一种面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近方法及装置的制作方法

专利名称:一种面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用AFM(Atomic Force Microscope，原子力扫描显微镜)探针进行 纳米观测与操作过程中无损自动逼近方法及装置，具体的说是一种新的连续逼近方法及装 置，用于实现纳米观测及操作过程中样品相对于探针的无损自动逼近。解决传统AFM逼近 过程中由于人为误操作而引起的探针及样品表面特征损坏。
技术背景
目前，基于AFM的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，已成为目前纳米科学研究中的一个重要方 向。基于AFM的纳米观测与操作原理是，控制悬臂梁结构探针对样品表面产生接触或非接 触状态作用，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，这需要通过对压电陶瓷驱动 器构成的运动系统施加驱动电压，控制压电陶瓷驱动器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。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，逼近接触过程中样品与探针之间容易发生碰撞，使 探针损坏，同时也使样品表面的部分特征如DNA等生物样品受到损害。另外一种利用限位 开关来实现无损逼近的方法，但是对于样品的高度有较高要求，限位开关的位置需要根据 样品的位置做调整，所以对样品的高度有一定限制，而且不容易实现操作过程中连续的样 品无损自动逼近。

发明内容
为解决微AFM样品台逼近探针过程中对探针及样品的破坏，实现纳米观测及操作 过程中样品的连续自动逼近，本发明的目的在于提供一种新的无损自动逼近方法通过控 制器来控制电机带动样品台上升，利用激光接收器检测信号来判断样品是否运动到预定位 置，完成逼近初调；然后控制压电陶瓷向上逼近，通过检测光电传感器来判断样品是否接触 探针，来完成最终逼近。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。
具体技术方案为
一种面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近方法，包括微米级调整和纳米级调 整；
所述微米级调整方法包括如下步骤
a.由激光发射器和激光接收器设定预定位置；
b.由步进电机驱动样品上升，当样品升并阻断激光时，激光接收器接收这一信号， 传给控制器，控制器停止步进电机1运动；[0009]所述纳米级调整方法包括如下步骤
c.压电陶瓷驱动器向上逼近，同时检测光电传感器上的由探针反射的激光光斑位 置变化信号，如果光斑位置信号产生突变，则说明样品已接触探针，停止逼近，完成逼近过 程；
d.如果压电陶瓷驱动器运动到最大距离时，光电传感器仍然没有输出突变信号， 则压电陶瓷驱动器回到初始位置，再回步骤a进行逼近，直至光电传感器产生突变信号为 止，最终完成无损逼近。
本发明还公开了一种实现面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近装置，包括步进 电机、压电陶瓷驱动器、激光发射器、激光接收器、控制器、探针、激光光源、光电传感器，所 述控制器与各部件电连接，所述步进电机上设置压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器上 设置样品台，所述样品台正上方设置探针，激光源发射激光经探针反射至光电传感器，激光 发射器和激光接收器分别安置于样品台两侧且位于探针正下方、样品台的正上方。所述激 光发射器发射的激光位于探针正下方，并与针尖保持10 50微米距离。其中控制器核心 控制芯片采用嵌入式系统(ARM)。扫描探针采用爱沙尼亚MikroMasch公司的NSC21系列。
所述控制器是一个基于C8051单片机的控制系统，配合上位机完成数据通信，指 令控制，AD数据采集，DA输出，步进电机控制及光电位置传感器信息检测等。其硬件整体框 架如图2所示。控制器主要包括C8051F120单片机，串口通信模块，步进电机控制模块，激光 接收器信号检测模块，光电位置传感器信息检测模块，压电陶瓷驱动模块。其中C8051F120 单片机是控制的核心，用于数据处理及系统的控制；串口通信模块用于与上位机的通信，完 成指令的控制及数据传输；步进电机控制模块用于步进电机的控制，完成样品台的微米级 初步逼近；激光接收器信号检测模块用于检测激光接收器的输出信号，用于判断步进电机 带动样品台初步逼近时样品是否阻断激光；压电陶瓷控制模块用于将控制器上DA输出的 电压进行高压放大，控制压电陶瓷完成纳米级逼近运动；光电位置传感器信息检测模块用 于检测光电位置传感器的输出信号，用以判断压电陶瓷驱动器带动样平台完成纳米级逼近 时扫描探针与样品的接触情况。
如图3所示，本发明原理是在探针及样品台之间的预定位置预置一束水平激光， 激光由激光发射器产生，并由激光接收器检测。激光位于探针正下方，与探针距离10-50uM。 当样品开始逼近时，先由步进电机驱动样品台上升，当样品上升并阻断激光时，激光接收器 接收这一信号并将该信号传至控制器，控制器便停止步进电机运动，这时样品表面高度与 水平激光在同一高度；接着开始由压电陶瓷驱动器开始驱动样品台纳米级上升，当样品表 面接触探针时，探针产生形变，并由光电传感器检测这一形变并将信号传至控制器，控制器 停止压电陶瓷驱动器运动，完成样品逼近；如果压电陶瓷驱动器运动到最大距离时，光电传 感器仍然没有输出突变信号，则控制器控制压电陶瓷驱动器回到初始位置，再重新设定预 定位置，由步进电机驱动初调平台步进，即重新按前述方式驱动压电陶瓷驱动器进行逼近， 直至光电传感器产生突变信号为止。
压电陶瓷的驱动原理压电陶瓷(锆钛酸铅)是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在 1200度高温下烧结而成的多晶体。利用压电陶瓷的逆压电效应，在压电陶瓷两极上施加交 流电压，引起压电陶瓷产生机械形变，从而带动AFM样品台产生纳米级运动。
本发明具有如下优点与以往逼近系统相比，由于激光与探针相对位置是固定的，
4所以样品台初始逼近后，样品台的距离与探针的位置也是固定的，这样每次逼近都可以保 证样品与探针的距离，消除其他因素干扰，对最终逼进提供良好的逼近环境。本无损逼近系 统结构简单，效率高，成本低，为开发低成本的AFM提供一种可行的技术途径，并可以极大 提高样品的逼近效率，减少探针及样品因逼近过程操作失误引起的损耗。


图1本发明结构简图；
图2控制器结构简图；
图3本发明原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的装置包括步进电机1、压电陶瓷驱动器2、样品台3、激光发射 器4、激光接收器5、探针6、激光光源7、光电传感器8、控制器9，所述控制器9与各部件电 连接，所述步进电机1上设置压电陶瓷驱动器2，所述压电陶瓷驱动器上设置样品台3，所述 样品台3正上方设置探针6，激光源7发射激光经探针6反射至光电传感器8，激光发射器 4和激光接收器5分别安置于样品台3两侧且位于探针6正下方、样品台3的正上方。
激光发射器4发射的激光位于探针6正下方，并与针尖保持10 50微米距离。
如图2所示，所述控制器主要包括C8051F120单片机，串口通信模块，步进电机控 制模块，激光接收器信号检测模块，光电位置传感器信息检测模块，压电陶瓷驱动模块。其 中C8051F120单片机是控制的核心，用于数据处理及系统的控制；串口通信模块用于与上 位机的通信，完成指令的控制及数据传输；步进电机控制模块用于步进电机的控制，完成样 品台的微米级初步逼近；激光接收器信号检测模块用于检测激光接收器的输出信号，用于 判断步进电机带动样品台初步逼近时样品是否阻断激光；压电陶瓷控制模块用于将控制器 上DA输出的电压进行高压放大，控制压电陶瓷完成纳米级逼近运动；光电位置传感器信息 检测模块用于检测光电位置传感器的输出信号，用以判断压电陶瓷驱动器带动样平台完成 纳米级逼近时扫描探针与样品的接触情况。
本发明装置的使用方法是步进电机1构成初调运动平台，用于微米级调整；激光 发射器4和激光接收器5单元结构位于探针6结构以下，通过微调使水平激光位于探针6 以下预定位置处，用于检测样品3初调是否到达预定位置水平激光所在位置。当样品3开 始逼近时，先由步进电机1驱动样品3上升，当样品3上升并阻断激光时，激光接收器5接 收这一信号，便停止步进电机1运动，这时样品3表面高度与水平激光在同一高度，也就是 预先设定好的位置。
压电陶瓷驱动器2构成精密运动平台，用于纳米级调整。探针6，激光源7和光电 传感器8构成的单元结构用于检测在压电陶瓷驱动器2逼近过程是否完成。在完成初始逼 近步骤后，控制压电陶瓷驱动器2向上逼近，同时检测光电传感器8上的由探针6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3已接触探针6，停止逼近， 完成逼近过程。如果压电陶瓷驱动器2运动到最大距离时，光电传感器8仍然没有输出突 变信号，则压电陶瓷驱动器2回到初始位置，再控制步进电机1驱动初调平台步进，重新按前述 方式驱动压电陶瓷驱动器2进行逼近，直至光电传感器8产生突变信号为止，最终完成 无损逼近。
权利要求
1.一种面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近方法，其特征在于包括微米级调整和 纳米级调整；所述微米级调整方法包括如下步骤a.由激光发射器和激光接收器设定预定位置；b.由步进电机驱动样品上升，当样品升并阻断激光时，激光接收器接收这一信号，传给 控制器，控制器停止步进电机1运动；所述纳米级调整方法包括如下步骤c.压电陶瓷驱动器向上逼近，同时检测光电传感器上的由探针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，则说明样品已接触探针，停止逼近，完成逼近过程；d.如果压电陶瓷驱动器运动到最大距离时，光电传感器仍然没有输出突变信号，则压 电陶瓷驱动器回到初始位置，再回步骤b进行逼近，直至光电传感器产生突变信号为止，最 终完成无损逼近。
2.一种面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近装置，其特征在于包括步进电机、压 电陶瓷驱动器、激光发射器、激光接收器、控制器、探针、激光光源、光电传感器，所述控制器 与各部件电连接，所述步进电机上设置压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器上设置样品 台，所述样品台正上方设置探针，激光源发射激光经探针反射至光电传感器，激光发射器和 激光接收器分别安置于样品台两侧且位于探针正下方、样品台的正上方。
3.按权利要求
2所述面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近装置，其特征在于激光 发射器发射的激光位于探针正下方，并与针尖保持10 50微米距离。
专利摘要
本发明涉及基于AFM原子力扫描显微镜技术，公开了一种面向纳米观测及纳米操作无损自动逼近方法及装置，本发明通过控制步进电机带动样品台上升，利用激光接收器检测信号来判断样品是否运动到预定位置，完成逼近初调；然后控制压电陶瓷驱动器向上逼近，通过检测光电传感器来判断样品是否接触探针，来完成最终逼近。本发明可以有效解决在样品逼近过程中样品厚度对逼近过程中的影响，减少逼近过程中对探针及样品表面的破坏损伤。
文档编号G01Q60/24GKCN102072970SQ200910220156
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月25日
发明者于鹏, 刘柱, 周磊, 杨洋, 董再励 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所