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新型数字式原子力显微镜的研制与应用研究

陈英飞  
【摘要】:以扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术,是纳米技术发展的重要基础。其中AFM由于测量不受样品导电性的限制,具有更加广泛的应用领域。随着纳米技术的发展,仪器本身的稳定性、操作的简便性、易维护性等以及应用领域的拓展和产业化也越来越受到人们的关注。本文提出了AFM系统数字化的新思想,对其原理和方法进行了系统的理论研究,在数字式原子力显微镜的研制上取得了一系列的突破,为数字式AFM在国内的普及和产业化奠定了良好的基础。 本文在全面分析国内外AFM技术研究和应用现状的基础上,对现有AFM仪器的缺陷和不足作了比较全面的理论分析和实验研究,着重分析AFM的反馈控制规律和探针一样品的进给规律,提出了用数字PID调节器实现AFM系统的反馈控制和样品的进给由步进电机控制丝杠传动机构实现,使AFM仪器的功能、自动化和稳定性在技术上向前迈了一大步,为AFM技术能够更简单、方便、有效地应用到各个科学领域奠定了基础。 本文的工作特点和创新之处主要体现在以下几点: 1、在理论研究的基础上,提出了原子力显微镜数字化的新方法。随着全面数字化时代的到来,数字化扫描探针显微镜的研制也日益提上了进程。目前,国内SPM仪器大多还停留在模拟量控制的水平,仪器本身无法在本质上做进一步的更新。因此,为提高仪器本身的稳定性、操作的简便性以及进一步增加仪器的功能,必须在AFM系统中采用数字化技术。 2、设计完成了AFM的数字PID反馈控制系统。目前,国内原子力显微镜大多采用模拟PID控制,虽然模拟控制具有反应速度快的优点,但缺点是精度不高,抗干扰能力不强,往往会引入附加的惯性环节,且电路结构复杂。而AFM系统的工作特点即探针一样品间距的精确控制,要求有一个灵敏、高效、精确、稳定可靠的反馈控制系统。目前,AFM的数字PID控制研究虽然已取得一定的进展,但都是通过DSP实现的,这无疑提高了AFM的成本,且技术难度大、开发设备昂贵。为此,我们研制了基于计算机的数字PID控制,PID控制规律用计算机程序来实现,各种控制算法只要改变计算机程序就可实现,具有很大灵活性,一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题,在引入计算机以后,就可以得到解决了。且计算机原本就是AFM系统的一个重要组成部分,因此,我们不需要增加新的设备就可实现AFM的数字PID控制,这无疑降低了仪器的成本,且提高了仪 浙江大学了吹_l论文 器的实用化和简易化程度。 3、设计完成由步进电机控制的AFM自动进给机构及其程序的编写。计算机控制步 进电机驱动器输出脉冲信号驱动步进电机转动,从而实现AFM的探针一样品自动逼近, 提高了操作的简便性和系统的自动化程度。 4、研究采用了新型的PCI数据采集卡及其软件的编写。提高了AFM系统与不同计算 机和不同操作系统的兼容性,为AFM的普及奠定了良好的基础。 5、拓展了AFM的扫描控制软件和图像处理软件功能。如样品图像的三维标尺添加 功能、纳米粗糙度线/面测量功能、微位移测量功能等。 关键词:纳米技术、原子力显微镜、数字PID控制、步进电机、进给机构、数字化、图 像处理、AFM应用


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