专利名称:纳米尺度下样品形貌与性质感知方法
技术领域：
本发明涉及纳米尺度下样品形貌与性质感知技术，具体地说是一种基于扫描探针显微镜光电信号的纳米尺度下样品形貌与性质感知方法。
背景技术：
自1986年，葛.宾尼等发明了扫描探针显微镜(SPM)，让人们的视野从微米尺度进入到纳米尺度，让人们探索纳米世界下的奥秘。1纳米是10-9米，这是任何光学显微镜所不能分辨到的尺度，SPM作到了这一点，但是目前市场上任何商用的SPM只能用图像的方式来表示样品的表面形貌和性质，只能提供给人一副副静态的图像，为了加深人们对纳米尺度下物体表面形貌的认识，人们利用扫描过程中的各种光电信号来成像，比如误差信号，PSD(四象限光电检测器)光斑左右信号，闭环控制信号等等，除此之外，还用图像后处理软件，将扫描得到的二维平面图像进行3D化处理，让人们看到表面形貌的三维视图，这些都是为了加深人们对于纳米尺度下物体表面形貌和性质的感知。
但是上述的感知只是让人们在视觉上对物体表面形貌进行感知，如果能借助操作/扫描过程中的光电信号，让人们在触觉上也可以对物体的表面形貌和性质进行感知，将单一视觉感知扩充到同时具有视觉和触觉的多维感知，这势必加深人们对纳米尺度下物体表面形貌和性质的认识。将该技术和SPM相结合，使SPM单纯的提供视觉感知发展到同时提供视觉和触觉感知，这是对SPM功能的一个很有意义的扩展，这对纳米知识的科普、以及基于SPM的纳米操作都有很深的意义，但目前尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于扫描探针显微镜光电信号的纳米尺度下样品形貌与性质感知方法。它能借助操作/扫描过程中的光电信号，让人们在触觉上也可以对物体的表面形貌和性质进行感知，将单一视觉感知扩充到同时具有视觉和触觉的多维感知。
本发明的技术方案是取来自SPM显微镜的代表样品不同种类表面形貌特征的信号，通过信号处理转化为代表力值大小的信号，经触觉装置将感知力输出；其中所述触觉装置为具有力反馈功能的机械装置；所述信号处理是通过模数转换器将模拟信号转变为数字信号，通过数字滤波滤除噪声，放大处理后输出信号接至触觉装置输入端；所述数字滤波采用FIR数字滤波器，将所得到的数据通过运算，滤波后输出至放大处理步骤。
本发明的有益效果是1.本发明率先提出了将SPM用于成像的光、电、磁等信号作为力反馈信号，经过处理转换为代表力值大小的力信息，并通过力反馈装置输出感知力的技术路线。
2.由于不同的光、电、磁等信号代表了不同种类的表面形貌和性质信息，采用本发明可使相应的力信号也代表了不同种类的表面形貌和性质信息，通过力反馈，实现人们对于纳米尺度下，样品表面形貌和性质的触觉感知，将SPM仅仅用成像来提供的单一感知扩展到具有图像、触觉的多维感知，丰富了人们对纳米尺度下对样品表面形貌和性质的认识。
图1为SPM各种信号成像的类型示意图。
图2为SPM扫描过程中信号检测原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例及原理对本发明作进一步详细说明。
本实施例取来自SPM显微镜的代表的样品不同种类表面形貌特征的信号，通过信号处理转化为代表力值大小的信号，经触觉装置将感知力输出。
其中所述触觉装置为力反馈功能的机械装置，本实施例采用SENSABLE公司的PHANTOMDeskTop 6DOF装置；所述信号处理是通过模数转换器(现有技术)将模拟信号转变为数字信号，通过数字滤波滤除噪声，放大处理(如乘1个常数)后输出信号接至触觉装置输入端。所述数字滤波采用FIR数字滤波器，将模/数转换得到得数据，通过运算，滤波后输出至放大处理步骤。
取代表样品表面摩擦力特征的激光光斑左右的光电信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面摩擦系数的大小；所输出的力的值与样品表面摩擦系数的大小之间为正比例关系；比如当前激光光斑的左右信号转换为数字化的电信号后值为0.2伏，那么本实施例中将其进行线性放大10倍，送至触觉装置，转换为2牛顿的力进行输出，如果是0.1伏，转换为1牛顿的力进行输出，通过输出力值的大小不同，让操作者感受到样品表面具有不同的摩擦力性质。
取代表样品表面形貌变化的剧烈程度特征的光、电或磁等误差信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌变化的剧烈程度；比如当前数字化的误差信号值为0.03伏，那么本实施例中将其进行线性放大50倍，送至触觉装置，转换为1.5牛顿的力进行输出，如果是0.02伏，转换为1牛顿的力进行输出，通过输出力值的大小不同，让操作者感受到样品表面地貌变化的剧烈程度。
取代表样品表面形貌的绝对高低特征的闭环反馈电路中压电陶瓷的驱动信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌的绝对高低；比如数字化的压电陶瓷驱动信号为50伏，本实施例中将其进行线性缩小50倍，送至触觉装置，转换为1牛顿的力进行输出，如果是150伏，转换为3牛顿进行输出，输出力值大小的不同，让操作者感受到样品表面形貌的绝对高低特征。
取代表样品表面形貌的不同物质特征的相位光电信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌的物质特征；比如数字化的相位信号为0.3伏，本实施例中将其进行线性放大5倍，送至触觉装置，转换为1.5牛顿的力进行输出，如果是0.2伏，转换为1牛顿力进行输出，输出力值大小的变化，让操作者感受到样品表面不同的物质特征。
取代表样品表面形貌的相对高低特征的高差电信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌的相对高低特征。比如数字化的高差信号为3伏，本实施例中将其进行线性缩小2倍，转换为1.5牛顿的力进行输出，如果是5伏，送至触觉装置，转换为2.5牛顿力进行输出，输出力值大小的不同，让操作者感受到样品表面形貌的相对高低特征。
基于SPM光电信号的纳米尺度下样品形貌与性质感知原理SPM用于扫描成像时，根据SPM种类的不同，可以利用不同的信号来进行成像。当为扫描遂道显微镜(STM，为SPM的一种)时，利用隧道电流或者闭环控制Z向的电压进行成像；当为原子力显微镜(AFM，为SPM的一种)时，可以根据误差信号、激光光斑左右信号、闭环控制Z向的电压信号进行成像等等，每种信号侧重于表现样品表面形貌的一种特征；比如接触模式下AFM激光光斑左右信号对样品表面的摩擦力特别敏感，利用它来成像，可以清晰的看到样品表面的摩擦力性质；STM的隧道电流和AFM激光光斑上下信号对样品表面形貌变化的剧烈程度特别敏感，利用它来成像，可以观测到样品表面地貌变化的剧烈程度等等。SPM家族成员中的不同显微镜都有不同的光电信号用于成像，这些光电信号分别侧重代表样品表面形貌的一种特征，图1是对SPM各种光电信号成像的类型举例；可见，不同种类的光电信号，代表了不同种类的表面特征，在现有技术中，这些光电信号成像仅仅是从视觉上让人们对表面形貌特征有一个认识，而本发明把这些信号通过滤波、放大的转换方法，将其转换为力信号，通过力反馈装置输出，让人还可以在触觉上对物体的表面形貌特征有一个认识。
本发明可以结合SPM的光、电、磁等信号，实现如下不同种类的表面形貌和性质的感知(仅为说明本发明举例，并非限定本发明)利用激光光斑左右信号，通过力反馈装置，让人们从触觉上感受到样品表面摩擦力特征；利用误差信号，通过力反馈装置，让人们从触觉上感受到样品表面形貌变化的剧烈程度；利用闭环控制信号(如闭环反馈电路中压电陶瓷的驱动信号)，通过力反馈装置，让人们从触觉上感受到样品表面形貌的绝对高低；利用高差信号，通过力反馈装置，让人们感受到样品表面形貌的相对高低；利用相移信号，通过力反馈装置，让人们感受到样品表面不同种类的物质。
所述SPM不局限于原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，可以是扫描隧道显微镜(Scanning Tunnel Microscope，STM)，摩擦力显微镜(Friction Force Microscope，FFM)、激光力显微镜(Laser ForceMicroscope，LFM)、静电力显微镜(Electrostatic Force Microscope，EFM)等一系列扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)。
本发明将成像的光、电、磁等信号，解释为代表样品表面形貌和性质的信息；将光、电、磁等信号通过滤波，去除噪声，抽取有用信号，其滤波原理如下采用FIR数字滤波器对其进行滤波处理，去除干扰，使得到的信号真实地反应表面的形貌和性质。这里所用的FIR数字滤波器将所得到的扫描探针形变数字信号的序列通过运算变换成输出序列，所述FIR滤波器算法如下y(n+1)＝b(0)*x(n+1)+b(1)*x(n)+b(2)*x(n-1)+.....+b(nb+1)*x(n-nb)-a(1)*y(n)-a(2)*y(n-1)-.....-a(na+1)*y(n-na)；FIR滤波器的系统函数的Z变换形式为H(z)=Σn=0N-1h(n)z-n;]]>其中，h(n)为系统的单位冲击响应，H(z)为系统函数。
本实施例中，采用的滤波器为FIR一阶滤波器，具体为y(n+1)＝b(0)*x(n+1)+b(1)*x(n)-a(1)*y(n)，其中b(0)＝0.1111，b(1)＝0.1111，a(1)＝-0.7778表达式如下y(n+1)＝0.1111*(x(n+1)+x(n))+0.7778*y(n)；则滤波器的系统函数H(z)为H(z)=0.1111(z+1)z-0.7778.]]>为分析SPM中的各种信号，将其解释为相应的表面形貌信息，如图2所示，下面通过SPM扫描过程中信号检测原理，进一步说明各种信号代表的物理意义。
A、在整个检测系统为闭环控制系统，样品形貌的变化相当于干扰，样品形貌的变化导致位置敏感器Z方向检测信号的变化；
B、经过信号处理的Z方向检测信号与由计算机设定的参考信号作差，产生误差信号；C、控制器根据误差信号产生相应的控制信号，通过压电陶瓷Z向驱动器产生压电陶瓷驱动电压；D、压电陶瓷根据压电陶瓷Z向驱动器输出的驱动电压产生位移；E、由于压电陶瓷的Z向运动，补偿了由于样品表面形貌变化引起的位置敏感器件Z方向检测信号的变化；F、通过补偿，误差信号重新回到零，闭环系统调整结束；通过上面的分析可以得到如下结论误差信号代表了样品表面形貌变化的剧烈程度；Z向驱动电压代表了表面形貌的绝对高度；高差信号是指△Vz(n+1)＝Vz(n+1)-Vz(n)，Vz(n+1)为压电陶瓷的驱动电压，代表了样品表面的绝对高度，其中△Vz为样品表面的相对高度；通过放大，将上述三个信号转换为力信号，通过力反馈装置输出，可以让操作者分别感受到表面形貌的三种信息。
据物理学的分析，接触模式下AFM激光光斑的左右检测信号对于样品表面的摩擦力很敏感。本发明利用这个性质，将AFM光斑的左右检测信号作为力信息进行输出，可以清楚的感受到样品表面摩擦力性质的变化。
将轻敲Tapping模式(SPM工作模式的一种)下AFM检测信号的相位信息作为力反馈信号进行输出，物理学分析得知，在不同种类物质表面扫描时，相位变化剧烈。将该信号作为力反馈信号，可以让操作者通过触觉感知样品表面物质种类的多少。
将不同种类的光电信号通转换为力信号，通过力反馈装置输出，使人们通过SPM对纳米尺度下样品表面形貌和性质的认识，从单一的图形感知扩展到同时的图形和触觉感知。
采用本发明，如果触觉装置还具有控制探针运动的功能，则表面形貌的感知包括被动形貌感知和主动形貌感知。被动形貌感知是指在扫描过程中，操作者无法控制探针的运动，系统将探针扫描过程中实时采集到的光电信号，通过力反馈装置输出，这样操作者感受到的样品形貌和性质受扫描程序的控制。主动形貌感知是指操作者通过触觉装置控制探针运动，到达操作者感兴趣的位置，通过实时采集的光电信号，让操作者感受自己感兴趣位置的地貌特征。
权利要求
1.一种纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于取来自SPM显微镜的代表样品不同种类表面形貌特征的信号，通过信号处理转化为代表力值大小的信号，经触觉装置将感知力输出。
2.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于所述触觉装置为具有力反馈功能的机械装置。
3.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于所述信号处理是通过模数转换器将模拟信号转变为数字信号，通过数字滤波滤除噪声，放大处理后输出信号接至触觉装置输入端。
4.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于所述数字滤波采用FIR数字滤波器，将所得到的数据通过运算，经过滤波变换后输出，至放大处理步骤。
5.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于取代表样品表面摩擦力特征的激光光斑左右光电信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面摩擦性质；所输出的力的值与样品表面摩擦系数的大小之间为正比例关系。
6.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于取代表样品表面形貌变化的剧烈程度特征的误差信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌变化的剧烈程度。
7.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于取代表样品表面形貌的绝对高低特征的闭环反馈控制信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌的绝对高低。
8.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于取代表样品表面形貌的不同物质特征的相位光电信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌的物质特征。
9.按照权利要求
1所述纳米尺度下样品形貌与性质感知方法，其特征在于取代表样品表面形貌的相对高低特征的高差电信号，通过信号处理转化为代表力值大小的力信号，经触觉装置将感知力输出；所输出的力的值代表样品表面形貌的相对高低特征。
专利摘要
本发明涉及纳米尺度下样品形貌与性质感知技术，具体地说是一种基于扫描探针显微镜光电信号的纳米尺度下样品形貌与性质感知方法。它是取来自SPM显微镜的代表样品不同种类表面形貌特征的信号，通过信号处理转化为代表力值大小的信号，经触觉装置将感知力输出。由于不同的光、电、磁等信号代表了不同种类的表面形貌和性质信息，采用本发明能使相应的力信号也代表不同种类的表面形貌和性质信息，通过力反馈，实现人们对于纳米尺度下，样品表面形貌和性质的触觉感知，将SPM仅仅用成像来提供的单一感知扩展到具有图像、触觉的多维感知，丰富了人们对纳米尺度下对样品表面形貌和性质的认识。
文档编号G01Q30/00GKCN1900686SQ200510046915
公开日2007年1月24日 申请日期2005年7月22日
发明者董再励, 刘连庆, 焦念东, 田孝军 申请人:董再励导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan