一種基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描控制方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描控制方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種掃描探針顯微鏡的控制方法，尤其涉及一種基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描驅(qū)動(dòng)器控制方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]掃描探針顯微鏡(SPM)家族中成員眾多，但是工作原理相近，都是以探針靠近被測(cè)樣品表面進(jìn)行掃描成像的顯微鏡。其中掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)是最常用的兩種。STM的基本工作原理是在探針和被測(cè)樣品的表面加上偏壓，當(dāng)探針針尖與樣品之間產(chǎn)生隧道電流時(shí)，通過(guò)對(duì)隧道電流的檢測(cè)可以得到樣品的表面信息。AFM與STM的主要區(qū)別是AFM利用原子之間的范德華力作用來(lái)檢測(cè)樣品的表面特性，而不是利用隧道效應(yīng)。
[0005]由于SPM在掃描過(guò)程中要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位移精度高、響應(yīng)速度快，所以SPM的精密定位用驅(qū)動(dòng)器大多采用壓電驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度快，功耗低，不需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)，但是壓電驅(qū)動(dòng)器本身所具有的遲滯特性，如附圖1所示，很大程度上影響了其定位精度。目前大多數(shù)SPM的精密定位用驅(qū)動(dòng)器采用位移反饋的方法提高定位精度。例如，通過(guò)PID參數(shù)自調(diào)整的方法代替手動(dòng)調(diào)節(jié)；通過(guò)正位置反饋的方法，與PI控制器結(jié)合使用。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提高精度，但該補(bǔ)償信息中不包括對(duì)應(yīng)的遲滯特性，而且如果反饋系數(shù)過(guò)高，容易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。
[0006]現(xiàn)在用于描述壓電驅(qū)動(dòng)器遲滯非線(xiàn)性的數(shù)學(xué)模型有物理模型和現(xiàn)象模型兩類(lèi)。物理模型是根據(jù)遲滯現(xiàn)象發(fā)生的物理成因而建立的模型，這種模型難以直接用于控制器設(shè)計(jì)。現(xiàn)象模型是用盡量精確的數(shù)學(xué)模型描述壓電驅(qū)動(dòng)器輸入與輸出的關(guān)系而不考慮遲滯現(xiàn)象發(fā)生的物理成因，因此方便建模并易于控制器設(shè)計(jì)。例如，利用Preisach模型逆模型設(shè)計(jì)跟蹤控制器，用于壓電雙晶片的控制；基于PI模型逆模型設(shè)計(jì)控制器，補(bǔ)償壓電驅(qū)動(dòng)器的遲滯；使用了 Maxwell模型在壓電驅(qū)動(dòng)器與直流電機(jī)的復(fù)合微定位平臺(tái)中進(jìn)行控制，都取得了不錯(cuò)的效果。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以穩(wěn)定地提高SPM在掃描過(guò)程定位精度的方法。
[0009]技術(shù)方案
為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的方法包括以下步驟:
步驟一:將被掃描樣品放到掃描探針顯微鏡的樣品臺(tái)上，所述樣品臺(tái)固定于掃描探針顯微鏡的水平方向的掃描器上； 步驟二:通過(guò)掃描探針顯微鏡的手動(dòng)傾斜臺(tái)調(diào)整樣品表面與掃描探針相垂直，通過(guò)調(diào)節(jié)掃描探針顯微鏡的手動(dòng)位移臺(tái)調(diào)整樣品位置，使樣品位于掃描探針的正下方；
步驟三:針對(duì)樣品的掃描范圍，設(shè)定掃描探針顯微鏡的水平方向的掃描器的期望位移信號(hào)，精密位移平臺(tái)X方向的期望位移信號(hào)形式為正弦信號(hào)或三角波信號(hào)，Y方向的期望位移信號(hào)形式為上升信號(hào)，該信號(hào)以電壓信號(hào)的形式通過(guò)功率放大器加到掃描探針顯微鏡的水平方向的掃描器上，測(cè)量得到期望位移與實(shí)際位移的遲滯關(guān)系；該期望位移信號(hào)不是通過(guò)常規(guī)的位移電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系輪換為輸出電壓信號(hào)，而是通過(guò)后續(xù)步驟建立的遲滯模型逆模型的控制算法或者遲滯模型逆模型與PID復(fù)合控制算法計(jì)算得到輸出電壓信號(hào)；
步驟四:針對(duì)遲滯模型進(jìn)行求逆得到含有未知參數(shù)的遲滯逆模型，將步驟三中測(cè)量得到的結(jié)果代入逆模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，得到模型參數(shù)，從而建立遲滯逆模型；
步驟五:調(diào)節(jié)掃描探針顯微鏡升降臺(tái)的升降和豎直方向掃描器伸縮，使樣品進(jìn)入隧道區(qū)，設(shè)置隧道電流值并保持隧道電流穩(wěn)定；
步驟六:設(shè)定顯微鏡的掃描模式，并設(shè)定針對(duì)樣品的掃描范圍，再通過(guò)步驟四建立的遲滯逆模型將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出；
步驟七:步驟六的輸出電壓信號(hào)通過(guò)功率放大器加到掃描探針顯微鏡的位移平臺(tái)上，進(jìn)行掃描，這時(shí)，描探針顯微鏡的水平方向的掃描器的期望位移與實(shí)際位移近似重合，即，輸出電壓信號(hào)與輸出位移信號(hào)間均存在遲滯關(guān)系，但是期望位移與輸出位移間是線(xiàn)性關(guān)系O
[0010]更進(jìn)一步地，步驟五中，掃描探針顯微鏡豎直方向掃描器為用壓電疊堆代替常規(guī)壓電陶瓷管的掃描器。
[0011]更進(jìn)一步地，步驟一中，所述的樣品選用一維導(dǎo)電光柵。
[0012]更進(jìn)一步地，步驟五中，所述的隧道電流預(yù)先設(shè)定，其數(shù)值的大小由樣品類(lèi)型決定。
[0013]有益效果
本發(fā)明提出將遲滯逆模型控制應(yīng)用于SPM的驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)中，來(lái)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)器的遲滯；并且通過(guò)與PID反饋結(jié)合的復(fù)合控制，進(jìn)一步提高定位精度。本發(fā)明與傳統(tǒng)的位移反饋控制方法相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于:模型中可以精確地反映遲滯現(xiàn)象的特性，不存在反饋系數(shù)過(guò)高導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的問(wèn)題。
[0014]
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為壓電驅(qū)動(dòng)器的遲滯特性曲線(xiàn)示意圖；
圖2為掃描探針顯微鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與探針示意圖，其中各標(biāo)記代表部件為:
1:豎直方向掃描器(壓電疊堆);2:掃描探針；3:水平方向掃描器(壓電精密位移平臺(tái)；4:手動(dòng)位移平臺(tái)；5:電動(dòng)升降臺(tái)；6:為手動(dòng)傾斜臺(tái)；
圖3為平臺(tái)預(yù)定的掃描軌跡示意圖；
圖4為采用遲滯逆模型控制器的SPM掃描過(guò)程；
圖5為采用遲滯逆模型與PID反饋復(fù)合控制器的SPM掃描過(guò)程；
圖6為遲滯逆模型控制原理圖； 圖7為遲滯逆模型與PID復(fù)合控制原理圖；
圖8為無(wú)遲滯控制的電壓控制掃描結(jié)果，其中(a)為沿X正方向掃描結(jié)果，(b)為沿X負(fù)方向掃描結(jié)果；
圖9為遲滯逆模型控制掃描結(jié)果，其中(a)為沿X正方向掃描結(jié)果，(b)為沿X負(fù)方向掃描結(jié)果；
圖10為遲滯逆模型與PID復(fù)合控制掃描結(jié)果，其中(a)為沿X正方向掃描結(jié)果，(b)為沿X負(fù)方向掃描結(jié)果。
[0016]
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]作為一個(gè)使用例子，用到如圖2所示的掃描探針顯微鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與探針結(jié)構(gòu)。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
步驟一:將被掃描樣品放到掃描探針顯微鏡的樣品臺(tái)上，該樣品臺(tái)固定到掃描探針顯微鏡的水平方向掃描器上，本方法中使用的水平方向掃描器3采用美國(guó)Npoint公司的XY100A型納米位移平臺(tái)，本例中所使用的樣品為一維導(dǎo)電光柵，實(shí)驗(yàn)前通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得光柵周期為20.64 μ m,線(xiàn)寬為11.32 μ m ;預(yù)定的掃描軌跡如圖3所示；
步驟二:通過(guò)掃描探針顯微鏡的手動(dòng)傾斜臺(tái)6調(diào)整樣品表面與掃描探針2相垂直，通過(guò)調(diào)節(jié)掃描探針顯微鏡的手動(dòng)位移平臺(tái)4調(diào)整樣品位置，使樣品位于掃描探針2的正下方；步驟三:設(shè)定隧道電流值，本例設(shè)定隧道電流值為InA，通過(guò)掃描探針顯微鏡電動(dòng)升降臺(tái)5的升降和豎直方向掃描器I伸長(zhǎng)與縮短使樣品進(jìn)入隧道區(qū)，保持隧道電流穩(wěn)定，本方法中使用壓電疊堆I代替常規(guī)的壓電陶瓷管作為豎起方向的掃描器(作為壓電驅(qū)動(dòng)器其遲滯特性曲線(xiàn)如圖2所示)；
步驟四:設(shè)定為恒流掃描模式或恒高掃描模式，本例設(shè)定為恒流掃描模式，選擇針對(duì)樣品的掃描范圍，即預(yù)設(shè)掃描探針顯微鏡的精密位移平臺(tái)的期望位移信號(hào)，本例選擇掃描范圍60.00 μ mX 60.00 μ m，精密位移平臺(tái)X方向的期望位移信號(hào)形式為正弦信號(hào)或三角波信號(hào)，Y方向的期望位移信號(hào)形式為上升信號(hào)，該期望位移信號(hào)不是通過(guò)常規(guī)的位移電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系輪換為輸出電壓信號(hào)，而是通過(guò)遲滯模型逆模型控制算法或者遲滯模型逆模型與PID復(fù)合控制算法計(jì)算得到輸出電壓信號(hào)，本實(shí)施例分別進(jìn)行不使用遲滯逆模型控制的直接電壓控制掃描，使用遲滯模型逆模型控制的掃描(掃描過(guò)程如圖4所示)，使用遲滯模型逆模型與PID復(fù)合控制的掃描(掃描過(guò)程如圖5所示)，遲滯逆模型控制原理及與PID復(fù)合控制原理如圖6和圖7所示。
[0019]步驟五:輸出電壓信號(hào)通過(guò)功率放大器加到掃描探針顯微鏡的壓電精密位移平臺(tái)上，期望位移信號(hào)與輸出電壓信號(hào)，輸出電壓信號(hào)與輸出位移信號(hào)間均存在遲滯關(guān)系，但是期望位移與輸出位移間是線(xiàn)性關(guān)系。作為掃描結(jié)果，分別如圖8、圖9、圖10所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描控制方法，其特征在于，包括下列步驟: 步驟一:將被掃描樣品放到掃描探針顯微鏡的樣品臺(tái)上，所述樣品臺(tái)固定于掃描探針顯微鏡的水平方向的掃描器上； 步驟二:通過(guò)掃描探針顯微鏡的手動(dòng)傾斜臺(tái)調(diào)整樣品表面與掃描探針相垂直，通過(guò)調(diào)節(jié)掃描探針顯微鏡的手動(dòng)位移臺(tái)調(diào)整樣品位置，使樣品位于掃描探針的正下方； 步驟三:針對(duì)樣品的掃描范圍，設(shè)定掃描探針顯微鏡的水平方向的掃描器的期望位移信號(hào)，精密位移平臺(tái)X方向的期望位移信號(hào)形式為正弦信號(hào)或三角波信號(hào)，Y方向的期望位移信號(hào)形式為上升信號(hào)，該信號(hào)以電壓信號(hào)的形式通過(guò)功率放大器加到掃描探針顯微鏡的水平方向的掃描器上，測(cè)量得到期望位移與實(shí)際位移的遲滯關(guān)系； 步驟四:針對(duì)遲滯模型進(jìn)行求逆得到含有未知參數(shù)的遲滯逆模型，將步驟三中測(cè)量得到的結(jié)果代入逆模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，得到模型參數(shù)，從而建立遲滯逆模型； 步驟五:調(diào)節(jié)掃描探針顯微鏡升降臺(tái)的升降和豎直方向掃描器伸縮，使樣品進(jìn)入隧道區(qū)，設(shè)置隧道電流值并保持隧道電流穩(wěn)定； 步驟六:設(shè)定顯微鏡的掃描模式，并設(shè)定針對(duì)樣品的掃描范圍，再通過(guò)步驟四建立的遲滯逆模型將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出； 步驟七:步驟六的輸出電壓信號(hào)通過(guò)功率放大器加到掃描探針顯微鏡的位移平臺(tái)上，進(jìn)行掃描，這時(shí)，描探針顯微鏡的水平方向的掃描器的期望位移與實(shí)際位移近似重合。2.如權(quán)利要求1所述的基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描控制方法，其特征在于，步驟五中，掃描探針顯微鏡豎直方向掃描器為用壓電疊堆代替常規(guī)壓電陶瓷管的掃描器。3.如權(quán)利要求1所述的基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描控制方法，其特征在于，步驟一中，所述的樣品選用一維導(dǎo)電光柵。4.如權(quán)利要求1所述的基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描控制方法，其特征在于，步驟五中，所述的隧道電流預(yù)先設(shè)定，其數(shù)值的大小由樣品類(lèi)型決定。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于遲滯模型的掃描探針顯微鏡掃描控制方法，該方法通過(guò)將遲滯逆模型控制應(yīng)用于SPM的驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)中，來(lái)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)器的遲滯；并且通過(guò)與PID反饋結(jié)合的復(fù)合控制，進(jìn)一步提高定位精度。與傳統(tǒng)的位移反饋控制方法相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于：模型中可以精確地反映遲滯現(xiàn)象的特性，不存在反饋系數(shù)過(guò)高導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的問(wèn)題。
【IPC分類(lèi)】G01Q10/00
【公開(kāi)號(hào)】CN104914276
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510320629
【發(fā)明人】季宏麗, 孫宏君, 裘進(jìn)浩, 趙志洲, 陳遠(yuǎn)晟
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月11日