一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法技术

本发明专利技术涉及微纳科学与技术研究中的精密仪器领域，具体涉及一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法。本发明专利技术提出并实现了用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，来改进原子力显微镜在长距离微纳操作过程中操作目标丢失或者操作误差过大的问题。本发明专利技术的直接效果在于能够克服微纳操作过程中操作对象丢失或操作误差过大的问题，实现长距离精确微纳操作。通过快速追踪操作目标位置和精确控制操作目标的位移，直至操作对象与操作目标完全重合。采用本发明专利技术方法进行压缩采样的成像时间只要传统原子力显微镜的“栅格”扫描成像时间的1/3，显著提高成像效率及微纳操作的操作效率，也为实现微纳功能结构和微纳机器人的精确装配与制造提供新的方法。

A Method for Long Distance Accurate Micro-nano Operation of Atomic Force Microscope

The invention relates to the field of precision instruments in micro-nano science and technology research, in particular to a method for long-distance accurate micro-nano operation of atomic force microscopy. The invention proposes and implements a method for long-distance precise micro-nano operation of atomic force microscopy to improve the problem of target loss or excessive operation error in long-distance micro-nano operation of atomic force microscopy. The direct effect of the present invention is that it can overcome the problem of loss of operation object or excessive operation error in the process of micro-nano operation and realize long-distance accurate micro-nano operation. The position of the target is tracked quickly and the displacement of the target is controlled accurately until the target coincides with the target. The imaging time of compressed sampling by the method of the present invention is only 1/3 of the \grid\ scanning imaging time of the conventional atomic force microscope, which significantly improves the imaging efficiency and the operation efficiency of micro-nano operation, and provides a new method for realizing the precise assembly and manufacture of micro-nano functional structure and micro-nano robot.

【技术实现步骤摘要】
一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法
本专利技术涉及微纳科学与技术研究中的精密仪器领域，具体涉及一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法。
技术介绍
微纳技术是21世纪最具发展潜力的高新技术之一，是未来数十年高增长的新兴产业。在过去的十几年里，微纳技术已经取得了巨大的发展，从基本原理的发现和研究逐步发展到微纳功能结构和应用的研究，为新型材料技术、制造技术、微电子、生物医学等领域提供了新的动力。微纳操作是微纳技术实施的最常用方法，而原子力显微镜是实现微纳操作的最通用的技术支撑。而在长距离推移或装配的微纳操作过程中，由于不可避免的温漂存在，导致在微纳操作过程中往往容易出现操作目标丢失或操作误差较大等现象。针对这些问题国内外已报道了部分相关的解决方法，其主要有两类：第一类是借助参考路标实现精确微纳操作的方法。基于该方法的微纳操作的前提是在操作路径上有参照物，这在许多的实际应用中常常受到限制。因为在很多样品表面比较干净而难以找到固定的参照物；另一类是借助于视觉反馈的方法。该方法通过CCD能够直接观测到微纳操作过程和实现精确定位，因为视觉反馈的实时性，即使在操作过程中出现了目标物丢失或者操作误差过大的问题也能实时调整。然而，由于光学衍射的极限性，无法观测到200纳米尺度以下的目标物。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够克服微纳操作过程中操作对象丢失或操作误差过大的问题，且成像时间短，操作效率高的用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法。为了解决上述技术问题，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，具体步骤包括：步骤1：用原子力显微镜采用“栅格”扫描的方式获得包含操作目标和操作对象的全局图像；步骤2：在全局图像上分别识别出操作目标和操作对象的位置；步骤3：计算目标位置与操作对象的相对位置和当前距离D，并与单次操作距离L作比较，如果D＞L，则以操作距离L完成下一步的微纳操作；否则以当前距离D结束最后的操作过程；步骤4：完成当前微纳操作后，基于前一次操作目标的位置及当前操作估算局部成像范围，并用压缩感知原理进行压缩成像，获得当前操作目标所在位置后，重复上述步骤2至步骤4，直至最后一次操作后的操作对象与操作目标完全重合。进一步的，在步骤2中，操作目标和操作对象的位置都是建立在以全局图像右下角为原点的坐标上，每次操作对象位置的确定都是基于该坐标的绝对坐标值。进一步的，操作对象用图像分割方法获得其与基底的投影轮廓，以此轮廓的中心点作为操作对象的位置坐标点。进一步的，在步骤3中，单次操作距离L是基于以下公式计算获得：其中，H为当前操作方向上横向位移，r为操作对象的有效直径，x0为原子力显微镜探针与操作对象接触位置的不确定性参数，ε为容许误差。进一步的，在计算操作目标与操作对象当前距离D时，分别取操作目标和操作对象的中点为两者方位和相对距离的参考点；在操作起始阶段，探针针尖与样品的接触位置选择为沿着操作方位与操作对象轮廓外围的交叉点。进一步的，在步骤4中，估算局部成像范围步骤如下：步骤401：根据公式Οi＝Οi-1+Li-1计算当前操作对象可能的中心点作为局部成像正方形区域的中心，Οi和Οi-1分别为当前局部成像和前一次局部成像的中心；步骤402：计算局部成像区域的宽度为a＝2(r+x0+ε)；步骤403：基于前两部计算的局部成像区域中心Οi和宽度a，将成像区域的起点和终点换算成在全局图像坐标系中的绝对坐标；步骤404：基于压缩感知原理对局部成像区域进行压缩采样，并获得该区域的形貌图像。本专利技术的有益效果：本专利技术提出并实现了用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，来改进原子力显微镜在长距离微纳操作过程中操作目标丢失或者操作误差过大的问题，本专利技术的直接效果在于能够克服微纳操作过程中操作对象丢失或操作误差过大的问题，实现长距离精确微纳操作，通过快速追踪操作目标位置和精确控制操作目标的位移，直至操作对象与操作目标完全重合，采用本专利技术方法进行压缩采样的成像时间只要传统原子力显微镜的“栅格”扫描成像时间的1/3，显著提高成像效率及微纳操作的操作效率，也为实现微纳功能结构和微纳机器人的精确装配与制造提供一种新的方法。附图说明图1是本专利技术的一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法示意图。图2(a)是通过压缩采样方式获得的成像结果。图2(b)是通过传统“栅格”扫描方式获得的成像结果。图3(a)是标记了操作对象和操作目标的全局图像。图3(b)是标记每次微纳操作后的操作对象的位置。图3(c)是操作次数与操作目标和操作对象距离的曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。参照图1-3所示，一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，具体步骤包括：步骤1：用原子力显微镜采用“栅格”扫描的方式获得包含操作目标和操作对象的全局图像；步骤2：在全局图像上分别识别出操作目标和操作对象的位置；步骤3：计算目标位置与操作对象的相对位置和当前距离D，并与单次操作距离L作比较，如果D＞L，则以操作距离L完成下一步的微纳操作；否则以当前距离D结束最后的操作过程；步骤4：完成当前微纳操作后，基于前一次操作目标的位置及当前操作估算局部成像范围，并用压缩感知原理进行压缩成像，获得当前操作目标所在位置后，重复上述步骤2至步骤4，直至最后一次操作后的操作对象与操作目标完全重合。进一步的，在步骤2中，操作目标和操作对象的位置都是建立在以全局图像右下角为原点的坐标上，每次操作对象位置的确定都是基于该坐标的绝对坐标值。进一步的，操作对象用图像分割方法获得其与基底的投影轮廓，以此轮廓的中心点作为操作对象的位置坐标点。进一步的，在步骤3中，单次操作距离L是基于以下公式计算获得：其中，H为当前操作方向上横向位移，r为操作对象的有效直径，x0为原子力显微镜探针与操作对象接触位置的不确定性参数，ε为容许误差。进一步的，在计算操作目标与操作对象当前距离D时，分别取操作目标和操作对象的中点为两者方位和相对距离的参考点；相对距离是指操作目标与操作对象两者之间的实际距离。在操作起始阶段，探针针尖与样品的接触位置选择为沿着操作方位与操作对象轮廓外围的交叉点。进一步的，在步骤4中，估算局部成像范围步骤如下：步骤401：根据公式Οi＝Οi-1+Li-1计算当前操作对象可能的中心点作为局部成像正方形区域的中心，Οi和Οi-1分别为当前局部成像和前一次局部成像的中心；步骤402：计算局部成像区域的宽度为a＝2(r+x0+ε)；步骤403：基于前两部计算的局部成像区域中心Οi和宽度a，将成像区域的起点和终点换算成在全局图像坐标系中的绝对坐标；步骤404：基于压缩感知原理对局部成像区域进行压缩采样，并获得该区域的形貌图像。现今的原子力显微镜都是通过探针“栅格”扫描的方式式地“刮过”样品表面，同时获得被探针“刮过”样品的相对高度值，从而获得样品整个扫描区域的表面形貌特征。基于本专利技术提供方法的长距离精确微纳操作过程中，利用压缩采样对局部区域进行成像以快速获得操作对象的位置信息，同时也较少了成像过程中探针针尖对样品的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1：用原子力显微镜采用“栅格”扫描的方式获得包含操作目标和操作对象的全局图像；步骤2：在全局图像上分别识别出操作目标和操作对象的位置；步骤3：计算目标位置与操作对象的相对位置和当前距离D，并与单次操作距离L作比较，如果D＞L，则以操作距离L完成下一步的微纳操作；否则以当前距离D结束最后的操作过程；步骤4：完成当前微纳操作后，基于前一次操作目标的位置及当前操作估算局部成像范围，并用压缩感知原理进行压缩成像，获得当前操作目标所在位置后，重复上述步骤2至步骤4，直至最后一次操作后的操作对象与操作目标完全重合。

【技术特征摘要】
1.一种用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1：用原子力显微镜采用“栅格”扫描的方式获得包含操作目标和操作对象的全局图像；步骤2：在全局图像上分别识别出操作目标和操作对象的位置；步骤3：计算目标位置与操作对象的相对位置和当前距离D，并与单次操作距离L作比较，如果D＞L，则以操作距离L完成下一步的微纳操作；否则以当前距离D结束最后的操作过程；步骤4：完成当前微纳操作后，基于前一次操作目标的位置及当前操作估算局部成像范围，并用压缩感知原理进行压缩成像，获得当前操作目标所在位置后，重复上述步骤2至步骤4，直至最后一次操作后的操作对象与操作目标完全重合。2.如权利要求1所述的用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，其特征在于，在步骤2中，操作目标和操作对象的位置都是建立在以全局图像右下角为原点的坐标上，每次操作对象位置的确定都是基于该坐标的绝对坐标值。3.如权利要求2所述的用于原子力显微镜的长距离精确微纳操作的方法，其特征在于，操作对象用图像分割方法获得其与基底的投影轮廓，以此轮廓的中心点作为操作对象的位置坐标点。4.如权利要求1所述的用于原子力显微镜的长...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恭新，刘飞，陈珺，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32