專利名稱：用于快速掃描探針顯微術(shù)的閉環(huán)控制器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
優(yōu)選實施例涉及用于掃描探針顯微鏡(SPM)的控制器，更具體地，涉及用于使得能夠在保持用于獲得高質(zhì)量樣本數(shù)據(jù)的能力的同時改進(jìn)掃描速度的SPM的控制器。
背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡(例如原子力顯微鏡(AFM))通過以下方式來進(jìn)行操作在測量樣本的一個或多個特性的同時提供測量探針與樣本之間的相對掃描運動。在圖1中示意性示出了典型的AFM系統(tǒng)。AFM 10使用包括探針14的探針裝置12，該探針14具有懸臂15。在探針_樣本相互作用被測量的同時，掃描器24產(chǎn)生探針14與樣本22之間的相對運動。以此方式，可以獲得樣本的圖像或其它測量。掃描器24典型地包括一個或多個執(zhí)行器，該執(zhí)行器通常產(chǎn)生三個正交方向(XYZ)上的運動。掃描器24通常是單個集成單元，其包括一個或多個執(zhí)行器(例如壓電管執(zhí)行器)，用于沿著全部三個軸移動樣本或探針。替代性地，掃描器可以是多個單獨的執(zhí)行器的裝配。 一些AFM將掃描器分離為多個組件，例如移動樣本的XY掃描器和移動探針的Z執(zhí)行器。 在普通的配置中，探針14 一般被耦合到用于在懸臂15的諧振頻率處或在接近于懸臂15的諧振頻率處驅(qū)動探針14的振蕩執(zhí)行器或驅(qū)動器16。替代性的布置測量懸臂15的偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)或其它運動。探針14通常是微制造的具有集成的尖端17的懸臂。
通常，在SPM控制器20的控制下從AC信號源18施加電信號，以使得執(zhí)行器16 (或者替代性地是掃描器24)驅(qū)動探針14振蕩。探針-樣本相互作用典型地經(jīng)由控制器20所進(jìn)行的反饋而受到控制。注意，執(zhí)行器16可以被耦合到掃描器24和探針14，但可以被集成地形成有探針14的懸臂15作為自激勵懸臂/探針的一部分。 所選的探針14通常被振蕩，并且隨著通過檢測如上文所述的探針14的振蕩的一個或多個特性的變化來監(jiān)測樣本特性而被與樣本22相接觸。在這點上，典型地使用偏轉(zhuǎn)檢測設(shè)備25來將光束定向成朝向探針14的后側(cè)，然后該光束被朝向檢測器26(例如四象限光電檢測器)反射。注意，設(shè)備25的感測光源典型地是激光二極管，通常是可見光激光二極管或紅外激光二極管。還可以通過其它光源(例如He-Ne或其它激光源、超級發(fā)光二極管(SLD)、 LED、光纖或可以被聚焦成小斑點的任何其它光源)來產(chǎn)生感測光束。隨著光束平移穿過檢測器26，適當(dāng)?shù)男盘柋话l(fā)送到控制器20，控制器20處理該信號以確定探針14的振蕩的變化。通常，控制器20產(chǎn)生控制信號，用于保持尖端與樣本之間的相對恒定的相互作用(或臂15的偏轉(zhuǎn))，典型地用于保持探針14的振蕩的設(shè)定點特性。例如，控制器20通常用于將振蕩幅度保持在設(shè)定點值4，以確保尖端與樣本之間的通常恒定的力。替代性地，可以使用設(shè)定點相位或設(shè)定點頻率。
也可以在控制器20和/或單獨的控制器或所連接的控制器或單機(jī)控制器的系統(tǒng)中設(shè)置工作站，該工作站從控制器接收收集到的數(shù)據(jù)，并處理掃描期間所獲得的數(shù)據(jù)，以執(zhí)行點選擇、曲線擬合以及距離確定運算。工作站可以將作為結(jié)果的信息存儲在存儲器中，將其用于附加的計算，和/或?qū)⑵滹@示在合適的監(jiān)視器上，和/或通過有線方式或無線方式將其發(fā)送到另一計算機(jī)或裝置。存儲器可以包括任何計算機(jī)可讀數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，示例包括但不限于計算機(jī)RAM、硬盤、網(wǎng)絡(luò)存儲器、閃存驅(qū)動器或CD R0M。注意，掃描器24通常包括壓電疊堆(piezoelectric stack)(在此通常稱為"壓電疊堆(piezo stack)")或壓電管，用于產(chǎn)生測量探針與樣本表面之間的相對運動。壓電疊堆是基于施加到布置在疊堆上的電極的電壓而在一個或多個方向上移動的裝置。壓電疊堆通常用于與機(jī)械彎曲相組合，其中機(jī)械彎曲用于對壓電疊堆的運動進(jìn)行引導(dǎo)、約束和/或放大。此外，如同在2007年3月16日提交的標(biāo)題為"Fast-Sca皿ing SPM Scanner andMethod of Operating S謙，，的共同未決申請11/687， 304中描述的那樣，彎曲用于增大一個或多個軸中的執(zhí)行器的硬度。執(zhí)行器可以被耦合到探針、樣本或被耦合到它們二者。最典型地，以在水平平面或XY平面上驅(qū)動探針或樣本的XY執(zhí)行器和在垂直方向或Z方向上移動探針或樣本的Z執(zhí)行器的形式來提供執(zhí)行器裝配。 隨著SPM的實用性繼續(xù)發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了對以更大的速度對不同類型的樣本進(jìn)行成像以改進(jìn)樣本測量吞吐量(例如大于每小時20個樣本)和/或以比當(dāng)前可用的更高的時間分辨率來測量納米尺度的工藝的需要。盡管AFM成像提供了高的空間分辨率(納米尺度)，但其通常具有低的時間分辨率。特別是對于大于幾微米的掃描尺寸，典型的高質(zhì)量AFM圖像花費數(shù)分鐘來進(jìn)行獲取。 若干因素可能限制成像速度，包括懸臂響應(yīng)時間、X方向、Y方向和Z方向上的可用掃描器帶寬、驅(qū)動掃描器的高壓放大器的功率和帶寬、懸臂力感測的速度、以及解調(diào)系統(tǒng)和跟蹤力反饋系統(tǒng)。 典型地，以在樣本上的不同位置處記錄的測量的排列來構(gòu)建SPM圖像。例如，圖像可以包含在樣本上的不同的XY位置的排列上測量的相對樣本高度的局部值。替代性的測量可以包括幅度、相位、懸臂的頻率、電磁力、摩擦力、樣本的硬度等。 在這點上，探針與樣本之間的相對定位是非常重要的。所獲取的數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及
作為結(jié)果的圖像取決于獲知數(shù)據(jù)被收集之處的精確位置的系統(tǒng)。其遵從的是位置誤差導(dǎo)致圖像劣化，這是經(jīng)由以較大帶寬操作AFM而加劇的問題。 在這點上的顯著的挑戰(zhàn)在于壓電疊堆、管和其它類型的SPM執(zhí)行器并不是完美的。當(dāng)考慮到期望的掃描運動時，理想的行為將是執(zhí)行器移動基本上與所施加的電壓或其它控制信號線性地成比例。反之，包括壓電疊堆的執(zhí)行器通常以非均勻的方式移動，這意味著它們的靈敏度(例如幾納米的運動相對于所施加的電壓)可能隨電壓增加而變化。此外，執(zhí)行器的漂移、滯后和蠕變促使進(jìn)一步地?fù)p及對探針和/或樣本的精確定位。對于滯后，例如，對于增量電壓變化的響應(yīng)將取決于施加到執(zhí)行器的先前電壓的歷史。因此滯后可以導(dǎo)致大的在先運動，從而損及對于所命令的運動的響應(yīng)(甚至在很多分鐘以后)。在施加了命令電壓之后，壓電可以移動期望的距離，但由于蠕變影響而繼續(xù)不可控地移動。這種影響可以大于所命令的運動的10%，從而導(dǎo)致了實質(zhì)上的定位誤差。 注意，無論AFM的探針裝置是耦合到執(zhí)行器(S卩，其中探針裝置在三個正交的方向上移動的情況)還是樣本被耦合到執(zhí)行器，都存在這些問題。此外，盡管已知的解決方案嘗試克服上述的問題，但是它們卻并不完美。 例如，在嘗試補(bǔ)償控制器和執(zhí)行器的限制時，已經(jīng)實現(xiàn)了驅(qū)動SPM執(zhí)行器的某些開環(huán)方法，并且由此限制期望的掃描移動與實際的移動之間的不良跟蹤。例如，可以通過以下方式來校準(zhǔn)執(zhí)行器例如將電壓施加到X-Y執(zhí)行器，然后測量樣本或探針行進(jìn)的實際距離。然后可以創(chuàng)建查找表，然后在操作中，可以通過對施加到X-Y執(zhí)行器和/或Z執(zhí)行器的電壓進(jìn)行監(jiān)測來估計執(zhí)行器位置。在另一開環(huán)替代方式中，可以使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)技術(shù)來對掃描器及其運動進(jìn)行建模。 更具體地，在這點上，轉(zhuǎn)到圖2，開環(huán)解決方案典型地涉及提供施加到AFM 40的執(zhí)行器或掃描器42的唯一的驅(qū)動信號u。 41，以提供AFM探針與樣本之間的掃描運動。驅(qū)動信號例如源自模型或查找表，并且對應(yīng)于期望的執(zhí)行器的運動。驅(qū)動信號u。旨在產(chǎn)生基本上跟蹤期望的運動的實際的掃描器運動，以產(chǎn)生均勻的掃描。參見例如Veeco Instruments公司所擁有的美國專利5， 557，156，其描述了將具有由一組預(yù)先校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)所限定的形狀的非線性驅(qū)動電壓施加到壓電執(zhí)行器，以驅(qū)動該壓電執(zhí)行器進(jìn)行基本上為線性的運動。該組數(shù)據(jù)也可以被稱為掃描表。該技術(shù)已經(jīng)成功用于克服執(zhí)行器非線性，但是校準(zhǔn)過程是麻煩的，并且其并未充分地解決漂移和蠕變。此外，執(zhí)行器響應(yīng)大大取決于掃描速度，并且隨著SPM掃描速度增加而日益需要復(fù)雜的校準(zhǔn)和查找表。當(dāng)掃描器回轉(zhuǎn)以用于掃描下一行或者偏移到不同位置時，可以激勵出瞬時響應(yīng)。這種瞬時性可以損及數(shù)據(jù)完整性。例如，圖2所示的瞬時性43可以存在于典型的光柵掃描驅(qū)動41的轉(zhuǎn)向點處。注意，為了使得在轉(zhuǎn)向點處的瞬時性最小，可以采用替代性的驅(qū)動。如圖3所示，AFM 44可以采用在轉(zhuǎn)向點處變圓的驅(qū)動45。這種解決方案以相對低的掃描速率對于緩和瞬時性而操作良好，但在大多數(shù)情況下，在較高的掃描速率時，掃描器運動(如曲線46所示)仍舊不跟隨期望的軌跡(與三角波形47相對應(yīng)的光柵掃描)。此外，由于這種倒圓處理，因此驅(qū)動的可用范圍受到限制。
由于這種開環(huán)方案可能是復(fù)雜的，并且通常仍然不提供可接受的位置精度，因此，特別是在較高的掃描速度時，某些SPM采用閉環(huán)位置控制。這種系統(tǒng)通過在反饋布置中使用輔助位置傳感器來改進(jìn)精確度，用于主動地監(jiān)測執(zhí)行器移動(即，用于確定實際移動正遵循所命令的移動的程度)，并動態(tài)地調(diào)整被施加到適當(dāng)?shù)腟PM執(zhí)行器的控制信號。這樣，執(zhí)行器可以以線性方式而受驅(qū)動，以跟隨預(yù)定的軌跡，并且同時補(bǔ)償非線性、滯后和漂移。結(jié)果，可以獲得更精確的圖像。然而，位置控制反饋的帶寬通常是有限的(稍后討論)，并且用于檢測實際的掃描器運動的傳感器所引入的噪聲可以通過反饋回路而使得圖像質(zhì)量劣化，由此進(jìn)一步限制了 AFM的在掃描期間跟蹤快速命令信號且因此以較大速度產(chǎn)生可接受的圖像的能力。由于噪聲限制，許多位置控制反饋系統(tǒng)在小的掃描尺寸時是禁用的?？傊谳^高的成像速度時，位置反饋系統(tǒng)的性能通常使得SPM系統(tǒng)性能劣化。
返回到閉環(huán)位置控制的細(xì)節(jié)，我們返回到圖4。閉環(huán)控制系統(tǒng)50用于驅(qū)動執(zhí)行器，以在使得位置誤差最小的同時跟隨期望的軌跡。產(chǎn)生基準(zhǔn)波形51作為用于期望的掃描器運動的模型，在該示例中為三角波。位置傳感器54測量掃描器52的實際移動，并將所感測到的信號發(fā)送到求和塊56(例如數(shù)字求和電路或模擬求和電路)，該求和塊56產(chǎn)生表示掃描器的期望運動與實際的掃描器移動之間的差別的誤差信號。若干輔助的位移傳感器或位置傳感器已經(jīng)被提出和/或被用于監(jiān)測執(zhí)行器移動，包括線性可變位移換能器(LVDT)、電容傳感器、應(yīng)變儀和電感傳感器、以及光學(xué)傳感器(包括例如光學(xué)位移傳感器(0DS)和光學(xué)干涉儀)?？梢允褂锰峁┤Q于相對位置的可預(yù)測且可校準(zhǔn)的輸出的、任何替代性的傳感器。這些傳感器典型地操作作為與掃描器相關(guān)聯(lián)的閉環(huán)控制器的一部分，以校正期望的移動與實際的移動之間的差別。 響應(yīng)于被用于驅(qū)動掃描器的誤差信號，諸如比例積分(PI)控制器之類的控制器58(或者例如雙積分器)產(chǎn)生控制信號u。。已經(jīng)利用由數(shù)字信號處理器(DSP)運行的所有的模擬電子回路和數(shù)字反饋回路、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、以及其它的嵌入式控制器和數(shù)字計算裝置(包括個人計算機(jī))來實現(xiàn)控制器?？刂菩盘柌僮饔糜谘a(bǔ)償例如由于蠕變和漂移而導(dǎo)致的由掃描器產(chǎn)生的所測量的位置誤差。 盡管對于使得對掃描器的用于跟蹤期望運動的能力具有不利影響的系統(tǒng)條件的
影響最小化是有用的，但是傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)50的帶寬是受限的。存在若干對于傳統(tǒng)的位置
控制系統(tǒng)中的限制的原因，包括掃描器諧振和位置傳感器噪聲以及帶寬限制。 首先，必須考慮掃描器的諧振特性。三角波基準(zhǔn)波形51中的每個回轉(zhuǎn)產(chǎn)生對掃描
器的基本沖擊力，該基本沖擊力可以激勵出不期望的寄生諧振。這些諧振也可以耦合在各
軸之間，并且表現(xiàn)在懸臂的相對于樣本的相對運動中的所測量的運動中。如先前結(jié)合圖3
所示的開環(huán)系統(tǒng)所說明的那樣，傳統(tǒng)的AFM掃描慢得足以將不期望的振蕩的幅度減少到可
接受的水平，和/或損及某些掃描范圍，以使得三角波基準(zhǔn)的頂部和底部變圓。SPM掃描器
不能在不產(chǎn)生不期望的振蕩的情況下以高速掃描大區(qū)域，這對于以較大速度操作SPM是主
要的瓶頸。 此夕卜，這些諧振限制了控制器58可以如何快速地操作的程度。如果在相移180度的情況下存在大于1的增益，則反饋回路將變得不穩(wěn)定。掃描器的簡單機(jī)械諧振將在諧振峰值處累積90度相移和基本的增益放大?？刂破?8的增益(因此帶寬)對于補(bǔ)償掃描器的機(jī)械諧振的相移和增益是受限的。甚至在不穩(wěn)定性的條件之前，欠阻尼諧振也可以導(dǎo)致掃描器的實際運動中的振蕩和過沖。結(jié)果，傳統(tǒng)的位置控制反饋回路的操作受限于掃描器的最低觀測諧振的小部分或"基本諧振頻率"。注意，最低觀測諧振最常見地是依賴于軸的，其中響應(yīng)的耦合典型地存在于軸間，由此限制掃描器/執(zhí)行器的最低觀測諧振。
此外，傳感器54將噪聲引入系統(tǒng)，該噪聲損及控制器的滿意地跟蹤期望的運動的能力。圖4示意性示出了傳感器噪聲的影響。(實際上，當(dāng)然，傳感器噪聲伴隨著信號)。將掃描器的真實位置和傳感器噪聲(信號55)與基準(zhǔn)和由控制器58處理的作為結(jié)果的誤差進(jìn)行比較。控制器由此嘗試使得掃描器響應(yīng)于真實位置誤差和不期望的傳感器噪聲二者，因此產(chǎn)生信號53所示的執(zhí)行器運動。反饋帶寬內(nèi)的所有傳感器噪聲因此對應(yīng)地?fù)p及作為結(jié)果的圖像?？刂菩盘杣。雖然補(bǔ)償了包括熱漂移和蠕變的系統(tǒng)動態(tài)，但是因為經(jīng)由感測方案所引入的附加高頻噪聲而可能不產(chǎn)生期望的掃描器運動。傳感器噪聲典型地是帶寬的函數(shù)，因此位置傳感器電子和/或控制器可以限制采樣后的位置傳感器信號的帶寬，以減少這種噪聲的圖像。然而，受限的傳感器帶寬的影響典型地是傳感器輸出中的相移相對于掃描器的實際運動的累積。這些相移于是限制了控制器58可以采用的最大增益和帶寬。在此情況下，傳感器噪聲和帶寬的實際影響在于掃描速度必須被對應(yīng)地減少，以保持位置噪聲的可接受的水平，以用于獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。 若干小組也已經(jīng)開發(fā)出了通過開發(fā)基于模型的控制方案來克服掃描器的不期望的諧振的影響的方案。例如，該主題的作者包括Stemmer、Schitter、Ando、Salapaka和Zou。 在典型的基于模型的用于SPM的控制器中，測量掃描器的動態(tài)特性，并且設(shè)計最優(yōu)的閉環(huán) 控制方案，以在寬的帶寬上保持反饋回路的穩(wěn)定性。典型的第一步驟是系統(tǒng)標(biāo)識，這是映射 掃描器的幅度和相位相對于頻率的響應(yīng)且定義被稱為"傳遞函數(shù)"的特性的過程。該傳遞 函數(shù)可以被用在實現(xiàn)最高掃描器帶寬的控制器中，同時還嘗試最小化由于不期望的諧振而 產(chǎn)生的振蕩。在這點上，典型的閉環(huán)控制策略包括文獻(xiàn)中所描述的H-infinity或H2控制 器。替代性的方案旨在包括將沖擊瞬時性加到所定時的控制波形，以克服在三角波回轉(zhuǎn)處 的沖擊。例如，沖擊力可以在與基本諧振的振蕩周期的一半相對應(yīng)的時間時被施加到掃描 器。破壞性干擾將出現(xiàn)在兩個沖擊的結(jié)果之間，并且使得不期望的振蕩快速衰減。也就是 說，因為這種閉環(huán)方案旨在在寬的帶寬上操作，所以與傳感器噪聲相關(guān)聯(lián)的問題繼續(xù)限制 系統(tǒng)性能。 基于開環(huán)模型的控制器在補(bǔ)償掃描器諧振的同時將仍然經(jīng)受系統(tǒng)內(nèi)不期望的運 動，包括掃描器非線性、蠕變和熱漂移。因此，這種系統(tǒng)中的跟蹤仍然不完美。為了容納劣 化的圖像質(zhì)量，已經(jīng)開發(fā)出了開環(huán)前饋控制器，其嘗試對諸如非線性、蠕變和熱漂移之類的 系統(tǒng)因素進(jìn)行建模，使得作為結(jié)果的數(shù)據(jù)產(chǎn)生優(yōu)化的驅(qū)動波形。這種與前饋控制器相關(guān)聯(lián) 的模型難以控制，并且典型地更少地產(chǎn)生理想的結(jié)果，主要是因為創(chuàng)建適合于所有期望的 成像條件的可工作模型的困難。這種成像條件通常產(chǎn)生機(jī)械環(huán)境中的變化，因此產(chǎn)生模型 中使用的傳遞函數(shù)的變化。最終，非常難以通過這些開環(huán)方案來實現(xiàn)非線性運動的產(chǎn)生。因 此，期望進(jìn)行改進(jìn)。 最后，最常見地，AFM的設(shè)計必須操縱低噪聲性能(例如開環(huán))與圖像定位精度 (例如閉環(huán))之間的折衷。根據(jù)一種類型的開環(huán)AFM掃描控制器，控制方案利用校準(zhǔn)的掃描 器和對應(yīng)的輸入信號(例如修正的三角波)，該控制方案被配置為在掃描時考慮系統(tǒng)不規(guī) 則性(例如諧振)。因為外部結(jié)構(gòu)(例如輔助傳感器)得以最小化，所以這種利用前饋模 型的開環(huán)系統(tǒng)使得由于系統(tǒng)噪聲而產(chǎn)生的對定位的不利影響最小。然而，掃描器的精確操 作以及最終的圖像精度受控于系統(tǒng)的用于精確表征掃描器以及另外地考慮環(huán)境影響(例 如漂移和蠕變)的能力。這最常見地是困難的任務(wù)，典型地產(chǎn)生不完美的結(jié)果，使得不能精 確建?；蝾A(yù)測特定環(huán)境條件。此外，由于該困難，這種系統(tǒng)對于很多應(yīng)用而言不是足夠強(qiáng) 健的。如果校準(zhǔn)是精確的且在使用中始終保持恒定，則開環(huán)前饋方案在補(bǔ)償掃描器非線性 方面可能是有效的，但其仍然未解決在線性三角掃描的轉(zhuǎn)向點處由沖擊力所引入的諧振失 真。 因此，掃描探針顯微術(shù)領(lǐng)域需要如下的控制器該控制器有助于以低噪聲跟蹤快 速的掃描器移動，同時還補(bǔ)償位置偏移操作條件(例如熱漂移和蠕變)。理想地，期望最小 化傳感器噪聲對系統(tǒng)性能的影響的閉環(huán)掃描器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過以下方式使用開環(huán)位置控制器或閉環(huán)位置控制器來克服現(xiàn)有技術(shù)的 AFM的缺點結(jié)合使得被反饋傳感器引入到控制方案的高頻噪聲衰減的閉環(huán)反饋控制器而 使用自適應(yīng)前饋算法。反饋回路操作在低帶寬(小于掃描頻率)處，但足以補(bǔ)償由于諸如 熱漂移和蠕變之類的現(xiàn)象而引入的低頻位置誤差。迭代地采用前饋算法來在最小時間量中
9實現(xiàn)閾值誤差(例如初始掃描范圍的大約1%的峰值誤差)?？梢詫崿F(xiàn)明顯大于當(dāng)前AFM 掃描控制器所支持的掃描速度的掃描速度(從幾赫茲到利用本發(fā)明的幾十赫茲甚至幾百 赫茲)，而不損及圖像質(zhì)量。 根據(jù)一個實施例的第一方面，一種操作度量器件的方法，包括使用執(zhí)行器以掃描 頻率產(chǎn)生探針與樣本之間的相對運動。該方法包括使用將噪聲引入執(zhí)行器運動的位置傳 感器檢測執(zhí)行器的運動，并使用反饋回路和前饋算法控制執(zhí)行器的位置?？刂频那梆伈糠?通過自適應(yīng)地(例如迭代地)優(yōu)化前饋波形來執(zhí)行高帶寬位置跟蹤。例如，可以在改變掃 描尺寸、掃描角和速度時執(zhí)行自適應(yīng)優(yōu)化。在一個實施例中，傳感器響應(yīng)被通過多個運動周 期而取平均(也可以采用數(shù)據(jù)平滑)，從而基本上減少傳感器噪聲的影響。 一旦前饋算法實 現(xiàn)了最小掃描誤差或閾值掃描誤差，則最終的前饋波形(例如掃描表)就用于以開環(huán)方式 驅(qū)動掃描器，但仍然如同其以閉環(huán)方式運行那樣地保留傳感器的線性。這種操作允許在各 種掃描尺寸上的高速掃描，包括很小的掃描尺寸，而沒有傳感器噪聲的不利影響。
更具體地，前饋算法包括使用基于反轉(zhuǎn)的控制算法，其使用與執(zhí)行器相關(guān)聯(lián)的傳 遞函數(shù)。從基于反轉(zhuǎn)的控制算法推導(dǎo)出的掃描器驅(qū)動預(yù)測在重復(fù)掃描的回轉(zhuǎn)處的影響動 態(tài)，并通過修正的驅(qū)動補(bǔ)償該影響，使得掃描器的物理運動基本上精確地跟隨基準(zhǔn)的軌跡。 在該實施例的另一方面中，基于反轉(zhuǎn)的控制算法迭代地產(chǎn)生校正，其對于補(bǔ)償執(zhí)行器的非 線性的控制信號有貢獻(xiàn)。 根據(jù)該實施例的又一方面，該控制信號在不大于約10次的每次迭代10個掃描行 的迭代之后產(chǎn)生小于總掃描范圍的約1%的峰值位置誤差。更優(yōu)選地，該控制信號在不大于 約5次迭代之后產(chǎn)生小于總掃描范圍的約1%的峰值位置誤差。 在該實施例的再一方面中，掃描頻率至少是執(zhí)行器的基本諧振頻率的1/100(優(yōu) 選地是1/10)。更優(yōu)選地，掃描頻率至少是執(zhí)行器的基本諧振頻率的1/3。
根據(jù)該實施例的另一方面，執(zhí)行器的諧振頻率大于約900Hz，并且掃描頻率至少是 約10Hz，但是優(yōu)選地，掃描頻率至少是約100Hz。更優(yōu)選地，掃描頻率至少是約300Hz。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種操作度量器件的方法，包括利用執(zhí)行器在從幾十納 米至幾十微米的所選掃描尺寸上以掃描頻率產(chǎn)生探針與樣本之間的相對運動，并使用位置 傳感器檢測執(zhí)行器的運動。該方法還包括利用反饋回路和前饋算法中的至少一個來控制 該產(chǎn)生步驟，以基本上跟隨基準(zhǔn)信號，從而實現(xiàn)與基準(zhǔn)信號相比的相對運動的積分位置誤 差小于掃描尺寸的約1%。在此情況下，通過在迭代期間對數(shù)據(jù)取平均，位置傳感器噪聲的 貢獻(xiàn)被減少到小于約1埃RMS。在一個實施例中，掃描帶寬等于掃描頻率的約至少七倍。
在該實施例的另一方面中，反饋回路的帶寬遠(yuǎn)小于掃描頻率，基本上僅足以校正 由于壓電蠕變而產(chǎn)生的非常慢的漂移。 在該實施例的再一方面中，掃描探針顯微鏡(SPM)包括以掃描頻率產(chǎn)生探針與樣
本之間的相對運動的執(zhí)行器。SPM還包括位置傳感器，該位置傳感器檢測執(zhí)行器的運動并產(chǎn)
生高頻噪聲，而控制器基于所檢測到的運動而產(chǎn)生位置控制信號。在該實施例中，控制器在
等于掃描頻率的至少七倍的噪聲帶寬內(nèi)使得噪聲衰減到小于約1埃RMS。 在該實施例的另一方面中，前饋算法包括使用基于反轉(zhuǎn)的控制算法，該控制算
法被迭代地使用，以產(chǎn)生對于補(bǔ)償執(zhí)行器的非線性的控制信號有貢獻(xiàn)的掃描驅(qū)動波形的校
正。在一個實施例中，該校正是掃描表。
10
根據(jù)該實施例的又一方面，一種操作度量器件的方法，包括使用執(zhí)行器以掃描頻 率產(chǎn)生探針與樣本之間的相對運動。該方法還包括使用位置傳感器檢測執(zhí)行器的運動，該 位置傳感器在檢測到的運動中表現(xiàn)出噪聲。該方法還使用反饋回路和前饋算法二者補(bǔ)償執(zhí) 行器的位置誤差，其中反饋回路的帶寬小于掃描頻率。 在又一實施例中，一種操作度量器件的方法，包括使用執(zhí)行器以掃描頻率產(chǎn)生探 針與樣本之間的相對運動。該方法還包括使用位置傳感器檢測執(zhí)行器的運動，該位置傳感 器在檢測到的運動中表現(xiàn)出噪聲。使用反饋回路和自適應(yīng)前饋算法來控制執(zhí)行器的位置。 更具體地，該控制步驟在等于掃描頻率的至少七倍的噪聲帶寬上使得檢測到的運動中的噪 聲對于執(zhí)行器運動的影響衰減。此外，該自適應(yīng)前饋算法響應(yīng)于所檢測到的執(zhí)行器的運動 而重復(fù)地更新該產(chǎn)生步驟。 根據(jù)該實施例的另一方面，自適應(yīng)前饋算法迭代地確定對于所述產(chǎn)生步驟的校 正。注意，該產(chǎn)生步驟包括使用作為三角波的基準(zhǔn)信號，并且該方法可以包括使用窗來減 少三角波中的波動。在一個示例中，使用Harming窗。 從以下詳細(xì)描述和附圖中，本發(fā)明的這些和其它的特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人 員而言將變得明顯。然而，應(yīng)理解，詳細(xì)描述和具體示例在指示本發(fā)明優(yōu)選實施例的同時是 通過說明性而非限制性的方式給出的。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可以在本發(fā)明的范 圍內(nèi)進(jìn)行很多改變和變型，并且本發(fā)明包括所有這種修改。


附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實施例，其中相似標(biāo)號始終表示相似的部分， 并且其中 圖1是示出了現(xiàn)有技術(shù)的掃描探針顯微鏡(SPM)的框圖，適當(dāng)?shù)貥?biāo)記有"現(xiàn)有技 術(shù)"； 圖2是示出了現(xiàn)有技術(shù)的開環(huán)SPM掃描器的框圖，適當(dāng)?shù)貥?biāo)記有"現(xiàn)有技術(shù)"；
圖3是示出了替代性的現(xiàn)有技術(shù)的開環(huán)SPM掃描器的框圖，適當(dāng)?shù)貥?biāo)記有"現(xiàn)有技 術(shù)"； 圖4是示出了現(xiàn)有技術(shù)的閉環(huán)SPM掃描器的框圖，適當(dāng)?shù)貥?biāo)記有"現(xiàn)有技術(shù)"；
圖5是根據(jù)優(yōu)選實施例的利用低增益反饋和高帶寬前饋算法來提供均勻的掃描 器運動的控制器的框圖，并且示意性地示出了基本上從執(zhí)行器運動中消除的傳感器噪聲；
圖6是根據(jù)優(yōu)選實施例的具有并行前饋控制回路的閉環(huán)掃描器的框圖；
圖7是示出了圖6的控制器的自適應(yīng)前饋算法的運算的流程圖；
圖8是示出了用于前饋算法的初始掃描表的產(chǎn)生的框圖； 圖9A和圖9B是示出了執(zhí)行器的傳遞函數(shù)的圖，并且分別包括幅度響應(yīng)和相位響 應(yīng)； 圖10是示出了圖6所示的控制器的性能(尤其是在減少定位誤差方面)的圖；
圖11是示出了圖10中的圖的放大版本的圖； 圖12是示出了圖7的前饋算法的運算(有校準(zhǔn)和無校準(zhǔn))的圖； 圖13是示出了位置傳感器噪聲功率密度相對于操作頻率的圖，并且示出了對于
期望的噪聲衰減而選擇的掃描帶寬；
圖14A、圖14B和圖14C示出了采用根據(jù)本實施例的控制器的AFM所取得的樣本圖 像；以及 圖15A、圖15B和圖15C示意性地示出了使用優(yōu)選實施例的具有尖銳邊緣的樣本的 圖像。
具體實施例方式
本發(fā)明針對一種閉環(huán)SPM掃描器，其具有與并行前饋控制回路組合的低帶寬反饋 控制回路，其改進(jìn)AFM掃描速度，同時保持定位完整性，從而使得以較高掃描速度典型可見 的圖像劣化最小。更具體地，前饋算法使用基于反轉(zhuǎn)的算法來智能地控制在高帶寬處施加 到掃描器的驅(qū)動信號，使得實際的掃描運動跟蹤期望的掃描器運動。并且，通過操作具有相 對低增益的反饋控制回路，基本上使得因高頻噪聲(例如傳感器噪聲)而產(chǎn)生的不利定位 影響最小。總之，在最小圖像劣化的情況下實現(xiàn)開環(huán)SPM性能(S卩，低噪聲)。
為了突出實施例的優(yōu)點，開始參照圖4和圖5。在圖4中，由于用于典型AFM的標(biāo) 準(zhǔn)控制器58包括高增益反饋回路，該高增益反饋回路測量和監(jiān)測掃描執(zhí)行器的相比于基 準(zhǔn)信號的移動，以嘗試保持期望路徑中的均勻運動(例如光柵掃描)。雖然進(jìn)行操作以提供 相對均勻且線性的執(zhí)行器運動，但反饋回路中所使用的傳感器將噪聲分量"n"引入控制器 58所處理的檢測到的運動55。結(jié)果，執(zhí)行器運動雖然基本上是線性的，但被傳感器信號92 所引入的噪聲所損及。因此，對應(yīng)數(shù)據(jù)可能(典型地會)產(chǎn)生劣化的圖像，尤其是在小的掃 描尺寸時。此外，受限的反饋帶寬在較高的掃描速率時導(dǎo)致增加的跟蹤誤差，在較高的掃描 速率時產(chǎn)生失真的圖像。參照圖5，其示意性地示出了本發(fā)明實施例的設(shè)備，控制器90類似 地獲取包括傳感器噪聲"n"的傳感器信號，但控制器包括具有前饋組件的架構(gòu)，該前饋組件 結(jié)合以低增益(即，低帶寬，例如小于掃描頻率)操作的反饋組件而操作，以使得傳感器噪 聲對被施加到掃描執(zhí)行器的控制信號的影響最小，因此執(zhí)行器運動94更精確地跟隨期望 的基準(zhǔn)信號96。在傳感器信號92的高頻部分(S卩，噪聲)被衰減的情況下，圖像劣化明顯 減小?？傊?，盡管具有閉環(huán)掃描器的現(xiàn)有技術(shù)AFM可以包括在高達(dá)約2nmRMS的范圍中的傳 感器噪聲，但控制器90使得傳感器噪聲衰減，使得傳感器噪聲可以在掃描期間保持為小于 約O. lnm RMS。結(jié)果，可以實現(xiàn)更大的掃描速度，而不使得圖像質(zhì)量劣化，S卩，執(zhí)行器的位置 誤差在掃描尺寸的1%以內(nèi)。 現(xiàn)在將描述控制器的一種實現(xiàn)方式，其以高掃描頻率操作，并在拒絕位置傳感器 噪聲的同時使得掃描器105的蠕變、熱漂移和動態(tài)的影響最小。如圖6所示，控制器100被 配置為采用表示期望的掃描運動的基準(zhǔn)波形、信號或數(shù)據(jù)集"R"(例如三角波)，在操作期 間通過使用比較塊112而將該期望的掃描運動與掃描器105的執(zhí)行器110的所測量的運動 進(jìn)行比較。執(zhí)行器110可以耦合到圖1所示的探針或樣本，或者可以包括將運動提供給探 針或樣本中的任一個或二者的組件的組合。注意，探針14一般是微制造的具有集成尖端的 懸臂。探針替代性地可以是在掃描探針顯微鏡(SPM)中使用的任何寬場(wide field)的 探針，包括但不限于掃描隧道顯微鏡尖端、用于磁力顯微鏡、電力顯微鏡、表面電勢顯微鏡、 化學(xué)力顯微鏡的探針、具有碳納米管或碳納米纖維的探針、以及用于基于光闌或無光闌的 近場掃描光學(xué)顯微鏡的探針。 該實施例中的控制器100采用補(bǔ)償來自低頻源的位置誤差(例如蠕變和漂移)的相對慢速的反饋回路104、以及補(bǔ)償掃描器動態(tài)和/或非線性的前饋回路102。
當(dāng)掃描器105執(zhí)行鋸齒形光柵掃描時，回轉(zhuǎn)運動對應(yīng)于減速力和加速力的大的增 加。如上所述，這種力包含很多高頻激勵，該高頻激勵可以使得掃描器不可控地諧振。當(dāng)這 種諧振運動被疊加在掃描器的線性運動上時，圖像將是失真的，在回轉(zhuǎn)角附近的數(shù)據(jù)中顯 示出波動。并且嚴(yán)重的諧振可能導(dǎo)致貫穿整個圖像的波動影響。如圖3所示，為了減少在 回轉(zhuǎn)處的尖銳角的影響，基準(zhǔn)波形R可以被低通濾波，以在峰值處產(chǎn)生變圓的形狀。在一 個實施例中，通過將在掃描頻率&處的三角波的前四個傅立葉項一起相加來合成基準(zhǔn)波形 R。該前四個傅立葉分量包括基頻^以及在3f"5^和處的三個泛音，其給出了線性三 角波的良好近似，其中有可能的例外是在峰值處的更平滑的過渡。可以根據(jù)期望的在回轉(zhuǎn) 處的線性與沖擊力之間的折衷來使用更多或更少的傅立葉分量。在一個實施例中，窗口技 術(shù)(例如但不限于Harming窗)被用于調(diào)整傅立葉分量，以減少因有限數(shù)量的傅立葉分量 而導(dǎo)致的波動量。通過應(yīng)用這種窗，波動幅度可以被減少到波動幅度的1/20。
因為熱漂移和壓力蠕變典型地出現(xiàn)在基本上不同于掃描器運動和掃描器動態(tài)的 時間，所以反饋環(huán)與前饋環(huán)之間的工作分配是有可能的。熱漂移和壓力蠕變具有秒至小時 量級的時間常數(shù)，對應(yīng)于大約0. lHz至10—5Hz的頻率。另一方面，典型傳統(tǒng)AFM具有102Hz 范圍的范圍中的掃描器動態(tài)，其中，快速AFM具有103至10力z或更高的動態(tài)。典型AFM掃 描速度范圍對于傳統(tǒng)AFM從大致O. 1Hz至10Hz，并且對于更高速度AFM高達(dá)10Hz至104Hz。 因此，通常選擇低帶寬反饋環(huán)，其被布置為具有小于掃描頻率的但高于與漂移和蠕變關(guān)聯(lián) 的頻率的帶寬。作為示例，對于以30Hz掃描的SPM系統(tǒng)，1Hz的反饋帶寬良好地大于補(bǔ)償漂 移和蠕變所需的帶寬，但仍然良好地小于掃描頻率。 例如圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)反饋環(huán)典型地被布置為具有控制器58，其具有充分大于 最大掃描頻率的帶寬，從而它們可以忠實地再現(xiàn)基準(zhǔn)波形51。這種寬帶寬需求將更大部分 的傳感器噪聲引入掃描器的運動。然而，在當(dāng)前實施例中，反饋環(huán)的低帶寬基本上使得傳感 器噪聲對于掃描器/執(zhí)行器運動的影響衰減。 為了以示例示出這種效果，考慮以10Hz掃描頻率^操作并且經(jīng)受隨機(jī)傳感器噪 聲的掃描器。為了忠實地再現(xiàn)三角波基準(zhǔn)波形，閉環(huán)帶寬至少是基準(zhǔn)波形的頻率的若干倍。 如上所述，如果期望至少使得良好再現(xiàn)三角波的前四個傅立葉分量，則現(xiàn)有技術(shù)反饋環(huán)將 需要具有7^或大致70Hz的掃描帶寬。然而，例如，如果僅需要反饋環(huán)來補(bǔ)償蠕變和/或漂 移，則可以選取O. 1Hz的帶寬。在簡單情況下，傳感器噪聲是白噪聲。因此，切割從70Hz至
0. 1Hz的反饋帶寬可以導(dǎo)致使得傳感器噪聲對執(zhí)行器位置衰減J^二26的因子。對于以比
0.1
如500Hz的掃描頻率進(jìn)行操作的高速AFM，傳感器噪聲影響方面的改進(jìn)在圖3的反饋環(huán)架構(gòu) 上可以是幾乎200的因子。 注意，本發(fā)明并不要求該示例中用于估計噪聲衰減系數(shù)的的帶寬。反之，其僅
用作方便的基準(zhǔn)來估計傳感器噪聲對執(zhí)行器位置的影響方面的減少情況。取決于掃描波形 所期望的精度，可以將掃描帶寬選擇為大于或小于7fp較高的掃描帶寬增加了用于構(gòu)建掃
描波形的傅立葉分量的數(shù)量。 可以通過任何若干方式來測量執(zhí)行器位置中的噪聲。例如，可以測量驅(qū)動執(zhí)行器 的控制信號u(圖6)的電壓噪聲，并且將其乘以執(zhí)行器靈敏度。所指定的噪聲帶寬中的總
13噪聲可以用于表征系統(tǒng)的噪聲性能。注意，我們區(qū)分術(shù)語"掃描帶寬"和"噪聲帶寬"。噪聲 帶寬定義執(zhí)行噪聲測量的帶寬。通過指定目的是噪聲估計的噪聲帶寬，我們說明系統(tǒng)的掃 描帶寬不是相同的。還要注意，通常，在噪聲分析之前，將從數(shù)據(jù)移除三角波形。
或者，我們可以測量地形(topographic)特征的位置中的噪聲，例如SPM圖像中觀 測到的石墨表面上的階躍邊緣的位置。傳統(tǒng)閉環(huán)AFM圖像可以示出這種階躍邊緣上lnm至 若干nm的噪聲，而本發(fā)明可以實現(xiàn)小于ll的噪聲，關(guān)于質(zhì)量開環(huán)掃描器的操作。
返回反饋系統(tǒng)，環(huán)104采用閉環(huán)反饋控制器106 (PI控制塊，例如，以數(shù)字方式或通 過模擬電路實現(xiàn)的)以及傳感器108，傳感器108響應(yīng)于輸入信號u而產(chǎn)生表示掃描執(zhí)行 器110的檢測到的運動的信號109。注意，大噪聲分量與檢測到的運動109關(guān)聯(lián)。使用已知 AFM控制器，正是這種噪聲在圖4中系統(tǒng)53所示的執(zhí)行器位置中引入噪聲。然而，當(dāng)使用該 實施例的控制器時，圖6中信號107所表示的執(zhí)行器位置跟隨標(biāo)號R所表示的期望的掃描 運動的軌跡。總之，與已知AFM控制器相反，與和檢測到的運動關(guān)聯(lián)的噪聲(信號109)相 比與執(zhí)行器位置關(guān)聯(lián)的噪聲(信號107)得以顯著減少，如圖6示意性地(分解)示出的那 樣。 在一個實施例中，閉環(huán)反饋控制器106僅包含積分增益，用于傳感器噪聲和低穩(wěn) 定狀態(tài)誤差的高拒絕。在該實施例中，積分增益的值被設(shè)置為提供控制帶寬足夠低以允許 傳感器噪聲的基本拒絕，而足夠高的帶寬以補(bǔ)償?shù)皖l蠕變和/或漂移。在該實施例中，設(shè)置 積分增益，從而反饋帶寬通常低于掃描頻率。例如，或者，控制器106可以是PI或PID控制 器。其也可以是更復(fù)雜的基于模型的控制器，其除了反饋之外還使用關(guān)于系統(tǒng)特性的先驗 知識、非線性和/或滯后行為。 基于比較塊112所確定的位置誤差，反饋控制器106產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂菩盘朥fb。比 較塊112可以包括模擬電路和/或數(shù)字計算元件，其創(chuàng)建表示基準(zhǔn)波形與測量的執(zhí)行器軌 跡之間的誤差的信號和/或數(shù)據(jù)。(注意，以下將討論對于來自前饋分支102的u(即uff) 的貢獻(xiàn)。)控制器106體地i^——操作為補(bǔ)償定義期望掃描器運動的基準(zhǔn)信號"R"與傳感 器108的輸出信號所表示的實際掃描執(zhí)行器掃描器運動之間的低頻位置誤差。結(jié)果，因蠕 變和/或熱漂移而導(dǎo)致的關(guān)于相對探針_樣本定位的不利效果是最小的。此外，通過在低帶 寬處進(jìn)行操作，傳感器噪聲(高頻噪聲)對于控制信號u并且因此對于執(zhí)行器運動的不利 定位影響是最小的，如上所述。在一個實施例中，用于x軸、y軸和z軸的執(zhí)行器110是耦合 到具有不同硬度量的彎曲的壓電疊堆，如在題為"Fast-Scanning SPM Scannerand Method of Operating Same"的于2007年3月16日提交的序列號11/687， 304的共同未決申請中 描述的那樣。然而，執(zhí)行器也可以采用任何數(shù)量的替換激勵技術(shù)，包括壓電管或其它壓電設(shè) 備、以電致伸縮、磁致伸縮、靜電、感應(yīng)和/或音圈驅(qū)動機(jī)構(gòu)所形成的執(zhí)行器、以及響應(yīng)于輸 入信號而產(chǎn)生運動的執(zhí)行器，但不限于此。例如，在壓電管的情況下，執(zhí)行器110可以通過 自身構(gòu)成掃描器。執(zhí)行器110還可以是包含其它組件(例如引導(dǎo)和/或放大執(zhí)行器運動的 彎曲元件)的掃描器105的組件。實際上，執(zhí)行器和其它掃描器組件二者的動態(tài)可以另外限 制最大掃描頻率。本發(fā)明可以用于產(chǎn)生單獨執(zhí)行器以及更復(fù)雜掃描器組裝的改進(jìn)的性能。
位置傳感器108最一般地產(chǎn)生指示執(zhí)行器110的位置的信號。合適的位置傳感器 也可以產(chǎn)生指示執(zhí)行器速度的信號，其然后可以被積分(例如通過處理器)，以確定相對執(zhí) 行器位置。位置傳感器可以被布置為直接測量執(zhí)行器的運動，或者測量執(zhí)行器所移動的分離基準(zhǔn)點或表面的位置。位置傳感器108還可以包括預(yù)放大器和/或信號調(diào)節(jié)，其將來自 傳感器的原始信號放大、線性化和/或解調(diào)為控制器可以更好地使用的信號。
我們現(xiàn)在參照前饋算法的運算。再次參照圖6，控制器100的前饋分支102利用 前饋控制算法120，以在最小掃描器諧振失真的情況下有助于高速掃描。通常，前饋算法是 使用系統(tǒng)的特性的先驗知識來估計產(chǎn)生期望的輸出所需的控制信號的算法。前饋控制算法 120在以下進(jìn)一步詳細(xì)描述，但主要使用執(zhí)行器(或掃描器單元)動態(tài)的知識(即非線性 等)來產(chǎn)生驅(qū)動執(zhí)行器110沿著期望的軌跡的掃描器控制信號u的前饋分量uff 。
在一個實施例中，執(zhí)行器110受訓(xùn)練于將驅(qū)動執(zhí)行器接近基準(zhǔn)波形的波形uff的 第一估計。例如，這種估計可以來自先前測量或初始校準(zhǔn)步驟。控制器100更新驅(qū)動波形 uff，以通過產(chǎn)生更新后的掃描控制波形Uff來使得掃描位置中的高頻誤差最小(比較塊112 的輸出)。在一個實施例中，波形Uff包含抑制掃描器的寄生諧振的振蕩和/或校正執(zhí)行 器中的非線性的元素。已知的前饋控制算法的形式通常已經(jīng)在Stemmer， Schitter， Ando， Sal即aka， Devasia， and Zou， for example G. Schitter et al. ，"A new controlstrategy for high-speed atomic force microscopy, Nanotechnology 15(2004) 108-114 ;Q. Zou et al.，"Control Issues in High-speed AFM for BiologicalApplications :Collagen Imaging Example, Asian J Control 2004Jime;6(2) :164-178 ;and S. Devasia， et al.， "Nonlinear Inversion-Based 0utputTracking， ，， IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 41， No. 7 (pp. 930-942) (1996)中描述，其中每一文獻(xiàn)通過引用而清楚地合并 到此。 更具體地說，在此情況下，控制器100的前饋分支102操作為通過考慮在AFM掃 描期間執(zhí)行器110和/或整個掃描器105的動態(tài)(即，非線性)來減少例如周期性誤差， 包括高頻位置誤差。在一個實施例中，前饋算法120是自適應(yīng)算法，下文中有時稱為基于 反轉(zhuǎn)的迭代控制(IIC)算法，其使用傳感器誤差而進(jìn)行操作，以確定用于校正位置誤差的 適當(dāng)控制信號Uff。 IIC算法反轉(zhuǎn)掃描器或執(zhí)行器的傳遞函數(shù)?；趥鞲衅髡`差和先前控 制信號，IIC計算新的控制信號Uff，其有可能減少在掃描上的測量的位置誤差。在Zou et al. in "Precision tracking of driving wave forms forinertial reaction devices，，， Review of Scientific Instruments 76023701 (pp. 203701-1-203701-9) ， (2005)中描述 了一種這樣的IIC算法。在一個實施例中，掃描控制信號Uff被計算作為掃描表，或者一組 控制值被計算作為掃描位置和/或時間的函數(shù)。與掃描執(zhí)行器關(guān)聯(lián)的掃描表被重復(fù)更新，
以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腢ff，從而使得位置誤差盡可能快地達(dá)到最小。 參照圖7，進(jìn)一步詳細(xì)討論前饋算法120的運算。當(dāng)發(fā)起AFM操作時，用戶典型地 在樣本上運行調(diào)查掃描。當(dāng)標(biāo)識感興趣區(qū)域時，用戶輸入偏移、掃描尺寸和速度，并且基于 例如這些用戶輸入以及傳遞函數(shù)反轉(zhuǎn)(以下關(guān)于圖8進(jìn)一步描述)通過先前存儲的參數(shù)或 建模的掃描表在塊121確定初始掃描表。然后使用這些掃描表執(zhí)行測試掃描(塊122)，并 且測量相對于目標(biāo)基準(zhǔn)的位置誤差。算法然后在塊124確定相對于掃描尺寸的位置誤差是 否小于某個百分比"x"。如果小于，則控制器100的前饋分支102的操作在塊126終止，其 中，使用當(dāng)前掃描表補(bǔ)償位置誤差，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腢ff。如果不小于，則控制器通過組合當(dāng)前 誤差與新調(diào)整的模型來發(fā)起新的迭代，以產(chǎn)生新的掃描表，從而進(jìn)一步減少誤差。在塊128 中，新的掃描表通過前饋算法的下一迭代"i+l"而得以確定。更具體地說，在塊122中，這種新的產(chǎn)生掃描表用于驅(qū)動掃描器(即校正得以確定，以更新驅(qū)動)，并且新的掃描誤差然 后再次與誤差裕量"x"進(jìn)行比較?？蛇x地，可以通過執(zhí)行多個周期的掃描來對傳感器誤差 取平均，如前所述，以基本上減少對于誤差確定的噪聲貢獻(xiàn)。繼續(xù)迭代將把誤差基本上減少 到小于"x"，并且最終掃描表在當(dāng)前用戶輸入?yún)?shù)下變?yōu)橛糜趻呙杵鞯尿?qū)動表。前饋算法將 進(jìn)行迭代，直到當(dāng)前掃描表產(chǎn)生小于所選"x"百分比的位置誤差。實際上，最終迭代誤差的 準(zhǔn)則通常設(shè)置為小于整個圖像尺寸的大約1%，對應(yīng)于512個像素掃描行中數(shù)據(jù)的一些像 素。 在一個實施例中，圖7中判決塊124所使用的位置誤差是在掃描波形上的峰值誤
差。其可選地可以是在掃描波形上的積分誤差、積分誤差的子集、RMS誤差、或者和所命令
的位置與位置傳感器所測量的位置之間的差有關(guān)的任何其它數(shù)據(jù)或計算。 在某些實施例中，如以下結(jié)合圖10-圖12進(jìn)一步討論的那樣，峰值誤差對于總掃
描尺寸的理想閾值大約是1%，并且位置噪聲在等于大約七倍掃描頻率的噪聲帶寬內(nèi)小于
大約1埃RMS。這種結(jié)果可以通過前饋算法的大約3-4次迭代而得以實現(xiàn)，并且在某些情況
下可以通過初始掃描波形而得以實現(xiàn)。實際上，這說明，位置誤差可以在大約2秒內(nèi)減少到
1%閾值。產(chǎn)生最小圖像降級的穩(wěn)定定位此后得以保持在高帶寬，其中，Uff波形/信號/數(shù)
據(jù)組在高帶寬控制定位，并且i^校正低帶寬位置誤差(例如熱漂移和壓力蠕變)。注意， 對于更高的掃描速度，可能花費若干次迭代(例如多于5次)來收斂到1%閾值。然而，在 多數(shù)情況下，可以在小于5秒內(nèi)(優(yōu)選地小于2秒)達(dá)到閾值。 參照圖8，說明示出用于產(chǎn)生由前饋算法120所處理的初始掃描表140的組件。初 始掃描表140的第一組件正標(biāo)識與作為整體的執(zhí)行器IIO和掃描器關(guān)聯(lián)的一個或多個傳遞 函數(shù)142(多個傳遞函數(shù)可以對于多個軸而被采用，并且可能耦合在各軸之間，以捕獲其動 態(tài))。傳遞函數(shù)142表示執(zhí)行器110的動態(tài)。當(dāng)驅(qū)動波形(例如三角波)應(yīng)用于掃描執(zhí)行 器110，典型地在頻率范圍上，并且以傳感器測量執(zhí)行器的運動時，掃描執(zhí)行器產(chǎn)生特定響 應(yīng)，傳遞函數(shù)。圖9A和圖9B以圖線示出傳遞函數(shù)。圖9A示出當(dāng)在頻率范圍上掃描恒定幅 度驅(qū)動信號時執(zhí)行器的幅度響應(yīng)。圖9B示出掃描器的對應(yīng)相位響應(yīng)。注意，傳遞函數(shù)可以 基于操作條件而改變，并且掃描器動態(tài)代表多于傳遞函數(shù)(其定義動態(tài)的線性部分)。注 意，預(yù)先確定的傳遞函數(shù)用作整個方案的一部分，以優(yōu)化驅(qū)動波形uff。 可以通過傳統(tǒng)系統(tǒng)標(biāo)識方法來獲得傳遞函數(shù)。例如，通過以已知頻率和幅度的信 號來激勵掃描器，由驅(qū)動信號所劃分的掃描器響應(yīng)定義在該頻率處的增益和相位。通過貫 穿期望的范圍而掃描頻率，可以測量傳遞函數(shù)，其為作為用于掃描器的頻率的函數(shù)的增益 和相位。當(dāng)以白噪聲激勵掃描器或從系統(tǒng)建模時，還可以通過響應(yīng)的增益和相位對其進(jìn)行 測量。圖9A和圖9B示出執(zhí)行器具有在接近lkHz的頻率處的動態(tài)。 傳遞函數(shù)更具體地表示執(zhí)行器對于特定輸入的期待響應(yīng)。在操作中，前饋算法120 操作為反轉(zhuǎn)傳遞函數(shù)，并且基于誤差(圖6中塊112的輸出)和先前掃描表，確定適當(dāng)?shù)膾?br> 描表，以提供適當(dāng)?shù)目刂菩盘朥ff，從而在此情況下補(bǔ)償位置誤差。 進(jìn)一步參照圖8，初始掃描表還通過用戶選擇的參數(shù)144(例如掃描尺寸、掃描角 以及操作頻率)而得以定義。注意，使用優(yōu)選實施例，在保持位置穩(wěn)定性的同時，可以實現(xiàn) 高達(dá)至少三分之一的掃描執(zhí)行器的諧振頻率的掃描頻率。對于圖9A和圖9B所示的掃描 器，這說明可以實現(xiàn)大約300Hz的掃描速度。這完全對比于典型地在單一Hz范圍中掃描的
16已知AFM。也可以由校準(zhǔn)的掃描器文件146來定義初始掃描表。雖然不一定操作優(yōu)選實施 例，但校準(zhǔn)的與掃描執(zhí)行器關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可以用在產(chǎn)生掃描表中。這些校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)是通過以 具有已知線性維度的一組特征掃描樣本而獲取的。最終，可以通過保存的與掃描執(zhí)行器關(guān) 聯(lián)的掃描表來修改用于當(dāng)前測量的初始掃描表。例如，可以采用與掃描執(zhí)行器執(zhí)行的先前 實驗對應(yīng)的掃描表信息來產(chǎn)生在操作中更精確地反映實際執(zhí)行器響應(yīng)的初始掃描表，潛在 地提供在前饋算法的第一次迭代時實現(xiàn)閾值誤差的對應(yīng)更大的機(jī)會。圖12示出校準(zhǔn)的效 果，以下進(jìn)一步討論。 圖10-圖12示出控制器100的性能。垂直軸表示對應(yīng)信號的電壓信號，而橫軸 是以毫秒為單位的時間。所有信號在圖6中在不同測試點處同時被采樣。圖10示出標(biāo)記 "基準(zhǔn)信號l"的第一曲線，其為示出掃描器的期望運動的純?nèi)遣?例如光柵掃描)。曲 線"驅(qū)動信號2"示出由控制器產(chǎn)生以校正探針_樣本位置誤差的驅(qū)動信號uff。驅(qū)動信號 (即uff)產(chǎn)生標(biāo)記"傳感器信號"的傳感器信號，其與目的在于由掃描器產(chǎn)生的純?nèi)遣ㄐ?(即基準(zhǔn)信號)基本一致。純?nèi)切盘柣虿ㄐ?基準(zhǔn)信號)與感測到的執(zhí)行器運動"傳感 器信號"之間的誤差產(chǎn)生"誤差信號"所表示的誤差輪廓。通過使用控制器100的前饋控制 算法120組合低帶寬反饋與高頻誤差補(bǔ)償，"誤差信號"得以保持為最小。對于圖IO所示的 情況，在前饋算法120的大約3-4次迭代中完成該誤差量。 圖11示出圖IO所示的執(zhí)行器響應(yīng)的垂直軸中的放大(blown up)形式。更具體 地說，波形"迭代前的誤差信號(ESBI)"和"迭代后的誤差信號(ESAI)"示出與通過控制器 100驅(qū)動執(zhí)行器關(guān)聯(lián)的誤差。更具體地說，波形"ESBI"示出在前饋算法120的第一運算之 后的初始誤差。雖然開始時相對大，但在大約前饋算法的3至4次迭代之后，誤差減少到波 形ESAI示意性示出的誤差。該誤差量小于以高速度進(jìn)行掃描而不使得圖像質(zhì)量降級所需 的閾值，即，位置誤差理想地小于掃描尺寸的1%。注意，ESBI示出誤差典型地在光柵掃描 的轉(zhuǎn)換點處最大，因此，不明顯地影響由所獲取的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的所得圖像。
參照圖12，示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的對于快速掃描用于實現(xiàn)所選誤差量的前 饋算法120的迭代次數(shù)。對于未校準(zhǔn)掃描器的情況，在此情況下用于實現(xiàn)總掃描尺寸的1% 最大誤差的迭代數(shù)量是大約前饋算法的7至8次迭代。然而，如上所述，在校準(zhǔn)掃描器的情 況下，可以在3至4次迭代中實現(xiàn)1%閾值。在兩種情況中的任一種情況下，都可以在發(fā)起 掃描的大約2秒之內(nèi)執(zhí)行高完整性快速掃描。 總之，本發(fā)明的控制器100和關(guān)聯(lián)的控制算法可以將傳統(tǒng)AFM掃描器的掃描速度 提高得大于一個數(shù)量級。低帶寬反饋控制器基本上消除了定位誤差的低頻或DC分量的影 響，而基于自適應(yīng)的前饋控制算法120使得對于與高頻傳感器動態(tài)和非線性關(guān)聯(lián)的執(zhí)行器 位置的不利影響最小。由每一控制分支所產(chǎn)生的兩個信號ufb和uff被組合以提供控制信 號u，其產(chǎn)生以大于掃描器(執(zhí)行器)的基本諧振頻率的1/100 (并且優(yōu)選地大于掃描器的 諧振頻率的1/10，更優(yōu)選地，1/3)的改進(jìn)后的速度跟隨基準(zhǔn)的基本上線性的掃描器運動， 如圖5所示。對于在預(yù)期應(yīng)用中可使用的典型壓電執(zhí)行器(大約900Hz的諧振頻率)，這說 明以300Hz進(jìn)行掃描而不損害圖像質(zhì)量是可能的。 圖13示意性示出控制器100的操作，圖13是噪聲密度對于掃描器頻率的圖表。 如圖所示，如果將掃描帶寬設(shè)置在適當(dāng)?shù)念l率處，則可以采用對于掃描器控制信號u的前 饋貢獻(xiàn)Uff來補(bǔ)償高頻位置誤差。反饋控制環(huán)及其對于掃描器控制信號u的貢獻(xiàn)i^操作在低帶寬處，足以校正對于位置誤差(例如蠕變和熱漂移)的低帶寬貢獻(xiàn)。以此方式，來自反 饋環(huán)的位置傳感器的噪聲及其對于噪聲密度的貢獻(xiàn)基本上被最小化。例如，在使得位置傳 感器噪聲的影響最小的同時，可以將掃描帶寬設(shè)置為大約七倍掃描頻率?？傊?，通過在低帶 寬處操作反饋環(huán)104(圖6)，位置傳感器所引入的噪聲被最小化到圖13示意性示出的區(qū)域 150。結(jié)果，在通過操作為提供用于高頻位置誤差的校正的前饋算法120以明顯較大速度進(jìn) 行掃描的同時，圖像完整性并沒有明顯降級。 圖14A-圖14C示出本發(fā)明提供的更精確的定位的一個實際效果。圖14A示出要 以高分辨率成像的具有標(biāo)記了 "A"的感興趣區(qū)域的校準(zhǔn)光柵(10微米節(jié)距尺寸、100微米 掃描尺寸、10Hz)的樣本。為了在以高頻操作執(zhí)行器的同時從圖14A所示的探針-樣本位 置移動到變焦位置"A"，應(yīng)將位置誤差基本上保持在例如優(yōu)選實施例所實現(xiàn)的掃描尺寸的 大約1%。在此情況下，區(qū)域"A"將處于變焦位置中。這與已知AFM及其關(guān)聯(lián)控制技術(shù)形 成對比，假定在高掃描頻率時誤差較大，例如在比如大約10%的范圍中。在此情況下，從 100x100 iim掃描范圍移動到lxliim子區(qū)域?qū)a(chǎn)生大約10 y m的誤差，這個量大得不允許 AFM可靠地定位探針和樣本，從而區(qū)域"A"仍然處于所命令的探針-樣本位置內(nèi)。圖14B示 出使用前述控制器的變焦位置"A"(近似5微米區(qū)域)。參照圖14C，與使用該控制器的圖 14B所示的區(qū)域的新的掃描關(guān)聯(lián)的圖像(在10Hz處大約3.2微米掃描)示出掃描器的低噪 聲和精確定位，而沒有蠕變。 參照圖15A-圖15C，示出使用已知AFM以及本發(fā)明的噪聲對于探針_樣本定位的 影響。對應(yīng)樣本圖像是使用具有開環(huán)位置控制器(圖15A)以及閉環(huán)位置控制器(圖15B) 的AFM成像的邊緣特征，其中，圖15C的圖像示出使用包括本發(fā)明的AFM所獲得的圖像。更 具體地說，圖15A示出假定缺少位置傳感器的情況下具有低噪聲的邊緣特征(幅度200)。 圖15B是使用處理傳感器噪聲由此產(chǎn)生有噪聲圖像的傳統(tǒng)閉環(huán)控制器的邊緣圖像。如圖所 示，噪聲210明顯大于噪聲200，如期望的那樣。圖15C是使用本發(fā)明獲得的圖像，其中，在 實現(xiàn)開環(huán)成像的噪聲性能的同時，保持閉環(huán)控制器的相同定位精度和線性。換句話說，與閉 環(huán)噪聲210相比，執(zhí)行器噪聲220明顯減少，并且在圖15A所示的開環(huán)噪聲200的范圍中更 多。 雖然以上描述了執(zhí)行本發(fā)明的發(fā)明人所預(yù)期的最佳模式，但本發(fā)明的實踐不限于 此。例如，對于十分小的掃描尺寸(例如幾十至幾百納米)，可以完全不用IIC控制算法的
自適應(yīng)過程，以避免計算的發(fā)散。應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思之下的精神和范圍的情況 下，可以進(jìn)行本發(fā)明的特征各種添加、修改和重新布置。
18
權(quán)利要求
一種操作度量器件的方法，包括使用執(zhí)行器以掃描頻率產(chǎn)生探針與樣本之間的相對運動；使用位置傳感器檢測執(zhí)行器的運動，其中所述位置傳感器在檢測到的運動中表現(xiàn)噪聲；使用反饋回路和前饋算法控制所述執(zhí)行器的位置；以及其中所述控制步驟使得所述執(zhí)行器位置中的噪聲與在約為掃描頻率的七倍的噪聲帶寬中的檢測到的運動中的噪聲相比而被衰減。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述前饋算法包括使用基于反轉(zhuǎn)的控制算法。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述基于反轉(zhuǎn)的控制算法使用與所述執(zhí)行器相關(guān) 聯(lián)的至少一個傳遞函數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述基于反轉(zhuǎn)的控制算法自適應(yīng)地產(chǎn)生對于補(bǔ)償 所述執(zhí)行器的非線性和動態(tài)中的至少一個的控制信號有貢獻(xiàn)的校正。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述控制信號在不大于約10次的每次迭代10個 掃描行的迭代之后產(chǎn)生小于總掃描范圍的約1%的峰值位置誤差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述控制信號在不大于約5秒之后產(chǎn)生小于總掃 描范圍的約1%的峰值位置誤差。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述掃描頻率至少是執(zhí)行器的基本諧振頻率的 1/100。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述掃描頻率至少是執(zhí)行器的基本諧振頻率的 1/10。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述掃描頻率至少是執(zhí)行器的基本諧振頻率的1/3。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述執(zhí)行器的諧振頻率大于約100Hz，所述掃描 頻率至少是約10Hz。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中所述掃描頻率至少是約100Hz。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述掃描頻率至少是約300Hz。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反饋回路的帶寬小于所述掃描頻率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反饋回路的帶寬小于約10Hz。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制步驟使得所述執(zhí)行器位置中的噪聲在 等于所述掃描頻率的約七倍的噪聲帶寬內(nèi)衰減為小于約1埃RMS。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述步驟包括使用PI控制器。
17. —種操作度量器件的方法，包括利用執(zhí)行器在掃描尺寸上以掃描頻率產(chǎn)生探針與樣本之間的相對運動； 使用位置傳感器檢測所述執(zhí)行器的運動；以及利用反饋回路和前饋算法中的至少一個控制所述產(chǎn)生步驟，以基本上遵循基準(zhǔn)信號來 實現(xiàn)與小于所述掃描尺寸的大約1%的基準(zhǔn)信號相比的相對運動的位置誤差、以及等于至 少所述掃描頻率的大約七倍的噪聲帶寬內(nèi)的小于大約1埃RMS的定位噪聲。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述前饋算法是自適應(yīng)前饋算法，所述自適應(yīng) 前饋算法響應(yīng)于位置誤差來估計所述執(zhí)行器的傳遞函數(shù)，并至少部分地基于所述傳遞函數(shù)調(diào)整所述產(chǎn)生步驟。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述執(zhí)行器的響應(yīng)取決于操作條件。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述操作條件是掃描頻率、大小、角度和偏移中 的至少一個。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述掃描頻率大于約10Hz。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述掃描頻率大于約30Hz。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述掃描頻率大于約100Hz。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述掃描頻率大于約300Hz。
25. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述反饋回路的帶寬小于所述掃描頻率。
26. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述反饋回路的帶寬小于約10Hz。
27. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述前饋算法包括使用基于反轉(zhuǎn)的控制算法， 并且迭代地產(chǎn)生對于用于補(bǔ)償所述執(zhí)行器的非線性和動態(tài)中的至少一個的控制信號有貢 獻(xiàn)的校正。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述控制信號在不大于大約5秒之后產(chǎn)生小于 總掃描范圍的大約1%的峰值位置誤差。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述校正是波形。
30. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述位置誤差是積分位置誤差。
31. —種掃描探針顯微鏡(SPM)，包括執(zhí)行器，所述執(zhí)行器以掃描頻率產(chǎn)生探針與樣本之間的相對運動； 傳感器，所述傳感器檢測所述執(zhí)行器的運動并產(chǎn)生噪聲； 控制器，所述控制器基于檢測到的運動產(chǎn)生位置控制信號；其中，所述控制器使得所述執(zhí)行器位置中的噪聲在約為所述掃描頻率的七倍的噪聲帶 寬中衰減為小于約1埃RMS。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的掃描探針顯微鏡，還包括前饋算法，并且其中所述控制器 包括反饋回路，所述反饋回路使得所述執(zhí)行器位置中的噪聲與所述傳感器表現(xiàn)的噪聲相比 而被衰減。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的掃描探針顯微鏡，其中所述反饋回路的帶寬小于所述掃描頻率。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的掃描探針顯微鏡，其中所述前饋算法包括使用基于反轉(zhuǎn) 的控制算法，并且迭代地產(chǎn)生對于用于補(bǔ)償所述執(zhí)行器的非線性和動態(tài)中的至少一個的控 制信號有貢獻(xiàn)的校正。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的掃描探針顯微鏡，其中所述校正是掃描表。
36. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的掃描探針顯微鏡，其中所述掃描頻率至少是所述執(zhí)行器的 基本諧振頻率的1/100。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的掃描探針顯微鏡，其中所述掃描頻率至少是所述執(zhí)行器的 基本諧振頻率的1/10。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的掃描探針顯微鏡，其中所述掃描頻率至少是所述執(zhí)行器的 基本諧振頻率的1/3。
39. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的掃描探針顯微鏡，其中所述掃描頻率大于約10Hz。
40. —種操作度量器件的方法，包括使用執(zhí)行器以掃描頻率產(chǎn)生探針與樣本之間的相對運動；使用位置傳感器檢測執(zhí)行器的運動，其中所述位置傳感器在檢測到的運動中表現(xiàn)噪聲；使用反饋回路和自適應(yīng)前饋算法控制所述執(zhí)行器的位置；以及其中所述控制步驟使得所述執(zhí)行器位置中的噪聲與在約為掃描頻率的七倍的噪聲帶 寬中的檢測到的運動中的噪聲相比而被衰減；其中所述自適應(yīng)前饋算法響應(yīng)于所述執(zhí)行器的檢測到的運動而重復(fù)地更新所述產(chǎn)生 步驟。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中所述自適應(yīng)前饋算法迭代地確定用于所述產(chǎn)生 步驟的校正。
42. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括使用基準(zhǔn)信號，所述基準(zhǔn)信 號是三角波。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，還包括使用窗來減少所述三角波中的波動。
全文摘要
一種操作度量器件的方法，包括使用執(zhí)行器(110)以掃描頻率產(chǎn)生探針(14)與樣本(22)之間的相對運動。該方法還包括使用在檢測到的運動中表現(xiàn)噪聲的位置傳感器(108)檢測執(zhí)行器的運動，并且使用反饋回路(104)和前饋算法(120)控制執(zhí)行器(110)的位置。在該實施例中，控制步驟使得執(zhí)行器位置中的噪聲與在掃描帶寬上的位置傳感器所表現(xiàn)的噪聲相比而被衰減。掃描頻率可高達(dá)第一掃描器諧振頻率的三分之一或大于300Hz。
文檔編號G01B7/00GK101711342SQ200880014968
公開日2010年5月19日 申請日期2008年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月7日
發(fā)明者克雷格·普拉特, 史建, 蘇全民, 馬驥 申請人:威科儀器公司