基于ARM的扫描探针显微镜系统的研究

发布时间：2017-08-19 07:06

  本文关键词：基于ARM的扫描探针显微镜系统的研究

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【摘要】：纳米技术是近年来快速发展的前沿学科领域之一。纳米技术正在不断应用到现代科学技术的各个领域,形成了许多与其相关的新兴学科。扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)等是纳米技术发展的重要基础,也是纳米科技工作者必不可少的研究工具,而且尤以原子力显微镜的需求更大,应用领域更为广泛。本文提出基于ARM的原子力显微镜的设计思想,对其原理和方法进行了详细的研究,并将嵌入式操作系统应用到AFM的控制系统中,不仅具有重要的理论意义和科学价值,而且具有广阔的应用前景。文中在总结纳米科技及AFM应用技术的发展历史和研究现状的基础上,对AFM的工作原理进行了深入的探讨。结合当前AFM应用技术的发展,提出了基于ARM嵌入式操作系统ARM-μCLinux的AFM控制系统的设计。系统运用ARM控制18位DAC输出模拟信号,再经过高压放大,控制压电陶瓷器XYZ方向运动;系统采用16位同步ADC采集微悬臂梁的反馈信号;利用ARM多线程优势进行数据的实时采集,并通过LAN口与PC机进行数据交换;利用Atmega128L控制AD9851输出0~500KHz、幅值可调的正弦波,频率稳定度0.04Hz,幅度输出误差在0.2mV范围内,在轻敲模式下,使AFM的微悬臂梁在其谐振频率附近振荡,从而实现轻敲式AFM扫描;通过三维步进扫描平台可以实现大范围扫描;通过序列图像拼接技术最大扫描范围可以达到90mm×90mm,拼接算法准确率达98%以上;提出了采用纳米级非接触位移传感器作为自动进针系统的反馈系统设计方案,采用三级进针机制,控制自动进针过程,有效防止了在进针过程中导致探针损坏或过度进针导致的样品表面损伤;开展了气相和液相条件下AFM系统的性能测试实验,均获得了清晰的样品形貌图像,并对样品形貌图像作了分析。通过气相和液相环境下的大量实验表明,该系统工作可靠。主要创新点:1、在AFM系统中,引入了ARM-μCLinux占先式嵌入式操作系统,增强了系统的实时性,并且使得系统应用软件的更新及外围设备驱动的开发更为容易,与其它AFM系统相比,系统的稳定性和扫描速度提高了20%以上;2、在自动进针系统中,采用三级进针机制,引入纳米级非接触位移传感器作为进针反馈,定位精度15nm,有效防止了进针误操作;3、在AFM细胞实验应用中,提出了应用细胞形貌图像的直方图寻找最佳分割点,对细胞进行阈值分割,准确率达98.5%以上,并运用Log边缘检测算子提取细胞的边缘特征。
【关键词】：原子力显微镜 样品扫描方式 反馈检测 探针扫描方式 压电扫描器
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 纳米科技概述9
• 1.2 扫描探针显微镜技术的发展9-13
• 1.2.1 扫描隧道显微镜9-10
• 1.2.2 原子力显微镜发展及应用10-13
• 1.3 嵌入式系统技术13-14
• 1.4 课题研究的背景和意义14
• 1.5 本文的主要研究内容14-16
• 第2章 AFM系统原理分析及总体结构16-28
• 2.1 AFM的工作原理16-17
• 2.2 AFM的工作模式17-21
• 2.3 AFM成像系统模型21-22
• 2.3.1 探针模型21
• 2.3.2 探针与样品间的原子力模型21-22
• 2.4 AFM总体结构设计22-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 AFM系统硬件研制28-62
• 3.1 AFM扫描器系统研制28-40
• 3.1.1 PZT压电陶瓷管及AFM扫描方式29-32
• 3.1.2 PZT微位移平台的选择32-33
• 3.1.3 PZT微位移平台控制系统设计33-38
• 3.1.4 三维步进扫描平台38-40
• 3.2 AFM微悬臂偏转检测系统设计40-48
• 3.2.1 AFM微悬臂偏转量检测方法41-43
• 3.2.2 四象限光电探测器检测微悬臂偏转量的原理43-46
• 3.2.3 AFM微悬臂偏转量检测的实现46-48
• 3.3 反馈控制系统设计48-53
• 3.3.1 控制系统概述49-50
• 3.3.2 PID控制原理50-53
• 3.4 轻敲式AFM驱动系统研制53-56
• 3.4.1 系统频率产生电路工作原理53-55
• 3.4.2 系统放大电路工作原理55-56
• 3.4.3 系统设计56
• 3.5 AFM自动进针系统设计56-60
• 3.5.1 自动进针系统工作原理57-58
• 3.5.2 自动进针系统设计58-60
• 3.6 CCD与光学显微监控系统60
• 3.7 以太网接口电路60-61
• 3.8 AFM大范围扫描的实现61
• 3.9 本章小结61-62
• 第4章 ARM控制软件研制及测试62-84
• 4.1 基于ARM920T的S3C2410简介62-63
• 4.2 嵌入式ARM-μCLinux设备驱动63-64
• 4.3 ARM与DA9881控制软件设计及测试64-66
• 4.3.1 D/A软件设计64
• 4.3.2 D/A输出测试64-66
• 4.4 ARM与A/D控制软件设计及测试66-68
• 4.4.1 A/D软件设计66
• 4.4.2 A/D输入测试66-68
• 4.5 QP50-6SD2灵敏度测试68-69
• 4.6 自动进针系统软件实现69-70
• 4.7 PZT扫描控制软件实现70
• 4.8 PID控制测试70-75
• 4.9 轻敲式AFM驱动系统软件设计及测试75-80
• 4.9.1 软件协议设计75-76
• 4.9.2 系统测试及分析76-79
• 4.9.3 轻敲式AFM驱动系统扫频输出79-80
• 4.10 PC机控制软件实现80-82
• 4.11 本章小结82-84
• 第5章 AFM系统成像影响因素分析及实验研究84-110
• 5.1 压电扫描器的迟滞非线性分析和校正84-86
• 5.2 探针对扫描结果的影响86-92
• 5.2.1 AFM探针的展宽效应87-88
• 5.2.2 AFM针尖结构对扫描结果的影响88-92
• 5.3 影响AFM的环境因素92
• 5.4 AFM实验前的准备工作92-93
• 5.5 气相条件下形貌扫描实验及研究93-98
• 5.5.1 光栅纳米结构形貌实验93-95
• 5.5.2 AFM探针扫描形貌重复性实验95-96
• 5.5.3 CD-R的AFM扫描实验96-98
• 5.6 液相条件下形貌扫描实验及研究98-105
• 5.6.1 AFM生物细胞成像实验及细胞特征提取98
• 5.6.2 材料和仪器98
• 5.6.3 实验方法及细胞AFM成像98-100
• 5.6.4 细胞图像预处理100-102
• 5.6.5 细胞边缘特征提取102-105
• 5.7 气相和液相条件下样品形貌对比实验105-106
• 5.8 序列图像拼接实验106-108
• 5.9 本章小结108-110
• 第6章 总结和展望110-114
• 6.1 总结110-112
• 6.2 展望112-114
• 致谢114-115
• 参考文献115-120
• 附录120

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