專利名稱:一種afm的重定位系統(tǒng)的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及一種AFM的重定位系統(tǒng)。
技術背景
納米技術作為一門交叉性很強的綜合學科,以其新穎性、獨特的思路,在科學技術 界引起巨大影響,受到廣泛的關注。上世紀80年代以來,各國政府先后投入巨資、組織力量 研究納米技術,以期搶占納米技術戰(zhàn)略高地。進入21世紀,納米科技發(fā)展的非常迅速,在生 物化學、醫(yī)學、信息技術、材料科學等領域有著廣泛地應用,已經(jīng)成為本世紀最核心的技術 之一,納米科技的競爭,很大程度上體現(xiàn)在納米表征和納米操縱儀器的競爭。納米科技發(fā)展 至今,陸續(xù)出現(xiàn)了一些普遍使用的掃描探針顯微鏡(SPM)重定位技術,這些重定位技術與 方法大致可分為基于標記點的重定位方法、基于復合化SPM的重定位方法以及基于模板 匹配的重定位方法等,有些受到使用條件環(huán)境等因素的影響不能廣泛采用,有些定位精度 低。
納米操縱技術是當代科學技術發(fā)展的一個新興領域。原子力顯微鏡(AFM)作為納 米表征和納米操縱的利器,被譽為納米科技的“眼”和“手”,不斷提高它的定位及重定位精 度是納米工作者始終追求的目標。但由于原子力顯微鏡(AFM)納米重定位控制系統(tǒng)主要受 壓電陶瓷掃描器自身的遲滯、蠕變、耦合等非線性特性以及懸臂變形引起的針尖偏差,難以 建立精確的控制系統(tǒng)模型,導致探針與樣品間的相對位移誤差較大,給納米操縱中的重定 位操作帶來了不便。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種AFM的重定位系統(tǒng),具有良好的跟蹤能力和重定位 效果;不僅使人們能夠容易地測量和觀察物體表面的微觀三維形貌,同時人們還可以利用 探針,在納米級甚至原子分子級范圍內(nèi)改變物體的表面結(jié)構(gòu),從而將其從測量領域擴展到 納米加工領域,以克服現(xiàn)有AFM的重定位系統(tǒng)存在的上述問題。
本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)一種AFM的重定位系統(tǒng),包括個 人計算機(PC)機、微控制器、光信號處理電路模塊、高壓驅(qū)動器和操作平臺,所述PC機通過 線路連接微控制器,微控制器與PC機的連接線路上并聯(lián)針尖偏移前饋補償電路模塊,所述 微控制器通過線路分別連接第一模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊、第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/模 擬(D/A)轉(zhuǎn)換模塊和魯棒控制器,第一A/D轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接光信號處理電路模塊,光 信號處理電路模塊通過線路連接四象限光電探測器,所述D/A轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接高壓 驅(qū)動器,高壓驅(qū)動器通過線路連接壓電陶瓷掃描器,所述第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接 位移信號處理電路模塊,位移信號處理電路模塊通過線路連接電容傳感器,電容傳感器、壓 電陶瓷掃描器、四象限光電探測器均設置在操作平臺上。
本實用新型的有益效果為采用魯棒控制器、探針針尖偏移量前饋補償和壓電陶 瓷掃描器組合控制方式,使系統(tǒng)仍能保持預期的性能,探針針尖偏移量前饋補償作為期望壓電陶瓷輸出位移的前饋補償,重復定位精確度高,速度快,具有良好的跟蹤能力和重定位 效果;不僅使人們能夠容易地測量和觀察物體表面的微觀三維形貌,同時人們還可以利用 探針,在納米級甚至原子分子級范圍內(nèi)改變物體的表面結(jié)構(gòu),從而將其從測量領域擴展到 納米加工領域。
下面根據(jù)附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1是本實用新型實施例所述的一種AFM的重定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖中1、PC機;2、微控制器;3、光信號處理電路模塊;4、高壓驅(qū)動器;5、操作平 臺;6、針尖偏移前饋補償電路模塊;7、第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊;8、第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊;9、D/A轉(zhuǎn) 換模塊;10、魯棒控制器;11、四象限光電探測器;12、壓電陶瓷掃描器;13、位移信號處理電 路模塊;14、電容傳感器。
具體實施方式
如圖1所示,本實用新型實施例所述的一種AFM的重定位系統(tǒng),包括PC機1、微控 制器2、光信號處理電路模塊3、高壓驅(qū)動器4和操作平臺5,所述PC機1通過線路連接微控 制器2,微控制器2與PC機1的連接線路上并聯(lián)針尖偏移前饋補償電路模塊6,所述微控制 器2通過線路分別連接第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊7、第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊8、D/A轉(zhuǎn)換模塊9和魯棒 控制器10,第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊7通過線路連接光信號處理電路模塊3,光信號處理電路模塊 3通過線路連接四象限光電探測器11,所述D/A轉(zhuǎn)換模塊9通過線路連接高壓驅(qū)動器4,高 壓驅(qū)動器4通過線路連接壓電陶瓷掃描器12,所述第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊8通過線路連接位移 信號處理電路模塊13,位移信號處理電路模塊13通過線路連接電容傳感器14,電容傳感器 14、壓電陶瓷掃描器12、四象限光電探測器11均設置在操作平臺5上。
具體工作時,PC機1通過USB數(shù)據(jù)線與微控制器2保持雙向通訊。用戶通過上位 機軟件的操作,給控制系統(tǒng)中的微控制器2發(fā)送控制命令,微控制器2根據(jù)所接收到的命 令,再向后級發(fā)送相應的數(shù)字信號,這些信號由D/A轉(zhuǎn)換模塊9轉(zhuǎn)化為模擬信號,并由高壓 驅(qū)動器4放大,來分別驅(qū)動壓電陶瓷掃描器12的X、Y和Z軸的運動,X、Y軸的運動對應了 掃描樣品的范圍,Z軸的運動則反應了樣品表面的高度變化。操作平臺5上的探針在樣品 表面做輕敲式掃描,樣品的高低變化帶動探針的高低變化,使通過探針反射到四象限光電 探測器11的激光光斑不斷變化,光信號處理電路模塊3檢測該光斑的位置,所得信號經(jīng)過 第一A/D轉(zhuǎn)換模塊7轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,送回給微控制器2 ;微控制器2給出相應的信號修正, 使探針的高低與樣品表面的高度保持一致。所設計的魯棒控制器10通過程序編寫入微控 制器2中,使微控制器2能夠有序的給出合理的電壓序列,來驅(qū)動壓電陶瓷掃描器12對樣 品的掃描。由于壓電陶瓷掃描器12所固有的非線性等因素,使得壓電陶瓷掃描器12在每 個軸方向上的位移與設定值不吻合,電容傳感器14通過檢測壓電陶瓷掃描器12的位移,由 位移信號處理電路模塊13和第二 A/D轉(zhuǎn)換模塊8處理和放大,得到數(shù)字的位移反饋量,傳 給為微控制器2做比較,微控制器2根據(jù)設定值給出矯正,使壓電陶瓷掃描器12按照給定 值運動。同時由于外界擾動使探針發(fā)生偏移,引入針尖偏移前饋補償電路模塊6,克服了外 界擾動帶來的對探針的影響。[0012] 本實用新型重定位控制系統(tǒng)中的主要參數(shù)如下使用改進的壓電陶瓷掃描器,每 組電極極片數(shù)=4 ;掃描器內(nèi)部的壓電陶瓷管長50mm、外徑7. 2mm,壓電陶瓷材料厚1mm,所 以每個壓電陶瓷極片截面面積 A' ≈ 2X3. 14X7. 2X 10 -3X1 X 10 -3/4 = 0. 11304X10 -4m2 ; 壓電陶瓷材料在電場中的應變系數(shù)d33≈ 500X10 12m/V;壓電陶瓷材料在力作用下的 應變系數(shù)S33 20. 8 X 10 12m2/N ;壓電陶瓷管控制X_Y運動部分的長度H = 0. 05m。將
這些參數(shù)代入狀態(tài)方程描述壓電陶瓷的位移-電壓模型得
權利要求
一種AFM的重定位系統(tǒng),包括PC機(1)、微控制器(2)、光信號處理電路模塊(3)、高壓驅(qū)動器(4)和操作平臺(5),其特征在于所述PC機(1)通過線路連接微控制器(2),微控制器(2)與PC機(1)的連接線路上并聯(lián)針尖偏移前饋補償電路模塊(6),所述微控制器(2)通過線路分別連接第一A/D轉(zhuǎn)換模塊(7)、第二A/D轉(zhuǎn)換模塊(8)、D/A轉(zhuǎn)換模塊(9)和魯棒控制器(10),第一A/D轉(zhuǎn)換模塊(7)通過線路連接光信號處理電路模塊(3),光信號處理電路模塊(3)通過線路連接四象限光電探測器(11),所述D/A轉(zhuǎn)換模塊(9)通過線路連接高壓驅(qū)動器(4),高壓驅(qū)動器(4)通過線路連接壓電陶瓷掃描器(12),所述第二A/D轉(zhuǎn)換模塊(8)通過線路連接位移信號處理電路模塊(13),位移信號處理電路模塊(13)通過線路連接電容傳感器(14),電容傳感器(14)、壓電陶瓷掃描器(12)、四象限光電探測器(11)均設置在操作平臺(5)上。
專利摘要
本實用新型涉及一種AFM的重定位系統(tǒng),包括PC機、微控制器、光信號處理電路模塊、高壓驅(qū)動器和操作平臺,PC機通過線路連接微控制器,微控制器與PC機的連接線路上并聯(lián)針尖偏移前饋補償電路模塊,微控制器通過線路分別連接第一A/D轉(zhuǎn)換模塊、第二A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和魯棒控制器,第一A/D轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接光信號處理電路模塊,D/A轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接高壓驅(qū)動器,第二A/D轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接位移信號處理電路模塊。本實用新型有益效果采用魯棒控制器、探針針尖偏移量前饋補償和壓電陶瓷掃描器組合控制方式,使系統(tǒng)仍能保持預期的性能,重復定位精確度高,速度快,具有良好的跟蹤能力和重定位效果。
文檔編號G01Q10/06GKCN201773112SQ201020272000
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月27日
發(fā)明者唐沈健, 孫鑫, 李立強, 陳前春 申請人:蘇州海茲思納米科技有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan