本文關鍵詞：用于原子力顯微鏡壓電掃描器的新型電荷驅動方法研究與應用

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【摘要】：在微致動與精密定位領域,壓電致動器由于位移分辨率高、輸出力大、動態(tài)響應好等優(yōu)點得到了廣泛的應用。然而由于壓電材料自身的遲滯與非線性等特性,基于壓電致動器的微定位系統(tǒng)的性能往往受到很大限制,為此,研究人員提出了很多的辦法,其中最常用的三種方法為：前饋控制方法、反饋控制方法、電荷控制方法。本論文在前人研究的基礎上對用于壓電致動器的兩種新型驅動方法：開關電容電荷泵方法與結合應變反饋和電荷放大的混合驅動方法,進行了詳細的理論分析與實驗驗證,并實現(xiàn)了兩種方法在原子力顯微鏡中的應用。 本論文對一種新穎的開關電容電荷泵方法進行了詳細的分析,并將之成功地應用于原子力顯微鏡中掃描成像。本文對開關電容電荷泵的工作原理進行了詳細分析,分別對充電電容、模擬開關、運算放大器對電荷泵電路的影響進行了分析。對開關電荷泵產生的階躍位移進行了頻譜分析,指出應該盡量實現(xiàn)“小步快跑”的掃描方式。對開關速度對電路的影響進行了分析與探討,并針對性地提出了一種高速放電的開關電容電荷泵電路。然后搭建實驗裝置,以普通藍光光盤為樣品,使用開關電容電荷泵方法在原子力顯微鏡中實現(xiàn)了傳統(tǒng)的光柵式掃描(Raster Scanning),成像結果亦表明相對于電壓驅動掃描,開關電容電荷泵方法能有效地減小遲滯與非線性,圖像質量有很大提高。針對開關電容電荷泵方法的低頻漏電問題,提出了一種基于開關電容電荷泵的螺旋線掃描方法。對此方法下壓電致動器上的電荷量進行了推導,分析比較了同等掃描情況下光柵式掃描與螺旋線式掃描的速度對比,發(fā)現(xiàn)螺旋線式掃描的速度是光柵式掃描的(?)倍。針對螺旋線掃描這種特殊的掃描方式,開發(fā)了一個對應的圖像算法。 本論文首次提出了一種結合應變反饋控制和電荷放大的混合驅動方法,用以解決包括開關電容電荷泵在內的電荷驅動方法的低頻漏電問題。基于傳感器的反饋控制是最成熟最流行的一種方法,它主要使用位移傳感器來探測壓電致動器的輸出位移,并形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于傳感器噪聲的存在,高分辨率與高帶寬成為不可兼得的兩個量,因而反饋控制方法通常都是應用在低頻頻域。電荷控制方法的理論基礎為壓電致動器的輸出位移與其上的電荷量(而不是施加的電壓)成線性關系。電荷放大器在高頻頻域有著良好的線性度、高分辨率、以及快速的動態(tài)響應,但是在低頻頻域由于漏電以及一些非理想因素的影響,其往往退化為電壓放大器,因而電荷放大器主要是用在高頻頻域。本文提出一種混合控制電路,它使得應變反饋回路主要工作在低頻頻域,而使電荷放大回路主要工作在高頻頻域,這種方法結合了反饋控制方法與電荷控制方法的優(yōu)點,而彌補了各自的缺點。 通過對混合控制電路及其傳遞函數的分析,從理論上證明了應變反饋控制與電荷控制的頻率響應能實現(xiàn)無縫對接。對應變反饋回路以及電荷放大回路的噪聲水平分別進行了詳細分析,數據表明單獨使用應變反饋控制時,對于10kHz帶寬所能達到的最高位移分辨率為4.4nm；而單獨使用電荷放大器時,對于10kHz帶寬所能達到的最高位移分辨率為48.8pm。以三維尺寸為10mm×10mm×20mm的壓電堆棧致動器為實驗對象,對以上混合驅動方法進行了性能測試,當給壓電堆棧施加一個三角波激勵時,在0.1Hz～50Hz的頻率范圍內混合驅動方法均有穩(wěn)定的增益,而且輸出位移的非線性度均小于2%。將應變反饋回路與電荷放大回路的帶寬均設為1kHz時,應變放大器輸出的位移噪聲理論計算值為1.9nm,實際測量值等效為2.5nm；電荷放大器輸出的位移噪聲理論計算值為25pm,而實際測量值等效為30pm。通過混合驅動與單獨使用應變反饋的對比,也證明了混合驅動具有良好的動態(tài)響應。 提出了一種改進型的混合驅動方法,并將之成功應用在原子力顯微鏡中進行掃描成像。將以上混合驅動方法用來驅動原子力顯微鏡中的壓電掃描器時,一個繞不開的問題就是壓電致動器是虛地連接的,這在實際掃描當中會導致系統(tǒng)易受干擾。為此,設計了一個基于“鏡像驅動”的改進型混合驅動方法,它同時使用一個參考致動器和一個目標致動器,通過使用混合驅動方法控制虛地連接的參考致動器,從而間接地在實地連接的目標致動器上實現(xiàn)高線性度和動態(tài)響應。對傳遞函數的分析也證明了此方法的可行性。此方法被成功地應用于商用原子力顯微鏡(NanoFirst3000)中,掃描圖像也表明,在使用此改進型的混合驅動方法時壓電致動器的遲滯和非線性被大大減小,掃描圖像的質量得到了很大提高。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH742

【參考文獻】

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本文編號：1302586