專利名稱:一種面向納米觀測及納米操作無損自動逼近方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用AFM(Atomic Force Microscope，原子力掃描顯微鏡)探針進行 納米觀測與操作過程中無損自動逼近方法及裝置，具體的說是一種新的連續(xù)逼近方法及裝 置，用于實現(xiàn)納米觀測及操作過程中樣品相對于探針的無損自動逼近。解決傳統(tǒng)AFM逼近 過程中由于人為誤操作而引起的探針及樣品表面特征損壞。
技術(shù)背景
目前，基于AFM的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(yīng)用中具有十分重要的作用，已成為目前納米科學研究中的一個重要方 向?；贏FM的納米觀測與操作原理是，控制懸臂梁結(jié)構(gòu)探針對樣品表面產(chǎn)生接觸或非接 觸狀態(tài)作用，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，這需要通過對壓電陶瓷驅(qū)動 器構(gòu)成的運動系統(tǒng)施加驅(qū)動電壓，控制壓電陶瓷驅(qū)動器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)。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(yīng)速度能力，實現(xiàn)難度較高，逼近接觸過程中樣品與探針之間容易發(fā)生碰撞，使 探針損壞，同時也使樣品表面的部分特征如DNA等生物樣品受到損害。另外一種利用限位 開關(guān)來實現(xiàn)無損逼近的方法，但是對于樣品的高度有較高要求，限位開關(guān)的位置需要根據(jù) 樣品的位置做調(diào)整，所以對樣品的高度有一定限制，而且不容易實現(xiàn)操作過程中連續(xù)的樣 品無損自動逼近。

發(fā)明內(nèi)容
為解決微AFM樣品臺逼近探針過程中對探針及樣品的破壞，實現(xiàn)納米觀測及操作 過程中樣品的連續(xù)自動逼近，本發(fā)明的目的在于提供一種新的無損自動逼近方法通過控 制器來控制電機帶動樣品臺上升，利用激光接收器檢測信號來判斷樣品是否運動到預(yù)定位 置，完成逼近初調(diào)；然后控制壓電陶瓷向上逼近，通過檢測光電傳感器來判斷樣品是否接觸 探針，來完成最終逼近。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。
具體技術(shù)方案為
一種面向納米觀測及納米操作無損自動逼近方法，包括微米級調(diào)整和納米級調(diào) 整；
所述微米級調(diào)整方法包括如下步驟
a.由激光發(fā)射器和激光接收器設(shè)定預(yù)定位置；
b.由步進電機驅(qū)動樣品上升，當樣品升并阻斷激光時，激光接收器接收這一信號， 傳給控制器，控制器停止步進電機1運動；[0009]所述納米級調(diào)整方法包括如下步驟
c.壓電陶瓷驅(qū)動器向上逼近，同時檢測光電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；
d.如果壓電陶瓷驅(qū)動器運動到最大距離時，光電傳感器仍然沒有輸出突變信號， 則壓電陶瓷驅(qū)動器回到初始位置，再回步驟a進行逼近，直至光電傳感器產(chǎn)生突變信號為 止，最終完成無損逼近。
本發(fā)明還公開了一種實現(xiàn)面向納米觀測及納米操作無損自動逼近裝置，包括步進 電機、壓電陶瓷驅(qū)動器、激光發(fā)射器、激光接收器、控制器、探針、激光光源、光電傳感器，所 述控制器與各部件電連接，所述步進電機上設(shè)置壓電陶瓷驅(qū)動器，所述壓電陶瓷驅(qū)動器上 設(shè)置樣品臺，所述樣品臺正上方設(shè)置探針，激光源發(fā)射激光經(jīng)探針反射至光電傳感器，激光 發(fā)射器和激光接收器分別安置于樣品臺兩側(cè)且位于探針正下方、樣品臺的正上方。所述激 光發(fā)射器發(fā)射的激光位于探針正下方，并與針尖保持10 50微米距離。其中控制器核心 控制芯片采用嵌入式系統(tǒng)(ARM)。掃描探針采用愛沙尼亞MikroMasch公司的NSC21系列。
所述控制器是一個基于C8051單片機的控制系統(tǒng)，配合上位機完成數(shù)據(jù)通信，指 令控制，AD數(shù)據(jù)采集，DA輸出，步進電機控制及光電位置傳感器信息檢測等。其硬件整體框 架如圖2所示?？刂破髦饕–8051F120單片機，串口通信模塊，步進電機控制模塊，激光 接收器信號檢測模塊，光電位置傳感器信息檢測模塊，壓電陶瓷驅(qū)動模塊。其中C8051F120 單片機是控制的核心，用于數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)的控制；串口通信模塊用于與上位機的通信，完 成指令的控制及數(shù)據(jù)傳輸；步進電機控制模塊用于步進電機的控制，完成樣品臺的微米級 初步逼近；激光接收器信號檢測模塊用于檢測激光接收器的輸出信號，用于判斷步進電機 帶動樣品臺初步逼近時樣品是否阻斷激光；壓電陶瓷控制模塊用于將控制器上DA輸出的 電壓進行高壓放大，控制壓電陶瓷完成納米級逼近運動；光電位置傳感器信息檢測模塊用 于檢測光電位置傳感器的輸出信號，用以判斷壓電陶瓷驅(qū)動器帶動樣平臺完成納米級逼近 時掃描探針與樣品的接觸情況。
如圖3所示，本發(fā)明原理是在探針及樣品臺之間的預(yù)定位置預(yù)置一束水平激光， 激光由激光發(fā)射器產(chǎn)生，并由激光接收器檢測。激光位于探針正下方，與探針距離10-50uM。 當樣品開始逼近時，先由步進電機驅(qū)動樣品臺上升，當樣品上升并阻斷激光時，激光接收器 接收這一信號并將該信號傳至控制器，控制器便停止步進電機運動，這時樣品表面高度與 水平激光在同一高度；接著開始由壓電陶瓷驅(qū)動器開始驅(qū)動樣品臺納米級上升，當樣品表 面接觸探針時，探針產(chǎn)生形變，并由光電傳感器檢測這一形變并將信號傳至控制器，控制器 停止壓電陶瓷驅(qū)動器運動，完成樣品逼近；如果壓電陶瓷驅(qū)動器運動到最大距離時，光電傳 感器仍然沒有輸出突變信號，則控制器控制壓電陶瓷驅(qū)動器回到初始位置，再重新設(shè)定預(yù) 定位置，由步進電機驅(qū)動初調(diào)平臺步進，即重新按前述方式驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動器進行逼近， 直至光電傳感器產(chǎn)生突變信號為止。
壓電陶瓷的驅(qū)動原理壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦酸鉛在 1200度高溫下燒結(jié)而成的多晶體。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在壓電陶瓷兩極上施加交 流電壓，引起壓電陶瓷產(chǎn)生機械形變，從而帶動AFM樣品臺產(chǎn)生納米級運動。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點與以往逼近系統(tǒng)相比，由于激光與探針相對位置是固定的，
4所以樣品臺初始逼近后，樣品臺的距離與探針的位置也是固定的，這樣每次逼近都可以保 證樣品與探針的距離，消除其他因素干擾，對最終逼進提供良好的逼近環(huán)境。本無損逼近系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，效率高，成本低，為開發(fā)低成本的AFM提供一種可行的技術(shù)途徑，并可以極大 提高樣品的逼近效率，減少探針及樣品因逼近過程操作失誤引起的損耗。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡圖；
圖2控制器結(jié)構(gòu)簡圖；
圖3本發(fā)明原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括步進電機1、壓電陶瓷驅(qū)動器2、樣品臺3、激光發(fā)射 器4、激光接收器5、探針6、激光光源7、光電傳感器8、控制器9，所述控制器9與各部件電 連接，所述步進電機1上設(shè)置壓電陶瓷驅(qū)動器2，所述壓電陶瓷驅(qū)動器上設(shè)置樣品臺3，所述 樣品臺3正上方設(shè)置探針6，激光源7發(fā)射激光經(jīng)探針6反射至光電傳感器8，激光發(fā)射器 4和激光接收器5分別安置于樣品臺3兩側(cè)且位于探針6正下方、樣品臺3的正上方。
激光發(fā)射器4發(fā)射的激光位于探針6正下方，并與針尖保持10 50微米距離。
如圖2所示，所述控制器主要包括C8051F120單片機，串口通信模塊，步進電機控 制模塊，激光接收器信號檢測模塊，光電位置傳感器信息檢測模塊，壓電陶瓷驅(qū)動模塊。其 中C8051F120單片機是控制的核心，用于數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)的控制；串口通信模塊用于與上 位機的通信，完成指令的控制及數(shù)據(jù)傳輸；步進電機控制模塊用于步進電機的控制，完成樣 品臺的微米級初步逼近；激光接收器信號檢測模塊用于檢測激光接收器的輸出信號，用于 判斷步進電機帶動樣品臺初步逼近時樣品是否阻斷激光；壓電陶瓷控制模塊用于將控制器 上DA輸出的電壓進行高壓放大，控制壓電陶瓷完成納米級逼近運動；光電位置傳感器信息 檢測模塊用于檢測光電位置傳感器的輸出信號，用以判斷壓電陶瓷驅(qū)動器帶動樣平臺完成 納米級逼近時掃描探針與樣品的接觸情況。
本發(fā)明裝置的使用方法是步進電機1構(gòu)成初調(diào)運動平臺，用于微米級調(diào)整；激光 發(fā)射器4和激光接收器5單元結(jié)構(gòu)位于探針6結(jié)構(gòu)以下，通過微調(diào)使水平激光位于探針6 以下預(yù)定位置處，用于檢測樣品3初調(diào)是否到達預(yù)定位置水平激光所在位置。當樣品3開 始逼近時，先由步進電機1驅(qū)動樣品3上升，當樣品3上升并阻斷激光時，激光接收器5接 收這一信號，便停止步進電機1運動，這時樣品3表面高度與水平激光在同一高度，也就是 預(yù)先設(shè)定好的位置。
壓電陶瓷驅(qū)動器2構(gòu)成精密運動平臺，用于納米級調(diào)整。探針6，激光源7和光電 傳感器8構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu)用于檢測在壓電陶瓷驅(qū)動器2逼近過程是否完成。在完成初始逼 近步驟后，控制壓電陶瓷驅(qū)動器2向上逼近，同時檢測光電傳感器8上的由探針6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3已接觸探針6，停止逼近， 完成逼近過程。如果壓電陶瓷驅(qū)動器2運動到最大距離時，光電傳感器8仍然沒有輸出突 變信號，則壓電陶瓷驅(qū)動器2回到初始位置，再控制步進電機1驅(qū)動初調(diào)平臺步進，重新按前述 方式驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動器2進行逼近，直至光電傳感器8產(chǎn)生突變信號為止，最終完成 無損逼近。
權(quán)利要求
1.一種面向納米觀測及納米操作無損自動逼近方法，其特征在于包括微米級調(diào)整和 納米級調(diào)整；所述微米級調(diào)整方法包括如下步驟a.由激光發(fā)射器和激光接收器設(shè)定預(yù)定位置；b.由步進電機驅(qū)動樣品上升，當樣品升并阻斷激光時，激光接收器接收這一信號，傳給 控制器，控制器停止步進電機1運動；所述納米級調(diào)整方法包括如下步驟c.壓電陶瓷驅(qū)動器向上逼近，同時檢測光電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；d.如果壓電陶瓷驅(qū)動器運動到最大距離時，光電傳感器仍然沒有輸出突變信號，則壓 電陶瓷驅(qū)動器回到初始位置，再回步驟b進行逼近，直至光電傳感器產(chǎn)生突變信號為止，最 終完成無損逼近。
2.一種面向納米觀測及納米操作無損自動逼近裝置，其特征在于包括步進電機、壓 電陶瓷驅(qū)動器、激光發(fā)射器、激光接收器、控制器、探針、激光光源、光電傳感器，所述控制器 與各部件電連接，所述步進電機上設(shè)置壓電陶瓷驅(qū)動器，所述壓電陶瓷驅(qū)動器上設(shè)置樣品 臺，所述樣品臺正上方設(shè)置探針，激光源發(fā)射激光經(jīng)探針反射至光電傳感器，激光發(fā)射器和 激光接收器分別安置于樣品臺兩側(cè)且位于探針正下方、樣品臺的正上方。
3.按權(quán)利要求
2所述面向納米觀測及納米操作無損自動逼近裝置，其特征在于激光 發(fā)射器發(fā)射的激光位于探針正下方，并與針尖保持10 50微米距離。
專利摘要
本發(fā)明涉及基于AFM原子力掃描顯微鏡技術(shù)，公開了一種面向納米觀測及納米操作無損自動逼近方法及裝置，本發(fā)明通過控制步進電機帶動樣品臺上升，利用激光接收器檢測信號來判斷樣品是否運動到預(yù)定位置，完成逼近初調(diào)；然后控制壓電陶瓷驅(qū)動器向上逼近，通過檢測光電傳感器來判斷樣品是否接觸探針，來完成最終逼近。本發(fā)明可以有效解決在樣品逼近過程中樣品厚度對逼近過程中的影響，減少逼近過程中對探針及樣品表面的破壞損傷。
文檔編號G01Q60/24GKCN102072970SQ200910220156
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月25日
發(fā)明者于鵬, 劉柱, 周磊, 楊洋, 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