新型数字反馈式原子力显微镜的研制与应用研究
纳米技术是近几十年来迅速发展的一门学科，其中以原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)为典型代表的扫描探针显微镜(SPM)，是纳米科技技术研究的重要工具。随着纳米科技的发展，SPM已成为纳米科技技术工作者或相关学科领域的工作者必不可缺的研究仪器及工具，其中AFM以它特殊的性能，得到了广泛的应用。传统的AFM采用模拟电路来实现PID控制反馈，虽然它具有控制速度快的优点，但也存在很多局限性，如电路设计较为复杂、精度不够高、不可根据不同的模型轻易设计算法、不具备自适应调整参数的能力等。 本文在AFM技术及理论研究的基础上，分析现有的模拟反馈式AFM的特点及局限性的基础上，提出一种基于增量式反馈的新型数字反馈式AFM的原理和方法，开展了相应的算法研究。数字反馈式AFM系统是利用计算机实现PID反馈控制，来代替模拟PID反馈控制电路:经过A/D转换后的数字信号，直接由计算机控制算运算处理后得到数字控制量，再通过D/A转换为模拟量输出，来实现系统的反馈控制。由此，本文重新设计并研制了数字反馈式AFM电路，该电路只需要XYZ三路控制放大电路即可实现压电陶瓷的伸缩控制，彻底摆脱了模拟PID控制电路，大大精简了AFM电路。 为了更加高效率地利用计算机资源、提高系统运行效率，AFM软件系统采用多线程并发技术实现信号采集、数字PID反馈控制、扫描控制、数据处理及显示四大功能。选用PCI8620数据采集卡作为系统的A/D&D/A接口，并采用DMA(Direct Memory Access)方式采集与读取数据，提高了系统运行的速度。 本文设计的数字反馈式AFM系统具有稳定、可靠、快速、精度高等特点，并且计算机可以根据需要修改数字反馈控制算法，具有很大的系统灵活性。对研制的新型数字反馈式AFM开展实验研究，分析误差产生的原因，提出性能优化方法，从软件与硬件两个方面着手进行方案优化，进一步提高了系统的性能。利用自行研制的数字反馈式AFM系统，开展微纳结构样品的AFM扫描成像实验，得到满意的实验结果，为实际应用提供了技术基础。
微纳检测;原子力显微镜;多线程并发;软件系统
浙江大学
硕士
测试计量技术及仪器
章海军;张冬仙
2015
中文
TH742
71
2015-12-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）