原子力顯微鏡定位系統(tǒng)控制策略及誤差補(bǔ)償方法研究.pdf

1、當(dāng)前，原子力顯微鏡(AFM)在微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)和新型材料學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)以及納米制造和納米操作等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
　　然而，AFM的工作速度和測(cè)量精度已經(jīng)成為AFM技術(shù)的瓶頸，主要原因是現(xiàn)有控制技術(shù)無(wú)法克服AFM工作中工作速度慢和窄帶限制的問(wèn)題。本文從控制的角度出發(fā)，重點(diǎn)研究高速AFM定位系統(tǒng)中的控制及補(bǔ)償方法。論文具體工作如下：
　　首先，深入研究以壓電驅(qū)動(dòng)器為核心的AFM定位系統(tǒng)及其控制問(wèn)題，并指出當(dāng)前限

2、制AFM工作速度的關(guān)鍵問(wèn)題：工作速度慢和窄帶限制的問(wèn)題。為解決高速AFM定位問(wèn)題，討論傳統(tǒng)控制方法及其局限性，研究先進(jìn)控制方法及其應(yīng)用的必要性。
　　其次，針對(duì)納米測(cè)量過(guò)程中AFM定位系統(tǒng)的工作速度慢和窄帶的問(wèn)題，分別對(duì)AFM定位系統(tǒng)中橫向和縱向動(dòng)態(tài)特性非線性進(jìn)行補(bǔ)償，提出基于開(kāi)閉環(huán)PID型迭代學(xué)習(xí)控制方法，提高探針橫向掃描定位精度；提出基于逆系統(tǒng)的“無(wú)模型”迭代學(xué)習(xí)控制策略，補(bǔ)償AFM定位系統(tǒng)中縱向動(dòng)態(tài)特性非線性影響，增大系統(tǒng)的

3、帶寬，提高系統(tǒng)跟蹤能力。通過(guò)期望信號(hào)軌跡跟蹤仿真實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證了AFM定位系統(tǒng)中橫向和縱向的控制算法的適用性。
　　最后，將所研究的基于逆系統(tǒng)“無(wú)模型”迭代學(xué)習(xí)控制方法，用于材料粘彈性進(jìn)行納米測(cè)量中。通過(guò)補(bǔ)償AFM定位系統(tǒng)中z軸向動(dòng)態(tài)特性非線性影響，在一定帶寬內(nèi)對(duì)期望輸入信號(hào)進(jìn)行軌跡跟蹤，使激勵(lì)力(通過(guò)懸臂梁)無(wú)失真地施加在被測(cè)材料樣品上，達(dá)到材料粘彈性準(zhǔn)確測(cè)量的目的。此外，針對(duì)耦合在測(cè)量數(shù)據(jù)中的AFM自身殘余動(dòng)態(tài)特性影響，設(shè)計(jì)一