纳米技术是近年来快速发展的前沿学科领域之一。纳米技术正在不断应用到现代科学技术的各个领域,形成了许多与其相关的新兴学科。扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)等是纳米技术发展的重要基础,也是纳米科技工作者必不可少的研究工具,而且尤以原子力显微镜的需求更大,应用领域更为广泛。

本文提出基于ARM的原子力显微镜的设计思想,对其原理和方法进行了详细的研究,并将嵌入式操作系统应用到AFM的控制系统中,不仅具有重要的理论意义和科学价值,而且具有广阔的应用前景。文中在总结纳米科技及AFM应用技术的发展历史和研究现状的基础上,对AFM的工作原理进行了深入的探讨。

结合当前AFM应用技术的发展,提出了基于ARM嵌入式操作系统ARM-μCLinux的AFM控制系统的设计。系统运用ARM控制18位DAC输出模拟信号,再经过高压放大,控制压电陶瓷器XYZ方向运动;系统采用16位同步ADC采集微悬臂梁的反馈信号;利用ARM多线程优势进行数据的实时采集,并通过LAN口与PC机进行数据交换;

利用Atmega128L控制AD9851输出0~500KHz、幅值可调的正弦波,频率稳定度0.04Hz,幅度输出误差在0.2mV范围内,在轻敲模式下,使AFM的微悬臂梁在其谐振频率附近振荡,从而实现轻敲式AFM扫描;通过三维步进扫描平台可以实现大范围扫描;通过序列图像拼接技术最大扫描范围可以达到90mm×90mm,拼接算法准确率达98%以上;提出了采用纳米级非接触位移传感器作为自动进针系统的反馈系统设计方案,采用三级进针机制,控制自动进针过程,有效防止了在进针过程中导致探针损坏或过度进针导致的样品表面损伤;

开展了气相和液相条件下AFM系统的性能测试实验,均获得了清晰的样品形貌图像,并对样品形貌图像作了分析。通过气相和液相环境下的大量实验表明,该系统工作可靠。

主要创新点:

1、在AFM系统中,引入了ARM-μCLinux占先式嵌入式操作系统,增强了系统的实时性,并且使得系统应用软件的更新及外围设备驱动的开发更为容易,与其它AFM系统相比,系统的稳定性和扫描速度提高了20%以上;

2、在自动进针系统中,采用三级进针机制,引入纳米级非接触位移传感器作为进针反馈,定位精度15nm,有效防止了进针误操作;

3、在AFM细胞实验应用中,提出了应用细胞形貌图像的直方图寻找最佳分割点,对细胞进行阈值分割,准确率达98.5%以上,并运用Log边缘检测算子提取细胞的边缘特征。