[发明专利]基于原子力显微镜的任务导向混合模式纳米操作方法

权利要求书

 一种基于原子力显微镜的任务导向混合模式纳米操作方法，其特征在于：对于目标复杂的的零维、一维纳米结构采用主从操作模式，其它情况下应采用预编程操作模式；

  所述主从操作模式为：操作者将控制命令通过具有力感知功能的输入设备下达到主控计算机，主控计算机将宏观尺度位置坐标转化为纳观尺度位置坐标，并通过以太网传递给原子力显微镜控制器，由控制器将探针的位置信息发送给原子力显微镜完成操作，同时将探针在操作过程中所受的力信号反馈给操作者；

  所述预编程模式为：主控计算机中设置规划层，原子力显微镜控制器中设置执行层；操作者只需通过人机交互界面提供操作需求，由规划层求取被操作对象的初始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差及初始位置与终止位置的角度差，再将这些差值分解成探针的一系列平动和转动基本操作，将分解后基本操作的起始和终止坐标通过以太网发送给执行层；执行层利用起始和终止坐标作为输入数据，采用原子力显微镜探针增强作业方法进行增强探针的平动操作规划和转动操作规划，并将规划后的探针位置信息向原子力显微镜发送，由原子力显微镜控制探针进行操作。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述主从操作模式中，所述力感知功能的输入设备为力反馈手柄，该设备具有X、Y向水平自由度，通过硬件描述语言DirectX实现与主控计算机的通讯；力反馈手柄输入的坐标为宏观三维空间坐标，主控计算机会根据扫描纳米图像得到操作空间大小，将宏观坐标转换为纳观尺度操作空间坐标，并将坐标信息通过以太网发送给原子力显微镜控制器，以太网通讯协议为TCP/IP协议；原子力显微镜控制器则将得到的坐标信息转换为驱动装置需要的电压信号，经高压放大后驱动探针运动；

操作过程中探针在垂直方向为开环无反馈状态，探针的下压与抬起均需操作者控制；距离和力的函数关系如下：

       

其中：探针距离样品表面的初始距离为d_its，操作过程中探针和样品的实际距离为d_pts，α＝d_pts/d_its；

依据这一力反馈函数，对传感装置得到的信号进行反求以确定探针的实际位置，原子力显微镜控制通过以太网将得到的操作信息回传给主控计算机；主控计算机则以图像更新和力反馈的形式，将操作信息反映给操作者。

 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预编程操作模式采用探针增强作业，操作者只要通过交互界面向系统提供操作需求；规划层首先求取增强探针初始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差及起始位置与终止位置的角度差，求取方法的公式表述如下：

                

其中(xi,,yi),(xi',yi')为增强探针的起始点坐标，(xo,,yo),(xo',yo')为增强探针终止点坐标；

增强探针的初始斜率：

                    

增强探针的终止斜率：

                     

 

角度差的求取公式：

                    

再将这些差值分解成增强探针的一系列平动和转动基本操作，其公式表述如下：

  

 

其中：r_j为探针增强作业第j次转动操作，m_xk为探针增强作业第k次水平平动操作，m_yl为探针增强作业第l次垂直平动操作；

规划层将每次操作所需要的起始和终止坐标发送给执行层；执行层则利用起始和终止坐标作为预编程序的输入开始执行，向原子力显微镜发送控制信息，控制探针进行操作；预编程操作模式建立在原子力显微镜探针增强作业技术的基础上；通过构建的具有人机交互界面、规划层与操作层三级体系结构的纳米操作系统，可以实现基于预编程技术的探针基本操作动作设计与规划，可自动完成给定参数的纳米推动操作。