专利名称:基于纳米扫描探针形变的微作用力建模方法
技术领域：
本发明涉及纳米操作领域，具体地说是一种基于纳米扫描探针形变的微作用力建模方法。
背景技术：
在纳米操作领域中，原子力显微成像系统(AFM)不仅作为扫描成像的工具，也可以被用来作为进行纳米操作的工具。在纳米操作过程中，AFM的探针针尖处于多种力(如表面毛细作用力、摩擦力、范德华力、黏附力及原子间排斥力等)的共同作用。由于在纳米尺度下直接观测与感知这种力具有很大难度，因而可行的方法是通过间接检测量(如检测扫描探针的形变)。如何解释这个间接检测的物理现象，并以数学模型方式正确的描述探针所受到的微作用力，这样就可以将纳米环境中的力学现象直接表述出来，为纳米科学和操作与作业方法研究提供了新的技术途径。这种微观下的作用力的描述与解释，对纳米科技研究具有特别重要的意义。
AFM系统的扫描探针是一悬臂梁结构，在述作用在针尖上的微力的作用下，悬臂梁会产生形变，这个形变力可以通过传感器(光电、压电等)测量出来。但目前没有这方面的报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于纳米扫描探针形变的微作用力建模方法。
本发明提出一种通过对基于AFM系统的扫描探针悬臂梁的形变分析实现作用力建模的方法。
本发明技术方案为当扫描探针与样品表面接触时，通过光电传感器采集扫描探针的悬臂梁在受力作用下发生偏转及扭转形变信号，所述形变信号通过光电传感器输出信号计算模型产生一个与悬臂梁的形变有对应关系的输出信号，得出作用在悬臂梁上力的一个度量，即悬臂梁梁形变在参考坐标系中的变化量；再通过动力学分析方法，实现在纳米操作条件下计算作用扫描探针上的微作用力。
本发明原理是一般AFM系统进行扫描作业时，使用激光束照射在扫描探针的悬臂梁上，并反射到光电位置检测传感器(如PSD)上，实现对对象的纳米级观测。此时扫描探针针尖与样品呈接触状态，并随着样品表面的形貌变化使探针受力产生上下起伏和测向扭转形变，这些形变使反射到光电传感器的光斑位置发生偏移，通过采集光电传感器偏移量的输出信号，可以测得悬臂梁形变的变化量。该变化量反映了作用于探针的合力(大小与方向)。运用力学分析方法，可以将该合力分解和量化，就可以计算探针在各方向(X，Y，Z)上所受到的力的大小。通过对这些力的采集与反馈，使操作者可以实时感受到操作力的真实存在，从而可以非盲目的控制操作动作；同时也可以用于对操作状态进行基于力反映的自适应操作控制。
本发明具有如下优点本发明可以在已知悬臂梁结构和弹性变形系数的条件下，计算作用在针尖上的三维力。这种作用力的信息对实现具有力反馈的纳米操作和科学研究技术水平，认识纳米环境下力的作用和操作对象的性质、促进纳米科学技术发展具有重要的意义。
本发明建立了宏观世界与微观世界的桥梁，使得对纳米环境下的操作如同在宏观世界中的操作，如推动，刻划等动作。该方法为进行复杂、灵活的纳米操作及相关技术的发展开辟了新的技术途径。
图1为本发明光学观测原理图，其中的虚线部分表示悬臂梁向上弯曲时光线方向的变化。
图2为本发明光电传感器结构图。
图3为本发明扫描探针力学分析图。
具体实施方式
实施例1如图1所示，本发明提供一种针对扫描探针2的形变实现力学分析与建模的方法，该方法采用光电传感器3(本实施例采用四象限PSD)的输出信号作为扫描探针2的悬臂梁4形变的度量参考量，通过已知的传感器光路模型，扫描探针2的几何模型与材料力学特性，采用动力学分析方法，实现了在纳米操作条件下、计算作用扫描探针上的微作用力的一种方法。
其中扫描探针2的几何模型对扫描探针2建立直角坐标系如图3所示，确定扫描探针2的悬臂梁4的长度，探针针尖5的长度及扫描探针2扫描时的扫描角度。扫描探针2的材料力学特性即确定扫描探针2的弹性系数及扭转系数。
操作力的光学观测如图1所示，当扫描探针2与样品表面接触时，在激光器1提供光源情况下，扫描探针2的悬臂梁4在受力作用下发生偏转及扭转形变，使悬臂梁4反射给光电传感器3的光线线路发生变化。通过光电传感器3的光电特性，可以产生一个与悬臂梁4的形变有一定比例关系的输出信号。该信号经过滤波处理与偏转及扭转形变模型运算，即可以作为作用在悬臂梁4上力的一个度量。
如图2所示，为四象限光电传感器结构示意图，它具有四个输出信号A、B、C、D，在与扫描探针2对应安装情况下，其光学成像位置的水平输出信号与垂直输出信号可分对应悬臂梁4扭转和上下位移的形变。
其中，光电传感器水平方向的输出信号计算模型为Sl=(A+C)-(B+D)A+B+C+D;]]>光电传感器垂直方向的输出信号计算模型为Sn=(A+B)-(C+D)A+B+C+D;]]>这样，通过采集光电传感器的信号变化，就可以推算出悬臂梁4形变在参考坐标系中的变化量。其中Sn表示了悬臂梁4受法向力(图3所示Fz)所产生的上下位移量，Sl表示了悬臂梁4受切向力(图3所示F1)所产生的扭转量；为力的分解计算提供了依据。
针尖微作用力的表达模型悬臂梁式扫描探针2的力学分析如图3所示，通过对悬臂梁4的形变进行力学分析，可以推导出作用在探针针尖5上的力的大小。
图3中Fx，Fy，Fz分别为作用在扫描探针针尖5上的三维力，Fl，Fn，为合力效果，分别代表作用在探针针尖5上的切向力和法向力，l为悬臂梁4的长度，h为探针针尖5长度，T为探针针尖5的尖部。其中设悬臂梁4在法向力Fn的作用下绕y轴的偏转角度为δy，在测向力Fl的作用下绕x轴扭转的角度为τx。则悬臂梁4形变的角度与光电传感器的输出信号有如下关系δy＝KnSn；τx＝KlSl；其中Kl和Kn为系统光学放大系数。进而由悬臂梁4的弹性模型可确定Fn为Fn＝kδy＝kKnSn；其中k为悬臂梁4弹性系数。而Fl的分力Fy可由悬臂梁4的扭矩方程确定，即Fy=k1hτx=k1hKlSl;]]>其中，kl为悬臂梁4的扭转系数，h为针尖长度。由Fn，Fy，再通过悬臂梁4的力矩方程及三角关系最终可推导出作用在针尖的三维力学模型为Fy=klKlhSlFx=-FyctanφFz=kKnSn-hlFx;]]>其中φ为切向力Fl与Fx的夹角。
本发明提出一种通过检测原子力显微镜扫描探针2的悬臂梁4的形变而获得作用在扫描探针2上的微作用力的一种方法。将获得的力信息经过比例变换后输入到与计算机相接的触觉装置(如phantom)，操作者即可实时感受到纳米操作环境下探针针尖5与样品间的作用力，进而可以感受到如样品表面的形貌，表面的摩擦情况及被操作物的运动情况等。本发明最大优点在于建立了宏观世界与微观世界的桥梁，使得对纳米环境下的操作如同在宏观世界中的操作，如推动，刻划等动作。本发明为进行复杂、灵活的纳米操作及相关技术的发展开辟了新的技术途径。
权利要求
1.一种基于纳米扫描探针形变的微作用力建模方法，其特征在于当扫描探针与样品表面接触时，通过光电传感器采集扫描探针的悬臂梁在受力作用下发生偏转及扭转形变信号，所述形变信号通过光电传感器输出信号计算模型产生一个与悬臂梁的形变有对应关系的输出信号，得出作用在悬臂梁上力的一个度量，即悬臂梁梁形变在参考坐标系中的变化量；再通过动力学分析方法，实现在纳米操作条件下计算作用扫描探针上的微作用力。
2.按照权利要求
1所述基于纳米扫描探针形变的微作用力建模方法，其特征在于所述限光电传感器的输出信号分别与探针对应安装，其中光学成像位置的水平与垂直输出信号分别对应悬臂梁扭转和上下位移的形变；所述光电传感器输出信号计算模型包括光电传感器垂直方向输出信号计算模型和水平方向的输出信号计算模型，具体如下水平方向的输出信号计算模型为Sl=(A+C)-(B+D)A+B+C+D;]]>光电传感器垂直方向输出信号计算模型为Sn=(A+B)-(C+D)A+B+C+D;]]>Sn表示悬臂梁受法向力FZ作用下产生垂直变形时对应的光电传感器输出信号，Sl表示悬臂梁受切向力F1所产生的扭转量。
3.按照权利要求
1所述基于纳米扫描探针形变的微作用力建模方法，其特征在于所述动力学分析方法为通过悬臂梁式探针的力学分析推导出作用在针尖上的力的大小，设Fx，Fy，Fz分别为作用在扫描探针针尖上的三维力，Fl，Fn为合力效果，分别代表作用在针尖上的切向力和法向力，l为悬臂梁的长度，h为针尖长度，T为针尖尖部；并设悬臂梁在法向力Fn的作用下绕y轴的偏转角度为δy，在测向力Fl的作用下绕x轴扭转的角度为τx，则悬臂梁形变的角度与光电传感器的输出信号有如下关系δy＝KnSn；τx＝KlSl；其中Kl和Kn为系统光学放大系数；进而由悬臂梁的弹性模型可确定Fn，即Fn＝kδy＝k KnSn；其中k为悬臂梁弹性系数；而Fl的分力Fy可由悬臂梁的扭矩方程确定，即Fy=klh]]>τx=klhKlSl;]]>其中，kl为悬臂梁的扭转系数，h为针尖长度；由Fn，Fy，再通过悬臂梁的力矩方程及三角关系推导出作用在针尖的三维力学模型为Fy=klKlhSlFx=-FyctanφFz=kKnSn-hlFx;]]>其中φ为切向力Fl与Fx的夹角。
专利摘要
本发明公开一种基于纳米扫描探针形变的微作用力建模方法。本发明是当扫描探针与样品表面接触时，通过光电传感器采集扫描探针的悬臂梁在受力作用下发生偏转及扭转形变信号，形变信号通过光电传感器输出信号计算模型产生一个与悬臂梁的形变有对应关系的输出信号，得出作用在悬臂梁上力的一个度量，即悬臂梁梁形变在参考坐标系中的变化量；再通过动力学分析方法，实现在纳米操作条件下计算作用扫描探针上的微作用力。本发明建立了宏观世界与微观世界的桥梁，使得在纳米环境下的操作如同在宏观世界中的操作，为进行复杂、灵活的纳米操作及相关技术的发展开辟了新的技术途径。
文档编号G01Q30/00GKCN1755345SQ200410050540
公开日2006年4月5日 申请日期2004年9月30日
发明者席宁, 董再励, 田孝军, 刘连庆, 焦念东 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan