本文關(guān)鍵詞：基于ARM的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的研究

  更多相關(guān)文章： 原子力顯微鏡 樣品掃描方式 反饋檢測 探針掃描方式 壓電掃描器

【摘要】：納米技術(shù)是近年來快速發(fā)展的前沿學(xué)科領(lǐng)域之一。納米技術(shù)正在不斷應(yīng)用到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域,形成了許多與其相關(guān)的新興學(xué)科。掃描隧道顯微鏡(STM)與原子力顯微鏡(AFM)等是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),也是納米科技工作者必不可少的研究工具,而且尤以原子力顯微鏡的需求更大,應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。本文提出基于ARM的原子力顯微鏡的設(shè)計思想,對其原理和方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究,并將嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到AFM的控制系統(tǒng)中,不僅具有重要的理論意義和科學(xué)價值,而且具有廣闊的應(yīng)用前景。文中在總結(jié)納米科技及AFM應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對AFM的工作原理進(jìn)行了深入的探討。結(jié)合當(dāng)前AFM應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,提出了基于ARM嵌入式操作系統(tǒng)ARM-μCLinux的AFM控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)運(yùn)用ARM控制18位DAC輸出模擬信號,再經(jīng)過高壓放大,控制壓電陶瓷器XYZ方向運(yùn)動;系統(tǒng)采用16位同步ADC采集微懸臂梁的反饋信號;利用ARM多線程優(yōu)勢進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時采集,并通過LAN口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;利用Atmega128L控制AD9851輸出0~500KHz、幅值可調(diào)的正弦波,頻率穩(wěn)定度0.04Hz,幅度輸出誤差在0.2mV范圍內(nèi),在輕敲模式下,使AFM的微懸臂梁在其諧振頻率附近振蕩,從而實(shí)現(xiàn)輕敲式AFM掃描;通過三維步進(jìn)掃描平臺可以實(shí)現(xiàn)大范圍掃描;通過序列圖像拼接技術(shù)最大掃描范圍可以達(dá)到90mm×90mm,拼接算法準(zhǔn)確率達(dá)98%以上;提出了采用納米級非接觸位移傳感器作為自動進(jìn)針系統(tǒng)的反饋系統(tǒng)設(shè)計方案,采用三級進(jìn)針機(jī)制,控制自動進(jìn)針過程,有效防止了在進(jìn)針過程中導(dǎo)致探針損壞或過度進(jìn)針導(dǎo)致的樣品表面損傷;開展了氣相和液相條件下AFM系統(tǒng)的性能測試實(shí)驗,均獲得了清晰的樣品形貌圖像,并對樣品形貌圖像作了分析。通過氣相和液相環(huán)境下的大量實(shí)驗表明,該系統(tǒng)工作可靠。主要創(chuàng)新點(diǎn):1、在AFM系統(tǒng)中,引入了ARM-μCLinux占先式嵌入式操作系統(tǒng),增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時性,并且使得系統(tǒng)應(yīng)用軟件的更新及外圍設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)更為容易,與其它AFM系統(tǒng)相比,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和掃描速度提高了20%以上;2、在自動進(jìn)針系統(tǒng)中,采用三級進(jìn)針機(jī)制,引入納米級非接觸位移傳感器作為進(jìn)針反饋,定位精度15nm,有效防止了進(jìn)針誤操作;3、在AFM細(xì)胞實(shí)驗應(yīng)用中,提出了應(yīng)用細(xì)胞形貌圖像的直方圖尋找最佳分割點(diǎn),對細(xì)胞進(jìn)行閾值分割,準(zhǔn)確率達(dá)98.5%以上,并運(yùn)用Log邊緣檢測算子提取細(xì)胞的邊緣特征。
【關(guān)鍵詞】：原子力顯微鏡 樣品掃描方式 反饋檢測 探針掃描方式 壓電掃描器
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 緒論9-16
• 1.1 納米科技概述9
• 1.2 掃描探針顯微鏡技術(shù)的發(fā)展9-13
• 1.2.1 掃描隧道顯微鏡9-10
• 1.2.2 原子力顯微鏡發(fā)展及應(yīng)用10-13
• 1.3 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)13-14
• 1.4 課題研究的背景和意義14
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容14-16
• 第2章 AFM系統(tǒng)原理分析及總體結(jié)構(gòu)16-28
• 2.1 AFM的工作原理16-17
• 2.2 AFM的工作模式17-21
• 2.3 AFM成像系統(tǒng)模型21-22
• 2.3.1 探針模型21
• 2.3.2 探針與樣品間的原子力模型21-22
• 2.4 AFM總體結(jié)構(gòu)設(shè)計22-27
• 2.5 本章小結(jié)27-28
• 第3章 AFM系統(tǒng)硬件研制28-62
• 3.1 AFM掃描器系統(tǒng)研制28-40
• 3.1.1 PZT壓電陶瓷管及AFM掃描方式29-32
• 3.1.2 PZT微位移平臺的選擇32-33
• 3.1.3 PZT微位移平臺控制系統(tǒng)設(shè)計33-38
• 3.1.4 三維步進(jìn)掃描平臺38-40
• 3.2 AFM微懸臂偏轉(zhuǎn)檢測系統(tǒng)設(shè)計40-48
• 3.2.1 AFM微懸臂偏轉(zhuǎn)量檢測方法41-43
• 3.2.2 四象限光電探測器檢測微懸臂偏轉(zhuǎn)量的原理43-46
• 3.2.3 AFM微懸臂偏轉(zhuǎn)量檢測的實(shí)現(xiàn)46-48
• 3.3 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計48-53
• 3.3.1 控制系統(tǒng)概述49-50
• 3.3.2 PID控制原理50-53
• 3.4 輕敲式AFM驅(qū)動系統(tǒng)研制53-56
• 3.4.1 系統(tǒng)頻率產(chǎn)生電路工作原理53-55
• 3.4.2 系統(tǒng)放大電路工作原理55-56
• 3.4.3 系統(tǒng)設(shè)計56
• 3.5 AFM自動進(jìn)針系統(tǒng)設(shè)計56-60
• 3.5.1 自動進(jìn)針系統(tǒng)工作原理57-58
• 3.5.2 自動進(jìn)針系統(tǒng)設(shè)計58-60
• 3.6 CCD與光學(xué)顯微監(jiān)控系統(tǒng)60
• 3.7 以太網(wǎng)接口電路60-61
• 3.8 AFM大范圍掃描的實(shí)現(xiàn)61
• 3.9 本章小結(jié)61-62
• 第4章 ARM控制軟件研制及測試62-84
• 4.1 基于ARM920T的S3C2410簡介62-63
• 4.2 嵌入式ARM-μCLinux設(shè)備驅(qū)動63-64
• 4.3 ARM與DA9881控制軟件設(shè)計及測試64-66
• 4.3.1 D/A軟件設(shè)計64
• 4.3.2 D/A輸出測試64-66
• 4.4 ARM與A/D控制軟件設(shè)計及測試66-68
• 4.4.1 A/D軟件設(shè)計66
• 4.4.2 A/D輸入測試66-68
• 4.5 QP50-6SD2靈敏度測試68-69
• 4.6 自動進(jìn)針系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)69-70
• 4.7 PZT掃描控制軟件實(shí)現(xiàn)70
• 4.8 PID控制測試70-75
• 4.9 輕敲式AFM驅(qū)動系統(tǒng)軟件設(shè)計及測試75-80
• 4.9.1 軟件協(xié)議設(shè)計75-76
• 4.9.2 系統(tǒng)測試及分析76-79
• 4.9.3 輕敲式AFM驅(qū)動系統(tǒng)掃頻輸出79-80
• 4.10 PC機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)80-82
• 4.11 本章小結(jié)82-84
• 第5章 AFM系統(tǒng)成像影響因素分析及實(shí)驗研究84-110
• 5.1 壓電掃描器的遲滯非線性分析和校正84-86
• 5.2 探針對掃描結(jié)果的影響86-92
• 5.2.1 AFM探針的展寬效應(yīng)87-88
• 5.2.2 AFM針尖結(jié)構(gòu)對掃描結(jié)果的影響88-92
• 5.3 影響AFM的環(huán)境因素92
• 5.4 AFM實(shí)驗前的準(zhǔn)備工作92-93
• 5.5 氣相條件下形貌掃描實(shí)驗及研究93-98
• 5.5.1 光柵納米結(jié)構(gòu)形貌實(shí)驗93-95
• 5.5.2 AFM探針掃描形貌重復(fù)性實(shí)驗95-96
• 5.5.3 CD-R的AFM掃描實(shí)驗96-98
• 5.6 液相條件下形貌掃描實(shí)驗及研究98-105
• 5.6.1 AFM生物細(xì)胞成像實(shí)驗及細(xì)胞特征提取98
• 5.6.2 材料和儀器98
• 5.6.3 實(shí)驗方法及細(xì)胞AFM成像98-100
• 5.6.4 細(xì)胞圖像預(yù)處理100-102
• 5.6.5 細(xì)胞邊緣特征提取102-105
• 5.7 氣相和液相條件下樣品形貌對比實(shí)驗105-106
• 5.8 序列圖像拼接實(shí)驗106-108
• 5.9 本章小結(jié)108-110
• 第6章 總結(jié)和展望110-114
• 6.1 總結(jié)110-112
• 6.2 展望112-114
• 致謝114-115
• 參考文獻(xiàn)115-120
• 附錄120

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