扫描探针显微镜的控制技术综述

扫描探针显微镜(SPM)具有高精度成像、纳米操纵等功能,是纳米科技、生命科学、材料科学和微电子等科学研究的重要工具.随着科学技术的发展,科学家和工程师们对科研工具SPM的性能也提出越来越高的要求.SPM控制技术作为提高SPM性能的关键技术之一,已经得到广泛的关注和研究.本文首先介绍SPM系统以及两种常用的SPM,讨论SPM扫描器(即压电驱动器)的特性及其数学模型;然后详细总结了SPM水平方向和竖直方向的控制技术,并且对扫描探针显微镜多输入多输出(SPM MIMO)控制技术进行了探讨;最后总结了SPM控制技术研究现状及其所面临的问题.     

DSP与CPLD在扫描探针显微镜中的应用

扫描探针显微镜(Scanning Probe Micmscope,SPM)经过二十多年的发展,已进入成熟期:应用最新的计算机软硬件技术实现SPM控制的优化及性价比的提高是该领域目前的研究热点之一.本文主要介绍DSP和CPLD在SPM控制系统的应用,并详细论述了具体的设计方案及软硬件的实现.通过采用将先进的DSP与小规模的CPLD相结合的方案,研制了一套新颖的SPM控制系统.测试表明该系统具有性能稳定、功能可扩展等显著特点.     

基于DSP的数字PID控制在SPM中的应用

首先介绍了以DSP为核心搭建的扫描探针显微镜（SPM）的硬件基础,进而利用DSP代替模拟PID控制器的常规电子线路,并采用相应PID软件程序的控制,从而实现了针对于SPM系统的数字PID控制方案。该控制方案使得SPM在扫描过程中可以通过自定义算法来进行信号控制和调节,从而克服了以往模拟量PID控制系统灵活性差、不易维护和升级等缺陷。     

基于DSP的SPM反馈控制器设计

反馈是扫描探针显微镜控制的核心技术，但目前SPM通常使用基于模拟电路的反馈，因而基于数字信号处理器的数字反馈控制器具有较高的实用价值。该文设计了一种基于DSP的SPM数字反馈控制器，并介绍了其软硬件的设计及算法的改进。测试表明，该反馈控制器功能正常，稳定性和灵活性比模拟反馈控制器有较大的提高。     

TMAH溶液中的(110)硅各向异性湿法腐蚀及其在不同添加剂下的腐蚀特性研究

研究了TMAH溶液中(110)硅片在不同几何形状掩膜窗口下的各向异性湿法腐蚀行为,探讨了(110)硅在TMAH与不同添加剂(过硫酸铵、异丙醇等)构成的腐蚀系统下的腐蚀特性.利用场发射扫描电子显微镜(SEM)观测(110)硅的腐蚀坑腔结构,利用扫描探针显微镜(SPM)测量(110)硅腐蚀的表面粗糙度.结果表明:(110)...     

基于MEMS的微位移传感器及其应用研究

对一种基于MEMS探针进行开发,以实现微纳米尺度下的几何量测量。该探针是静电梳齿型结构,含有定齿和连接有主梁的动齿。主梁顶端的探针能够感知样品表面形貌而引起梳齿间位移,梳齿间位移能够带来梳齿间电容的变化。设计了测头的电容信号检测电路。搭建测试系统,利用该系统进行进针实验,标定测头的灵敏度为2.323nm/mV,实验表明测头的非线性误差小于0.22%。利用该测头作为SPM测头,搭建小型SPM系统,对108nm台阶高度的光栅结构进行了扫描。     

基于AFM探针的电晕放电研究

针对扫描探针显微镜与质谱联用系统中的采样方式,提出了利用原子力显微镜(AFM)探针进行电晕放电解吸附的采样方案.运用ANSYS软件对AFM导电探针进行了有限元仿真,电场分析表明间距100 μm加1 kV高压时的AFM探针周围场强在0.32 ～62.4 V/μm间,验证了利用其产生电晕放电的可行性;通过实验观察了电晕放电...     

利用原子力显微镜观测气敏薄膜的平整度

介绍原子力显微镜功能、原理和结构,用于检测原子之间的接触来呈现样品的表面形貌特性,如粗糙度、起伏不平整度等,提供三维表面图像。常用的是激光反射检测系统,由探针、激光发生器和光检测器组成。探针是由悬臂和悬臂末端的针尖组成,悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术用MEMS技术加工而成。当在样品表面扫描的探针引起悬臂梁弯曲时,产生应力。再由压电陶瓷能将十几分之一纳米到几微米的位移而导致的应力信号转换成1mV~1000V的电信号,以代表样品表面的不平整度。同时简单介绍了利用原子力显微镜观察不同退火温度对制备的气敏传感器薄膜表面晶粒度的影响,以及不同腐蚀液抛光硅片的效果。     

弱信号检测技术在电声扫描显微镜研制中的应用

电声扫描显微镜是近年发展起来的一种新型检测成像工具。由于它的成像原理基于微观热学与弹性变化,因而它具有常规扫描显微镜无法比拟的优点:试样的非破坏性亚表面剖面成像。电声扫描显微镜也是高新技术结合的产物,它的产生也得力于弱信号检测技术的发展。本文简要介绍了电声扫描电镜的工作原理、结构及其应用,侧重介绍了弱信号检测技术在该仪器研制中的应用。     

业界动态

中国机器人研究取得进展,国家863项目又出新成果近日,中科院沈阳自动化所的两项机器人研究项目,顺利通过了由国家863计划自动化领域智能机器人主题专家组组织的项目验收,为我国的机器入研究新增一个亮点。第一项是一台能够在纳米尺度上操作的机器人。在项目研究中,科研人员实现了SPM纳米扫描运动机理和机器人监控系统技术的结合,建立了纳米尺度下的物体运动学与动力学分析与模型,探针三维受力形变分析与解藕方法,实现了传感器信息实时采集与处理、力/视觉反馈与人机交互控制、基于人工/自然标志的位置反馈控制方法等一系列关键技术,使机器人的操作控制精度达到纳米级     

Langmuir探针扫描电源的设计

Langmuir探针诊断技术是一项被广泛应用的等离子体参数测试技术。文中介绍了一种使用软件控制的扫描电源的设计,详细阐述了系统硬件和软件的设计,它可以实现对等离子体特性参数快速简便的测量。     

Langmuir探针扫描电源的设计

Langmuir探针诊断技术是一项被广泛应用的等离子体参数测试技术。文中介绍了一种使用软件控制的扫描电源的设计，详细阐述了系统硬件和软件的设计，它可以实现对等离子体特性参数快速简便的测量。     

基于概率分布区间的纳米操作机器人路径规划

在原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)机器人化纳米操作中,由于探针在任务空间中位置不确定性随着时间和探针移动的增加而逐渐增大,使得探针无法精确定位,导致纳米操作效率低下.针对此问题,本文参考宏观机器人利用路标定位的策略,提出基于概率分布区间的探针路径规划方法,在分析路标观测中探针定位精度的基础上,通过定义概率分布区间规划探针扫描路径以及观测距离,建立路标邻接矩阵.然后使用Dijkstra算法和蚁群算法对纳米操作的探针进行路径规划.仿真与实验结果验证了该方法的有效性.最后针对任务空间中缺乏路标的情况,提出主动配置路标方法,进一步有助于推动AFM纳米操作在微纳器件装配中的实际应用.     

用于微观几何形状测量的扫描探针显微技术

随着微技术的发展,对微观结构的精确测量变得越来越重要。对能够用于微观几何形状测量的扫描探针显微技术———扫描隧道显微术(STM)、扫描光学近场显微术(SNOM)和原子力显微术(AFM)进行了比较详细的分析和介绍。     

适用于原子力显微镜先进扫描模式的学习控制系统

原子力显微镜(AFM)是进行纳米测量和操作的一种重要工具.针对原子力显微镜系统,论文提出了一种基于学习控制的先进扫描模式.具体而言,首先构造了一种适用于AFM的学习控制系统,它由对于扫描管动态特性的最优逆补偿环节和对于样品表面特性的学习算法两部分组成.然后,针对测量过程中扫描线之间的偏移,通过将常见的比例-积分控制算法与这种学习控制相结合,实现了一种基于学习算法的先进扫描模式.论文将这种模式应用于周期性样品来测试其性能,仿真和实验结果表明它可以显著提高测量的速度和精度,同时将样品与探针针尖的距离控制在一个合理的范围之内,以避免损坏样品或探针.这种先进扫描模式可以应用于对快速生物过程的实时监测,同时也可以用来完成重复刻写等纳米操作.     

纳米分辨近场光学显微成象技术现状

介绍了纳米分辨近场光学显微成象技术现状,近场光学显微成象技术大体可分为小孔扫描近场光学显微镜（Ａ－ＳＮＯＭ）、无孔径用射扫描近光学显微镜（Ｓ－ＳＮＯＭ）和光子扫描隧道显微镜（ＰＳＴＭ）三种基本类型,除介绍这三类近场光学显微镜简要成象原理、现状和各自特点外,还重点介绍了大连理工大学纳米成象技术研究组ＰＳＴＭ的研究进展,即ＰＳＴＭ消假象数值模拟和实验研究结果,其实验空间分辨首次达到２．８ｎｍ线扩展函数     

超声波扫描显微镜应用及发展研究

超声波扫描显微镜是一种利用超声波为传播媒介的无损检测成像设备,相对于传统的破坏性检测,超声显微镜不会对样品造成损伤,更不会影响样品的性能。本文主要介绍了超声波显微镜的发展现状、应用领域和发展等内容。应用领域主要从材料科学检测行业、半导体测试行业、金刚石检测行业、低压电器检测行业和水冷板检测行业。最后,对超声波扫描显微镜的发展进行了展望。随着超声波技术的发展,声频会越来越高,超声显微镜的本领将越来越大。可以预料,它与其他尖端技术结合,将会发挥出更大更独特的作用。     

单管压电扫描器非线性校正的计算机仿真

对扫描探针显微镜中的单管压电执行器在x—y平面扫描的电压一位移特性进行了物理和数据分析，提出了一种基于采集数据和Matlab数值计算的建模方法。经过大量的实验数据的统计分析，充分考虑了扫描速度、扫描角度、非正交和耦合误差因素对单管压电扫描器模型误差的影响，建立的模型的数学表达式在形式上表现为二项式叠加各种误差表达式。基于此模型推导出了单管压电扫描器的非线性校正的数学表达式，通过计算机仿真软件Matlab对其进行了仿真研究。仿真实验证明建立的模型能有效的消除各种误差。该方法避免了建模时对压电陶瓷内部机理（极化等）的分析，使模型参数的个数降低到很少，是一种在工程实践中非常实用的建模方法。     

通用STM控制软件的设计

介绍一种在WINDOWS环境下运行的通用扫描隧道显微镜 (STM )系统控制软件 ,并给出了主要的程序框图。该软件在改进扫描隧道显微镜的控制方面取得了良好的效果 ,有一定的实用价值。     

通用STM控制软件的设计

介绍一种在ＷＩＮＤＯＷＳ环境下运行的通用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）系统控制软件，并给出了主要的程序框图。该软件在改进扫描隧道显微镜的控制方面取得了良好的效果，有一定的实用价值。