DE102020008092A1

DE102020008092A1 - DEVICE AND METHOD FOR OPERATING A BENDBEEAM IN A CLOSED LOOP

Info

Publication number: DE102020008092A1
Application number: DE102020008092.8A
Authority: DE
Inventors: Christof Baur; Florian Demski
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-02-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens (150) in zumindest einer geschlossenen Regelschleife (180), wobei die Vorrichtung (100) aufweist: (a) zumindest eine erste Schnittstelle (110), die ausgebildet ist, zumindest eine Regelgröße (160, 575) der zumindest einen Regelschleife (180) zu empfangen; (b) zumindest eine programmierbare logische Schaltung (120), die ausgebildet ist, eine Regelabweichung (545) der zumindest einen Regelschleife (180) mit einer Bittiefe (400) zu verarbeiten, die größer ist als die Bittiefe (400) der Regelgröße (160, 575); und (c) zumindest eine zweite Schnittstelle (130), die ausgebildet ist, eine Stellgröße (170, 565) der zumindest einen Regelschleife (180) bereitzustellen.The present invention relates to a device (100) for operating at least one bending beam (150) in at least one closed control loop (180), the device (100) having: (a) at least one first interface (110) which is formed at least to receive a controlled variable (160, 575) of the at least one control loop (180); (b) at least one programmable logic circuit (120), which is designed to process a control deviation (545) of the at least one control loop (180) with a bit depth (400) that is greater than the bit depth (400) of the controlled variable (160 , 575); and (c) at least one second interface (130) which is designed to provide a manipulated variable (170, 565) to the at least one control loop (180).

Description

1. Technisches Gebiet1. Technical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife.The present invention relates to a device and a method for operating at least one bending beam in at least one closed control loop.

2. Stand der Technik2. State of the art

Rastersondenmikroskope tasten mit einer Messsonde eine Probe bzw. deren Oberfläche ab und liefern damit Messdaten zum Erzeugen einer Darstellung der Topographie der Probenoberfläche. Die Ortsauflösung moderner Rastersondenmikroskope liegt in lateraler Richtung im Subnanometerbereich und in vertikaler Richtung im zweistelligen Pikometerbereich. Im Folgenden werden Rastersondenmikroskope durch SPM - Englisch für Scanning Probe Microscope - abgekürzt. Je nach Art der Wechselwirkung zwischen der Messspitze einer Messsonde und der Probenoberfläche werden verschiedene SPM-Typen unterschieden.Scanning probe microscopes scan a sample or its surface with a measuring probe and thus supply measurement data for generating a representation of the topography of the sample surface. The spatial resolution of modern scanning probe microscopes is in the lateral direction in the subnanometer range and in the vertical direction in the double-digit picometer range. In the following, scanning probe microscopes are abbreviated to SPM - English for Scanning Probe Microscope. Different SPM types are distinguished depending on the type of interaction between the measuring tip of a measuring probe and the sample surface.

Beim Rasterkraftmikroskop (AFM für Atomic Force Microscope oder SFM für Scanning Force Microscope) wird eine Messspitze einer Messsonde durch atomare Kräfte der Probenoberfläche, typischerweise attraktive Van-der-Waals-Kräfte und/oder repulsive Kräfte der Austauschwechselwirkung, ausgelenkt. Die Auslenkung der Messspitze ist proportional zu der zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche wirkenden Kraft und diese Kraft wird zum Bestimmen der Oberflächentopographie der Probe verwendet.In the atomic force microscope (AFM for Atomic Force Microscope or SFM for Scanning Force Microscope), a measuring tip of a measuring probe is deflected by atomic forces of the sample surface, typically attractive van der Waals forces and/or repulsive forces of the exchange interaction. The deflection of the probe tip is proportional to the force acting between the probe tip and the sample surface, and this force is used to determine the surface topography of the sample.

Neben dem AFM gibt es eine Vielzahl weiterer Gerätetypen, die für spezielle Anwendungsgebiete eingesetzt werden, wie beispielsweise Rastertunnelmikroskope, Magnetkraftmikroskope oder optische und akustische Rasternahfeldmikroskope. In addition to the AFM, there are a large number of other device types that are used for special areas of application, such as scanning tunneling microscopes, magnetic force microscopes or optical and acoustic near-field scanning microscopes.

Rastersondenmikroskope können in verschiedenen Betriebsarten eingesetzt werden. In einem ersten Kontaktmodus wird die Messspitze einer Messsonde auf die Probenoberfläche aufgesetzt und in diesem Zustand über die Probenoberfläche gescannt oder gerastert. Dabei kann die Auslenkung eines Biegebalkens, eines Federbalkens oder eines Cantilevers der Messsonde, der die Messspitze trägt, gemessen werden und zum Abbilden der Probenoberfläche benutzt werden. In einem zweiten Kontaktmodus wird die Auslenkung des Cantilevers in einer geschlossenen Regelschleife oder Rückkopplungsschleife konstant gehalten und der Abstand des SPM wird der Kontur der Probenoberfläche nachgeführt, um die Auslenkung des Biegebalkens konstant zu halten. In diesen beiden Betriebsarten unterliegen zum einen die Messspitzen der Messsonden durch den direkten mechanischen Kontakt mit der Probenoberfläche einer starken Abnutzung und zum anderen können empfindliche Proben, beispielsweise biologisches Material, durch den Kontakt mit der Messspitze beschädigt oder gar zerstört werden.Scanning probe microscopes can be used in various operating modes. In a first contact mode, the measuring tip of a measuring probe is placed on the sample surface and scanned or rastered over the sample surface in this state. The deflection of a bending beam, a spring beam or a cantilever of the measuring probe that carries the measuring tip can be measured and used to image the sample surface. In a second contact mode, the deflection of the cantilever is kept constant in a closed-loop or feedback loop and the distance of the SPM is tracked to the contour of the sample surface to keep the deflection of the cantilever constant. In these two operating modes, the measuring tips of the measuring probes are subject to heavy wear due to the direct mechanical contact with the sample surface, and sensitive samples, such as biological material, can be damaged or even destroyed by contact with the measuring tip.

In einer dritten Betriebsart, dem Nicht-Kontakt-Modus, wird die Messspitze in einen definierten Abstand von der Probenoberfläche gebracht und der Cantilever der Messsonde wird zu einer Schwingung angeregt, typischerweise bei oder in der Nähe der Resonanzfrequenz des Cantilevers. Sodann wird die Messsonde, deren Schwingung mittels einer geschlossenen Regelschleife kontrolliert wird, über die Oberfläche der Probe gescannt. Da bei dieser Betriebsart die Messspitze nicht in Kontakt mit der Probe kommt, ist deren Abnutzung gering. Die Ortsauflösung des SPMs ist in diesem Betriebsmodus jedoch geringer als in den Kontakt-Betriebsarten und zudem ist das Bestimmen der Oberflächenkontur aufgrund der kurzen Reichweite der zwischen der Probenoberfläche und der Messsonde wirkenden Kräfte schwierig.In a third operating mode, the non-contact mode, the probe tip is brought a defined distance from the sample surface and the cantilever of the probe is excited to oscillate, typically at or near the resonant frequency of the cantilever. Then the measuring probe, whose oscillation is controlled by means of a closed control loop, is scanned over the surface of the sample. Since the measuring tip does not come into contact with the sample in this operating mode, there is little wear. However, the spatial resolution of the SPM is lower in this operating mode than in the contact operating modes and, in addition, determining the surface contour is difficult due to the short range of the forces acting between the sample surface and the measuring probe.

In einer vierten Betriebsart, dem intermittierenden Modus (oder tapping mode™), wird der Biegebalken oder der Cantilever einer Messsonde ebenfalls in eine erzwungene Schwingung versetzt, aber der Abstand zwischen dem SPM und der Probenoberfläche wird so gewählt, dass die an dem Biegebalken angebrachte Messspitze die Probenoberfläche nur während eines geringen Teils einer Schwingungsperiode erreicht. Aus der durch die Wechselwirkung der Messsonde mit der Probenoberfläche hervorgerufenen Änderung der Frequenz, der Amplitude und/oder der Phase der erzwungenen Schwingung wird die Kontur der Oberfläche der Probe abgeleitet. Der intermittierende Modus stellt einen Kompromiss der drei oben genannten Betriebsarten eines Rastersondenmikroskops dar.In a fourth mode of operation, the intermittent mode (or tapping mode™), the cantilever or cantilever of a probe is also forced into vibration, but the distance between the SPM and the sample surface is chosen such that the probe tip attached to the cantilever only reaches the sample surface during a small part of an oscillation period. The contour of the surface of the sample is derived from the change in frequency, amplitude and/or phase of the forced oscillation caused by the interaction of the measuring probe with the sample surface. The intermittent mode represents a compromise of the three modes of operation of a scanning probe microscope mentioned above.

Neben den oben aufgeführten Betriebsarten gibt es weitere Möglichkeiten mit einer Messsonde eine Probenoberfläche abzutasten. Beispielsweise sind in dem Step-in Betriebsmodus die laterale Bewegung und die vertikale Bewegung einer Messsonde des SPMs zeitlich separiert. In diesem Betriebsmodus kann eine Oberfläche einer Probe mit großer Präzision abgetastet werden. Aufgrund der sequenziellen lateralen und vertikalen Bewegung der Messsonde dauert ein Abtastvorgang verglichen mit den oben erläuterten Betriebsarten jedoch deutlich länger.In addition to the operating modes listed above, there are other ways of scanning a sample surface with a measuring probe. For example, in the step-in operating mode, the lateral movement and the vertical movement of a measuring probe of the SPM are separated in time. In this mode of operation, a surface of a sample can be scanned with great precision. Due to the sequential lateral and vertical movement of the measuring probe, however, a scanning process takes significantly longer compared to the operating modes explained above.

Bei allen Betriebsarten ist es von zentraler Bedeutung, dass die Messspitze der Messsonde bei deren Annäherung an die Probenoberfläche zur Vorbereitung eines Abtastvorgangs einer Probe nicht in unbeabsichtigter Weise in Kontakt mit der Probenoberfläche kommt. Durch eine unkontrollierte Wechselwirkung zwischen der Messsonde und der Probenoberfläche kann eine Probe und/oder die Messsonde beschädigt oder gar zerstört werden. Dies gilt ebenfalls, wenn die Betriebsart eines Rastersondenmikroskops geändert wird, während sich die Messspitze der Messsonde im Wechselwirkungsbereich mit einer Probe befindet. Während des Schaltens zwischen zwei Betriebsarten kann es zu einem kurzzeitigen Verlust der Kontrolle der Bewegung des Biegebalkens bzw. des Cantilevers durch das Rastersondenmikroskop kommen. Deshalb vermeidet ein SPM normalerweise ein Schalten der Betriebsart im angenäherten Zustand der Messsonde an eine Probenoberfläche.In all modes of operation, it is of central importance that the measuring tip of the measuring probe does not inadvertently come into contact with the sample when it approaches the sample surface in preparation for a scanning process of a sample surface comes. A sample and/or the measuring probe can be damaged or even destroyed by an uncontrolled interaction between the measuring probe and the sample surface. This also applies when the mode of operation of a scanning probe microscope is changed while the measuring tip of the measuring probe is in the interaction area with a sample. When switching between two modes of operation, the scanning probe microscope may temporarily lose control of the movement of the cantilever or cantilever. Therefore, an SPM normally avoids switching the mode in the near state of the measuring probe to a sample surface.

Neben einer Messspitze zum Untersuchen einer Probe kann ein Biegebalken auch einen Mikromanipulator oder einen Nanomanipulator zum Bearbeiten einer Probenoberfläche aufnehmen oder aufweisen. Mikromanipulatoren benötigen einerseits ein behutsames Annähern an die Probenoberfläche; deshalb wird der Annäherungsprozess häufig unter Verwendung der intermittierenden Betriebsart ausgeführt. Nach dem Abschluss des Annäherungsprozesses wird sodann in eine Kontaktbetriebsart umgeschaltet, in der der Mikromanipulator in Kontakt mit der Probenoberfläche steht, um letztere zu bearbeiten. Wie bereits oben ausgeführt, kann es beim Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten zu einem kurzzeitigen Kontrollverlust der Messsonde durch das SPM kommen, beispielsweise durch das Öffnen einer geschlossenen Regelschleife und/oder das Auftreten von Schalttransienten oder Schalt- bzw. Spannungsspitzen.In addition to a measuring tip for examining a sample, a bending beam can also accommodate or have a micromanipulator or a nanomanipulator for processing a sample surface. On the one hand, micromanipulators require a careful approach to the sample surface; therefore, the approximation process is often performed using the intermittent mode. Then, after the completion of the approaching process, it is switched to a contact mode in which the micromanipulator is in contact with the sample surface to process the latter. As already explained above, when switching between different operating modes, the SPM can briefly lose control of the measuring probe, for example due to the opening of a closed control loop and/or the occurrence of switching transients or switching or voltage peaks.

Typischerweise verwenden Kontaktbetriebsarten eines SPM weiche Biegebalken oder Cantilever, d.h. Biegebalken deren Federkonstante klein ist. Weiche Biegebalken können jedoch für Mikromanipulatoren nicht oder nur sehr eingeschränkt eingesetzt werden, da die Kräfte, die durch weiche Biegebalken auf die Probe übertragen werden können, für ein Bearbeiten der Probe in der Regel nicht ausreichend sind. Der Einsatz harter Biegebalken oder Cantilever ist jedoch mit der Schwierigkeit verbunden, dass aufgrund eines Kontrollverlusts während des Umschaltens der Betriebsart bei an die Probenoberfläche angenähertem Mikromanipulator die Gefahr einer Beschädigung der Probe und/oder des Mikromanipulators besonders groß ist.Typically, contact modes of an SPM use soft cantilevers, i.e. cantilevers whose spring constant is small. However, soft cantilevers cannot be used for micromanipulators, or can only be used to a very limited extent, since the forces that can be transferred to the sample by soft cantilevers are generally not sufficient for processing the sample. However, the use of hard bending beams or cantilevers is associated with the difficulty that the risk of damage to the sample and/or the micromanipulator is particularly great due to a loss of control during the switching of the operating mode when the micromanipulator is approaching the sample surface.

Ferner können sich Rastersondenmikroskope dem allgemeinen Trend nicht entziehen, die Signalverarbeitung in immer stärkerem Maße vom analogen in den digitalen Bereich zu verlagern. In dem Artikel „Digital feedback controller for force microscope cantilevers“, Rev. of Scientific Instruments, 77, 043707-1 bis 043707-8, doi: 10.1063/1.2183221, beschreiben die Autoren C.L. Degen et al. einen schnellen digitalen Rückkopplungsregler, der auf einem digitalen Signalprozessor (DSP) basiert, und der zur aktiven Schwingungsdämpfung eines Cantilevers eines Magnetresonanzkraftmikroskops eingesetzt wird.Furthermore, scanning probe microscopes cannot escape the general trend of increasingly shifting signal processing from the analog to the digital domain. In the article "Digital feedback controller for force microscope cantilevers", Rev. of Scientific Instruments, 77, 043707-1 to 043707-8, doi: 10.1063/1.2183221, the authors C.L. Degen et al. describe a fast digital feedback controller based on a digital signal processor (DSP) that is used for active vibration damping of a cantilever of a magnetic resonance force microscope.

Im ersten Schritt der Entwicklung hin zu einer digitalen Regelung eines Rastersondenmikroskops mittels einer oder mehrerer Regel- oder Rückkopplungsschleifen wurde die Signaldemodulation, d.h. die Amplituden- oder die Frequenzdemodulation, noch als analoge Schaltung ausgeführt, während die Steuerung eines SPM von einem digitalen Signalprozessor (DSP) übernommen wurde. Die Signaldemodulation, beispielsweise zum Betreiben einer geschlossenen Regelschleife, erfordert eine Signalverarbeitungsgeschwindigkeit, die die Fähigkeiten eines DSPs in der Regel überschreitet. Ferner war der Einsatz herkömmlicher digitaler Schaltungen zur Signaldemodulation von SPMs aufgrund der für diese Aufgabe benötigten riesigen Anzahl von Logik-Gattern oder einfach Gattern bisher häufig nicht möglich.In the first step of the development towards digital control of a scanning probe microscope by means of one or more control or feedback loops, the signal demodulation, i.e. the amplitude or frequency demodulation, was still implemented as an analog circuit, while the control of an SPM was carried out by a digital signal processor (DSP). was acquired. Signal demodulation, for example to operate a closed loop, requires a signal processing speed that usually exceeds the capabilities of a DSP. Furthermore, the use of conventional digital circuits for signal demodulation of SPMs has often not been possible due to the huge number of logic gates or simply gates required for this task.

Mit der Verfügbarkeit von modernen im Feld programmierbaren Gatteranordnungen (FPGA, Field Programmable Gate Array) änderte sich die Situation hinsichtlich der Signaldemodulation, stand doch nunmehr eine digitale Schaltung mit einer großen Gatteranzahl für die Aufgabe der Signaldemodulation zur Verfügung. Die US-Patentschrift US 8 925 376 B2 beschreibt ein Rasterkraftmikroskop, bei dem ein FPGA die Signalerzeugung und Signaldemodulation übernimmt, und ein DSP zur Steuerung des Rasterkraftmikroskops eingesetzt wird. Die US-Patentschrift US 8 459 102 B2 beschreibt ein digitales System zum Einstellen eines Gütefaktors eines resonanten Systems, das sich aus einer Kombination eines FPGAs zur Signalerzeugung und aus einem DSP zum Einstellen der Güte einer Messsonde eines Rasterkraftmikroskops zusammensetzt.With the availability of modern field programmable gate arrays (FPGA) the situation with regard to signal demodulation changed, since a digital circuit with a large number of gates was now available for the task of signal demodulation. The US patent U.S. 8,925,376 B2 describes an atomic force microscope in which an FPGA takes over the signal generation and signal demodulation, and a DSP is used to control the atomic force microscope. The US patent U.S. 8,459,102 B2 describes a digital system for setting a quality factor of a resonant system, which is composed of a combination of an FPGA for signal generation and a DSP for setting the quality of a measuring probe of an atomic force microscope.

Ein Rasterkraftmikroskop mit mehreren programmierbaren digitalen Schaltungen, etwa einem DSP und einem FPGA, weist eine große Komplexität auf. Zudem beeinträchtigt die notwendige Datenübertragung zwischen dem FPGA und dem DSP eine enge Synchronisation und ein deterministisches Zeitverhalten, die notwendig sind, um eine Störungs- und Transienten-freie Kontrolle des FPGAs durch den DSP zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten.An atomic force microscope with multiple programmable digital circuits, such as a DSP and an FPGA, is very complex. In addition, the necessary data transmission between the FPGA and the DSP impairs the close synchronization and deterministic time behavior that are necessary to ensure interference- and transient-free control of the FPGA by the DSP at all times.

Die US-Patentschrift US 8 286 261 B2 beschreibt eine Pulsed-Force-Betriebsart eines Rastersondenmikroskops, bei der die Kombination aus einem FPGA und einem DSP durch einen leistungsstarken FPGA ersetzt ist.The US patent U.S. 8,286,261 B2 describes a pulsed-force mode of operation of a scanning probe microscope in which the combination of an FPGA and a DSP is replaced by a powerful FPGA.

Ein DSP verwendet häufig eine Gleitkomma-Arithmetik, wohingegen ein FPGA typischerweise eine Festkomma-Arithmetik benutzt. Beim Übergang von einer Kombinationslösung aus einem DSP und einem FPGA zu einer Ein-Chip-Lösung, d.h. einer reinen FPGA-Lösung, tritt die Schwierigkeit auf, Gleitkomma-Rechenwerke (FP-ALU, Floating Point Arithmetic Logic Unit) in einer Festkomma-Arithmetik zu realisieren. Diese Schwierigkeit beinhaltet typischerweise den Umgang mit einer riesigen Anzahl von Logik-Gattern.A DSP often uses floating point arithmetic, while an FPGA more typically uses fixed-point arithmetic. When moving from a combination solution of a DSP and an FPGA to a one-chip solution, ie a pure FPGA solution, the difficulty arises of using floating-point arithmetic units (FP-ALU, Floating Point Arithmetic Logic Unit) in fixed-point arithmetic to realize. This difficulty typically involves dealing with a huge number of logic gates.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe sich die oben erläuterten Schwierigkeiten beim Realisieren einer digitalen Regelung für einen Biegebalken zumindest zum Teil vermeiden lassen.The present invention is therefore based on the problem of specifying a device and a method with the aid of which the difficulties explained above when implementing digital control for a bending beam can be avoided at least in part.

3. Zusammenfassung der Erfindung3. Summary of the Invention

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 19 gelöst. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife auf: (a) zumindest eine erste Schnittstelle, die ausgebildet ist, zumindest eine Regelgröße der zumindest einen Regelschleife zu empfangen; (b) zumindest eine programmierbare logische Schaltung, die ausgebildet ist, eine Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife mit einer Bittiefe zu verarbeiten, die größer ist als die Bittiefe der Regelgröße; und (c) zumindest eine zweite Schnittstelle, die ausgebildet ist, eine Stellgröße der zumindest einen Regelschleife bereitzustellen.According to an embodiment of the present invention, this problem is solved by an apparatus according to claim 1 and a method according to claim 19. In one embodiment, the device for operating at least one bending beam in at least one closed control loop has: (a) at least one first interface, which is designed to receive at least one controlled variable of the at least one control loop; (b) at least one programmable logic circuit that is designed to process a control deviation of the at least one control loop with a bit depth that is greater than the bit depth of the controlled variable; and (c) at least one second interface, which is designed to provide a manipulated variable for the at least one control loop.

Die Bittiefe, die Bitbreite oder die Auflösung eines digitalen Signals entspricht der Anzahl von Bits, die zur Darstellung der ganzen Zahlen eines Intervalls in einer binären Darstellung benötigt werden. Beispielsweise ermöglicht eine Bittiefe von 8 Bits die binäre Darstellung der ganzen Zahlen des Intervalls von 0 bis 255 oder mit Vorzeichen von -128 bis +127.The bit depth, bit width, or resolution of a digital signal is the number of bits needed to represent the integers of an interval in a binary representation. For example, a bit depth of 8 bits allows the binary representation of integers in the interval 0 to 255 or signed from -128 to +127.

Die zumindest eine Regelgröße kann eine Position des zumindest einen Biegebalkens anzeigen. Die Stellgröße kann den zumindest einen Biegebalken in eine vorgegebene Position bringen.The at least one controlled variable can indicate a position of the at least one bending beam. The manipulated variable can bring the at least one bending beam into a predefined position.

Eine Regelung wird in dieser Anmeldung durch die folgenden Größen definiert: Eine Führungsgröße w(t) oder ein Soll-Wert beschreibt beispielsweise eine z-Position des Biegebalkens oder eine Auslenkung bzw. eine Biegung des Biegebalkens als Funktion der Zeit bezüglich einer Referenzposition. Die Regelgröße y(t) oder der Ist-Wert gibt in dem beschriebenen Beispiel die gemessene z-Position des Biegebalkens als Funktion der Zeit an. Die Regelabweichung e(t) oder die Fehlergröße ergibt sich aus der Differenz der Führungsgröße bzw. des Soll-Wertes und der Regelgröße bzw. des Ist-Wertes: e(t) = w(t) - y(t). Die Stellgröße u(t) bezeichnet das von einem Regler aus der Regelabweichung e(t) ermittelte Signal, um den Ist-Wert y(t) mit dem Soll-Wert w(t) in Übereinstimmung zu bringen.A control is defined in this application by the following variables: A command variable w(t) or a target value describes, for example, a z-position of the bending beam or a deflection or bending of the bending beam as a function of time with respect to a reference position. In the example described, the controlled variable y(t) or the actual value indicates the measured z-position of the bending beam as a function of time. The control deviation e(t) or the error variable results from the difference between the command variable or the target value and the controlled variable or the actual value: e(t) = w(t) - y(t). The manipulated variable u(t) designates the signal determined by a controller from the control deviation e(t) in order to bring the actual value y(t) into agreement with the setpoint value w(t).

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Komponenten einer programmierbaren digitalen Schaltung so ausgelegt werden, dass weder der Wertebereich für die Regelabweichung e(t) noch der die Regelung charakterisierenden Parameter oder eines der internen digitalen Signale zur Ermittlung der Stellgröße u(t) für die zumindest eine Regelschleife der programmierbaren logischen Schaltung zu irgendeinem Zeitpunkt eingeschränkt werden müssen, um einen Überlauf einer Komponente der programmierbaren logischen Schaltung zu verhindern. Ein solches Design der programmierbaren logischen Schaltung ist aufgrund der verfügbaren großen Anzahl von Logik-Gattern möglich. Derzeit sind programmierbare logische Schaltungen mit mehreren Millionen Logik-Einheiten erhältlich.In a device according to the invention, the components of a programmable digital circuit can be designed in such a way that neither the range of values for the control deviation e(t) nor the parameters characterizing the control or one of the internal digital signals for determining the manipulated variable u(t) for the at least one Control loop of the programmable logic circuit must be constrained at any time to prevent an overflow of a component of the programmable logic circuit. Such a design of the programmable logic circuit is possible due to the large number of logic gates available. Programmable logic circuits with several million logic units are currently available.

Aufgrund der Verfügbarkeit des vollen Wertebereichs der Regelabweichung e(t) sowie der Parameter der Regelung kann die programmierbare logische Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch kleine Regelabweichungen e(t) bzw. Fehlersignale sicher verarbeiten. Dadurch wird eine sehr präzise Kontrolle der Bewegung eines Biegebalkens ermöglicht. Gleichzeitig bleibt der Aufwand für die Darstellung und die Verarbeitung des Soll- und des Ist-Wertes des Biegebalkens unverändert. Folglich bildet die Auslegung einer programmierbaren digitalen Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einen bestmöglichen Kompromiss zwischen der Genauigkeit mit der die Stellgröße u(t) erzeugt wird, auf der einen Seite, und, auf der anderen Seite, der Bittiefe sowie der Geschwindigkeit mit der die Soll-Werte w(t) und Ist-Werte y(t) des Biegebalkens abgetastet werden. Typischerweise werden digitale Signalprozessoren mit einer Bittiefe von 8, 16 oder 32 Bit eingesetzt. Mit einer in eine erfindungsgemäße Vorrichtung implementierten programmierbaren logischen Schaltung lassen sich auch andere, an eine spezifische Anwendung angepasste Bittiefen realisieren.Due to the availability of the full value range of the control deviation e(t) and the control parameters, the programmable logic circuit of a device according to the invention can also reliably process small control deviations e(t) or error signals. This enables very precise control of the movement of a bending beam. At the same time, the effort involved in displaying and processing the desired and actual values of the bending beam remains unchanged. Consequently, the design of a programmable digital circuit of a device according to the invention forms the best possible compromise between the accuracy with which the manipulated variable u(t) is generated, on the one hand, and, on the other hand, the bit depth and the speed with which the setpoint Values w(t) and actual values y(t) of the bending beam are sampled. Typically, digital signal processors with a bit depth of 8, 16 or 32 bits are used. With a programmable logic circuit implemented in a device according to the invention, other bit depths adapted to a specific application can also be implemented.

Die Stellgröße der zumindest einen Regelschleife kann eine Bittiefe aufweisen, die der Bittiefe der Regelgröße der zumindest einen Regelschleife entspricht.The manipulated variable of the at least one control loop can have a bit depth that corresponds to the bit depth of the controlled variable of the at least one control loop.

Dies bedeutet, die zumindest eine erste Schnittstelle und die zumindest eine zweite Schnittstelle weisen die gleiche Bittiefe auf.This means that the at least one first interface and the at least one second interface have the same bit depth.

Die Stellgröße der zumindest einen Regelschleife kann eine Bittiefe aufweisen, die größer ist als die Bittiefe der Regelgröße der zumindest einen Regelschleife.The manipulated variable of the at least one control loop can have a bit depth that is greater as the bit depth of the controlled variable of the at least one control loop.

Falls diese Bedingung erfüllt ist, stellt die programmierbare logische Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dem Biegebalken ein digitales Signal mit einer Auflösung oder einer Bittiefe bereit, die größer ist als das über das an der ersten Schnittstelle empfangene Signal der Regelgröße y(t). Die Bittiefe der Stellgröße kann zum Beispiel gleich der Bittiefe sein, mit der die Regelabweichung verarbeitet wird.If this condition is met, the programmable logic circuit of a device according to the invention provides the bending beam with a digital signal with a resolution or a bit depth that is greater than the signal of the controlled variable y(t) received at the first interface. The bit depth of the manipulated variable can, for example, be equal to the bit depth with which the control deviation is processed.

Die Regelgröße der zumindest einen Regelschleife kann auch eine Bittiefe aufweisen, die größer als die Bittiefe der Stellgröße der zumindest einen Regelschleife ist.The controlled variable of the at least one control loop can also have a bit depth that is greater than the bit depth of the manipulated variable of the at least one control loop.

Die zumindest eine erste Schnittstelle kann zumindest einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC, Analog Digital Converter) umfassen. Der ADC der ersten Schnittstelle setzt das analoge Signal der rückgeführten Regelgröße in ein digitales Signal um und stellt dieses der programmierbaren logischen Schaltung bereit, so dass letzterer die erläuterte Regelgröße mit einer vorgegebenen Bittiefe bereitgestellt wird. Die Bittiefe der Regelgröße kann durch die Bittiefe des ADC bestimmt sein. Die Bittiefe, mit der die programmierbare logische Schaltung eine Regelabweichung verarbeitet, kann größer sein als die Bittiefe der Regelgröße.The at least one first interface can include at least one analog-to-digital converter (ADC, Analog Digital Converter). The ADC of the first interface converts the analog signal of the returned controlled variable into a digital signal and makes this available to the programmable logic circuit, so that the latter is provided with the explained controlled variable with a predetermined bit depth. The bit depth of the controlled variable can be determined by the bit depth of the ADC. The bit depth with which the programmable logic circuit processes a deviation can be greater than the bit depth of the controlled variable.

Die zumindest eine zweite Schnittstelle kann zumindest einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC, Digital Analog Converter) umfassen. Der DAC der zweiten Schnittstelle wandelt, die von der programmierbaren logischen Schaltung erzeugte, digitale Stellgröße u(t) in ein analoges Signal der Stellgröße um, das den Biegebalken zu einer Bewegung veranlasst, beispielsweise eine Schwingung des Biegebalkens in z-Richtung, d.h. senkrecht zu einer Probenoberfläche auszuführen.The at least one second interface can include at least one digital-to-analog converter (DAC, Digital Analog Converter). The DAC of the second interface converts the digital manipulated variable u(t) generated by the programmable logic circuit into an analog signal of the manipulated variable, which causes the cantilever to move, for example an oscillation of the cantilever in the z-direction, ie perpendicular to to perform a sample surface.

Die Bittiefe des zumindest einen Analog-Digital-Umsetzers (ADC) kann der Bittiefe des zumindest einen Digital-Analog-Umsetzers (DAC) entsprechen. Diese Konfiguration ist derzeit bevorzugt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt.The bit depth of the at least one analog to digital converter (ADC) can correspond to the bit depth of the at least one digital to analog converter (DAC). This configuration is currently preferred. However, a device according to the invention is not limited to such an arrangement.

Die zumindest eine programmierbare logische Schaltung kann eine Datenverringerungseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, die Bittiefe der Stellgröße der zumindest einen Regelschleife in Übereinstimmung mit der Bittiefe der Regelgröße der Regelschleife zu bringen.The at least one programmable logic circuit can have a data reduction unit which is designed to bring the bit depth of the manipulated variable of the at least one control loop into agreement with the bit depth of the controlled variable of the control loop.

Damit ermöglicht die Datenverringerungseinheit der programmierbaren logischen Schaltung, dass die digitalen Signale der ersten und der zweiten Schnittstelle eine gemeinsame Bittiefe aufweisen.The data reduction unit of the programmable logic circuit thus enables the digital signals of the first and second interfaces to have a common bit depth.

Die Datenverringerungseinheit kann ausgebildet sein, die Bittiefe der zumindest einen Stellgröße der zumindest einen Regelschleife durch Weglassen eines Bits mit einem niedrigsten Stellenwert oder durch Weglassen mehrerer Bits mit den niedrigsten Stellenwerten zu verringern.The data reduction unit can be designed to reduce the bit depth of the at least one manipulated variable of the at least one control loop by omitting a bit with the lowest significant value or by omitting several bits with the lowest significant values.

Die Datenreduktion erfolgt in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der Berechnung der Stellgröße aus der Regelabweichung, d.h. in der Nähe des Ausgangs der programmierbaren logischen Schaltung und nicht bereits zu Beginn der Berechnung, um einen unkontrollierten Überlauf einer digitalen Schaltungskomponente zu verhindern. Diese Auslegung der programmierbaren logischen Schaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist zwei Vorteile auf: Zum einen ermöglicht diese eine Berechnung der Stellgröße aus der Regelabweichung mit größtmöglicher Präzision und zum anderen wird eine mögliche Datenreduktion in systematischer Weise ausgeführt.In a device according to the invention, the data is reduced after the manipulated variable has been calculated from the deviation, i.e. near the output of the programmable logic circuit and not at the beginning of the calculation, in order to prevent an uncontrolled overflow of a digital circuit component. This design of the programmable logic circuit of a device according to the invention has two advantages: on the one hand, it enables the manipulated variable to be calculated from the control deviation with the greatest possible precision and, on the other hand, a possible data reduction is carried out in a systematic manner.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner zumindest eine dritte Schnittstelle aufweisen, die ausgebildet ist zum Eingeben zumindest eines Parameters zum Einstellen der zumindest einen Regelschleife.A device according to the invention can also have at least one third interface, which is designed to input at least one parameter for setting the at least one control loop.

Die zumindest eine dritte Schnittstelle kann zumindest einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) aufweisen. Die Bittiefe des ADC der dritten Schnittstelle kann an den Wertebereich bzw. die Bittiefe des zumindest einen Parameters angepasst werden. Die dritte Schnittstelle benötigt keinen ADC falls der zumindest eine Parameter der programmierbaren logischen Schaltung bereits in digitaler Form bereitgestellt wird. Dies ist typischerweise der Fall.The at least one third interface can have at least one analog-to-digital converter (ADC). The bit depth of the ADC of the third interface can be adapted to the value range or the bit depth of the at least one parameter. The third interface does not require an ADC if the at least one parameter of the programmable logic circuit is already provided in digital form. This is typically the case.

Der zumindest eine Parameter kann eine Bittiefe aufweisen, die kleiner oder gleich der Bittiefe der Regelgröße der zumindest einen Regelschleife ist.The at least one parameter can have a bit depth that is less than or equal to the bit depth of the controlled variable of the at least one control loop.

Eine Multiplikation des zumindest einen Parameters mit der Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife kann die Bittiefe einer Dateneingabe in die Datenverringerungseinheit bestimmen. Eine Multiplikation des zumindest einen Parameters mit der Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife kann die Bittiefe der Stellgröße der zumindest einen Regelschleife bestimmen.A multiplication of the at least one parameter with the error of the at least one control loop can determine the bit depth of a data input into the data reduction unit. A multiplication of the at least one parameter by the deviation of the at least one control loop can determine the bit depth of the manipulated variable of the at least one control loop.

Wie bereits oben ausgeführt, erlaubt es die erfindungsgemäße Vorrichtung, dass weder die Regelabweichung noch der eine oder die mehreren Parameter, die die Einstellung der Regelung des Biegebalkens festlegen, in ihren Wertebereichen eingeschränkt werden müssen. Eine mögliche Datenreduktion für die Stellgröße u(t) erfolgt erst nach deren Berechnung.As already explained above, the device according to the invention allows neither the control deviation nor the one or more parameters that determine the setting of the control of the bending beam to enter their value ranges need to be restricted. A possible data reduction for the manipulated variable u(t) only takes place after it has been calculated.

Der zumindest eine Parameter kann einen Parameter eines Reglers zum Regeln der zumindest einen Regelschleife umfassen.The at least one parameter can include a parameter of a controller for controlling the at least one control loop.

Der Regler kann einen PID-Regler umfassen. Die Abkürzung PID steht für einen proportionalen, einen integrierenden und einen differenzierenden Anteil des Reglers. Ein proportionaler, integrierender und ein differenzierender Anteil werden auch als proportionaler, integrierender und differenzierender Term oder Glied bezeichnet. Der Regler kann eine Parallelstruktur eines proportionalen, eines integrierenden und/oder eines differenzierenden Anteils umfassen. Vorzugsweise umfasst der Regler einen PI-Regler. Ferner ist es günstig, wenn der I-Anteil des PI-Reglers dessen Regelverhalten bestimmt.The controller may include a PID controller. The abbreviation PID stands for a proportional, an integrating and a differentiating portion of the controller. A proportional, integrating and a differentiating part are also referred to as a proportional, integrating and differentiating term or term. The controller can include a parallel structure of a proportional, an integrating and/or a differentiating component. Preferably, the controller includes a PI controller. Furthermore, it is favorable if the I component of the PI controller determines its control behavior.

Der zumindest eine Parameter kann zumindest ein Element aus der Gruppe umfassen: eine Verstärkung des Reglers, eine Nachstellzeit des Reglers und eine Vorhaltzeit des Reglers.The at least one parameter can include at least one element from the group: an amplification of the controller, a reset time of the controller and a derivative action time of the controller.

Die zumindest eine programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, den zumindest einen Parameter mit der Regelabweichung zu multiplizieren, ohne vorher eine Datenverringerung auszuführen.The at least one programmable logic circuit can be designed to multiply the at least one parameter by the control deviation without performing a data reduction beforehand.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner zumindest eine vierte Schnittstelle aufweisen, die ausgebildet ist zum Eingeben einer Führungsgröße für die zumindest eine Regelschleife.The device according to the invention can also have at least one fourth interface, which is designed to input a reference variable for the at least one control loop.

Die Führungsgröße kann eine Bittiefe aufweisen, die der Bittiefe der Regelgröße entspricht. Die zumindest eine vierte Schnittstelle kann einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Führungsgröße w(t) oder die Soll-Größe eine Bittiefe aufweist, die größer oder kleiner als die Bittiefe der Regelgröße y(t) ist.The reference variable can have a bit depth that corresponds to the bit depth of the controlled variable. The at least one fourth interface can have an analog-to-digital converter (ADC). However, it is also possible for the reference variable w(t) or the target variable to have a bit depth that is greater or smaller than the bit depth of the controlled variable y(t).

Die erste Schnittstelle kann einen Analog-Digital-Wandler und die zweite Schnittstelle kann einen Digital-Analog-Wandler umfassen, und eine Abtastrate des Analog-DigitalWandlers kann größer sein als eine Umwandlungsrate des Digital-Analog-Wandlers.The first interface may include an analog-to-digital converter and the second interface may include a digital-to-analog converter, and a sampling rate of the analog-to-digital converter may be greater than a conversion rate of the digital-to-analog converter.

Die Abtastrate kann einen Faktor 4, bevorzugt einen Faktor 16, mehr bevorzugt einen Faktor 64, und am meisten bevorzugt einen Faktor 256 größer sein als die Umwandlungsrate.The sample rate may be a factor of 4, preferably a factor of 16, more preferably a factor of 64, and most preferably a factor of 256 greater than the conversion rate.

Die Umwandlungsrate eines Digital-Analog-Wandlers wird auch als dessen Auflösung bezeichnet, d.h. die Breite der Stufen oder auch die Anzahl der Stufen bzw. die Anzahl der Stellen pro Zeiteinheit.The conversion rate of a digital-to-analog converter is also referred to as its resolution, i.e. the width of the steps or the number of steps or the number of digits per unit of time.

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, den zumindest einen Biegebalken in zumindest zwei der folgenden Betriebsarten zu betreiben: einen Kontakt-Modus, einen Nicht-Kontakt-Modus, einen intermittierenden Modus und einen Step-in-Modus.The programmable logic circuit can be configured to operate the at least one cantilever in at least two of the following operating modes: a contact mode, a non-contact mode, an intermittent mode and a step-in mode.

Da eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Biegebalken in verschiedenen Betriebsarten betreiben kann, ist diese dafür geeignet, in einem Rastersondenmikroskop eingesetzt zu werden, das eine Probe und/oder eine Probenoberfläche durch Abtasten untersucht. Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls zum Bearbeiten einer Probe verwendet werden, indem ein steifer Biegebalken einen Mikro- oder einen Nanomanipulator in kontrollierter Art und Weise bezüglich einer Probe bewegt.Since a device according to the invention can operate a cantilever in various operating modes, it is suitable for use in a scanning probe microscope which examines a sample and/or a sample surface by scanning. In addition, a device according to the invention can also be used for processing a sample in that a rigid cantilever moves a micro- or a nanomanipulator in a controlled manner with respect to a sample.

Überdies kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten einer Probe, beispielsweise durch mechanisches Entfernen von Material, zum Einsatz gebracht werden.In addition, a device according to the invention can be used to process a sample, for example by mechanically removing material.

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein zwischen zumindest zwei der Betriebsarten des Biegebalkens umzuschalten, ohne eine Kontrolle über eine Position des Biegebalkens zu verlieren. Die Position kann eine vertikale Position des Biegebalkens relativ zu einer Referenzposition oder zu einer Probenoberfläche umfassen.The programmable logic circuit can be designed to switch between at least two of the operating modes of the bending beam without losing control over a position of the bending beam. The position may include a vertical position of the cantilever relative to a reference position or to a sample surface.

Dieser Aspekt der oben definierten Vorrichtung ermöglicht ein Transienten- und/oder Spannungsspitzen-freies Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten einer Messsonde und/oder eines Mikromanipulators eines Rastersondenmikroskops. Dieser Aspekt kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung implementiert werden, unabhängig davon, ob diese das Merkmal b. realisiert oder nicht.This aspect of the device defined above makes it possible to switch between different operating modes of a measuring probe and/or a micromanipulator of a scanning probe microscope without transients and/or voltage spikes. This aspect can be implemented in a device according to the invention, regardless of whether it has feature b. realized or not.

Durch eine unterbrechungsfreie Kontrolle des Biegebalkens stellt eine erfindungsgemäße Vorrichtung sicher, dass eine Beschädigung des Biegebalkens bzw. einer an dem Biegebalken befestigten Messspitze oder eines Mikromanipulators und/oder eine Beschädigung oder gar eine Zerstörung einer empfindlichen Probe während eines Umschaltvorgangs der Betriebsart des Biegebalkens unterbleibt. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn sich der Biegebalken während des Umschaltens im Wechselwirkungsbereich mit der Probe befindet.Through an uninterrupted control of the bending beam, a device according to the invention ensures that damage to the bending beam or a measuring tip attached to the bending beam or a micromanipulator and/or damage or even destruction of a sensitive sample during a switching process of the operating mode of the bending beam does not occur. This also applies in particular when the bending beam is in the interaction area with the sample during switching.

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, vor einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens die Stellgröße der zumindest einen Regelschleife auf einen vorgegebenen Wert zu setzen. Vorzugsweise bewirkt der vorgegebene Wert der Stellgröße keine Auslenkung des Biegebalkens. Dies bedeutet, die Stellgröße friert den Zustand des Biegebalkens ein.The programmable logic circuit can be designed, before switching the operating mode of the bending beam, the manipulated variable to set at least one control loop to a predetermined value. The predefined value of the manipulated variable preferably does not cause any deflection of the bending beam. This means that the manipulated variable freezes the state of the bending beam.

Indem eine Oszillation des Biegebalkens vor dem Umschalten von dessen Betriebsart gestoppt wird, wird eine der möglichen Ursachen für einen kurzzeitigen unkontrollierten Zustand des Biegebalkens während der Umschaltphase vermieden. Zeitgleich mit dem Abschalten der Oszillation des Biegebalkens wird die Regelung in einen Haltemodus gebracht, d.h. deren Zustand wird eingefroren. Würde der Regler nicht in einen Haltemodus versetzt, würde die detektierte riesige Regelabweichung bewirken, dass der Regler versuchten würde, die Regelabweichung durch Ändern der Stellgröße zu beseitigen.By stopping an oscillation of the cantilever before switching its mode of operation, one of the possible causes of a momentary uncontrolled condition of the cantilever during the switching phase is avoided. At the same time as the oscillation of the bending beam is switched off, the control is switched to a hold mode, i.e. its status is frozen. If the controller were not placed in a hold mode, the huge control deviation detected would cause the controller to attempt to eliminate the control deviation by changing the manipulated variable.

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, einen proportionalen Anteil der Regelung der zumindest einen Regelschleife nach einem Umschalten einer Betriebsart von einem Wert Null ausgehend zu starten.The programmable logic circuit can be designed to start a proportional part of the regulation of the at least one control loop after switching over an operating mode from a value of zero.

Durch das Starten des P-Anteils der Regelung nach einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens von einem verschwindenden Anteil ausgehend, wird verhindert, dass durch eine sprungförmige Änderung der Stellgröße der Biegebalken als Reaktion auf die disruptive Änderung in unbeabsichtigter Weise in Kontakt mit der Probe kommen kann.Starting the P-component of the control after switching the operating mode of the bending beam from a vanishing proportion prevents the bending beam from accidentally coming into contact with the sample as a result of a sudden change in the manipulated variable as a reaction to the disruptive change .

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, eine Verschiebung des Biegebalkens zu einer Probenoberfläche hin und/oder von der Probenoberfläche weg über eine vorgegebene Distanz mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit auszuführen. Die Verschiebung des Biegebalkens kann sowohl mit als auch ohne überlagerte Oszillation des Biegebalkens ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Verschiebung des Biegebalkens in z-Richtung ohne dessen Oszillation ausgeführt. In diesem Zustand kann die Position des Biegebalkens relativ zu der Probenoberfläche in einfacherer Weise kontrolliert werden.The programmable logic circuit can be designed to carry out a displacement of the bending beam towards a sample surface and/or away from the sample surface over a predetermined distance at a predetermined speed. The displacement of the bending beam can be carried out both with and without superimposed oscillation of the bending beam. The displacement of the bending beam in the z-direction is preferably carried out without its oscillation. In this state, the position of the cantilever relative to the sample surface can be more easily controlled.

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, einen proportionalen Anteil der Regelung der zumindest einen Regelschleife in jeder Betriebsart des Biegebalkens von einem Wert Null ausgehend zu starten. Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, dass die Regelschleife die von dem Soll-Wert vorgegebene Bewegung des Biegebalkens zum frühestmöglichen Zeitpunkt regelt, d.h. die Rückkopplungsschleife geschlossen werden kann. Unerwünschte unkontrollierbare transiente Bewegungen des Biegebalkens können so zuverlässig verhindert werden.The programmable logic circuit can be designed to start a proportional portion of the regulation of the at least one control loop in each operating mode of the bending beam from a value of zero. This measure ensures that the control loop regulates the movement of the bending beam specified by the setpoint value at the earliest possible point in time, i.e. the feedback loop can be closed. Undesirable, uncontrollable transient movements of the bending beam can thus be reliably prevented.

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, vor einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens den proportionalen Anteil der Regelung auf Null zu verringern. Dadurch kann vermieden werden, dass die durch die programmierbare logische Schaltung implementierte Regelung als Folge eines Betriebsartwechsels einen oder mehrere Schalttransienten und/oder einen oder mehrere Spannungsspitzen erzeugt, die eine unerwünschte unkontrollierbare Bewegung des Biegebalkens hervorrufen.The programmable logic circuit can be designed to reduce the proportional part of the regulation to zero before switching the operating mode of the bending beam. This can prevent the regulation implemented by the programmable logic circuit from generating one or more switching transients and/or one or more voltage spikes as a result of a change in operating mode, which cause an undesired, uncontrollable movement of the bending beam.

Die programmierbare logische Schaltung kann ausgebildet sein, vor einem Umschalten der Betriebsart einen lateralen Scan des Biegebalkens zu stoppen. Dies stellt eine weitere Vorsichtsmaßnahme dar, um zu vermeiden, dass ein Wechsel der Betriebsart des Biegebalkens diesen und/oder die Probe schädigen kann.The programmable logic circuit can be designed to stop a lateral scan of the cantilever before switching the operating mode. This is an additional precaution to avoid that changing the mode of operation of the cantilever can damage it and/or the specimen.

Die Regelgröße kann eine Bittiefe von 16 Bit aufweisen, der zumindest eine Parameter kann eine Bittiefe von 8 Bit aufweisen und die programmierbare logische Schaltung kann die Regelabweichung mit einer Bittiefe von 32 Bit verarbeiten. Ferner kann die Regelgröße eine Bittiefe von 16 Bit aufweisen, der zumindest eine Parameter kann eine Bittiefe von 8 Bit aufweisen und die programmierbare logische Schaltung kann die Regelabweichung mit einer Bittiefe von 24 Bit verarbeiten. Die Datenverringerungseinheit der programmierbaren logischen Schaltung kann die Bittiefe der Regelgröße auf 16 Bit begrenzen.The control variable can have a bit depth of 16 bits, the at least one parameter can have a bit depth of 8 bits, and the programmable logic circuit can process the control deviation with a bit depth of 32 bits. Furthermore, the control variable can have a bit depth of 16 bits, the at least one parameter can have a bit depth of 8 bits, and the programmable logic circuit can process the control deviation with a bit depth of 24 bits. The data reduction unit of the programmable logic circuit can limit the bit depth of the controlled variable to 16 bits.

Die programmierbare logische Schaltung kann zumindest ein Element aus der Gruppe umfassen: eine programmierbare logische Anordnung (PLA, Programmable Logic Device), eine komplexe programmierbare logische Vorrichtung (CPLD, Complex Programmable Logic Device) und eine im Feld programmierbare Gatteranordnung (FPGA, Field Programmable Gate Array).The programmable logic circuit may include at least one of the group: a programmable logic device (PLA), a complex programmable logic device (CPLD), and a field programmable gate array (FPGA). array).

Der zumindest eine Biegebalken kann ein Element aus der Gruppe umfassen: einen Cantilever mit einer Messspitze eines Rastersondenmikroskops, eine Sondenanordnung für ein Rastersondenmikroskop mit zumindest zwei Sonden, die verschiedene Messspitzen zum Untersuchen und/oder zum Bearbeiten einer Probe aufweisen, und zumindest einen Mikromanipulator zum Bearbeiten einer Probe. Das Bearbeiten der Probe kann das Entfernen eines Partikels von einer Oberfläche einer Probe umfassen. Ferner kann das Bearbeiten einer Probe mit Hilfe eines Mikromanipulators ein mechanisches Abtragen von Material der Probe umfassen. Der Mikromanipulator kann mittels elektrostatischer Wechselwirkung mit einem Partikel in Wechselwirkung treten. Der Mikromanipulator kann eine Spitze aufweisen, die durch elektrostatische Wechselwirkung mit einem Partikel in Wechselwirkung tritt.The at least one bending beam can include an element from the group: a cantilever with a measuring tip of a scanning probe microscope, a probe arrangement for a scanning probe microscope with at least two probes that have different measuring tips for examining and/or processing a sample, and at least one micromanipulator for processing a sample. Processing the sample may include removing a particle from a surface of a sample. Furthermore, the processing of a sample with the aid of a micromanipulator can include a mechanical removal of material from the sample. The micromanipulator can by means of electrostatic Interaction interact with a particle. The micromanipulator may have a tip that interacts with a particle through electrostatic interaction.

Der Biegebalken kann Silizium (Si) und/oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) umfassen. Der Biegebalken kann eine beliebige Form umfassen. Insbesondere kann der Biegebalken einen V-förmigen Cantilever umfassen. Zudem kann ein Biegebalken auf zwei Seiten eingespannt sein und die Messspitze kann in der Mitte zwischen den beiden Einspannbereichen zu einer Schwingung angeregt werden. Der zweiseitig eingespannte Biegebalken kann von einer eingespannten oder von beiden eingespannten Bereichen zu einer Schwingung angeregt werden.The cantilever may comprise silicon (Si) and/or silicon nitride (Si ₃ N ₄ ). The bending beam can comprise any shape. In particular, the bending beam can comprise a V-shaped cantilever. In addition, a bending beam can be clamped on two sides and the measuring tip can be excited to oscillate in the middle between the two clamping areas. The bending beam clamped on two sides can be excited to oscillate by one clamped area or by both clamped areas.

Die Länge des Biegebalkens kann einen Bereich von 1 µm bis 3000 µm, bevorzugt, 10 µm bis 1000 µm, mehr bevorzugt 50 µm bis 500 µm, und am meisten bevorzugt 100 µm bis 300 µm umfassen. Die Breite des Biegebalkens kann einen Bereich von 0,5 µm bis 1000 µm, bevorzugt 2 µm bis 300 µm, mehr bevorzugt 5 µm bis 100 µm, und am meisten bevorzugt 10 µm bis 60 µm umfassen. Die Dicke des Biegebalkens kann einen Bereich von 0,1 µm bis 20 µm, bevorzugt 0,3 µm bis 10 µm, mehr bevorzugt 0,6 µm bis 5 µm, und am meisten bevorzugt von 1 µm bis 3 µm umfassen.The length of the cantilever can range from 1 μm to 3000 μm, preferably 10 μm to 1000 μm, more preferably 50 μm to 500 μm, and most preferably 100 μm to 300 μm. The width of the cantilever can range from 0.5 μm to 1000 μm, preferably from 2 μm to 300 μm, more preferably from 5 μm to 100 μm, and most preferably from 10 μm to 60 μm. The thickness of the cantilever may range from 0.1 μm to 20 μm, preferably from 0.3 μm to 10 μm, more preferably from 0.6 μm to 5 μm, and most preferably from 1 μm to 3 μm.

Eine Federkontante des Biegebalkens kann einen Bereich von 0,1 N/m bis 10000 N/m, bevorzugt 1 N/m bis 2000 N/m, mehr bevorzugt 10 N/m bis 700 N/m, und am meisten bevorzugt 30 N/m bis 200 N/m umfassen.A spring constant of the bending beam can range from 0.1 N/m to 10000 N/m, preferably 1 N/m to 2000 N/m, more preferably 10 N/m to 700 N/m, and most preferably 30 N/m. m to 200 N/m.

Die Spitze des Mikromanipulators kann eine Kohlenstoffspitze umfassen. Die Kohlenstoffspitze kann ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen.The tip of the micromanipulator may include a carbon tip. The carbon tip may comprise a carbon nanotube.

Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, den Biegebalken in z-Richtung in einer Regelschleife zu betreiben. Die z-Richtung kann die Richtung einer Probennormalen sein. Ferner kann die Vorrichtung ausgebildet sein, eine Bewegung des Biegebalkens in einer ersten und/oder in einer zweiten lateralen Richtung in einer ersten und/oder einer zweiten Regelschleife zu betreiben. Die erste und/oder die zweite laterale Richtung können Richtungen entlang der Probenoberfläche sein. Es ist auch möglich, den Biegebalken in z-Richtung in einer geschlossenen Regelschleife zu betreiben und eine Bewegung des Biegebalkens in einer ersten und/oder in einer zweiten lateralen Richtung zu steuern.The device can be designed to operate the bending beam in the z-direction in a control loop. The z-direction can be the direction of a sample normal. Furthermore, the device can be designed to operate a movement of the bending beam in a first and/or in a second lateral direction in a first and/or a second control loop. The first and/or the second lateral direction can be directions along the sample surface. It is also possible to operate the bending beam in a closed control loop in the z-direction and to control a movement of the bending beam in a first and/or in a second lateral direction.

Die Regelgröße kann eine Änderung einer auf den Biegebalken wirkenden Kraft umfassen. Ferner kann die Regelgröße eine Änderung einer Auslenkung des Biegebalkens umfassen.The controlled variable can include a change in a force acting on the bending beam. Furthermore, the controlled variable can include a change in a deflection of the bending beam.

Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, eine lithographische Maske durch Abtasten mit einem Biegebalken, der in einer geschlossenen Regelschleife betrieben wird, zu untersuchen. Der Biegebalken kann eine Spitze oder eine Messspitze umfassen, durch die der Biegebalken mit einer Probe in Wechselwirkung treten kann. Die Messspitze kann an dem freien Ende des Biegebalkens angebracht sein. Die lithographische Maske kann ein Element aus der Gruppe umfassen: eine transmissive Maske, eine reflektive Maske und einen Stempel für eine Nanoprägelithographie.The apparatus may be configured to inspect a lithographic mask by scanning with a cantilever operating in a closed loop. The cantilever may include a tip or probe tip that allows the cantilever to interact with a sample. The measuring tip can be attached to the free end of the bending beam. The lithographic mask may include one of the group: a transmissive mask, a reflective mask, and a stamper for nanoimprint lithography.

Die Vorrichtung kann ein Modell maschinellen Lernens beinhalten, das trainiert worden ist, den zumindest einen Parameter einer Regelung einzustellen.The device may include a machine learning model that has been trained to adjust the at least one parameter of a controller.

Überdies kann die Vorrichtung ein Modell maschinellen Lernens beinhalten, das trainiert worden ist, eine Führungsgröße zumindest einer Regelschleife der zumindest einen programmierbaren logischen Schaltung bereitzustellen. Dadurch wird ein Auto-Tuning des bzw. der Regelparameter des Reglers ermöglicht.Furthermore, the device may include a machine learning model that has been trained to provide a command variable of at least one control loop of the at least one programmable logic circuit. This enables auto-tuning of the control parameter(s) of the controller.

Ein Rastersondenmikroskop kann zumindest eine Vorrichtung nach einem der oben beschriebenen Aspekte umfassen.A scanning probe microscope can comprise at least one device according to one of the aspects described above.

In einer Ausführungsform weist das Verfahren zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife die Schritte auf: (a) Empfangen zumindest einer Regelgröße der zumindest einen Regelschleife; (b) Verarbeiten einer Regelabweichung der zumindest einen Regelschleife mit einer Bittiefe, die größer ist als die Bittiefe der Regelgröße; und (c) Bereitstellen einer Stellgröße der zumindest einen Regelschleife.In one embodiment, the method for operating at least one bending beam in at least one closed control loop has the steps: (a) receiving at least one controlled variable of the at least one control loop; (b) processing a control deviation of the at least one control loop with a bit depth that is greater than the bit depth of the controlled variable; and (c) providing a manipulated variable for the at least one control loop.

Ein Computerprogramm kann Anweisungen umfassen, die ein Computersystem veranlassen, die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm von dem Computersystem ausgeführt wird.A computer program may include instructions that cause a computer system to perform the steps of the method described above when the computer program is executed by the computer system.

Figurenlistecharacter list

In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei

1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Regelschleife zum Regeln eines Biegebalkens veranschaulicht;
2 im oberen Teilbild schematisch eine Messsonde zum Untersuchen einer Probe und im unteren Teilbild schematisch einen Mikromanipulator zum Bearbeiten einer Probe darstellt;
3 schematisch eine Sondenanordnung wiedergibt, die Messsonden zum Untersuchen einer Probe und Sonden oder Mikromanipulatoren zum Bearbeiten einer Probe aufweist;
4 ein Beispiel einer digitalen Repräsentation einer ganzen Zahl > 0 samt zugehöriger Bittiefe präsentiert;
5 schematisch eine Parallelarchitektur eines PID-Reglers veranschaulicht;
6 im oberen Teilbild schematisch die Stellgröße eines P-Gliedes eines PID-Reglers wiedergibt und im unteren Teilbild die Stellgröße eines I-Gliedes eines PID-Reglers für das Beispiel einer konstanten, positiven Regelabweichung veranschaulicht;
7 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Implementierung eines integrierenden Anteils eines PID-Reglers oder eines I-Reglers in einer gemischten analogen und digitalen Auslegung oder Architektur illustriert;
8 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Implementierung eines integrierenden Anteils eines PID-Reglers wiedergibt, bei der eine Regelabweichung mit einer Bittiefe verarbeitet wird, die größer ist als die Bittiefe, mit der die Regelgröße dargestellt wird;
9 schematisch eine Realisierung eines PID-Reglers gemäß dem Stand der Technik präsentiert;
10 schematisch eine erfindungsgemäße Auslegung eines PI-Reglers darstellt;
11 in einer Tabelle Simulationsergebnisse des in der 8 präsentierten I-Reglers zusammenfasst;
12 schematisch ein Schaubild eines PI-Reglers auf einer Registertransferebene darstellt; und
13 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens in zumindest einer geschlossenen Regelschleife präsentiert.

Presently preferred embodiments of the invention are described in the following detailed description with reference to the drawings, in which:

1 1 illustrates a schematic section through a device according to the invention with a control loop for controlling a bending beam;
2 in the upper partial image, a measuring probe for examining a sample and shows a micromanipulator for processing a sample in the lower partial image;
3 schematically reproduces a probe arrangement having measuring probes for examining a sample and probes or micromanipulators for processing a sample;
4 presents an example of a digital representation of an integer > 0 including the associated bit depth;
5 schematically illustrates a parallel architecture of a PID controller;
6 in the upper part of the image, the manipulated variable of a P element of a PID controller is shown schematically and in the lower part of the image, the manipulated variable of an I element of a PID controller is illustrated for the example of a constant, positive system deviation;
7 schematically illustrates a first embodiment of the implementation of an integrating part of a PID controller or an I controller in a mixed analog and digital design or architecture;
8th schematically represents a second embodiment of the implementation of an integrating part of a PID controller, in which a control error is processed with a bit depth that is greater than the bit depth with which the controlled variable is represented;
9 schematically presents an implementation of a PID controller according to the prior art;
10 schematically represents a design of a PI controller according to the invention;
11 in a table of simulation results in the 8th presented I controller summarizes;
12 schematically illustrates a diagram of a PI controller at a register transfer level; and
13 a flowchart of a method for operating at least one cantilever in at least one closed loop is presented.

5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele5. Detailed Description of Preferred Embodiments

Im Folgenden werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens an dem Beispiel des Betreibens einer geschlossenen Regel- oder Rückkopplungsschleife eines Biegebalkens eines Rasterkraftmikroskops genauer erläutert. Diese können jedoch für alle Arten von Rastersondenmikroskopen eingesetzt werden, die einen Biegebalken oder einen Cantilever aufweisen. Ferner werden nachfolgend Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Untersuchens und/oder des Bearbeitens einer lithographischen Maske im Detail ausgeführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Vielmehr können diese zum Untersuchen und/oder Bearbeiten beliebiger Proben mit einer Messsonde und/oder einem Mikromanipulator in einer geschlossenen Regelschleife eingesetzt werden.In the following, currently preferred embodiments of a device according to the invention and a method according to the invention are explained in more detail using the example of the operation of a closed control or feedback loop of a bending beam of an atomic force microscope. However, these can be used for all types of scanning probe microscopes that have a bending beam or a cantilever. Furthermore, exemplary embodiments of a device according to the invention and a method according to the invention are explained in detail below on the basis of the examination and/or the processing of a lithographic mask. However, the device according to the invention and the method according to the invention are not limited to these examples. Rather, they can be used to examine and/or process any samples with a measuring probe and/or a micromanipulator in a closed control loop.

Das Konzept der vorliegenden Anmeldung, nämlich ein Fehlersignal mit einer größeren Auflösung oder Bittiefe zu verarbeiten als die digitalisierten Messsignale auf deren Basis das Fehlersignal bestimmt wurde, ist nicht auf das Betreiben von Biegebalken oder Cantilevern in geschlossenen Regelschleifen beschränkt. Vielmehr kann dieses Konzept allgemein zum präzisen Steuern oder Regeln von Messvorgängen und/oder Bearbeitungsprozessen eingesetzt werden.The concept of the present application, namely processing an error signal with a greater resolution or bit depth than the digitized measurement signals on the basis of which the error signal was determined, is not limited to the operation of bending beams or cantilevers in closed control loops. Rather, this concept can generally be used for the precise control or regulation of measurement processes and/or machining processes.

Die 1 zeigt schematisch einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung 100, die eine programmierbare logische Schaltung 120 beinhaltet. Die programmierbare logische Schaltung (PLD, Programmable Logic Device) 120 kann eine programmierbare logische Anordnung (PLA, Programmable Logic Array), eine komplexe logische Vorrichtung (CPLD, Complex Programmable Logic Device) und/oder eine im Feld programmierbare Gatteranordnung (FPGA, Field Programmable Gate Array) umfassen. Die PLD 120 kann maskenprogrammierbar, einmalig programmierbar (OTP, One Time Programmable), mittels EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) programmierbar, mittels EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) bzw. Flash programmierbar und/oder mittels SRAM (Static Random Access Memory) programmierbar sein. In dem in der 1 wiedergegebenen Beispiel realisiert die programmierbare logische Schaltung 120 einen Regler 140. Der beispielhafte Regler 140 der 1 wird vorzugsweise als PI-Regler implementiert, wobei P den proportionalen und I den integrierenden Anteil des Reglers 140 bezeichnen.the 1 1 schematically shows a schematic section through a device 100 which contains a programmable logic circuit 120. FIG. The programmable logic device (PLD) circuit 120 may be a programmable logic array (PLA), a complex logic device (CPLD), and/or a field programmable gate array (FPGA). gate array) include. The PLD 120 can be mask-programmable, programmable once (OTP, One Time Programmable), programmable using EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), programmable using EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) or Flash, and/or programmable using SRAM (Static Random Access Memory) be programmable. In the in the 1 reproduced example, the programmable logic circuit 120 implements a controller 140. The exemplary controller 140 of FIG 1 is preferably implemented as a PI controller, where P designates the proportional component and I the integrating component of the controller 140.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Schnittstelle 110. Die erste Schnittstelle 110 ist in dem in der 1 dargestellten Beispiel mittels der Verbindung 115 mit einem Vierquadranten-Detektor 165 eines optischen Detektionssystems 172 verbunden. Das optische Detektionssystem 172 detektiert die Position des Biegebalkens 150. Im Detail bestimmt das optische Detektionssystem 172 die Position des freien Endes 153 des Biegebalkens 150 oder des Cantilevers 150 bezogen auf eine Referenzposition. Typischerweise wird die Position des freien Endes 153 des Biegebalkens 150 bezüglich einer Oberfläche einer Probe 190 ermittelt. Zum Bestimmen der Position misst der Vierquadranten-Detektor 165 oder ein anderer positionssensitiver Detektor (in der 1 nicht gezeigt) des optischen Detektionssystems 172 eine Krümmung, Verbiegung oder eine Auslenkung des freien Endes 153 des Cantilevers 150.The device 100 includes a first interface 110. The first interface 110 is in the in the 1 illustrated example connected by means of the connection 115 to a four-quadrant detector 165 of an optical detection system 172. The optical detection system 172 detects the position of the bending beam 150. In detail, the optical detection system 172 determines the position of the free end 153 of the bending beam 150 or the cantilever 150 relative to a reference position. Typically, the position of the free end 153 of the cantilever 150 relative to a surface of a sample 190 is determined. To determine the position, the four-quadrant detector 165 or another position-sensitive detector (in the 1 not shown) of the optical detection system 172 a curvature, bending or a deflection of the free end 153 of the cantilever 150.

Zu diesem Zweck strahlt eine Lichtquelle 175, die vorzugsweise eine LED (Light Emitting Diode) oder ein Laser-System umfasst, einen Lichtstrahl 177 auf das freie Ende 153 des Biegebalkens 150. Der von der Oberseite des Biegebalkens reflektierte Lichtstrahl 167 wird von dem Vierquadranten-Detektor 165 des optischen Detektionssystems 172 detektiert. In dem in der 1 veranschaulichten Beispiel bestimmt der Vierquadranten-Detektor 165 die z-Position des Biegebalkens 150. Der Vierquadranten-Detektor 165 stellt die gemessene z-Position des Biegebalkens 150 als Regelgröße y_A(t) 160 über die erste Schnittstelle 110 der Vorrichtung 100 bereit.For this purpose, a light source 175, which preferably comprises an LED (Light Emitting Diode) or a laser system, shines a light beam 177 onto the free end 153 of the cantilever 150. The light beam 167 reflected from the top of the cantilever is emitted by the four-quadrant Detector 165 of the optical detection system 172 is detected. In the in the 1 In the illustrated example, the four-quadrant detector 165 determines the z-position of the bending beam 150. The four-quadrant detector 165 provides the measured z-position of the bending beam 150 as a controlled variable y _A (t) 160 via the first interface 110 of the device 100.

Die erste Schnittstelle 110 der Vorrichtung 100 kann einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC, Analog Digital Converter) 105 beinhalten. Der ADC 105 setzt das analoge Messsignal des Vierquadranten-Detektors 165 in ein digitales Signal um. Wichtige Parameter des ADC 105 sind seine Bittiefe und seine maximale Abtastraste. Diese Parameter dominieren die Quantisierungsfehler bei der AD-Wandlung der von dem optischen Detektionssystem 172 gemessenen Regelgröße 160.The first interface 110 of the device 100 may include an analog to digital converter (ADC) 105 . The ADC 105 converts the analog measurement signal from the four-quadrant detector 165 into a digital signal. Important parameters of the ADC 105 are its bit depth and its maximum sampling rate. These parameters dominate the quantization errors in the AD conversion of the controlled variable 160 measured by the optical detection system 172.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine zweite Schnittstelle 130. Über diese Schnittstelle 130 stellt die programmierbare logische Schaltung 120 die für die Regelung der z-Position des Biegebalkens 150 ermittelte Stellgröße 170 über die Verbindung 135 dem Biegebalken 150 bereit. Die zweite Schnittstelle 130 kann einen Digital-Analog-Umsetzer (DAC, Digital Analog Converter) 125 beinhalten. Der DAC 125 wandelt das von der PLD 120 generierte digitale Signal in eine analoge Stellgröße 170. Vorzugsweise weist der DAC 125 eine gleiche oder ähnliche Bittiefe und Abtastraste wie der ADC 105 auf. Es ist aber auch möglich, dass sowohl die Abtastrate wie auch die Bittiefe des ADC 105 und des DAC 125 signifikant unterschiedlich sind.The device 100 includes a second interface 130. Via this interface 130, the programmable logic circuit 120 provides the manipulated variable 170 determined for controlling the z position of the bending beam 150 via the connection 135 to the bending beam 150. The second interface 130 may include a digital to analog converter (DAC) 125 . The DAC 125 converts the digital signal generated by the PLD 120 into an analog manipulated variable 170. The DAC 125 preferably has the same or similar bit depth and sampling rate as the ADC 105. However, it is also possible that both the sampling rate and the bit depth of the ADC 105 and the DAC 125 are significantly different.

Der Biegebalken 150 oder der Cantilever 150 ist an einem Piezo-Element 155 befestigt. Das Piezo-Element kann die z-Position des Biegebalkens 150 verändern. Das Piezo-Element 155 kann den Biegebalken 150 in definierter Form senkrecht zur Probenoberfläche bewegen. Insbesondere kann das Piezo-Element 155 den Biegebalken 150 bzw. dessen freies Ende 153 in eine Schwingung versetzen. Vorzugsweise wird der Biegebalken 150 in eine Schwingung bei oder in der Nähe seiner Eigenfrequenzen angeregt. An der Unterseite des freien Endes 153 weist der Cantilever 150 eine Messspitze 152 auf. Die Messspitze 152 bildet zusammen mit dem Biegebalken 150 eine Messsonde.The cantilever 150 or cantilever 150 is attached to a piezo element 155 . The piezo element can change the z position of the cantilever 150 . The piezo element 155 can move the bending beam 150 in a defined form perpendicularly to the sample surface. In particular, the piezo element 155 can cause the bending beam 150 or its free end 153 to oscillate. Preferably, the cantilever 150 is excited to vibrate at or near its natural frequencies. The cantilever 150 has a measuring tip 152 on the underside of the free end 153 . The measuring tip 152 forms a measuring probe together with the bending beam 150 .

Mit der Messspitze 152 kann die Messsonde die Oberfläche 198 einer Probe 190 abtasten. Die Probe 190 kann beispielsweise eine Fotomaske 191 sein. In dem in der 1 dargestellten Beispiel weist die Fotomaske 191 ein Substrat 192 und ein Pattern-Element 197 auf. Die Fotomaske 191 kann eine transmissive oder eine reflektive Maske umfassen. Ferner kann die Fotomaske 191 einen Stempel einer Nanoprägelithographie umfassen.The measuring probe can scan the surface 198 of a sample 190 with the measuring tip 152 . The sample 190 can be a photomask 191, for example. In the in the 1 In the example shown, the photomask 191 has a substrate 192 and a pattern element 197 . The photomask 191 can comprise a transmissive or a reflective mask. Furthermore, the photomask 191 can comprise a stamp of a nanoimprint lithography.

Ferner kann die Vorrichtung 100 eine dritte Schnittstelle 185 aufweisen, über die der programmierbaren logischen Schaltung 120 der bzw. die Parameter für die Regelung der z-Position des Biegebalkens 150 bereitgestellt werden. Die dritte Schnittstelle 185 kann einen ADC 183 umfassen, falls der bzw. die Parameter als analoge Signale der Vorrichtung 100 bereitgestellt werden.Furthermore, the device 100 can have a third interface 185 via which the programmable logic circuit 120 is provided with the parameter(s) for controlling the z-position of the bending beam 150 . The third interface 185 may include an ADC 183 if the parameter(s) are provided to the device 100 as analog signals.

Zudem kann die Vorrichtung 100 eine vierte Schnittstelle 195 umfassen. Die Führungsgröße oder der Soll-Wert w(t) für die Regelung kann der Vorrichtung 100 bzw. der programmierbaren logischen Schaltung 120 zugeführt werden. Falls der Soll-Wert der Regelung als analoges Zeitsignal verfügbar ist, weist die vierte Schnittstelle 195 einen ADC 193 auf, der das analoge Signal der Führungsgröße digitalisiert.In addition, the device 100 can include a fourth interface 195 . The command variable or the target value w(t) for the regulation can be supplied to the device 100 or the programmable logic circuit 120 . If the target value of the control is available as an analog time signal, the fourth interface 195 has an ADC 193 that digitizes the analog signal of the command variable.

In dem in der 1 dargestellten Beispiel erhält die Regelschleife 180 die Regelgröße 160 von dem optischen Detektionssystem 172. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass der Biegebalken 150 einen Sensor aufweist, der die Regelgröße 160 y_A(t) der Regelschleife 180 misst und über die erste Schnittstelle 105 der programmierbaren logischen Schaltung 120 der Vorrichtung 120 bereitstellt.In the in the 1 In the example shown, the control loop 180 receives the controlled variable 160 from the optical detection system 172. It is alternatively or additionally possible for the bending beam 150 to have a sensor that measures the controlled variable 160 y _A (t) of the control loop 180 and, via the first interface 105, programmable logic circuit 120 of device 120 provides.

Das obere Teilbild der 2 zeigt schematisch eine Messsonde 200, die zum Untersuchen einer Probe, etwa der lithographischen Maske 190 der 1 ausgelegt ist. Die Messsonde 200 umfasst ein Halteelement 210 oder eine Halteplatte 210, mit deren Hilfe die Messsonde 200 an einem Messkopf eines Rastersondenmikroskop befestigt werden kann (in der 2 nicht wiedergegeben). Beispielsweise kann das Halteelement 210 der Messsonde 200 an dem Piezo-Element 155 der 1 fixiert werden. Der Cantilever 220 der Messsonde trägt an seinem freien Ende eine Messspitze 230, die zum Abtasten der Fotomaske 190 eingesetzt werden kann. Die Messsonde 200 kann in einer der oben erläuterten Betriebsarten eingesetzt werden. Ihrem Einsatzzweck entsprechend weist der Biegebalken 220 der Messsonde 200 eine kleine Federkonstante im Bereich von 100 N/m auf, sodass bereits eine geringe Wechselwirkung der Messspitze 230 von dem Detektionssystem 172 detektiert werden kann.The upper part of the picture 2 shows schematically a measurement probe 200 for examining a sample, such as the lithographic mask 190 of FIG 1 is designed. The measuring probe 200 comprises a holding element 210 or a holding plate 210, with the aid of which the measuring probe 200 can be attached to a measuring head of a scanning probe microscope (in FIG 2 not reproduced). For example, the holding element 210 of the measuring probe 200 on the piezo element 155 of 1 be fixed. At its free end, the cantilever 220 of the measuring probe carries a measuring tip 230 which can be used to scan the photomask 190 . The measuring probe 200 can be in one of the above explained operating modes are used. Corresponding to its intended use, the bending beam 220 of the measuring probe 200 has a small spring constant in the range of 100 N/m, so that even a small interaction of the measuring tip 230 can be detected by the detection system 172 .

Das untere Teilbild der 2 präsentiert schematisch einen Mikromanipulator 250 oder einen Nanomanipulator 250. Der Mikromanipulator 250 ist ähnlich aufgebaut wie die Messsonde 200. Allerdings weist der Mikromanipulator 250 zwei wesentliche Unterschiede zu der Messsonde 200 auf. Zum einen ist die Federkonstante des Biegebalkens 260 oder des Cantilevers 260 des Mikromanipulators 250 deutlich größer als die der Messsonde 200. Damit kann der Mikromanipulator 250 größere Kräfte auf eine Probe 190, etwa die Fotomaske 191, übertragen als die Messsonde 200. Zum anderen weist die Messspitze 270 des Cantilevers 260 an deren Spitze 280 eine lange dünne nadelförmige Spitze 290, die im Fachgebiet „Whisker“ genannt wird. Mit der nadelförmigen Spitze 290 kann der Mikromanipulator 250 beispielsweise einen Partikel von der Oberfläche 198 der Fotomaske 191 aufnehmen.The lower part of the picture 2 presents schematically a micromanipulator 250 or a nanomanipulator 250. The micromanipulator 250 is constructed similarly to the measuring probe 200. However, the micromanipulator 250 has two essential differences to the measuring probe 200. On the one hand, the spring constant of the bending beam 260 or the cantilever 260 of the micromanipulator 250 is significantly greater than that of the measuring probe 200. The micromanipulator 250 can thus transmit greater forces to a sample 190, such as the photomask 191, than the measuring probe 200. On the other hand, the Measuring tip 270 of the cantilever 260 at its tip 280 a long thin needle-shaped tip 290, which is called "whisker" in the art. The micromanipulator 250 can, for example, pick up a particle from the surface 198 of the photomask 191 with the needle-shaped tip 290 .

Die 3 präsentiert schematisch eine Sondenanordung 300, die fünf Sonden aufweist. Wie bereits in der 2 erläutert, weist die Sondenanordnung 300 ein Halteelement 310 auf zum Befestigen der Sondenanordnung 300 an einem Messkopf eines Rastersondenmikroskops (in der 3 nicht gezeigt). Die beispielhafte Sondenanordnung 300 der 3 umfasst zwei weiche Cantilever 315 und 325, die unterschiedliche Messspitzen 320 und 330 aufweisen. Diese beiden Sonden der Sondenanordnung 300 sind dazu ausgelegt, eine Probe durch Abtasten in einer der oben erläuterten Betriebsarten zu untersuchen. Die Cantilever oder Biegebalken 335, 345, 355 der Sondenanordnung 300 weisen verglichen mit den Cantilevers 315 und 325 eine große Federkonstante auf. Ferner haben die Messspitzen 340, 350, 360 der Cantilever 335, 345, 355 unterschiedlichen Formen, die dafür vorgesehen sind, durch mechanischen Kontakt mit der Probe, diese zu bearbeiten, beispielsweise durch Abtragen von Material von der Oberfläche der Probe. Somit können die einzelnen spezifischen Sonden der Sondenanordnung 300 in sequenzieller Abfolge sowohl zum Analysieren einer Probe als auch zum Bearbeiten der Probe 190 eingesetzt werden, ohne beispielsweise die Messsonde 200 gegen einen Mikromanipulator 250 austauschen zu müssen.the 3 FIG. 12 schematically presents a probe assembly 300 having five probes. As already in the 2 explained, the probe assembly 300 has a holding element 310 for attaching the probe assembly 300 to a measuring head of a scanning probe microscope (in FIG 3 Not shown). The exemplary probe assembly 300 of FIG 3 comprises two soft cantilevers 315 and 325, which have different measuring tips 320 and 330. These two probes of the probe assembly 300 are designed to examine a sample by scanning in one of the modes of operation discussed above. The cantilevers or flexures 335, 345, 355 of the probe assembly 300 have a large spring constant compared to the cantilevers 315 and 325. Furthermore, the measuring tips 340, 350, 360 of the cantilevers 335, 345, 355 have different shapes, which are intended to process the sample through mechanical contact with it, for example by removing material from the surface of the sample. Thus, the individual specific probes of the probe arrangement 300 can be used in sequential order both for analyzing a sample and for processing the sample 190 without having to exchange the measuring probe 200 for a micromanipulator 250, for example.

Die 4 zeigt die Zahlendarstellung im Dualsystem, d.h. einem auf der Basis zwei beruhendem Stellenwertsystem. Bei dieser Darstellung einer Ziffer Z in der Form Z = an•2n.+ an-1-2n-1, + ... + a1•21.+ ao•2o können die Koeffizienten a_o bis an nur die Werte o oder 1 annehmen. In dem Beispiel der 4 weist die binäre Zahl eine Bittiefe 400 von 8 Bit auf. Das Bit mit dem geringsten Stellenwert 410 (englisch: LSB, Least Significant Bit) steht ganz rechts in der binären Darstellung und das Bit mit dem höchsten Stellenwert 420 (englisch: MSB, Most Significant Bit) ist das am weitesten links stehende Bit. Die Anzahl der Bits, d.h. die Bittiefe 400 wird auch als Bitbreite oder Auflösung bezeichnet. Die Bittiefe 400 bestimmt die größte Ziffer, die in einem Binärsystem in einer Ganzzahldarstellung dargestellt werden kann. Bei einer Bittiefe von 8 sind dies beispielsweise die ganzen Zahlen 0 bis 255 ohne Vorzeichen (unsigned integer) und mit Vorzeichen (signed integer) das Intervall von -128 bis 127.the 4 shows the number representation in the binary system, ie a place value system based on the base two. In this representation of a digit Z in the form Z = an•2n.+ an-1-2n-1, + ... + a1•21.+ ao•2o, the coefficients a _o to an can only have the values o or 1 accept. In the example of 4 the binary number has a bit depth 400 of 8 bits. The least significant bit 410 (LSB, Least Significant Bit) is the rightmost bit in the binary representation, and the most significant bit 420 (MSB, Most Significant Bit) is the leftmost bit. The number of bits, ie the bit depth 400, is also referred to as bit width or resolution. Bit depth 400 determines the largest digit that can be represented in a binary system in an integer representation. With a bit depth of 8, for example, these are the whole numbers 0 to 255 without a sign (unsigned integer) and with a sign (signed integer) the interval from -128 to 127.

Die 5 gibt ein schematisches Blockschaltbild einer Regelschleife 180 wieder, die von einem PID-Reglers 500 betrieben wird. Der PID-Regler 500 umfasst einen P- (proportionalen) Regler 510, einen I- (integrierenden) Regler 520 und einen D- (differenzierenden) Regler 530 in Parallelschaltung. Eine Reihenschaltung des P-, I- und D-Gliedes des PID-Reglers 500 ist ebenfalls möglich (in der 5 nicht gezeigt).the 5 FIG. 12 provides a schematic block diagram of a control loop 180 operated by a PID controller 500. FIG. The PID controller 500 comprises a P (proportional) controller 510, an I (integrating) controller 520 and a D (differential) controller 530 connected in parallel. A series connection of the P, I and D elements of the PID controller 500 is also possible (in the 5 Not shown).

Von entscheidender Bedeutung für eine störungsfreie Funktion eines PID-Reglers 500 ist die Addition der Ausgangssignale 550, 555, 560 der einzelnen Regler 510, 520, 530. Falls der PID-Regler 500 in analoger Schaltungstechnik realisiert wird, wird typischerweise eine Parallelschaltung der P-, I- und D-Regler 510, 520, 530 gewählt, wenn ein elektrisches Stromsignal als Regelgröße 575 und Stellgröße 565 eingesetzt wird. Wird hingegen die Regelschleife 180 mit Hilfe eines elektrischen Spannungssignals betrieben, ist eine Reihen- oder Serienschaltung der Regler 510, 520, 530 vorteilhaft.The addition of the output signals 550, 555, 560 of the individual controllers 510, 520, 530 is of decisive importance for the trouble-free functioning of a PID controller 500. If the PID controller 500 is implemented using analog circuit technology, a parallel connection of the P , I and D controllers 510, 520, 530 are selected if an electrical current signal is used as the controlled variable 575 and manipulated variable 565. If, on the other hand, the control loop 180 is operated with the aid of an electrical voltage signal, a series connection of the controllers 510, 520, 530 is advantageous.

Die Führungsgröße 540 oder der Soll-Wert 540 w(t) wird dem PID-Regler 500 von außen vorgegeben. In dem Beispiel der 1 kann dies der zeitliche Verlauf des Abstands der Messspitze 152 des Biegebalkens 150 von der Oberfläche 198 einer Probe 190, etwa einer Fotomaske 191 sein. Wie bereits oben ausgeführt, wird der Abstand der Messspitze 152 des Biegebalkens 150 in der Regel durch Ermitteln der Krümmung, Verbiegung oder Auslenkung von dessen freiem Ende 152 bestimmt. Wie ebenfalls bereits im Kontext der 1 diskutiert, wird die von dem Detektionssystem 172 gemessene Regelgröße 575 oder der Ist-Wert 575 y(t) auf den Eingang des Reglers 500 rückgeführt und von der Führungsgröße 540 bzw. dem Soll-Wert 540 abgezogen. Die dadurch bestimmte Regelabweichung 545 e(t) = w(t) - y(t) wird den einzelnen Gliedern 510, 520, 530 des PID-Reglers 500 zugeführt.The reference variable 540 or the target value 540 w(t) is specified for the PID controller 500 from the outside. In the example of 1 This can be the time profile of the distance between the measuring tip 152 of the bending beam 150 and the surface 198 of a sample 190, for example a photomask 191. As already explained above, the distance between the measuring tip 152 of the bending beam 150 is usually determined by determining the curvature, bending or deflection of its free end 152 . As also already in the context of 1 discussed, the controlled variable 575 measured by the detection system 172 or the actual value 575 y(t) is fed back to the input of the controller 500 and subtracted from the reference variable 540 or the setpoint value 540 . The control deviation 545 e(t)=w(t)−y(t) determined in this way is supplied to the individual elements 510, 520, 530 of the PID controller 500.

Das P-Glied 510 des PID-Reglers 500 reagiert mit einer sprunghaften Verstärkung der Regelabweichung 545 oder des Fehlersignals 545 gemäß der Beziehung: u(t) = Kp•e(t) mit dem Verstärkungsfaktor 515 K_P. Dieses Verhalten ist im oberen Teilbild 610 der 6 illustriert. Das Teilbild 610 der 6 gibt eine ideale Ausgabe der Stellgröße 565 eines P-Reglers 510 wieder. Eine Implementierung des P-Gliedes 510 mit realen Bauteilen führt zu einem oder mehreren überschießenden Transienten der Stellgröße 565 u(t), bevor die Verstärkung des P-Gliedes 510 den durch den Verstärkungsfaktor 515 K_P vorgegebenen Wert annimmt (in dem Teilbild 610 der 6 nicht gezeigt). Die Reaktion der Messpitze 152 des Biegebalkens 150 auf eine abrupte Änderung der Stellgröße 565 y(t) ist deshalb gar nicht oder nur sehr schwer zu kontrollieren.The P element 510 of the PID controller 500 reacts with a sudden amplification of the control deviation 545 or the error signal 545 in accordance with the relationship: u(t) = Kp•e(t) with the amplification factor 515 K _P . This behavior is shown in the upper sub-image 610 of the 6 illustrated. The sub-image 610 of the 6 represents an ideal output of the manipulated variable 565 of a P controller 510. An implementation of the P-element 510 with real components leads to one or more overshooting transients of the manipulated variable 565 u(t) before the amplification of the P-element 510 assumes the value specified by the amplification factor 515 K _P (in sub-figure 610 of the 6 Not shown). The reaction of the measuring tip 152 of the bending beam 150 to an abrupt change in the manipulated variable 565 y(t) can therefore not be checked at all or only with great difficulty.

Bei einer erfindungsgemäßen Implementierung eines Reglers 140 zum Betreiben einer geschlossenen Regelschleife 180 in Form einer programmierbaren logischen Schaltung wird deshalb die Regelung immer mit einem verschwindenden Anteil des P-Gliedes 510 gestartet, um einen kurzzeitigen unkontrollierbaren Zustand des freien Endes 153 des Biegebalkens 150 und damit der Messspitze 152 des Biegebalkens 150 zu vermeiden. Insbesondere wird vor einem Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens 150 der Verstärkungsfaktor 515 Kp auf Null gesetzt.In an implementation according to the invention of a controller 140 for operating a closed control loop 180 in the form of a programmable logic circuit, the control is therefore always started with a vanishing portion of the P element 510 in order to avoid a brief uncontrollable state of the free end 153 of the bending beam 150 and thus the Measuring tip 152 of the bending beam 150 to avoid. In particular, before the mode of operation of the bending beam 150 is switched over, the amplification factor 515 Kp is set to zero.

Das 1-Glied 520 des PID-Reglers 500 wirkt durch eine zeitliche Integration der Regelabweichung 545 oder des Fehlersignals 545 auf die Stellgröße 565: $u (t) = \frac{1}{T_{N}} \int_{0}^{t} e (τ) d τ,$

wobei der Verstärkungsfaktor 525 K_I durch die Nachstellzeit T_N bestimmt ist: K_I = 1/T_N. Eine zeitlich konstante Regelabweichung 545 e(t) = C führt von einem Anfangswert der Stellgröße u_i(t) ausgehend zu einem linearen Anstieg der Stellgröße 565: u(t) = u_i(t) + KI•C•t. Das untere Teilbild 650 der 6 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Stellgröße 565 für ein I-Glied 520 für die Bedingungen: e(t) = C und ui(t) = o.The 1-element 520 of the PID controller 500 acts on the manipulated variable 565 by integrating the system deviation 545 or the error signal 545 over time:

and (t) = \frac{1}{T_{N}} \int_{0}^{t} e (τ) i.e τ,

where the amplification factor 525 K _I is determined by the reset time T _N : K _I =1/T _N . Starting from an initial value of the manipulated variable u _i (t), a system deviation 545 e(t)=C that is constant over time leads to a linear increase in the manipulated variable 565: u(t)=u _i (t)+KI•C•t. The lower sub-image 650 of the 6 illustrates the time course of the manipulated variable 565 for an I element 520 for the conditions: e(t) = C and ui(t) = o.

In einer erfindungsgemäßen Implementierung eines Reglern 140 mit Hilfe einer programmierbaren logischen Schaltung 120 wird vor einem Umschalten zwischen zwei Betriebsarten des Biegebalkens 150 die Regelung eingefroren. Dies bedeutet, die Stellgröße 170, 565 u(t) wird auf dem letzten Zahlenwert festgehalten: u(t) = u(t_o). Erreicht wird dieser Zustand indem die Regelabweichung oder das Fehlersignal 545 zum Zeitpunkt t_o zu Null gesetzt wird: e(t_o) = o. Dadurch kann zuverlässig verhindert werden, dass die Stellgröße 565 des I-Gliedes 520 des PID-Reglers 500 einen Schaltransienten erzeugt, der in einer unkontrollierten Bewegung der Messsitze 152 des Biegebalkens 150 resultiert.In an implementation according to the invention of a controller 140 using a programmable logic circuit 120, the controller is frozen before switching between two operating modes of the bending beam 150. This means that the manipulated variable 170, 565 u(t) is held at the last numerical value: u(t) = u(t _o ). This state is achieved by setting the control deviation or the error signal 545 to zero at the time t _o : e(t _o )=o generated, which results in an uncontrolled movement of the measuring seats 152 of the bending beam 150.

Das D-Glied 530 des PID-Reglers 500 bildet einen Differenzier: $u (t) = T_{V} \cdot \frac{d}{d t} e (t), wo -$

bei die Vorhaltzeit T_N der Verstärkung K_D 535 oder dem Differenzierbeiwert K_D 535 entspricht. Das D-Glied 530 reagiert nicht auf die Größe der Regelabweichung 545 sondern nur auf deren Änderungsgeschwindigkeit. Aufgrund des differentiellen Verhaltens hat das D-Glied 530 des PID-Reglers 500 die Eigenschaft, schnelle Änderungen der Regelabweichung 545 in noch schnellere Änderungen der Stellgröße 565 für die Regelschleife 180 umzusetzen.The D element 530 of the PID controller 500 forms a differentiator:

and (t) = T_{V} \cdot \frac{i.e}{i.e t} e (t), Where -

where the derivative action time T _N corresponds to the gain K _D 535 or the differential coefficient K _D 535. The D-element 530 does not react to the size of the control deviation 545 but only to the speed at which it changes. Due to the differential behavior, the D element 530 of the PID controller 500 has the property of converting rapid changes in the system deviation 545 into even faster changes in the manipulated variable 565 for the control loop 180 .

Es ist ein zentraler Punkt der in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtung 100, dass diese unter allen Umständen ein sicheres Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsarten des Biegebalkens 150 ermöglicht. Insbesondere soll dies auch unter der Bedingung gelten, dass die Messspitze 152 des Biegebalkens 150 sich im Wechselwirkungsbereich mit der Probe 190 befindet. Deshalb verzichtet ein in dieser Anmeldung beschriebener Regler 140 vorzugsweise auf die Implementierung eines D-Gliedes 530. Vielmehr realisiert der Regler 140 einen PI-Regler mit den oben beschriebenen Eigenschaften. Aus den oben erläuterten Gründen ist es günstig, wenn das 1-Glied 520 des PI-Reglers dessen Regelverhalten dominiert oder bestimmt.It is a central point of the device 100 described in this application that it enables safe switching between different operating modes of the bending beam 150 under all circumstances. In particular, this should also apply under the condition that the measuring tip 152 of the bending beam 150 is in the area of interaction with the sample 190 . Therefore, a controller 140 described in this application preferably dispenses with the implementation of a D element 530. Rather, the controller 140 implements a PI controller with the properties described above. For the reasons explained above, it is favorable if the 1-element 520 of the PI controller dominates or determines its control behavior.

Die 7 veranschaulicht ein Beispiel der Realisierung eines I-Reglers 700 oder eines I-Gliedes 700 in einer hybriden Schaltung, die einen analogen 750 und einen digitalen Anteil 770 aufweist. Das I-Glied 520 umfasst als wesentliche Komponenten im analogen Schaltungsteil 750 zwei Komparatoren 710 und 720 und im digitalen Schaltungsteil 770 einen Zähler 730 sowie einen Digital-Analog Umsetzer (DAC) 740. Der Zähler 730 kann als Integrator betrachtet werden, der innerhalb eines Zeitintervalls seinen Inhalt um eine Einheit ändert, d.h. erhöht bzw. vermindert oder seinen Inhalt nicht ändert.the 7 FIG. 7 illustrates an example of the implementation of an I controller 700 or an I element 700 in a hybrid circuit having an analog 750 and a digital 770 portion. The I element 520 comprises two comparators 710 and 720 as essential components in the analog circuit part 750 and a counter 730 and a digital-to-analog converter (DAC) 740 in the digital circuit part 770. The counter 730 can be regarded as an integrator which within a time interval changes its content by one unit, ie increases or decreases it, or does not change its content.

Die Komparatoren 710 und 720 sind in dem in der 7 dargestellten Beispiel analoge Bauteile. Deshalb können der Soll-Wert w(t) und der Ist-Wert y(t) den Komparatoren 719, 720 der hybriden Schaltung als analoge Signale zugeführt werden. Somit kommt diese Implementierung ohne Analog-Digital-Umsetzer (ADC) für die Signale w(t) und y(t) aus.Comparators 710 and 720 are in FIG 7 shown example analog components. Therefore, the target value w(t) and the actual value y(t) can be fed to the comparators 719, 720 of the hybrid circuit as analog signals. Thus, this implementation does not require an analog-to-digital converter (ADC) for the signals w(t) and y(t).

Die beiden Komparatoren 710 und 720 weisen Schwellenwerte auf, die durch eine Totzone DB (Dead Band) voneinander getrennt sind. Falls die Differenz zwischen dem Soll-Wert w(t) und dem Ist-Wert, d.h. die Regelabweichung e(t), innerhalb der Totzone ist, ändern sich die Ausgänge der Komparatoren 710 und 720 nicht. Der Komparator 710 erhöht den Inhalt des Zählers 730 innerhalb eines Taktzyklus um eine Einheit, wenn der Unterschied zwischen der Führungsgröße oder dem Soll-Wert w(t) und der Regelgröße oder dem Ist-Wert y(t) größer als das Intervall der Totzone ist. Ist hingegen der Unterschied zwischen dem Ist-Wert y(t) und dem Soll-Wert w(t) kleiner als das Intervall der Totzone, veranlasst der Komparator 720 eine Verringerung des Inhalts des Zählers 730 innerhalb des Taktzyklus um eine Einheit.The two comparators 710 and 720 have threshold values which are separated from one another by a dead zone DB (dead band). If the difference between the target value w(t) and the actual value, ie the control deviation e(t), is within the dead zone, the outputs of the comparators 710 and 720 do not change. The comparator 710 increases the content of the counter 730 within one clock cycle by one unit when the difference between the reference variable or the desired value w(t) and the controlled variable or the actual value y(t) is greater than the interval of the dead zone. If, on the other hand, the difference between the actual value y(t) and the setpoint value w(t) is less than the interval of the dead zone, the comparator 720 causes the content of the counter 730 to be reduced by one unit within the clock cycle.

Da der Inhalt des Zählers 730 sich innerhalb eines Taktes um nicht mehr als eine Einheit ändert, arbeitet das I-Glied 700 der 7 in jedem Betriebszustand ohne Transienten. Zudem kommt das I-Glied 700 mit einem Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 740 aus. In dem Beispiel der 7 weisen der Zähler 730 und der DAC 740 jeweils eine Bittiefe von 16 Bit auf. Es ist selbstredend auch möglich, das I-Glied 700 für andere Bittiefen auszulegen. Die in der 7 angegebene Konfiguration weist jedoch Nachteile bei großen Regelabweichungen e(t) auf. Auch in diesen Fällen reagiert das 1-Glied 700 nur durch Ändern der Stellgröße u(t) um eine Einheit innerhalb eines Taktzyklus.Since the content of the counter 730 does not change by more than one unit within one cycle, the I-gate 700 of the 7 in any operating condition without transients. In addition, the I element 700 makes do with a digital-to-analog converter (DAC) 740 . In the example of 7 the counter 730 and the DAC 740 each have a bit depth of 16 bits. It is of course also possible to design the I element 700 for other bit depths. The one in the 7 However, the configuration given has disadvantages in the case of large control deviations e(t). In these cases, too, the 1-element 700 only reacts by changing the manipulated variable u(t) by one unit within one clock cycle.

Die 8 präsentiert eine vollständig digitale Implementierung eines I-Gliedes 800 oder eines I-Reglers 800 in einer programmierbaren logischen Schaltung 120 der Vorrichtung 100. In dem in der 8 dargestellten Beispiel weisen der Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 810 für die Regelgröße y(t) und der Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 890 für die Stellgröße u(t) jeweils eine Bittiefe von 16 Bit auf. Diese Bittiefe ist lediglich beispielhaft und für eine erfindungsgemäße Auslegung einer Vorrichtung 100 zum Betreiben einer Regelschleife 180 nicht zwingend. Ferner ist es nicht notwendig, dass der ADC 810 die gleiche Bittiefe aufweist, wie der DAC 890. Ferner ist es nicht notwendig, dass die Regelgröße y(t) und/oder die Stellgröße u(t) eine Bittiefe in Form einer Potenz 2ⁿ aufweist. Vielmehr kann mit Hilfe der programmierbaren logischen Schaltung 120 eine beliebige Bittiefe für die Regelgröße und/oder die Stellgröße realisiert werden.the 8th presents an all digital implementation of an I gate 800 or an I controller 800 in a programmable logic circuit 120 of the device 100. In the in FIG 8th In the example shown, the analog-to-digital converter (ADC) 810 for the controlled variable y(t) and the digital-to-analog converter (DAC) 890 for the manipulated variable u(t) each have a bit depth of 16 bits. This bit depth is merely an example and is not mandatory for an inventive design of a device 100 for operating a control loop 180 . Furthermore, it is not necessary for the ADC 810 to have the same bit depth as the DAC 890. Furthermore, it is not necessary for the controlled variable y(t) and/or the manipulated variable u(t) to have a bit depth in the form of a power of 2 ⁿ having. Rather, any desired bit depth for the controlled variable and/or the manipulated variable can be implemented with the aid of the programmable logic circuit 120 .

In der in der 8 dargestellten beispielhaften Realisierung des I-Reglers 800 sind die Bestimmung der Regelabweichung e(t) und die Multiplikation der Regelabweichung oder des Fehlersignals e(t) gegenüber dem Blockdiagramm des Reglers 500 der 5 vertauscht. In dem Beispiel der 8 wird die digitalisierte Regelgröße y(t), die eine Bittiefe von 16 Bit aufweist, mit dem Verstärkungsfaktor K_I oder der Nachstellzeit T_N des I-Gliedes 800 multipliziert. Der Parameter 830 K_I weist im diskutierten Beispiel eine Bittiefe oder eine Bitbreite von 8 Bit auf. Das Produkt aus beiden Zahlen K_I•y(t) weist eine Bittiefe von 24 Bit auf. Dies entspricht der Summe der Bittiefen der beiden Faktoren. Dieses Phänomen wird in der englischsprachigen Literatur als „bit growth“ bezeichnet.In the in the 8th The exemplary implementation of the I controller 800 illustrated is the determination of the system deviation e(t) and the multiplication of the system deviation or the error signal e(t) compared to the block diagram of the controller 500 in FIG 5 reversed. In the example of 8th the digitized controlled variable y(t), which has a bit depth of 16 bits, is multiplied by the gain factor K _I or the reset time T _N of the I element 800 . In the example discussed, the parameter 830 K _I has a bit depth or a bit width of 8 bits. The product of the two numbers K _I •y(t) has a bit depth of 24 bits. This corresponds to the sum of the bit depths of the two factors. This phenomenon is referred to as "bit growth" in the English-language literature.

Die Führungsgröße oder der Soll-Wert w(t), die der Subtraktionseinheit 850 zugeführt wird - um in dem Beispiel der 8 die Vertauschung von Multiplikation und Subtraktion zu kompensieren - wird ebenfalls mit dem Verstärkungsfaktor K_I multipliziert, wodurch die Bittiefe dieses Eingangssignals 840 K_I•w(t) von 16 Bit auf 24 Bit erhöht wird. Die Subtraktionseinheit 850 liefert die mit dem Verstärkungsfaktor K_I multiplizierte Fehlerabweichung K_I•e(t) mit einer Bittiefe von 24 Bit. Dieses Signal wird in dem Accumulator 860 synchron mit dem Taktsignal 895 numerisch integriert, d.h. als Funktion der Zeit aufsummiert. Die Integriereinheit 860 weist eine Bittiefe oder eine Bitbreite von 24 Bit auf. Damit ist der Akkumulator 860 dafür ausgelegt, das mit dem Verstärkungsfaktor K_I 840 multiplizierte Fehlersignal e(t) oder die Regelabweichung e(t) ohne jede Beschränkung eines oder beider Faktoren der Multiplikation zu integrieren.The reference variable or the desired value w(t) which is fed to the subtraction unit 850 - in the example of FIG 8th to compensate for the permutation of multiplication and subtraction - is also multiplied by the gain factor K _I , whereby the bit depth of this input signal 840 K _I •w(t) is increased from 16 bits to 24 bits. The subtraction unit 850 supplies the error deviation K _I •e(t) multiplied by the gain factor K _I with a bit depth of 24 bits. This signal is numerically integrated in the accumulator 860 synchronously with the clock signal 895, ie summed up as a function of time. Integrating unit 860 has a bit depth or bit width of 24 bits. Thus, the accumulator 860 is designed to integrate the error signal e(t) multiplied by the gain factor K _I 840 or the error signal e(t) without any restriction of one or both factors of the multiplication.

Damit umgeht ein entsprechend der vorliegenden Anmeldung ausgelegtes Integrierglied 800, die Beschränkungen, die ein auf 16 Bit beschränkter Akkumulator 860, d.h. ein auf 16 Bit beschränktes Register des Prozessors der programmierbaren logischen Schaltung 120 aufweist. Vielmehr ermöglicht der I-Regler 800 der 8 die Integration auch kleiner Regelabweichungen e(t) und damit eine hoch präzise Ermittlung einer Stellgröße 870 u(t).Thus, an integrator 800 designed according to the present application circumvents the limitations of a 16-bit limited accumulator 860, ie, a 16-bit limited register of the processor of the programmable logic circuit 120. Rather, the I controller 800 allows the 8th the integration of even small control deviations e(t) and thus a highly precise determination of a manipulated variable 870 u(t).

Beim Einsatz eines 24 Bit breiten oder tiefen DAC kann, die Stellgröße 870 ohne jede Näherung als analoges Signal u_A(t) dem Piezo-Element 155 zum Bewegen des Biegebalkens 150 bereitgestellt werden. Diese Ausführungsform ist in der 8 nicht dargestellt. Vielmehr wird in der 8 das 24 Bit tiefe Signal des Akkumulators 860 auf eine 16 Bit breite oder tiefe Stellgröße 870 reduziert, indem die 8 Bits mit den geringsten Stellenwerten abgeschnitten werden. Die Stellgröße 870 u(t) mit den 16 Bits mit den höchsten Stellenwerten des Akkumulators 860 werden dem DAC 890 zugeführt, der dieses Signal in ein analogen Stellgrößensignal u_A(t) umsetzt. Je nach Bedarf kann das Ausgangsignal des Akkumulators 860, das die Stellgröße der Regelschleife 180 bereitstellt, auf eine Bittiefe verringert werden, die zwischen der Bittiefe des Accumulators 860 und der Bitbreite des ADC 810 liegt. Falls die Anforderungen an die Präzision der Regelschleife nicht besonders hoch sind, kann zum Generieren des analogen Stellgrö-ßensignals ein DAC eingesetzt werden, dessen Bittiefe geringer ist als die Bittiefe des ADC 810.When using a 24-bit wide or low DAC, the manipulated variable 870 can be provided to the piezo element 155 for moving the bending beam 150 as an analog signal u _A (t) without any approximation. This embodiment is in the 8th not shown. Rather, in the 8th reduces the 24-bit deep accumulator 860 signal to a 16-bit wide or deep manipulated variable 870 by truncating the 8 least significant bits. The manipulated variable 870 u(t) with the 16 most significant bits of the accumulator 860 are fed to the DAC 890, which converts this signal into an analog manipulated variable signal u _A (t). The output signal of the accumulator 860, which provides the manipulated variable of the control loop 180, can be reduced to a bit depth which is between the bit depth of the accumulator 860 and the bit width of the ADC 810, as required. If the demands on the precision of the control loop are not particularly high, a DAC with a bit depth that is less than the bit depth of the ADC 810 can be used to generate the analog manipulated variable signal.

Die 9 zeigt die Auslegung 900 eines PID-Reglers 500 in einer programmierbaren logischen Schaltung 120 einer Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik. Dieser wird anhand von 16 Bit tiefen digitalen Signalen erläutert. Dies bedeutet, der ADC 810 und der DAC 890 weisen jeweils eine Bittiefe von 16 Bit auf. Dieser Sachverhalt ist in der 9 durch die jeweils am Eingang bzw. am Ausgang angegebene Zahl 16 symbolisiert. Wie bereits oben ausgeführt, wird der Ist-Wert oder die digitalisierte Regelgröße y(t) von dem Soll-Wert oder der digitalisierten Führungsgröße w(t) durch die Einheit 850 subtrahiert. Die so erzeugte Regelabweichung e(t) wird einem oder mehreren Gliedern 510, 520, 530 des PID-Reglers 500 zugeführt. Das bzw. die verschiedenen Glieder 510, 520, 530 des PID-Reglers 500 sind in der 9 durch Rückführungs- oder Rückkopplungs-Register 920 symbolisiert. In den Rückkopplungs-Registern 920 wird die 16 Bit breite Regelabweichung e(t) mit den 8 Bit breiten Parametern oder Verstärkungsfaktoren Kp 515 und K_I 525 des proportionalen 510 und des integrierenden Anteils 520 des PID-Reglers 500 multipliziert. Um einen Überlauf der 16 Bit breiten Rückkopplungs-Register 920 durch die Multiplikation zu verhindern, müssen die zulässigen Wertebereiche für die Regelabweichung e(t) und/oder die Parameter K_P 515 und K_I 525 limitiert werden. Dies schränkt die Präzision für die Bestimmung der Stellgröße u(t) für die Regelschleife 180 aus der Regelabweichung e(t) drastisch ein.the 9 9 shows the layout 900 of a PID controller 500 in a programmable logic circuit 120 of a device 100 according to the prior art. This is explained using 16-bit deep digital signals. This means that the ADC 810 and the DAC 890 each have a bit depth of 16 bits. This fact is in the 9 symbolized by the number 16 indicated at the entrance or at the exit. As already explained above, the actual value or the digitized controlled variable y(t) is subtracted by the unit 850 from the setpoint value or the digitized reference variable w(t). The control deviation e(t) generated in this way is supplied to one or more elements 510, 520, 530 of the PID controller 500. The or the various members 510, 520, 530 of the PID controller 500 are in the 9 symbolized by feedback register 920. In the feedback registers 920, the 16-bit wide control deviation e(t) is multiplied by the 8-bit wide parameters or gain factors Kp 515 and K _I 525 of the proportional 510 and the integrating component 520 of the PID controller 500. In order to prevent the 16-bit wide feedback register 920 from overflowing as a result of the multiplication, the permissible value ranges for the control deviation e(t) and/or the parameters K _P 515 and K _I 525 must be limited. This drastically limits the precision for determining the manipulated variable u(t) for the control loop 180 from the control deviation e(t).

Die 10 gibt eine Implementierung 1000 eines PI-Reglers in einer programmierbaren logischen Schaltung 120 an, die die oben erörterten Einschränkungen vermeidet. In der in der 10 präsentierten Auslegung 1000 weisen die Rückkopplungs-Register 1060 eine Bittiefe von 24 Bit auf. Das Produkt aus der Regelabweichung e(t) und den Parametern 515, 525 bzw. Verstärkungsfaktoren K_P und K_I kann ohne Einschränkung verarbeitet werden. Erst am Ende des Bearbeitungsprozesses wird die digitalisierte Stellgröße u_F(t) von einer 24 Bit-Darstellung auf eine Bittiefe von 16 Bit reduziert. Die Datenreduktion geschieht in systematischer Weise in der Datenverringerungseinheit 1050 durch das Eliminieren der Bits mit den geringsten Stellenwerten (LSBs). Damit trotz der vorgenommenen Datenverringerung der PI-Regler der 10 schnell reagieren kann, ist es vorteilhaft, einen ADC 810 zu verwenden, dessen Abtastrate wesentlich größer als die Umwandlungsrate des DAC 890 ist. Der Unterschied in den Taktraten des ADC 810 und des DAC 890 könnte beispielsweise einen Faktor 128 betragen, etwa 2,56 MHz für den ADC 890 und 20 kHz für den DAC 890.the 10 Figure 12 provides an implementation 1000 of a PI controller in a programmable logic circuit 120 that avoids the limitations discussed above. In the in the 10 In the configuration 1000 presented, the feedback registers 1060 have a bit depth of 24 bits. The product of the control deviation e(t) and the parameters 515, 525 or gain factors K _P and K _I can be processed without restrictions. Only at the end of the processing process is the digitized manipulated variable u _F (t) reduced from a 24-bit representation to a bit depth of 16 bits. The data reduction is done in a systematic manner in the data reduction unit 1050 by eliminating the least significant bits (LSBs). Thus, despite the data reduction made, the PI controller of the 10 can respond quickly, it is advantageous to use an ADC 810 with a sample rate that is significantly greater than the conversion rate of the DAC 890. For example, the difference in the clock rates of the 810 ADC and the 890 DAC could be a factor of 128, approximately 2.56 MHz for the 890 ADC and 20 kHz for the 890 DAC.

Die 11 gibt eine Tabelle wieder, die Simulationsergebnisse des I-Reglers 800 der 8 zusammenfasst. In der ersten Spalte sind verschiedene Werte der Führungsgröße oder der Soll-Werte, die dem I-Regler 800 vorgegeben werden, zusammengefasst. Der Zahlenbereich dieser Größe reicht von 1 bis 32767, der größten mit Vorzeichen behafteten 16 Bit Ziffer. Die zweite Spalte gibt die eingestellten Werte des Parameters 525 K_I wieder. Diese weisen die beiden Extremwerte auf, nämlich den kleinsten Zahlenwert in den oberen vier Zeilen und den größten Zahlenwert in den untersten zwei Zeilen der Tabelle. In der dritten Spalte sind die Werte der Regelabweichung e(t) zusammengefasst. Die Zahlenwerte für die Regelabweichung überstreichen ebenfalls den kompletten Wertebereich, der mit einer Bittiefe von 16 Bit dargestellt werden kann.the 11 shows a table, the simulation results of the I controller 800 of the 8th summarizes. In the first column, different values of the command variable or the setpoint values that are specified for the I controller 800 are summarized. The number range of this size is from 1 to 32767, the largest signed 16-bit digit. The second column shows the set values of parameter 525 K _I. These show the two extreme values, namely the smallest numerical value in the top four rows and the largest numerical value in the bottom two rows of the table. The values of the control deviation e(t) are summarized in the third column. The numerical values for the control deviation also cover the entire value range, which can be represented with a bit depth of 16 bits.

Die vierte Spalte und die sechste Spalte reproduzieren den Inhalt des Akkumulators 860 nach 128 bzw. nach 256 Taktzyklen. Die fünfte und die siebte Spalte geben die auf 16 Bit reduzierte Stellgröße u(t) wieder, wobei die 8 Bits mit den geringsten Stellenwerten gestrichen wurden. Aus der Tabelle der 11 ist ersichtlich, dass der Akkumulator 860 mit den durch die Multiplikation von e(t) und K_I entstehenden riesigen Zahlenwerten umgehen kann und diese am Ausgang des I-Reglers 800 zu einem glatten problemlosen Signalverlauf führen. Eine Ausnahme bildet lediglich die extreme Situation maximaler Regelabweichung e(t) bei gleichzeitig maximalem Wert des Parameters K_I 525. Ein Überlauf des Accumulators 860 tritt nur bei extremen Werten der Regelabweichung und nach 256 Taktzyklen auf. Der I-Regler 800 sollte die extremen Werte der Regelabweichung e(t) jedoch zeitnah korrigieren, bevor diese nach 256 Taktzyklen zu einem Überlauf des Akkumulators 860 führen.The fourth column and sixth column reproduce the contents of accumulator 860 after 128 and 256 clock cycles, respectively. The fifth and seventh columns show the manipulated variable u(t) reduced to 16 bits, with the 8 bits with the lowest significant values being deleted. From the table of 11 it can be seen that the accumulator 860 can handle the huge numerical values resulting from the multiplication of e(t) and K _I and that these result in a smooth, problem-free signal curve at the output of the I controller 800. The only exception is the extreme situation of maximum system deviation e(t) with a simultaneous maximum value of the parameter K _I 525. An overflow of the accumulator 860 only occurs with extreme values of the system deviation and after 256 clock cycles. However, the I controller 800 should promptly correct the extreme values of the system deviation e(t) before they lead to an overflow of the accumulator 860 after 256 clock cycles.

Die 12 zeigt ein schematisches Schaubild eines PI-Reglers 1200 auf Registertransferebene (RTL, Register Transfer Level). Zum Realisieren des anhand der 8 beschriebenen I-Gliedes 800 beinhaltet der PI-Regler 1200 den Multiplizierer 1210, der die Regelabweichung e(t), die in einer 16 Bit-Darstellung vorliegt, mit dem Parameter K_I 525 des Reglers, der eine Bittiefe von 8 Bit aufweist, ohne Einschränkung multiplizieren kann. Das 24 Bit breite oder tiefe Produkt wird von dem 32 Bit breiten Akkumulator 1220 integriert. Der Akkumulator 1220 gibt die 16 Bits mit den höchsten Stellenwerten als Stellgröße des integrierenden Gliedes u_I(t) an den Addierer 1225 weiter. Die 16 Bit mit den niedrigen Stellenwerten verwirft der Accumulator 1220.the 12 12 shows a schematic diagram of a register transfer level (RTL) PI controller 1200 . To realize the based on the 8th described I-member 800 includes the PI controller 1200, the multiplier 1210, the deviation e (t), which is present in a 16-bit representation, with the parameter K _I 525 of the controller, which has a bit depth of 8 bits, without constraint can multiply. The 24-bit wide or deep product is integrated by the 32-bit wide accumulator 1220. The accumulator 1220 forwards the 16 bits with the most significant values to the adder 1225 as the manipulated variable of the integrating element u _I (t). The Accumulator 1220 discards the 16 bits with the low order values.

Neben einem integrierenden Glied 1210,1220 beinhaltet der PI-Regler 1200 der 12 auch einen proportionalen Anteil. Hierfür weist der P-Regler 1200 den Multiplizierer 1230 auf. Die Problematik eines proportionalen Anteils, insbesondere im Hinblick auf ein Umschalten der Betriebsart des Biegebalkens 150 ist oben bereits im Kontext der 5 detailliert diskutiert worden. Aus den angegebenen Gründen soll in dem PI-Regler 1200 der integrierende Anteil 1210, 1220 dessen Regelverhalten bestimmen. Deshalb ist in dem PI-Regler der 12 der Multiplizierer 1230 lediglich mit einer Bittiefe von 16 Bit ausgeführt. Es ist natürlich auch möglich, den proportionalen Zweig des PI-Reglers 1200 bei Bedarf in einer größeren Bittiefe auszuführen. Die Stellgröße des proportionalen Anteils up(t) und des integrierenden Gliedes u_I(t) werden von dem Addierer 1225 zur Stellgröße u(t) kombiniert.In addition to an integrating element 1210.1220 includes the PI controller 1200 of 12 also a proportionate share. The P controller 1200 has the multiplier 1230 for this purpose. The problem of a proportional component, in particular with regard to switching the operating mode of the bending beam 150, has already been discussed above in the context of FIG 5 been discussed in detail. For the reasons given, the integrating component 1210, 1220 in the PI controller 1200 should determine its control behavior. Therefore, in the PI controller 12 the multiplier 1230 is only implemented with a bit depth of 16 bits. It is of course also possible to implement the proportional branch of the PI controller 1200 with a greater bit depth if required. The manipulated variable of the proportional component up(t) and des integrating element u _I (t) are combined by the adder 1225 to the manipulated variable u(t).

Als Regelgröße w(t) kann der PI-Regler 1200 die Änderung der auf den Biegebalken wirkenden Kraft einsetzen. Dies ist in der 12 durch den Pfeil 1240 symbolisiert. Alternativ kann der PI-Regler 1200 die Auslenkung des freien Endes 153 des Biegebalkens 152 als Regelgröße y(t) 160 verwenden. Im Detail wird in dem Nicht-Kontakt-Modus typischerweise die Amplitude und/oder die Frequenzverschiebung des oszillierenden Biegebalkens 150 als Regelgröße 160 benutzt. In der 12 ist der Einsatz dieser Größe als Regelgröße 160 durch den Pfeil 1250 veranschaulicht.The PI controller 1200 can use the change in the force acting on the bending beam as the controlled variable w(t). This is in the 12 symbolized by the arrow 1240. Alternatively, the PI controller 1200 can use the deflection of the free end 153 of the bending beam 152 as the controlled variable y(t) 160 . In detail, the amplitude and/or the frequency shift of the oscillating cantilever 150 is typically used as the controlled variable 160 in the non-contact mode. In the 12 the use of this variable as controlled variable 160 is illustrated by arrow 1250.

Die Pfeile 1260 und 1270 zeigen an, dass in dem PI-Regler 1200 sowohl der Verstärkungsfaktor K_P 515 des proportionalen Anteils als auch der Verstärkungsfaktor K_I 525 des integrierenden Gliedes bei Bedarf auf Null gesetzt werden kann. Dadurch können in allen Betriebszuständen des PI-Reglers 1200 das Auftreten von Schalttransient zuverlässig verhindert werden.The arrows 1260 and 1270 indicate that in the PI controller 1200 both the gain factor K _P 515 of the proportional component and the gain factor K _I 525 of the integrating element can be set to zero if required. As a result, switching transients can be reliably prevented from occurring in all operating states of the PI controller 1200 .

Schließlich gibt die 13 gibt ein Ablaufdiagramm 1300 eines Verfahrens wieder, das zum Betreiben zumindest eines Biegebalkens 150 in zumindest einer geschlossen Regelschleife 180 eingesetzt werden kann. Das Verfahren beginnt bei 1310. Bei Schritt 1320 wird zumindest eine Regelgröße 160 der zumindest einen Regelschleife 180 empfangen. Die Regelgröße 160 kann von einer ersten Schnittstelle 110 der Vorrichtung 100 empfangen werden.Finally there the 13 13 depicts a flowchart 1300 of a method that may be employed to operate at least one cantilever 150 in at least one closed loop control 180. FIG. The method begins at 1310. At step 1320, at least one controlled variable 160 of the at least one control loop 180 is received. The controlled variable 160 can be received by a first interface 110 of the device 100 .

Im nächsten Schritt 1330 wird eine Regelabweichung 545 der zumindest einen Regelschleife 180 mit einer Bittiefe 400 verarbeitet, die größer ist als die Bittiefe 400 der Regelgröße 160. Das Verarbeiten der Regelabweichung 545 kann mit zumindest einer programmierbaren logischen Schaltung 120 der Vorrichtung 100 erfolgen. Sodann wird bei Schritt 1340 eine Stellgröße 170 der zumindest einen Regelschleife 180 bereitgestellt. Das Bereitstellen der Stellgröße 170 kann mit Hilfe einer zweiten Schnittstelle 130 der Vorrichtung 100 erfolgen. Schließlich endet das Verfahren bei Schritt 1350.In the next step 1330, a system deviation 545 of the at least one control loop 180 is processed with a bit depth 400, which is greater than the bit depth 400 of the controlled variable 160. The system deviation 545 can be processed with at least one programmable logic circuit 120 of the device 100. A manipulated variable 170 of the at least one control loop 180 is then provided in step 1340 . The manipulated variable 170 can be provided with the aid of a second interface 130 of the device 100 . Finally, the method ends at step 1350.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 8925376 B2 [0014]
US 8459102 B2 [0014]
US8286261B2 [0016]

Claims

Device (100) for operating at least one bending beam (150) in at least one closed control loop (180), having: a. at least one first interface (110) which is designed to receive at least one controlled variable (160, 575) of the at least one control loop (180); b. at least one programmable logic circuit (120), which is designed to process a control deviation (545) of the at least one control loop (180) with a bit depth (400) that is greater than the bit depth (400) of the controlled variable (160, 575) ; c. wherein the at least one programmable logic circuit (120) is further configured to translate the cantilever (150) toward and/or away from a sample surface (198) over a predetermined distance at a predetermined rate; and i.e. at least one second interface (130), which is designed to provide a manipulated variable (170, 565) of the at least one control loop (180).

Device (100) according to the preceding claim, wherein the manipulated variable (170, 565) of the at least one control loop (180) has a bit depth (400) which corresponds to the bit depth (400) of the controlled variable (160, 575) of the at least one control loop (180 ) is equivalent to.

Device (100) according to claim 1 , wherein the manipulated variable (170, 565) of the at least one control loop (180) has a bit depth (400) that is greater than the bit depth (400) of the controlled variable (170, 575) of the at least one control loop (180).

Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the at least one programmable logic circuit (120) has a data reduction unit (1050) which is designed to reduce the bit depth (400) of the manipulated variable (170, 565) of the at least one control loop (180) to match the bit depth (400) of the controlled variable (160, 575) of the at least one control loop (180).

Device (100) according to the preceding claim, wherein the data reduction unit (1050) is designed to reduce the bit depth (400) of the at least one manipulated variable (170, 565) of the at least one control loop (180) by omitting a bit with a least significant value (410) or to decrease it by omitting several least significant bits.

Device (100) according to one of the preceding claims, further comprising: at least one third interface (185) which is designed to input at least one parameter (515, 525, 535) for setting the at least one control loop (180).

Device (100) according to the preceding claim, wherein the at least one parameter (515, 525, 535) has a bit depth (400) which is less than or equal to the bit depth (400) of the controlled variable (160, 575) of the at least one control loop (180 ) is.

Device (100) according to claim 6 or 7 , wherein the at least one parameter (515, 525, 535) comprises at least one element from the group: a gain of the controller (515), a reset time of the controller (525), and a derivative action time of the controller (535).

Device (100) according to one of Claims 6 - 8th , wherein the at least one programmable logic circuit (120) is designed to multiply the at least one parameter (515, 525, 535) by the control deviation (545) without previously carrying out a data reduction.

Device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the first interface (110) comprises an analog-to-digital converter (105) and the second interface (130) comprises a digital-to-analog converter (125), and wherein a sampling rate of the analog - Digital converter (105) is greater than a conversion rate of the digital-to-analog converter (125).

Device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the programmable logic circuit (120) is adapted to operate the at least one cantilever (150) in at least two of the following modes: a contact mode, a non-contact mode, a intermittent mode and a step-in mode.

Device (100) according to the preceding claim, wherein the programmable logic circuit (120) is adapted to switch between at least two of the operating modes of the bending beam (150) without losing control over a position of the bending beam (150).

Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the programmable logic circuit (120) is designed to adjust the manipulated variable (170, 565) of the at least one control loop (180) to a predetermined value before switching the operating mode of the bending beam (150). set.

Device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the programmable logic circuit (120) is designed to start a proportional portion of the control (1230) of the at least one control loop (180) after switching an operating mode from a value of zero.

Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the programmable logic circuit (120) is designed to reduce the proportional component (1230) of the at least one control loop (180) to zero before switching the operating mode of the bending beam (150).

The device (100) of any preceding claim, wherein the programmable logic circuit (120) comprises at least one of the group: a programmable logic array (PLA), a complex programmable logic device (CPLD). ), and a field programmable gate array (FPGA).

Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the at least one bending beam (150) comprises an element from the group: a cantilever with a measuring tip (200) of a scanning probe microscope, a probe arrangement (300) for a scanning probe microscope with at least two probes, the have different measuring tips for examining and/or for processing a sample (190), and at least one micromanipulator (250) for processing a sample (190).

Scanning probe microscope comprising at least one device (100) according to one of the preceding claims.

Method (1300) for operating at least one bending beam (150) in at least one closed control loop (180), the method (1300) having the steps: a. receiving at least one controlled variable (160, 575) of the at least one control loop (180); b. Processing a control deviation (545) of the at least one control loop (180) with a bit depth (400) that is greater than the bit depth (400) of the controlled variable (160, 575) with at least one programmable logic circuit (120); c. effecting a translation of the cantilever (150) toward and/or away from a sample surface (198) a predetermined distance at a predetermined rate; and i.e. Providing a manipulated variable (170, 565) of the at least one control loop (180).

Computer program comprising instructions that cause a computer system to carry out the steps of the method of claim 19 to be executed when the computer program is executed by the computer system.