專利名稱:面向納米觀測與操作的樣品無損逼近裝置的制作方法
面向納米觀測與操作的樣品無損逼近裝置技術領域：
本實用新型涉及采用原子力顯微鏡(AFM)探針進行納米觀測與操作 過程中的一種樣品無損逼近裝置。
技術背景納米觀測與操作技術在納米材料觀測、納米器件制造，納米科學研究 以及納米加工應用中具有十分重要的作用，采用AFM探針模式的納米觀測 與操作已成為目前納米科學研究的重要方向。AFM探針模式進行納米觀測 與搡作原理是，控制微細懸臂梁結(jié)構(gòu)探針對樣品表面產(chǎn)生接觸或非接觸狀 態(tài)(納米尺度)，利用光電傳感技術檢測這種狀態(tài)下探針的受力變形，得 到樣品的形貌特征或探針的操作力信息，以達到對樣品的納米級形貌觀測 和操作。這需要通過對PZT (壓電材料，可產(chǎn)生幾百微米行程的微運動) 構(gòu)成的運動系統(tǒng)施加驅(qū)動電壓，控制PZT帶動樣品逼近到探針的觀測與操 作距離，這個距離一般需要控制在幾到幾十納米。通常采用的逼近控制方 法是控制步進電機帶動樣品臺逼近，并檢測光電位置傳感器上經(jīng)由探針反 射的激光光斑所在的位置信號是否突變，以此來檢測樣品是否達到與探針 接觸置狀態(tài)。由于探針(通常由銻鉑、鉻金、氮化硅等材料制造)直徑通 常為幾到十幾納米，這種直接方式要求系統(tǒng)有很高的精確穩(wěn)定控制和響應 速度能力，實現(xiàn)難度較高，逼近接觸過程中也容易形成樣品與探針之間的 碰撞，這種碰撞即可能引起探針損壞，也容易對軟樣品例如DNA等生物樣 品產(chǎn)生傷害。典型的硅材料探針參見圖1-1 (硅探針)，及圖1-2 (針尖部 分)。
實用新型內(nèi)容
為解決基于AFM探針模式的樣品逼近易損問題，本實用新型提出 一種 樣品無損逼近控制裝置，通過本實用新型可以實現(xiàn)樣品與探針的無損傷逼近。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型技術方案包括初調(diào)運動平臺，由步進電機、減速機構(gòu)、 一維運動平臺組成，其中步進電機安裝在底座上，輸出軸與減速機構(gòu)相連；減速機構(gòu)末端連接一維運 動平臺；精密運動平臺，由PZT驅(qū)動器構(gòu)成，底端固定安裝在初調(diào)運動平臺自 由端，即一端固定在一維運動平臺內(nèi)，頂端設有用來放置樣品的樣品臺；
反饋控制單元，由激光器、光電傳感器、探針和驅(qū)動控制器構(gòu)成，探針位于樣品上方、于激光光路上，其產(chǎn)生的反射激光至光電傳感器；光電 傳感器的安裝位置在可接收由探針反射激光束的光路位置上；驅(qū)動控制器，分別與安裝在底座構(gòu)件上的光電傳感器電連接；并與步 進電機和pzt驅(qū)動器通訊，通過輸出編碼/電壓信號控制步進電機和pzt 驅(qū)動器；光電限位開關，被固定在底座側(cè)壁和一維運動平臺上，其測點位于滑驅(qū)'動控制器以單片機為核心，具有串行通訊和預編程能力，與上位機 通信交換系統(tǒng)狀態(tài)與控制參數(shù)信息；所述探針為在一端固定的懸臂梁尖端上加裝一針尖構(gòu)成可在原子力作 用時產(chǎn)生變形的結(jié)構(gòu)；所述一維運動平臺，包括絲杠，滑塊及光杠，滑塊 安裝在絲杠上，與光杠并列設在滑塊上；所述精密運動平臺釆用一維、二 維或三維類型。本實用新型有如下優(yōu)點1. 本實用新型采用光電開關限位技術，完成樣品與搡作探針之間的相 對定位，可以對樣品完成一次保護。2. 由于本實用新型釆用pzt驅(qū)動器可在驅(qū)動電壓連續(xù)變化條件實現(xiàn)納 米尺度位移，與步進電機的配合使用則可以避免碰撞逼近所造成的探針或 樣品損傷。


圖1為本實用新型逼進方法的實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖。 圖2為本實用新型逼近方法流程圖。圖3用于納米觀測操作AFM裝置的無損逼近方法的實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為AFM原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步詳細說明。 如圖l、 3所示，本實用新型裝置包括初調(diào)運動平臺，用于微米級調(diào)整，包括步進電機l、減速機構(gòu)2、 一維 運動平臺，其中步進電機1安裝在固定的底座上，輸出軸與減速機抅2相 連；減速機構(gòu)末端連接一維運動平臺； 一維運動平臺包括絲杠3，滑塊4及 光杠5,滑塊4安裝在絲杠3上，與光杠5并列設在滑塊4上；精密運動平臺(納米級調(diào)整；可以采用一維、二維或三維類型，本實 施例采用三維類型)，由pzt驅(qū)動器12構(gòu)成，底端固定安裝在初調(diào)運動平 臺自由端，即一端固定在滑塊4內(nèi)，頂端設有用來放置樣品IO的樣品臺11; 反饋控制單元，由激光器7、光電傳感器8、探針9和驅(qū)動控制器構(gòu)成，探針9位于樣品10上方、于激光光路上，其產(chǎn)生的反射激光至光電傳感器 8;光電傳感器8的安裝位置在可接收由探針9反射光斑的位置光路上；驅(qū)動控制器14，分別與安裝在底座構(gòu)件上的光電傳感器8電連接；并 可與步進電機1和PZT驅(qū)動器12通信，通過輸出編碼/電壓信號控制步進 電機1和PZT驅(qū)動器12;光電限位開關13，被分別固定在底座側(cè)壁和滑塊4上，其測點位于滑 塊4一側(cè)，用于滑塊4限位；其中驅(qū)動控制器14以單片機為核心，具有串行通訊和預編程能力，可 與上位機通信交換系統(tǒng)狀態(tài)與控制參數(shù)信息，并可通過上位機進行數(shù)據(jù)、 狀態(tài)(如是否到位等參考量)和圖形顯示。樣品IO安放在精密平臺頂端樣品臺11上，探針9非針尖一端(懸臂 梁)位置固定；精密運動平臺底端固定安裝在初調(diào)運動平臺自由端；初始 狀態(tài)下，控制PZT驅(qū)動器12的驅(qū)動電壓為0或常數(shù)。光電限位開關13的 測點安裝在滑塊4 一側(cè)。調(diào)整光電傳感器8位置使探針9反射光斑在光電 位置傳感器8的中心位置，此時輸出為常數(shù)。其中探針為在一端固定的懸臂梁(Cantilever)自由尖端上加工一針 尖(Tip)構(gòu)成可在原子力作用時產(chǎn)生變形的結(jié)構(gòu)(現(xiàn)有產(chǎn)品)。當一東激光 (Laser Beam)照射在該懸臂梁上時該激光束可設計反射在光電傳感器 (Photodetector)上。當針尖與樣品表面距離很近時( <幾-十幾納米)，針 尖受到的微觀作用力就會引起懸臂梁變形，從而引起激光射在光電傳感器 上光斑位置的變化，得到懸臂梁受力變形信號。光電傳感器光斑位置變化 信號有兩種解釋方式 一是描述納米尺度的樣品形貌，二是將探針受力形 變信號解釋成操作力的大小和方向，用以控制操作時探針的運動和方向。 觀測與操作原理如圖4所示(其中6為激光，91為探針針尖，92為懸臂 梁(探針針尖安裝在該懸臂梁一端，另一端是固定在支撐機構(gòu)上)，16為探 針掃描路徑，17為放大的針尖，18為放大的樣品表面)。參見圖2，本實用新型無損逼近 法如下 一
、， ，動，經(jīng)檢測反射激光光斑的位置變化信號的反饋控制步驟，通過檢測樣品 逼近探針產(chǎn)生原子力作用時產(chǎn)生的光電檢測信息進行反饋控制，達到控制 樣品無損逼近探針的目的；所述反饋控制步驟指懸臂梁結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生由樣品與針尖間原子力作 用引起的變形，進而引起反射激光射在光電傳感器上光斑位置的變化，這 個光斑位置變化反映了探針針尖與樣品間距離和原子相互作用力的變化；
所以為實現(xiàn)基于原子力的納米觀測與操作，需要將樣品逼近到距離探針很 近的距離上(納米尺度)，并通過反饋控制保持或改變這一距離。具體初始逼近時，步進電機1驅(qū)動初調(diào)運動平臺向探針9方向作逼近運動， 由安裝在初調(diào)運動平臺(即滑塊)上側(cè)面或上面的限位光電開關13完成樣 品的初始定位(樣品11相對探針距離控制在lmm土0.01mm,可由光電開關 13的安裝位置和精密運動平臺確定)，并啟動激光7與光電位置傳感器8。通過驅(qū)動控制器14對PZT驅(qū)動器12上逐步加入逼近方向驅(qū)動電壓， 檢測光電位置傳感器8上的由探針9反射的激光光斑位置變化信號，如果 光斑位置信號產(chǎn)生突變，則說明樣品11已接觸探針，完成逼近過程，輸出 突變信號，停止逼近動作。如果PZT驅(qū)動器12的驅(qū)動電壓加到最大額定值時，光電傳感器8仍然 沒有輸出突變信號，則撤銷PZT驅(qū)動器12的逼近驅(qū)動電壓?？刂撇竭M電機1驅(qū)動初調(diào)運動平臺步進，步進尺度控制在PZT驅(qū)動器 12最大額定伸長量以內(nèi)，返回步驟(2)。
權(quán)利要求
1.一種面向納米觀測與操作的樣品無損逼近裝置，其特征在于包括
初調(diào)運動平臺，由步進電機(1)、減速機構(gòu)(2)、一維運動平臺組成，其中步進電機(1)安裝在底座上，輸出軸與減速機構(gòu)(2)相連；減速機構(gòu)(2)末端連接一維運動平臺；
精密運動平臺，由PZT驅(qū)動器(12)構(gòu)成，底端固定安裝在初調(diào)運動平臺自由端，即一端固定在一維運動平臺內(nèi)，頂端設有用來放置樣品(10)的樣品臺(11)；
反饋控制單元，由激光器(7)、光電傳感器(8)、探針(9)和驅(qū)動控制器構(gòu)成，探針(9)位于樣品(10)上方、于激光光路上，其產(chǎn)生的反射激光至光電傳感器(8)；光電傳感器(8)的安裝位置在可接收由探針(9)反射激光束的光路位置上；
驅(qū)動控制器(14)，分別與安裝在底座構(gòu)件上的光電傳感器(8)電連接；并與步進電機(1)和PZT驅(qū)動器(12)通訊，通過輸出編碼/電壓信號控制步進電機(1)和PZT驅(qū)動器(12)；
光電限位開關(13)，被固定在底座側(cè)壁和一維運動平臺上，其測點位于滑塊(4)一側(cè)；
驅(qū)動控制器(14)以單片機為核心，具有串行通訊和預編程能力，與上位機通信交換系統(tǒng)狀態(tài)與控制參數(shù)信息。
2. 按權(quán)利要求
l所述的裝置，其特征在于所述探針為在一端固定 的懸臂梁尖端上加裝一針尖構(gòu)成可在原子力作用時產(chǎn)生變形的結(jié)構(gòu)。
3. 按權(quán)利要求
l所述的實現(xiàn)裝置，其特征在于所述一維運動平臺， 包括絲杠(3),滑塊(4)及光杠(5),滑塊(4)安裝在絲杠(3)上，與 光杠(5)并列設在滑塊(4)上。
4. 按權(quán)利要求
l所述的實現(xiàn)裝置，其特征在于所述精密運動平臺采 用一維、二維或三維類型。
專利摘要
一種面向納米觀測與操作的樣品無損逼近裝置，包括初調(diào)運動平臺，通過由步進電機連接一維運動平臺；精密運動平臺，由PZT驅(qū)動器構(gòu)成，安在一維運動平臺內(nèi)；反饋控制單元，將位于樣品上方探針設在激光光路上，產(chǎn)生的反射激光至光電傳感器；驅(qū)動控制器，與光電傳感器電連接，并與步進電機和PZT驅(qū)動器通訊；光電限位開關，被固在底座側(cè)壁和一維運動平臺上；驅(qū)動控制器以單片機為核心，與上位機通信交換系統(tǒng)狀態(tài)與控制參數(shù)信息。通過控制樣品相對于探針進行微米級的初調(diào)運動及納米級的精密運動，經(jīng)檢測反射激光光斑的位置變化信號的反饋控制步驟，通過檢測樣品逼近探針產(chǎn)生原子力作用時產(chǎn)生的光電檢測信息進行反饋控制，達到控制樣品無損逼近探針的目的。
文檔編號G01Q30/20GKCN201047823SQ200620168529
公開日2008年4月16日 申請日期2006年12月22日
發(fā)明者柱 劉, 磊 周, 王越超, 磊 繆, 董再勵 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan