專利名稱:基于納米掃描探針形變的微作用力建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米操作領(lǐng)域，具體地說是一種基于納米掃描探針形變的微作用力建模方法。
背景技術(shù)：
在納米操作領(lǐng)域中，原子力顯微成像系統(tǒng)(AFM)不僅作為掃描成像的工具，也可以被用來作為進(jìn)行納米操作的工具。在納米操作過程中，AFM的探針針尖處于多種力(如表面毛細(xì)作用力、摩擦力、范德華力、黏附力及原子間排斥力等)的共同作用。由于在納米尺度下直接觀測與感知這種力具有很大難度，因而可行的方法是通過間接檢測量(如檢測掃描探針的形變)。如何解釋這個(gè)間接檢測的物理現(xiàn)象，并以數(shù)學(xué)模型方式正確的描述探針?biāo)艿降奈⒆饔昧Γ@樣就可以將納米環(huán)境中的力學(xué)現(xiàn)象直接表述出來，為納米科學(xué)和操作與作業(yè)方法研究提供了新的技術(shù)途徑。這種微觀下的作用力的描述與解釋，對納米科技研究具有特別重要的意義。
AFM系統(tǒng)的掃描探針是一懸臂梁結(jié)構(gòu)，在述作用在針尖上的微力的作用下，懸臂梁會(huì)產(chǎn)生形變，這個(gè)形變力可以通過傳感器(光電、壓電等)測量出來。但目前沒有這方面的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于納米掃描探針形變的微作用力建模方法。
本發(fā)明提出一種通過對基于AFM系統(tǒng)的掃描探針懸臂梁的形變分析實(shí)現(xiàn)作用力建模的方法。
本發(fā)明技術(shù)方案為當(dāng)掃描探針與樣品表面接觸時(shí)，通過光電傳感器采集掃描探針的懸臂梁在受力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)形變信號，所述形變信號通過光電傳感器輸出信號計(jì)算模型產(chǎn)生一個(gè)與懸臂梁的形變有對應(yīng)關(guān)系的輸出信號，得出作用在懸臂梁上力的一個(gè)度量，即懸臂梁梁形變在參考坐標(biāo)系中的變化量；再通過動(dòng)力學(xué)分析方法，實(shí)現(xiàn)在納米操作條件下計(jì)算作用掃描探針上的微作用力。
本發(fā)明原理是一般AFM系統(tǒng)進(jìn)行掃描作業(yè)時(shí)，使用激光束照射在掃描探針的懸臂梁上，并反射到光電位置檢測傳感器(如PSD)上，實(shí)現(xiàn)對對象的納米級觀測。此時(shí)掃描探針針尖與樣品呈接觸狀態(tài)，并隨著樣品表面的形貌變化使探針受力產(chǎn)生上下起伏和測向扭轉(zhuǎn)形變，這些形變使反射到光電傳感器的光斑位置發(fā)生偏移，通過采集光電傳感器偏移量的輸出信號，可以測得懸臂梁形變的變化量。該變化量反映了作用于探針的合力(大小與方向)。運(yùn)用力學(xué)分析方法，可以將該合力分解和量化，就可以計(jì)算探針在各方向(X，Y，Z)上所受到的力的大小。通過對這些力的采集與反饋，使操作者可以實(shí)時(shí)感受到操作力的真實(shí)存在，從而可以非盲目的控制操作動(dòng)作；同時(shí)也可以用于對操作狀態(tài)進(jìn)行基于力反映的自適應(yīng)操作控制。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明可以在已知懸臂梁結(jié)構(gòu)和彈性變形系數(shù)的條件下，計(jì)算作用在針尖上的三維力。這種作用力的信息對實(shí)現(xiàn)具有力反饋的納米操作和科學(xué)研究技術(shù)水平，認(rèn)識納米環(huán)境下力的作用和操作對象的性質(zhì)、促進(jìn)納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。
本發(fā)明建立了宏觀世界與微觀世界的橋梁，使得對納米環(huán)境下的操作如同在宏觀世界中的操作，如推動(dòng)，刻劃等動(dòng)作。該方法為進(jìn)行復(fù)雜、靈活的納米操作及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展開辟了新的技術(shù)途徑。



圖1為本發(fā)明光學(xué)觀測原理圖，其中的虛線部分表示懸臂梁向上彎曲時(shí)光線方向的變化。
圖2為本發(fā)明光電傳感器結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明掃描探針力學(xué)分析圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明提供一種針對掃描探針2的形變實(shí)現(xiàn)力學(xué)分析與建模的方法，該方法采用光電傳感器3(本實(shí)施例采用四象限PSD)的輸出信號作為掃描探針2的懸臂梁4形變的度量參考量，通過已知的傳感器光路模型，掃描探針2的幾何模型與材料力學(xué)特性，采用動(dòng)力學(xué)分析方法，實(shí)現(xiàn)了在納米操作條件下、計(jì)算作用掃描探針上的微作用力的一種方法。
其中掃描探針2的幾何模型對掃描探針2建立直角坐標(biāo)系如圖3所示，確定掃描探針2的懸臂梁4的長度，探針針尖5的長度及掃描探針2掃描時(shí)的掃描角度。掃描探針2的材料力學(xué)特性即確定掃描探針2的彈性系數(shù)及扭轉(zhuǎn)系數(shù)。
操作力的光學(xué)觀測如圖1所示，當(dāng)掃描探針2與樣品表面接觸時(shí)，在激光器1提供光源情況下，掃描探針2的懸臂梁4在受力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)形變，使懸臂梁4反射給光電傳感器3的光線線路發(fā)生變化。通過光電傳感器3的光電特性，可以產(chǎn)生一個(gè)與懸臂梁4的形變有一定比例關(guān)系的輸出信號。該信號經(jīng)過濾波處理與偏轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)形變模型運(yùn)算，即可以作為作用在懸臂梁4上力的一個(gè)度量。
如圖2所示，為四象限光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，它具有四個(gè)輸出信號A、B、C、D，在與掃描探針2對應(yīng)安裝情況下，其光學(xué)成像位置的水平輸出信號與垂直輸出信號可分對應(yīng)懸臂梁4扭轉(zhuǎn)和上下位移的形變。
其中，光電傳感器水平方向的輸出信號計(jì)算模型為Sl=(A+C)-(B+D)A+B+C+D;]]>光電傳感器垂直方向的輸出信號計(jì)算模型為Sn=(A+B)-(C+D)A+B+C+D;]]>這樣，通過采集光電傳感器的信號變化，就可以推算出懸臂梁4形變在參考坐標(biāo)系中的變化量。其中Sn表示了懸臂梁4受法向力(圖3所示Fz)所產(chǎn)生的上下位移量，Sl表示了懸臂梁4受切向力(圖3所示F1)所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)量；為力的分解計(jì)算提供了依據(jù)。
針尖微作用力的表達(dá)模型懸臂梁式掃描探針2的力學(xué)分析如圖3所示，通過對懸臂梁4的形變進(jìn)行力學(xué)分析，可以推導(dǎo)出作用在探針針尖5上的力的大小。
圖3中Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為作用在掃描探針針尖5上的三維力，F(xiàn)l，F(xiàn)n，為合力效果，分別代表作用在探針針尖5上的切向力和法向力，l為懸臂梁4的長度，h為探針針尖5長度，T為探針針尖5的尖部。其中設(shè)懸臂梁4在法向力Fn的作用下繞y軸的偏轉(zhuǎn)角度為δy，在測向力Fl的作用下繞x軸扭轉(zhuǎn)的角度為τx。則懸臂梁4形變的角度與光電傳感器的輸出信號有如下關(guān)系δy＝KnSn；τx＝KlSl；其中Kl和Kn為系統(tǒng)光學(xué)放大系數(shù)。進(jìn)而由懸臂梁4的彈性模型可確定Fn為Fn＝kδy＝kKnSn；其中k為懸臂梁4彈性系數(shù)。而Fl的分力Fy可由懸臂梁4的扭矩方程確定，即Fy=k1hτx=k1hKlSl;]]>其中，kl為懸臂梁4的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，h為針尖長度。由Fn，F(xiàn)y，再通過懸臂梁4的力矩方程及三角關(guān)系最終可推導(dǎo)出作用在針尖的三維力學(xué)模型為Fy=klKlhSlFx=-FyctanφFz=kKnSn-hlFx;]]>其中φ為切向力Fl與Fx的夾角。
本發(fā)明提出一種通過檢測原子力顯微鏡掃描探針2的懸臂梁4的形變而獲得作用在掃描探針2上的微作用力的一種方法。將獲得的力信息經(jīng)過比例變換后輸入到與計(jì)算機(jī)相接的觸覺裝置(如phantom)，操作者即可實(shí)時(shí)感受到納米操作環(huán)境下探針針尖5與樣品間的作用力，進(jìn)而可以感受到如樣品表面的形貌，表面的摩擦情況及被操作物的運(yùn)動(dòng)情況等。本發(fā)明最大優(yōu)點(diǎn)在于建立了宏觀世界與微觀世界的橋梁，使得對納米環(huán)境下的操作如同在宏觀世界中的操作，如推動(dòng)，刻劃等動(dòng)作。本發(fā)明為進(jìn)行復(fù)雜、靈活的納米操作及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展開辟了新的技術(shù)途徑。
權(quán)利要求
1.一種基于納米掃描探針形變的微作用力建模方法，其特征在于當(dāng)掃描探針與樣品表面接觸時(shí)，通過光電傳感器采集掃描探針的懸臂梁在受力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)形變信號，所述形變信號通過光電傳感器輸出信號計(jì)算模型產(chǎn)生一個(gè)與懸臂梁的形變有對應(yīng)關(guān)系的輸出信號，得出作用在懸臂梁上力的一個(gè)度量，即懸臂梁梁形變在參考坐標(biāo)系中的變化量；再通過動(dòng)力學(xué)分析方法，實(shí)現(xiàn)在納米操作條件下計(jì)算作用掃描探針上的微作用力。
2.按照權(quán)利要求
1所述基于納米掃描探針形變的微作用力建模方法，其特征在于所述限光電傳感器的輸出信號分別與探針對應(yīng)安裝，其中光學(xué)成像位置的水平與垂直輸出信號分別對應(yīng)懸臂梁扭轉(zhuǎn)和上下位移的形變；所述光電傳感器輸出信號計(jì)算模型包括光電傳感器垂直方向輸出信號計(jì)算模型和水平方向的輸出信號計(jì)算模型，具體如下水平方向的輸出信號計(jì)算模型為Sl=(A+C)-(B+D)A+B+C+D;]]>光電傳感器垂直方向輸出信號計(jì)算模型為Sn=(A+B)-(C+D)A+B+C+D;]]>Sn表示懸臂梁受法向力FZ作用下產(chǎn)生垂直變形時(shí)對應(yīng)的光電傳感器輸出信號，Sl表示懸臂梁受切向力F1所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)量。
3.按照權(quán)利要求
1所述基于納米掃描探針形變的微作用力建模方法，其特征在于所述動(dòng)力學(xué)分析方法為通過懸臂梁式探針的力學(xué)分析推導(dǎo)出作用在針尖上的力的大小，設(shè)Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為作用在掃描探針針尖上的三維力，F(xiàn)l，F(xiàn)n為合力效果，分別代表作用在針尖上的切向力和法向力，l為懸臂梁的長度，h為針尖長度，T為針尖尖部；并設(shè)懸臂梁在法向力Fn的作用下繞y軸的偏轉(zhuǎn)角度為δy，在測向力Fl的作用下繞x軸扭轉(zhuǎn)的角度為τx，則懸臂梁形變的角度與光電傳感器的輸出信號有如下關(guān)系δy＝KnSn；τx＝KlSl；其中Kl和Kn為系統(tǒng)光學(xué)放大系數(shù)；進(jìn)而由懸臂梁的彈性模型可確定Fn，即Fn＝kδy＝k KnSn；其中k為懸臂梁彈性系數(shù)；而Fl的分力Fy可由懸臂梁的扭矩方程確定，即Fy=klh]]>τx=klhKlSl;]]>其中，kl為懸臂梁的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，h為針尖長度；由Fn，F(xiàn)y，再通過懸臂梁的力矩方程及三角關(guān)系推導(dǎo)出作用在針尖的三維力學(xué)模型為Fy=klKlhSlFx=-FyctanφFz=kKnSn-hlFx;]]>其中φ為切向力Fl與Fx的夾角。
專利摘要
本發(fā)明公開一種基于納米掃描探針形變的微作用力建模方法。本發(fā)明是當(dāng)掃描探針與樣品表面接觸時(shí)，通過光電傳感器采集掃描探針的懸臂梁在受力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)形變信號，形變信號通過光電傳感器輸出信號計(jì)算模型產(chǎn)生一個(gè)與懸臂梁的形變有對應(yīng)關(guān)系的輸出信號，得出作用在懸臂梁上力的一個(gè)度量，即懸臂梁梁形變在參考坐標(biāo)系中的變化量；再通過動(dòng)力學(xué)分析方法，實(shí)現(xiàn)在納米操作條件下計(jì)算作用掃描探針上的微作用力。本發(fā)明建立了宏觀世界與微觀世界的橋梁，使得在納米環(huán)境下的操作如同在宏觀世界中的操作，為進(jìn)行復(fù)雜、靈活的納米操作及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展開辟了新的技術(shù)途徑。
文檔編號G01Q30/00GKCN1755345SQ200410050540
公開日2006年4月5日 申請日期2004年9月30日
發(fā)明者席寧, 董再勵(lì), 田孝軍, 劉連慶, 焦念東 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan