無線控制原子力顯微鏡系統

張楠

摘 要：無線控制的原子力顯微鏡系統，一方面可以排除各種連線對操作原子力帶來的不方便；另一方面，可以很好的排除外界噪聲對操作結果帶來的不利影響；同時有利于非工作人員了解實驗狀況。無線發射端通過電腦連接無線發射模塊收發射操作指令及數據，無線接收模塊接收到數據進行處理后驅動步進電機移動。同時數據采集卡采集AFM微懸臂梁的偏轉信號，通過無線收發模塊傳送給計算機進行分析，實時監測探針與樣品之間的作用力，最終實現探針的逼近，及對操作樣品的觀察。該系統不僅操作靈活，而且工作穩定。

關鍵詞：原子力顯微鏡 步進電機 無線模塊 數據采集

中圖分類號：TP273.22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0008-02

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）是繼掃描隧道顯微鏡（STM）之后迅速發展起來的一種原子級分辨率掃描顯微鏡[1]。它通過監測待測樣品表面與一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間作用力來研究物質的表面結構。由AFM原理和原子力作用規律可知，只有當AFM針尖與待測樣品表面的間距達到納米級時，樣品表面原子與微探針之間才能產生穩定的原子力，使微懸臂發生偏轉[2]。樣品向探針逼近直至進入穩定的原子力狀態稱為AFM的逼近狀態，此過程如果通過手動調節機械裝置很難達到原子級定位精度。調節不夠，AFM針尖與樣品表面間距在一定的范圍之外，無法使懸臂梁正常工作，調節太深往往又會使探針與樣品接觸而直接導致樣品或探針損傷。而且工作在液相下的原子力顯微鏡在掃描細胞或其它生物結構時要求操作環境最好不要受到外界干擾或污染[3]，這就要求人在操作原子力顯微鏡時最好遠離操作地點，為了盡量排除外界干擾同時為了減少探針逼近時不必要的浪費，提高逼近系統的自動化性能，本研究通過無線通信與現代控制技術不僅實現近距離無線控制步進電機從而實現樣品與微探針逼近，而且可以實時觀察探針操作結果。

1 系統設計

無線控制AFM正常工作的前提是，保證無線通信正常，其次是探針充分逼近樣品進入原子力狀態，使微懸臂發生一定量的偏轉，通過特定的檢測裝置，將微懸臂的偏轉量轉換為對應的偏置電壓值。因此，通過無線控制電路發送數據，然后通過對比電壓的采集，分析和處理，可以無線控制步進電機實現AFM的自動逼近。系統由PC機、步進電機驅動器、步進電機、數據采集、無線收發模塊。基本原理是：首先通過上位機設置參考電壓值VREF，即預置一個微懸臂偏轉量，然后通過PC發送操作指令，經過無線傳輸，當VIN不等于VREF時，表明探針還在接近樣品過程中，原子間無相互作用力，步進電機繼續運動，直到采集到的電壓值與預設值相等為止。接下來AFM開始對樣品進行掃描。掃描的過程需要將下位機掃描的各種數據傳送到上位機。以便對掃描結果進行觀察及操作。為了能實時傳輸各種數據需要對無線網絡通信協議和圖像數據傳輸進行優化[4]。

2 硬件系統設計

2.1 A/D轉換芯片

對于A/D數據采集系統，本文采用北京中泰公司的USB-7648B型號，A/D卡USB-7648A/7648B系列是真正即插即用USB數據采集模塊，USB-7648系列帶有8路并模擬輸入、3路16位計數器、24路可編程數字量輸入輸出、8路固定數字量輸出。

原子力顯微鏡系統中，力檢測普遍采用懸臂梁光電偏轉法。探針與樣品間的作用力使得懸臂梁產生形變，懸臂梁形變是通過光電探測器檢測激光器投射在懸臂梁上的反射光點偏移量確定的。需要對光電探測器輸出的信號進行解碼，解碼可得出懸臂梁的縱向形變信號（正壓力信號）、橫向扭轉變形信號（摩擦力信號）和光電探測器四象限的總強度信號這三路信號。反饋控制系統需要同時對這三路信號進行實時、高速、高精度、同步數據采集[5]。所以A/D轉化器至少有3通道的同步采集，分辨率不低于14位，每通道采樣速率最好高于100 Ksps。

2.2 步進電機驅動器

本文采用電控平移臺豎直放置方法實現探針在垂直方向的升降。電控平移臺通過步進電機驅動，實現位移調整自動化，由于AFM針尖與樣品表面之間的距離必須達到納米級才驅能使原子之間發生作用力，繼而導致微懸臂偏轉產生偏置電壓，因此，首先對步進電機進行粗調使探針接近樣品表面，然后通過精細進針使AFM針尖與樣品逼近。要達到納米級的定位精度，必須對步進電機進行步距細分。

PI公司生產的M-126電控平移臺其行程為25 mm，精度為3.5 nm，最小增量為0.1 um，螺距0.5 mm。電控平移臺與PI公司的步進驅動器C-663相連，其細分精度為16（6400步/圈）。這樣的參數使可以滿足對原子力探針的逼近。

2.3 無線傳輸系統

無線控制系統是以通信和網絡技術為基礎的一門先進技術。正是由于通信和網絡技術的發展使得無線控制技術得以快速的發展[6]。無線控制系統可以劃分為：上位機控制端、無線數據傳輸系統、現場設備檢測與控制系統。無線控制上位機采用一臺PC機作為無線遠程控制工作站，由于本系統數據傳輸量比較大以及對實時性要求比較高。在比較了各種無線傳輸方式后采用無線網卡TP-LINK TL-WN851N 802.11g無線網絡適配器，其傳輸速率最高可達到300 Mbps。納米機器人控制系統組成本地控制系統，其控制PC機也采用TP-LINK TL-WN851N無線網卡。這樣我們就組件一個小的局域網。

3 軟件設計

3.1 系統軟件開發環境

在無線網絡協議和網絡通信技術分析的基礎上，我們以納米動機器人為控制對象，在Windows環境下開發基于無線網絡的控制平臺實例，平臺采用上位機下位機和TCP/IP協議，無線控制端為客戶機，以納米機器人端的控制器為服務器。由系統的硬件架構可知兩端都采用了PC機，因此，我們采用客戶端服務器的架構實現無線控制，一方面現場操作人員可以不受遠端操作人員控制來控制納米機器人；另一方面遠端操作人員也可以控制以及對AFM納米機器人操作數據進行分析及處理[7]。endprint

3.2 程序設計

客戶端可以通過服務器控制步進電機，觀察控制信號輸出及數據采集與發送。

前面提到服務器是由納米機器人端的PC機來承擔的，因為它也是機器人本地控制系統的客戶端，所以服務器程序啟動后首先是作為AFM本地控制系統的客戶端與AFM位操作服務系統建立連接，并獲取所需要的相關信息，然后它才作為遠程服務器端進行工作。在此之后不斷在客戶端和服務器端來回交換角色，一是為了接收無線控制端的命令數據并向AFM傳送控制命令；二是為了向AFM請求其相關狀態信息并傳送給遠程控制端。

VC++程序設計大部分是借助Socket實現的。Socket是Microsoft公司提供的主要用于網絡通信編程的ActiveX控件。同時采用了應用于無線控制平臺中的多線程編程技術。

4 結論

本系統可以實現原子力顯微鏡的無線操控，可以遠距離實現液相下原子力顯微鏡對生物細胞的掃描納米操縱等試驗。該系統結合了無線網絡通信優點設計的無線收發系統過多次實驗證明，其控制端能正確地將數據傳送出去；同時，接收端也能正確接收并顯示數據。此外，該系統采用了比較完善的軟件、硬件設計以及抗干擾措施，這樣就可以保證系統工作的安全性和可靠性，并具有通用性，便于投入實際應用。

參考文獻

[1] BINNIG G，OUATE C F，GERBER C. Atomic force microscope[J].Phys. Reu. Lett.，1986，56（9）：930-933.

[2] TAFAZZOLI A，PAWASHE C，SITTI M. Atomic force microscope based two-dimensional assembly of mico /nanoparticles[C].Proc. IEEE Int. Symp. on Assembly and Task Planning，2005：230-235.

[3] Xie， H.，Haliyo， S.，R'egnier， S.：A versatile atomic force microscope for threedimensional nanomanipulation and nanoassembly[J]. Nanotechnology，2009（21）：215-301.

[4] S.Fatikow（Ed.）.Automated Nanohandling by Microrobots.Springer Series in Advanced Manufacturing[M].Springer，2008.

[5] 黨學明.并行原子力顯微鏡研制[D].合肥：中國科學技術大學，2004.

[6] 劉馨.基于網絡的遠程控制系統研究[D].西安電子科技大學，2011.

[7] 張勇.遠程視頻監控系統的傳輸技術的實現[D].電子科技大學碩士論文，2004.endprint