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谐振增强型AFM闭环反馈控制系统的研究

冷炜  
【摘要】:本文首先分析了AFM的原理及其工作模式,在此基础上提出并设计了一种新颖的非接触谐振增强型AFM闭环反馈控制方案。该方案根据开环模式下所测得的微探针—样品力曲线,判断并得到微探针对探针—样品间作用力最敏感、线性度最好的区域,然后选取该区域的中点作为反馈平衡点,该点所对应的信号电压值即作为反馈控制信号—Vset电压。 闭环测试时,包含样品表面信息的电压信号一路经A/D转换进入计算机作为采样信号,同时另一路与设定值Vset进行比较,然后经过积分电路和高压放大电路来驱动Z向压电晶体伸缩,使得探针—样品距离保持恒定。同时计算机控制二维压电柔性铰链工作台进行扫描,便可获得样品表面的三维微观形貌。 该系统的新颖之处在于谐振增强技术与模拟PID反馈控制两者的结合。谐振增强技术使系统有较高的灵敏度,模拟PID有很高的反馈速度。本课题的电路部分工作主要包括:Z向压电体高压驱动以及反馈控制电路(鉴相器、比较器、积分电路)的设计制作,开环电路参数调整、优化改进和PCB板制作。该反馈控制系统只需将其中的滤波电路稍加改进便可完全适用于轻敲模式。 探针的位置微调整对于AFM来说是极为重要的。本论文中设计了一套四维探针微调节机构,该机构具有很高的调节精度,同时可操作性、重复性和可靠性也很高。同时还对Z向压电样品台的改进设计,将细逼近和伺服微副近环节合二为一,使系统更紧凑。 本研究亦设计编写了闭环扫描测试程序以及力曲线测量程序。并存VC++的框架下,结合OpenGL的三维图形处理功能,编写了SurfaceView三维面型显示程序,这个程序能实现:三维图形面型显示、伪彩色着色、去噪、bmp格式图像文件的读取显示,以及采集数据文件和Bmp互相转换等功能。 利用本课题所设计的非接触谐振增强型AFM该系统,进行了大量的实验,并测得了令人满意的力曲线及样品表面形貌扫描结果。


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