工业型SPM的电控系统设计

发布时间：2017-08-21 12:46

  本文关键词：工业型SPM的电控系统设计

  更多相关文章： 工业SPM FPGA 嵌入式以太网 侧壁扫描

【摘要】：扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)自发明以来,在生物、化学、物理和材料等诸多领域都取得了广泛的应用。SPM家族中的原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)因其无损检测和高分辨率成像能力,在半导体行业的关键尺寸(Critical Dimension,CD)检测上表现出巨大潜力,但传统AFM成像速度慢限制了其工业应用。另一方面,随着集成电路的工艺节点越来越小,半导体结构的复杂化,对检测设备的三维成像能力提出了迫切的需求。本项目针对工业领域应用的特点,研发出一种具有快速扫描、三维扫描、快速无损进针和自动换针等特性的适于工业检测的SPM系统。本论文主要完成了工业型扫描探针显微测试系统的电控系统的下位机硬件与软件的设计,并对AFM实现侧壁形貌扫描的方法作了初步的实验,论文的主要内容包括:1、介绍了扫描探针显微镜的发展概况和AFM的工作原理,其中重点介绍了用于半导体行业的CD-AFM的发展概况。2、介绍了工业SPM系统的总体设计,包括整机结构设计、光路系统设计、探针夹持器结构设计和电控系统整体框架与功能。3、实现了电控系统的硬件设计,包括FPGA最小系统、以太网通信模块、QPD信号处理电路、电机控制模块、探针夹持器驱动和模拟锁相放大电路。4、实现了各部分硬件对应的下位机软件设计,包括嵌入式TCP/IP协议栈的实现、电机控制软件和DDS控制软件的实现。5、进行了样品侧壁扫描的相关实验,包括横向灵敏度标定和扭转谐振实验,并在此基础上对侧壁进行了单线扫描。
【关键词】：工业SPM FPGA 嵌入式以太网 侧壁扫描
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 扫描探针显微镜的发展概况10-13
• 1.1.1 扫描探针显微镜的发展10
• 1.1.2 AFM的工作原理10-11
• 1.1.3 AFM的工作模式11-13
• 1.2 CD-AFM的发展概况13-15
• 1.3 课题研究意义与主要研究内容15-18
• 第二章 工业SPM整体设计18-24
• 2.1 工业SPM结构18-19
• 2.2 光学系统设计19
• 2.3 探针夹持器结构设计19-20
• 2.4 电控系统的整体框架与功能20-23
• 2.4.1 以太网通信21
• 2.4.2 定位系统21-22
• 2.4.3 探针夹持器驱动电路22
• 2.4.4 QPD信号运算电路22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 电控系统硬件设计24-47
• 3.1 FPGA最小系统电路24-28
• 3.1.1 FPGA芯片24-25
• 3.1.2 SDRAM存储模块25-26
• 3.1.3 电源模块26-28
• 3.2 以太网通信模块28-31
• 3.2.1 基于DM9000A的硬件电路28
• 3.2.2 基于ENC28J60的硬件电路28-29
• 3.2.3 NIOS Ⅱ软核29-31
• 3.3 QPD输出信号运算模块31-33
• 3.4 电机控制模块33-37
• 3.4.1 硬件电路33-35
• 3.4.2 FPGA内的控制模块35-37
• 3.5 探针夹持器驱动及锁相放大模块37-46
• 3.5.1 直接数字式频率合成器37-38
• 3.5.2 模拟锁相放大38-39
• 3.5.3 硬件电路39-42
• 3.5.4 FPGA内的控制模块42-45
• 3.5.5 NIOS Ⅱ接口模块45-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第四章 电控系统嵌入式软件设计47-62
• 4.1 TCP/IP协议的实现47-49
• 4.1.1 TCP/IP协议族47-48
• 4.1.2 uClinux方式实现TCP/IP协议栈48
• 4.1.3 无操作系统方式实现TCP/IP协议栈48-49
• 4.2 基于uClinux的软件设计49-54
• 4.2.1 uClinux操作系统移植49-50
• 4.2.2 uClinux驱动程序的编写50-52
• 4.2.3 uClinux应用程序的编写52-54
• 4.3 无操作系统下的软件设计54-61
• 4.3.1 Ethernet协议实现55-56
• 4.3.2 ARP、ICMP和IP协议实现56-58
• 4.3.3 TCP协议实现58-59
• 4.3.4 电机控制程序设计59-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 扭转谐振实验62-72
• 5.1 探针驱动电路性能测试62-67
• 5.1.1 上位机控制程序62-63
• 5.1.2 下位机程序63-65
• 5.1.3 DDS电路输出测试65-66
• 5.1.4 模拟锁相放大电路测试66-67
• 5.2 系统横向灵敏度标定实验67-68
• 5.3 扭转谐振实验68-72
• 第六章 总结与展望72-73
• 6.1 工作总结72
• 6.2 工作展望72-73
• 参考文献73-77
• 发表论文和参加科研情况说明77-78
• 致谢78-80

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王云茂,曾天发;SPM型变电设备状态检修系统的研制[J];福建电力与电工;2001年03期

2 余梦江;;滚动轴承的诊断和SPM冲击脉动43A型检测仪的应用[J];设备维修;1985年05期

3 雷红斌;SPM静止式进相机用于球磨机电机的无功补偿[J];中国设备工程;2003年04期

4 ;艾默生SPM走进中国银行 助其提高系统稳定[J];电源世界;2007年06期

5 黄文浩;基于SPM的纳米计量中若干重要问题[J];上海计量测试;2005年02期

6 ;艾默生SPM走进中国银行 助其提高系统稳定[J];电源技术应用;2007年06期

7 查茜;田虎;;基于SPM的高功率因数小功率变频器设计[J];黑龙江科技信息;2013年10期

8 袁哲俊;使用SPM的纳米级加工技术新进展[J];纳米技术与精密工程;2004年01期

9 吴建奇,丁春颖;钢塑轻型板SPM(TZGF-05-2000)的安装工法[J];工程质量;2002年04期

10 郑静琳;李玉和;廖小华;李庆祥;;用于SPM技术的多维纳米定位系统[J];新技术新工艺;2006年04期

中国重要会议论文全文数据库 前2条

1 王璇;凌星;张锦;刘忠范;;SPM加工辅助的ZnO纳米线在表面的定点生长[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年

2 陈宇航;周拥军;黄文浩;褚家如;;SPM测量误差与纳米计量[A];2001年纳米和表面科学与技术全国会议论文摘要集[C];2001年

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 蒋湘涛;编译期SPM管理方法及功耗模型研究[D];中南大学;2009年

2 杨晔;基于SPM的纳米电刻蚀加工实验和机理研究[D];上海交通大学;2014年

3 文莉;基于SPM的微等离子体无掩模扫描刻蚀加工方法的研究[D];中国科学技术大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 徐建国;工业型SPM的电控系统设计[D];天津大学;2015年

2 李丽丽;基于SPM图像的探针模型重构算法研究[D];长春理工大学;2014年

3 杜文;基于Trimaran平台的SPM模拟器设计与实现[D];西安电子科技大学;2009年

4 石金锋;基于SPM的寄存器抛出能耗优化研究[D];中南大学;2009年

，

本文编号：712990