BG113896A - Мостов микромеханичен прибор с еластични елементи и метод за детекция с прибора - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до силициеви микромеханични прибори с еластични елементи, използващи мостова схема от резистори за формиране на напрежителен сигнал в отговор на външно въздействие с неизвестни характеристики, което се цели да бъде изследвано и/или анализирано. Съгласно изобретението, микромеханичният прибор (1) включва недеформируемо тяло (2), от което се разпростира плоска микроконзола (3). Микроконзолата (3) има еластичен елемент (4), върху чиято горна повърхност е разположен слой (5) от електроизолиращ материал. Приборът (1) е снабден с оформени на повърхността силно легирани области (6), между които са разположени както активни пиезорезистори (7j) върху еластичния елемент (4), така и поне един пасивен резистор (8k) върху недеформируемото тяло (2), към които са оформени подходящи електрически връзки (9). Поне един от пасивните резистори (8k) допълнително е снабден и с електропроводящ елемент (Gk), с помощта на който може локално да се променя електрическото напрежение Vk в областта на тялото (2), в която той е разположен. По този начин, за формирането на напрежителен сензорен сигнал се използват както поне един активен пиезорезистор, който е вграден в еластичен елемент и чиято стойност зависи от споменатото външно въздействие, така и пасивни резистори, чиято стойност не зависи от същото въздействие, но може да бъде контролирана по независим метод съгласно това изобретение. Съгласно изобретението, микромеханичните прибори се използват в метод за детекция, и/или измерване и мониторинг директно или чрез използване на съответни преобразуватели, на множество въздействия, като: сили с различен произход, премествания, вибрации и ускорение в различни направления, налягане, поток и др. параметри или техните смущения, за различни приложения, включително аналитични изследвания и измервания, и/или обработка на свръхмалки структури, за да се изследват специфични свойства или обработка със суб-атомна разделителна способност, точност и увеличен динамичен диапазон.

Description

МОСТОВ МИКРОМЕХАНИЧЕН ПРИБОР С ЕЛАСТИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ И МЕТОД ЗА ДЕТЕКЦИЯ С ПРИБОРА

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Настоящото изобретение се отнася до силициеви микромеханични прибори е еластични елементи, използващи мостова схема от резистори за формиране на напрежителен сигнал в отговор на външно въздействие с неизвестни характеристики, което се цели да бъде изследвано и/или анализирано. По-конкретно, за формирането на напрежителен сензорен сигнал се използват както поне един активен пиезорезистор, който е вграден в еластичен елемент и чиято стойност зависи от споменатото външно въздействие, така и пасивни резистори, чиято стойност не зависи от същото въздействие, но може да бъде контролирана по независим метод съгласно това изобретение. Микромеханичните прибори от изобретението са приложими и в метод за детекция, и/или измерване и мониторинг директно или чрез използване на съответни преобразуватели, на множество въздействия, като: сили с различен произход, премествания, вибрации и ускорение в различни направления, налягане, поток и др. параметри или техните смущения, за различни приложения, включително аналитични изследвания и измервания, и/или обработка на свръхмалки структури, за да се изследват специфични свойства или обработка със суб-атомна разделителна способност, точност и увеличен динамичен диапазон. Микромеханичните прибори, като част от различни специализирани апарати, ще намерят приложение в различни области за изследване, производство и контрол на съвременни продукти, където развитието на съответните процеси ще бъде ускорено със значително въздействие върху множество други области, осигурявайки намаляване на разходите за материали и енергия.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Сегашното развитие на областите на техниката и съвременните технологии е немислимо без наличието на съответните специализирани средства и методи за измерване, наблюдение и контрол. Един такъв клас съвременни специализирани технически средства, методи и подходящи техники, са атомно-силовите микроскопи (ACM), използващи показаните на Фиг. 1 микро-конзолни сензори 1. Сензорите 1 съдържат масивно тяло 2, от което се разпростира поне една тънка плоска микроконзолна структура 3 с дебелина de в направление Z и дължина L в направление Y. Микроконзолната структура 3, наричана по-нататък също така „микроконзола“, обичайно съдържа плосък еластичен елемент 4 от силиций или друг материал е подходящи електрически и еластични свойства, върху който по избор е разположен тънък слой 5 отелектроизолиращ материал, като силициев диоксид, силициев нитрид или друг подобен материал. В масивното тяло 2 и в плоския елемент 4 от силиций, в равнината на горната повърхност и под слоя 5 са формирани множество контактни области 6, които са получени с локално легиране, обичайно е висока концентрация на подходящи легиращи примеси, което е инверсно на легирането на споменатите тяло 2 и елемент 4. Между едни двойки избрани контактни области 6, разположени в еластичния елемент 4, са вградени един или множество планарни чувствителни пиезорезистори 7/, имащи по същество еднаква дебелинаXj, чиято стойност на съпротивлението се променя в зависимост от механичното напрежение в областта на тяхното разполагане в зоната близо до фиксирания край на еластичния елемент 4. Между други избрани двойки контактни области 6, на горната повърхност на недеформируемото тяло 2 са вградени пасивни резистори 8а, чиято

- 1 стойност на съпротивлението не се променя при изменение на механичното напрежение в еластичния елемент 4 и стойностите на техните електрически съпротивления са по същество еквивалентни на съпротивленията на активните пиезорезистори 7/ в елемента 4, когато са в недеформирано състояние. Споменатите елементи - пиезорезистори lj и резистори 8*, се припокриват частично със съответни двойки области 6, формирани са с легиране с подходяща концентрация, която е по-ниска от тази на областите 6, и типа на легирането също е инверсно на легирането на тялото 2 и елемента 4. А чрез използването на подходящи метални връзки 9 пиезорезисторите 7/ и резисторите 8& са свързани галванично, както в мостова схема 10 от четири съпротивителни елемента, показана на Фиг. 2, така и към външни устройства. Обичайно, дебелината de на тънката плоска микроконзола 3 е в диапазона от около 0.5 цт до над 20 цт, за предпочитане от 0.7 pm до 10 pm, дължината Lee диапазона от около 10 pm до над 600 pm и ширината W в направлението X, непоказана на фигурата, е в диапазона от около 2 pm до около 250 pm. Така, когато всичките четири елемента 7/ и 8^ са свързани електрически в пълна мостова конфигурация и мостът е захранен с напрежение V_cc, генерират в положение, свободно от въздействия, сигнал \ offset, чиято стойност е близка до или равна на нула. При работа както в статичен, така и в динамичен (на осцилация) режим, елементите генерират изходен сигнал Nout, съответстващ на моментния отклик на еластичния елемент 4 на външното въздействие.

Напрежителните сигнали от тези сензори, когато са използвани в съответни уреди и апарати, позволяват извършването както на измервания и анализи в реално време, така и на база данните от сензорите, осъществяването на последващи обработки на изследваните обекти с разделителна способност, сравнима или по-добра от размера на атомите.

Друг такъв клас известни съвременни технически средства, методи и подходящи техники, използващи микроконзолни сензори 1, са уреди за установяване на химичен състав на флуиди - газове или течности, както и за наличието и концентрацията на предварително избрани вещества в тези флуиди. При тях, както е известно на специалистите в областта, захващането на една или множество микро/нано-размерни целеви частици, като например химически вещества, микробиологични обекти и др., на повърхността на микроконзола 3 посредством функционализиращо покритие, непоказано на фигурата, предизвиква нейното огъване. Това огъване води до промяна на стойността на съпротивлението на поне един пиезорезистор 7 в статичен режим или промяна на характеристиките на електрически сигнал, генериран при хармонична осцилация на микроконзолата 3 в динамичен режим. Обичайно, в такива приложения микроконзолите 3, са множество, като стойностите в недеформирано положение както на вградените в тях пиезорезистори 7/, така и по избор, на пасивните резистори 8* вградени в масивното тяло 2, са по същество еднакви, въпреки факта, че различните еластични елементи могат да са с отличаващи се параметри.

Видът и броят на множеството микроконзоли 3, в микромеханичен прибор 1 са избрани в зависимост от конкретното приложение и по избор са по същество с еднакви или контролируемо отличаващи се параметри, при което всеки един от свързаните в напрежителен мост пиезорезистори 7/ променя стойността си в зависимост от моментното положение и движението на съответния еластичен елемент 4/, в който е вграден. Допълнително, всеки два избрани пиезорезистора 7/ и 1_т могат да бъдат така електрически свързани, че по желание, генерираните от тях сигнали да се усилват или компенсират, в зависимост от конкретното приложение.

- 2Въз основа на този принцип, пиезорезистивни сензори, реагиращи директно или чрез преобразувател на различни външни въздействия или на техните смущения, като: сила от всякакъв характер, преместване, въртящ момент, вибрации/трептения, ускорения, тегло, поток и т. н., са масово прилагани в практиката през последните десетилетия.

Обща характеристика на гореописаните микроконзолни сензори е, че планарните чувствителни елементи са вградени в съответен плосък еластичен елемент и реагират на неговото отклонение в ортогонална посока на горната повърхност, генерирайки електрически сигнал, без да са необходими допълнителни компоненти. Това улеснява интегрирането им в по-сложни прибори и осигурява работата на съответните устройства и апарати, предоставяйки допълнителни предимства и функционалности, които са били недостижими с техните алтернативи.

Въпреки предимствата на микроконзолните микросензори, те имат недостатъци, като: Напрежението на отместване без външно въздействие Voffset когато стойността му се отличава значимо от нула, ограничава усилването на сигнала, което води до необходимостта от компенсиране на този параметър с допълнителни външни елементи или като се използват специфични допълнителни схемни решения;

Полезното усилване на сигнала Nout се ограничава от шумовете в сензорните елементи и в електрическата верига, която ги свързва в мостова схема и с външни устройства;

Микроконзолните сензори в динамичен режим са практически неприложими в течности, което ограничава използването им до статична детекция в среда с висок вискозитет.

Ето защо, има необходимост от нови и усъвършенствани микросензори, с които да се постигне разширяване на тяхната функционалност и надеждно приложение, включително и в нови области, в това число за използване в течности, при по-нататъшно подобряване на тяхната чувствителност и намаляване на шумовете.

КРАТКО ОПИСАНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Мостовият микромеханичен прибор съгласно настоящото изобретение (наричан тук също микромеханичен прибор), включва недеформируемо тяло, от което се разпростира плоска микроконзола, снабдена с еластичен елемент, върху чиято горна повърхност е разположен слой от електроизолиращ материал. Върху повърхността на микромеханичния прибор са оформени силно легирани области, между които са разположени активни пиезорезистори върху еластичния елемент, и поне един пасивен резистор върху недеформируемото тяло, при което към всички резистори са оформени подходящи електрически връзки. Съгласно изобретението, поне един от пасивните резистори допълнително е снабден и с електропроводящ елемент, а между пасивния резистор и електропроводящия елемент е поместен слой от електроизолиращ материал. Взети заедно, поне единият пасивен резистор, снабден с електропроводящ елемент и електроизолиращия материал образуват съставен елемент с управляемо и контролируемо напрежение, а съставният елемент и активните пиезорезистори са свързани заедно в пълна мостова схема.

В един вариант на изобретението микромеханичният прибор съдържа върху долната повърхност на еластичния елемент в областта на свързването му с недеформируемото тяло, поне един допълнителен активен пиезорезистор, поместен също между двойки силно легирани области. Поне двата активни пиезорезистора са разположени един над друг и са диференциално свързани.

В друг вариант на изобретението еластичният елемент е направен от силиций, а разположеният върху него слой от електроизолиращ материал, за предпочитане е

3еднороден е електроизолиращия слой, поместен между пасивния резистор и електропроводящия елемент, при което дебелините на споменатите слоеве по избор могат да бъдат еднакви или различни.

В следващ вариант, микромеханичният прибор е допълнително адаптиран за конкретно изследване с функционализиращи елементи, представляващи повърхностен адхезионен слой, разположен върху еластичния елемент, или сондов елемент.

Изобретението се отнася също до метод за детекция с микромеханичен прибор, който включва следните етапи:

- първоначално установяване на напреженията \к на споменатия микромеханичен прибор, адаптиран за съответното изследване с подходящ функционализиращ елемент, при които се постига минимална стойност на напрежението на отместване \_Offset в начално положение без въздействие, при максимално усилване на сигнала и при известни стойности на параметрите на средата/условията, в които ще протече детекцията;

- така подготвеният микромеханичен прибор е компенсирано напрежение ^offset се експонира на изследваното въздействие и генерираните изходни сигнали се компенсират автоматично до ниво Noffset, чрез подаване на поне едно напрежение Nk на поне един електрод Ga, а стойностите на напреженията Va се измерват и записват заедно с останалите параметри на измерването;

- получените данни от изследването се обработват и анализират.

Във вариант на метода съгласно изобретението, при първоначалното установяване на напреженията Va на споменатия микромеханичен прибор, постижимата минимална стойност на напрежението на отместване \ offset в начално положение без въздействие, съответства на нивото на шумовете.

ПОЯСНЕНИЯ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

Фигура 1 е надлъжно сечение на обичаен микромеханичен прибор с недеформируемо тяло с поне един планарен пасивен резистор, и еластичен елемент микроконзола е поне един активен планарен пиезорезистор, съгласно нивото на техниката.

Фигура 2 показва една конфигурация на два активни пиезорезистора и два пасивни резистора свързани в пълен мост, съгласно нивото на техниката.

Фигура 3 е надлъжно сечение на микромеханичен прибор съгласно настоящото изобретение, с недеформируемо тяло, с поне един пасивен съставен елемент, и еластичен елемент конзола е поне един активен пиезорезистор.

Фигура 4 показва друга конфигурация на два активни пиезорезистора и два съставни елемента, свързани в пълен мост, съгласно настоящото изобретение.

Фигура 5 е надлъжно сечение на микромеханичен прибор съгласно настоящото изобретение, с оформен алтернативно тънък слой функционализиращо покритие или сондов елемент за атомно-силова микроскопия.

Фигура 6 е надлъжно сечение на микромеханичен прибор с недеформируемо тяло с два съставни планарни резистора, и еластичен елемент конзола със срещуположно двустранно разположена двойка активни пиезорезистори, съгласно настоящото изобретение.

Фигура 7 показва конфигурация на пълен мост от два напрежителни делителя, съставени съответно от два двустранно, срещуположно разположени активни пиезорезистора и от два пасивни съставни резистора, съгласно настоящото изобретение.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

- 4Пример 1 - прибор с едностранно разположени пиезорезистори

Съгласно настоящото изобретение, един вариант на мостов микромеханичен прибор 1 е показан на Фиг. 3. Микромеханичният прибор 1 е от класически тип и включва недеформируемо тяло 2, от което се разпростира плоска микроконзола 3. Микроконзолата 3 има еластичен елемент 4, направен от силиций, върху чиято горна повърхност е разположен слой 5 от електроизолиращ материал. Обичайно, микромеханичният прибор 1 е снабден с оформени на повърхността силно легирани области 6, между които са разположени както активни пиезорезистори 7, върху еластичния елемент 4, така и поне един пасивен резистор 8а върху недеформируемото тяло 2, към които са оформени подходящи електрически връзки 9.

Съгласно изобретението, поне един от пасивните резистори 8а, допълнително е снабден и с електропроводящ елемент Gk, с помощта на който може локално да се променя електрическото напрежение Ук в областта на тялото 2, в която той е разположен. Резисторът 8а и елементът Gk са разделени от слой електроизолиращ материал 5', който за предпочитане е еднороден със слоя 5 и чиято дебелина по избор е може да бъде еднаква или да се отличава от неговата дебелина. Заедно, елементите 8а, 5' и Gk, формират „съставен елемент“ 1 1а.

Както е известно на специалистите в областта, тъй като материалът на тялото 2 е полупроводник, чрез изменение на електрическото напрежение Ук на елемента Gk, се променя стойността на съпротивлението на съответния резистор 8а. Разкритият тук съставен елемент 1 1а с управляема стойност на съпротивлението, е използван в микромеханичния прибор 1 съгласно настоящото изобретение при формирането на пълна мостова схема, в която са свързани споменатите съставни елементи 1 1а заедно с активни пиезорезистори 7/

Интервалът на промяна на стойността на съпротивлението на споменатия съставен елемент 1 1а зависи от параметрите на слоевете, от които той е изграден, и от стойността на приложеното напрежение Va. Един параметър на съставния елемент 11а, от който се определя интервала на промяната на стойността на съпротивлението на пасивния резистор 8а, е дебелината на електроизолиращия слой 5', който в този пример е разположен между електрода Ga и самия резистор 8а. За предпочитане е тази дебелина да е минимална, тъй като амплитудата на промяната на стойността на съпротивлението зависи обратно пропорционално от нея. От друга страна, пределната стойност на напрежението Va, което може да бъде безопасно подадено на електрода Ga на микромеханичния прибор I, се увеличава с нарастване на дебелината на слоя 5'. Ето защо, микромеханичният прибор 1 е подбран с такава локална дебелина на слоя 5' в съставния елемент На, че да съответства на приложението му и тази локална дебелина може да се отличава от, или е равна на дебелината на слоя 5 в останалите области на микромеханичния прибор 1.

С помощта на електропроводящи връзки 9, активните пиезорезистори 7j и пасивните съставни резистори На са свързани в пълен напрежителен мост 10, показан на Фиг. 4, който при подадено захранване У_Сс в състояние без въздействие, генерира напрежение У offset, а при въздействие - изходно напрежение У out. Така, разликата AV = У_ои1 - У offset, съответства на отклика на микромеханичния прибор 1 на изследваното въздействие.

Съгласно настоящото изобретение, микромеханичният прибор 1 съдържа поне един пасивен съставен елемент 1 1а, приспособен да бъде настройван и настроената стойност на съпротивлението да бъде управляема и контролируема, при което тази стойност не

- 5зависи от външното въздействие върху еластичния елемент 4. По този начин пасивният съставен елемент 1 1*, посредством прилагане на подходящо електрическо напрежение V* на електрод Gk, осигурява компенсиране до предпочитана ниска стойност, например IpV или друга подобна постижима ниска стойност, както на напрежението на отместване Voffset в състояние без въздействие, така и на изходното напрежение \_ош на пълния мост 10, при работа. В най-предпочитаното изпълнение на този вариант на изобретението, микромеханичният прибор 1 съдържа два пасивни съставни елемента 11* с независимо контролируема стойност на съпротивленията на резисторите 8*, осигурени чрез две напрежения V* на електродите G*.

Така неочаквано се оказа, че при работа, чрез подаване на напрежение V*, което е в предварително известен интервал, на поне един електрод О*на съставен елемент 11*, е осигурено компенсиране на напрежението на пълния мост 10 до предварително установена стойност Voffset, без използване на допълнителен външен елемент - актюатор или друг подходящ подобен елемент.

По този начин описаният микромеханичен прибор 1 може да намери приложение за детекция наличието на целево вещество или обекти. За целта, по избор микромеханичният прибор 1 може да бъде адаптиран за конкретното изследване, като допълнително върху горната повърхност на еластичния елемент 4, както е показано на Фиг. 5, е оформен функционализиращ елемент, в случая, е нанесен допълнително тънък слой от адхезивно вещество 12, способно да захваща селективно друго вещество или обект, да го задържа (свързва) и натрупва, при което се променя огъването на елемента 4. Това огъване се регистрира, което е индикация за наличието на целево вещество или обекти. Такива двойки вещества с висока селективност на свързване, са например антитела и шипови протеини (S-протеини) на патогени, био-маркери, и други подобни и известни на специалистите в областта.

В друго, особено предпочитано приложение, микромеханичен прибор 1 е приложим за извършване на анализ по метода на атомно-силова микроскопия на повърхността на обект. И в това изпълнение микромеханичният прибор 1 е адаптиран, като върху горната му повърхност, показано на Фиг. 5, допълнително е оформен подходящ, съответен функционализиращ елемент, в случая, сондов елемент 13 с остър връх, означен с пунктир на фигурата.

Освен посочените примери за изпълнения, микромеханичните прибори 1 могат да бъдат снабдени и с други, един или повече функционализиращи елементи, подходящо подбрани за изследване на съответното целево въздействие, като например: нагревателни елементи с разнообразни свойства, локални електропроводящи или електроизолиращи покрития, локални покрития с магнитни свойства, твърди покрития, елементи с локализирана маса и други подобни, известни на специалистите в областта на измерванията и анализите.

Аналогично, освен в микромеханични прибори 1 с еластични елементи, които използват пълна мостова схема, съставен елемент 11, е приложим и в микромеханични прибори, в които са вградени напрежителни делители, които не са свързани в пълна мостова схема.

Пример 2 - прибор с двустранно разположени пиезорезистори

В друг вариант на мостов микромеханичен прибор 1, съгласно това изобретение, показан на Фиг. 6, за предпочитане, тялото 2 и еластичният елемент 4 са разделени от допълнителен електроизолиращ слой 14. При това, еластичният слой 4 включва поне един допълнителен пиезорезистор 7', с помощта на който се постига оптимална чувствителност към огъване на микроконзола 3. За целта се използват двойки активни

- 6пиезорезистори 7 и 7', разположени съответно върху двете повърхности - горна и долна, на участък от еластичния елемент 4, в областта на свързването му е тялото 2. Такива двойки пиезорезистори 7 и 7', които са разположени един над друг и са диференциално свързани, осигуряват ниска температурна чувствителност и намалено ниво на шумовете на генерираните от тях сигнали. Освен активните пиезорезистори 7 и 7', на повърхността на недеформируемото тяло 2 са разположени и два пасивни резистора 8t, к = 1, 2. Аналогично на предишния пример, активният пиезорезистор 7 върху елемента 4 и всеки от пасивните резистори 8t, са разположени между съответни двойки силно легирани области 6 оформени на горната повърхност, към които са оформени подходящи електрически връзки 9. Съответно, активният пиезорезистор 7' на долната повърхност на еластичния елемент 4, също е разположен между съответна двойка силно легирани области 6' снабдени е електрически връзки 9, непоказани на Фиг. 6.

Специфично за този пример, чрез припокриване на съответните области 6 и 6', двата отдалечени от тялото 2 края на пиезорезисторите 7 и 7' са свързани последователно в напрежителен делител.

И в този вариант на настоящото изобретение, поне един от двата пасивни резистора 8t, снабден е тънък електроизолиращ слой 5' и допълнителен елемент Gt, както е обозначено на Фиг. 6, е част от съставен елемент 1It.

Съответно, както активните пиезорезистори 7 и 7', така и пасивните съставни резистори 1 It, поотделно са свързани в напрежителни делители, които допълнително са свързани в електрически пълен напрежителен мост, показан на Фиг. 7. Това осигурява при зададен потенциал на делителя от активните пиезорезистори 7 и 7', чрез поне едно напрежение Vt на електродите Gt, к = 1, 2 да се задава желана стойност на изходното напрежение V₀«t, в това число, неговото компенсиране до постигнатата в начално положение без ВЪЗДеЙСТВИе, СТОЙНОСТ VoffsetАналогично на предишния пример, интервалът на промяна на стойността на съпротивлението на всеки един споменат съставен елемент 1 It, зависи от параметрите на слоевете, от които той е изграден и от стойността на приложеното напрежение Vt. Отново, един параметър на съставния елемент I It, по който се подбира микромеханичен прибор 1 с подходящ интервал на промяната на стойността на съпротивлението на пасивния резистор 8t, е локалната дебелина на диелектрика 5', който е разположен между електрода G, и самия резистор.

В най-предпочитаното изпълнение на този вариант на изобретението, микромеханичният прибор 1 съдържа два пасивни съставни елемента 1 It, свързани в напрежителен делител, с независимо контролируема стойност на съпротивленията на резисторите 8t, осигурена чрез напреженията Vt на двата електрода Gt, които обичайно са с инверсна полярност.

Пример 3 - метод за детекция на патогени

Настоящото изобретение се отнася и до метод за детекция в статичен режим на малки отклонения при въздействие, предизвикано от взаимодействие на мостов микромеханичен прибор 1 от изобретението, с предварително избрани обекти.

Най-общо, методът за детекция включва следните три етапа:

1. Първоначално установяване на напреженията Vt на споменатия мостов микромеханичен прибор от настоящото изобретение, адаптиран за съответното изследване с подходящ функционализиращ елемент, при известни стойности на параметрите на средата/условията, в които ще протече детекцията, като се определя

- 7 постижимата минимална стойност на напрежението на отместване У offset в начално положение без въздействие при максимално усилване на сигнала;

2. Така подготвеният мостов микромеханичен прибор с компенсирано напрежение У offset се експонира на изследваното въздействие. В резултат на въздействието се генерират изходни сигнали У_ош, които се компенсират автоматично до ниво У offset, чрез подаване на поне едно напрежение Ук на поне един електрод Gk. Стойностите на напреженията Ук се измерват и записват, напр. хронологично или по друг признак, заедно с останалите параметри на изследването;

3. Получените данни от изследването се обработват и анализират съответно.

В един вариант на изпълнение на метода за детекция с мостов микромеханичен прибор 1 от това изобретение се използва микромеханичен прибор 1, адаптиран със съответен за конкретното изследване функционален слой 12, както е показано на Фиг. 5. Методът включва следните етапи:

1. Първоначално установяване на напреженията Ук на подходящо адаптирания за изследването мостов микромеханичен прибор 1 с функционален слой 12 от изобретението, в начално положение без въздействие, като за целта се определя чрез компенсиране и измерване, постижимата минимална стойност на напрежението на отместване У offset, което зависи от нивото на шумовете и усилването на сигнала. За целта се изпълняват следните стъпки:

1.1. Най-напред, микромеханичният прибор 1 с нанесен функционализиращ слой 12, се захранва по напрежение У_Сс, например 1 V или друга подходяща стойност и се измерва стойността на началното напрежение на отместване У offset',

1.2. След това, сигналът У offset се усилва по напрежение с коефициент на усилване к, така, че полученият сигнал да съответства на спецификациите на използваните допълнителни уреди и апаратура за детекция на обектите за специфичното приложение на микромеханичния прибор 1;

1.3. От стойността на усиленото напрежение У offset, се определят стойностите и полярността на поне едно напрежение Ук на поне един електрод Gk, к = 1, 2, показани на Фиг. 4, с което се постига максимално достижима компенсация на споменатото напрежение на отместване У offset, например <1 pV или друга подобна ниска стойност. Когато е необходимо, за компенсация на напрежението У offset, се инвертира полярността на напрежението Ук на поне един електрод Gk.

1.4. Когато е необходимо или се желае повишаване на чувствителността, процедурата за компенсация на усиленото напрежение на отместване У offset с коефициент к', като к' > к, се повтаря изпълнението на стъпки 1.2 и 1.3 до достигане на максимален полезен коефициент на усилване к'. Практически достижимата стойност на компенсация на напрежението на отместване У offset се определя при установена максимална стойност за коефициента к'. Съответно, състоянието на микромеханичния прибор 1 се характеризира с пет параметъра, стойностите на които се записват: един коефициент к' и четири напрежения: У_Сс, две напрежения Ук, и У offset',

1.5. След това, микромеханичният прибор I за селективна детекция се поставя в съд, съдържащ само среда за изследването, параметрите на която като: разтворител, температура, скорост на потока и други подобни, са известни и идентични с тези, които ще бъдат използвани при изследването. При промяна на стойността на напрежението на отместване У offset, се повтаря стъпка 1.3;

1.6. По избор, изпълнението на стъпка 1.5, се повтаря и при други избрани параметри на средата - температура, поток на средата или подобни, при които допълнително ще се провеждат измервания, като се записват, както другите стойности на избраните параметри на средата, така и съответните при тези условия стойности на параметрите к', V_cc, две напрежения V*, и N offset,

1.7. След това се преминава към етап 2.

2. Експониране на така подготвения в етап 1 микромеханичен прибор 1, на въздействие и измерване на сигналите при въздействието:

2.1. Мостовият микромеханичен прибор 1 се експонира на разтвор, който се цели да бъде проверен дали съдържа целевите вещества или обекти - патогени, био-маркери или други подобни, например чрез пропускане на изследвания разтвор през съда, в който е разположен микромеханичният прибор 1;

2.2. При захващане на обект от функционализиращо покритие, стойността на усиленото изходно напрежение N_Out се променя, което е индикация за наличието на целеви вещества или обекти в разтвора;

2.3. Чрез автоматично подаване на поне едно напрежение Nk на поне един електрод Gk, при фиксирани стойности на захранващото напрежение V_cc, и коефициент на усилване к', се компенсира усиленото напрежение N_Out до стойността на Noffset, като съответните стойности на параметрите к', N_cc, две напрежения Nk, и Voffset, се записват за следваща обработка и анализи;

2.4. В зависимост от спецификата на конкретното измерване, се продължава експонирането на микромеханичния прибор 1 за избран период от време или до изпълнение на друг критерий;

2.5. След изпълнение на избрания критерий, микромеханичният прибор 1 се изважда от разтвора, позиционира се в изходно положение и се третира съгласно процедурата;

2.6. След това, се преминава към изпълнение на етап 3.

3. Обработка на данните от изследването:

3.1. От записаните хронологични данни за стойности на параметрите две компенсиращи напрежения V* при известни стойности на коефициент на усилване к', захранващо напрежение N_Cc, и напрежение на отместване Noffset, се извършват необходимите пресмятания за детектиране наличието на целевия патоген или биомаркер и по избор на неговото количество;

3.2. Обобщените данни се съхраняват и комуникират за следващи анализи.

За предпочитане, в т. 1.3 се определят стойностите на две напрежения Nk, к = 1 и 2, подадени към два електрода Ga, с които се постига максимално достижима компенсация на изходното напрежение N_Out при работа до установеното напрежение на отместване Noffset, например < 1 pV или друга подобна ниска стойност, без да се достига критично висока стойност на всяко от тях поотделно. Тогава обичайно, за абсолютните стойности на напреженията е в сила връзката V/~ N2. Съответно, се променя изпълнението на стъпките на етапи 1 и 2, като те се изпълняват за всяко от напреженията Nk. Също обичайно, за компенсация на напрежението N_Out, полярността на едно от двете напрежения Nk, к = 1 и 2 на електродите Gk, е инвертирана спрямо другото напрежение. При това, при изпълнение на етап 3, сумата V/ + N2 от абсолютните стойности на моментните компенсиращи напрежения Νι на електродите G_z, се интерпретира да съответства на моментното еквивалентно количество захванато вещество или обекти от

- 9функционализиращо покритие 12 на микроконзолата 3. Обичайно, хронологичният запис на спомената сума на абсолютните стойности на напреженията V/ + V2, съответства на динамиката на количеството захванати целеви изследвани обекти.

За специалистите в областта е ясно, че методът от това изобретение за детекция наличието на целево вещество или обект, по избор, е приложим и при използване на мостов микромеханичен прибор 1, показан на Фиг. 6 и Фиг. 7. В този случай, допълнително предимство е съществено намалената температурна чувствителност на тези сензори.

Така неочаквано се оказа, че автоматичното компенсиране в статичен режим на изходното напрежение V_ou/Ha микромеханичен прибор 1, до напрежението на отместване Voffset ήά мостово свързани чувствителни пиезорезистори Ί, и пасивни съставни резистори 11*, чрез подаване на напрежение V* на поне един електрод G*, съгласно това изобретение, осигурява детекция на наличието и/или по избор, за определяне на моментната стойност на количеството, захванати изследвани обекти в течни разтвори, с повишена чувствителност и скорост за детекция.

Пример 4 - метод за детекция е бърза атомно силова микроскопия

Друг предпочитан вариант на изпълнение на метода за детекция с мостов микромеханичен прибор 1 от това изобретение, е особено подходящ при извършване на анализ с метода на атомно силова микроскопия (ACM) на обекти с предварително известна форма и води до повишаване скоростта за извършване на този вид анализ. Обичайно ACM намира приложение за анализ на състоянието на повърхности на обекти. В този случай, формата на повърхността на обектите е предварително известна - плоска или е определена с друг метод, чиято разделителна способност и/или точност, е недостатъчна за конкретно приложение. Така, при обхождане по зададената повърхност, микромеханичен прибор 1, показан на Фиг. 5 или Фиг. 6, с оформен сондов елемент 13 регистрира отклонения от предварително зададено негово взаимодействие с повърхността на обекта.

За изпълнение на метода от това изобретение, върхът на елемента 13 е оформен така, че да взаимодейства локално и специфично с елементите на повърхността на обекта в малка околност, при което се осигурява необходимата разделителна способност при обхождане на повърхността. Такива измервания и анализи на характеристики, като: морфология, грапавост, електро-проводимост, магнитни свойства, твърдост и др. подобни, са обичайни за областта на микроелектрониката и други подобни високотехнологични сектори, и са известни на специалистите в областта.

Този вариант на метода за детекция с микромеханичен прибор 1 от настоящото изобретение, адаптиран за изследването със сондов елемент 13, се състои в изпълнение на основните три етапа от Пример 3, които в този случай по-конкретно включват:

1. Първоначално установяване на напреженията Nk на адаптирания за изследването мостов микромеханичен прибор 1 със сондов елемент 13 съгласно изобретението, при което се определя чрез компенсиране и се измерва постижимата минимална стойност на напрежението на отместване У₀^_е/без въздействие, което зависи от нивото на шумовете и усилването на сигнала. За целта, с микромеханичния прибор 1 се изпълняват следните стъпки:

1.1. Най-напред, микромеханичният прибор 1 с оформения сондов елемент 13, се захранва по напрежение V_cc, например 1 V или друга подходяща стойност и се измерва стойността на напрежението на отместване \ offset',

1.2. След това, сигналът Voffset се усилва по напрежение с коефициент на усилване к по избор, така, че полученият сигнал да съответства на спецификациите на използваните допълнителни уреди и апаратура за детекция на отклоненията на повърхността за специфичния обект, изследван с микромеханичния прибор 1;

1.3. От стойността на усиленото напрежение Voffset, се определят стойностите и полярността на поне едно напрежение V* на поне един избран електрод Ga, к = 1, 2, показани на Фиг. 4, с което се постига максимално достижима компенсация на споменатото напрежение на отместване Voffset, например <lpV или друга подобна ниска стойност. Когато е необходимо, за компенсация на напрежението Noffset, се инвертира полярността на напрежението \к на поне един електрод Ga . Съответно, състоянието на микромеханичния прибор 1 се характеризира с пет параметъра, стойностите на които се записват: един коефициент к'и четири напрежения: V_cc, две напрежения Va, и Voffset',

1.4. Когато е необходимо или се желае повишаване на чувствителността, процедурата за компенсация на усиленото напрежение на отместване NoffsetC коефициент к', като к' > к, се повтаря изпълнение на стъпки 1.2 и 1.3 до достигане на максимален коефициент на усилване к'. Практически достижимата стойност на компенсация на напрежението на отместване Voffset се определя при установена максимална стойност за коефициента к\

1.5. След това, с помощта на позициониращата система на атомно-силовия микроскоп, микромеханичният прибор 1 със сондов елемент 13, се разполага в избрана контролна точка №1 от известната повърхност. При промяна на стойността на напрежението на отместване Voffset, се повтаря стъпка 1.3, а с промяна на отстоянието между обекта и сондовия елемент се проверява наличието на взаимодействие, като се записват, както координатите на точката, така и съответните стойности на коефициента к' н четирите напрежения: N_cc, две напрежения Va, и \ offset',

1.6. По избор, изпълнението на метода от стъпка 1.5, се повтаря в следваща предварително избрана контролна точка от избраната повърхност;

1.7. След изчерпване на проверките на напрежението на отместване Voffset в предварително избраните контролни точки, се преминава към изпълнение на етап 2.

2. Експониране на така подготвения в етап 1 микромеханичен прибор 1, на въздействие и измерване на сигналите при това въздействие:

2.1. Чрез разполагане в начална позиция на областта за обхождане, микромеханичният прибор 1 се експонира на взаимодействие с обект, чиято повърхност се цели да бъде проверена дали съответства на предварително известна форма, чрез позициониране, напр. на сондов елемент 13, в мрежа от точки с предварително известни тримерни координати;

2.2. При позициониране по зададената повърхност, отклонение на моментна стойност на усиленото изходно напрежение от \offset, е индикация за отклонение от очакваната форма в конкретната точка на позициониране, което автоматично включва обратна връзка за управление на поне едно напрежение Va;

2.3. Чрез автоматично подаване на поне едно напрежение Va на поне един електрод Ga, при фиксирани стойности на захранващото напрежение V_cc и коефициент на усилване к', се компенсира усиленото напрежение Vou/ДО стойността на Voffset, като съответните стойности на двете напрежения Va, при известни стойности на параметрите к', \_Сс и Noffset в точката с текущи координати, се записват за следваща обработка и анализи. Когато амплитудата на напрежението V_oui е извън диапазона за компенсация чрез напреженията

- 11Ук, се използва механично отместване на сондовия елемент спрямо обекта за постигане на компенсация, чиято стойност се записва. По избор, в този случай, обектът се класифицира с недопустимо отклонение или се продължава сканирането от стъпка 2.1, изпълнена в следваща точка от мрежата на сканиране;

2.4. В зависимост от конкретното приложение, обхождането на повърхността на обекта е микромеханичния прибор 1 се продължава до изчерпване на точките на обхождане, като се записват съответните стойности на напреженията V*.

2.5. След обхождане на всички планирани точки, микромеханичният прибор 1 се позиционира в изходно положение;

2.6. След това, се преминава към изпълнение на етап 3.

3. Обработка на данните от измерването:

3.1. От записаните във всяка точка на позициониране, данни за стойности на две компенсиращи напрежения V*, при известни стойности на параметрите коефициент на усилване к', захранващо напрежение У_Сс, и Nogset, се извършват необходимите пресмятания за определяне на отклоненията във всяка точка на повърхността на обект от зададена форма на повърхността;

3.2. Обобщените данни се съхраняват и комуникират за последващи анализи.

За специалистите в областта е ясно, че методът от това изобретение за детекция на отклонения на повърхността на обект от предварително зададена форма със сондов елемент 13, по избор, е приложим и при използване на микромеханичен прибор 1, показан на Фиг. 6 и Фиг. 7. В този случай, допълнително предимство е съществено намалената температурна чувствителност на тези сензори, както и високата степен на компенсация на отклика на чувствителните пиезорезистори 7_; на синфазни въздействия. Така, наличието на информацията за повърхност, спрямо която се детектира отклонението на формата на обекта, осигурява безусловно позициониране в избрана мрежа от точки от споменатата повърхност, което води до намаляване на времето за позициониране и до ускоряване на измерването. Освен това, за разлика от нивото на техниката, където обичайната обратна връзка по напрежението У out, е реализирана с компенсиращо механично отместване за промяна на отстоянието между сондов елемент и обект, неочаквано се оказа, че изцяло електрическата компенсацията чрез подаване на поне едно напрежение Ук на поне един електрод Gk на съставен елемент Ш, съгласно това изобретение, осигурява допълнително повишаване на скоростта за извършване на анализ с микроконзола 3, изпълнен чрез обхождане в мрежа от точки на повърхността на обекта. За предпочитане, напреженията У^на двата електрода Gk са две независими, а за техните абсолютни стойности е в сила връзката V/ ~ У 2.

Когато законът на взаимодействие в точка на позициониране между сондата 13 и елемент на обекта, е предварително известен, данните за компенсиращото напрежение Ук във всяка точка от мрежата на позициониране, са достатъчни за преобразуване в морфологична карта на отклонението от идеалната повърхност.

Замяната на механичното отместване за промяна на отстоянието между сондов елемент 13 и обект, с поне едно напрежение Ук съгласно настоящия метод, е в ограничен диапазон, определен от възможността да бъде генерирани и подадени електрически напрежения Ук, които съответстват на промяната на споменатото отстояние между сондов елемент 13 и повърхността на обект. Когато амплитудата на напрежението Ук е извън постижимия диапазон, компенсацията на избрания сигнал У_от за изпълнението на измерването се реализира по обичайния механичен начин, чрез промяна на отстоянието или по избор,

- 12измерването се прекратява. При всички случаи данните за амплитудата на компенсиращото механично отместване и координатите на точката, в която е регистриран сигнал извън диапазона, се записват за следващи анализи и действия.

। В съответствие с тенденциите в развитието на технологиите, обхвата на индустриалните сектори и на живота, изискващи методи за обработка и изследване на повърхности с висока точност, характерни за високите технологии, се разширява, което в частност е ' свързано с формирането на повърхности с непрекъснато намаляващи отклонения от желаните идеални модели. Основна задача на бъдещите технически средства, е тези отклонения да бъдат наблюдавани и анализирани с подходящи инструменти и методи. Разкритата тук конструкция на микромеханични прибори с поне един еластичен елемент и мостова схема за измерване и анализ, осигурява реализацията на такива нови методи за детекция и мониторинг.

Claims (7)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   1. Мостов микромеханичен прибор, включващ недеформируемо тяло, от което се разпростира плоска микроконзола, снабдена с еластичен елемент, върху чиято горна повърхност е разположен слой от електроизолиращ материал, като върху повърхността на микромеханичния прибор са оформени силно легирани области, между които са разположени активни пиезорезистори върху еластичния елемент, и поне един пасивен резистор върху недеформируемото тяло, и към всички резистори са оформени подходящи електрически връзки, характеризиращ се с това, че поне един от пасивните резистори (8а) допълнително е снабден и с електропроводящ елемент (Gt), а между пасивния резистор (8а) и електропроводящия елемент (Ga) е поместен слой от електроизолиращ материал (5'), при което поне единият пасивен резистор (8а), снабден с електропроводящ елемент (Ga) и електроизолиращия материал (5') образуват заедно съставен елемент (11а) с управляемо и контролируемо напрежение, който е свързан заедно с активните пиезорезистори (7₃) в пълна мостова схема.
2. 2. Микромеханичният прибор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че съдържа върху долната повърхност на еластичния елемент (4) в областта на свързването му с недеформируемото тяло (2), поне един допълнителен активен пиезорезистор (7') между двойки силно легирани области (6'), при което поне двата активни пиезорезистора (7) и (7‘) са разположени един над друг и са диференциално свързани, а тялото (2) и еластичният елемент (4) са разделени от допълнителен електроизолиращ слой (14).
3. 3. Микромеханичният прибор съгласно претенция 1 и 2, характеризиращ се с това, че еластичният елемент (4) е направен от силиций, а разположеният върху него слой от електроизолиращ материал (5), за предпочитане е еднороден с електроизолиращия слой (5'), поместен между пасивния резистор (8а) и електропроводящия елемент (Ga), при което дебелините на споменатите слоеве по избор могат да бъдат еднакви или различни.
4. 4. Микромеханичният прибор съгласно всяка една от предходните претенции, характеризиращ се с това, че допълнително е адаптиран за конкретно изследване с функционализиращ елемент (12) или (13).
5. 5. Микромеханичният прибор съгласно предходната претенция, характеризиращ се с това, че функционализиращият елемент е повърхностен адхезионен слой (12), разположен върху еластичния елемент (4), или сондов елемент (13).
6. 6. Метод за детекция с мостов микромеханичен прибор съгласно предходните претенции, характеризиращ се с това, че включва следните етапи:

   - първоначално установяване на напреженията Va на споменатия мостов микромеханичен прибор, адаптиран за съответното изследване с подходящ функционализиращ елемент, при които се постига минимална стойност на напрежението на отместване N offset в начално положение без въздействие, при максимално усилване на сигнала и при известни стойности на параметрите на средата/условията, в които ще протече детекцията;

   - така подготвеният мостов микромеханичен прибор с компенсирано напрежение Voffset се експонира на изследваното въздействие и генерираните изходни сигнали Voiit се компенсират автоматично до ниво Voffset, чрез подаване на поне едно допълнително променено напрежение Va на поне един електрод Ga, а стойностите на напреженията Va се измерват и записват заедно с останалите параметри на измерването;

   - получените данни от изследването се обработват и анализират.
7. 7. Метод за детекция съгласно предходната претенция, характеризиращ се с това, че постижимата минимална стойност на напрежението на отместване Vo^b начално положение без въздействие, съответства на нивото на шумовете.