CN201773112U - 一种afm的重定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种AFM的重定位系统，包括PC机、微控制器、光信号处理电路模块、高压驱动器和操作平台，PC机通过线路连接微控制器，微控制器与PC机的连接线路上并联针尖偏移前馈补偿电路模块，微控制器通过线路分别连接第一A/D转换模块、第二A/D转换模块、D/A转换模块和鲁棒控制器，第一A/D转换模块通过线路连接光信号处理电路模块，D/A转换模块通过线路连接高压驱动器，第二A/D转换模块通过线路连接位移信号处理电路模块。本实用新型有益效果：采用鲁棒控制器、探针针尖偏移量前馈补偿和压电陶瓷扫描器组合控制方式，使系统仍能保持预期的性能，重复定位精确度高，速度快，具有良好的跟踪能力和重定位效果。

Description

一种AFM的重定位系统

技术领域

本实用新型涉及一种AFM的重定位系统。

背景技术

纳米技术作为一门交叉性很强的综合学科，以其新颖性、独特的思路，在科学技术界引起巨大影响，受到广泛的关注。上世纪80年代以来，各国政府先后投入巨资、组织力量研究纳米技术，以期抢占纳米技术战略高地。进入21世纪，纳米科技发展的非常迅速，在生物化学、医学、信息技术、材料科学等领域有着广泛地应用，已经成为本世纪最核心的技术之一，纳米科技的竞争，很大程度上体现在纳米表征和纳米操纵仪器的竞争。纳米科技发展至今，陆续出现了一些普遍使用的扫描探针显微镜(SPM)重定位技术，这些重定位技术与方法大致可分为：基于标记点的重定位方法、基于复合化SPM的重定位方法以及基于模板匹配的重定位方法等，有些受到使用条件环境等因素的影响不能广泛采用，有些定位精度低。

纳米操纵技术是当代科学技术发展的一个新兴领域。原子力显微镜(AFM)作为纳米表征和纳米操纵的利器，被誉为纳米科技的“眼”和“手”，不断提高它的定位及重定位精度是纳米工作者始终追求的目标。但由于原子力显微镜(AFM)纳米重定位控制系统主要受压电陶瓷扫描器自身的迟滞、蠕变、耦合等非线性特性以及悬臂变形引起的针尖偏差，难以建立精确的控制系统模型，导致探针与样品间的相对位移误差较大，给纳米操纵中的重定位操作带来了不便。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种AFM的重定位系统，具有良好的跟踪能力和重定位效果；不仅使人们能够容易地测量和观察物体表面的微观三维形貌，同时人们还可以利用探针，在纳米级甚至原子分子级范围内改变物体的表面结构，从而将其从测量领域扩展到纳米加工领域，以克服现有AFM的重定位系统存在的上述问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现：一种AFM的重定位系统，包括个人计算机(PC)机、微控制器、光信号处理电路模块、高压驱动器和操作平台，所述PC机通过线路连接微控制器，微控制器与PC机的连接线路上并联针尖偏移前馈补偿电路模块，所述微控制器通过线路分别连接第一模拟/数字(A/D)转换模块、第二A/D转换模块、数字/模拟(D/A)转换模块和鲁棒控制器，第一A/D转换模块通过线路连接光信号处理电路模块，光信号处理电路模块通过线路连接四象限光电探测器，所述D/A转换模块通过线路连接高压驱动器，高压驱动器通过线路连接压电陶瓷扫描器，所述第二A/D转换模块通过线路连接位移信号处理电路模块，位移信号处理电路模块通过线路连接电容传感器，电容传感器、压电陶瓷扫描器、四象限光电探测器均设置在操作平台上。

本实用新型的有益效果为：采用鲁棒控制器、探针针尖偏移量前馈补偿和压电陶瓷扫描器组合控制方式，使系统仍能保持预期的性能，探针针尖偏移量前馈补偿作为期望压电陶瓷输出位移的前馈补偿，重复定位精确度高，速度快，具有良好的跟踪能力和重定位效果；不仅使人们能够容易地测量和观察物体表面的微观三维形貌，同时人们还可以利用探针，在纳米级甚至原子分子级范围内改变物体的表面结构，从而将其从测量领域扩展到纳米加工领域。

附图说明

下面根据附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型实施例所述的一种AFM的重定位系统的结构原理框图。

图中：1、PC机；2、微控制器；3、光信号处理电路模块；4、高压驱动器；5、操作平台；6、针尖偏移前馈补偿电路模块；7、第一A/D转换模块；8、第二A/D转换模块；9、D/A转换模块；10、鲁棒控制器；11、四象限光电探测器；12、压电陶瓷扫描器；13、位移信号处理电路模块；14、电容传感器。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例所述的一种AFM的重定位系统，包括PC机1、微控制器2、光信号处理电路模块3、高压驱动器4和操作平台5，所述PC机1通过线路连接微控制器2，微控制器2与PC机1的连接线路上并联针尖偏移前馈补偿电路模块6，所述微控制器2通过线路分别连接第一A/D转换模块7、第二A/D转换模块8、D/A转换模块9和鲁棒控制器10，第一A/D转换模块7通过线路连接光信号处理电路模块3，光信号处理电路模块3通过线路连接四象限光电探测器11，所述D/A转换模块9通过线路连接高压驱动器4，高压驱动器4通过线路连接压电陶瓷扫描器12，所述第二A/D转换模块8通过线路连接位移信号处理电路模块13，位移信号处理电路模块13通过线路连接电容传感器14，电容传感器14、压电陶瓷扫描器12、四象限光电探测器11均设置在操作平台5上。

具体工作时，PC机1通过USB数据线与微控制器2保持双向通讯。用户通过上位机软件的操作，给控制系统中的微控制器2发送控制命令，微控制器2根据所接收到的命令，再向后级发送相应的数字信号，这些信号由D/A转换模块9转化为模拟信号，并由高压驱动器4放大，来分别驱动压电陶瓷扫描器12的X、Y和Z轴的运动，X、Y轴的运动对应了扫描样品的范围，Z轴的运动则反应了样品表面的高度变化。操作平台5上的探针在样品表面做轻敲式扫描，样品的高低变化带动探针的高低变化，使通过探针反射到四象限光电探测器11的激光光斑不断变化，光信号处理电路模块3检测该光斑的位置，所得信号经过第一A/D转换模块7转化为数字信号，送回给微控制器2；微控制器2给出相应的信号修正，使探针的高低与样品表面的高度保持一致。所设计的鲁棒控制器10通过程序编写入微控制器2中，使微控制器2能够有序的给出合理的电压序列，来驱动压电陶瓷扫描器12对样品的扫描。由于压电陶瓷扫描器12所固有的非线性等因素，使得压电陶瓷扫描器12在每个轴方向上的位移与设定值不吻合，电容传感器14通过检测压电陶瓷扫描器12的位移，由位移信号处理电路模块13和第二A/D转换模块8处理和放大，得到数字的位移反馈量，传给为微控制器2做比较，微控制器2根据设定值给出矫正，使压电陶瓷扫描器12按照给定值运动。同时由于外界扰动使探针发生偏移，引入针尖偏移前馈补偿电路模块6，克服了外界扰动带来的对探针的影响。

本实用新型重定位控制系统中的主要参数如下：使用改进的压电陶瓷扫描器，每组电极极片数＝4；扫描器内部的压电陶瓷管长50mm、外径7.2mm，压电陶瓷材料厚1mm，所以每个压电陶瓷极片截面面积A′≈2×3.14×7.2×10^-3×1×10^-3/4＝0.11304×10^-4m²；压电陶瓷材料在电场中的应变系数d₃₃≈500×10^-12m/v；压电陶瓷材料在力作用下的应变系数S₃₃≈20.8×10^-12m²/N；压电陶瓷管控制X-Y运动部分的长度H＝0.05m。将这些参数代入状态方程描述压电陶瓷的位移-电压模型得 $k_v=\frac{{\mathrm{NA}}^{\′}{d}_{33}}{{\mathrm{HS}}_{33}}\≈0.02174N/V,$ $k_n=\frac{A^{\′}}{{\mathrm{HS}}_{33}}\≈0.10869\×{10}^{8}N/m$ ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{k_n}=0.32968\×{10}^4,$ 取ξ＝4.55，r＝2ξω_n＝30000经过计算可以得到系统标称状态方程系数矩阵，即 $A_g=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -0.10869\×{10}^8& -30000\end{array}\right],$ $B_g=\left[\begin{array}{c}0\\ 0.02174\end{array}\right]$ C_g＝[1  0]，D_g＝[0]压电陶瓷扫描器控制模型的不确定性有以下三个方面：①模型迟滞过程期间的力F_R引起的不确定性。压电陶瓷管本身固有的非线性：回滞和蠕变特性，在此看作干扰信号，这种误差导致模型的不确定性。

②压电模型的参数误差造成的不确定性。压电陶瓷本身的参数测量存在误差，这种误差必然会引起压电陶瓷管模型的不确定性。

③压电陶瓷的结构误差造成的模型不确定性。压电陶瓷的结构误差包括交叉耦合误差和非正交误差。交叉耦合误差是由于控制压电陶瓷的X-Y方向运动与Z方向运动之间的误差。非正交误差是控制X或Y方向运动引起Y或X方向运动之间的误差。由于压电陶瓷管扫描器的结构所引起的误差必然会引起压电陶瓷管的不确定性。

下面对加权函数W₁(s)，W₂(s)和W₃(s)进行取值。

W₁(s)反映了灵敏度函数的特性，在设计中要求灵敏度函数尽可能小，这样才能保证减小跟踪误差，有效地抑制干扰的影响，这里取 $W_1\left(s\right)=\frac{0.00125(s+50)}{s+0.01257}$ 引入加权函数W₂(s)，可以限制控制能量的大小，防止系统在实际过程中产生严重的饱和现象以及控制量过大而造成的执行器的损害。这里选择W₂(s)＝1.0×10^-9W₃(s)表示压电陶瓷乘性不确定性的上界，反映了补偿灵敏度函数的特性。这里选择 $W_3\left(s\right)=\frac{2s+0.01}{0.01(s+100)}$ 经过计算求得标准设计问题的广义对象的状态空间实现为： $A=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ -10869000& -30000& 0& 0\\ 1& 0& -0.01257& 0\\ 1& 0& 0& -100\end{array}\right]$ $B_1=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\\ 0\end{array}\right],$ $B_2=\left[\begin{array}{c}0\\ 0.02174\\ 0\\ 0\end{array}\right]$ $C_1=\left[\begin{array}{cccc}-0.001250& 0& 0.062484& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 200& 0& 0& -19999\end{array}\right],$ C₂＝[-1  0  0  0] $D_{11}=\left[\begin{array}{c}0.00125\\ 0\\ 0\end{array}\right],$ $D_{12}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\end{array}\right],$ D₂₁＝[1]，D₂₂＝[0]利用MATLAB鲁棒控制工具箱，通过解Riccati方程，得到重定位控制系统的控制器 $K=\frac{70419006.0461(s+29630)(s+366.8)(s+100)}{(s+0.371)(s+0.01257)(s^2+97850+4.348\×{10}^9)}$ 本实用新型AFM的重定位系统采用鲁棒控制器、探针针尖偏移量前馈补偿和压电陶瓷扫描器组合控制方式，使系统仍能保持预期的性能，探针针尖偏移量前馈补偿作为期望压电陶瓷输出位移的前馈补偿，重复定位精确度高，速度快，具有良好的跟踪能力和重定位效果；不仅使人们能够容易地测量和观察物体表面的微观三维形貌，同时人们还可以利用探针，在纳米级甚至原子分子级范围内改变物体的表面结构，从而将其从测量领域扩展到纳米加工领域。

Claims (1)

1.一种AFM的重定位系统，包括PC机(1)、微控制器(2)、光信号处理电路模块(3)、高压驱动器(4)和操作平台(5)，其特征在于：所述PC机(1)通过线路连接微控制器(2)，微控制器(2)与PC机(1)的连接线路上并联针尖偏移前馈补偿电路模块(6)，所述微控制器(2)通过线路分别连接第一A/D转换模块(7)、第二A/D转换模块(8)、D/A转换模块(9)和鲁棒控制器(10)，第一A/D转换模块(7)通过线路连接光信号处理电路模块(3)，光信号处理电路模块(3)通过线路连接四象限光电探测器(11)，所述D/A转换模块(9)通过线路连接高压驱动器(4)，高压驱动器(4)通过线路连接压电陶瓷扫描器(12)，所述第二A/D转换模块(8)通过线路连接位移信号处理电路模块(13)，位移信号处理电路模块(13)通过线路连接电容传感器(14)，电容传感器(14)、压电陶瓷扫描器(12)、四象限光电探测器(11)均设置在操作平台(5)上。

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