基于PZT的微纳混合扫描系统的研究

摘要

本文在对AFM的成像原理和AFM原子力作用机理的研究的基础上，依据AFM微纳米操作系统的高效性和实时性要求，设计了一个基于压电陶瓷管和步进电机的微纳混合扫描平台的控制系统，本扫描控制系统利用PC机作为控制器来控制压电陶瓷平台的纳米级的移动，通过VC++软件编程来控制平台的微纳米级移动，从而实现纳米操作的实时性，高效性。然后，将本扫描控制系统应用于本实验室自主研制的原子力显微镜系统中，对微悬臂的形变量进行检测，从而得到样品表面的微观形貌。另外，针对在系统调试过程中发现的压电陶瓷迟滞特性对扫描结果的影响以及扫描的样品具有“障碍物”的现象进行了进一步的分析与研究，并给出了相应的解决办法，对下一步系统的优化及研究有着重要的意义。
　　实验结果表明，本微纳混合系统不仅保证了原子力显微镜的成像精度，还实现了对压电陶瓷驱动器的扫描控制。所研制的可进行微纳米混合操作的光学显微镜和原子力显微镜相结合的系统可以被广泛应用与生物学研究、微纳材料分析研究及纳米自组装过程等。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 本文研究的目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 基于PZT的AFM扫描系统

1．3．2 AM扫描控制系统研究现状

1．3．3 迟滞模型研究现状

1．4 微纳混合扫描系统中存在的问题

1．5 论文的研究内容

1．6 本章小结

第2章 微纳扫描系统组成及原理

2．1 微纳扫描系统的组成

2．2 原子力显微镜的基本原理

2．2．1 原子力显微镜的工作原理

2．2．2 原子力显微镜的工作模式

2．2．3 微悬臂形变量的检测方法

2．3 PZT扫描系统控制方法

2．4 本章小结

第3章 AFM扫描控制系统设计及实现

3．1 引言

3．2 系统总体设计

3．2．1 扫描方式的选择

3．2．2 控制机制及实现方法

3．2．3 控制系统硬件设计

3．2．4 控制系统软件设计

3．3 本章小结

第4章 系统调试及结果分析

4．1 引言

4．2 系统硬件调试

4．2．1 D／A调试

4．2．2 压电陶瓷控制平台调试

4．3 AFM系统测试

4．3．1 AFM系统工作过程

4．3．2 扫描结果及分析

4．4 智能避障

4．5 本章小结

第5章 压电陶瓷扫描平台迟滞模型的研究

5．1 压电陶瓷扫描平台

5．2 压电陶瓷迟滞特特性及对AFM系统的影响

5．2．1 压电陶瓷材料迟滞特性

5．2．2 迟滞特性对AFM系统的影响

5．3 压电陶瓷扫描平台迟滞模型

5．3．1 Bouc-Wen模型分析

5．3．2 Bouc-Wen模型的参数辨识

5．4 实验结果与分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 应用前景及展望

致谢

参考文献

发表文章