基于SPM探针增强作业的纳米操作系统

摘要

本发明公开一种基于探针增强技术的纳米操作系统，包括人机交互界面及SPM装置，规划层、操作层，其人机交互界面提供操作者操作需求，由规划层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，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，将分解后基本操作的起始和终止坐标通过以太网发送给操作层；操作层利用起始和终止坐标作为输入数据，采用SPM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SPM发送，由SPM装置控制探针进行操作。本发明能克服现有技术中因探针直径小而对被操作对象只能进行点操作、无法对操作对象的位姿进行有效控制的不足，实现自动化作业。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米科技中纳米尺度物体的操作技术，具体是一种基于SPM探针增强作业的纳米操作系统。

背景技术

纳米科技是21世纪新兴的科研领域。纳米尺度下，物质的物理化学性质都会发生很大的变化。只有对纳米尺度下的物质进行有效地操作，才能研究纳米尺度下物质的各种物理、化学等自然现象，才能研制纳米器件，纳米传感器以及纳米计算机等先进的技术装备。因此，对纳米操作方法的研究是当前国际微纳米科技前沿的一个热点。

由于纳米尺度极其微小，因此实现纳米尺度物质的有效观测与操作是发展和应用纳米科技的关键技术。这样才能研究纳米尺度下物质的各种物理、化学等自然现象，才能研制纳米器件，纳米传感器以及纳米系统等先进技术及装备。因此，有效的纳米操作方法是当前国际微纳米科技前沿的研究热点。

扫描探针显微镜(SPM，Scanning Probe Microscope)是目前开展纳米观测与操作的重要设备之一，其作业方式是通过控制SPM的探针运动和施加力进行纳米观测和操作。

目前基于SPM的纳米操作方法主要是操作者通过操作人机交互设备(如多维操作手柄)，并通过坐标转换模型将手柄运动转换为探针的运动控制而实现纳米操作。由于SPM探针针尖直径只有十几纳米，只能进行点操作，而且很难得到实时操作信息(对象及探针的位置、状态等)反馈，因而这种人机交互式的纳米操作效率很低，且难以实现编程及自动化作业。所以具有可编程的自动化探针操作控制规划和系统实现技术具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术中因探针直径小而对被操作对象只能进行点操作、无法对操作对象的位姿进行有效的控制，以及纳米操作效率很低，且难以实现编程及自动化作业的不足，本发明的目的在于提供一种能有效控制被操作对象位姿的、基于SPM装置的小步距、快速多点定向操作特别是纳米操作效率高，可以实现自动化作业的基于SPM探针增强作业的纳米操作系统。

本发明的技术方案是：操作者通过人机交互界面提出操作需求(如操作起始位置和终止位置)，由规划层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，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，将分解后基本操作的起始和终止坐标通过以太网发送给操作层；操作层利用起始和终止坐标作为输入数据，采用SPM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SPM发送，由SPM装置控制探针进行操作；

所述人机交互界面是向操作者提供被操作对象及其所处环境的信息，接受操作者的操作请求，在操作结束后向操作者提供操作的结果；操作请求是以用户采用取点的方法确定增强探针操作的起始位置和终止位置内容；

所述规划层根据操作者在确定的起始位置和终止位置进行任务的规划，具体如下：

1)求解增强探针的宽度：在SPM探针运动平面xoy内由用户选定的两点连线确定操作的起始位置，两点坐标分别为(xi，，yi)，(xi′，yi′)，则增强探针的宽度为：

$L=\sqrt{{(x_i-x_i\prime )}^2+{(y_i-y_i\prime )}^2}---\left(1\right)$

2)求解增强探针的初始斜率：两点坐标(xi，，yi)，(xi′，yi′)为参数，根据式(2)求斜率ki：

$k_i=\frac{y_i-y_i\prime }{x_i-x_i\prime }---\left(2\right)$

3)求解操作的终止位置：由用户在SPM探针运动平面xoy内取点(xo，，yo)，(xo′，yo′)确定终止位置为$(\frac{x_o+x_o\prime }{2},\frac{y_o+y_o\prime }{2});$

4)根据式(3)求解操作的最终斜率：

$k_o=\frac{y_o-y_o\prime }{x_o-x_o\prime }---\left(3\right)$

5)根据式(4)求解增强探针中点的起始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Delta x}=\frac{x_i+x_i\prime }{2}-\frac{x_o+x_o\prime }{2}\\ \mathrm{\Delta y}=\frac{y_i+y_i\prime }{2}-\frac{y_o+y_o\prime }{2}\end{array}\right)---\left(4\right)$

6)根据式(5)增强探针的起始位置与终止位置的角度差：

$\theta =\arctan \frac{k_i-k_o}{1+k_i{k}_o}---\left(5\right)$

7)求解平动和转动的组合：根据起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，组合一系列平动操作和转动操作；求解公式如下：

其中：r_j为SPM探针增强作业第j次转动操作，m_xk为SPM探针增强作业第k次水平平动操作，m_yl为SPM探针增强作业第1次垂直平动操作；

在任务分解结束后，所述规划层将所述一系列的基本平动转动操作的起始坐标和终止坐标逐一发送给操作层；

所述操作层中SPM探针增强作业方法：通过控制参数设定操作的起始位置和终止位置，结合基于探针预编程的平动操作规划方法或转动操作规划方法中规定的单步操作距离或旋转角度、操作点间距和方向，计算出探针的操作点数，实现平动或转动操作；

所述探针平动操作规划方法：定义SPM探针运动平面为xoy，起始坐标为(x_is，y_is)，终止坐标为(x_ie，y_ie)，则第i次单步操作的起始和终止的坐标为：

$\left(\begin{array}{cc}{x}_{\mathrm{is}}=x_{1s}& \\ y_{\mathrm{is}}=y_{1s}+(i-1)*(L/n)& \\ x_{\mathrm{ie}}=x_{1e}& (i=\mathrm{1,2},···,n)\\ y_{\mathrm{ie}}=y_{1e}+(i-1)*(L/n)& \\ x_{\mathrm{ie}}=x_{\mathrm{is}}+d& \end{array}\right)$

其中L为探针操作宽度，n为作用于宽度L上的作用点数，d为单步操作距离；

所述转动操作规划方法：设旋转坐标系x′o′y′的中心O′在SPM探针运动平面xoy内，旋转坐标系的中心O′在SPM探针运动平面xoy中的坐标为(x₀，y₀)，则旋转坐标系x′o′y′中任意点(x′，y′)的坐标在SPM探针运动平面xoy中的坐标可以表示为：

x＝x′+x₀和y＝y′+y₀

若初始的角度为0⁰，探针的首次操作的起始坐标可以为(x′_1s，y′_1s)，终止坐标为(x′_1e，y′_1e)，则在SPM探针运动平面xoy内，第i步推动操作的起始和终止的坐标可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{1s}={x\prime }_{1s}+x_0,x_{\mathrm{is}}=L\frac{i-1}{n}+x_0\\ y_{1s}={y\prime }_{1s}+y_0,y_{\mathrm{is}}={y\prime }_{1s}+y_0\\ x_{1e}={x\prime }_{1e}+x_0,x_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\cos \theta +x_0\\ y_{1e}={y\prime }_{1e}+y_0,y_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\sin \theta +y_0\end{array}\right)$

其中：n为推动操作次数，$n=\frac{L}{M},$增强后探针的宽度为L，m为操作点间距，θ为旋转角度；

所述探针预编程规划方法：通过平动或转动操作规划方法对被操作对象上等间距点进行n次推动操作，使其操作结果体现出一致性，获得增强后探针；按如下步骤进行SPM探针增强作业：预设操作点间距m和单步操作距离d或旋转角度θ，在操作者确定操作范围后，确定首次操作的起始坐标和增强后探针的宽度L；在已知操作点间距m的情况下，获得总的操作次数n；

操作的步数由变量i控制，i的初始值为1；每次执行操作之前i都要与n比较，操作在当i的值不大于n时进行；每次操作之后对变量i值加1，再根据平动或转动操作规划确定下次操作的起始和终止坐标。

本发明具有如下特点：

1、在SPM探针增强作业的基础上，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。

2、采用规划层的任务规划，可将推动操作分解为组合的平动和转动基本操作，通过操作层的增强探针的平动操作规划和转动操作规划，可自动完成给定参数的纳米推动操作。大大提高了纳米操作的效率和自动化程度。高效控制被操作对象位姿。本发明方法通过编程策略，可以在给定初始状态(位置)和终止状态(位置)条件下，控制SPM探针对操作对象实现等间距各点的快速小步长改或小旋转角度操作。这样既可以以通过预设步距和运动速度实现纳米材料推动作业的编程操作，提高操作效率；也可以使操作对象的各点移动均匀，提高了操作的可靠性，且大大提高纳米操作效率。由于避免了人机交互操作过程，采用预编程控制，探针运动速度可以达到数百微米/秒，与传统方法相比可以提高操作效率几倍到十几倍。

3、可以大大减轻操作者的劳动强度。传统的人机交互式纳米操作方法要求操作者通过交互界面实时/在线输入探针的控制信息，并不断通过扫描成像来确定操作对象的位姿来规划下一步的操作，因此劳动强度很大。本方法只需设定探针操作的起始位置和终止位置，就可以由程序控制探针自动完成操作任务。

附图说明

图1为本发明系统体系结构示意图。

图2-1为SPM探针增强作业方法中单步平动操作原理示意图。

图2-2为SPM探针增强作业方法中转动操作原理示意图。

图2-3为SPM探针增强作业方法中增强探针对被操作对象实现一步平动推动操作的方法，即程序流程图。

图2-4为SPM探针增强作业方法中增强探针对被操作对象实现一步旋转推动操作的方法，即程序流程图。

图3为本发明操作流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明基于SPM探针增强作业的纳米操作系统：包括人机交互界面及SPM装置，还包括规划层、操作层，其中所述人机交互界面提供操作者操作需求(如操作起始位置和终止位置)，由规划层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，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，将分解后基本操作的起始和终止坐标通过以太网发送给操作层；操作层利用起始和终止坐标作为输入数据，采用SPM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SPM发送，由SPM装置控制探针进行操作。

所述人机交互界面是向操作者提供被操作对象及其所处环境的信息，接受操作者的操作请求，在操作结束后向操作者提供操作的结果；所述操作请求是以用户采用取点的方法确定增强探针操作的起始位置和终止位置内容。

所述规划层根据操作者在确定的起始位置和终止位置进行任务的规划，具体如下：

1)求解增强探针的宽度：在SPM探针运动平面xoy内由用户选定的两点连线确定操作的起始位置，两点坐标分别为(xi，，yi)，(xi′，yi′)，则增强探针的宽度为：

$L=\sqrt{{(x_i-x_i\prime )}^2+{(y_i-y_i\prime )}^2}---\left(1\right)$

2)求解增强探针的初始斜率：两点坐标(xi，，yi)，(xi′，yi′)为参数，根据式(2)求斜率ki：

$k_i=\frac{y_i-y_i\prime }{x_i-x_i\prime }---\left(2\right)$

3)求解操作的终止位置：由用户在SPM探针运动平面xoy内取点(xo，，yo)，(xo′，yo′)确定终止位置为$(\frac{x_o+x_o\prime }{2},\frac{y_o+y_o\prime }{2});$

4)根据式(3)求解操作的最终斜率：

$k_o=\frac{y_o-y_o\prime }{x_o-x_o\prime }---\left(3\right)$

5)根据式(4)求解增强探针中点的起始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Delta x}=\frac{x_i+x_i\prime }{2}-\frac{x_o+x_o\prime }{2}\\ \mathrm{\Delta y}=\frac{y_i+y_i\prime }{2}-\frac{y_o+y_o\prime }{2}\end{array}\right)---\left(4\right)$

6)根据式(5)增强探针的起始位置与终止位置的角度差：

$\theta =\arctan \frac{k_i-k_o}{1+k_i{k}_o}---\left(5\right)$

7)求解平动和转动的组合：根据起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，组合一系列平动操作和转动操作；求解公式如下：

其中：r_j为SPM探针增强作业第j次转动操作，m_xk为SPM探针增强作业第k次水平平动操作，m_yl为SPM探针增强作业第1次垂直平动操作；

在任务分解结束后，所述规划层将所述一系列的基本平动转动操作的起始坐标和终止坐标逐一发送给操作层；

所述操作层采用SPM探针增强作业方法对探针的基本操作进行增强探针的平动操作规划和转动操作规划，在接收到规划层提供的基本操作起始坐标和终止坐标后开始运行规划后操作，向SPM控制器发送探针位置坐标信息。

其中SPM探针增强作业方法：本实施例通过控制参数界面上设定操作的起始位置和终止位置，通过基于探针预编程的平动操作规划方法中规定的单步操作距离、操作点间距和方向，计算出探针操作的操作点数，并实现平动操作；

所述探针平动操作规划方法：定义SPM探针运动平面为xoy，起始坐标为(xis，yis)，终止坐标为(x_ie，y_ie)，则第i次单步操作的起始和终止的坐标为：

$\left(\begin{array}{cc}{x}_{\mathrm{is}}=x_{1s}& \\ y_{\mathrm{is}}=y_{1s}+(i-1)*(L/n)& \\ x_{\mathrm{ie}}=x_{1e}& \\ y_{\mathrm{ie}}=y_{1e}+(i-1)*(L/n)& >\end{array}\right)$

其中L为探针操作宽度，n为作用于宽度L上的作用点数，d为单步操作距离；

图2-1给出了单步操作示意。图中虚线表示探针返回下一次操作起点时的轨迹对被操作对象没有影响。这样的探针编程操作可以在局部增加探针操作的次数与频率，从而实现了在探针操作宽度为L，作用点数为n的单步操作距离为d的探针推动作业，同时保证了纳米物体(尤其是线状)的整体平移。

探针平动操作规划，当采用探针增强技术实施操作时，由于探针在小尺度上(50-100纳米)快速(秒级)多点(纳米级)作用于被操作对象，相当于探针操作宽度L的操作力同时施加于被操作对象。这样的操作策略可以使任意形状的纳米物体按预定方向和位移量可靠移动。

如果需要推动的作业距离大于d，则可以设定多次这样单步操作，直至达到预定位置。

如图2-3所示，所述探针预编程规划方法：通过平动操作规划方法对被操作对象上等间距点进行n次推动操作，使其操作结果体现出一致性，获得增强后探针；按如下步骤进行SPM探针增强作业：预设操作点间距m(本实施例为80nm)和单步操作距离d(本实施例为50nm)，在操作者确定操作范围后，确定首次操作的起始坐标和增强后探针的宽度L；由于操作点间距m已知，总的操作次数n可得：

$n=\frac{L}{m}$

操作的步数由变量i控制，i的初始值为1；每次执行操作之前i都要与n比较，操作在当i的值不大于n时进行；每次操作之后对变量i值加1，再根据平动操作规划确定下次操作的起始和终止坐标。

本发明原理：

本发明具有与传统纳米操作系统中操作者实时向SPM控制器发送探针位置坐标信息不同的原理。本发明基于SPM探针增强作业，只需要操作者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，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，将操作起始和终止坐标发送给操作层。操作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SPM发送控制信息，控制探针进行操作。

采用本发明，由于操作过程执行速度很快，操作步长(即：单步操作距离d)和操作点间距m都可以设定在很小的尺度(纳米尺度)，因而在基于SPM探针的纳米推动操作上具有很高的作业效率。由于避免了人机交互操作过程，采用预编程控制，探针运动速度可以达到数百微米/秒，与传统方法相比可以提高操作效率几倍到十几倍。

在SPM探针增强作业的基础上，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，纳米操作的效率和自动化程度高。

实施例2

与实施例1不同之处在于：SPM探针增强作业方法是通过控制参数设定操作的起始位置和终止位置，通过基于探针预编程的转动操作规划方法中规定的旋转角度、操作点间距和方向，计算出探针操作的操作点数，并实现转动操作；其中转动操作规划具体如下：

由于探针无法实现真正的曲线运动，所以在探针增强技术中采用短距离的直线运动代替曲线运动。理论分析表明当转角小于5⁰时，弧长和弦长可认为相等，如图2-2所示。

设旋转坐标系的中心O′在SPM探针运动平面xoy内，确定的SPM探针运动平面中的坐标为(x₀，y₀)，则旋转坐标系x′o′y′中任意点(x′，y′)在SPM探针运动平面xoy中的坐标可以表示为：

x＝x′+x₀和y＝y′+y₀

若初始的转角为0⁰，探针的首次操作的起始坐标可以为(x′_1s，y′_1s)，终止坐标为(x′_1e，y′_1e)，则在探针运动坐标系内，第i步推动操作的起始和终止的坐标可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{1s}={x\prime }_{1s}+x_0,x_{\mathrm{is}}=L\frac{i-1}{n}+x_0\\ y_{1s}={y\prime }_{1s}+y_0,y_{\mathrm{is}}={y\prime }_{1s}+y_0\\ x_{1e}={x\prime }_{1e}+x_0,x_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\cos \theta +x_0\\ y_{1e}={y\prime }_{1e}+y_0,y_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\sin \theta +y_0\end{array}\right)$

其中：n为推动操作次数，　$n=\frac{L}{m},$增强后探针的宽度为L，m为操作点间距，θ为旋转角度；

由第i步推动操作的起始和终止的坐标式可以看出，在每次推动操作中，旋转坐标系的中心O′在SPM探针运动平面xoy内的位置不变。但随着推动操作步数i的增加，探针在远离旋转中心O′的同时推动的距离也逐渐增加，但总保持固定的角度关系如下：

$\tan \theta =\frac{y_{\mathrm{ie}}-y_0}{x_{\mathrm{ie}}-x_0}$

则经过n次推动操作后，增强探针将使被操作对象实现角度为θ旋转。如此，只要不断的执行上述操作增强探针可实现任意角度的旋转操作。

如图2-4所示，所述探针预编程规划方法：通过转动操作规划方法对被操作对象上等间距点进行n次推动操作，使其操作结果体现出一致性，获得增强后探针；按如下步骤进行SPM探针增强作业：预设操作点间距m(本实施例为100nm)和旋转角度(本实施例为5⁰)，在操作者确定操作范围后，确定首次操作的起始坐标和增强后探针的宽度L；由于操作点间距m已知，总的操作次数n可得：

$n=\frac{L}{m}$

操作的步数由变量i控制，i的初始值为1；每次执行操作之前i都要与n比较，操作在当i的值不大于n时进行；每次操作之后对变量i值加1，再根据转动操作规划确定下次操作的起始和终止坐标。