扫描探针显微镜的先进控制技术研究

     随着科学技术的发展,科学家和工程师们对扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)的性能也提出越来越高的要求。扫描探针显微镜具有高精度成像、纳米操纵等功能,它已经广泛物理、化学、生物、医学等基础学科,以及材料、微电子等应用学科。

如今SPM的工作速度已经成为SPM技术的瓶颈,由于传统的PID控制技术无法克服高速成像中的一些问题,当前高速SPM成像存在着明显的局限。同时,当前基于SPM的纳米加工技术也面临加工速度慢、加工质量难以控制的瓶颈,而且这些问题无法单纯通过硬件的提升加以解决。

本文主要对扫描探针显微镜的控制技术展开研究和实验分析,针对其中的问题,例如控制器灵活性较差、控制参数调节较为繁琐、重复操作下跟踪精度不足等,研究了三种控制方法并将其应用到了 SPM控制系统中,以改善上述问题。其主要研究内容如下:

1.通过实验测试了 SPM系统的动态特性,验证了 SPM系统中存在控制问题,包括压电陶瓷管迟滞、振动、蠕变的非线性特性以及外部环境中存在的干扰信号。2.针对整数阶PID控制器对SPM系统的调节不够灵活、控制精度较低等问题,研究并设计了一种基于Oustaloup滤波算法的分数阶PID控制器。通过实验整定了该控制器的控制参数,并与整数阶PID控制器的控制效果进行对比,分析了分数阶PID控制器在SPM单方向轨迹跟踪、纳米刻画以及扫描成像方面的性能。3.针对PID控制器参数整定较为复杂以及控制过程中控制参数无法更改等问题,研究并设计了一种基于伸缩因子的变论域模糊自整定PID控制器。通过实验设计了合适的伸缩因子和论域范围,研究其在SPM单方向轨迹跟踪、纳米刻画以及扫描成像方面的性能表现,并与PID控制器的控制性能进行对比与分析。4.针对SPM系统在高速运动下控制精度较低等问题,研究并设计了一种不依赖于被控模型的迭代学习控制算法。对所设计的控制率进行了收敛性分析,通过与PID控制器的对比实验,研究其在SPM单方向轨迹跟踪、纳米刻画方面的性能表现。通过实验,可以看出所提出的的三种控制器的控制精度从高到低分别是:迭代学习控制、分数阶PID控制、变论域模糊PID控制。同时,这三种控制器与传统PID控制器相比都体现出了各自的优势与特点。