SEM下纳米操作的三维特征信息提取及轨迹跟踪控制研究

摘要

微纳操作的自动化可以去除人为因素的扰动，对于重复操作的任务，自动操作与人工手动操作相比操作精度显著提高，因此自动纳米操作技术受到越来越广泛的关注和研究，但自动操作精度要求的提高导致了系统对整个操作过程的每一步骤提出了更高的要求。分析整个操作过程，实现微纳操作自动化的前提是由下列关键因素决定:探针三维坐标获取的精度，探针运动路线的规划速度，探针运动轨迹规划以及控制探针按照规划轨迹运动的精度。
　　本文对现有基于SEM微纳操作系统中探针平面坐标提取方法进行分析的基础上，提出新的基于SEM反馈图像边缘的坐标搜索方法以增加探针针尖平面坐标的定位精度，并进一步对探针和纳米线在不同位置关系时的平面坐标提取进行分析同时给出解决办法。实验证明，该方法使得探针的平面坐标定位精度达到像素级。为了获得探针的深度坐标，首先对SEM二维图像进行处理并得到探针的不同深度值与SEM二维图像灰度均方差之间的关系，然后对两者的关系进行统计分析，得到了探针不同深度值与图像均方差的离散点数据，最后应用Matlab对离散点进行拟合并计算误差率，实验结果表明该探针深度定位方法的精度满足自动纳米操作系统的要求。
　　自动纳米操作任务要求探针在经过规划路径的不同位置时探针速度和姿态等参数不同，本文利用针尖坐标三维数据计算Attocube的三维相对偏移角和旋转角，分别应用不同方法建立了Attocube各个平动偏移角和旋转角的速度、加速度与时间的关系函数进而实现探针轨迹的规划。由于微纳操作系统参数的不确定性，为保证探针针尖能够按照规划的轨迹运动并保证偏差最小，本文提出前馈控制器和反馈控制器联合控制的方法，着重考虑了前馈控制器对整个控制系统的影响，并在反馈控制器的设计中引入评价跟踪性能、鲁棒性和信号幅值的评估函数，最后在Matlab下用已规划的轨迹和不同频率的三角波曲线对控制方法进行跟踪仿真，结果证明了该控制方法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 课题研究的目的和意义

1．3 国内外SEM下信息提取与控制的发展和研究现状

1．4 现有SEM下纳米操作信息提取和控制的技术缺陷

1．5 本文主要研究内容

第2章 探针平面位置坐标获取

2．1 现有系统的平面坐标提取方法简介

2．1．1 Hough变换边缘提取算法简介

2．1．2 Canny边缘检测算法简介

2．2 改进的边缘提取方法

2．2．1 Matlab工具箱边缘提取技术简介

2．2．2 Matlab工具箱边缘提取算子的比较

2．3 平面位置坐标提取方法

2．4 本章小结

第3章 探针深度位置坐标获取

3．1 实验图片的统计分析

3．1．1 针尖深度坐标确定的理论基础

3．1．2 图像的获取与处理

3．2 数据拟合与实验分析

3．2．1 离散数据拟合

3．2．2 实验分析

3．3 本章小结

第4章 探针轨迹规划

4．1 探针轨迹规划方法研究

4．1．1 三次函数轨迹规划方法

4．1．2 五次函数轨迹规划方法

4．2 仿真验证与分析

4．2．1 仿真验证

4．2．2 仿真结果分析

4．3 本章小结

第5章 探针轨迹跟踪控制

5．1 基于前馈和反馈联合控制的基本原理

5．2 参数不确定系统的误差分析

5．3 控制器的设计和优化计算基本原理

5．3．1 前馈控制器的设计和优化原理

5．3．2 反馈控制器设计原理

5．4 Attocube控制器设计及Matlab仿真分析

5．4．1 Attocube前馈和反馈控制器设计

5．4．2 Matlab仿真实验及分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢