CN101294887B - Spm高分辨图形数据处理方法 - Google Patents

Abstract

一种SPM高分辨图形数据处理方法，其特征在于采用误差信号对原始成像数据进行算法补偿。SPM在Z方向的扫描采用PID反馈控制方法。记录每个扫描点的原始成像数据Uz和误差数据error。原始成像数据Uz一方面驱动压电陶瓷Z向运动，一方面作为成像数据保存下来。通过调制系数k将误差数据error补偿到原始成像数据，形成更高分辨的图像信号Uz′＝Uz+λk*Error′。

Description

SPM高分辨图形数据处理方法

技术领域

本发明涉及高分辨图形数据处理方法，特别涉及SPM高分辨图形数据处理方法。

背景技术

随着纳米技术的不断发展，作为纳米技术发展重要基础的SPM技术也取得了很大的进步。SPM(Scanning Probe Microscope)，即扫描探针显微镜，包括扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，以及近场光学显微镜SNOM等一系列基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜。SPM最具代表性的是STM和AFM，AFM的工作原理是将探针固定在一个对力非常敏感的悬臂梁上，并使探针与被测样品的表面原子间产生力的作用(如范德华力)，扫描时由于样品表面的形貌变化导致探针和样品之间作用力的变化，通过检测并记录悬臂梁随力的变化而发生的不同程度的弯曲形变就可以得出样品表面的形貌。STM的工作原理与AFM基本相似，只是探针与被测样品之间产生的是隧道效应(如隧道电流)，而不是力的作用。

随着SPM得到越来越广泛的应用，扫描速度和成像质量一直是大家比较关心的问题，而目前的SPM普遍具有扫描速度慢、成像质量低等缺点。花费几分钟甚至几十分钟才能扫描出一幅比较好的图像，已经难以满足当今社会高速发展的需要，虽然为此已经提出了一些提高扫描速度和成像质量的方法，如采用更高灵敏度的悬臂梁、更精细的扫描探针、更高性能的压电陶瓷、更先进的控制算法等，并取得一定成效，但选用更高性能的器件就意味着制作成本的增加，也使得制作工艺越来越复杂。

目前国内外SPM均采用压电陶瓷Z向驱动信号成像，误差信号只是作为PID反馈控制的输入，而忽略了误差信号实际所包含的丰富的图像信息。

发明内容

本发明的目的是克服传统SPM难以实现快速扫描、产生高分辨清晰图像的问题，如需要采用高性能的扫描器、复杂的控制算法、复杂的扫描机械探头等等，本发明提出一种广泛适用于SPM的高分辨图形数据处理方法，在不改变系统硬件设施的前提下，充分利用误差信号来补偿成像信号，实现SPM的快速扫描和高分辨成像。

为实现上述目的，本发明采用误差信号对原始成像数据进行算法补偿，从而产生更高分辨的成像图形。

当SPM的扫描探针在样品表面扫描时，随着样品表面形貌的高低变化，探针与样品之间的作用力变化，变化值与设定值之间的误差作为误差信号通过A/D转换成数字信号进入数字PID控制器，经数字PID控制器运算后输出控制信号Uz，控制信号Uz一方面作为PID反馈控制的输出信号，通过D/A转换为模拟信号后用来改变加在压电陶瓷扫描器垂直方向的电压，驱动压电陶瓷的Z向运动，使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，来保持探针与样品之间的作用力恒定，实现反馈控制。另一方面，直接保存至计算机，作为反映样品形貌的原始成像数据。但是，对于某些表面形貌变化大的样品，在一定的扫描速度下，作为驱动信号的Uz很难保证探针与样品之间的作用力恒定，而是仍然存在一定的误差。该误差信号一方面可以作为衡量扫描跟踪的性能指标，一方面也包含了样品表面的丰富信息。本发明把该探针与样品之间作用力的变化值与设定值之间的误差作为误差信号，对原始成像数据进行算法补偿，从而产生更高分辨的扫描图像。

本发明采用的补偿算法包括以下步骤：

(1)控制SPM步进电机使被测样品逼近探针，使探针和被测样品之间作用力达到预设值。

(2)控制SPM开始扫描，Z方向采用数字PID反馈控制方法，输出数字信号Uz通过D/A转换成模拟信号后用来驱动压电陶瓷扫描器的Z方向运动。

(3)PID控制完成后，记录此刻扫描点作为原始成像数据的信号Uz和误差信号error。

(4)通过调制系数k将步骤3中的误差信号error补偿到作为原始成像数据的信号Uz中，形成新的成像数据Uz′＝Uz+λk*error，λ为悬臂梁的灵敏度，k取值范围0～1，Uz、error换算为统一的计量单位，如nm。

其中步骤1，预设值也就是参考点，预设值体现了探针与样品的逼近程度。

其中步骤2，PID反馈控制方法既可以为数字PID控制，也可以为模拟PID控制。

其中步骤2，在一定的扫描速度下，PID反馈控制在一定时间内完成，并且通过采集误差信号作为反馈控制的输入。

本发明具有以下优点：

(1)操作灵活简单，与现有的很多提高扫描速度的方法相比，本发明完全不需要更改已有硬件设施，只需要在软件上加入一定的图像数据补偿算法就可以实现。并且该算法可以通过软开关实现切换，用户可以根据实际情况灵活地选择。

(2)从此，理论上SPM不再受PID控制等对扫描速度的限制，只要悬臂梁和探针的灵敏度足够高，SPM的扫描速度就可以获得量级的提高。

(3)适用范围广，SPM的大部分家族成员都可以利用本发明来提高扫描速度和成像质量。

(4)可扩展性好，在本发明的基础上可以开发出更先进的补偿控制方法，只要在程序上做适当的改进即可。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1典型SPM工作原理图；

图2加入补偿控制的本发明原理图；

图3光杠杆模型；

图4原始形貌与误差信息比较；

图5原始形貌与补偿后的形貌比较。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明具体操作步骤如下：

SPM激光器发射出一束激光1打在悬臂梁的探针上，经过探针的反射进入四象限光电传感器。

(1)控制压电陶瓷扫描器下面的步进马达使被测样品向扫描探针逼近，并使探针与样品之间的作用力保持在用户设定的参考点值3。

(2)计算机分别控制X、Y方向的驱动电压Ux、Uy使样品在水平方向运动。

(3)当样品运动到某一待测点时，由于该点表面形貌的高低，使探针与样品之间的作用力(如范德华力)发生变化，从而悬臂梁发生相应的弯曲形变，导致反射到光电传感器的激光点位置偏移。光电传感器将该位移信号转换为电压信号2，送入比较器。

(4)步骤4产生的电压信号2与参考点值3的电压信号通过比较器进行比较，产生误差信号4。

(5)步骤5产生的误差信号4通过A/D转换成数字信号，经控制器运算后输出控制信号Uz。

(6)步骤6产生的控制信号Uz一方面通过D/A转换成模拟信号5用来驱动压电陶瓷扫描器的Z方向运动，待控制器运算完成后记录此刻的误差信号7，该误差信号7与步骤5的误差信号计算方法相同，同样由该时刻光电传感器转换来的电压信号与参考点进行比较得到；另一方面直接将控制信号Uz，即数字信号6，保存至计算机，成为原始的成像数据。

(7)通过调制系数k将步骤7记录的误差信号7经A/D转换成数字量后补偿到作为原始成像数据的Uz，经图像数据补偿算法形成更高分辨的图像数据Uz′＝Uz+λk*Error′。

(8)重复步骤4～8，继续进行下一点的扫描。

上述操作步骤中：

在步骤1，需要将反射到光电传感器的激光点尽量调整到ABCD四象限的中心位置，如图1中心圆点所示，使传感器更好地感应悬臂梁的形变。

在步骤2，参考点3设为0.14V左右，对应十进制数33220，通过十六位D/A实现，体现了探针与样品的逼近程度。(-10V～10V对应0～65535)。

在步骤3，X、Y方向的驱动电压Ux，Uy可以为-150V～+150V，对应X、Y方向的扫描范围-5μm～5μm，可以实现256*256、512*512的扫描分辨率，扫描行频1Hz～60Hz。

步骤6，控制器主要由高性能数字信号处理器芯片构成，如DSPC6000系列，并采用数字PID控制方法。

步骤8，Uz、error′需要换算为统一的计量单位，如nm。λ为悬臂梁的灵敏度，k取值范围0～1。

下面举例说明本发明创造的补偿算法的具体运算步骤：

如图3所示为一个简化的光杠杆偏转模型，假设初始位置在平衡位置，激光水平射入悬臂梁(α＝0)，反射的激光照射在光电传感器的H＝0处；当样品高度h≠0时，悬臂梁偏转角度α≠0，通过反射定理可以得出图3上标识的相应夹角，从而得出以下方程：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{h}{l}---\left(1\right)$

sinα≈α     α→0                                 (2)

$\sin 2\mathrm{\α}=\frac{H}{L}---\left(3\right)$

sin2α≈2α   α→0                                 (4)

通过以上方程可近似求得 $k=\frac{h}{H}=\frac{l}{2L},$ 其中，I、L分别为已知悬梁的长度以及反射光光程长度。

如设定参考点值为十进制数33220，对应模拟电压0.14V。电路测得的误差信号7经A/D转换为数字量5000，该误差值为光电检测信号值与参考点值比较的结果，由此可算出光电检测器输出数字量为38220，通过光电检测器的原理可得出光点的偏转量ΔH＝20μm。已知1＝225μm，L＝5cm，可得k＝2.25×10^-3。因此，误差值对应的可以补偿的样品高度为

Δh＝kΔH＝2.25*10^-3*20*10^-6＝45(nm)

压电陶瓷与所加电压Uz具有如下关系：

S＝d*Uz

其中，S为应变矢量，d为压电应变系数，通过Uz就可以确定S的大小。此例中Uz＝2V，对应S＝60nm。

由此可以确定此处样品点的高度值为：

Uz′＝Uz+λk*Error′＝S+λk*ΔH＝60+0.8*45＝96(nm)

其中λ为悬臂梁的灵敏度(0～1)，取λ＝0.8。

可见，采用本发明算法前的测量高度值为60nm，而采用本算法补偿后的高度为96nm，更真实地体现了样品的实际高度。

如图4所示，左边为不加补偿的形貌信息，右边为误差信息。

如图5所示，左边为不加补偿的形貌信息，右边为加入补偿后的形貌信息。

从图4和图5可看出，采用本发明的图像数据补偿方法，可以在高速扫描的情况下观察到更多的样品表面细节，可实现更高分辨率的扫描成像。

Claims (2)

1.一种SPM高分辨图形数据处理方法，其特征在于采用探针与样品之间作用力的变化值与设定值之间的误差作为误差信号，用误差信号对原始成像数据进行算法补偿，所述的误差信号为第二误差信号(7)，所述的算法补偿包括以下步骤：

(1)SPM的激光器发射出一束激光(1)打在悬臂梁的探针上，激光经过探针的反射进入四象限光电传感器；

(2)控制步进电机使被测样品逼近探针，并使探针与样品之间的作用力保持在用户设定的参考点值(3)；

(3)计算机分别控制X、Y方向的驱动电压Ux、Uy，使样品在水平方向运动，实现探针对样品的矩阵扫描，Z方向扫描采用PID反馈控制方法；

(4)当探针扫描到某一点时，由于该点表面形貌的高低，使探针与样品之间的作用力发生变化，从而使悬臂梁发生相应的弯曲形变，导致反射到SPM的四象限光电传感器的激光点位置偏移，四象限光电传感器将该位移信号转换为电压信号(2)，送入比较器；

(5)电压信号(2)与参考点值(3)的电压信号通过比较器进行比较，比较的结果产生第一误差信号Error(4)；

(6)第一误差信号Error(4)经A/D转换成数字信号后，送到控制器进行数字PID运算，输出控制信号Uz；

(7)控制信号Uz一方面通过D/A转换成模拟信号(5)用来驱动压电陶瓷扫描器的Z方向运动，待PID运算完成后记录此刻由光电传感器转换来的电压信号与参考点比较得到的第二误差信号Error’(7)；另一方面所述的数字量的控制信号Uz直接保存至计算机，成为原始成像数据；

(8)通过调制系数k将第二误差信号(7)通过A/D转换成数字量后补偿到原始成像数据Uz，经图像数据补偿算法形成更高分辨的图像数据Uz′，Uz′＝Uz+λk*Error′，式中：Uz为原始成像数据，λ为悬臂梁的灵敏度，调制系数k取值范围0～1，Uz、Error′换算为统一的计量单位。

(9)重复步骤4～8，继续进行下一点的扫描。

2.根据权利要求1所述的SPM高分辨图形数据处理方法，其特征在于所述的调制系数式中：l为已知悬臂梁的长度、L为反射光光程长度。

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