專利名稱:納米尺度下樣品形貌與性質感知方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米尺度下樣品形貌與性質感知技術，具體地說是一種基于掃描探針顯微鏡光電信號的納米尺度下樣品形貌與性質感知方法。
背景技術：
自1986年，葛.賓尼等發(fā)明了掃描探針顯微鏡(SPM)，讓人們的視野從微米尺度進入到納米尺度，讓人們探索納米世界下的奧秘。1納米是10-9米，這是任何光學顯微鏡所不能分辨到的尺度，SPM作到了這一點，但是目前市場上任何商用的SPM只能用圖像的方式來表示樣品的表面形貌和性質，只能提供給人一副副靜態(tài)的圖像，為了加深人們對納米尺度下物體表面形貌的認識，人們利用掃描過程中的各種光電信號來成像，比如誤差信號，PSD(四象限光電檢測器)光斑左右信號，閉環(huán)控制信號等等，除此之外，還用圖像后處理軟件，將掃描得到的二維平面圖像進行3D化處理，讓人們看到表面形貌的三維視圖，這些都是為了加深人們對于納米尺度下物體表面形貌和性質的感知。
但是上述的感知只是讓人們在視覺上對物體表面形貌進行感知，如果能借助操作/掃描過程中的光電信號，讓人們在觸覺上也可以對物體的表面形貌和性質進行感知，將單一視覺感知擴充到同時具有視覺和觸覺的多維感知，這勢必加深人們對納米尺度下物體表面形貌和性質的認識。將該技術和SPM相結合，使SPM單純的提供視覺感知發(fā)展到同時提供視覺和觸覺感知，這是對SPM功能的一個很有意義的擴展，這對納米知識的科普、以及基于SPM的納米操作都有很深的意義，但目前尚未見報道。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于掃描探針顯微鏡光電信號的納米尺度下樣品形貌與性質感知方法。它能借助操作/掃描過程中的光電信號，讓人們在觸覺上也可以對物體的表面形貌和性質進行感知，將單一視覺感知擴充到同時具有視覺和觸覺的多維感知。
本發(fā)明的技術方案是取來自SPM顯微鏡的代表樣品不同種類表面形貌特征的信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的信號，經觸覺裝置將感知力輸出；其中所述觸覺裝置為具有力反饋功能的機械裝置；所述信號處理是通過模數轉換器將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?，通過數字濾波濾除噪聲，放大處理后輸出信號接至觸覺裝置輸入端；所述數字濾波采用FIR數字濾波器，將所得到的數據通過運算，濾波后輸出至放大處理步驟。
本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明率先提出了將SPM用于成像的光、電、磁等信號作為力反饋信號，經過處理轉換為代表力值大小的力信息，并通過力反饋裝置輸出感知力的技術路線。
2.由于不同的光、電、磁等信號代表了不同種類的表面形貌和性質信息，采用本發(fā)明可使相應的力信號也代表了不同種類的表面形貌和性質信息，通過力反饋，實現人們對于納米尺度下，樣品表面形貌和性質的觸覺感知，將SPM僅僅用成像來提供的單一感知擴展到具有圖像、觸覺的多維感知，豐富了人們對納米尺度下對樣品表面形貌和性質的認識。
圖1為SPM各種信號成像的類型示意圖。
圖2為SPM掃描過程中信號檢測原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例及原理對本發(fā)明作進一步詳細說明。
本實施例取來自SPM顯微鏡的代表的樣品不同種類表面形貌特征的信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的信號，經觸覺裝置將感知力輸出。
其中所述觸覺裝置為力反饋功能的機械裝置，本實施例采用SENSABLE公司的PHANTOMDeskTop 6DOF裝置；所述信號處理是通過模數轉換器(現有技術)將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?，通過數字濾波濾除噪聲，放大處理(如乘1個常數)后輸出信號接至觸覺裝置輸入端。所述數字濾波采用FIR數字濾波器，將模/數轉換得到得數據，通過運算，濾波后輸出至放大處理步驟。
取代表樣品表面摩擦力特征的激光光斑左右的光電信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面摩擦系數的大小；所輸出的力的值與樣品表面摩擦系數的大小之間為正比例關系；比如當前激光光斑的左右信號轉換為數字化的電信號后值為0.2伏，那么本實施例中將其進行線性放大10倍，送至觸覺裝置，轉換為2牛頓的力進行輸出，如果是0.1伏，轉換為1牛頓的力進行輸出，通過輸出力值的大小不同，讓操作者感受到樣品表面具有不同的摩擦力性質。
取代表樣品表面形貌變化的劇烈程度特征的光、電或磁等誤差信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌變化的劇烈程度；比如當前數字化的誤差信號值為0.03伏，那么本實施例中將其進行線性放大50倍，送至觸覺裝置，轉換為1.5牛頓的力進行輸出，如果是0.02伏，轉換為1牛頓的力進行輸出，通過輸出力值的大小不同，讓操作者感受到樣品表面地貌變化的劇烈程度。
取代表樣品表面形貌的絕對高低特征的閉環(huán)反饋電路中壓電陶瓷的驅動信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌的絕對高低；比如數字化的壓電陶瓷驅動信號為50伏，本實施例中將其進行線性縮小50倍，送至觸覺裝置，轉換為1牛頓的力進行輸出，如果是150伏，轉換為3牛頓進行輸出，輸出力值大小的不同，讓操作者感受到樣品表面形貌的絕對高低特征。
取代表樣品表面形貌的不同物質特征的相位光電信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌的物質特征；比如數字化的相位信號為0.3伏，本實施例中將其進行線性放大5倍，送至觸覺裝置，轉換為1.5牛頓的力進行輸出，如果是0.2伏，轉換為1牛頓力進行輸出，輸出力值大小的變化，讓操作者感受到樣品表面不同的物質特征。
取代表樣品表面形貌的相對高低特征的高差電信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌的相對高低特征。比如數字化的高差信號為3伏，本實施例中將其進行線性縮小2倍，轉換為1.5牛頓的力進行輸出，如果是5伏，送至觸覺裝置，轉換為2.5牛頓力進行輸出，輸出力值大小的不同，讓操作者感受到樣品表面形貌的相對高低特征。
基于SPM光電信號的納米尺度下樣品形貌與性質感知原理SPM用于掃描成像時，根據SPM種類的不同，可以利用不同的信號來進行成像。當為掃描遂道顯微鏡(STM，為SPM的一種)時，利用隧道電流或者閉環(huán)控制Z向的電壓進行成像；當為原子力顯微鏡(AFM，為SPM的一種)時，可以根據誤差信號、激光光斑左右信號、閉環(huán)控制Z向的電壓信號進行成像等等，每種信號側重于表現樣品表面形貌的一種特征；比如接觸模式下AFM激光光斑左右信號對樣品表面的摩擦力特別敏感，利用它來成像，可以清晰的看到樣品表面的摩擦力性質；STM的隧道電流和AFM激光光斑上下信號對樣品表面形貌變化的劇烈程度特別敏感，利用它來成像，可以觀測到樣品表面地貌變化的劇烈程度等等。SPM家族成員中的不同顯微鏡都有不同的光電信號用于成像，這些光電信號分別側重代表樣品表面形貌的一種特征，圖1是對SPM各種光電信號成像的類型舉例；可見，不同種類的光電信號，代表了不同種類的表面特征，在現有技術中，這些光電信號成像僅僅是從視覺上讓人們對表面形貌特征有一個認識，而本發(fā)明把這些信號通過濾波、放大的轉換方法，將其轉換為力信號，通過力反饋裝置輸出，讓人還可以在觸覺上對物體的表面形貌特征有一個認識。
本發(fā)明可以結合SPM的光、電、磁等信號，實現如下不同種類的表面形貌和性質的感知(僅為說明本發(fā)明舉例，并非限定本發(fā)明)利用激光光斑左右信號，通過力反饋裝置，讓人們從觸覺上感受到樣品表面摩擦力特征；利用誤差信號，通過力反饋裝置，讓人們從觸覺上感受到樣品表面形貌變化的劇烈程度；利用閉環(huán)控制信號(如閉環(huán)反饋電路中壓電陶瓷的驅動信號)，通過力反饋裝置，讓人們從觸覺上感受到樣品表面形貌的絕對高低；利用高差信號，通過力反饋裝置，讓人們感受到樣品表面形貌的相對高低；利用相移信號，通過力反饋裝置，讓人們感受到樣品表面不同種類的物質。
所述SPM不局限于原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)，可以是掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunnel Microscope，STM)，摩擦力顯微鏡(Friction Force Microscope，FFM)、激光力顯微鏡(Laser ForceMicroscope，LFM)、靜電力顯微鏡(Electrostatic Force Microscope，EFM)等一系列掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope，SPM)。
本發(fā)明將成像的光、電、磁等信號，解釋為代表樣品表面形貌和性質的信息；將光、電、磁等信號通過濾波，去除噪聲，抽取有用信號，其濾波原理如下采用FIR數字濾波器對其進行濾波處理，去除干擾，使得到的信號真實地反應表面的形貌和性質。這里所用的FIR數字濾波器將所得到的掃描探針形變數字信號的序列通過運算變換成輸出序列，所述FIR濾波器算法如下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濾波器的系統(tǒng)函數的Z變換形式為H(z)=Σn=0N-1h(n)z-n;]]>其中，h(n)為系統(tǒng)的單位沖擊響應，H(z)為系統(tǒng)函數。
本實施例中，采用的濾波器為FIR一階濾波器，具體為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表達式如下y(n+1)＝0.1111*(x(n+1)+x(n))+0.7778*y(n)；則濾波器的系統(tǒng)函數H(z)為H(z)=0.1111(z+1)z-0.7778.]]>為分析SPM中的各種信號，將其解釋為相應的表面形貌信息，如圖2所示，下面通過SPM掃描過程中信號檢測原理，進一步說明各種信號代表的物理意義。
A、在整個檢測系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，樣品形貌的變化相當于干擾，樣品形貌的變化導致位置敏感器Z方向檢測信號的變化；
B、經過信號處理的Z方向檢測信號與由計算機設定的參考信號作差，產生誤差信號；C、控制器根據誤差信號產生相應的控制信號，通過壓電陶瓷Z向驅動器產生壓電陶瓷驅動電壓；D、壓電陶瓷根據壓電陶瓷Z向驅動器輸出的驅動電壓產生位移；E、由于壓電陶瓷的Z向運動，補償了由于樣品表面形貌變化引起的位置敏感器件Z方向檢測信號的變化；F、通過補償，誤差信號重新回到零，閉環(huán)系統(tǒng)調整結束；通過上面的分析可以得到如下結論誤差信號代表了樣品表面形貌變化的劇烈程度；Z向驅動電壓代表了表面形貌的絕對高度；高差信號是指△Vz(n+1)＝Vz(n+1)-Vz(n)，Vz(n+1)為壓電陶瓷的驅動電壓，代表了樣品表面的絕對高度，其中△Vz為樣品表面的相對高度；通過放大，將上述三個信號轉換為力信號，通過力反饋裝置輸出，可以讓操作者分別感受到表面形貌的三種信息。
據物理學的分析，接觸模式下AFM激光光斑的左右檢測信號對于樣品表面的摩擦力很敏感。本發(fā)明利用這個性質，將AFM光斑的左右檢測信號作為力信息進行輸出，可以清楚的感受到樣品表面摩擦力性質的變化。
將輕敲Tapping模式(SPM工作模式的一種)下AFM檢測信號的相位信息作為力反饋信號進行輸出，物理學分析得知，在不同種類物質表面掃描時，相位變化劇烈。將該信號作為力反饋信號，可以讓操作者通過觸覺感知樣品表面物質種類的多少。
將不同種類的光電信號通轉換為力信號，通過力反饋裝置輸出，使人們通過SPM對納米尺度下樣品表面形貌和性質的認識，從單一的圖形感知擴展到同時的圖形和觸覺感知。
采用本發(fā)明，如果觸覺裝置還具有控制探針運動的功能，則表面形貌的感知包括被動形貌感知和主動形貌感知。被動形貌感知是指在掃描過程中，操作者無法控制探針的運動，系統(tǒng)將探針掃描過程中實時采集到的光電信號，通過力反饋裝置輸出，這樣操作者感受到的樣品形貌和性質受掃描程序的控制。主動形貌感知是指操作者通過觸覺裝置控制探針運動，到達操作者感興趣的位置，通過實時采集的光電信號，讓操作者感受自己感興趣位置的地貌特征。
權利要求
1.一種納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于取來自SPM顯微鏡的代表樣品不同種類表面形貌特征的信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的信號，經觸覺裝置將感知力輸出。
2.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于所述觸覺裝置為具有力反饋功能的機械裝置。
3.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于所述信號處理是通過模數轉換器將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?，通過數字濾波濾除噪聲，放大處理后輸出信號接至觸覺裝置輸入端。
4.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于所述數字濾波采用FIR數字濾波器，將所得到的數據通過運算，經過濾波變換后輸出，至放大處理步驟。
5.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于取代表樣品表面摩擦力特征的激光光斑左右光電信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面摩擦性質；所輸出的力的值與樣品表面摩擦系數的大小之間為正比例關系。
6.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于取代表樣品表面形貌變化的劇烈程度特征的誤差信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌變化的劇烈程度。
7.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于取代表樣品表面形貌的絕對高低特征的閉環(huán)反饋控制信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌的絕對高低。
8.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于取代表樣品表面形貌的不同物質特征的相位光電信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌的物質特征。
9.按照權利要求
1所述納米尺度下樣品形貌與性質感知方法，其特征在于取代表樣品表面形貌的相對高低特征的高差電信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的力信號，經觸覺裝置將感知力輸出；所輸出的力的值代表樣品表面形貌的相對高低特征。
專利摘要
本發(fā)明涉及納米尺度下樣品形貌與性質感知技術，具體地說是一種基于掃描探針顯微鏡光電信號的納米尺度下樣品形貌與性質感知方法。它是取來自SPM顯微鏡的代表樣品不同種類表面形貌特征的信號，通過信號處理轉化為代表力值大小的信號，經觸覺裝置將感知力輸出。由于不同的光、電、磁等信號代表了不同種類的表面形貌和性質信息，采用本發(fā)明能使相應的力信號也代表不同種類的表面形貌和性質信息，通過力反饋，實現人們對于納米尺度下，樣品表面形貌和性質的觸覺感知，將SPM僅僅用成像來提供的單一感知擴展到具有圖像、觸覺的多維感知，豐富了人們對納米尺度下對樣品表面形貌和性質的認識。
文檔編號G01Q30/00GKCN1900686SQ200510046915
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月22日
發(fā)明者董再勵, 劉連慶, 焦念東, 田孝軍 申請人:董再勵導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan