自适应控制在纳米加工微驱动器中的应用研究

    扫描隧道显微镜(STM)是一种具有纳米级分辨率的表面分析和加工工具[1],三维工作台由压电材料制成的微位移驱动器驱动,其非线性降低了STM的定位精度和速度^[2]。开环控制系统组成简单,成本较低,但需要建立精确的数学模型,实时定位精度难以保证。闭环控制由于其反馈量能对实际位移进行修正,有效地减小或消除了驱动器的误差,已经在STM系统中获得应用[324]。工作过程中,微位移驱动器参数会随着环境和过程状态的变化而变化,此时采用传统的最优控制和反馈控制已不能收到良好的效果。为解决这一问题,作者基于自适应控制理论,提出了对微位移驱动器模型进行自动辨识、自动整定控制器参数的方法,以适应STM驱动器参数变化的要求。

    1　STM工作原理和微位移驱动器

    STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应,当探针针尖和样品表面非常接近时(通常小于1 nm),在电场的作用下,电子穿过针尖与样品之间的势垒,形成隧道电流。这一电流与针尖和样品表面之间的距离呈指数关系^[5],这也就是STM具有极高纵向分辨率(优于0.01 nm)的物理本质。利用反馈电路保持隧道电流恒定,探针在垂直方向上的位移代表了样品表面某点处的高度,经水平方向的移动就描绘出了样品表面的形貌特征,这种工作方式称之为“恒流扫描模式”^[1]。由于STM对位移精度的要求达到纳米级,普通的机械设备难以实现,因此,广泛采用压电陶瓷作为三维扫描器件^[6]。在外加电场的作用下,压电材料在一定方向上发生形变,输出位移量,这种由电场作用产生形变的现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。为了获得较大的形变,微位移驱动器由若干多个层叠式结构的压电陶瓷片组成,这些陶瓷片在电路上并联,在机械位移上串联,可以简化为质量2弹簧2阻尼二阶运动机构^[7],如图1所示。k1为传动部件刚度,k2为柔性铰链弹性导轨刚度,m为运动机构的运动质量,μ为阻尼系数,x(t)为输入位移, y(t)为输出位移,则系统动力学方程为

    2　传统PID控制

    PID控制是最早发展起来的控制策略之一,算法简单、鲁棒性好,广泛用于工业过程控制^[3]。采用PID控制器的STM微位移驱动器如图2所示。设r为针尖与样品表面距离y的参考值,当针尖遇到样品表面凸起时,误差e增大,在PID控制器的作用下,压电陶瓷收缩,带动针尖远离样品表面,直至e等于零或处于允许误差范围内。如果针尖遇到的是表面凹处,针尖的运动方向正好相反。工作过程中,外部干扰及样品表面不同区域电特性的不同,使得微位移驱动器的参数甚至模型结构发生变化^[8],采用固定参数的PID控制器已不能获得令人满意的效果,此时要求PID控制器参数的整定不依赖于被控对象数学模型,并能在线调整,以满足实时控制的要求。