原子力显微镜图像迟滞建模及实时校正方法研究

发布时间：2020-09-14 18:17

　　 原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)在三维形貌检测、纳米材料加工、生物特性检测等物理、化学、生物领域得到了广泛的应用,是目前灵敏度最高,检测精度最高的三维形貌检测仪器。然而,原子力显微镜在三维扫描过程中,由于压电陶瓷迟滞等特性导致的扫描点定位不准确,严重影响了扫描图像的质量,限制了原子力显微镜的性能。本文根据实验现象提出正弦函数与线性函数相结合的迟滞模型,并使用AFM扫描的图像来求解模型参数,建立的迟滞模型可嵌入到AFM扫描程序,实现三维扫描过程迟滞实时校正。论文完成的主要工作以及成果总结如下:(1)研究分析了压电陶瓷的迟滞特性,基于实验现象,建立了基于正弦函数与线性函数的迟滞模型,能够有效的补偿迟滞误差;(2)根据压电陶瓷在AFM三维扫描过程中工作方式,推导了迟滞模型在扫描图像中的表达形式,并提出使用正向扫描图像与反向扫描图像进行特征点匹配求取模型参数的方法。使用求解的迟滞模型直接校正扫描图像的迟滞取得了很好的效果;(3)对现有的原子力显微镜硬件系统进行改造,搭建了硬件PID反馈控制电路,有效地提高了扫描速度;(4)在改造的原子力显微镜实验平台上,实现了基于所提迟滞模型的实时迟滞校正,并进行了相关实验测试。实验表明,不同扫描频率、扫描范围下AFM扫描图像的迟滞均能被减小90%以上,基于此模型也可以很方便的实现了迟滞的实时校正。此模型可在不改动硬件的情况下集成到商业AFM中,具有较好的应用价值。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;TP273;TH742
【部分图文】：

图 1.1 压电效应与逆压电效应Fig 1.1 The piezoelectric effect and inverse piezoelectric effec的压电效应与逆压电效应极大的推进了科技的进步，领域得到了广泛的应用 利用压电效应可以制作多种振动，用于声纳系统 气象探测 环境保护等领域 换为机械能产生形变这一特点制作精密微位移平台，密仪器 精密机械 微电子技术等领域，在现代精密用 压电陶瓷是一种人工合成的压电多晶体，相比较瓷压电性更强，介电系数更高，可以加工成任意形状种压电传感器，微位移平台等的分辨率可达纳米级甚至亚纳米量级，响应速度可达，因此由压电陶瓷制成的微位移平台被广泛应用在 A组成元器件 定位平台的定位精度直接影响着 AFM定位平台驱动过程中，希望通过线性的电压驱动压电

第一章 绪论校正扫描图像迟滞陶瓷迟滞特性陶瓷的迟滞特性是一个复杂的过程 如图 1.2 所示为压电陶瓷位之间的关系，其中，输入电压为三角波 压电陶瓷的迟滞主要与输入电压不成线性关系； 2 加电压过程的位移-电压曲线与-电压曲线不重合 压电陶瓷的迟滞大小不仅仅由当前驱动电压入 驱动信号频率 范围密切相关 然而，使用三角波驱动时化，历史输入如何变化，压电陶瓷的输出位移均是一个迟滞环线性均是先增大再减小，即相同驱动电压下加压曲线与减压曲再减小

合肥工业大学学术硕士研究生学位论文充放电达到表面电荷量的控制，其中一组电流源输出正电流对压电陶瓷进行控制压电陶瓷伸长，另外一组电流源输出负电流对压电陶瓷进行放电控制压瓷缩短 同时，正负两组电流源又根据电流的大小细分为多个电流源，不同的电流源可以控制不同精度的充放电 给对应的电流源不同的导通时间，就实现不同速度的充电放电效果，间接实现压电陶瓷以不同速度伸长 缩短的控制

【参考文献】

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本文编号：2818497