谐振增强型AFM闭环反馈控制系统的研究

摘要

本文首先分析了AFM的原理及其工作模式，在此基础上提出并设计了一种新颖的非接触谐振增强型AFM闭环反馈控制方案。该方案根据开环模式下所测得的微探针—样品力曲线，判断并得到微探针对探针－样品间作用力最敏感、线性度最好的区域，然后选取该区域的中点作为反馈平衡点，该点所对应的信号电压值即作为反馈控制信号—Vset电压。 闭环测试时，包含样品表面信息的电压信号一路经A/D转换进入计算机作为采样信号，同时另一路与设定值Vset进行比较，然后经过积分电路和高压放大电路来驱动Z向压电晶体伸缩，使得探针－样品距离保持恒定。同时计算机控制二维压电柔性铰链工作台进行扫描，便可获得样品表面的三维微观形貌。 该系统的新颖之处在于谐振增强技术与模拟PID反馈控制两者的结合。谐振增强技术使系统有较高的灵敏度，模拟PID有很高的反馈速度。本课题的电路部分工作主要包括：Z向压电体高压驱动以及反馈控制电路(鉴相器、比较器、积分电路)的设计制作，开环电路参数调整、优化改进和PCB板制作。该反馈控制系统只需将其中的滤波电路稍加改进便可完全适用于轻敲模式。 探针的位置微调整对于AFM来说是极为重要的。本论文中设计了一套四维探针微调节机构，该机构具有很高的调节精度，同时可操作性、重复性和可靠性也很高。同时还对Z向压电样品台的改进设计，将细逼近和伺服微逼近环节合二为一，使系统更紧凑。 本研究亦设计编写了闭环扫描测试程序以及力曲线测量程序。并在VC++的框架下，结合OpenGL的三维图形处理功能，编写了SurfaceView三维面型显示程序，这个程序能实现：三维图形面型显示、伪彩色着色、去噪、bmp格式图像文件的读取显示，以及采集数据文件和Bmp互相转换等功能。 利用本课题所设计的非接触谐振增强型AFM该系统，进行了大量的实验，并测得了令人满意的力曲线及样品表面形貌扫描结果。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1扫描探针显微术的发展及现状

§1.2原子力显微镜的结构及工作原理

§1.3谐振增强型AFM的闭坏控制模式

§1.3.1非接触谐振增强型AFM的伺服控制

§1.3.2轻敲模式谐振增强型AFM的伺服控制

§1.4本课题研究内容和目的

参考文献

第二章非接触谐振增强型闭环AFM的系统设计

§2.1闭环AFM的整体结构

2.2微位移机构设计

§2.2.1 X-Y向压电扫描控制方案

§2.2.2 Z向微位移设计

§2.3微弱力检测部分

§2.3.1力传感器—微悬臂的要求及选择

§2.3.2点衍射干涉在微位移检测中的应用

§2.3.3微探针驱动及微弱信号的检测[15]

§2.4反馈控制系统设计

§2.4.1反馈控制系统设计分析

§2.4.2 PID控制在反馈系统中的应用

§2.4.3 本系统所采用反馈控制系统分析

参考文献

第三章闭环AFM系统的硬件设计及改进

§3.1四维探针调节机构及闭环系统样品台的设计

§3.1.1 Z向压电样品台的改进

§3.1.2微探针四维微调节机构的设计与制作

§3.2开环电路的改进与调试

§3.2.1光电管前置放大电路的改进与调试

§3.2.2频率合成部分的设计与改进

§3.3反馈控制系统的设计及制作

§3.3.1电路设计原理和功能分析

§3.3.2压电体的特性分析及选择

§3.3.3锁相电路部分

§3.3.4低通滤波及比较积分电路部分

§3.3.5高压放大电路部分

§3.3.6线路板制作及闭环系统调试

参考文献

第四章软件系统设计

§4.1样品扫描及数据采集处理过程

§4.2多功能AD/DA采集卡的编程控制

§4.3纳米级图像的三维面型显示

§4.3.1纳米级图像的三维建模

§4.3.2图像处理模式[5]

§4.3.3 OpenGL的可视化设计

§4.4 PZT驱动及力曲线测量编程

参考文献

第五章闭环AFM系统实验与结果分析

§5.1系统实验

§5.2力曲线测量及结果分析

§5.3表面形貌测量及结果分析

§5.3.1开环测量结果

§5.3.2闭环测量结果

§5.3.3两种测量模式的结果比较

§5.4近一步工作展望

硕士在读期间已发表的论文

致谢