开放式SPM控制系统的设计与实现

　　1　引　　言

　　扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)[1]以其高分辨率等突出优点在科学研究和工业领域中得到了非常广泛的应用,成为探索纳米微观世界的不可缺少的工具,并且已实现了商品化。但是,商品化SPM在科学研究领域的应用受到了一定的制约,因为绝大多数商品化SPM只具有常规的测量功能,难以满足个性化研究的需要。因此,在SPM领域,很多前沿的科学　　研究都只能在自行研制或改进的SPM上完成。通过对SPM进行改造,可以研制出具有特殊功能的SPM,如在常规SPM上增加新的设备以实现联用,使SPM增加新的功能[223];或者替换原来SPM的探针等部件以探测特殊的物理化学性质,从而组装成新类型的SPM[4]。

　　如能以商品化SPM为基础完成所需SPM的研制,则新仪器研制的工作将大为简化。但是,受各种因素的影响,商品化SPM一般不开放系统的底层技术资源,也不具备开放式的体系结构;不同厂商生产的SPM往往互不兼容,用户可扩展的空间很小。这就使得以商品化SPM为基础来完成特殊SPM研制的设想难以实现。近年来,以SPM技术为基础,我们开展了材料微区阻抗及介电特性等方面的研究工作[5]。为了完成这些现有商用SPM所不具备的特殊物理性质的测量,自行研制了一套开放式、高稳定的SPM测量技术平台。该SPM测量技术平台不但具备了扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等常见的SPM测量功能,而且由于其开放性,能够方便地进行改造升级以实现各种特殊的功能。后续的研究人员并不需要深入了解SPM测量技术平台的内部结构,只要按照开放接口的定义设计出必要的新模块,就能完成新的SPM测量,特别适于个性化的科学研究。

　　本文介绍本实验室新近研制成功的开放式SPM控制系统的设计与实现。

　　2　设计思想

　　SPM控制系统设计的关键是SPM总线的开放式接口设计。在设计SPM总线接口时首先要考虑对SPM的“通用”功能和“特殊”功能的适当划分:在功能模块化的基础上,对实现“通用”功能的硬件模块,封装在SPM总线以内,以简化总线接口;对于“特殊”功能则提供完备的接口,以方便硬件模块的扩展。

　　SPM控制系统的总设计思想是通过具有“标准”接口的SPM总线来实现较好的开放性、较高的稳定性以及对各种商品化SPM的兼容。

　　本文设计的SPM控制系统不但应当具备常规SPM的功能,更重要的是还应能够方便地完成新模块的添加,以实现新功能。最彻底的开放性实现方案是开放所有的资源和技术资料,但是这样不但带来知识产权保护的困难,而且在新功能的二次开发时需要了解所有的技术细节,难度和工作量都很大。SPM控制系统开放性的实现可以从PC的兼容性思想得到启发。参照PC的标准总线接口的做法,可以定义1套SPM总线的“标准”接口。SPM共用部分和基本功能可以做成模块,以总线接口的形式开放,各种特殊功能的扩展则可通过在SPM总线上添加各种新模块来实现。