臂包括一个用于与测试样品表面区域进行电接触的电导体端部。

探针10’还包括两个接触探测器36、38。接触探测器36、38与图1所述的接触探测器的类型相同。

图3为惠斯登电桥结构中应变计数的示意图。该惠斯登电桥由三个具有固定阻值的电阻42、44、46组成。该阻值可随温度变化而变化，但大体上不可变。柔性臂48包括一个用于组成电路的金属层而形成的应变计数元件。

在本发明的一个实施例中，点50和54之间提供电流。点52和56间的输出电压连接时被连续监测，如：探针与测试样品表面接触时。

对于之前的连接，参考值被测量，定义为Vref。为了计算输出值相应的变化，在点54和56之间提供电流时，测量点50和52之间的输出电压。

通过继续监测输出电压相应的变化，得出：(Vout-Vref)/Vo，可探测出具有应变计数元件的悬臂的接触点。接下来直接将探针朝该表面移动，当输出电压的相应变化超出预定值时，该系统将停止应变计数装置的移动。如果应变计的悬臂断开，电阻值相对于接近平衡的的惠斯登电桥会少量地增加。然后系统将简单地中止测量以防止探针撞入所述表面。

图4是作为应变传感器的替代作用的惠斯登电桥输出电压测试图，如：表面探测器，在一个方向内，如沿Z轴。电流设定为500μA。在探测样品表面前，可得到连续的输出电压。悬臂的端部与表面接触时，将外力施加到悬臂，该悬臂包括传感器中的一个应变计，随着输出电压的变化而变化。悬臂沿z轴移动与输出电压线性变化，由于在电路中使用了压阻材料，因此这些是可以预料的。

图5是第三实施例探针10”的示意图。第三实施例的探针10”不同于上述图2所示的第二实施例中的探针。其中，电阻也由同样包含接触探测器的惠斯登电桥的第一分支组成。位于悬臂28’、悬臂30’、悬臂32’和悬臂34’的左边和右边的接触探测器由附图标记36’和38’表示。依次连接到接触探测器的相仿接触探测器由附图考标记36”和38”表示。该两个相仿接触探测器36”和38”位于基底对应的入口。该入口由58和60表示，其分别用于防止相仿接触探测器36”和38”与测试样品的表面接触。由此相仿接触探测器构成了与接触探测器具有相同电阻值的参考探测器，以得到更高的精度。因为两个惠斯登电桥的每一个的第一分支均由确定电阻率的元件组成，其中之一为接触探测器，如上所述，用于显示导致接触探测器的锚臂的电阻率变化的机械弯曲，其中锚臂的电阻率变化用于探测接触探测器和测试样品表面间建立接触。

属于两个接触探测器36’和38’的惠斯登电桥还包括参考电阻42’、44’和参考电阻42”、44”。其分别构成两个接触探测器36’和38’中每一个的惠斯登电桥的第二分支。

图5所示的第三实施例大致提供了一种将惠斯登电桥第一分支相同电阻的高度集成的情况。接触探测器36’和38’分别复制成虚拟电阻36”和38”。先确定两个惠斯登电桥的接触探测器和虚拟接触探测器的测试的性能相同，然后提供一个简单地将接触探测器复制成与惠斯登电桥相同的参考探测器来制造探针的简单技术。

虽然参照说明书和优选实施例对本发明进行了上述描述，但本领域技术人员在不超出本申请的保护范围内做出变形和改变。

Claims (21)

1、一种测定测试样品表面区域电学特性的探针，所述探针相对于所述测试样品处于特定方向，所述探针包括：

确定第一表面的支撑体；

从与所述第一表面共面的所述支撑体延伸的多个悬臂，所述多个悬臂彼此大致平行地延伸，所述多个悬臂的每一个包括一个电传导的端部，所述端部通过将与测试样品的所述表面相应的所述探针移动到所述特定方向内以接触所述测试样品的所述表面，以及

从所述支撑体延伸的接触探测器，所述接触探测器设置成进行上述移动时在接触所述测试样品所述表面的所述多个悬臂的任一个之前或同时接触所述测试样品的所述表面，其中所述接触探测器是一个应变计式传感器，包括：

在自身基座处分成两个锚臂的柔性臂，以及从所述锚臂中的一个描臂传输到柔性臂并由所述锚臂的另外一个锚臂传输回来的非压阻材料的电学通路。

2、如权利要求1所述的探针，其中所述探针进一步包括用于探测所述接触探测器信号变化的电学探测电路。

3、如权利要求2所述的探针，其中所述测试样品的所述表面是通过测量所述柔性臂的偏移来探测的。

4、如权利要求2或3所述的探针，其中所述电学探测电路包括惠斯登电桥，或可选择性地包括四线欧姆电路。

5、如权利要求1-4任一项所述的探针，其中所述接触探测器以与所述多个悬臂的特定角度延伸。

6、如权利要求5所述的探针，其中特定角度是0度、45度或90度。

7、如权利要求1-6任一项所述的探针，其中所述多个悬臂从所述支撑体延伸以定义第一长度，所述接触探测器从所述支撑体延伸以定义不同于所述第一长度的第二长度。

8、如权利要求7所述的探针，其中所述第二长度大于所述第一长度，或可选择地，所述第二长度小于所述第一长度。

9、如权利要求7或8所述的探针，其中接触探测器的所述第二长度沿接触探测器的纵向构成接触探测器的总体长度，其中自由分臂定义分臂孔径，所分臂孔径沿纵向定义分臂长度，且其中分臂长度组成所述第二长度的百分比，如10-99％、15-75％、20-30％、25-40％或选择10-15％、15-20％、20％-25％、25-30％、30-35％、35-40％、40-45％、45-50％、50-55％、55-60％、60-65％、65-70％、70-75％、75-80％、80-85％、85-90％、90-95％、95-99％。

10、如权利要求7-9的任一项所述的探针，其中所述第一长度和/或所述第二长度约为1μm-1000μm，如2μm-500μm，例如5μm-100μm，或选择为1μm-5μm、5μm-20μm、25μm-50μm、50μm-75μm、75μm-100μm、100μm-150μm、150μm-200μm、200μm-300μm、300μm-500μm、500μm-1000μm。

11、如权利要求1-10的任一项所述的探针，其中所述多个悬臂具有共同表面。

12、如权利要求11所述的探针，其中所述接触探测器在第二表面，所述第二表面位于所述共同表面内或所述第二表面位于与所述共同表面平行的平面内。

13、根据上述任一项权利要求所述的探针，其中所述探针使用MEMS或NEMS制造技术制成。

14、根据上述任一项权利要求所述的探针，其中所述接触探测器位于所述悬臂之间。

15、如权利要求1-13任一项所述的探针，其中所述探针包括两个平行放置的接触探测器，以使所述多个悬臂位于所述两个接触探测器之间。

16、根据上述任一项权利要求所述的探针，包括构成参考探测器的另一个接触探测器，所述参考探测器被所述支撑体掩盖以防止所述参考探测器与所述测试样品的所述表面接触。

17、如权利要求4-16任何一项所述的探针，所述接触探测器包含在所述惠斯登电桥的第一分支中，所述探针进一步包括构成所述惠斯登电桥第二分支的参考电阻，所述第一分支的所述电阻值小于所述第二分支的电阻值至少两倍，优选为至少小于所述第二分支的阻抗的一个10的数量级。

18、一种获得测试样品电学性能的方法，所述方法包括：

提供所述测试样品、所述测试样品限定测试表面；

提供包括用于测定测试样品表面区域电学性能的包含探针的测试设备，所述探针位于相对于所述测试样品特定角度内，所述探针包括：

确定第一表面的支撑体；

从与所述第一表面共面的所述支撑体延伸的多个悬臂，所述多个悬臂彼此大致平行地延伸，所述多个悬臂的每一个包括一个电传导的端部，所述端部通过将与测试样品的所述表面相应的所述探针移动到所述特定方向内以接触所述测试样品的所述表面，以及

从所述支撑体延伸的接触探测器，所述接触探测器设置成进行上述移动时在接触所述测试样品所述表面的所述多个悬臂的任一个之前或同时接触所述测试样品的所述表面；

所述设备进一步包括电连接到所述探针电导体端部的电信号发生器，

电连接到所述接触探测器的接触探测电路，

相对于所述测试样品的所述表面移动所述探针，监测所述接触探测电路以标示所述接触探测器与所述测试样品的所述表面接触的状态，其中所述接触探测器是一个应变计式传感器，包括：

在自身基座处分成两个锚臂的柔性臂，

以及从其中一个锚臂传输到柔性臂并由另外一个锚臂传输回来的非压阻材料的电子通路。

19、如权利要求18所述的方法，其中所述探针包含权利要求1-17任一项的特征。

20、一种测定测试样品表面区域电学性能的系统，所述系统包括：

用于容纳所述测试样品的测试样品容器；

容纳用于测定测试样品表面区域电学性能探针的探针容器，所述探针位于相对于所述测试样品特定角度内，所述探针包括：

确定第一表面的支撑体；

从与所述第一表面共面的所述支撑体延伸的多个悬臂，所述多个悬臂彼此大致平行地延伸，所述多个悬臂的每一个包括一个电传导的端部，所述端部通过将与测试样品的所述表面相应的所述探针移动到所述特定方向内以接触所述测试样品的所述表面，以及

从所述支撑体延伸的接触探测器，所述接触探测器设置成进行上述移动时在接触所述测试样品所述表面的所述多个悬臂的任一个之前或同时接触所述测试样品的所述表面；

所述系统进一步包括：电连接到所述探针电导体端部的电信号发生器以及电连接到所述接触探测器的接触探测电路；

当相对于所述测试样品的所述表面移动所述探针时，所述接触探测电路探测所述接触探测器与所述测试样品所述表面接触的标示，其中所述接触探测器是一个应变计式传感器，其包括：

在自身基座处分成两个锚臂的柔性臂，

以及从其中一个锚臂传输到柔性臂并由另外一个锚臂传输回来的非压阻材料的电子通路。

21、如权利要求20所述的系统，其中所述探针包括权利要求1-17任一项所述的特征。

Images