CN102338811A - 在纳米操作任务空间中基于概率预估的实时反馈方法 - Google Patents

Abstract

在基于AFM的纳米操作过程中，为提高探针的定位精度和操作效率，本发明公开一种在纳米操作任务空间中基于概率预估的实时反馈方法，包括以下步骤：a.建立探针驱动模型：b.探针观测模型：c.使用Kalman滤波器或Particle滤波器计算探针最优位置。本发明的方法中还包括执行快速局部扫描、采用纳米操作反馈界面实时显示显示探针的位置和被操作纳米物体的状态。本发明的优点是：1.由于提高了探针控制精度，进而提高在任务空间中的定位精度度。2.由于能实时估算探针位置和被操作纳米物体的位置并显示在纳米操作反馈界面中，提高了操作效率。

Description

在纳米操作任务空间中基于概率预估的实时反馈方法

技术领域

本发明涉及纳米技术领域，具体涉及纳米装配技术领域，更具体是一种基于概率预估的纳米操作实时反馈方法。

背景技术

纳米操作的最终目标是在纳米尺度、甚至分子或原子尺度上制造功能器件或系统。纳米观测和操作为关键技术能有效地提高操作精度和效率，在电子、信息、生物医学/仿生学等领域具有重要的科研意义和价值。AFM(原子力显微镜Atomic Force Microscope)在纳米观测方面具有极高的分别率和精度，同时在纳米操作方面也具有特有的优势，即能够有效地操作如单个纳米颗粒和纳米棒等纳米目标。但是由于控制′操作执行器′-探针的PZT(PZT压电陶瓷，P是铅元素Pb的缩写，Z是锆元素Zr的缩写，T是钛元素Ti的缩写)具有非线性滞环、蠕变等因素造成探针定位精度不高，导致纳米操作效率低下，通过传统的解决方法如闭环控制，只能提高探针相对于PZT管中心轴线的控制精度，并没有提高在任务空间中的定位精度。

在纳米操作后，需要重新扫描一幅图像确定被操作纳米目标的状态，然后再进行操作，如此反复循环，直到纳米操作结束。因此为提高纳米操作效率，需要设计一种方法能够快速感知被操作目标的状态，并且实时显示在纳米操作反馈界面中，方便操作人员进行下一步操作。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于概率的探针定位方法与快速局部扫描算法实时估算探针位置和被操作纳米物体的位置并显示在纳米操作反馈界面中，提高操作效率。

本发明使用概率预估方法实时估算探针位置。在本专利中，针对PZT建立驱动模型，该模型误差满足一定概率分布，在此基础上，使用纳米特征物，如纳米颗粒或纳米棒作为路标实时观测探针位置，根据该模型误差的分布情况，通过Kalman或Particle滤波器最优估算探针的位置。探针在推动纳米物体后，采用快速局部扫描算法实时感知纳米操作的情况，并显示在操作反馈界面中，其中快速局部扫描算法是在操作纳米物体的局部区域内进行快速扫描，实时估算被操作纳米物体的最新位置。操作反馈界面是在人机交互界面(操作参数界面和实时反馈界面)中，实时显示探针的位置，并根据快速局部扫描的结果实时更新被操作纳米物体的状态，状态有两种情况：正常状态和异常状态，正常状态是通过局部扫描获得被操作纳米物体的最新位置，并显示在操作界面中，同时删除操作界面中原位置的图像信息。异常状态是在局部扫描时，发生异常，如纳米物体被探针针尖带走或者被推动到局部扫描区域外而导致没有找到该纳米物体，在操作界面中用特殊颜色标识原位置上的图像信息。

具体技术方案为：

一种在纳米操作任务空间中基于概率预估的实时反馈方法，其特征在于包括以下步骤：

a.建立探针驱动模型：

X(k+1)＝X(k)+HU(k)+v(k)，v(k)～N(0，Q(k))            (1)

式中X(k+1)，X(k)为探针位置，H为PI模型的驱动矩阵，U为输入控制电压，v(k)为误差，满足正态分布；

b.探针观测模型：在驱探针动模型基础上，通过局部扫描路标建立观测模型，该观测模型的公式为：

z_oe＝z_lc+z_ce+w_ce+w_o，w_ce～N(0，R(k))  w_o～N(0，Ψ(k))    (2)

式中Z_oe(X_1oe，X_2oe)^T(X_1oe水平观测值，X_2oe垂直观测值，公式中后面的变量也为2维列向量)为探针扫描纳米颗粒时的观测值。Z_lc为纳米颗粒中心坐标，W_o为计算纳米颗粒中心的坐标时引入的误差，Z_ce为探针与纳米颗粒中心的距离，W_ce为驱动探针从纳米颗粒中心移动到X_e位置的驱动误差。W_o和W_ce满足高斯分布。

c.最优估算探针的位置：在探针驱动模型和观测模型的基础上，针对误差为正态分布的情况，计算探针最优位置，

$\hat{z}(k+1)=\hat{x}(k+1|k)---\left(3\right)$

S(k+1)＝E[v(k+1)v^T(k+1)]＝P(k+1|k)+R(k+1)+Ψ        (5)

$W(k+1)=P(k+1|k){\▿h}^T{S}^{-1}(k+1)---\left(6\right)$

P(k+1|k+1)＝P(k+1|k)-W(k+1)S(k+1)W^T(k+1)            (8)

上式中

是观测期望值，v(k+1)是探针K+1时刻的观测残差，S(k+1)是残差的协方差，W(k+1)是滤波器增益，

是K+1时刻的最优估计值，P(k+1|k+1)是K+1时刻的方差值；

在步骤c中，使用Kalman滤波器或Particle滤波器计算探针最优位置；

在纳米操作后，为了实时确定被操作纳米物体的状态，执行快速局部扫描；

为了实时确定被操作纳米物体的状态，还包括采用纳米操作反馈界面实时显示显示探针的位置和被操作纳米物体的状态。

本发明的优点是：1.由于提高了探针控制精度，进而提高在任务空间中的定位精度度。2.由于能实时估算探针位置和被操作纳米物体的位置并显示在纳米操作反馈界面中，提高了操作效率。

附图说明

图1.PZT压电特性的压坑测试数据；

图2.基于PI的PZT压电特性建模；

图3.PZT电压补偿测试数据；

图4.探针观测建模；

图5.快速局部扫描示意图；

图6a～图6d.纳米操作在线实时监测截图。

具体实施方式

一.基于概率的探针定位，以Prandtl-ishlinkii(PI)为例建立探针驱动模型。

基于PI模型建立探针驱动模型：AFM探针在等步长递增的输入电压控制下，每增加一个步长便在CD表面上压坑，得到一组反映PZT迟滞特性的电压-位移数据，如图1中①所示，使用该数据建立探针模型，如图2所示，黑点为电压控制的位移点，穿过黑点的黑细线为PI模型曲线，再计算逆模型，如图所示2中黑粗线。根据逆模型计算补偿电压，通过在CD表面上做压坑实验测试补偿结果，如图1中②所示。在图3中，黑点为电压补偿后控制的位移点。该补偿模型误差满足高斯正态分布，使用多组不同步长递增的输入电压控制探针在CD表面上压坑，获得不同步长与方差之间的关系，建立探针驱动模型。

X(k+1)＝X(k)+HU(k)+v(k)，v(k)～N(0，Q(k))        (1)

式中X(k+1)，X(k)为探针位置，H为PI模型的驱动矩阵，U为输入控制电压，v(k)为误差，满足正态分布。

探针观测模型：在驱动模型基础上，通过局部扫描路标建立观测模型，如图4中所示，探针从X₁初始位置(概率分布为P₁)移动到X_s，由驱动模型得到概率分布P_s，然后再水平方向上观测路标，即探针从X_s到X_e扫描一条线，若扫描到纳米颗粒，可假设纳米颗粒为球形，则扫描线中存在一个凸包形状，A，B是在凸包顶点两侧竖直方向上的中点，可认为A，B两点的中点和纳米颗粒中心在水平方向上的坐标值X_lc相同，W_1o是计算纳米颗粒中心时的误差，满足高斯分布。探针在X_e点相对于纳米颗粒中心的水平距离为X_1ce，误差W_1ce是由驱动探针从纳米颗粒中心移动到X_e点引起的误差，由X_1ce和X_1lc得到探针的观测坐标X_1oe，同理可在垂直方向上再做一次观测，得到探针位置精度比较高的观测值。

该观测模型的公式为：

z_oe＝z_lc+z_ce+w_ce+w_o，w_ce～N(0，R(k))  w_o～N(0，Ψ(k))        (2)

式中Z_oe(X_1oe，X_2oe)^T(X_1oe水平观测值，X_2oe垂直观测值，公式中后面的变量也为2维列向量)为探针扫描纳米颗粒时的观测值。Z_lc为纳米颗粒中心坐标，W_o为计算纳米颗粒中心的坐标时引入的误差，Z_ce为探针与纳米颗粒中心的距离，W_ce为驱动探针从纳米颗粒中心移动到X_e位置的驱动误差。W_o和W_ce满足高斯分布。

最优估算探针的位置：在探针驱动模型和观测模型的基础上，针对误差为正态分布的情况，使用Kalman滤波器计算探针最优位置，

$\hat{z}(k+1)=\hat{x}(k+1|k)---\left(3\right)$

S(k+1)＝E[v(k+1)v^T(k+1)]＝P(k+1|k)+R(k+1)+Ψ        (5)

$W(k+1)=P(k+1|k){\▿h}^T{S}^{-1}(k+1)---\left(6\right)$

P(k+1|k+1)＝P(k+1|k)-W(k+1)S(k+1)W^T(k+1)            (8)

上式中

是观测期望值，v(k+1)是探针K+1时刻的观测残差，S(k+1)是残差的协方差，W(k+1)是Kalman增益，是K+1时刻的最优估计值，P(k+1|k+1)是K+1时刻的方差值。本步骤也可采用Particle滤波器计算探针最优位置。

二.快速局部扫描算法：

在图5中，探针将纳米物体，如纳米颗粒从原始位置(黑实线圆框)推动到期望位置(黑虚线圆框)，操作完成后，纳米颗粒可能存在于1，2，3或其它位置，为了实时确定纳米颗粒的位置，执行快速局部扫描方法，具体过程为：

1.在推动纳米颗粒完成后，继续在该方向上移动探针3r(r为纳米颗粒半径)长度，然后反方向扫描，在探针推动操作的起始位置停止扫描。若扫描线l₀中存在纳米颗粒(纳米颗粒在2位置)，则计算纳米颗粒中心在扫描线上的垂直投影点，经过该点，在与扫描线l₀垂直的方向上扫描纳米颗粒，确定纳米颗粒在推动后的中心位置。

2.若纳米颗粒在1位置，则在扫描线l₀中没有扫描到纳米颗粒，探针需要在与l₀两侧相距3r/2的l₁，l₂线上分别扫描，l₂扫描线经过纳米颗粒，确定纳米颗粒中心位置的处理过程同上。

三.显示纳米操作状态的实时反馈界面：

通过纳米颗粒作为路标实时监测探针位置，使用局部快速扫描确定被推动纳米颗粒的位置，将它们显示在实时反馈操作界面中，如图6所示。在图6.a中显示探针操作纳米颗粒，图6.b中显示探针将纳米颗粒推动到期望位置，图6.c中通过局部快速扫描确定被推动纳米颗粒的位置，图6.d中重新成一幅图像确定被推动纳米颗粒的位置。

Claims (4)

1.一种在纳米操作任务空间中基于概率预估的实时反馈方法，其特征在于包括以下步骤：

a.建立探针驱动模型：

X(k+1)＝X(k)+HU(k)+v(k)，v(k)～N(0，Q(k))                    (1)

式中X(k+1)，X(k)为探针位置，H为模型的驱动矩阵，U为输入控制电压，v(k)为误差，满足正态分布；

b.探针观测模型：在驱探针动模型基础上，通过局部扫描路标建立观测模型，该观测模型的公式为：

z_oe＝z_lc+z_ce+w_ce+w_o，w_ce～N(0，R(k))  w_o～N(0，Ψ(k))        (2)

式中Z_oe(X_1oe，X_2oe)^T(X_1oe水平观测值，X_2oe垂直观测值，公式中后面的变量也为2维列向量)为探针扫描纳米颗粒时的观测值。Z_lc为纳米颗粒中心坐标，W_o为计算纳米颗粒中心的坐标时引入的误差，Z_ce为探针与纳米颗粒中心的距离，W_ce为驱动探针从纳米颗粒中心移动到X_e位置的驱动误差。W_o和W_ce满足高斯分布。

c.最优估算探针的位置：在探针驱动模型和观测模型的基础上，针对误差为正态分布的情况，计算探针最优位置，

$\hat{z}(k+1)=\hat{x}(k+1|k)---\left(3\right)$

S(k+1)＝E[v(k+1)v^T(k+1)]＝P(k+1|k)+R(k+1)+Ψ                 (5)

$W(k+1)=P(k+1|k){\▿h}^T{S}^{-1}(k+1)---\left(6\right)$

P(k+1|k+1)＝P(k+1|k)-W(k+1)S(k+1)W^T(k+1)          (8)

上式中

是观测期望值，v(k+1)是探针K+1时刻的观测残差，S(k+1)是残差的协方差，W(k+1)是滤波器增益，

是K+1时刻的最优估计值，P(k+1|k+1)是K+1时刻的方差值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤c中，使用Kalman滤波器或Particle滤波器计算探针最优位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括执行快速局部扫描。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括采用纳米操作反馈界面实时显示显示探针的位置和被操作纳米物体的状态。

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