原子力显微镜成像与纳米操作控制的研究

论文摘要

自问世以来,原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）已经逐步发展成为微/纳米领域成像和操作的基本工具,在生物、材料、化学以及物理等学科得到了广泛应用,被研究者称为纳米科技的“眼”和“手”。因此,它的研究进展在整个微/纳米领域中起着举足轻重的作用,近年来已经成为微/纳米研究领域的关键问题之一,其突破将有可能为微/纳米领域的研究带来新的发展契机。虽然原子力显微镜已经在微纳米领域得到广泛应用,但其相关技术远未发展成熟。具体而言,当前的原子力显微镜系统还存在以下方面的一些问题:（1）在成像方面,由于原子力显微镜系统复杂的非线性特性,它的实验结果往往重复性不高;此外,该系统存在操作复杂、系统带宽窄、扫描速度慢以及对噪声干扰敏感等缺点,这些问题妨碍了它得到更进一步的应用。（2）在纳米操作方面,一般的原子力显微镜不能直接应用于纳米操作,需要对其硬件和软件环境进行相应的改进之后才能完成纳米操作任务。在纳米定位方面,虽然原子力显微镜使用的管式压电扫描驱动器具有纳米级的分辨率,但是由于其迟滞特性,碗状的运动耦合误差以及其他不确定性,使得将探针针尖准确定位到指定位置来实现纳米操作十分困难。因此,当前基于原子力显微镜的纳米操作效率和成功率非常低下。综上所述,原子力显微镜在成像以及纳米操作中仍然有许多问题亟待解决。在国家自然科学基金等项目的资助下,论文对国内外原子力显微镜相关领域的研究现状进行了全面分析;在此基础上,论文针对原子力显微镜成像与纳米操作的一些关键问题展开了深入研究。（1）原子力显微镜系统建模与仿真。由于原子力显微镜系统的复杂性,很难对其全部的动力学特性进行机理建模。因此,论文通过实验手段对系统的各个部件进行了标定和建模,主要包括压电扫描器、激光接收器以及放大器等;对悬臂梁以及探针针尖—样品之间的相互作用力进行了机理模型分析。基于上述完整模型,在Matlab/Simulink环境中搭建了轻敲原子力显微镜仿真平台,通过对原子力显微镜中推拉迟滞和双稳态两种非线性现象的仿真,证明了该仿真平台的有效性。（2）基于继电反馈的原子力显微镜比例积分（Proportional Integral,PI）控制器参数自整定。原子力显微镜在组件以及扫描速度发生变化时,通常需要对PI控制器的参数进行反复调整,这给操作者带来了很大的困难。为了提高系统的易用性,本文利用继电反馈方法对原子力显微镜的PI参数进行自整定。具体而言,受到继电反馈的激励,原子力显微镜系统会产生极限环。根据极限环的信息,可以辨识得到系统的临界增益和周期,然后利用Ziegler-Nichols公式对PI参数进行整定。实验表明,这种基于继电反馈的方法能够辨识出各种组件变化对系统带来的改变;并且根据扫描速度适当调整PI参数后,系统不会出现振荡现象。（3）轻敲原子力显微镜H∞控制器设计与仿真。针对原子力显微镜系统带宽窄,对噪声干扰敏感等缺点,论文设计了H∞鲁棒控制器。具体而言,针对压电陶瓷和悬臂梁模型,本文利用H∞混合灵敏度设计方法,通过引入误差、控制量以及输出的权值函数对所要设计的控制器性能指标进行量化,从而使得设计的控制器能有效地阻尼系统的共振频率。通过对各种样品进行跟踪仿真测试表明:H∞鲁棒控制器能够较好地跟踪各种波形,并且它可以使针尖与样品间的作用力维持在几十个纳牛左右;此外,该控制器相对PI控制器具有更好的噪声抑制作用,对于模型不确定性也有良好的鲁棒性。（4）压电扫描管精确定位探针研究。探针纳米定位是纳米操作的关键技术之一。针对管式压电扫描器对探针进行纳米定位的问题,论文提出了一种分步定位的方法,实现了纳米级别的定位精度。其主要步骤如下:（a）针对驱动器的迟滞现象,首先对标定光栅进行成像,并通过特征点提取和分析可以得到迟滞回线;利用曲线拟合的方法,计算出所需要补偿的电压,从而实现迟滞特性的有效补偿;（b）对于其他误差如结构误差和耦合误差等,利用探针对标定样品进行压印,通过压印图像可以计算期望位置与实际位置的误差,通过补偿该误差可以实现探针的粗定位;（c）对于热漂移以及粗定位的误差,使用局部扫描的方法来估计颗粒的中心位置,从而实现精确定位。（5）由于一般原子力显微镜并不具备直接纳米操作的功能,论文搭建了开放式的纳米操作平台,主要采用RTLinux系统来保证实时性,该纳米操作系统具有良好的开发接口,可以非常方便地完成多种纳米操作。论文通过纳米刻画、压印及推动等实验,证实了该原子力显微镜纳米操作系统的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 原子力显微镜系统及纳米操作研究的科学意义
• 1.1.1 扫描探针显微镜发展历史
• 1.1.2 原子力显微镜系统及纳米操作研究意义
• 1.2 原子力显微镜系统及纳米操作主要问题及研究现状
• 1.2.1 原子力显微镜系统主要问题及研究现状
• 1.2.2 原子力显微镜纳米操作系统主要问题及研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 原子力显微镜建模与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 系统响应测试
• 2.2.1 放大器阶跃响应
• 2.2.2 接触式探针零输入响应
• 2.2.3 原子力显微镜系统开环响应测试
• 2.2.4 原子力显微镜系统闭环响应测试
• 2.3 压电扫描器建模
• 2.3.1 建模方法描述
• 2.3.2 压电陶瓷动态建模
• 2.3.3 压电扫描管模型误差分析
• 2.4 参数标定
• 2.4.1 激光检测系统灵敏度系数标定
• 2.4.2 压电陶瓷伸缩系数标定
• 2.5 悬臂梁建模
• 2.6 探针和样品间相互作用力建模
• 2.7 轻敲式AFM仿真平台设计与实现
• 2.7.1 仿真平台总体结构
• 2.7.2 轻敲原子力显微镜非线性现象仿真与研究
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于继电反馈的原子力显微镜PI参数自整定
• 3.1 引言
• 3.2 基于继电反馈原子力显微镜PI参数自整定的原理和方法
• 3.2.1 基于继电反馈PID自整定方法
• 3.2.2 PI参数的计算
• 3.2.3 扫描速度对PI参数的影响
• 3.2.4 PI参数自整定步骤
• 3.3 参数自整定实现
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 振荡周期检测
• 3.3.3 振幅检测
• 3.4 实验结果及分析
• 3.4.1 不同压电扫描管的影响分析
• 3.4.2 不同探针的影响分析
• 3.4.3 变速扫描下参数自整定的实验结果与分析
• 3.5 本章小结
• ∞控制器设计与仿真'>第四章 轻敲原子力显微镜H_∞控制器设计与仿真
• 4.1 引言
• ∞控制器设计'>4.2 H_∞控制器设计
• 4.2.1 设计目标分析
• 4.2.2 权值函数的选取
• 4.2.3 控制器求解
• 4.2.4 闭环系统波特图分析
• ∞控制器仿真'>4.3 H_∞控制器仿真
• 4.3.1 跟踪三角波以及带斜坡的方波
• 4.3.2 与PI控制的比较
• 4.3.3 鲁棒性能仿真测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 压电扫描管精确定位探针研究
• 5.1 引言
• 5.2 压电扫描管迟滞非线性的分析和补偿
• 5.2.1 压电陶瓷迟滞非线性分析
• 5.2.2 基于擦除特性的迟滞补偿方法
• 5.2.3 实验结果与分析
• 5.3 探针粗定位:综合误差补偿
• 5.3.1 综合误差分析
• 5.3.2 基于压印综合误差补偿
• 5.3.3 实验结果与分析
• 5.4 探针精细定位:漂移的补偿
• 5.4.1 局部扫描法
• 5.4.2 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于原子力显微镜的纳米操作平台设计及应用
• 6.1 引言
• 6.2 基于原子力显微镜的纳米操作平台
• 6.2.1 原子力显微镜
• 6.2.2 基于RTLinux的实时控制平台
• 6.2.3 纳米操作平台体系结构
• 6.3 基于原子力显微镜的纳米操作平台应用
• 6.3.1 纳米刻画
• 6.3.2 纳米压印
• 6.3.3 纳米推动
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文工作总结及结论
• 7.2 进一步工作内容
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历