[发明专利]基于压电扫描管阶跃响应曲线的原子力显微镜动态成像方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳科学与技术研究中的精密仪器领域，具体为原子力显微镜(AFM)，本发明主要涉及一种基于压电扫描管阶跃响应曲线的原子力显微镜动态成像方法。 

背景技术

原子力显微镜的发明[1]给纳米科学与技术领域带来了革命性的影响[2]。与其它的纳米成像仪器相比，原子力显微镜不受样品导电性的限制，且可以工作于多种环境下，如真空环境、大气环境、液相环境等。 

原子力显微镜属于扫描探针显微镜的一种，通过反馈控制调整压电扫描管伸缩量，使探针与样品间的作用力（或轻敲模式下的探针振幅）保持恒定，然后通过对控制电压，控制误差，和其它相关因素的综合分析，便可计算出样品的表面形貌。原子力显微镜的成像精度和成像速度是目前研究者们最关心的两个问题[3,4]。比如为实时地监测某些生物和化学反应的过程[5]，就需要原子力显微镜在保证一定精度的情况下进行快速的扫描成像。总体来说，目前有三种提高原子力显微镜成像速度的方法：1)采用高共振频率和响应速度的压电扫描管[6-8]；2)采用多探针扫描头进行并行扫描[9,10]；3)设计适当的控制算法[11-16]和成像方法[17-20]完成高速扫描的任务。前两种方法涉及到硬件系统的改进，较为复杂。本发明则属于第三种方法，通过设计精妙的成像方法，实现原子力显微镜的快速成像。 

如文献[17]中提到，压电扫描管的动态特性是阻碍原子力显微镜快速成像的最大障碍。目前商用的原子力显微镜普遍采用静态成像方法，即不考虑压电扫描管的动态特性，而是直接将压电扫描管的输入电压作为稳态数据进行成像，这样只能保证在低速扫描时获得样品表面的准确形貌，在快速扫描时，压电扫描管通常不能达到稳定状态，因而需要考虑它的动态特性，得到压电扫描管的暂态位移量，才能获得准确的样品表面形貌图像。 

如何设计出考虑压电扫描管动态特性的动态成像方法成为了如今原子力显微镜研究的热点之一。在文献[17]中，研究者们第一次在成像方法中引入了压电扫描管的动态特性。文献[18]提出了一种考虑压电扫描管迟滞特性的成像方法，文献[19]则是一种基于鲁棒观测器的成像方法。文献[20]将控制算法和成像方法的设计过程相结合，从而增强系统对测量噪声和模型不确定的鲁棒性。以上几种方法都是在对压电扫描管的模型进行高精度辨识的基础上完成的。 

发明内容

本发明的目的是解决原子力显微镜在快速扫描时，因忽略压电扫描管的动态特性而导致成像出现畸变的问题，提出了一种基于压电扫描管阶跃响应曲线的原子力显微镜动态成像方法，很好地克服了快速扫描时出现的图像畸变问题。 

本发明致力于通过对原子力显微镜样品表面形貌计算过程的充分分析，利用实验测得的压电扫描管阶跃响应曲线中包含的压电扫描管动态特性信息，以实现对压电扫描管输入信号数据和控制误差的动态处理，从而改善原子力显微镜在快速扫描过程中的成像精度。 

  

本发明提供的基于压电扫描管阶跃响应曲线的原子力显微镜动态成像方法，具体步骤如下：

第1、首先获得压电扫描管的动态特性信息

第1.1、增益系数的标定：在开环控制下，利用标定光栅对附图2中的压电扫描管的前置高压放大器增益系数 ，和激光检测系统增益系数进行标定，具体标定方法可参见文献[21]。

第1.2、压电扫描管阶跃响应曲线的测量：在开环控制下，通过RTLinux控制平台在压电扫描管上施加单位阶跃信号，同时记录激光检测系统的输出信号，处理得到压电扫描管的阶跃响应曲线，并对该曲线进行采样，记为，其中为采样间隔，，为总的采样点数。 

第2、利用上步已获得的压电扫描管动态特性信息，对不同的样品进行成像，步骤如下： 

第2.1、采集成像所需数据：调节控制器参数，使扫描探针对样品表面的跟踪效果达到最优，记录下控制电压输入信号和控制误差信号。 

第2.2、动态成像：将第2.1步采集的数据，和第1.2步得到的压电扫描管阶跃响应曲线采样序列、以及增益系数、代入成像公式(7)： 

(7)

其中为第n个采样点时的样品形貌高度值，为第个采样点时的控制电压输入，为第个采样点时的控制误差，为第个采样点时的压电扫描管阶跃响应值，初始状态设置为。

  

本发明针对原子力显微镜的快速扫描成像，提出了一种基于压电扫描管阶跃响应曲线的动态成像方法，该成像方法的推导过程概述如下：

第1，原子力显微镜样品表面形貌的计算过程分析