專利名稱:掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于掃描探針顯微鏡的技術(shù)領(lǐng)域：
，是一種使用單個中央處理器(CPU)多任務(wù)并行地對掃描探針顯微鏡進(jìn)行全數(shù)字化控制的方法及控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡(SPM)是一種對物體表面進(jìn)行實(shí)空間觀察的工具，廣泛應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)表征和操縱等領(lǐng)域。它是將探針接近樣品表面產(chǎn)生相互作用，然后在樣品表面進(jìn)行掃描，對表面成像或?qū)ξ⑿〗Y(jié)構(gòu)進(jìn)行操縱。掃描探針顯微鏡的控制系統(tǒng)通常需要具備以下功能1.反饋控制能探測針尖和樣品之間相互作用大小，實(shí)時(shí)調(diào)整針尖和樣品之間的距離以保持相互作用大小為一個恒定值；2.掃描控制能按照指定的軌跡移動針尖進(jìn)行掃描；3.接受輸入接受操作人員的輸入，改變掃描軌跡和各項(xiàng)控制參數(shù)；4.數(shù)據(jù)處理記錄針尖的位置、相互作用大小等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示圖像。
一般的掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)通常使用模擬的比例-積分負(fù)反饋電路進(jìn)行反饋控制，使用三角波發(fā)生器移動針尖進(jìn)行掃描控制；使用計(jì)算機(jī)接受輸入和處理數(shù)據(jù)。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；受模擬反饋電路限制，其控制的精度也不高。如果需要實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量過程，往往必須對電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，靈活性不好。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有傳統(tǒng)掃描探針顯微鏡的控制系統(tǒng)所存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種掃描探針顯微鏡的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，由單個中央處理器(CPU)多任務(wù)并行地進(jìn)行反饋控制、掃描控制、接受輸入和數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明的上述目的是通過如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制方法，其步驟包括(1)設(shè)置A/D卡的時(shí)鐘信號源周期性地觸發(fā)，將針尖和樣品的相互作用信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并在每次轉(zhuǎn)換完成后發(fā)送CPU中斷信號；(2)中央處理器接到中斷信號后，暫停接受輸入和數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)而進(jìn)行反饋和掃描控制，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算得到針尖需要調(diào)整到的Z方向坐標(biāo)，根據(jù)由操作人員設(shè)定的掃描軌跡計(jì)算得到針尖的X和Y方向；(3)中央處理器將針尖坐標(biāo)和其它控制量通過D/A卡轉(zhuǎn)換成電壓輸出，使探針發(fā)生移動。
中央處理器可反復(fù)執(zhí)行如下步驟(1)從輸入模塊讀入用戶的指令，根據(jù)指令改變針尖的掃描軌跡和控制參數(shù)；
(2)對當(dāng)前針尖坐標(biāo)、針尖和樣品相互作用等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(3)將以上數(shù)據(jù)顯示給操作人員；(4)將以上數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存和磁盤中。
進(jìn)行反饋和掃描控制時(shí)，可通過計(jì)算針尖的Z坐標(biāo)動態(tài)地使得針尖和樣品相互作用的大小保持為參考值。
一種掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制系統(tǒng)，其包括輸入模塊、存儲顯示模塊、中央處理器、A/D卡、D/A卡和外圍檢測、放大電路；一個檢測和放大電路，其一端連接到掃描探針顯微鏡的掃描頭，用于接受針尖和樣品的相互作用信號，另一端連接到A/D卡；A/D卡，用于周期性定時(shí)的進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并在每次轉(zhuǎn)換后發(fā)送中斷信號給中央處理器；中央處理器根據(jù)A/D卡轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算，并通過輸入模塊獲得操作人員的指令改變探針的掃描軌跡和負(fù)反饋的積分常數(shù)和比例常數(shù)等控制參數(shù)，通過存儲和顯示模塊存儲探針坐標(biāo)和針尖與樣品相互作用的大??；D/A卡，用于將中央處理器的針尖坐標(biāo)和其它控制量轉(zhuǎn)換成電壓輸出；一個放大電路，其一端連接到D/A卡，另一端連接到掃描探針顯微鏡的掃描頭，用于輸出針尖坐標(biāo)和其它控制量。
控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)中央處理器(CPU)首先啟動一個循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)，內(nèi)容包括從輸入模塊得到當(dāng)前操作人員的指令來改變探針的掃描軌跡和控制參數(shù)，和對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過存儲顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)地存儲和顯示，這樣實(shí)現(xiàn)接受輸入和數(shù)據(jù)處理的功能。同時(shí)外圍檢測和放大電路將掃描探針顯微鏡的針尖和樣品相互作用大小轉(zhuǎn)換成為電壓值連接到A/D卡，A/D卡周期性定時(shí)地把電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，每次轉(zhuǎn)換完成后會通過中斷信號通知中央處理器，這時(shí)中央處理器(CPU)立即暫停當(dāng)前的接受輸入和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，轉(zhuǎn)而對A/D卡轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行比例-積分負(fù)反饋計(jì)算，得到探針和樣片之間的距離，然后根據(jù)設(shè)定的掃描軌跡計(jì)算出針尖所要移動到的位置，最后把這些控制量通過D/A卡轉(zhuǎn)換成電壓。這些電壓通過外圍放大電路后使探針發(fā)生移動，從而實(shí)現(xiàn)反饋控制和掃描控制，這個過程完成后，再繼續(xù)執(zhí)行接受輸入和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，充分利用中央處理器(CPU)自身強(qiáng)大的運(yùn)算和編程功能；全數(shù)字化的負(fù)反饋計(jì)算的精度很高；操作人員可以實(shí)時(shí)地改變控制參數(shù)和看到掃描得到的圖像數(shù)據(jù)等，靈活性好。



下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)描述。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的構(gòu)造和連接圖；圖2是中央處理器接受輸入和數(shù)據(jù)處理的流程圖；圖3是中央處理器進(jìn)行反饋控制和掃描控制的流程圖；圖4為負(fù)反饋運(yùn)算使用的比例-積分反饋算法。
其中，I為針尖和樣品之間相互作用大小，I_ref為針尖和樣品相互作用大小的參考值，Kp為比例常數(shù)，Kt為積分常數(shù)倒數(shù)。
具體實(shí)施方式
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的構(gòu)造和連接圖，由輸入模塊，存儲顯示模塊，中央處理器(CPU)，A/D和D/A卡，外圍檢測和放大電路組成。輸入模塊由鍵盤和鼠標(biāo)組成，通過主板連接到中央處理器。存儲和顯示模塊由內(nèi)存、硬盤、顯示卡和顯示器組成，通過主板連接到中央處理器。中央處理器可采用80686架構(gòu)的CPU，主頻建議為1GHz以上。A/D卡為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換卡，必須帶有一個可周期性觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號源，并且能在A/D轉(zhuǎn)換完成后向中央處理器發(fā)送中斷信號。D/A卡為數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡。A/D和D/A卡通過主板的PCI總線連接到中央處理器。外圍檢測和放大電路包括一個檢測和放大電路，其一端連接到掃描探針顯微鏡的掃描頭接受針尖和樣品的相互作用信號，另一端連接到A/D卡；一個放大電路其一端連接到D/A卡，另一端連接到掃描探針顯微鏡的掃描頭用于輸出針尖坐標(biāo)和其它控制量。
控制系統(tǒng)啟動時(shí)，首先需要設(shè)置A/D卡的時(shí)鐘信號源周期性地每隔一段時(shí)間(例如100微秒)觸發(fā)一次A/D轉(zhuǎn)換并在每次轉(zhuǎn)換完成后發(fā)送CPU中斷信號。然后如圖2所示，由中央處理器開始進(jìn)行接受輸入和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，中央處理器反復(fù)執(zhí)行下面的步驟1.從輸入模塊讀入用戶的指令，根據(jù)指令改變針尖的掃描軌跡和控制參數(shù)。2.對當(dāng)前針尖坐標(biāo)、針尖和樣品相互作用等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。3.將以上數(shù)據(jù)顯示給操作人員。4.將以上數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存和磁盤中。
在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如圖3所示，A/D卡會周期性定時(shí)的進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并在每次轉(zhuǎn)換后發(fā)送中斷信號給中央處理器，這時(shí)中央處理器立即暫停接受輸入和數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)而進(jìn)行反饋和掃描控制。這時(shí)中央處理器根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算得到針尖需要調(diào)整到的Z方向(Z方向指垂直于樣品表面的方向)坐標(biāo)。然后根據(jù)由操作人員設(shè)定的掃描軌跡計(jì)算得到針尖的X和Y方向(X和Y方向指平行于樣品表面并互相垂直的兩個方向)坐標(biāo)，然后將針尖坐標(biāo)和其它控制量(例如針尖和樣品之間的電壓等)通過D/A卡轉(zhuǎn)換成電壓輸出。D/A轉(zhuǎn)換輸出完成后，中央處理器才繼續(xù)被暫停的接受輸入和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。
在以上進(jìn)行反饋和掃描控制時(shí)，進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算時(shí)可采用如圖4所示的一種比例-積分負(fù)反饋算法，其通過計(jì)算針尖的Z坐標(biāo)動態(tài)地使得針尖和樣品相互作用的大小保持為參考值(I_ref)。其中比例常數(shù)和積分常數(shù)作為控制參數(shù)可以由操作人員通過輸入模塊進(jìn)行修改。
綜上所述，本發(fā)明公開了一種掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制系統(tǒng)。上面描述的應(yīng)用場景和實(shí)施例，并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的更動和潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求
范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制方法，其步驟包括(1)設(shè)置A/D卡的時(shí)鐘信號源周期性地觸發(fā)，將針尖和樣品的相互作用信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并在每次轉(zhuǎn)換完成后發(fā)送CPU中斷信號；(2)中央處理器接到中斷信號后，暫停接受輸入和數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)而進(jìn)行反饋和掃描控制，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算得到針尖需要調(diào)整到的Z方向坐標(biāo)，根據(jù)由操作人員設(shè)定的掃描軌跡計(jì)算得到針尖的X和Y方向坐標(biāo)；(3)中央處理器將針尖坐標(biāo)和其它控制量通過D/A卡轉(zhuǎn)換成電壓輸出，使探針發(fā)生移動。
2.如權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制方法，其特征在于中央處理器反復(fù)執(zhí)行如下步驟(1)從輸入模塊讀入用戶的指令，根據(jù)指令改變針尖的掃描軌跡和控制參數(shù)；(2)對當(dāng)前針尖坐標(biāo)、針尖和樣品相互作用等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(3)將以上數(shù)據(jù)顯示給操作人員；(4)將以上數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存和磁盤中。
3.如權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制方法，其特征在于進(jìn)行反饋和掃描控制時(shí)，通過計(jì)算針尖的Z坐標(biāo)動態(tài)地使得針尖和樣品相互作用的大小保持為參考值。
4.一種掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制系統(tǒng)，其包括輸入模塊、存儲顯示模塊、中央處理器、A/D卡、D/A卡和外圍檢測、放大電路；一個檢測和放大電路，其一端連接到掃描探針顯微鏡的掃描頭，用于接受針尖和樣品的相互作用信號，另一端連接到A/D卡；A/D卡，用于周期性定時(shí)的進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并在每次轉(zhuǎn)換后發(fā)送給中央處理器；中央處理器根據(jù)A/D卡轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算，并通過輸入模塊獲得操作人員的指令改變探針的掃描軌跡和負(fù)反饋的積分常數(shù)和比例常數(shù)等控制參數(shù)，通過存儲和顯示模塊存儲探針坐標(biāo)和針尖與樣品相互作用的大??；D/A卡，用于將中央處理器的針尖坐標(biāo)和其它控制量轉(zhuǎn)換成電壓輸出；一個放大電路，其一端連接到D/A卡，另一端連接到掃描探針顯微鏡的掃描頭，用于輸出針尖坐標(biāo)和其它控制量。
5.如權(quán)利要求
4所述的掃描探針顯微鏡的全數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置A/D卡的時(shí)鐘信號源周期性地每隔一段時(shí)間觸發(fā)一次A/D轉(zhuǎn)換并在每次轉(zhuǎn)換完成后發(fā)送CPU中斷信號。
專利摘要
本發(fā)明提供一種掃描探針顯微鏡的全數(shù)字化控制方法及系統(tǒng)，由單個中央處理器多任務(wù)并行地進(jìn)行反饋控制、掃描控制、接受輸入和數(shù)據(jù)處理。該控制方法為將掃描探針顯微鏡的針尖和樣品相互作用大小轉(zhuǎn)換成為電壓值連接到A/D卡，A/D卡周期性定時(shí)地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并在每次轉(zhuǎn)換完成后通過中斷信號通知中央處理器，中央處理器暫停當(dāng)前的接受輸入和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，轉(zhuǎn)而進(jìn)行反饋控制和掃描控制對A/D卡轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行負(fù)反饋計(jì)算得到探針和樣片之間的距離，然后根據(jù)設(shè)定的掃描軌跡計(jì)算出針尖所要移動到的位置，最后這些控制量通過D/A卡轉(zhuǎn)換成電壓，使探針發(fā)生移動。本發(fā)明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，全數(shù)字化的負(fù)反饋計(jì)算精度高。
文檔編號G01Q10/00GKCN1900688SQ200610088968
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月27日
發(fā)明者劉爭暉, 張朝暉 申請人:北京大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan