基于AFM的虚拟纳米手操作策略研究

针对纳米操作过程中存在的不确定性及AFM单探针带来的纳米粒子的稳定操作问题,提出了虚拟纳米手操作策略.该策略采用蒙特卡洛方法描述粒子的不确定性,在纳米粒子推动操作的运动学模型基础上,对AFM探针的作用参数进行规划,模拟多探针并行操作效果,将粒子的中心位置限制在规定误差范围内,从而可以避免操作过程中粒子的丢失,实现粒子的稳定高精度纳米操作,仿真结果与实验操作结果相对比,验证了虚拟纳米手操作方法的有效性.     

基于AFM推动的纳米粒子运动学模型研究

针对纳米操作和装配过程中面临的由AFM单探针带来的物体丢失和操作效率低等问题,通过对纳米粒子推动实验的分析,建立了纳米粒子推动操作的运动学模型.该模型充分考虑了推动速度及探针磨损两个因素,引入了与速度相关的粘滞摩擦力,并利用空间配置的方法解决了探针针尖半径对操作结果的影响.该模型能够预测推动操作后粒子的可能位置,从而可以避免操作过程中粒子丢失的现象,能够提高纳米操作效率.数值模拟结果与多次实验操作结果相对比,验证了所建模型的有效性.     

基于图像聚焦定位的AFM自动逼近方法研究

原子力显微镜(AFM)是纳米科学技术领域中的常用工具。AFM扫描成像前需要手动或半自动操作步骤实现探针与样品逼近过程,自动化程度低、操作繁琐,探针容易受损。由此,提出了一种粗精结合的分段式自动定位方法。在粗定位阶段,采用自动聚焦定位方法,提出了一种最强边缘拉普拉斯算子均值算法,具有很强的抗噪性能,可以适应AFM长行程、不同纹理样品自动聚焦,以确定探针和样品的相对位置;精定位阶段,采用精确力反馈控制方法,当样品和探针作用力超过设定值时,探针在Z向纳米平台的带动下能够自动回退,使针尖得到有效保护。通过这两种方法的有效技术融合,可以实现探针-样品逼近过程的自动化操作,提高AFM的易用性和使用效率。     

机器人化纳米操作系统驱动器驱动与探针定位研究

对基于AFM的机器人化纳米操作系统而言，一个关键问题是如何实现纳米操作时探针的高精度驱动与定位。对此，本文基于对压电陶瓷驱动器的迟滞／非线性特性及现有驱动方法的详细分析，提出“基于复现扫描轨迹的驱动方法”来对操作时的驱动器进行驱动；另外，还对管式驱动器弯曲运动所产生的运动学耦合误差、探针悬臂变形所引起的针尖偏移误差进行了定量分析与补偿。采用上述驱动方法及进行误差补偿后，可以大大提高探针的定位精度，从而使纳米操作与装配得以高精度进行。纳米刻画实验验证了该新型驱动方法及误差补偿的有效性。     

基于随机方法的AFM探针位置最优估算研究

由于受到驱动器PZT(Pb Zr Ti O3)非线性、系统温漂与其他不确定因素的影响,原子力显微镜(AFM)探针在任务空间的位置存在不确定性。这严重影响了AFM探针观测与操作的效率,如何减小探针位置的不确定性,实现AFM探针的精确定位成为亟待解决的问题。针对此问题,提出用概率分布的方式描述探针位置的不确定性,通过建立探针运动模型,结合基于局部扫描的观测模型,采用Kalman滤波对探针位置进行最优估算。针对算法的实现,设计了模型参数标定方案。通过仿真和实验的结果验证了算法的有效性与可行性,实现了探针在任务空间中的精确定位,提高了纳米操作效率。     

基于 LSTM 的矩形纳米光栅 AFM 图像复原方法

原子力显微镜(AFM)利用探针与待测物之间的交互作用力进行成像,通过获取矩形纳米光栅计量标准器具的高分辨率成像得到相关的几何量参数并进行标定,实现从标准计量器具到工作计量器具的量值传递。在AFM扫描过程中,由于针尖的影响作用,使得扫描所获图像是探针和样品共同作用的结果,而不是样品形貌的真实描述。针对这一现象,本文提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的AFM图像复原方法,该方法对通过膨胀法获得的仿真图像各扫描行进行训练,进而获得适用于矩形纳米光栅AFM图像复原模型。实验结果表明,针对线宽20 nm,高40 nm的矩形纳米光栅,经过该方法复原后光栅线宽的相对误差为7.40%,相较于传统的复原方法进一步提高了测量准确度。     

基于AFM的机器人化纳米操作系统综述

对基于扫描隧道显微镜(Scanning tunnel microscope,STM)及原子力显微镜(Atomicforcemicroscope,AFM)的纳米操作技术发展进行阐述,针对其中存在的主要问题,引述出机器人化纳米操作的必要性。接着,对国内外机器人化纳米操作系统的研究进展、现状及存在的主要问题进行详细分析,提出基于AFM的机器人化纳米操作系统的结构原型,并指出实现机器人化纳米操作所需解决的关键技术问题及相应的解决方案之一,为进行深入的机器人化纳米操作研究提供了可以借鉴的研究方向。     

基于原子力显微镜的PMMA飞秒激光纳米加工

介绍了一种基于原子力显微镜(AFM)的激光近场增强纳米加工方法。探讨了作为主要影响因素的激光场增强效应,用时域有限差分法对AFM探针下光场的空间分布进行了数值分析。研究了飞秒激光入射到AFM探针的PMMA材料的图形化,在PMMA材料表面加工了不同宽度的线条和字母。利用AFM对所得纳米图形进行了原位测试。在激光参数未经优化的情况下,其线宽可达100 nm,超过了实验室飞秒激光远场加工的分辨能力(200 nm)。     

基于AFM纳米机械刻蚀的分子动力学模拟研究

基于原子力显微镜AFM(atomic force microscope)的纳米机械刻蚀加工是扫描探针刻蚀加工技术( scanning probe lithography, SPL)的一个重要组成,目前已取得较大进展.但由于纳米机械刻蚀涉及原子的结构与运动,其加工机理尚有待于进一步研究.分子动力学模拟技术是近年来发展的继实验和理论研究后的又一重要研究方法.文章综述采用分子动力学模拟技术,研究基于AFM的纳米机械刻蚀加工的进展, 分析纳米尺度的加工机理,评述探针、刻蚀工艺、工件材料等因素对纳米机械加工过程的影响.文章最后指出今后研究的方向.     

采用AFM研究单晶硅纳米加工特性

为获得AFM金刚石微探针在纳米尺度上加工脆性材料的加工特性,在AFM系统上对单晶硅表面进行了刻划、加工实验.实验结果与宏观车削加工结果进行了对比,得出在纳米尺度上进行的加工属塑性域加工.采用AFM金刚石微探针加工硅表面的加工质量主要受材料残留高度和形成的切屑在已加工表面的粘结两个因素影响.验证了AFM作为一种加工工具,受其刻划方向的影响,可以很容易地实现纳米量级材料的去除,得到厚度为数个纳米的切屑.     

纳米操作加工过程定位检测问题研究

微纳米操作、加工、检测和控制在各个领域获得广泛的研究和应用,在微纳米层次上进行原位、定位的操作、检测、加工是经常遇到的问题。扫描探针显微镜技术(Scanningprobemicroscope,SPM)提供强有力的工具,人们利用其不同类型的针尖与相应样品表面产生的化学或物理作用达到目的。但扫描探针显微镜针尖同时用于检测、加工和成像,会因为针尖磨损、状态的改变,影响检测信息的准确性、可靠性,直接影响结果的判定。本文提出一种在微操作加工过程的定位检测技术,即操作过程工具和探针承担不同任务,工具负责加工操作,探针用于检测并定位于操作加工位置,进行了实验并分析讨论定位过程相关问题。     

基于虚拟现实的组合夹具组装系统研究

针对计算机辅助组合夹具设计存在的问题,提出了一个基于虚拟现实的组合夹具组装系统。给出了系统的功能模型和体系结构,研究了组合夹具虚拟装配模型、虚拟环境下组合夹具元件的装配定位等关键技术和解决方案。提出了基于多视图的组合夹具虚拟装配模型,该模型便于信息表达和管理,符合虚拟环境的表达和组织原则,解决了元件重复使用问题。提出了基于模糊评判的几何约束自动识别方法,对待装配件与装配基准件的装配特征进行匹配和优化选择,实现装配操作意图的准确捕捉。应用实例表明,原型系统能够很好地支持组合夹具组装设计。     

基于梯形算子的AFM驱动器非对称迟滞性校正

原子力显微镜(AFM)通常采用压电陶瓷(PZT)作为驱动器以实现纳米尺度的观测和操作。然而,PZT自身的迟滞非线性会对AFM观测质量和操作精度产生很大影响。基于Prandtl-Ishlinskii(PI)模型的前馈控制方法可对PZT的迟滞非线性进行补偿,但传统PI模型无法消除PZT的非对称迟滞性的影响。针对这个问题,提出一种基于梯形算子的非对称迟滞模型,并可用系统辨识方法获取逆模型参数,该方法可有效实现具有非对称迟滞特性驱动器的前馈补偿控制。AFM系统实验证明,该模型可有效减小非对称迟滞性导致的建模误差,基于该模型的前馈迟滞补偿控制可有效提高AFM的扫描成像质量。     

基于精确探针模型的AFM图像重构研究

原子力显微镜技术已在纳米成像中得到了普遍应用.但实验表明,AFM图像在水平方向分辨率较低,其中探针针尖形貌是影响扫描图像分辨率的关键因素之一.为了提高AFM扫描图像的分辨率,改善成像质量,一种可行的方法是通过建立探针模型后,重构扫描图像.在已有的探针建模方法中,普遍采用盲建模算法.针对目前盲建模算法中降噪阈值难以优化问题,提出了一种降噪阈值最优估计新方法.该方法可以使盲建模算法更准确地建立扫描方向上的探针形貌轮廓,进而完成3D探针模型.通过应用AFM探针扫描多空铝和标准栅格实验,介绍了探针针尖形貌精确建模的方法.然后使用数学形态学的腐蚀运算对标准栅格的AFM成像进行了重构,验证了上述方法的有效性.实验结果证明,重构后的图像中降低了探针针尖形貌的失真影响,可以显著改善扫描探针显微镜成像的水平分辨率.     

基于原子力显微镜的PMMA飞秒激光纳米加工

介绍了一种基于原子力显微镜（AFM）的激光近场增强纳米加工方法。探讨了作为主要影响因素的激光场增强效应，用时域有限差分法对AFM探针下光场的空间分布进行了数值分析。研究了飞秒激光入射到AFM探针的PMMA材料的图形化，在PMMA材料表面加工了不同宽度的线条和字母。利用AFM对所得纳米图形进行了原位测试。在激光参数未经优化的情况下，其线宽可达100nm，超过了实验室飞秒激光远场加工的分辨能力（200nm）。     

"墨水笔"纳米印刷技术新进展研究

“墨水笔”纳米印刷(Dip—pennanolithography，DPN)技术利用原子力显微镜(AFM)的探针作为桥梁，把“墨水”分子传输到基底上并使之形成自组装分子单层(SAM)。这种在物质表面构建纳米结构的技术以其高分辨率、定位准确和可以直接书写等优点在近年来得到了迅速的发展，有关这种技术实验与应用报道颇多，与之比较，理论研究的文章偏少。本文着重从理论上分析DPN技术机理，并与实验相联系。最后，对这种技术发展前景作了展望。     

原子力显微镜成像技巧的探讨

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)的一个重要应用是对样品表面的微纳米尺寸特征进行成像,在扫描的过程中,实际成像图是原子力探针和样品共同卷积的结果,所以探针的选择、样品的制备直接决定成像质量。本文总结了探针的弹性系数、曲率半径、悬臂镀层对成像的影响,以及制样、装样时可能存在的问题,因此为获得更准确的成像,需要克服样品可能存在的这些问题,并选择适合的探针对其成像。     

AFM悬臂定位系统中光干涉误差及减小方法研究

光杠杆法是原子力显微镜（AFM）悬臂定位的主要方法。由于悬臂自身的尺寸和材料特性、检测光路系统等因素制约，悬臂弯曲测量时存在光泄露。被试样表面反射的部分泄露光与悬臂反射光产生干涉，在探针一试样接近曲线中产生光干涉误差。基于轻触模式AFM，分析了光干涉误差的产生原因，并对其引起的AFM测量误差进行了数学分析和仿真、提出了减小光干涉误差的方法。实验结果和理论分析表明，为了进一步提高AFM的测量精度，有必要克服定位系统中的光干涉误差。     

基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计

提出一种基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计方法。分析二维多工位装配尺寸偏差传递关系,建立由定位销和零件定位孔(槽)公差引起夹具定位偏差的偏差流状态空间模型。采用数论网格方法对定位销和零件定位孔(槽)公差进行采样,将得到的公差样本代入夹具定位偏差模型,求得夹具定位偏差样本空间,将夹具定位偏差作为状态空间模型的输入偏差,提出基于状态空间模型的二维多工位装配成功率计算方法。继而应用Taguchi正交试验直观分析方法,分析得到影响装配成功率的主要因素即夹具系统定位销副关键公差,运用回归正交组合设计拟合得到二维多工位装配成功率与夹具系统定位销副关键公差的响应面模型。以定位销、零件定位孔(槽)制造成本所构成的装配成本最小化为目标,二维多工位装配成功率为约束,建立二维多工位装配夹具系统定位销和零件定位孔(槽)公差可行稳健设计模型。以汽车车身地板二维三工位装配为例,建立其公差可行稳健设计模型并对该模型进行计算与分析,结果表明在装配成本增幅较小的情况下,采用稳健约束后可显著提高公差设计的可行稳健性。该方法为二维多工位装配夹具系统公差稳健设计提供了一种新途径。     

一种新的探针定位方法

提出了一种探针定位测量方法.利用探针上的标记点(可用摄像机定位)建立探针坐标系,运用机器视觉中的立体视觉和坐标系变换的原理,由摄像机坐标系下标记点的坐标得到探针尖端的坐标,实现视线被遮挡的手术部位的视觉定位,摆脱了测量精确度的提高对于探针制造工艺的依赖,显著提高了定位精度(将绝对误差值缩小到1mm),并进行了实验研究,结果表明:这种方法在实际定位测量中的良好效果,克服了传统探针的准确度由于制作工艺原因无法提高从而成为手术精进的瓶颈的问题,该方法还可应用于外科手术之外的领域,能够扩展到其他探针定位的工业场合.