大范围高速原子力显微镜的前馈反馈混合控制方法

　　1　引　言

　　原子力显微镜(Atomic　Force　Microscope，AFM)[1]作为扫描探针显微镜(Scanning　ProbeMicroscopy，SPM)[2]中极具代表性的一员，目前已广泛应用于生物[3]、半导体检测[4]等领域。随着相关应用的进一步发展，对AFM 的性能也提出了更高的要求，如针对生命活动的在位成像等。目前，运用 AFM 所遇到的最大难题是扫描速度远远不够。针对 AFM 扫描速度的问题，美国斯坦福大学的 Quate[5]，美国加州大学的 Hans-ma[6]，日本金泽大学的Ando[7]，英国布里斯托尔大学的 Miles[8]等均提出了适用于各自研究对象的解决方案，并实现了1.8ms/frame的超高速扫描[9]。但是，这些研究都着重强调扫描的高速或者Z 方向控制的高精度，扫描范围往往只有几微米甚至更小。这是因为随着扫描范围的扩大，必须提高成像分辨率以保证图像的清晰度，也就意味着在扫描一幅图像时必须处理更多的点，但这势必将延长 AFM 的扫描处理时间，影响成像速度。同时，由于样品放置不平带来的问题也将更加明显，随着扫描范围的扩大，同样的放置倾角会导致更大的Z 向偏差，该偏差一方面会延长Z 向响应时间，影响Z 向跟踪效果;另一方面，高响应速度的Z 向扫描器行程必然很小，如果该行程小于样品倾斜导致的Z 向偏差，则很容易发生探针与样品碰撞或脱离。

　　最近北京航空航天大学用 AFM 对经过打磨处理的铝薄片实现了1.5kHz行频，20μm 扫描范围的高速扫描成像[10]。但其Z 向并没有采用闭环控制，也就是说在恒高模式下扫描，这样就大大限制了它的使用范围。

　　为了进一步扩大 AFM 的应用范围，本实验室研制了一套大范围高速 AFM。本文针对Z 方向动态跟踪响应的问题，提出Z 方向前馈和反馈混合控制方法，前馈方法包括样品自动调平前馈和基于前一行扫描前馈，反馈则采用动态P 参数(proportional　integral，PI)反馈。

　　2　系统构建

　　图1所示为本实验室研制的大范围高速AFM 扫描系统结构图，与普通 AFM 不同，本结构包括上下两个扫描器[11]。上扫描器由PhysikInstrumente(PI)公司生产的 PL022型压电陶瓷管执行，陶瓷管具有体积小、结构简单、自振频率高等特点，主要负责Z 向高速闭环跟踪响应，谐振频率为300kHz，行程2.2μm。下扫描器为 PI公司生产的P-517.3CL型多轴压电型扫描台，该扫描台带有位移传感器，能实现 X，Y，Z 三轴方向闭环运动控制，其中 X，Y 方向最大行程均为100μm，主要用于带动样品进行水平面方向扫描;Z 方向谐振频率为1.1kHz，最大行程为20μm，主要用于实现样品前馈式调平。图2为本系统电子学部分示意图，PC104主板[12]具有低功耗、高可靠性等特点，作为主控模块充当着CPU 的作用，其他功能模块通过PC104总线与主控模块一起实现相互之间的信号传输，采集到的图像数据最终通过网络上传至PC计算机显示出来。随着 FPGA[13]芯片性能的不断提高，本文设计的Z 方向前馈反馈混合控制算法将通过 Altera公司生产的 Cycone系列 EP1C6芯片来实现。