用于原子力显微镜压电扫描器的新型电荷驱动方法研究与应用

摘要

在微致动与精密定位领域，压电致动器由于位移分辨率高、输出力大、动态响应好等优点得到了广泛的应用。然而由于压电材料自身的迟滞与非线性等特性，基于压电致动器的微定位系统的性能往往受到很大限制，为此，研究人员提出了很多的办法，其中最常用的三种方法为:前馈控制方法、反馈控制方法、电荷控制方法。本论文在前人研究的基础上对用于压电致动器的两种新型驱动方法:开关电容电荷泵方法与结合应变反馈和电荷放大的混合驱动方法，进行了详细的理论分析与实验验证，并实现了两种方法在原子力显微镜中的应用。
　　本论文对一种新颖的开关电容电荷泵方法进行了详细的分析，并将之成功地应用于原子力显微镜中扫描成像。本文对开关电容电荷泵的工作原理进行了详细分析，分别对充电电容、模拟开关、运算放大器对电荷泵电路的影响进行了分析。对开关电荷泵产生的阶跃位移进行了频谱分析，指出应该尽量实现“小步快跑”的扫描方式。对开关速度对电路的影响进行了分析与探讨，并针对性地提出了一种高速放电的开关电容电荷泵电路。然后搭建实验装置，以普通蓝光光盘为样品，使用开关电容电荷泵方法在原子力显微镜中实现了传统的光栅式扫描(RasterScanning)，成像结果亦表明相对于电压驱动扫描，开关电容电荷泵方法能有效地减小迟滞与非线性，图像质量有很大提高。针对开关电容电荷泵方法的低频漏电问题，提出了一种基于开关电容电荷泵的螺旋线扫描方法。对此方法下压电致动器上的电荷量进行了推导，分析比较了同等扫描情况下光栅式扫描与螺旋线式扫描的速度对比，发现螺旋线式扫描的速度是光栅式扫描的√π倍。针对螺旋线扫描这种特殊的扫描方式，开发了一个对应的图像算法。
　　本论文首次提出了一种结合应变反馈控制和电荷放大的混合驱动方法，用以解决包括开关电容电荷泵在内的电荷驱动方法的低频漏电问题。基于传感器的反馈控制是最成熟最流行的一种方法，它主要使用位移传感器来探测压电致动器的输出位移，并形成闭环控制系统。由于传感器噪声的存在，高分辨率与高带宽成为不可兼得的两个量，因而反馈控制方法通常都是应用在低频频域。电荷控制方法的理论基础为压电致动器的输出位移与其上的电荷量（而不是施加的电压）成线性关系。电荷放大器在高频频域有着良好的线性度、高分辨率、以及快速的动态响应，但是在低频频域由于漏电以及一些非理想因素的影响，其往往退化为电压放大器，因而电荷放大器主要是用在高频频域。本文提出一种混合控制电路，它使得应变反馈回路主要工作在低频频域，而使电荷放大回路主要工作在高频频域，这种方法结合了反馈控制方法与电荷控制方法的优点，而弥补了各自的缺点。
　　通过对混合控制电路及其传递函数的分析，从理论上证明了应变反馈控制与电荷控制的频率响应能实现无缝对接。对应变反馈回路以及电荷放大回路的噪声水平分别进行了详细分析，数据表明单独使用应变反馈控制时，对于10kHz带宽所能达到的最高位移分辨率为4.4nm;而单独使用电荷放大器时，对于10kHz带宽所能达到的最高位移分辨率为48.8pm。以三维尺寸为10mm×10mm×20mm的压电堆栈致动器为实验对象，对以上混合驱动方法进行了性能测试，当给压电堆栈施加一个三角波激励时，在0.1Hz～50Hz的频率范围内混合驱动方法均有稳定的增益，而且输出位移的非线性度均小于2％。将应变反馈回路与电荷放大回路的带宽均设为1kHz时，应变放大器输出的位移噪声理论计算值为1.9nm，实际测量值等效为2.5nm;电荷放大器输出的位移噪声理论计算值为25pm，而实际测量值等效为30pm。通过混合驱动与单独使用应变反馈的对比，也证明了混合驱动具有良好的动态响应。
　　提出了一种改进型的混合驱动方法，并将之成功应用在原子力显微镜中进行扫描成像。将以上混合驱动方法用来驱动原子力显微镜中的压电扫描器时，一个绕不开的问题就是压电致动器是虚地连接的，这在实际扫描当中会导致系统易受干扰。为此，设计了一个基于“镜像驱动”的改进型混合驱动方法，它同时使用一个参考致动器和一个目标致动器，通过使用混合驱动方法控制虚地连接的参考致动器，从而间接地在实地连接的目标致动器上实现高线性度和动态响应。对传递函数的分析也证明了此方法的可行性。此方法被成功地应用于商用原子力显微镜(NanoFirst3000)中，扫描图像也表明，在使用此改进型的混合驱动方法时压电致动器的迟滞和非线性被大大减小，扫描图像的质量得到了很大提高。

目录

声明

摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 压电致动器及其控制方法研究进展

1．2．1 前馈控制方法

1．2．2 反馈控制方法

1．2．3 电荷控制方法

1．2．4 压电扫描器扫描方法的研究

1．3 论文研究的目的及创新之处

1．4 论文研究的内容及结构

第二章 开关电容电荷泵驱动方法

2．1 用于原子力显微镜压电扫描器的开关电容电荷泵电路

2．2 充电电容对开关电容电荷泵的影响

2．3 模拟开关对开关电容电荷泵的影响

2．3．1 模拟开关导通电阻对电荷泵的影响

2．3．2 模拟开关泄漏电流对电荷泵的影响

2．4 放大器对开关电容电荷泵的影响

2．4．1 放大器输入失调电压对电荷泵的影响

2．4．2 放大器基极漏电流对电荷泵的影响

2．4．3 放大器输出电流对电荷泵的影响

2．5 压电致动器阶跃位移的频谱分析

2．6 开关速度的问题及改进方案

2．7 本章小结

第三章 开关电容电荷泵在原子力显微镜中的应用

3．1 实验平台

3．1．1 原子力显微镜

3．1．2 自制三轴扫描器

3．1．3 z轴堆栈控制电路

3．2 基于开关电容电荷泵的光栅式扫描(Raster Scanning)

3．2．1 典型的光栅式扫描

3．2．2 基于开关电容电荷泵的光栅式扫描

3．2．3 测试装置

3．2．4 测试结果

3．3 基于开关电容电荷泵的螺旋线扫描(Spiral Scanning)

3．3．1 螺旋线扫描产生的背景

3．3．2 螺旋线扫描的基本原理

3．3．3 螺旋线扫描与光栅式扫描速度对比

3．3．4 基于开关电容电荷泵方法的螺旋线扫描

3．3．5 测试装置描述与测试结果

3．3．6 图像显示算法的设计

3．4 本章小结

第四章 结合应变反馈与电荷放大的混合控制方法

4．1 反馈控制方法与电荷控制方法

4．2 结合应变反馈与电荷放大的混合控制方法

4．2．1 混合控制电路

4．2．2 应变反馈回路

4．2．3 电荷放大回路

4．3 噪声分析与传递函数

4．3．1 应变反馈回路的噪声分析

4．3．2 电荷放大回路的噪声分析

4．3．3 传递函数分析

4．4 混合控制电路性能测试

4．4．1 试验装置描述

4．4．2 混合控制电路性能测试

4．5 混合控制方法在原子力显微镜中的应用

4．5．1 “镜像驱动"的原理

4．5．2 负载接地的混合驱动方法

4．5．3 传递函数分析

4．5．4 测试装置与结果

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢