[發明專利]一種SICM的探針樣品距離控制方法及系統

有效

• 申請號: 201710259175.8
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN108732387B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 劉連慶;滕澤宇;于鵬;楊洋;楊鐵;趙亮;李廣勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01Q60/44
• 分類號: G01Q60/44;G01Q10/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

本發明涉及一種SICM的探針樣品距離控制方法及系統。方法包括：掃描前建立下降沿補償函數模型；成像過程中記錄上一像素行掃描高度，作為當前待掃描行的預測值；將探針實時位置與預測高度的差值作為參數輸入到下降沿補償函數模型，得到下降沿補償系數；進行上升沿下降沿判斷，更新得到新的電流偏差；將新的電流偏差反饋給控制器，控制壓電陶瓷上下運動，使探針始終與樣品保持恒距。系統包括：逼近曲線模塊、下降沿補償函數模型建立模塊、行預測模塊、反饋控制模塊。本發明解決了逼近曲線非線性所帶來的樣品上升下降沿偏差不同的問題，因而可以消除SICM成像的下降沿模糊現象，與使用傳統PID控制相比成像更加準確。

技術領域

本發明涉及掃描離子電導顯微鏡(SICM)成像技術領域，特別涉及一種SICM成像時其探針與樣品間距的自適應控制方法及系統。

背景技術

掃描離子電導顯微鏡(scanning ion conductance microscope:SICM)是一種在生物、醫藥、化學、材料等領域均得到廣泛應用的掃描探針顯微鏡，與傳統光學顯微鏡相比具有分辨率更高的特點，光學顯微鏡受光學衍射極限的限制分辨率無法達到200nm以下，而掃描探針顯微鏡以其探針與樣品表面的相互作用作為成像依據，不受光學衍射極限的影響，分辨率可達幾納米或幾十納米；SICM與其他掃描探針顯微鏡相比，其特點在于能夠在生理條件下對活細胞進行非力接觸的無損觀測，同時不需要對樣品進行熒光標記等預處理，因而是一種高分辨率、高保真的成像技術，特別適用于對柔軟樣品如活細胞等的觀測。SICM采用一根尖端為錐形、尖端內半徑約為幾十到幾百納米的超微中空玻璃管作為探針，待測樣品放置在灌有電解質溶液的樣品皿中，探針中也灌有相同的溶液，并且在樣品皿和探針中各置有一根AgCl電極，在電極兩端施加電壓，就會與電解質溶液共同構成電流回路，產生離子電流。當針尖與樣品表面距離較遠時，離子電流保持在一個恒定值，當探針距離樣品足夠近，針尖與樣品間狹小的縫隙就會阻礙離子的流過，使離子電流減小，離子電流與探針樣品的間距存在一一對應的曲線關系，因而可以用電流來表征探針與樣品表面的距離。在對樣品進行成像時，使探針在樣品表面逐行掃過，實時監控電流的大小，通過負反饋控制探針在垂直方向的移動使離子電流維持在一個固定的值，相當于探針在樣品表面保持一個恒定的高度，于是記錄下探針移動的軌跡即可得到樣品表面的三維形貌。

現有的SICM探針樣品距離控制的方式為普通PID控制，在使用SICM對樣品進行的大量成像實驗中發現，SICM所成圖像存在拖尾現象，表現為當采用某一PID參數時，在樣品高度的上升沿處展現了樣品的真實形貌，而在高度的下降沿處圖像形貌比實際形貌有一定的延長，即在上升沿探針及時的跟蹤到了高度的變化，而在下降沿探針跟蹤樣品高度變化的速度較慢。這一現象影響了SICM對樣品形貌的真實反映，使得掃描圖像與真實形貌存在一定的偏差。通過分析發現，拖尾現象是由電流逼近曲線的非線性引起的，逼近曲線是探針逐漸逼近樣品過程中離子電流變化的曲線，掃描時以逼近曲線中最大值的95％到99％作為設定值，使電流維持在設定值不變。由于逼近曲線的非線性，對于同樣的高度變化下，在樣品高度的上升沿，作為反饋量的電流偏差較大，而在下降沿，電流偏差較小，此時若采用相同的PID參數就會產生不同的控制量，使得探針跟蹤的速度不同，在上升沿能夠快速跟蹤到樣品高度的變化，而在下降沿需要更長的時間才能完成對高度的跟蹤，產生了拖尾現象。

發明內容

為了解決上述由逼近曲線非線性所引起的SICM成像的下降沿拖尾現問題，本發明提供了一種探針/樣品間距的自適應控制方法及系統。

本發明采用的技術方案如下：一種SICM的探針與樣品間距離自適應控制方法，包括以下步驟：

步驟1、掃描前建立逼近曲線，該逼近曲線為探針和樣品間距離與離子電流的關系曲線；利用逼近曲線建立下降沿補償函數模型，該模型以探針當前位置與工作點位置的Z軸壓電陶瓷電壓差值為輸入，以下降沿補償系數為輸出；

步驟2、掃描過程中將圖像上一行的掃描高度作為當前待掃描行的工作點位置；