專利名稱:一種面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法及實現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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方法及實現(xiàn)裝置，該方法可以實現(xiàn)樣品與探針的無損逼近。
背景技術(shù)：
納米觀測與操作技術(shù)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操作原理是，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(shù)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(通常由銻鉬、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)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決基于AFM探針模式的樣品逼近易損問題，本發(fā)明提出一種樣品無損逼近控 制方法及實現(xiàn)裝置，通過本發(fā)明可以實現(xiàn)樣品與探針的無損傷逼近。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案
逼近控制方法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；具 體
由驅(qū)動控制器控制步進電機驅(qū)動初調(diào)平臺使樣品向探針方向作逼近運動，并由驅(qū) 動控制器接收來自光電限位開關(guān)的信號，完成初始逼近步驟；再通過驅(qū)動控制器對PZT驅(qū) 動器上逐步加入逼近方向驅(qū)動電壓，同時檢測光電位置傳感器上的由探針反射的激光光斑 位置變化信號，如果光斑位置信號產(chǎn)生突變，則說明樣品已接觸探針，停止逼近，完成逼近 過程；如果PZT驅(qū)動器的驅(qū)動電壓加到最大額定值時，光電傳感器仍然沒有輸出突變信號， 則撤銷PZT驅(qū)動器的逼近驅(qū)動電壓；再控制步進電機驅(qū)動初調(diào)平臺步進，重新按前述方式 驅(qū)動PZT進行逼近，直至光電傳感器產(chǎn)生突變信號為止；
控制步進電機驅(qū)動初調(diào)平臺的步進尺度控制在PZT驅(qū)動器額定最大伸長量以內(nèi)；反饋控制步驟具體為檢測探針上的懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的由樣品與探針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，實現(xiàn)樣品與探針的逼近 反饋控制；解釋所述光斑位置變化的信號有兩個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； 逼近方向為探針所在方向；
所述面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法的實現(xiàn)裝置，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(guān)，被固定在底座側(cè)壁和一維運動平臺上，其測點位于滑塊一側(cè)；
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；所述精密運動平臺采用一維、二維或三維類型。
本發(fā)明有如下優(yōu)點
1.本發(fā)明采用光電開關(guān)限位技術(shù)，完成樣品與操作探針之間的相對定位，可以對 樣品完成一次保護。
2.由于本發(fā)明采用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1-1為用于納米觀測操作AFM裝置的無損逼近硅材料探針示意圖。
圖1-2為用于納米觀測操作AFM裝置的無損逼近硅材料探針針尖部分示意圖。
圖2為本發(fā)明逼進方法的實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖。
圖3為本發(fā)明逼近方法流程圖。
圖4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5為AFM原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
如圖2、4所示，本發(fā)明裝置包括
初調(diào)運動平臺，用于微米級調(diào)整，包括步進電機1、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，輸出軸與減速機構(gòu)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(guān)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10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(guān)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)。當一束激光(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5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3，本發(fā)明無損逼近方法如下
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；
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[0039]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(guān)13完成樣品的初始定位(樣品11相 對探針距離控制在Imm士0. 01mm，可由光電開關(guān)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。
控制步進電機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
一種面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法，其特征在于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；具體由驅(qū)動控制器控制步進電機驅(qū)動初調(diào)平臺使樣品向探針方向作逼近運動，并由驅(qū)動控制器接收來自光電限位開關(guān)的信號，完成初始逼近步驟；再通過驅(qū)動控制器對PZT驅(qū)動器上逐步加入逼近方向驅(qū)動電壓，同時檢測光電位置傳感器上的由探針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，則說明樣品已接觸探針，停止逼近，完成逼近過程；如果PZT驅(qū)動器的驅(qū)動電壓加到最大額定值時，光電傳感器仍然沒有輸出突變信號，則撤銷PZT驅(qū)動器的逼近驅(qū)動電壓；再控制步進電機驅(qū)動初調(diào)平臺步進，重新按前述方式驅(qū)動PZT進行逼近，直至光電傳感器產(chǎn)生突變信號為止。
2.按權(quán)利要求
1所述面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法，其特征在于控制步 進電機驅(qū)動初調(diào)平臺的步進尺度控制在PZT驅(qū)動器額定最大伸長量以內(nèi)。
3.按權(quán)利要求
1所述面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法，其特征在于反饋控 制步驟具體為檢測探針上的懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的由樣品與探針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，實現(xiàn)樣品與探針的逼近反饋控 制。
4.按權(quán)利要求
3所述面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法，其特征在于解釋所 述光斑位置變化的信號有兩個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。
5.按權(quán)利要求
1所述面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法，其特征在于逼近方 向為探針所在方向。
6.一種按權(quán)利要求
1所述面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法的實現(xiàn)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，步進電機(1)的輸出軸與減速機構(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，即固定 在一維運動平臺的滑塊(4)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)，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(guān)(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)與底 座側(cè)壁相對的一側(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。
7.按權(quán)利要求
6所述的實現(xiàn)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)。
8.按權(quán)利要求
6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，絲杠(3)與光杠(5)并列設在滑塊⑷上。
9.按權(quán)利要求
6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
本發(fā)明公開一種面向納米觀測與操作的樣品無損逼近方法。它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。采用本發(fā)明可以避免碰撞逼近所造成的探針或樣品損傷。
文檔編號G05D3/12GKCN101206170 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200610134977
公開日2011年2月2日 申請日期2006年12月22日
發(fā)明者劉柱, 周磊, 王越超, 繆磊, 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專利引用 (3), 非專利引用 (2),