專利名稱：基于spm探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米科技中納米尺度物體的操作技術(shù)，具體是一種基于 SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
納米科技是21世紀(jì)新興的科研領(lǐng)域。納米尺度下，物質(zhì)的物理化學(xué)性 質(zhì)都會發(fā)生很大的變化。只有對納米尺度下的物質(zhì)進行有效地操作，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計算機等先進的技術(shù)裝備。因此，對納米操作方法的 研究是當(dāng)前國際微納米科技前沿的 一個熱點。
由于納米尺度極其微小，因此實現(xiàn)納米尺度物質(zhì)的有效觀測與操作是 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。
掃描探針顯微鏡(SPM, Scanning Probe Microscope )是目前開展納米 觀測與操作的重要設(shè)備之一，其作業(yè)方式是通過控制SPM的探針運動和施 加力進行納米觀測和操作。
目前基于SPM的納米操作方法主要是操作者通過操作人機交互設(shè)備(如 多維操作手柄)，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型將手柄運動轉(zhuǎn)換為探針的運動控制而 實現(xiàn)納米操作。由于SPM探針針尖直徑只有十幾納米，只能進行點操作， 而且很難得到實時操作信息(對象及探針的位置、狀態(tài)等)反饋，因而這種 人機交互式的納米操作效率很低，且難以實現(xiàn)編程及自動化作業(yè)。所以具有 可編程的自動化探針操作控制規(guī)劃和系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中因探針直徑小而對被操作對象只能進行點操作、無 法對操作對象的位姿進行有效的控制，以及納米操作效率很低，且難以實現(xiàn) 編程及自動化作業(yè)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能有效控制被操作對 象位姿的、基于SPM裝置的小步距、快速多點定向操作特別是納米操作效 率高，可以實現(xiàn)自動化作業(yè)的基于SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是操作者通過人機交互界面提出搡作需求(如操 作起始位置和終止位置)，由規(guī)劃層求取增強探針初始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置的角度差，再將這些差值分 解成增強探針的一系列平動和轉(zhuǎn)動基本操作，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；操作層利用起始和終止坐標(biāo)作為輸入 數(shù)據(jù)，采用SPM探針增強作業(yè)方法進行增強探針的平動操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動操
作規(guī)劃，并將規(guī)劃后的探針位置信息向SPM發(fā)送，由SPM裝置控制探針
進行操作；
所述人機交互界面是向搡作者提供被操作對象及其所處環(huán)境的信息，接
受操作者的操作請求，在操作結(jié)束后向操作者提供操作的結(jié)果；搡作請求是 以用戶釆用取點的方法確定增強探針操作的起始位置和終止位置內(nèi)容；
所述規(guī)劃層根據(jù)操作者在確定的起始位置和終止位置進行任務(wù)的規(guī) 劃，具體如下
1)求解增強探針的寬度在SPM探針運動平面xoy內(nèi)由用戶選定的 兩點連線確定操作的起始位置，兩點坐標(biāo)分別為(xi,，yi),(xi',yi'),則增強探針 的寬度為
L"(x廣x,')2+(y,-y。2 (1)
2) 求解增強探針的初始斜率兩點坐標(biāo)(xi,，yi),(xi',yi')為參數(shù)，根據(jù)式 (2 )求斜率ki:
k, = Yi _Yi (2) xi —xi'
3) 求解操作的終止位置由用戶在SPM探針運動平面xoy內(nèi)取點 (xo,，yo),(xo',yo')確定終止位置為(x。 ; x。'， y。 ; y。');
4) 根據(jù)式(3)求解操作的最終斜率 k0=Z^^ (3)
5) 根據(jù)式(4)求解增強探針中點的起始位置與終止位置的水平坐標(biāo) 差和垂直坐標(biāo)差
Ax =
, , (4)
A y,+、y。+y。
2 2
6) 根據(jù)式(5)增強探針的起始位置與終止位置的角度差
a — 一、
e=arctan^——2" (5)
l+k,k。
7) 求解平動和轉(zhuǎn)動的組合根據(jù)起始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置的角度差，組合一系列平動操作和轉(zhuǎn)動 操作；求解公式如下
6二r, + r2 + r3 +. + n < Ax = mxl+mx2+mx3+..' + mxk C/,A:,/= 1,2,3…) Ay = myl + my2 + my3 +…+ myl
其中^為SPM探針增強作業(yè)第j次轉(zhuǎn)動操作，m^為SPM探針增強
作業(yè)第k次水平平動操作，my，為SPM探針增強作業(yè)第l次垂直平動操作；
在任務(wù)分解結(jié)東后，所述規(guī)劃層將所述一系列的基本平動轉(zhuǎn)動操作的 起始坐標(biāo)和終止坐標(biāo)逐一發(fā)送給操作層；
所述操作層中SPM探針增強作業(yè)方法通過控制參數(shù)設(shè)定搡作的起始 位置和終止位置，結(jié)合基于探針預(yù)編程的平動操作規(guī)劃方法或轉(zhuǎn)動操作規(guī) 劃方法中規(guī)定的單步操作距離或旋轉(zhuǎn)角度、操作點間距和方向，計算出探 針的操作點數(shù)，實現(xiàn)平動或轉(zhuǎn)動操作；
所述探針平動操作規(guī)劃方法定義SPM探針運動平面為xoy,起始坐標(biāo) 為(xis,yis)，終止坐標(biāo)為(Xie,yie)，則第i次單步操作的起始和終止的坐標(biāo)為
(/ = 1,2廣、")
其中L為探針操作寬度，n為作用于寬度L上的作用點數(shù)，d為單步操 作距離；
所述轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃方法設(shè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x'o'y'的中心O'在SPM探針運 動平面xoy內(nèi)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的中心O'在SPM探針運動平面xoy中的坐標(biāo)為 (xo,yo),則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x'o'y'中任意點(x',y')的坐標(biāo)在SPM探針運動平面xoy 中的坐標(biāo)可以表示為
x= x'+x0和y= y'+ y0
若初始的角度為0Q,探針的首次搡作的起始坐標(biāo)可以為(Xh,y^),終止坐 標(biāo)為(x'k,力e)，則在SPM探針運動平面xoy內(nèi)，第i步推動操作的起始和終 止的坐標(biāo)可以表示為<formula>formula see original document page 8</formula>
其中n為推動操作次數(shù)，n=A,增強后探針的寬度為L, m為操作點
m
間距，e為旋轉(zhuǎn)角度；
所述探針預(yù)編程規(guī)劃方法通過平動或轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃方法對被操作對 象上等間距點進行n次推動操作，使其操作結(jié)果體現(xiàn)出一致性，獲得增強 后探針；按如下步驟進行SPM探針增強作業(yè)預(yù)設(shè)操作點間距m和單步搡 作距離d或旋轉(zhuǎn)角度e,在操作者確定操作范圍后，確定首次操作的起始坐 標(biāo)和增強后探針的寬度L;在已知操作點間距m的情況下，獲得總的操作 次數(shù)n;
操作的步數(shù)由變量i控制，i的初始值為1;每次執(zhí)行操作之前i都要與 n比較，操作在當(dāng)i的值不大于n時進行；每次操作之后對變量i值加1, 再根據(jù)平動或轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃確定下次操作的起始和終止坐標(biāo)。
本發(fā)明具有如下特點
1、 在SPM探針增強作業(yè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的具有人機交互界面、規(guī)劃 層與操作層三級體系結(jié)構(gòu)的納米操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)基于預(yù)編程技術(shù)的探 針基本操作動作設(shè)計與規(guī)劃。
2、 釆用規(guī)劃層的任務(wù)規(guī)劃，可將推動操作分解為組合的平動和轉(zhuǎn)動基 本操作，通過操作層的增強探針的平動操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃，可自動 完成給定參數(shù)的納米推動操作。大大提高了納米操作的效率和自動化程度。 高效控制被操作對象位姿。本發(fā)明方法通過編程策略，可以在給定初始狀 態(tài)(位置)和終止?fàn)顟B(tài)(位置)條件下，控制SPM探針對操作對象實現(xiàn)等 間距各點的快速小步長改或小旋轉(zhuǎn)角度操作。這樣既可以以通過預(yù)設(shè)步距 和運動速度實現(xiàn)納米材料推動作業(yè)的編程操作，提高操作效率；也可以使 操作對象的各點移動均勻，提高了操作的可靠性，且大大提高納米操作效 率。由于避免了人機交互搡作過程，釆用預(yù)編程控制，探針運動速度可以 達到數(shù)百微米/秒，與傳統(tǒng)方法相比可以提高操作效率幾倍到十幾倍。
3、 可以大大減輕操作者的勞動強度。傳統(tǒng)的人機交互式納米操作方法 要求操作者通過交互界面實時/在線輸入探針的控制信息，并不斷通過掃描 成像來確定操作對象的位姿來規(guī)劃下一步的操作，因此勞動強度很大。本 方法只需設(shè)定探針操作的起始位置和終止位置，就可以由程序控制探針自動完成操作任務(wù)。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)體系結(jié)抅示意圖。
圖2-1為SPM探針增強作業(yè)方法中單步平動操作原理示意圖。
圖2-2為SPM探針增強作業(yè)方法中轉(zhuǎn)動操作原理示意圖。
圖2-3為SPM探針增強作業(yè)方法中增強探針對被操作對象實現(xiàn)一步平 動推動操作的方法，即程序流程圖。
圖2-4為SPM探針增強作業(yè)方法中增強探針對被操作對象實現(xiàn)一步旋 轉(zhuǎn)推動操作的方法，即程序流程圖。
圖3為本發(fā)明操作流程圖。
具體實施例方式
實施例1
如圖l所示，本發(fā)明基于SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)包括人 機交互界面及SPM裝置，還包括規(guī)劃層、操作層，其中所述人機交互界面 提供操作者操作需求(如操作起始位置和終止位置)，由規(guī)劃層求取增強探 針初始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置 的角度差，再將這些差值分解成增強探針的一系列平動和轉(zhuǎn)動基本操作， 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；操作層利 用起始和終止坐標(biāo)作為輸入數(shù)據(jù)，釆用SPM探針增強作業(yè)方法進行增強探 針的平動操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃，并將規(guī)劃后的探針位置信息向SPM發(fā) 送，由SPM裝置控制探針進行操作。
所述人機交互界面是向操作者提供被操作對象及其所處環(huán)境的信息， 接受操作者的操作請求，在操作結(jié)束后向操作者提供操作的結(jié)果；所述操 作請求是以用戶釆用取點的方法確定增強探針操作的起始位置和終止位置 內(nèi)容。
所述規(guī)劃層根據(jù)操作者在確定的起始位置和終止位置進行任務(wù)的規(guī) 劃，具體如下
1)求解增強探針的寬度在SPM探針運動平面xoy內(nèi)由用戶選定的 兩點連線確定操作的起始位置，兩點坐標(biāo)分別為(xi，,yi),(xi',yi')，則增強探針 的寬度為<formula>formula see original document page 9</formula>
2)求解增強探針的初始斜率兩點坐標(biāo)(xi，,yi)，(xi',yi')為參數(shù)，根據(jù)式 (2)求斜率ki:<formula>formula see original document page 9</formula>3) 求解操作的終止位置由用戶在SPM探針運動平面xoy內(nèi)取點 (xo，,yo),(xo',yo')確定終止位置為(x。 ^ x。'， y。 ^ y。');
4) 根據(jù)式(3)求解操作的最終斜率 k0=Z^^ (3)
5) 根據(jù)式(4)求解增強探針中點的起始位置與終止位置的水平坐標(biāo) 差和垂直坐標(biāo)差
<formula>formula see original document page 10</formula>6) 根據(jù)式(5)增強探針的起始位置與終止位置的角度差
<formula>formula see original document page 10</formula>
7) 求解平動和轉(zhuǎn)動的組合根據(jù)起始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和 垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置的角度差，組合一系列平動操作和轉(zhuǎn)動 操作；求解公式如下
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中rj為SPM探針增強作業(yè)第j次轉(zhuǎn)動操作，m歡為SPM探針增強
作業(yè)第k次水平平動操作，my,為SPM探針增強作業(yè)第l次垂直平動操作；
在任務(wù)分解結(jié)東后，所述規(guī)劃層將所述一系列的基本平動轉(zhuǎn)動操作的 起始坐標(biāo)和終止坐標(biāo)逐一發(fā)送給操作層；
所述操作層釆用SPM探針增強作業(yè)方法對探針的基本操作進行增強探 針的平動操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃，在接收到規(guī)劃層提供的基本操作起始 坐標(biāo)和終止坐標(biāo)后開始運行規(guī)劃后操作，向SPM控制器發(fā)送探針位置坐標(biāo)
#自 i口 w、。
其中SPM探針增強作業(yè)方法本實施例通過控制參數(shù)界面上設(shè)定操作 的起始位置和終止位置，通過基于探針預(yù)編程的平動操作規(guī)劃方法中規(guī)定 的單步操作距離、操作點間距和方向，計算出探針操作的操作點數(shù)，并實 現(xiàn)平動操作；所述探針平動操作規(guī)劃方法定義SPM探針運動平面為xoy,起始坐標(biāo) 為(xis,yis),終止坐標(biāo)為(Xie,yie)，則第i次單步搡作的起始和終止的坐標(biāo)為
<formula>formula see original document page 11</formula>其中L為探針操作寬度，n為作用于寬度L上的作用點數(shù)，d為單步操 作距離；
圖2-1給出了單步操作示意。圖中虛線表示探針返回下一次操作起點時 的軌跡對被操作對象沒有影響。這樣的探針編程操作可以在局部增加探針 操作的次數(shù)與頻率，從而實現(xiàn)了在探針操作寬度為L,作用點數(shù)為n的單步 操作距離為d的探針推動作業(yè)，同時保證了納米物體(尤其是線狀)的整
探針平動操作規(guī)劃，當(dāng)釆用探針增強技術(shù)實施操作時，由于探針在小 尺度上(50-100納米)快速(秒級)多點(納米級)作用于被操作對象， 相當(dāng)于探針操作寬度L的搡作力同時施加于被操作對象。這樣的操作策略 可以使任意形狀的納米物體按預(yù)定方向和位移量可靠移動。
如果需要推動的作業(yè)距離大于d，則可以設(shè)定多次這樣單步操作，直至 達到預(yù)定位置。
如圖2-3所示，所述探針預(yù)編程規(guī)劃方法通過平動操作規(guī)劃方法對被 操作對象上等間距點進行n次推動操作，使其操作結(jié)果體現(xiàn)出一致性，獲 得增強后探針；按如下步驟進行SPM探針增強作業(yè)預(yù)設(shè)操作點間距m(本 實施例為80nm)和單步操作距離d (本實施例為50nm)，在操作者確定操 作范圍后，確定首次操作的起始坐標(biāo)和增強后探針的寬度L;由于操作點間 距m已知，總的操作次數(shù)n可得 L
n=— m
操作的步數(shù)由變量i控制，i的初始值為l;每次執(zhí)行操作之前i都要與 n比較，操作在當(dāng)i的值不大于n時進行；每次操作之后對變量i值加1, 再根據(jù)平動操作規(guī)劃確定下次操作的起始和終止坐標(biāo)。
本發(fā)明原理
本發(fā)明具有與傳統(tǒng)納米操作系統(tǒng)中操作者實時向SPM控制器發(fā)送探針 位置坐標(biāo)信息不同的原理。本發(fā)明基于SPM探針增強作業(yè)，只需要操作者 通過交互界面向系統(tǒng)提供操作需求。規(guī)劃層首先求取增強探針初始位置與 終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置的角度差，再 將這些差值分解成增強探針的一系列平動和轉(zhuǎn)動基本操作，將操作起始和終止坐標(biāo)發(fā)送給操作層。搡作層則利用起始和終止坐標(biāo)作為預(yù)編程序的輸 入開始執(zhí)行，向SPM發(fā)送控制信息，控制探針進行操作。
采用本發(fā)明，由于操作過程執(zhí)行速度很快，操作步長(即單步操作 距離d)和操作點間距m都可以設(shè)定在很小的尺度(納米尺度)，因而在基 于SPM探針的納米推動操作上具有很高的作業(yè)效率。由于避免了人機交互 搡作過程，釆用預(yù)編程控制，探針運動速度可以達到數(shù)百微米/秒，與傳統(tǒng) 方法相比可以提高操作效率幾倍到十幾倍。
在SPM探針增強作業(yè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的具有人機交互界面、規(guī)劃層與
操作層三級體系結(jié)構(gòu)的納米操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)基于預(yù)編程技術(shù)的探針基
本操作動作設(shè)計與規(guī)劃，可自動完成給定參數(shù)的納米推動操作，納米操作 的效率和自動化程度高。
實施例2
與實施例l不同之處在于SPM探針增強作業(yè)方法是通過控制參數(shù)設(shè) 定搡作的起始位置和終止位置，通過基于探針預(yù)編程的轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃方法 中規(guī)定的旋轉(zhuǎn)角度、操作點間距和方向，計算出探針操作的操作點數(shù)，并 實現(xiàn)轉(zhuǎn)動操作；其中轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃具體如下
由于探針無法實現(xiàn)真正的曲線運動，所以在探針增強技術(shù)中采用短距 離的直線運動代替曲線運動。理論分析表明當(dāng)轉(zhuǎn)角小于5°時，弧長和弦長 可認為相等，如圖2-2所示。
設(shè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的中心O'在SPM探針運動平面 xoy內(nèi),確定的SPM探 針運動平面中的坐標(biāo)為(x。，yo),則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x'o'y'中任意點(x',y')在SPM探 針運動平面xoy中的坐標(biāo)可以表示為
<formula>formula see original document page 12</formula>
若初始的轉(zhuǎn)角為0Q,探針的首次操作的起始坐標(biāo)可以為(x、s,y'h),終止坐 標(biāo)為(x'k,y'k),則在探針運動坐標(biāo)系內(nèi)，第i步推動操作的起始和終止的坐 標(biāo)可以表示為
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中n為推動操作次數(shù)，n=i,增強后探針的寬度為L, m為操作點
m
間距，e為旋轉(zhuǎn)角度；
由第i步推動操作的起始和終止的坐標(biāo)式可以看出，在每次推動操作中，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的中心O'在SPM探針運動平面xoy內(nèi)的位置不變。但隨著 推動操作步數(shù)i的增加，探針在遠離旋轉(zhuǎn)中心O'的同時推動的距離也逐漸 增加，但總保持固定的角度關(guān)系如下
tane=^^
xie _x0
則經(jīng)過n次推動操作后，增強探針將使被操作對象實現(xiàn)角度為e旋轉(zhuǎn)。
如此，只要不斷的執(zhí)行上述操作增強探針可實現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)操作。
如圖2-4所示，所述探針預(yù)編程規(guī)劃方法通過轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃方法對被 操作對象上等間距點進行n次推動操作，使其操作結(jié)果體現(xiàn)出一致性，獲 得增強后探針；按如下步驟進行SPM探針增強作業(yè)預(yù)設(shè)操作點間距m(本 實施例為100nm)和旋轉(zhuǎn)角度(本實施例為5Q),在操作者確定操作范圍后， 確定首次操作的起始坐標(biāo)和增強后探針的寬度L;由于操作點間距m已知， 總的操作次數(shù)n可得
n=—— m
操作的步數(shù)由變量i控制，i的初始值為l;每次執(zhí)行操作之前i都要與 n比較，操作在當(dāng)i的值不大于n時進行；每次操作之后對變量i值加1， 再根據(jù)轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃確定下次操作的起始和終止坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1. 一種基于SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)，包括人機交互界面及SPM裝置，其特征在于還包括規(guī)劃層、操作層，其中所述人機交互界面提供操作者操作需求，由規(guī)劃層求取增強探針初始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置的角度差，再將這些差值分解成增強探針的一系列平動和轉(zhuǎn)動基本操作，將分解后的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；操作層利用起始和終止坐標(biāo)作為輸入數(shù)據(jù)，采用SPM探針增強作業(yè)方法進行增強探針的平動操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃，并將規(guī)劃后的探針位置信息向SPM發(fā)送，由SPM裝置控制探針進行操作。
2. 按權(quán)利要求1所述基于SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)，其特 征在于所述人機交互界面是向操作者提供被操作對象及其所處環(huán)境的信 息，接受操作者的操作請求，在操作結(jié)束后向操作者提供操作的結(jié)果。
3. 按權(quán)利要求2所述基于SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)，其特 征在于所述操作請求是以用戶釆用取點的方法確定增強探針操作的起始 位置和終止位置內(nèi)容。
4. 按權(quán)利要求1所述基于SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)，其特 征在于所述規(guī)劃層根據(jù)操作者在確定的起始位置和終止位置進行任務(wù)的 規(guī)劃，具體如下1) 求解增強探針的寬度在SPM探針運動平面xoy內(nèi)由用戶選定的 兩點連線確定操作的起始位置，兩點坐標(biāo)分別為(xi,，yi)，(xi'，yi'),則增強探針 的寬度為L"K)2+(y!-y。2 (1)2) 求解增強探針的初始斜率兩點坐標(biāo)(xi,，yi)，(xi',yi')為參數(shù)，根據(jù)式 (2)求斜率ki:k, = yi—Yl (2) xi _xi'3) 求解操作的終止位置由用戶在SPM探針運動平面xoy內(nèi)取點 (xo,，yo),(xo',yo')確定終止位置為(x。 ; x。', y。 ; y。');4) 根據(jù)式(3)求解操作的最終斜率 k,1^2! (3)X0 _X05)根據(jù)式(4)求解增強探針中點的起始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差A(yù)y=ZL±^—y0+y0' 2 26) 根據(jù)式(5)增強探針的起始位置與終止位置的角度差.e=arctank'_ko (5) l+k,k。7) 求解平動和轉(zhuǎn)動的組合根據(jù)起始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和 垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置的角度差，組合一系列平動操作和轉(zhuǎn)動 操作；求解公式如下6二r;i + r2 + r3 H-----卜r』< Ax = mxl+mx2+mX3+'" + mxk (M,"1,2,3…) Ay = myl +my2+my3+... + myl其中rj為SPM探針增強作業(yè)第j次轉(zhuǎn)動操作，m^為SPM探針增強作業(yè)第k次水平平動操作，my,為SPM探針增強作業(yè)第l次垂直平動操作；在任務(wù)分解結(jié)東后，所述規(guī)劃層將所述一系列的基本平動轉(zhuǎn)動操作的 起始坐標(biāo)和終止坐標(biāo)逐一發(fā)送給操作層。
5.按權(quán)利要求1所述基于SPM探針增強作業(yè)的納米操作系統(tǒng)，其特 征在于所述搡作層中SPM探針增強作業(yè)方法是通過控制參數(shù)設(shè)定操作的 起始位置和終止位置，結(jié)合基于探針預(yù)編程的平動操作規(guī)劃方法或轉(zhuǎn)動操 作規(guī)劃方法中規(guī)定的單步操作距離或旋轉(zhuǎn)角度、操作點間距和方向，計算 出探針的操作點數(shù)，實現(xiàn)平動或轉(zhuǎn)動搡作；所述探針平動操作規(guī)劃方法定義SPM探針運動平面為xoy，起始坐 標(biāo)為(xis,yis),終止坐標(biāo)為(^,yie),則第i次單步操作的起始和終止的坐標(biāo):<formula>formula see original document page 3</formula>其中L為探針操作寬度，n為作用于寬度L上的作用點數(shù)，d為單步操 作距離；所述轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃方法設(shè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x'o'y'的中心O'在SPM探針運 動平面xoy內(nèi)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的中心O'在SPM探針運動平面xoy中的坐標(biāo)為 (xo,yo),則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x'o'y'中任意點(x',y')的坐標(biāo)在SPM探針運動平面xoy 中的坐標(biāo)可以表示為x= x'+xo和y= y'+ y0若初始的角度為0°,探針的首次操作的起始坐標(biāo)可以為(x、s,y,s),終止坐 標(biāo)為(x,e,y',e)，則在SPM探針運動平面xoy內(nèi)，第i步推動操作的起始和終 止的坐標(biāo)可以表示為=, _ f z'-1xls —X Is + x0 , xis =丄 I" X0yis，'is"o ,yls=y'is+yoxle=X'le+ X0 , Xle=i ^~X0ye =y'i e+y o' y ,e =丄」sin 0+ y o其中n為推動操作次數(shù)，n=^，增強后探針的寬度為L, m為操作點m間距，e為旋轉(zhuǎn)角度；所述探針預(yù)編程規(guī)劃方法通過平動或轉(zhuǎn)動搡作規(guī)劃方法對被操作對 象上等間距點進行n次推動操作，使其操作結(jié)果體現(xiàn)出一致性，獲得增強 后探針；按如下步驟進行SPM探針增強作業(yè)預(yù)設(shè)操作點間距m和單步操 作距離d或旋轉(zhuǎn)角度e,在操作者確定操作范圍后，確定首次操作的起始坐 標(biāo)和增強后探針的寬度L;在已知操作點間距m的情況下，獲得總的操作 次數(shù)n;操作的步數(shù)由變量i控制，i的初始值為1;每次執(zhí)行操作之前i都要與 n比較，操作在當(dāng)i的值不大于n時進行；每次操作之后對變量i值加1， 再根據(jù)平動或轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃確定下次操作的起始和終止坐標(biāo)。
6. 按權(quán)利要求5所述SPM探針增強作業(yè)方法，其特征在于所述轉(zhuǎn) 動操作規(guī)劃方法中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度小于等于10°時，弧長與弦長相等，則用平 動代替轉(zhuǎn)動。
7. 按權(quán)利要求5所述SPM探針增強作業(yè)方法，其特征在于所述平 動操作規(guī)劃方法中如果需要推動的作業(yè)距離大于單步操作距離d,則設(shè)定多 次單步操作，直至達到預(yù)定位置。
8. 按權(quán)利要求7所迷SPM探針增強作業(yè)方法，其特征在于所述單 步操作距離d為50-100nm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于探針增強技術(shù)的納米操作系統(tǒng)，包括人機交互界面及SPM裝置，規(guī)劃層、操作層，其人機交互界面提供操作者操作需求，由規(guī)劃層求取增強探針初始位置與終止位置的水平坐標(biāo)差和垂直坐標(biāo)差及起始位置與終止位置的角度差，再將這些差值分解成增強探針的一系列平動和轉(zhuǎn)動基本操作，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；操作層利用起始和終止坐標(biāo)作為輸入數(shù)據(jù)，采用SPM探針增強作業(yè)方法進行增強探針的平動操作規(guī)劃和轉(zhuǎn)動操作規(guī)劃，并將規(guī)劃后的探針位置信息向SPM發(fā)送，由SPM裝置控制探針進行操作。本發(fā)明能克服現(xiàn)有技術(shù)中因探針直徑小而對被操作對象只能進行點操作、無法對操作對象的位姿進行有效控制的不足，實現(xiàn)自動化作業(yè)。
文檔編號G05D3/00GK101419466SQ200710157709
公開日2009年4月29日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者劉志華, 楊永良, 王越超, 董再勵 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所