无线控制原子力显微镜系统

张楠

摘 要：无线控制的原子力显微镜系统，一方面可以排除各种连线对操作原子力带来的不方便；另一方面，可以很好的排除外界噪声对操作结果带来的不利影响；同时有利于非工作人员了解实验状况。无线发射端通过电脑连接无线发射模块收发射操作指令及数据，无线接收模块接收到数据进行处理后驱动步进电机移动。同时数据采集卡采集AFM微悬臂梁的偏转信号，通过无线收发模块传送给计算机进行分析，实时监测探针与样品之间的作用力，最终实现探针的逼近，及对操作样品的观察。该系统不仅操作灵活，而且工作稳定。

关键词：原子力显微镜 步进电机 无线模块 数据采集

中图分类号：TP273.22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0008-02

原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是继扫描隧道显微镜（STM）之后迅速发展起来的一种原子级分辨率扫描显微镜[1]。它通过监测待测样品表面与一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间作用力来研究物质的表面结构。由AFM原理和原子力作用规律可知，只有当AFM针尖与待测样品表面的间距达到纳米级时，样品表面原子与微探针之间才能产生稳定的原子力，使微悬臂发生偏转[2]。样品向探针逼近直至进入稳定的原子力状态称为AFM的逼近状态，此过程如果通过手动调节机械装置很难达到原子级定位精度。调节不够，AFM针尖与样品表面间距在一定的范围之外，无法使悬臂梁正常工作，调节太深往往又会使探针与样品接触而直接导致样品或探针损伤。而且工作在液相下的原子力显微镜在扫描细胞或其它生物结构时要求操作环境最好不要受到外界干扰或污染[3]，这就要求人在操作原子力显微镜时最好远离操作地点，为了尽量排除外界干扰同时为了减少探针逼近时不必要的浪费，提高逼近系统的自动化性能，本研究通过无线通信与现代控制技术不仅实现近距离无线控制步进电机从而实现样品与微探针逼近，而且可以实时观察探针操作结果。

1 系统设计

无线控制AFM正常工作的前提是，保证无线通信正常，其次是探针充分逼近样品进入原子力状态，使微悬臂发生一定量的偏转，通过特定的检测装置，将微悬臂的偏转量转换为对应的偏置电压值。因此，通过无线控制电路发送数据，然后通过对比电压的采集，分析和处理，可以无线控制步进电机实现AFM的自动逼近。系统由PC机、步进电机驱动器、步进电机、数据采集、无线收发模块。基本原理是：首先通过上位机设置参考电压值VREF，即预置一个微悬臂偏转量，然后通过PC发送操作指令，经过无线传输，当VIN不等于VREF时，表明探针还在接近样品过程中，原子间无相互作用力，步进电机继续运动，直到采集到的电压值与预设值相等为止。接下来AFM开始对样品进行扫描。扫描的过程需要将下位机扫描的各种数据传送到上位机。以便对扫描结果进行观察及操作。为了能实时传输各种数据需要对无线网络通信协议和图像数据传输进行优化[4]。

2 硬件系统设计

2.1 A/D转换芯片

对于A/D数据采集系统，本文采用北京中泰公司的USB-7648B型号，A/D卡USB-7648A/7648B系列是真正即插即用USB数据采集模块，USB-7648系列带有8路并模拟输入、3路16位计数器、24路可编程数字量输入输出、8路固定数字量输出。

原子力显微镜系统中，力检测普遍采用悬臂梁光电偏转法。探针与样品间的作用力使得悬臂梁产生形变，悬臂梁形变是通过光电探测器检测激光器投射在悬臂梁上的反射光点偏移量确定的。需要对光电探测器输出的信号进行解码，解码可得出悬臂梁的纵向形变信号（正压力信号）、横向扭转变形信号（摩擦力信号）和光电探测器四象限的总强度信号这三路信号。反馈控制系统需要同时对这三路信号进行实时、高速、高精度、同步数据采集[5]。所以A/D转化器至少有3通道的同步采集，分辨率不低于14位，每通道采样速率最好高于100 Ksps。

2.2 步进电机驱动器

本文采用电控平移台竖直放置方法实现探针在垂直方向的升降。电控平移台通过步进电机驱动，实现位移调整自动化，由于AFM针尖与样品表面之间的距离必须达到纳米级才驱能使原子之间发生作用力，继而导致微悬臂偏转产生偏置电压，因此，首先对步进电机进行粗调使探针接近样品表面，然后通过精细进针使AFM针尖与样品逼近。要达到纳米级的定位精度，必须对步进电机进行步距细分。

PI公司生产的M-126电控平移台其行程为25 mm，精度为3.5 nm，最小增量为0.1 um，螺距0.5 mm。电控平移台与PI公司的步进驱动器C-663相连，其细分精度为16（6400步/圈）。这样的参数使可以满足对原子力探针的逼近。

2.3 无线传输系统

无线控制系统是以通信和网络技术为基础的一门先进技术。正是由于通信和网络技术的发展使得无线控制技术得以快速的发展[6]。无线控制系统可以划分为：上位机控制端、无线数据传输系统、现场设备检测与控制系统。无线控制上位机采用一台PC机作为无线远程控制工作站，由于本系统数据传输量比较大以及对实时性要求比较高。在比较了各种无线传输方式后采用无线网卡TP-LINK TL-WN851N 802.11g无线网络适配器，其传输速率最高可达到300 Mbps。纳米机器人控制系统组成本地控制系统，其控制PC机也采用TP-LINK TL-WN851N无线网卡。这样我们就组件一个小的局域网。

3 软件设计

3.1 系统软件开发环境

在无线网络协议和网络通信技术分析的基础上，我们以纳米动机器人为控制对象，在Windows环境下开发基于无线网络的控制平台实例，平台采用上位机下位机和TCP/IP协议，无线控制端为客户机，以纳米机器人端的控制器为服务器。由系统的硬件架构可知两端都采用了PC机，因此，我们采用客户端服务器的架构实现无线控制，一方面现场操作人员可以不受远端操作人员控制来控制纳米机器人；另一方面远端操作人员也可以控制以及对AFM纳米机器人操作数据进行分析及处理[7]。endprint

3.2 程序设计

客户端可以通过服务器控制步进电机，观察控制信号输出及数据采集与发送。

前面提到服务器是由纳米机器人端的PC机来承担的，因为它也是机器人本地控制系统的客户端，所以服务器程序启动后首先是作为AFM本地控制系统的客户端与AFM位操作服务系统建立连接，并获取所需要的相关信息，然后它才作为远程服务器端进行工作。在此之后不断在客户端和服务器端来回交换角色，一是为了接收无线控制端的命令数据并向AFM传送控制命令；二是为了向AFM请求其相关状态信息并传送给远程控制端。

VC++程序设计大部分是借助Socket实现的。Socket是Microsoft公司提供的主要用于网络通信编程的ActiveX控件。同时采用了应用于无线控制平台中的多线程编程技术。

4 结论

本系统可以实现原子力显微镜的无线操控，可以远距离实现液相下原子力显微镜对生物细胞的扫描纳米操纵等试验。该系统结合了无线网络通信优点设计的无线收发系统过多次实验证明，其控制端能正确地将数据传送出去；同时，接收端也能正确接收并显示数据。此外，该系统采用了比较完善的软件、硬件设计以及抗干扰措施，这样就可以保证系统工作的安全性和可靠性，并具有通用性，便于投入实际应用。

参考文献

[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] 党学明.并行原子力显微镜研制[D].合肥：中国科学技术大学，2004.

[6] 刘馨.基于网络的远程控制系统研究[D].西安电子科技大学，2011.

[7] 张勇.远程视频监控系统的传输技术的实现[D].电子科技大学硕士论文，2004.endprint