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扫描探针显微镜智能自动化策略研究及应用

黄自元  
【摘要】:纳米科技已经成为二十一世纪最核心的技术之一,而纳米科技的竞争,很大程度上体现在纳米表征和纳米操纵仪器的竞争。提高作为纳米科技的“眼”和“手”的扫描探针显微镜(SPM)的测量和定位精度,是纳米仪器界始终追求的目标。本文就扫描探针显微镜自动化关键技术—压电执行器的滞后补偿控制和非线性、非正交误差校正以及SPM标定等问题,进行了深入分析和应用研究,主要成果如下: (1).针对扫描探针显微镜控制系统中包括z方向执行器、探针和被测样品在内的广义被控对象存在的大滞后问题,设计了鲁棒自整定Smith预估控制器,使得闭环系统不仅具有在过程增益、滞后时间和时间常数等动态性能参数变化时的鲁棒稳定性,而且具有良好的动态特性,如小超调、快响应速度和强抗干扰能力等等。 (2).针对传统DNA计算中存在的设计变量编码长度与计算精度之间的矛盾,提出了自适应范围DNA(ARDNA)软计算方法,将设计变量取值范围自适应机制引入DNA软计算,给出了基于标准正态分布表计算分位数Pr的简化公式,通过有限长的DNA编码实现了预定的计算精度。函数优化应用实例表明了ARDNA对设计变量的取值范围无需先验知识,且具有较强的全局搜索能力。 (3).针对扫描探针显微镜中x、y压电执行器的回滞非线性问题,提出了回滞非线性在线辨识和实时校正策略。该策略中,首先基于对x、y压电执行器的非线性特性分析,建立了其回滞非线性参数化模型结构,采用ARDNA软计算方法,同时优化模型结构和模型参数,获取压电执行器最优回滞非线性模型。接着,将所获得的回滞非线性模型作为参考模型,通过设计增量式反馈控制器,构建压电执行器回滞伪逆模型。然后,为消除压电执行器回滞非线性建模误差,采用递推最小二乘法(简称RLS),在线辨识压电执行器,实时修正其参考模型,以确保所构建伪逆模型逼近其逆模型。最后,压电执行器与其伪逆模型串连,实现了回滞 非线性校正.数字仿真结果验证了算法的有效性。 (4).智能校正和标定的实现策略研究。为获取x、y压电执行器的输入一输出 数据,以建立其模型,给出了基于一维或二维标准光栅SPM图像的特征数据测量 算法。根据sPM扫描机理并考虑压电执行器回滞非线性影响,提出了x、y压电 执行器双向多项式模型,给出了相应的非线性校正算法。基于经非线性校正的二 维标准光栅的sPM图像,给出了x、y压电执行器夹角测量算法和非正交误差校 正算法.另外,基于本文引入的压电执行器标定因子的概念,提出了相应的标定 算法. (5).基于上海爱建纳米科技发展有限公司研制的AJ一I等系列产品的系统框 架,将系统辨识、Smith预估和PI控制相结合,开发了Smith在线辨识预估+PI 控制算法,并嵌入到AJ一I型扫描隧道显微镜(sTM)注’的DsP控制器中,获得 良好的控制效果,基本满足了STM对恒流的要求。将x、y压电执行器非线性、 非正交误差校正和sPM标定算法编制到AJ一m型原子力显微镜(AFM)注2的 DsP控制器中,并开发了一套SPM中压电执行器模型参数与x、y方向压电执行 器夹角和标定因子等参数的获取软件,以配合实现非线性、非正交误差校正和sPM 标定。实验结果表明:l)仅需用户点击几次鼠标,即可得到压电执行器模型参数 以及x、y方向压电执行器夹角和标定因子等参数,实现非线性和非正交误差校正, 基本消除了图像特征扭曲;2)仅仅通过设定和修改x、y方向压电执行器标定因 子,即可实现扫描探针显微镜的标定,在降低了标定复杂度的同时,提高了标定 精度,从而增强了SPM自动化和智能化程度。


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