专利名称:面向纳米观测与操作的样品无损逼近装置的制作方法
面向纳米观测与操作的样品无损逼近装置技术领域：
本实用新型涉及采用原子力显微镜(AFM)探针进行纳米观测与操作 过程中的一种样品无损逼近装置。
技术背景纳米观测与操作技术在纳米材料观测、纳米器件制造，纳米科学研究 以及纳米加工应用中具有十分重要的作用，采用AFM探针模式的纳米观测 与操作已成为目前纳米科学研究的重要方向。AFM探针模式进行纳米观测 与搡作原理是，控制微细悬臂梁结构探针对样品表面产生接触或非接触状 态(纳米尺度)，利用光电传感技术检测这种状态下探针的受力变形，得 到样品的形貌特征或探针的操作力信息，以达到对样品的纳米级形貌观测 和操作。这需要通过对PZT (压电材料，可产生几百微米行程的微运动) 构成的运动系统施加驱动电压，控制PZT带动样品逼近到探针的观测与操 作距离，这个距离一般需要控制在几到几十纳米。通常采用的逼近控制方 法是控制步进电机带动样品台逼近，并检测光电位置传感器上经由探针反 射的激光光斑所在的位置信号是否突变，以此来检测样品是否达到与探针 接触置状态。由于探针(通常由锑铂、铬金、氮化硅等材料制造)直径通 常为几到十几纳米，这种直接方式要求系统有很高的精确稳定控制和响应 速度能力，实现难度较高，逼近接触过程中也容易形成样品与探针之间的 碰撞，这种碰撞即可能引起探针损坏，也容易对软样品例如DNA等生物样 品产生伤害。典型的硅材料探针参见图1-1 (硅探针)，及图1-2 (针尖部 分)。
实用新型内容
为解决基于AFM探针模式的样品逼近易损问题，本实用新型提出 一种 样品无损逼近控制装置，通过本实用新型可以实现样品与探针的无损伤逼近。为了实现上述目的，本实用新型技术方案包括初调运动平台，由步进电机、减速机构、 一维运动平台组成，其中步进电机安装在底座上，输出轴与减速机构相连；减速机构末端连接一维运 动平台；精密运动平台，由PZT驱动器构成，底端固定安装在初调运动平台自 由端，即一端固定在一维运动平台内，顶端设有用来放置样品的样品台；
反馈控制单元，由激光器、光电传感器、探针和驱动控制器构成，探针位于样品上方、于激光光路上，其产生的反射激光至光电传感器；光电 传感器的安装位置在可接收由探针反射激光束的光路位置上；驱动控制器，分别与安装在底座构件上的光电传感器电连接；并与步 进电机和pzt驱动器通讯，通过输出编码/电压信号控制步进电机和pzt 驱动器；光电限位开关，被固定在底座侧壁和一维运动平台上，其测点位于滑驱'动控制器以单片机为核心，具有串行通讯和预编程能力，与上位机 通信交换系统状态与控制参数信息；所述探针为在一端固定的悬臂梁尖端上加装一针尖构成可在原子力作 用时产生变形的结构；所述一维运动平台，包括丝杠，滑块及光杠，滑块 安装在丝杠上，与光杠并列设在滑块上；所述精密运动平台釆用一维、二 维或三维类型。本实用新型有如下优点1. 本实用新型采用光电开关限位技术，完成样品与搡作探针之间的相 对定位，可以对样品完成一次保护。2. 由于本实用新型釆用pzt驱动器可在驱动电压连续变化条件实现纳 米尺度位移，与步进电机的配合使用则可以避免碰撞逼近所造成的探针或 样品损伤。
图1为本实用新型逼进方法的实现装置结构简图。 图2为本实用新型逼近方法流程图。图3用于纳米观测操作AFM装置的无损逼近方法的实现装置结构示意图。图4为AFM原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步详细说明。 如图l、 3所示，本实用新型装置包括初调运动平台，用于微米级调整，包括步进电机l、减速机构2、 一维 运动平台，其中步进电机1安装在固定的底座上，输出轴与减速机抅2相 连；减速机构末端连接一维运动平台； 一维运动平台包括丝杠3，滑块4及 光杠5,滑块4安装在丝杠3上，与光杠5并列设在滑块4上；精密运动平台(纳米级调整；可以采用一维、二维或三维类型，本实 施例采用三维类型)，由pzt驱动器12构成，底端固定安装在初调运动平 台自由端，即一端固定在滑块4内，顶端设有用来放置样品IO的样品台11; 反馈控制单元，由激光器7、光电传感器8、探针9和驱动控制器构成，探针9位于样品10上方、于激光光路上，其产生的反射激光至光电传感器 8;光电传感器8的安装位置在可接收由探针9反射光斑的位置光路上；驱动控制器14，分别与安装在底座构件上的光电传感器8电连接；并 可与步进电机1和PZT驱动器12通信，通过输出编码/电压信号控制步进 电机1和PZT驱动器12;光电限位开关13，被分别固定在底座侧壁和滑块4上，其测点位于滑 块4一侧，用于滑块4限位；其中驱动控制器14以单片机为核心，具有串行通讯和预编程能力，可 与上位机通信交换系统状态与控制参数信息，并可通过上位机进行数据、 状态(如是否到位等参考量)和图形显示。样品IO安放在精密平台顶端样品台11上，探针9非针尖一端(悬臂 梁)位置固定；精密运动平台底端固定安装在初调运动平台自由端；初始 状态下，控制PZT驱动器12的驱动电压为0或常数。光电限位开关13的 测点安装在滑块4 一侧。调整光电传感器8位置使探针9反射光斑在光电 位置传感器8的中心位置，此时输出为常数。其中探针为在一端固定的悬臂梁(Cantilever)自由尖端上加工一针 尖(Tip)构成可在原子力作用时产生变形的结构(现有产品)。当一東激光 (Laser Beam)照射在该悬臂梁上时该激光束可设计反射在光电传感器 (Photodetector)上。当针尖与样品表面距离很近时( <几-十几纳米)，针 尖受到的微观作用力就会引起悬臂梁变形，从而引起激光射在光电传感器 上光斑位置的变化，得到悬臂梁受力变形信号。光电传感器光斑位置变化 信号有两种解释方式 一是描述纳米尺度的样品形貌，二是将探针受力形 变信号解释成操作力的大小和方向，用以控制操作时探针的运动和方向。 观测与操作原理如图4所示(其中6为激光，91为探针针尖，92为悬臂 梁(探针针尖安装在该悬臂梁一端，另一端是固定在支撑机构上)，16为探 针扫描路径，17为放大的针尖，18为放大的样品表面)。参见图2，本实用新型无损逼近 法如下 一
、， ，动，经检测反射激光光斑的位置变化信号的反馈控制步骤，通过检测样品 逼近探针产生原子力作用时产生的光电检测信息进行反馈控制，达到控制 样品无损逼近探针的目的；所述反馈控制步骤指悬臂梁结构可以产生由样品与针尖间原子力作 用引起的变形，进而引起反射激光射在光电传感器上光斑位置的变化，这 个光斑位置变化反映了探针针尖与样品间距离和原子相互作用力的变化；
所以为实现基于原子力的纳米观测与操作，需要将样品逼近到距离探针很 近的距离上(纳米尺度)，并通过反馈控制保持或改变这一距离。具体初始逼近时，步进电机1驱动初调运动平台向探针9方向作逼近运动， 由安装在初调运动平台(即滑块)上侧面或上面的限位光电开关13完成样 品的初始定位(样品11相对探针距离控制在lmm土0.01mm,可由光电开关 13的安装位置和精密运动平台确定)，并启动激光7与光电位置传感器8。通过驱动控制器14对PZT驱动器12上逐步加入逼近方向驱动电压， 检测光电位置传感器8上的由探针9反射的激光光斑位置变化信号，如果 光斑位置信号产生突变，则说明样品11已接触探针，完成逼近过程，输出 突变信号，停止逼近动作。如果PZT驱动器12的驱动电压加到最大额定值时，光电传感器8仍然 没有输出突变信号，则撤销PZT驱动器12的逼近驱动电压。控制步进电机1驱动初调运动平台步进，步进尺度控制在PZT驱动器 12最大额定伸长量以内，返回步骤(2)。
权利要求
1.一种面向纳米观测与操作的样品无损逼近装置，其特征在于包括
初调运动平台，由步进电机(1)、减速机构(2)、一维运动平台组成，其中步进电机(1)安装在底座上，输出轴与减速机构(2)相连；减速机构(2)末端连接一维运动平台；
精密运动平台，由PZT驱动器(12)构成，底端固定安装在初调运动平台自由端，即一端固定在一维运动平台内，顶端设有用来放置样品(10)的样品台(11)；
反馈控制单元，由激光器(7)、光电传感器(8)、探针(9)和驱动控制器构成，探针(9)位于样品(10)上方、于激光光路上，其产生的反射激光至光电传感器(8)；光电传感器(8)的安装位置在可接收由探针(9)反射激光束的光路位置上；
驱动控制器(14)，分别与安装在底座构件上的光电传感器(8)电连接；并与步进电机(1)和PZT驱动器(12)通讯，通过输出编码/电压信号控制步进电机(1)和PZT驱动器(12)；
光电限位开关(13)，被固定在底座侧壁和一维运动平台上，其测点位于滑块(4)一侧；
驱动控制器(14)以单片机为核心，具有串行通讯和预编程能力，与上位机通信交换系统状态与控制参数信息。
2. 按权利要求
l所述的装置，其特征在于所述探针为在一端固定 的悬臂梁尖端上加装一针尖构成可在原子力作用时产生变形的结构。
3. 按权利要求
l所述的实现装置，其特征在于所述一维运动平台， 包括丝杠(3),滑块(4)及光杠(5),滑块(4)安装在丝杠(3)上，与 光杠(5)并列设在滑块(4)上。
4. 按权利要求
l所述的实现装置，其特征在于所述精密运动平台采 用一维、二维或三维类型。
专利摘要
一种面向纳米观测与操作的样品无损逼近装置，包括初调运动平台，通过由步进电机连接一维运动平台；精密运动平台，由PZT驱动器构成，安在一维运动平台内；反馈控制单元，将位于样品上方探针设在激光光路上，产生的反射激光至光电传感器；驱动控制器，与光电传感器电连接，并与步进电机和PZT驱动器通讯；光电限位开关，被固在底座侧壁和一维运动平台上；驱动控制器以单片机为核心，与上位机通信交换系统状态与控制参数信息。通过控制样品相对于探针进行微米级的初调运动及纳米级的精密运动，经检测反射激光光斑的位置变化信号的反馈控制步骤，通过检测样品逼近探针产生原子力作用时产生的光电检测信息进行反馈控制，达到控制样品无损逼近探针的目的。
文档编号G01Q30/20GKCN201047823SQ200620168529
公开日2008年4月16日 申请日期2006年12月22日
发明者柱 刘, 磊 周, 王越超, 磊 缪, 董再励 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan