隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展,對納米尺度的檢測和加工提出了更高的要求,原子力顯微鏡（AFM）作為一種具有納米檢測和納米操作功能的實驗儀器,因其體積小、精度高、制造成本低及易于推廣等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、材料、電子等領(lǐng)域。原子力顯微鏡作為一個復(fù)雜的系統(tǒng),其性能受硬件設(shè)備、控制算法、成像策略等因素的影響,而目前AFM系統(tǒng)性能已無法滿足高精密運動場景下的性能需求,傳統(tǒng)PID控制由于算法本身具有的局限性已成為限制AFM系統(tǒng)性能的主要因素。本文針對傳統(tǒng)PID控制中存在的控制性能不足和參數(shù)整定復(fù)雜的問題,設(shè)計了二自由度分?jǐn)?shù)階PI^λD^μ控制器以提高控制精度,并在此基礎(chǔ)上通過引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)控制器參數(shù)自整定。本文的主要研究內(nèi)容如下:1.通過所設(shè)計的基于xPC target的半實物仿真平臺,研究了原子力顯微鏡的系統(tǒng)特性以及存在的控制問題,并對壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯非線性特性進行建模。2.針對在傳統(tǒng)整數(shù)階PID控制下AFM系統(tǒng)控制精度不足的問題,研究了基于二自由度分?jǐn)?shù)階PI^λD^μ的AFM運動控制方法。對于控制... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：93 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

AFM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

，進而產(chǎn)生的電流會發(fā)生改變，光電檢測器將該電流信號傳送給計算機以獲得樣品表面形貌信息。2.2原子力顯微鏡的成像2.2.1原子力顯微鏡的成像原理AFM工作原理是利用探針針尖原子與樣品表面原子在納米尺度內(nèi)產(chǎn)生的相互作用的原子力進行工作[40]。AFM利用探針-微懸臂系統(tǒng)來探知探針針尖原子與樣品表面原子間的相互作用力，AFM的探針-微懸臂系統(tǒng)對微小的力極為敏感，系統(tǒng)的微懸臂部分一端固定，另一端與探針相結(jié)合，探針一端為自由端，隨著AFM對樣品表面的掃描，微懸臂會隨著樣品表面的起伏而發(fā)生不同程度的偏折，其示意圖如圖2-2所示。(a)(b)圖2-2微懸臂受力變化示意圖。(a)探針無受力，保持自由狀態(tài)；(b)探針受排斥力，發(fā)生形變，向上彎曲在納米尺度內(nèi)，兩個原子間的作用力會隨著原子間距離的變化而變化。當(dāng)兩個原子間的距離較遠時，原子間的相互吸引力起主要作用，此時兩個原子呈相互吸引狀態(tài)。當(dāng)兩個原子間的距離減小到一定值后再減小時，此時原子間的相互排斥力起主要作用，兩個原子呈相互排斥狀態(tài)，AFM探針針尖原子與樣品表面原子間相互作用力與距離的關(guān)系如圖2-3所示。當(dāng)壓電陶瓷執(zhí)行器受控制器作用在水平面x軸方向、y軸方向產(chǎn)生形變，進而帶動壓電陶瓷執(zhí)行器上樣品產(chǎn)生偏移，此時探針與樣品產(chǎn)生相對運動，在控制器的控制下，可以獲得待測樣品所有區(qū)域的樣品表面信息。隨著樣品表面的起伏，探針和樣品在z軸方向的距離會發(fā)生改變，探針針尖原子和樣品表面原子間的相互作用力會發(fā)生改變，此時探針-微懸臂系統(tǒng)部分的微懸臂會產(chǎn)生不同程度的偏折，通過光電檢測器單元對其進行檢測。

第二章原子力顯微鏡簡介9圖2-3AFM探針針尖原子與樣品表面原子間相互作用力與距離的關(guān)系圖AFM在恒流掃描模式下，探針針尖原子與樣品表面原子間的距離需保持恒定，該過程通過AFM的控制和信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)。當(dāng)樣品表面發(fā)生起伏時，此時原子間的距離發(fā)生改變，為保持原子間的距離恒定，此時需控制壓電陶瓷執(zhí)行器在z軸方向產(chǎn)生偏折，該偏移量用于抵消樣品表面形貌改變帶來的探針針尖原子和樣品表面原子間距離的改變，從而維持探針針尖原子和樣品表面原子間距離恒定。同時，控制和信號處理系統(tǒng)將控制量經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C，用于樣品表面形貌成像。從上述可以看出，控制和信號處理系統(tǒng)在AFM的成像中扮演著重要角色，其中控制系統(tǒng)部分不僅用于調(diào)節(jié)壓電陶瓷執(zhí)行器來維持原子間距離恒定，同時所獲取的控制信息還將用于樣品表面形貌成像，控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了AFM系統(tǒng)的性能。2.2.2原子力顯微鏡的成像模式AFM根據(jù)探針與樣品接觸方式和距離的不同，分為接觸模式、非接觸模式和輕敲模式，三種模式下AFM的工作原理存在一定的區(qū)別，所適用的樣品特性也存在不同[41]。（1）接觸模式接觸模式是早期AFM成像時主要的成像模式，其主要利用原子間相互作用力中的排斥力。AFM在接觸模式下，其探針針尖始終與樣品表面接觸，原子間的相互作用力較大，檢測系統(tǒng)的信噪比較高，可以獲得較高的分辨率。接觸模式下AFM的成像速度很快，適合硬度較大的材料，尤其是在豎直方向起伏明顯的材料，不適合用于檢測樣品表面起伏較小的材料。在接觸模式下探針針尖始終與樣品表面接觸，在控制器的作用下，探針針尖與樣品表面發(fā)生相對運動，對于軟性材料來說，例如生物樣品中的細(xì)胞，該模式下可能會對樣品和探針針尖造成損傷。（2）非接觸模式

【參考文獻】：
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