DE60037127T2

DE60037127T2 - Magnetische messeinrichtung in mikromechanisch hergestellten vorrichtungen

Info

Publication number: DE60037127T2
Application number: DE60037127T
Authority: DE
Inventors: Peter Blöchl; Christophe P. Rossel; Michel Willemin
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV; Hitachi Global Storage Technologies Inc
Current assignee: HGST Netherlands BV; HGST Inc
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: MY125320A; DE60037127D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das magnetische Abfühlen einer Bewegung in einer Mikro-Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine magnetische Abfühleinheit zum Messen von Verschiebungen oder Krümmungen im Nanometerbereich.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Miniabwisierung von mechanischen Komponenten und Vorrichtungen stellt neue Anwendungen in verschiedenen Gebieten bereit und ermöglicht das Verständnis einer neuen Welt und deren Verwendungsmöglichkeiten, nämlich der sogenannten Nanowelt. Am Ende des 20. Jahrhunderts wurde die Grundlage für das Zeitalter der Mikro- und Nanomechanik gelegt. Chargenbearbeitung auf der Basis aktueller Chipherstellungsverfahren wurde eingeführt, welche ein erhebliches Potential für die Erzeugung von Hochleistungssystemen und -vorrichtungen bei geringen Kosten hat. Anwendungen im Bereich der Massendatenspeicherung führen zu erheblich kleineren Speichervorrichtungen und eröffnet Möglichkeiten im Bereich der Ausführung von Speicherdichten im Bereich von hunderten an Gigabits pro Quadratzoll. Auf dem Gebiet der Mikroskopie wurden in den vergangenen Jahren beispielsweise das Scanning-Tunnelmikroskop (STM) und das Rasterkraftmikroskop (AFM) für die Oberflächenanalyse im atomaren Bereich erfolgreich eingeführt. Solche Mikroskopieverfahren, im Allgemeinen als Rastersondenmikroskopie (SPM) bezeichnet, verwenden einen flexiblen Ausleger mit geringen Abmessungen, wobei der Ausleger mithilfe Mikroverarbeitungsverfahren hergestellt ist. Der Ausleger mit einer scharfen Spitze wird über eine Oberfläche einer Probe geführt und die Verschiebung oder die Bewegung des Auslegers wird detektiert, um ein Bild mit einer atomaren Auflösung zu erhalten. Eine Vielzahl optischer Verfahren wurde zum Detektieren der Ausleger-Ablenkungen entwickelt. Übliche Kräfte zwischen Spitze und Probenbereich von 6 bis 11 nN und Abweichungen im minimalen Umfang von 0,001 nm können detektiert werden. Die drei verschiedenen Betriebsarten sind Kontaktmodus, Nicht-Kontakt- oder Dynamikkraftmodus und Klopfmodus, welche die Detektion lateraler, magneti scher, elektrostatischer und Van-der-Waals-Kräfte ermöglichen. So kann ein solcher Ausleger zum Schreiben und Lesen von Daten eingesetzt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung auf verschiedenste mikromechanische Anwendungen angewendet werden kann, wird in ihrer Beschreibung der Schwerpunkt auf die Anwendung auf Ausleger gelegt.
Heutzutage sind einige Verfahren bekannt, die Verschiebungen oder die Bewegung von Auslegern messen, die beispielsweise in der Rastersondenmikroskopie (SPM) oder in anderen vorgefertigten Vorrichtungen verwendet werden.
Das optische Verfahren, auch als Laserdetektion oder optische Strahlablenkung bezeichnet, verwendet entweder die Reflektion eines Laserstrahls auf der Oberfläche eines Auslegers und somit die Änderung des Laserstrahlwinkels während der Ablenkung oder die Interferenzeffekte zwischen den einfallenden und den reflektierten Strahlen. Die Ablenkung des Auslegers wird durch Reflektieren des Laserstrahls vom Ausleger in eine Photodiode überwacht. Während des Scan-Vorgangs kann ein Bild durch Abbilden dieser mittels Laser detektierten Ablenkung ausgebildet werden.
Durch ein Piezowiderstandsverfahren kann eine Widerstandsänderung eines Piezowiderstandspfads, der auf der Oberfläche eines gebogenen Schenkels des Auslegers definiert ist, gemessen werden. In dem Artikel von M. Tortonese et al., Atomic force microscopy using a piezoresistive cantilever, 448–451, Bericht von der International Conference an Solid State Sensors and Actuators, San Francisco, 24.–27. Juni 1991 wird die Herstellung einer Siliziumauslegerspitze mit einem integrierten Piezowiderstand zum Abfühlen ihrer Ablenkung beschrieben. Ein SOI-Material (SOI = Silizium auf Isolator) wurde für die Herstellung verwendet.
Aus dem US-Patent Nr. 5.345.815 ist eine Mikrominiatur-Auslegerstruktur mit einem Auslegerschenkel mit einem nahe dem Auslegerschenkel eingebetteten Piezowiderstand bekannt. Diese Belastung ändert den Widerstand des Piezowiderstands an der Auslegerbasis im Verhältnis zur Abweichung des Auslegerschenkels. Eine Wider standsmessvorrichtung ist mit dem Piezowiderstand gekoppelt, um dessen Widerstand zu messen und ein der Abweichung des Auslegerschenkel entsprechendes Signal zu erzeugen.
US-Patent Nr. 5.442.244 betrifft einen Ausleger für ein Rastersondenmikroskop, welches einen Piezowiderstand umfasst. Ein Herstellungsverfahren eines solchen Auslegers wird ferner beschrieben, wobei der Vorgang eine Spitze erstellt, die ein hohes Seitenverhältnis und einen geringen Kurvenradius an ihrem Scheitel hat. Ein Kombinationsmikroskop aus atomarer Rasterkraft und lateraler Kraft, umfassend zwei oder mehrere Piezowiderstände, die jeweils auf das Biegen und die Torsion des Auslegers reagieren, ist ebenfalls offenbart.
Die Piezowiderstandsausleger leiden jedoch, trotz der mit den optischen Systemen ähnlichem Empfindlichkeit, unter dem Niederfrequenzrauschen und der Temperaturdrift, welche allen Halbleiterdehnungsmessern inhärent ist. Sie erfordern ferner, dass die Ausleger aus einem Einkristallsilizium ausgebildet sind.
Das US-Patent Nr. 5.856.617 von IBM beschreibt ein Rasterkraftmikroskop (AFM), welches einen Spinventil-Magnetowiderstands-Dehnungsmesser verwendet, der auf einem AFM-Ausleger einstückig ausgebildet ist, um dessen Ablenkung zu detektieren. Der Spinventil-Dehnungsmesser arbeitet ohne ein angelegtes Magnetfeld. Der Spinventil-Dehnungsmesser auf dem AFM-Ausleger besteht aus einer Vielzahl an Filmen, wobei eine davon eine freie ferromagnetische Schicht ist, die eine Nicht-Null-Magnetostriktion aufweist und deren magnetisches Moment bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfelds frei drehbar ist. Bei Vorhandensein einer an die freie ferromagnetische Schicht aufgrund der Ablenkung des Auslegers angelegten Spannung tritt eine Winkelverschiebung des magnetischen Moments der freien ferromagnetischen Schicht auf, welche zu eine Änderung des elektrischen Widerstands des Spinventil-Dehnungsmessers führt. Eine elektrische Widerstandsdetektionsschaltung, die mit dem Spinventil-Dehnungsmesser gekoppelt ist, wird zur Bestimmung der Auslegerablenkung verwendet.
Das Dokument WO 96/03641 betrifft eine Rastersondenmikroskop-Anordnung, die über einen Rasterkraftmessmodus (AFM-Modus), einen Scanning-Tunnelmessmodus (STM-Modus), einen Nahfeld-Spektronomiemodus, einen optischen Nahfeldmodus und einen Härteprüfmodus zur Überprüfung eines Gegenstands verfügt.
Die europäische Patentanmeldung EP-0.397.416-A1 beschreibt eine Vorrichtung für die hochauflösende Bilderzeugung von Makromolekülen und von die Makromoleküle betreffenden Wechselwirkungen. Mittel zum Abfühlen jeder der Sonden über einem kleinen Bereich der Oberfläche auf eine Weise, in der das Gesamtausgangssignal aus den Sonden die gesamte Oberfläche abdeckt, werden bereitgestellt. Mittel, beispielsweise Scanning-Tunnel- und/oder Rasterkraftdetektoren, werden verwendet, um die Bewegung der einzelnen Sonden in einer zur Oberfläche quer verlaufenden Richtung zu überwachen, und Anzeigemittel werden verwendet, um die quer verlaufenden Bewegung der Sonden anzuzeigen, wobei die Topographie der Oberfläche abgebildet wird.
Eine andere europäische Patentanmeldung EP-0.306.178.-A2 betrifft einen Beschleunigungssensor, der eine Auslegerspitze mit einem freien Ende, an dem ein Permanentmagnet befestigt ist, umfasst. Ein Paar Magnetsensoren, die jeweils aus einem Magnetowiderstands-Abfühlelement vom MRH-Typ bestehen, sind einander gegenüberliegend und symmetrisch in Bezug auf den Magneten angeordnet. Der Ausleger ist gebogen und der Magnet wird gemäß einer Beschleunigung bewegt, welcher als Ausgangssignal von den Magnetowiderstands-Abfühlelementen detektiert wird.
Die deutsche Veröffentlichung DE-41.03.589-A1 betrifft eine Sensorvorrichtung mit einem mechanischen Resonanzschwingelement. Die Struktur ähnelt der des in dem vorhergehenden Absatz erwähnten Beschleunigungssensor, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass nur ein Sensorelement in der Verlängerung der Spitze angeordnet ist.
Das US-Patent Nr. 4.954.904 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Flughöhe eines Kopfs oberhalb eines sich drehenden Mediums, wie es z. B. in einem Festplattenlaufwerk unter Anwendung magnetischer, magneto-optischer oder optischer Aufzeichnungsverfahren verwendet wird. Die Flughöhe wird über magnetische Anziehung oder Abstoßung geregelt, um eine ausgewählte und im Wesentlichen einheitliche Flughöhe des Kopfes in Bezug auf das sich drehende Medium beizubehalten.
Das optische Verfahren und das Piezowiderstandsverfahren sind heute die am weitesten verbreiteten Verfahren. Andere Verfahren, wie kapazitive, piezoelektrische oder thermische Verfahren können jedoch ebenfalls anstelle des optischen oder Piezowiderstandsverfahren verwendet werden, um die Ablenkung eines Auslegers oder einer Mikrovorrichtung zu detektieren. Die kapazitiven oder elektrostatischen Verfahren messen die Kapazitätsänderung eines Kondensators, der durch den Ausleger und eine befestigte Referenzelektrode ausgebildet ist. Das thermische Verfahren verwendet einen Strom an verschiedenen Verdrahtungsebenen, um beispielsweise die Teile einer Mikrovorrichtung aufzuwärmen.
Außerhalb des Auslegers angeordnete Ablenkungsdetektionsverfahren benötigen zeitaufwändige Ausrichtungen. Ein Vielzahl an Rückkopplungsmechanismen kann verwendet werden, um Daten zu gewinnen und die korrekte Spitzenposition aufrechtzuerhalten.
Die Kombination und einstückige Ausbildung mikrogefertigter Vorrichtungen mit elektronisch gesteuerten Funktionalitäten erleichtern nanotechnologische Anwendungen, welche sich durch präzise Bewegungen, erhöhte Empfindlichkeit und Betätigung auszeichnen.
ZIEL DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Messverfahren mit einer erhöhten Empfindlichkeit bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einstückiges Messsystem für Verschiebungen auf einer mikrogefertigten Vorrichtung bereitzustellen, ohne dass eine zusätzliche Ausrüstung für die Ausrichtung nötig ist.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Detektionssystem vorzulegen, das einfach implementierbar ist und bei geringen Kosten erzeugt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Ziele der Erfindung werden durch die Merkmale der beigefügten Ansprüche erzielt. Verschiedene Modifikationen und Verbesserungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Die vorliegende Erfindung stellt ein kontaktloses magnetisches Abfühlsystem zum Messen relativer Verschiebungen auf einer Nanometerskala bereit. Ein solches System kann in einer Mikrovorrichtung (etwa einer mikrogefertigten Vorrichtung) verwendet werden. Die Erfindung beruht auf der Messung des Felds B eines magnetischen Dipols, der auf einem beweglichen Teil durch die Verwendung eines empfindlichen Magnetsensors positioniert ist, der auf einem angrenzenden feststehenden Teil angeordnet ist. Der Magnetsensor kann ebenfalls an dem beweglichen Teil und dem Magnetdipol, auch als Magnetelement bezeichnet, an dem feststehenden Teil angeordnet werden. Der Magnetsensor sollte jedoch in Bezug auf das Magnetelement korrekt positioniert sein, um den größten Feldgradienten dB/dz des Felds zu nutzen und somit die Empfindlichkeit zu optimieren. Die Empfindlichkeit eines solchen magnetischen Abfühl- oder -detektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung kann zumindest 10 mal besser als die des bekannten Piezowiderstandsverfahrens sein und bietet im Gegensatz zu den optischen Verfahren den Vorteil, dass es auf einer Vorrichtung vollständig eingebaut werden kann, ohne dass ein spezieller- optischer Zugang benötigt wird. Das magnetische Abfühl- oder -detektionssystem kann mit her kömmlicher Photolithographie einfach in die Si-Technologie integriert werden. Verschiedene Magnetmaterialien, -geometrien und -abfühlkonfigurationen können vorgeschlagen werden, um die Empfindlichkeit weiter zu verbessern.
Als eine erste Ausführungsform wird die Messung der Ablenkung einer Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung vorgeschlagen. Dafür umfasst die Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung einen Ausleger, der auch als beweglicher Teil bezeichnet wird, ein Magnetelement, das ein Magnetfeld erzeugt, und einen Magnetsensor, der dieses detektiert. Der bewegliche Teil ist an dem feststehenden Teil angebracht und umfasst ferner ein freies Ende mit einer Spitze. Das Magnetelement befindet sich auf dem beweglichen Teil und der Magnetsensor ist auf dem feststehenden Teil positioniert. Demgegenüber ist es ebenfalls möglich, dass der Magnetsensor sich auf dem beweglichen Teil befindet und das Magnetelement auf dem feststehenden Teil positioniert ist. Zumindest ein Magnetelement und zumindest ein Magnetsensor bilden eine Magnetabfühleinheit. Der Magnetsensor und/oder das Magnetelement können in der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung einstückig ausgebildet sein, so dass sie einen einstückigen Teil der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung bilden. Das Magnetelement und der Magnetsensor sind relativ zueinander angeordnet, so dass, wenn der bewegliche Teil verschoben wird, die Änderung des Magnetfelds an dem Magnetsensor durch die Verwendung des Magnetsensors detektierbar ist. Nachfolgende Messgeräte verarbeiten die durch den Sensor erhaltenen Informationen und leiten einen Merkmalswert ab, der für die Verschiebung oder Verdrehung der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung repräsentativ ist.
Das Gebiet der Anwendungen erstreckt sich auf eine größere Vielfalt an Vorrichtungen, wobei die relative Bewegung oder Positionierung gesteuert werden muss, und ist in Vorrichtungen möglich, in denen bewegliche Teile eine schnelle und empfindliche Rückkopplung, z. B. fliegende Magnetköpfe oder Aktuatoren, benötigen.
Wenn der Magnetsensor gegenüber dem Magnetelement angeordnet werden kann, dann tritt der Vorteil ein, dass das Feld des Magnetelements in den Magnetsensor eindringt und ein Feldgradient, vorzugsweise der maximale Feldgradient, detektiert und bestimmt werden kann.
Der Magnetsensor kann für kontaktlose Detektion verwendet werden, die besonders von Vorteil ist, da keine Reibungsverluste auftreten und die Empfindlichkeit optimiert wird. Die Abweichung oder Bewegung des beweglichen Teils ist nicht eingeschränkt, gedämpft oder behindert.
Wenn ein großer Abschnitt des beweglichen Teils vom feststehenden Teil durch einen Spalt getrennt ist, dann tritt der Vorteil ein, dass eine breite und uneingeschränkte Abweichung oder Bewegung des beweglichen Teils mit einem vergrößerten, messbaren Bereich garantiert werden kann.
Das Magnetelement kann ein Permanentmagnet sein, der den Vorteil aufweist, dass er ein konstantes Magnetfeld bereitstellt. Es besteht kein Bedarf an einem externen Magnetfeld oder an einer eingebauten Zylinderspule mit zusätzlichen Drähten. So wird kein Strom benötigt, der zu nicht erwünschten Erwärmungseffekten führen könnte.
Das Magnetelement umfasst eine Magnetschicht, die aus Fe, Fe₂O₃, Ba, Co, Cr, Mg, Mn, Ni, Pt, Sr, V oder einer Legierung derselben oder aus einer der folgenden Komponenten hergestellt sein kann: AlNiCo, FeCoCr, FeCoV, FeCoVCr, FeNiCo, NdFeB, SmCo. So kann die Magnetschicht kristalline und amorphe Metalle umfassen, beispielsweise eine Legierung aus einem AlNiCo-Typ, eine Platinkobaltlegierung, eine Eisenkobaltvandanium-(Chrom)-Legierung, eine Chromeisenkobaltlegierung, eine Seltenerdkobaltlegierung oder eine Seltenerdeisenlegierung. Die Magnetschicht kann aus einer Vielzahl an Materialien und Komponenten hergestellt sein, vorzugsweise aus einem hartmagnetischen Material, wie oben angeführt, wobei diese Materialien und Komponenten gemäß der Anwendung angepasst werden können.
Wenn der Magnetsensor in oder auf die Spitze des beweglichen oder feststehenden Teils eingebaut werden kann, so dass der Magnetsensor ein einstückiger Teil der Mikrovorrichtung ist, dann tritt der Vorteil ein, dass der Magnetsensor vorinstalliert ist und keine Ausrichtung vor der Verwendung desselben mehr nötig ist.
Wenn die Mikrovorrichtung Silizium umfasst und der Magnetsensor in das Silizium integriert wird, dann tritt der Vorteil ein, dass die Si-Technologie mit herkömmlicher Photolithographie angewendet werden kann.
Der Magnetsensor kann ein Hall-Sensor, ein Magnetotransistor, eine Magnetodiode oder ein Riesenmagneto-Widerstandssensor sein. Dies weist den Vorteil auf, dass einige Sensortypen verwendet werden können.
Der Magnetsensor kann derart angeordnet werden, dass der Magnetsensor und eine nachfolgende Messvorrichtung oder -system zur Bestimmung eines Feldgradienten des Magnetfelds in der Lage sind. Durch diese nachfolgende Messvorrichtung oder -system kann ein charakteristischer Wert, der für die jeweilige Ablenkung oder Bewegung repräsentativ ist, zur weiteren Verarbeitung abgeleitet werden.
Der bewegliche Teil und der feststehende Teil können aus demselben Material hergestellt werden. Dies kann für einen einfachen Herstellungsvorgang von Vorteil sein. Demgegenüber können jedoch der bewegliche Teil und der feststehende Teil ebenfalls aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, wobei der flexible und der feststehende Teil verschiedene mechanische oder physikalische Eigenschaften aufweisen.
Wenn der bewegliche Teil an dem feststehenden Teil durch Befestigungsmittel, vorzugsweise einen Schenkel, befestigt ist, dann tritt der Vorteil ein, dass der bewegliche Teil eine uneingeschränkte und gleichmäßige Verschiebung aufweist. Wenn das Befestigungsmittel eine Öffnung, beispielsweise ein Loch oder einen Schlitz, oder eine oder mehrere Einschnürungen umfasst, dann kann die effektive Breite des Befestigungsmittel verringert werden kann, was zu einer Reduktion der Federkonstante zur Erhöhung der Empfindlichkeit führt. Auf ähnliche Weise kann die Dicke des beweglichen Teils für eine optimale Empfindlichkeit angepasst werden.
Es ist insbesondere von Vorteil, dass das Magnetelement und der Magnetsensor innerhalb der Mikrovorrichtung so angeordnet sind, dass eine mechanische Verstärkung die Empfindlichkeit des magnetischen Abfühlsystems erhöht. Dies kann erzielt werden, wenn der bewegliche Teil in den feststehenden Teil der Mikrovorrichtung vorsteht. Wenn der bewegliche Teil und der feststehende Teil in derselben Ebene angeordnet sind und mehr von der Länge des beweglichen Teils in den feststehenden Teil vorsteht als von diesem hervorragt, dann wird die Empfindlichkeit vorteilhafterweise aufgrund des mechanischen Verstärkungsverhältnisses erhöht.
Wenn die Mikrovorrichtung eine Vielzahl an Magnetsensoren und zumindest ein Magnetelement umfasst, die zusammen eine magnetische Abfühleinheit bilden, und ferner die Magnetsensoren in der Nähe des Magnetelements angeordnet sind, dann tritt der Vorteil darin auf, dass die Signalamplitude durch Verwendung einer Vielzahl an Sensoren erhöht werden kann. Wenn die Mikrovorrichtung eine Vielzahl an Magnetelementen und zumindest einen Magnetsensor umfasst, die ebenfalls gemeinsam eine magnetische Abfühleinheit ausbilden, und ferner die Magnetelemente in der Nähe oder um den Magnetsensor herum angeordnet sind, dann tritt der Vorteil auf, dass die Empfindlichkeit ohne einen Anstieg des Rauschens, wie er in anderen Systemen auftreten würde, erhöht werden kann.
Eine Anordnung solcher magnetischer Abfühleinheiten für ein Magnetdetektionssystem kann durch einen meanderförmigen Spalt durchgeführt werden, der den beweglichen Teil vom feststehenden Teil trennt bzw. somit das Magnetelement (die Magnetelemente) vom Magnetsensor (von den Magnetsensoren) trennt. Die Magnetsensoren und -elemente können geeigneterweise in einer Reihe im Inneren des Meanders angeordnet werden. Es ist ebenfalls möglich, zumindest zwei Magnetsensoren in der Nähe eines Magnetelements anzuordnen, was für die Detektion der Torsion nützlich ist. Es sollte angemerkt werden, dass es einige Möglichkeiten zur Anordnung einer magnetischen Abfühleinheit gibt. In den meisten Fällen hängt die Gestaltung von der Anwendung ab.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Mikrovorrichtung eine Vielzahl an beweglichen Teilen und an jedem beweglichen Teil zumindest ein Magnetelement und zumindest ein Magnetsensor umfasst. Mehrere Detektionssysteme, z. B. für verschiedene Messungen, können innerhalb einer solchen Mikrovorrichtung angeordnet und kombiniert werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist unten stehend detailliert unter Bezug auf die folgenden schematischen Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Magnetdetektionssystems mit einer magnetischen Abfühleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine typische Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung mit einem Magnetdetektionssystem mit zwei magnetischen Abfühleinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt die Magnetfeldabhängigkeit B(x₀, y₀, z) entlang der z-Richtung, wie durch das Magnetelement (Dipol) erzeugt, das in vier verschiedenen Abständen x₀ angeordnet ist, wodurch y₀ konstant bleibt.
4 zeigt eine andere Ausführungsform der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung mit einem Magnetdetektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der mechanischen Verstärkung.
5a zeigt eine Ausführungsform mit mehreren magnetischen Abfühleinheiten zur Erhöhung der Empfindlichkeit.
5b zeigt eine weitere Ausführungsform mit mehreren magnetischen Abfühleinheiten zur Erhöhung der Empfindlichkeit.
Alle Zeichnungen sind aufgrund der deutlichen Darstellung weder in realen Abmessungen abgebildet, noch werden die Beziehungen zwischen den Abmessungen in einem realistischen Ausmaß gezeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Prinzip eines magnetischen Gradientendetektionssystems wird in 1 dargestellt. Zuerst werden einige Grundlagen eines magnetischen Ablenkungsdetektionssystems, auch als Magnetdetektionssystem bezeichnet, gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Magnetsensor
Von den verschienenen Magnetsensortypen, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können und einfach in Silizium integriert werden können, beispielsweise Magnetotransistor, Magnetodiode, Riesenmangnetowiderstands- oder Hall-Sensor, wird hierin nur der Hall-Sensor näher erläutert. Ein solcher Sensor kann einfach in kleiner Größe in einer planaren oder zylinderförmigen Geometrie durch direktes Dotieren des Siliziums ausgebildet werden. Der aktive Hall-Bereich wird in einer epitaxialen Schicht ausgebildet und die Geometrie der Zelle wird durch eine tiefe p⁺-Isolationsdiffusion definiert. Die Stromelektroden und die Hall-Elektroden werden durch eine flache n⁺-Diffusion ausgebildet. Die Oberfläche kann durch eine Inversionsschicht abgedeckt werden, um das Eigenrauschen zu reduzieren. Die Empfindlichkeit wird durch S_H = V_H/(IB) definiert, wobei V_H die Hall-Spannung, I der Versorgungsstrom und B das angelegte Magnetfeld ist. Für eine Vorrichtung mit einer Dicke unterhalb von 20 μm kann eine übliche Empfindlichkeit von 400 V/AT erzielt werden, wie von Gopel, J. Hesse und J. N. Zemel (Edts.), Mechanical Sensors 7, 181, VCH Verlag (1994) beschrieben.
In einer zylinderförmigen Konfiguration mit ferromagnetischen Verdichtern kann S_H = 2000 V/AT erzielt werden, wie von H. Blanchard et al., EPFL Lausanne, IEEE (1996) und R. S. Popovic, Hall Sensors, Adam Hilger Bristol, Philadelphia, New York (1991) beschrieben. Verfahren zur Kompensierung der thermischen Trift und zur Minimierung des 1/f-Rauschens sind bekannt. Insbesondere die Hall-Spannung kann bei einer eher hohen Frequenz (< 400 kHz) durch Sperrverfahren gemessen werden. In der letzten Konfiguration beträgt die äquivalente Ausgangssignal-Trift aufgrund des Rauschens bei 1 Hz 2,5 μT.
Magnetschicht
Ein Magnetelement, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, verfügt über einen Permanentmagnet mit starkem und stabilem Moment in Bezug auf die störenden Umgebungseinflüsse und die Temperatur. Verschiedene Geometrien können entwickelt werden, um das magnetische Streufeld dieses Magnetelements zu optimieren. Ein Ansatz ist das Vorhandensein einer Magnetschicht oder eines Dünnfilms mit rechteckigem Querschnitt: die Dicke t von einigen hundert nm bis 10 μm, die Breite w einiger Zehnerschritte an μm und die Länge l, die mit der Größe der Mikrovorrichtung übereinstimmt. Die Dicke sollte derart sein, dass die Schicht die mechanischen Eigenschaften beispielsweise der Mikrovorrichtung oder der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung nicht stört, aber ein Endvolumen verbleibt, das groß genug für ein magnetisches Moment in einer angemessenen Größe ist und zu einem starken Feldgradienten an der Sensorposition führt. Die Auswahl der Schicht- oder des Filmmaterials mit großer Remanenz kann eine Magnetaufzeichnungsverbindung sein, die in dem Speichermedium, z. B. Co(CrPt)-Legierung oder Fe, das eine etwas größeres Sättigungsmoment hat, oder Fe₂O₃, wie in Magnetbändern verwendet, eingesetzt wird. Co, Ni, Mn, Mg, V, Cr, Pt, Ba, Sr oder Legierungen derselben oder weiters eine der folgenden Komponenten AlNiCo, FeNiCo, NdFeB, FeCoVCr sind ebenfalls möglich. Es sollte jedoch ein durch ein herkömmliches Verfahren einfach auf Silizium abzuscheidendes Material sein. Ein etwas komplizierterer Weg ist das Einbetten kleiner SmCo-Partikel in einem Polymer, das Ausrichten der Partikel in einem Magnetfeld und das Anhaften desselben an der Siliziumoberfläche mit der angemessenen Ausrichtung. Dies kann zur Erzeugung von Schichten mit einer Dicke von 30 μm verwendet werden.
Zur Einschätzung der Empfindlichkeit wird eine quaderförmige Schicht mit einer Sättigungsmagnetisierung von M_s = 163 emu/g = 1,745 Am²/cm³ und einer Größe von 50 × 50 × 10 μm³ in Betracht gezogen. Dies erstellt ein Volumen von V = 2,5 × 10^–8 cm³ und ein gesamtes magnetisches Moment m_x = 3,63 × 10^–8 Amt.
Die Feldverteilung entlang der z-Richtung der Schicht kann durch die eines magnetischen Punktdipols geschätzt werden. Bei einem gegebenen Abstand x₀ kann die Feldveränderung entlang z wie folgt berechnet werden:
wobei A = 3 × 10^–7 VS/Am, B in Tesla und x in m ist.
Unter Verwendung der oben genannten Beziehung können das Feld B(x₀, y₀, z) und dessen Gradient entlang z berechnet werden, um die besten Bedingungen auszuwählen.
Empfindlichkeit
Zur Einschätzung der Gesamtempfindlichkeit des Magnetdetektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass der Hall-Sensor eine laterale Größe von 20 μm (entlang x) hat und durch einen Spalt von 2 μm von der Magnetschicht in einer Größe von 50 × 50 × 10 μm³ getrennt ist. Durch Integration der Beziehung für B_z über die tatsächlichen Abmessungen der Magnetschicht können das Feld B(x₀, z) und dessen Gradient dB/dz in der Mitte des Hall-Sensors berechnet werden.
Die Auflösung der Ablenkung Δz einer Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung mit einem Hebel kann unter Verwendung der folgenden Gleichung geschätzt werden:
Für einen typischen Strom von I = 1 mA ohne Wärmeeffekte, S_H = 400 V/TA und die oben erwähnte Co-Schicht mit dem magnetischen Moment m_x = 3,63 × 10^–8 Amt kann die Empfindlichkeit auf ΔV/Δz = 6 μV/nm geschätzt werden.
Die folgende Tabelle 1 zeigt einige übliche Empfindlichkeitswerte im Vergleich zum Abstand an, die einfach erzielt werden können.

x₀ (μm) ΔB/Δz (T/nm) ΔV/Δz (μV/nm)

20 6,8 10^–5 27

40 4,25 10^–6 1,7

80 2,66 10^–7 0,11

Tabelle 1
Eine piezoresistive Hebelempfindlichkeit kann demgegenüber höchstens ΔV/Δz = 1,25 μV/nm sein. Diese Tatsache zeigt, dass mit einem magnetischen Abfühlsystem oder einem Magnetdetektionssystem gemäß der Erfindung eine 10 mal so gute oder noch bessere Empfindlichkeit als im piezoresistiven Fall erzielt werden kann. Die Erhöhung der Empfindlichkeit kann auch durch Auswählen anderer Materialien, z. B. Fe mit größerer Sättigungsmagnetisierung, oder sogar durch eine SmCo-Schicht anstelle von Co erzielt werden. Ferner kann die Empfindlichkeit durch Einbeziehen des mechanischen Verstärkungsverhältnisses R > 1 oder durch Multiplizieren der Sensorenanzahl, wie unten stehend näher erläutert wird, erhöht werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Magnetdetektionssystems mit einer magnetischen Abfühleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt mit zusätzlichen physikalischen Größen, die Teil einer Mikroverrichtung sein können. Ein magnetischer Dipol 1, auch als Magnetelement 1 bezeichnet, ist auf einem beweglichen Teil 10 an einer Seite dieses beweglichen Teils 10 angeordnet. Der be wegliche Teil 10 kann mit dem Magnetelement 1 innerhalb der z-Richtung verschoben werden, wie durch die Pfeile neben dem beweglichen Teil 10 angezeigt. Ein erstes Referenzteil 12.1 ist als eine Verlängerung oder Teil eines feststehenden Teils vom beweglichen Teil 10 durch einen Spalt 13 getrennt. Ein Magnetsensor 2 ist auf dem ersten Referenzteil 12.1 in Richtung des Spalts 13 positioniert. Der Magnetsensor 2 kann in dem Silizium oder in dem Material der Mikrovorrichtung derart integriert sein, dass er ein einstückiger Teil derselben ist. Das Magnetelement 1 kann entweder ein einstückiger Teil des beweglichen Teils 10 sein oder es kann an dem beweglichen Teil 10 befestigt oder angehaftet werden. Einstückiger Teil bedeutet, dass das Magnetelement 1 und/oder der Magnetsensor 2 wesentliche Bestandteile der Mikrovorrichtung sind. Auf der Mikrovorrichtung kann ebenfalls eine Vorrichtung vorhanden sein, an der das Magnetelement 1 oder der Magnetsensor 2 angeordnet sind. Der Magnetsensor 2 ist in der Nähe des Magnetelements 1 angeordnet, um einen hohen Feldgradienten, vorzugsweise den höchsten Feldgradienten, zu detektieren und zu messen. Mit anderen Worten, das Magnetelement 1 und der Magnetsensor 2 sind relativ zueinander derart angeordnet, dass, wenn der bewegliche Teil 10 innerhalb der z-Richtung verschoben wird, die Änderung des Magnetfelds B am Magnetsensor 2 unter Verwendung des Magnetsensors 2 detektiert werden kann. Das Magnetfeld B wird durch die Feldlinien angezeigt, die in den Magnetsensor 2 eindringen. Das Magnetfeld B(x₀, z) und sein Gradient können berechnet werden. Wenn der bewegliche Teil 10 abgelenkt wird, dann ändert sich das Magnetfeld B am Magnetsensor 2. Die Änderung des Magnetfelds B ist dann proportional zur Ablenkungsamplitude des beweglichen Teils 10. Jedes beliebige Material kann zum Herstellen einer Mikrovorrichtung oder einer Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung verwendet werden. Es kann ein einzelnes Material oder eine Kombination von zwei oder mehreren Materialien sein.
Im Folgenden werden die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung mithilfe eines Beispiels einer Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung beschrieben, die in dem Rastersondenmikroskop verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 2 ist die Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung mit dem Magnetdetektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht dargestellt und zeigt zwei magnetische Abfühleinheiten. Außerdem kann die oben beschriebene 1 als ein vergrößertes Detail von 2 angesehen werden, nämlich an dem Punkt, an dem das Magnetelement 1 und der Magnetsensor 2 angeordnet sind, wodurch die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Teile verwendet werden. Wie in 2 gezeigt, verfügt die Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung über einen Ausleger oder Hebel 10, der hiernach als beweglicher Teil 10 bezeichnet wird, wie in Bezug auf 1 erwähnt. Die genaue Geometrie des beweglichen Teils 10 kann jeden beliebigen Typs sein. Ferner bildet der bewegliche Teil 10 ein dreieckiges freies Ende, an dem eine scharfe Spitze 4 angezeigt wird. Die scharfe Spitze 4 wird normalerweise auf dem Boden positioniert. Außerdem ermöglicht diese scharfe Spitze 4 die Untersuchung oder Verarbeitung einer Probe oder einer Probenoberfläche, welche aus Gründen einer deutlicheren Darstellung nicht in der Zeichnung abgebildet ist- Aus dem beweglichen Teil 10 erstreckt sich ein Befestigungsmittel 14a, 14b, das hier über zwei flexible Schenkel 14a und 14b verfügt, um die Biegung und Torsion des beweglichen Teils 10 zu ermöglichen. Sicherlich kann eine solche Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung ebenfalls mehr als zwei Schenkel haben. In dem Artikel „Piezoresistive cantilever designed for torque magnetometry" von M. Willemin et al. J. Appl. Phys. 83(3), 1163–1170 (1. Feb. 1998) werden Ausleger mit Befestigungsmittel zum Detektieren des Drehmoments in zwei Richtungen, entsprechend der Biegung und Torsion, beschrieben. Jeder flexible Schenkel 14a und 14b umfasst eine Öffnung 15, welche hier ein Schlitz 15 ist, aber sie können auch ein oder mehrere Löcher oder Einschnürungen in jeder beliebigen Form aufweisen, welche die Flexibilität erhöhen. Die beiden flexiblen Schenkel 14a und 14b erreichen einen Trage- oder Befestigungsabschnitt 12, der hiernach als feststehender Teil 12 bezeichnet wird. Der bewegliche Teil 10 auf einer Seite, der feststehende Teil 12 auf der gegenüberliegenden Seite bzw. jeder flexible Schenkel 14a, 14b auf den anderen Seiten definieren eine quadratische Öffnung 16 im Inneren der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung. Die Plattform des beweglichen Teils 10 ist im Wesentlichen starrer als das Befestigungsmittel 14a, 14b, um eine in etwa lineare Beziehung zwischen der Ablenkung der Spitze 4 und dem Mag netelement 1 zu haben, wodurch auf jeder Seite des beweglichen Teils 10 oder im Inneren der Plattform ein solches Magnetelement 1 nahe dem Spalt 13 positioniert ist. Der feststehende Teil 12 wird für Befestigungszwecke verwendet. Neben dem beweglichen Teil 10 und den flexiblen Schenkeln 14a und 14b erstrecken sich der erste Referenzteil 12.1 bzw. ein zweiter Referenzteil 12.2 vom feststehenden Teil 12, wodurch jeder quaderförmige Referenzteil 12.1, 12.2 in dieser Ansicht an seinem freien Ende abgeschrägt ist, um das Ende des beweglichen Teils 10 mit dessen Spitze 4 frei zu lassen. Das freie Ende jedes Referenzteils 12.1, 12.2 erreicht etwa die Hälfte der Länge des beweglichen Teils 10. Jedes Referenzteil 12.1 und 12.2 ist vom beweglichen Teil 10 durch den Spalt 13 getrennt. Der Spalt 13 kann ebenfalls mit einem Fluid oder einem anderen geeigneten Material gefüllt werden. Die Referenzteile 12.1, 12.2 sind im Vergleich zum ablenkbaren, beweglichen Teil 10 starr, was für Referenzzwecke von Vorteil ist. Auf jedem Referenzteil 12.1, 12.2 ist ein Magnetsensor 2, der hier ein Hall-Sensor 2 ist, in Richtung des Spalts 13 und des beweglichen Teils 10 angeordnet. Jedes Magnetelement 1, das auf dem beweglichen Teil 10 angeordnet ist, liegt seinem jeweiligen Magnetsensor 2 gegenüber und bildet eine magnetische Abfühleinheit. Das Magnetelement 1 ist derart ausgerichtet, dass ein maximaler Feldgradient unter Verwendung des Magnetsensors 2 detektiert werden kann. Ein Magnetelement 1 und ein Magnetsensor 2 bilden hier zusammen ein magnetisches Ablenkungsdetektionssystem oder Kurzmagnet-Detektionssysteme auf der entsprechenden Seite des beweglichen Teils 10, um gemeinsam die Messung der Biegung und Torsion des beweglichen Teils 10 zu ermöglichen. Dies kann erzielt werden, wenn das Magnetelement 1 und der Magnetsensor 2 relativ zueinander angeordnet sind, so dass, wenn der bewegliche Teil 10 verschoben wird, die Änderung des Magnetfelds am Magnetsensor 2 durch Verwendung des Magnetsensors 2 detektiert wird. Einige Konfigurationen zwischen dem Magnetsensor 2 und dem Magnetelement 1 sind möglich. Das bedeutet, dass verschiedene Alternativen zur Anordnung eines Magnetdetektionssystems, beispielsweise in einer senkrechten Anordnung, zur Verfügung stehen.
Aus Gründen der deutlicheren Darstellung sind keine weiteren Teile einer Messvorrichtung, beispielsweise Drähte, Verarbeitungseinheiten oder Anzeigeeinheiten, ab gebildet, aber die durch die Verwendung des Magnetsensors 2 erhaltenen Informationen sind wie aus dem Stand der Technik bekannt verarbeitbar.
3 zeigt einige graphische Darstellungen der Dipolfeldverstärkung B(x₀, y₀, z) in vier verschiedenen Abständen x₀, wobei x₀ = 5 μm, 15 μm und 25 μm ist. Die Abszisse zeigt den Abstand z in μm an, während die Ordinate das Magnetfeld B(x₀, z) in Tesla anzeigt. Wie gezeigt, verfügt das Feld über eine fast lineare Neigung um z = 0. Sein Wert ist in kürzeren Abständen größer, daher ist es für die höchste Empfindlichkeit von Vorteil, den Magnetsensor nahe genug an dem Magnetelement 1 zu positionieren. Der Magnetsensor 2 sollte also dünn genug sein, also weniger als den Spitzenwert des Spitzenabstands haben, um die Mittelung der positiven und negativen Seite der B(x₀, z)-Kurven zu verhindern.
4 zeigt eine andere Ausführungsform der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung unter Verwendung der mechanischen Verstärkung. Aus Gründen der Einfachheit werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Teile verwendet. Die Konfiguration gemäß 2 kann modifiziert werden, um die Ablenkungsamplitude Δz an der Position des Magnetsensors 2 zu verstärken, der hier kleiner als die Spitzenablenkung ist. Der allgemeine Ansatz und somit der Hauptunterschied zu 2 ist die Verlängerung des beweglichen Teils 10 mit einem freien Schenkel oder Hauptträger 10.1 in der entgegengesetzten Richtung, also in Richtung des feststehenden Teils 12. Ein erste Länge L₁ zeigt den Teil des beweglichen Teils 10 an, der vom feststehenden Teil 12 vorsteht und demgegenüber zeigt eine zweite Länge L₂ den Teil des beweglichen Teils 10 an, der hier Hauptträger 10.1 genannt wird, welcher in den feststehenden Teil 12 vorsteht. Der bewegliche Teil 10 ist an dem feststehenden Teil 12 mithilfe von flexiblen Schenkeln 14a, 14b angebracht. Das Verhältnis des jeweiligen Längen L₂ und L₁ können auf mehr als 1 sein. Das Magnetdetektionssystem ist am Ende dieses Hauptträgers 10.1 angeordnet. Neben dem Magnetelement 1 sind zwei Magnetsensoren 2 auf dem feststehenden Teil 12 angeordnet, der hier die Funktion des Referenzteils übernimmt, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und die Torsion zu detektieren. Das Magnetelement 1 wird erneut von den beiden Sensoren 2 durch den Spalt 13 getrennt. Der Ansatz eignet sich besonders für den Kontaktmodus. Der Hauptträger 10.1 sollte verglichen mit dem anderen Teil des beweglichen Teils 10 starr sein, um die z-Bewegung oder -ablenkung der Spitze 4 korrekt an das Magnetdetektionssystem zu übertragen. Die mechanische Verstärkung ist durch R = L₂/L₁ mit L₂ > L₁ gegeben. Die mechanische Verstärkung kann verwendet werden, um die Empfindlichkeit durch Anpassen der entsprechenden Länge L₂ oder L₁ an die Anwendung weiter zu steigern. Ein weiterer Vorteil des Positionierens des Magnetelements 1 und des Magnetsensors 2 in einiger Entfernung zur Spitze 4 ist, dass die Wechselwirkung mit der Oberfläche minimiert wird, die magnetisch oder nichtmagnetisch sein kann.
Ein zusätzlicher Weg zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Magnetdetektionssystems ist natürlich die Anhebung der Sensorenanzahl 2, um ein größeres Ausgangssignal zu haben. Dies kann beispielsweise durch Erstellen einer Anordnung auf einer Kammstruktur, wie in der folgenden Zeichnung gezeigt, erzielt werden.
5a zeigt eine Ausführungsform, welche mehrere magnetische Abfühleinheiten für eine verbesserte Empfindlichkeit verwendet, wobei nur die relevanten Teile mit dem Magnetdetektionssystem der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung dargestellt sind. Die vorstehenden Teile, also das freie Ende mit der Spitze, sind aus Gründen der Einfachheit nicht abgebildet und sind daher nur durch Strichpunktlinien angezeigt. Die zuvor erwähnten Ausführungsformen können sich darin voneinander unterscheiden, dass das Ende des beweglichen Teils 10 oder des Hauptträgers 10.1 in einer meanderförmigen Form endet. Die Verwendung irgendeiner anderen geeigneten Form ist ebenfalls möglich. Der Meander trennt den beweglichen Teil 10 vom feststehenden Teil 12 durch den Spalt 13. Wie oben erwähnt, ist der feststehende Teil 12 im Vergleich zum beweglichen Teil 10 starr, um als Referenz zu dienen. Wie anhand der Draufsicht ersichtlich, ist ein einziges Magnetelement 1 in jedem Vorsprung des Meanders innerhalb einer Reihe angeordnet. Demgegenüber sind in jedem entsprechenden Gegenstück Magnetsensoren 2 an dem feststehenden Teil 12 innerhalb einer Reihe positioniert. Neben dem Ende des beweglichen Teils 10 ist ein Sensor 2.1 auf der linken Seite und auf der anderen Seite ein Sensor 2.2 auf der rechten Seite auf dem feststehenden Teil 12 positioniert. Die Magnetausrichtung der Magnetelemente 1 sollte in einer durch einen Pfeil angedeuteten geeigneten Weise innerhalb der Magnetelemente 1 in 5a angeordnet sein, um negative gegenseitige Einflüsse zu vermeiden, wodurch N für Nordpol oder „+" und S für Südpol oder „–" steht.
Die in 5a gezeigte Anordnung ermöglich die Verbesserung des Ausgangssignals oder -empfindlichkeit durch Multiplizieren der magnetischen Abfühleinheiten.
5b zeigt eine weitere Ausführungsform, welche mehrere magnetische Abfühleinheiten für eine verbesserte Empfindlichkeit verwendet, wodurch erneut nur die relevanten Teile der Untersuchungs- und/oder Verarbeitungsvorrichtung dargestellt sind. Die Ausführungsform unterscheidet sich darin, dass das Ende des beweglichen Teils 10 in einer rechteckigen Form endet. Mehrere Magnetelemente 1 sind innerhalb einer Reihe an dem Ende des beweglichen Teils 10 angeordnet. Demgegenüber sind mehrere Magnetsensoren 2 ebenfalls innerhalb einer Reihe an dem feststehenden Teil 12 angeordnet. Beide Reihen sind durch den Spalt 13 getrennt, aber die Reihen sind so angeordnet, dass jedes Magnetelement 1 direkt gegenüber einem entsprechenden Magnetsensor 2 liegt. Wie oben erwähnt, sollten die Magnetelemente 1 in geeigneter Weise angeordnet sein, um die angrenzende magnetische Abfühleinheit nicht negativ zu beeinflussen.
Jede offenbarte Ausführungsform kann mit einer oder mehreren der anderen gezeigten und/oder beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden. Dies ist ebenfalls für ein oder mehrere Merkmale der Ausführungsformen möglich.

Claims

Magnetische Abfühleinheit zum Messen von Verschiebungen zwischen einem beweglichen Teil (10) und einem feststehenden Teil (12) einer Mikro-Vorrichtung, umfassend ein Magnetelement (1) mit einem Magnetfeld, und einen Magnetsensor (2), wobei das Magnetelement (1) auf dem beweglichen Teil (10) und der Magnetsensor (2) auf dem feststehenden Teil (12) angeordnet sind oder der Magnetsensor (2) auf dem beweglichen Teil (10) und das Magnetelement (1) auf dem feststehenden Teil (12) befestigt sind, wobei der Magnetsensor (2) und/oder das Magnetelement (1) ein einstückiger Teil der Mikro-Vorrichtung sind, wobei das Magnetelement (1) und der Magnetsensor (2) relativ zueinander so angeordnet sind, dass, wenn der bewegliche Teil (10) verschoben wird, die Änderung des Magnetfelds am Magnetsensor (2) durch die Verwendung des Magnetsensors (2) detektierbar ist, und wobei das Magnetelement (1) und der Magnetsensor (2) im Inneren der Mikro-Vorrichtung so angeordnet sind, dass eine mechanische Verstärkung die Empfindlichkeit der magnetischen Abfühleinheit erhöht.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch der bewegliche Teil (10) in den feststehenden Teil (12) der Mikrovorrichtung vorragt.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch der bewegliche Teil (10) und der feststehende Teil (12) in derselben Ebene angeordnet sind und vom beweg lichen Teil (10) mehr an Länge in den feststehenden Teil (12) vorragt als vom feststehenden Teil (12) vorsteht.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch das Magnetelement (1) eine Magnetschicht (1) umfasst, die vorzugsweise aus einem hartmagnetischen Material ist.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch der Magnetsensor (2) ein Hall-Sensor, ein Magnetotransistor, eine Magnetodiode oder ein Riesen-Magnetwiderstandsensor ist.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch der Magnetsensor (2) so angeordnet ist, dass der Magnetsensor (2) und einen nachfolgende Messvorrichtung zur Bestimmung eines Feldgradienten des Magnetfelds sind.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch der bewegliche Teil (10) am feststehenden Teil (12) durch Befestigungsmittel (14a, 14b), vorzugsweise durch einen Schenkel, befestigt ist, und das Befestigungsmittel (14a, 14b) die freie Verschiebung des beweglichen Teils (10) ermöglicht.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 7, wodurch die Befestigungsmittel (14a, 14b) eine Öffnung (15) oder eine Verengung umfassen.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch die Mikrovorrichtung eine Vielzahl an beweglichen Teilen umfasst und an jedem beweglichen Teil zumindest ein Magnetelement (1) und zumindest ein Magnetsensor (2) vorliegt.
Magnetische Abfühleinheit nach Anspruch 1, wodurch das Magnetelement (1) und der Magnetsensor (2) durch einen meanderförmigen Spalt (40) voneinander getrennt sind.
Magnetische Abfühleinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche Teil einer mikromechanisch hergestellten Vorrichtung, wie etwa einem Ausleger oder einem fliegenden Magnetkopf einer Speichervorrichtung, ist.
Untersuchungs- und/oder Manipulationsvorrichtung für eine Probe, umfassend einen beweglichen Teil (10) mit einem freien Ende mit einer Spitze (4), wobei der bewegliche Teil (10) an einem feststehenden Teil (12) befestigt ist; ein Magnetelement (1) mit einem Magnetfeld, einen Magnetsensor (2), wobei das Magnetelement (1) auf dem beweglichen Teil (10) und der Magnetsensor (2) auf dem feststehenden Teil (12) angeordnet ist oder der Magnetsensor (2) auf dem beweglichen Teil (10) und das Magnetelement (1) auf dem feststehenden Teil (12) angeordnet ist; wobei der Magnetsensor (2) und/oder das Magnetelement (1) ein einstückiger Teil des Auslegers sind, wobei das Magnetelement (1) und der Magnetsensor (2) relativ zueinander angeordnet sind, so dass, wenn der bewegliche Teil (10) verschoben wird, die Änderung des Magnetfelds am Magnetsensor (2) unter Verwendung des Magnetsensors (2) detektierbar ist, und wobei das Magnetelement (1) und der Magnetsensor (2) im inneren der Vorrichtung so angeordnet sind, dass eine mechanische Verstärkung die Empfindlichkeit der Vorrichtung erhöht.
Untersuchungs- und/oder Manipulationsvorrichtung nach Anspruch 12, wodurch zumindest ein Magnetelement (1) und zumindest ein Magnetsensor (2) zur Detektion der Biegung und/oder Drehung des beweglichen Teils (10) positioniert sind.