專利名稱:原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米領(lǐng)域，具體地說一種是原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法。
背景技術(shù)：
納米科技是21世紀(jì)新興的科研領(lǐng)域。納米尺度的物質(zhì)具有與宏觀尺度不同的物理、化學(xué)等特性，因而發(fā)現(xiàn)和利用這些新的特性并構(gòu)建新的結(jié)構(gòu)、器件與系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
由于納米尺度極其微小，因此實(shí)現(xiàn)納米尺度物質(zhì)的有效觀測(cè)與操作是發(fā)展和應(yīng)用納米科技的關(guān)鍵技術(shù)。這樣才能研究納米尺度下物質(zhì)的各種物理、化學(xué)等自然現(xiàn)象，才能研制納米器件，納米傳感器以及納米系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)及裝備。因此，有效的納米操作方法是當(dāng)前國際微納米科技前沿的研究熱點(diǎn)。
原子力顯微鏡(Atomic force microscopy)是目前開展納米觀測(cè)與操作的重要設(shè)備之一，其作業(yè)方式是控制原子力顯微鏡的探針運(yùn)動(dòng)，施加力進(jìn)行納米觀測(cè)和操作。目前基于原子力顯微鏡的納米操作方法主要是操作者利用人機(jī)交互設(shè)備，以主從作業(yè)方式完成(如多維操作手柄)。由于原子力顯微鏡探針針尖直徑只有十幾納米，只能進(jìn)行點(diǎn)操作，而且很難得到實(shí)時(shí)操作信息(對(duì)象及探針的位置、狀態(tài)等)反饋，因而這種人機(jī)交互式的納米操作效率很低，且難以實(shí)現(xiàn)編程及自動(dòng)化作業(yè)。所以可編程控制的高效探針運(yùn)動(dòng)控制方法對(duì)納米操作具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于任務(wù)導(dǎo)向的原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法，包括以下步驟:
依靠原子力顯微鏡獲取被操作對(duì)象、操作環(huán)境和操作目標(biāo)信息，將對(duì)被操作對(duì)象的操作劃分為主從操作模式和掃描操作模式；
所述主從操作模式的操作過程為:
通過取點(diǎn)的方法，確定被操作對(duì)象中心點(diǎn)的位置與操作目標(biāo)點(diǎn)的位置；
將控制命令通過輸入設(shè)備下達(dá)到主控計(jì)算機(jī)；
主控計(jì)算機(jī)將宏觀尺度位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為納觀尺度位置坐標(biāo)，通過以太網(wǎng)傳遞給原子力顯微鏡控制器。
由原子力顯微鏡控制器將探針的位置信息發(fā)送給原子力顯微鏡；
將探針在操作過程中所受的力信號(hào)反饋給控制器；
所述掃描操作模式的操作過程為:
主控計(jì)算機(jī)中設(shè)置規(guī)劃層，原子力顯微鏡控制器中設(shè)置執(zhí)行層；
操作者通過人機(jī)交互界面提供操作需求，由規(guī)劃層求取被操作對(duì)象的初始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及初始位置與終止位置的角度差；
將這些差值分解成探針的一系列平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)操作，將分解后基本操作的起始和終止坐標(biāo)通過以太網(wǎng)發(fā)送給操作層；
執(zhí)行層利用起始和終止坐標(biāo)作為輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行探針的平動(dòng)操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動(dòng)操作規(guī)劃；
將規(guī)劃后的探針位置信息向原子力顯微鏡發(fā)送，由原子力顯微鏡控制探針進(jìn)行操作。
所述依靠原子力顯微鏡獲取的被操作對(duì)象信息包括操作對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、力學(xué)屬性。
所述依靠原子力顯微鏡獲取的操作環(huán)境信息為操作環(huán)境的復(fù)雜程度。
所述依靠原子力顯微鏡獲取的操作目標(biāo)信息根據(jù)位姿精度要求與被操作對(duì)象最終構(gòu)形要求分為簡(jiǎn)單目標(biāo)與復(fù)雜目標(biāo)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1.本申請(qǐng)首次提出了任務(wù)導(dǎo)向的概念。以操作對(duì)象拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、操作的起始點(diǎn)為依據(jù)，判別任務(wù)的明確程度，并根據(jù)明確程度決策采用何種操作模式；
2.在同一納米操作系統(tǒng)的硬件構(gòu)架下，通過修改軟件算法，在主控計(jì)算機(jī)中引入規(guī)劃層，在原子力顯微鏡控制器中引入執(zhí)行層，并利用預(yù)編程的探針運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)探針的擴(kuò)展作業(yè)。該掃描操作模式具有小步距、快速多點(diǎn)定向，操作高效，控制被操作對(duì)象位姿的特點(diǎn)。
3.在主從操作模式下，原子力顯微鏡控制器依據(jù)探針作用力反饋和局部掃描圖像判斷操作狀態(tài)，操作者可以根據(jù)科研與加工作業(yè)需要進(jìn)行人機(jī)交互式納米操作，從而可以實(shí)現(xiàn)具有傳感器信息反饋與可視化圖形輔助的納米作業(yè)。
4.該方法采用多模式工作方式，充分利用了系統(tǒng)的軟硬件資源。豐富了納米操作系統(tǒng)的功能，提高了納米作業(yè)的效率。實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的通用性，其設(shè)計(jì)思想可以被移植到其它納米操作系統(tǒng)中。


圖1為主從操作模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖2為掃描操作模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖3為掃描操作模式基本流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
I)任務(wù)導(dǎo)向:主要依靠原子力顯微鏡獲取被操作對(duì)象與操作環(huán)境的信息。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，被操作對(duì)象可以分為零維納米結(jié)構(gòu)和一維納米結(jié)構(gòu)；根據(jù)力學(xué)屬性，被操作對(duì)象可以分為剛性體和柔性體。操作路徑也可以根據(jù)障礙物的多少與分布情況分為簡(jiǎn)單路徑與復(fù)雜路徑。操作目標(biāo)也可以根據(jù)位姿精度要求與被操作對(duì)象最終構(gòu)形要求分為簡(jiǎn)單目標(biāo)與復(fù)雜目標(biāo)。依據(jù)以上分類任務(wù)導(dǎo)向原則可以表述為，對(duì)于操作路徑復(fù)雜，目標(biāo)復(fù)雜的的零維、一維納米結(jié)構(gòu)應(yīng)采主從操作模式，其它情況下應(yīng)采用掃描操作模式。[0033]2)主從操作模式:
如圖1所示，在主從操作模式下，操作者通過人機(jī)交互界面輸入，操作指令。通過硬件描述語言DirectX實(shí)現(xiàn)與主控計(jì)算機(jī)的通訊。人機(jī)交互界面上輸入的坐標(biāo)為宏觀三維空間坐標(biāo)，主控計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)掃描納米圖像得到操作空間大小，將宏觀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為納觀尺度操作空間坐標(biāo)。并將坐標(biāo)信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給原子力顯微鏡控制器。以太網(wǎng)通訊協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。原子力顯微鏡控制器則將得到的坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)裝置需要的電壓信號(hào)，經(jīng)高壓放大后驅(qū)動(dòng)探針運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)探針與樣品接觸后，反饋力要隨著探針深入樣品的距離急劇增大，即-0.2< α≤0，我們用二次函數(shù)增大反饋力的值，利用分段處函數(shù)連續(xù)以及倒數(shù)相同，可以求解出二次函數(shù)的系數(shù)，距離和力的函數(shù)關(guān)系如下:
權(quán)利要求
1.一種原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法，其特征在于，包括以下步驟: 依靠原子力顯微鏡獲取被操作對(duì)象、操作環(huán)境和操作目標(biāo)信息，將對(duì)被操作對(duì)象的操作劃分為主從操作模式和掃描操作模式； 所述主從操作模式的操作過程為: 通過取點(diǎn)的方法，確定被操作對(duì)象中心點(diǎn)的位置與操作目標(biāo)點(diǎn)的位置； 將控制命令通過輸入設(shè)備下達(dá)到主控計(jì)算機(jī)； 主控計(jì)算機(jī)將宏觀尺度位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為納觀尺度位置坐標(biāo)，通過以太網(wǎng)傳遞給原子力顯微鏡控制器。
由原子力顯微鏡控制器將探針的位置信息發(fā)送給原子力顯微鏡； 將探針在操作過程中所受的力信號(hào)反饋給控制器； 所述掃描操作模式的操作過程為: 主控計(jì)算機(jī)中設(shè)置規(guī)劃層，原子力顯微鏡控制器中設(shè)置執(zhí)行層； 操作者通過人機(jī)交互界面提供操作需求，由規(guī)劃層求取被操作對(duì)象的初始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及初始位置與終止位置的角度差； 將這些差值分解成探針的一系列平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)操作，將分解后基本操作的起始和終止坐標(biāo)通過以太網(wǎng)發(fā)送給操作層； 執(zhí)行層利用起始和終止坐標(biāo)作為輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行探針的平動(dòng)操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動(dòng)操作規(guī)劃； 將規(guī)劃后的探針位置信息向原子力顯微鏡發(fā)送，由原子力顯微鏡控制探針進(jìn)行操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法，其特征在于，所述依靠原子力顯微鏡獲取的被操作對(duì)象信息包括操作對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、力學(xué)屬性。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法，其特征在于，所述依靠原子力顯微鏡獲取的操作環(huán)境信息為操作環(huán)境的復(fù)雜程度。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的原子力顯微鏡探針擴(kuò)展作業(yè)方法，其特征在于，所述依靠原子力顯微鏡獲取的操作目標(biāo)信息根據(jù)位姿精度要求與被操作對(duì)象最終構(gòu)形要求分為簡(jiǎn)單目標(biāo)與復(fù)雜目標(biāo)。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種基于原子力顯微鏡的探針擴(kuò)展作業(yè)方法。該方法以操作對(duì)象拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、操作的起始點(diǎn)為依據(jù)，判別任務(wù)的明確程度，并根據(jù)明確程度決策任務(wù)采用主從操作模式或掃描操作模式。在同一納米操作系統(tǒng)的硬件構(gòu)架下，通過修改軟件算法，在主控計(jì)算機(jī)中引入規(guī)劃層，在原子力顯微鏡控制器中引入執(zhí)行層，并利用預(yù)編程的探針運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)探針的掃描操作模式。在主從操作模式下，原子力顯微鏡控制器依據(jù)探針作用力反饋和局部掃描圖像判斷操作狀態(tài)，操作者可以根據(jù)科研與加工作業(yè)需要進(jìn)行人機(jī)交互式納米操作，從而可以實(shí)現(xiàn)具有傳感器信息反饋與可視化圖形輔助的納米作業(yè)。該系統(tǒng)采用多模式工作方式，充分利用了系統(tǒng)的軟硬件資源。豐富了納米操作系統(tǒng)的功能，提高了納米作業(yè)的效率。實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的通用性。
文檔編號(hào)G01Q10/00GKCN103185811SQ201110452683
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月29日
發(fā)明者劉志華, 董再勵(lì) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan