基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)*

侯　靜， 袁　帥， 許　可， 李孟歆， 吳成東

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168； 2. 東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110004； 3. 中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110016)

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基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)*

侯靜1，2， 袁帥1，3， 許可1，3， 李孟歆1， 吳成東2

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168； 2. 東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110004； 3. 中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110016)

由于壓電陶瓷機(jī)構(gòu)的非線(xiàn)性及系統(tǒng)溫度漂移等因素使AFM探針難以精確定位到被操作物體，從而導(dǎo)致跳針或滑落現(xiàn)象，阻礙了AFM納米操作的發(fā)展.為了解決該問(wèn)題，提出了基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng).系統(tǒng)以樣品表面的納米顆粒作為路標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，解決了系統(tǒng)溫漂引起的探針定位誤差問(wèn)題，提高了探針的定位精度；在納米操作過(guò)程中采用局部掃描策略，通過(guò)對(duì)操作后的結(jié)果進(jìn)行快速掃描，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該納米操作實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)在大溫漂條件下操作的有效性.

局部掃描； 溫漂補(bǔ)償； 納米操作； 實(shí)時(shí)反饋； 原子力顯微鏡； 路標(biāo)觀測(cè)； 快速掃描； 有效性

納米科技的最終目標(biāo)是在納米尺度上使用單個(gè)原子、分子制造功能器件或系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù).原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)的出現(xiàn)對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用，高分辨率和操作精度使其成為納米操控的主要工具[1-3].但AFM最初是用于進(jìn)行納米觀測(cè)的工具，故進(jìn)行納米操作時(shí)，每一步的操作結(jié)果都需要重新成像來(lái)驗(yàn)證，這種掃描—規(guī)劃—操作—掃描的操作模式效率低下，嚴(yán)重阻礙了AFM納米操作的可靠性和效率[4].Li應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用操作過(guò)程中的實(shí)時(shí)力信息更新操作界面進(jìn)行納米粒子操作，但沒(méi)有解決實(shí)時(shí)視覺(jué)反饋的離線(xiàn)模型可信度不高的問(wèn)題[5]；Liu提出了局部掃描的方法實(shí)時(shí)觀測(cè)操作結(jié)果[6]，但是由于操作中存在的不確定因素導(dǎo)致納米操作很難達(dá)到期望位置，需要操作者連續(xù)多次操作才能完成預(yù)期目標(biāo).研究者提出了多種方法來(lái)進(jìn)行納米操作，Zhao采用連續(xù)推動(dòng)的方式操作粒子[7]；Xu提出了連續(xù)并行推動(dòng)操作方式[8]，但無(wú)法解決探針相對(duì)于被操作物體的精確定位問(wèn)題.定位影響因素主要包括探針驅(qū)動(dòng)器的非線(xiàn)性和系統(tǒng)溫漂，前者可通過(guò)增加位移傳感器進(jìn)行閉環(huán)精確控制[9-10]，但系統(tǒng)溫漂在探針任務(wù)空間引起的定位誤差依然沒(méi)有得到解決.

針對(duì)系統(tǒng)溫漂引起AFM探針在任務(wù)空間定位誤差的問(wèn)題，本文提出了基于局部掃描的路標(biāo)觀測(cè)方法，通過(guò)觀測(cè)樣品表面上的特征物(如納米顆粒的位置漂移變化)對(duì)AFM圖像進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)時(shí)修正探針在任務(wù)空間中的位置.在納米操作過(guò)程中，針對(duì)離線(xiàn)模型可信度不高的問(wèn)題，本文借助基于局部掃描的觀測(cè)方法，對(duì)操作后的結(jié)果進(jìn)行快速掃描，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋操作結(jié)果，提高操作效率.文中構(gòu)建了基于局部掃描的納米操作實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，并利用搭建的操作平臺(tái)對(duì)納米顆粒進(jìn)行推動(dòng)操作實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了采用局部掃描的實(shí)時(shí)反饋方法，提升了探針在任務(wù)空間中定位、操作的性能，提高了納米操作的效率.

1　基于局部掃描的溫漂補(bǔ)償技術(shù)

1.1局部掃描的概念

為了提高操作效率，在納米操作中可采用局部掃描策略完成操作空間的信息更新.局部掃描就是通過(guò)簡(jiǎn)單的幾條掃描線(xiàn)完成對(duì)路標(biāo)的快速實(shí)時(shí)觀測(cè).圖1a為掃描納米顆粒的示例，兩條掃描線(xiàn)就能確定其位置.圖1b中第1條掃描線(xiàn)沿著L1進(jìn)行掃描，掃描線(xiàn)與顆粒的邊界形成兩個(gè)交點(diǎn)P1和P2，沿著P1和P2垂直的方向且過(guò)其中點(diǎn)再次進(jìn)行掃描，掃描線(xiàn)L2與顆粒的邊界形成另外的兩個(gè)交點(diǎn)Q1和Q2，那么顆粒實(shí)際位置O就在Q1和Q2的中點(diǎn)處.通過(guò)將該顆粒作為參考路標(biāo)，就可以標(biāo)定圖像漂移后的新位置.由于僅需要兩條線(xiàn)就能唯一確定納米顆粒的位置，因而局部掃描通常在幾十毫秒內(nèi)完成，從而實(shí)現(xiàn)參考路標(biāo)的實(shí)時(shí)觀測(cè).

1.2基于局部掃描的溫漂補(bǔ)償方法

基于AFM的納米操作是以預(yù)先掃描的圖像作為先驗(yàn)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)操作，但由于AFM操作系統(tǒng)的溫度變化、機(jī)械結(jié)構(gòu)和各部件的熱膨脹系數(shù)等因素的影響，納米物體的實(shí)際位置相對(duì)于初始成像會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移.圖2是納米顆粒連續(xù)掃描圖，圖2a、b兩圖的成像時(shí)間間隔為11 min，圖2c為兩者的疊加圖像，結(jié)果表明納米顆粒在掃描過(guò)程中向右、向上漂移，這種漂移對(duì)基于初始視覺(jué)信息指導(dǎo)的納米操作影響是非常嚴(yán)重的，難于實(shí)現(xiàn)較高的控制精度.

圖2　納米粒子連續(xù)掃描圖

針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出基于局部掃描的溫漂補(bǔ)償方法，其基本原理是將掃描圖像上的某特征點(diǎn)設(shè)置為路標(biāo)，在操作過(guò)程中通過(guò)局域快速掃描方式來(lái)實(shí)時(shí)獲取路標(biāo)在圖像中的位置變化，實(shí)現(xiàn)溫漂的檢測(cè)，并通過(guò)坐標(biāo)變化的方式，將該溫漂位移補(bǔ)償?shù)讲僮骺刂屏可?，從而達(dá)到操作過(guò)程對(duì)系統(tǒng)溫漂的補(bǔ)償.圖3a是預(yù)先掃描的一幅圖像，由于存在系統(tǒng)溫漂，通過(guò)連續(xù)掃描確定在任務(wù)空間中該圖像的位置將向右上角漂移，將圖中的納米粒子P1確定為路標(biāo)；圖3b是觀測(cè)納米顆粒P1的兩條快速掃描線(xiàn)，通過(guò)局部掃描顆粒P1可以獲得溫漂的補(bǔ)償位移為x方向97 nm、y方向141 nm，將其補(bǔ)償?shù)角耙豢虙呙鑸D像上，如圖3c中黑色部分所示，則可以得到校正后的該時(shí)刻圖像；圖3d是重新掃描的AFM實(shí)際圖像結(jié)果，將圖3c、d兩圖比較可以看出，補(bǔ)償后圖像校正的結(jié)果與重新掃描的圖像一致，驗(yàn)證了以納米顆粒作為參考路標(biāo)，采用局部掃描方法進(jìn)行溫漂補(bǔ)償?shù)挠行?

圖3　基于局部掃描的溫漂補(bǔ)償示意圖

2　基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋操作

基于AFM的納米操作是通過(guò)AFM的終端執(zhí)行器，即一根極細(xì)的探針接觸納米物體來(lái)實(shí)現(xiàn)的，樣本和針尖的接觸面積很小，因此探針只能對(duì)樣本施加點(diǎn)式作用力，從而導(dǎo)致操作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)探針滑過(guò)操作物體的現(xiàn)象，即粒子丟失造成操作任務(wù)的失敗.基于上述問(wèn)題，本文構(gòu)建了基于局部掃描的實(shí)時(shí)操作反饋策略，該策略通過(guò)在操作過(guò)程中不斷應(yīng)用局部掃描策略確定納米顆粒的真實(shí)位置，并對(duì)系統(tǒng)存在的溫漂進(jìn)行補(bǔ)償，將更新后的位置信息進(jìn)行反饋來(lái)修正粒子在視覺(jué)反饋界面中的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)操作粒子的實(shí)時(shí)跟蹤，保證納米粒子能夠被操作到期望的位置.由于納米顆粒的位置狀態(tài)可由它的中心位置和半徑?jīng)Q定，且納米顆粒的半徑可通過(guò)預(yù)掃描圖像獲取，因此，在操作中只需要確定納米顆粒的中心位置便能得到它的真實(shí)位置.

圖4為具有實(shí)時(shí)反饋導(dǎo)向的任務(wù)空間中納米操作過(guò)程示意圖.

圖4　任務(wù)空間AFM納米操作

3　實(shí)時(shí)反饋操作系統(tǒng)構(gòu)建

基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋操作策略中探針運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃執(zhí)行可編程操作，因此，應(yīng)用機(jī)器人監(jiān)控理論方法和納米操作特點(diǎn)，建立了基于AFM和人機(jī)交互界面的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5所示.

圖5　實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)

該系統(tǒng)以美國(guó)Veeco公司Dimension 3100為基礎(chǔ)，通過(guò)三臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)AFM執(zhí)行機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)控制模塊的控制.從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上可以看到，數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition，DAQ)將電壓信號(hào)直接輸出到改造后的AFM控制器上以驅(qū)動(dòng)探針運(yùn)動(dòng)，因而通過(guò)該計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)探針的實(shí)時(shí)高速控制.在局部掃描過(guò)程中，可以獲取施加在壓電陶瓷管Z方向的電壓信號(hào)，該信號(hào)代表了沿著掃描軌跡的樣品表面形貌信息，通過(guò)DAQ卡采集得到沿掃描軌跡的形貌信息后，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)納米操作結(jié)果的獲取和基于路標(biāo)的定位.

圖6為基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)功能示意圖.AFM執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)控制器接收主控計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊的控制命令，完成樣品的掃描觀測(cè)與納米操作.主控計(jì)算機(jī)用于掃描成像，并將圖像數(shù)據(jù)傳送到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的命令，實(shí)時(shí)生成探針局部掃描的路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)，將其發(fā)送給AFM控制器；同時(shí)接收AFM控制器的掃描數(shù)據(jù)，并將其反饋到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋界面中，供操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)納米操作.

圖6　實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)功能圖

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1樣本制備

將半徑為100 nm的聚氯乙烯納米小球溶液用去離子水進(jìn)行稀釋?zhuān)∩僭S溶液滴在干凈的CD基底上，氮?dú)獯蹈珊?，靜置3 h以上方可進(jìn)行操作.

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為自組建的基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)，探針為MikroMasch公司的NSC15/AIBS，將制備好的納米顆粒作為操作對(duì)象，使用AFM探針構(gòu)建納米結(jié)構(gòu).

為了說(shuō)明基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)的有效性，對(duì)預(yù)制好的聚氯乙烯納米小球樣本進(jìn)行連續(xù)成像及溫漂補(bǔ)償，以5次補(bǔ)償過(guò)程為例，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7～9所示.圖7為不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)情況下對(duì)納米顆粒樣本進(jìn)行AFM的連續(xù)掃描結(jié)果圖，掃描區(qū)域?yàn)? μm×3 μm.從連續(xù)掃描圖中粒子P1的位置變化可以看出，在AFM掃描過(guò)程中，系統(tǒng)存在較大的溫漂，若對(duì)此種情況不進(jìn)行處理，直接進(jìn)行納米粒子的操作，則很有可能出現(xiàn)AFM探針無(wú)法作用到指定的位置，甚至出現(xiàn)探針與納米粒子脫離的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致失敗的操作結(jié)果.基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)掃描圖像進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，各時(shí)間節(jié)點(diǎn)掃描圖像的補(bǔ)償結(jié)果如圖8所示.圖8中各圖的黑色邊框部分為溫漂計(jì)算后的補(bǔ)償位移，各圖的補(bǔ)償結(jié)果不相同體現(xiàn)了補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性能.將補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)圖像與真實(shí)的AFM掃描圖像進(jìn)行對(duì)比，即圖8a與圖7b、圖8b與圖7c、圖8c與圖7d、圖8d與圖7e進(jìn)行對(duì)比，可以看出補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)圖像能夠反映真實(shí)的AFM掃描圖像，故在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的納米操作，能夠大大提高操作的可靠性和操作效率.圖9為基于局部掃描的納米操作實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)完成的大溫漂下納米裝配任務(wù)操作結(jié)果.圖9a是操作界面的初始圖像；圖9b為實(shí)時(shí)顯示的納米操作結(jié)果；圖9c是操作前初始的AFM圖像；圖9d是操作完成后重新掃描得到的AFM圖像.從圖9b和圖9d的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，操作界面顯示的實(shí)時(shí)操作結(jié)果與真實(shí)的操作結(jié)果幾乎完全匹配，說(shuō)明本文提出的基于路標(biāo)的溫漂實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償方法能夠克服大溫漂情況下探針定位不準(zhǔn)確問(wèn)題.基于局部掃描實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)針對(duì)納米顆粒的區(qū)域，采用局部掃描的方式，提高了視覺(jué)反饋界面實(shí)時(shí)反饋的可信度，能夠準(zhǔn)確、高效地將納米粒子操作到期望位置，能夠?qū)崿F(xiàn)納米器件的制造與裝配.

圖7　不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的AFM連續(xù)掃描圖

圖8　不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫漂補(bǔ)償結(jié)果圖

圖9　實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)操作結(jié)果

5　結(jié)　論

納米裝配操作過(guò)程中，缺乏有效的方法來(lái)確定納米物體的實(shí)時(shí)位置仍然是納米結(jié)構(gòu)和納米器件制造過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題之一.本文針對(duì)上述主要問(wèn)題建立了基于局部掃描的實(shí)時(shí)反饋納米操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以及局部掃描的路標(biāo)觀測(cè)與實(shí)時(shí)操作結(jié)果反饋界面.針對(duì)溫漂引起探針在實(shí)時(shí)任務(wù)空間中的探針定位誤差，采用局部掃描路標(biāo)的方式補(bǔ)償了樣品相對(duì)于探針的溫漂偏移.在此基礎(chǔ)上，利用局部快速掃描方法實(shí)時(shí)反饋納米操作的結(jié)果，修正離線(xiàn)模型的視覺(jué)反饋誤差，提高納米操作實(shí)時(shí)反饋的可信度，增加探針操作控制的魯棒性，提升AFM納米操作的效率和有效性.

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Real-time feedback nanomanipulation system based on local scanning

HOU Jing1, 2, YUAN Shuai1, 3, XU Ke1, 3, LI Meng-xin1, WU Cheng-dong2

(1. School of Information and Control Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 3. State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Due to such factors as the nonlinearity of piezoelectric ceramic device and the thermal drift in the system, the AFM tip is difficult to accurately position to the object to be manipulated, which leads to the tip skipping or slippage phenomenon and hinders the development of AFM nanomanipulation. In order to solve this problem, a real-time feedback nanomanipulation system based on local scanning was proposed. In the proposed system, the nanoparticles on the surfaces of samples were taken as a landmark and continuously observed. Moreover, the problem of tip positioning error caused by the thermal drift of system can be solved, and the positioning accuracy of the tip gets improved. The local scanning strategy was used during the nanomanipulation process, and the real-time feedback nanomanipulation system was realized through the rapid scanning of manipulated results. The experimental results demonstrate the validity of the proposed real-time feedback nanomanipulation system under large thermal drift condition.

local scanning; thermal drift compensation; nanomanipulation; real-time feedback; atomic force microscope; landmark observation; rapid scanning; validity

2015-04-10.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61305125)； 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M530955，2014T70265).

侯靜(1980-)，女，遼寧興城人，副教授，主要從事智能算法及納米操控技術(shù)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.01.13

TN 16

A

1000-1646(2016)01-0074-06

*本文已于2015-09-15 00∶01在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20150915.0001.010.html