（精密仪器及机械专业论文）基于压电悬臂梁的SFM反馈控制与信号检测系统研制.pdf

宝里型兰垫查查兰堡_ 上堂垡丝塞塑兰 摘要 扫描力显微镜( s f m ) 是扫描探针显微镜( s p m ) 家族中一组重要的成员，是测试 物质表面形貌和特性的重要工具。传统的利用光学偏转法对悬臂梁的变形进行检 测的s f m 仪器由于需要精确的光学对准机构从而使仪器结构复杂、体积较大、操 作过程繁琐：另外由于悬臂梁不能进行自激励和自调整，因而无法在一些场合下 应用。基于压电悬臂梁的s f m 能够弥补传统光学方法检测的s f m 的上述不足，在 微观形貌检测尤其是并行加工和信息存储方面有着广阔的应用前景。本文针对基 于压电悬臂粱的s f l 反馈控制和信号检测系统进行了设计、仿真和试验。 基于压电薄膜的压电效应和逆压电效应原理提出了压电悬臂梁的在外激励条 件下的等效电路，并设计了差动电荷和差动电流放大电路，对设计进行了模拟。 针对待测信号，设计了带通滤波电路，用以虑除信号中的干扰噪声，提高信噪比。 对基于压电悬臂粱的s f m 反馈控制系统性能提出了要求，根据性能要求设计 了反馈控制系统的整体结构和基于d s p 的实现方案。d s p 板卡作为硬件控制和计算 单元，基于d s p 卡构造多级子卡结构，包括a d c 通道子卡、d a c 与通信子卡。完成 了多级子卡以及其他硬件部分的设计和仿真和测试。 根据系统性能要求和所设计的硬件结构，设计了反馈控制系统的软件结构。 完成了反馈控制系统软件部分中的各层程序的算法设计和代码设计。针对所要测 量的压电悬臂梁的压电信号中存在大量干扰噪声的情况，采用数字锁相计算的方 法对所采集的信号进行计算和信息提取。 针对压电陶瓷薄膜介电性能检测中的问题，设计了基于数字锁相计算的介电 性能测试方法。对该方法的原理和精度进行了分析。根据所提出的测试算法，采 用s f m 反馈控制系统同时作为压电陶瓷薄膜的介电性能测试系统。 对所完成的反馈控制系统的软硬件进行了模拟和试验。对前置放大电路的试 验表明所设计的电路满足设计功能，信号检测系统能检测出压电悬臂梁的压电振 动信号。对s f m 反馈控制系统硬件和软件部分的模拟和测试表明系统的功能和性 能满足设计要求。 关键词：s f m 压电悬臂梁差动放大d s p电路设计介电性能测试 竺堂堕坠型：! ! ! ! ! ! 些壁型l a b s t r a c t s c a n n i n g f o r c em i c r o s c o p yi sa ni m p o r t a n tm e m b e ro ft h es c a n n i n gp r o b e m i c r o s c o p yf a m i l y s f m w h i c hi s ap o w e r n lt o o lf o rm e a s u r i n gt h et o p o g r a p h ya n d p r o p e r t i e s h a sb e e n u s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm a n yf i e l d s b e c a u s et h et r a d i t i o n a l s f mu t i l i z et h eo p t i c a ll e v e rm e t h o dt om e a s u r et h ed e f o r m a t i o no ft h ec a n t i l e v e r , c o m p l e xo p t i c a la d j u s t m e n ts t r u c t u r e i sn e e d e da n dt h em a n i p u l a t i o np r o c e d u r ei s c o m p l i c a t e d s u c hp r o b l e mh a s l i m i t e dt h e u s a g e o ft h et r a d i t i o n a ls f m t h e p i e z o e l e c t r i c f i l mc a n t i l e v e rb a s e ds f mc a r lo v e r c o m es u c hs h o r t c o m i n g a n dt h e p i e z o e l e c t r i cf i l mc a n t i l e v e rh a sm a n y o t h e rm e r i t ss u c ha ss e l f - e x c i t a t i o n t h i st h e s i s i s m a i n l y f o c u so nt h e d e s i g n a n de x p e r i m e n to ff e e d b a c kc o n t r o ia n d s i g n a l m e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h ep i e z o e l e c t r i c 石l mc a n t i l e v e rb a s e ds f m b a s e do nt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c ta n dc o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c tt h e o r y , t w o k i n d so f e q u i v a l e n tc i r c u i t so f t h ep i e z o e l e c t r i cf i l mc a n t i l e v e ra r ed e d u c e d b a s e do n t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s ，t w ok i n d so fp r e a m p l i f i e ra r ed e s i g n e d t h es i m u l a t i o no ft h e c i r c u i t ss h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i t sa g r e e sw i t ht h ed e s i g n t h e p e r f o f i n a n c eo f t h es f mf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d b a s e do nt h e r e q u i r e dp e r f o f i n a n c eo ft h es f mf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m t h es t r u c t u r ea n dt h e r e a l i z a t i o nm e t h o do ft h es y s t e ma r ei s s u e d t h ef e e d b a c ks y s t e mi sb a s e do nad s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) b o a r d ，w h i c hi s u s e da sah a r d w a r ec o n t r o l l e ra n dd a t a p r o c e s s o r am u l t id a u g h t e rc a r ds t r u c t u r ei se s t a b l i s h e dt h ed e s i g no fe a c hd a u g h t e r c a r di sd i s c u s s e d b a s e do nt h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dd e s i g n ，t h es o f t w a ms t r u c t u r eo f t h ef e e d b a c k c o n t r 0 1s y s t e mi sp r e s e n t e d t h i si sa5 - l e v e js o f t w a r es t r u c t u r e t h ea l g o r i t h ma n d c o d ed e s i g no fe a c hp r o g r a mi sd i s c u s s e di nt h e t h e s i s c o n c e d i n gt h a tt h es i g n a l s a m p l e df r o mc a n t i l e v e r i sb u r i e di 1 2 s t r o n ge l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ad i g i t a l p h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o nm e t h o di s u t i l i z e dt oe x t r a c tt h eu s e f u 】i n f o r m a t i o n t h e a l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c eo ft h ed i g i t a lp h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o nm e t h o di sa l s o d i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h ep r o b l e mo f p i e z o e l e c t r i cf i l md i e l e c t r i cp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t ， ad i g i t a lp h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o nb a s e dd i e l e c t r i c p r o p e r t i e sm e a s u r e m e n tm e t h o di s p r e s e n t e dt h et h e o r ya n dp e r f o r m a n c eo f t h em e t h o d i sd i s c u s s e d a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef e e d b a c kc o n t r o ia n ds i g n a lm e a s u r e m e n ts y s t e m t h es i m u l a t i o na n dt e s t i n gr e s u l to ft h e s y s t e mi sg i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r e a m p l i f i e rc a r ls u c c e s s f u l l yd e t e c tt h ep i e z o e l e c t r i cs i g n a lf r o mt h ec a n t i l e v e r , a n d t h e p e r f o r m a n c e o ft h e f e e d b a c kc o n t r o l s y s t e m a n dt h ed i e l e c t r i c p r o p e r t i e s m e a s u r e m e n ts y s t e mm e e tt h er e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：s f m p i e z o e l e c t r i cf i l mb a s e dc a n t i l e v e rd i f f e r e n t i a la m p l i f i e r d s pc i r c u i td e s i g nd i e l e c t r i cp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t 旦型兰丝查查堂堡主兰堡堡兰皇! ! i 竺! ! l 第一章绪论 1 1 引言：扫描力显微镜 显微镜是人类用于认识微观世界的重要工具，传统的光学显微镜由于光波的 衍射效应其分辨率只能达到光波的半波长，即0 2 i am 左右。1 9 3 3 年德国的r u s k a 和k n o l1 等人利用电子在电磁场中的运动与光线在介质中的传播相似性质的原理 在柏林研制成世界上第一台电子显微镜( e m ) 。由于在电场中高速运动的电子具有 远小于可见光的波长，因而e m 具有远高于传统光学显微镜的分辨率。在这之后又 有t e m ( 透射电子显微镜) ，s e m ( 扫描电子显微镜) ，等多种仪器问世，但它们 在观测物质表面微观形貌时都存在着各种缺陷。 1 9 8 2 年，国际商业机器公司( i b m ) 苏黎世实验室的葛宾尼( g b i n n i g ) 博士和海罗雷尔( h e i n r i c hr o h r e r ) 博士及其同事们共同研制成功了扫描隧道 显微镜( s t m s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ) 。1 。8 t m 的基本原理是隧道效应， 工作时系统控制探针在样品表面极近的距离处扫描，完成对样品局部特性表 现为隧道电流的采集。s t m 的出现使研究人员可以获得真正的原子水平的三维图 像。但是，s t m 适于研究导体样品，而难于研究绝缘样品。 随着s t m 的发明及其在表面科学和生命科学等领域的广泛应用，相继出现许 多同s t m 技术相似的新型扫描探针显微镜( s p m ) 。其中主要有扫描力显微镜( s f m ) ， 扫描隧道电位仪( s t p ) 和扫描近场光学显微镜( s n o m ) 等。扫描力显微镜( 8 f m ) 是这一系列扫描探针显微镜中应用最为广泛的。s f m 是几种以检测探针与样品间相 互作用力为特征的力显微镜的统称，其中原子力显微镜( a f m ) 是最具代表性的一 种扫描力显微镜。 与电子显微镜以及s t m 相比，s f m 具有许多优点，因此近十几年来s f m 在各领 域中的应用得到迅速的发展。s f m 的分辨率虽然没有8 t m 高，但其也具有亚纳米的 分辨率，可以观察原子尺度的物质表面形貌并能检测微小的物质相互作用力。由 于扫描力显微镜能在接近原子尺度上研究绝缘体表面，因此原子力显微镜在导电 性较差的材料尤其是生物材料表面结构和有关性质的研究中发挥着重要的作用。 s f m 还具有对样品的分子或原子进行加工的力行为能力，可以搬移原子、切割染色 体、在细胞膜上打孔等。经过近二十年的发展，原子力显微镜经成为日趋成熟的 主垦型兰垫查叁堂堡兰些笙奎篁二童i i 皇l 表面分析技术。 s f m 除了具有对样品表面形貌进行观测以及对物质问微小相互作用力进行测 量的能力外还具有对样品进行微纳加工的能力。s o h n 。1 等人利用a f m 针尖对 p m m a m m a 超薄膜进行机械刻蚀，制出t 4 0 n m 线宽的金属线；r i c h a r dd p i n e r ”。等 人用a f m 进j t i ) p n 软刻写技术直接操纵分子形成图案：b o u c h i a t ”1 等人利用a f m 针尖 对硅片上的高分子膜机械刻蚀出单电子晶体管。 在将近几年的发展中，s f m 技术与微系统技术相结合，产生了一系列的全新的 应用。在微系统技术领域中出现了大量基于s f m 原理的微型生物，化学，加速度， 声波，振动变送器，微执行器以及基于s f m 原理的表面微纳尺度加工系统和高密 度信息存储系统“。由于s f m 具有很高的空间分辨率，在s f m 上加入热读写装置 后，s f m 就成为具有远高于其他任意一种数据存储方式的数据存储设备，其存储密 度可以很容易实现5 0 0 g b i n 2 “”，而目前的硬盘的存储密度为4 0 g b i n 2 。 1 2s f m 工作原理简介 与光学显微镜和电子显微镜完全不同，扫描力显微镜不采用任何光学或电子 透镜来成像，而是利用尖锐的探针在表面上方扫描来检测样品的性质。不同类型 的扫描力显微镜之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖一样品相互 作用方式不同。 1 2 1 s f m 的工作原理 s f m 是用一个一端固定，另一端装有针尖的弹性微悬臂柬检测样品表面形貌或 其他表面性质【4 ”i 。当样品或针尖扫描时，同样品一针尖间距离有关的针尖一样品间 相互作用力就会引起微悬臂发生形变( 如图1 - 1 ) 。即样品一针尖将相互作用力将表 现为微悬臂梁的形变。反馈控制系统根据检测到的形变量的变化不断调整针尖或 样品z 轴方向的位置，保持针尖一样品间相互作用力恒定不变( 恒力模式) 。通过 测量该形变量对应于样品水平面内的扫描位置的变化，就可以得到样品的表面形 貌图像。对于原子力显微镜，其测量的是探针与样品表面间的力，已知微悬臂的 弹性系数k ，根据变形量止即可求出力f = 女a z 。 主里型堂垫查查堂堡主兰堡垒；! ! ! ；苎二重j ! 羔l 图卜ls f m 工作原理 1 2 2s f m 仪器的成像模式 旨茸 厂、习厂；习 厩碾鞲粜 厂一 j 厂一厂一 图卜2s f m 三种成像模式比较 根据探针同样品作用力性质的不同，s f m 仪器主要有三种成像模式：接触式 ( c o n t a c tm o d e ) ，非接触模式( n o n c o n t a c tm o d e ) 和轻敲模式( t a p p i n gm o d e ) 。 图卜2 比较了s f m 的不同成像模式。 1 接触模式 在s f m 接触模式中，针尖始终同样品接触并简单地在表面上移动。在这种模 式下，探针在样品表面上移动以及针尖一表面间的粘附力有可能使样品产生相当大 的形变，并会对针尖产生较大的损害，而且可能在图像数据中出现假象。 2 非接触模式 非接触模式是控制探针在样品表面上方5 2 0 n m 距离处扫描，探针始终不与样 品表面接触。在非接触模式中，针尖一样品间相互作用力是很弱的长程力范德 华吸引力。由于吸引力远小于排斥力，因此为了提高信噪比，必须在针尖加以小 的振荡信号，以便a c 检测方式能够用来检测针尖一样品间较小的作用力。 3 轻敲模式 轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间。在扫描过程中微悬臂是振荡的并 具有比非接触模式更大的振幅( 大于2 0 n m ) ，针尖在振荡中间断的与样品接触，针 尖的振幅会因为与样品接触而发生变化。反馈系统根据检测到的振幅变化，调整 针尖一样品间距，使样品一针尖作用力保持恒定。 主里型兰垫查叁兰堡主兰竺笙兰 塑二至上i 羔l 1 2 3 悬臂粱形变检测方法 力显微镜是通过测量悬臂梁的z 方向形变以及利用h o o k e 定律来确定作用力。 在s f m 中，检测微悬臂形变量的方式归纳起来主要有4 种m 1 ：( 1 ) 隧道电流法：( 2 ) 电 容法：( 3 ) 光学检测法：( 4 ) 压电、压阻效应法。 1 隧道电流法： 隧道电流的大小具有随电极间距离变化的特性，利用s t m 检测器能够测量小 n 于1 0 。2a 的形变。早期的s f r 例如第一台s f m 。1 就是用这种方法。整个系统就需要 两套反馈系统分别控制微悬臂针尖与样品间距离，力检测电极与微悬臂梁间距离。 2 电容检测法： 电容检测中，以一个小的金属片与悬臂背面构成平行极板电容器。以电容量 的变化反应微悬臂粱的形变量。极板间的距离一般是lum ，电容量为几皮法。由 电容器移动诱导的温度变化和悬臂梁的粗糙度都会限制检测器对距离的灵敏度。 3 光学偏转法( 光杠杆法) ： p i f v t p i h 0 t h 幽卜3 使用光学偏转法检测微悬臂梁变形的s f m 结构简图 光杠杆法是应用最多的一种方法，激光器发出的一束激光射到悬臂梁的末端 并被反射到位置敏感元件( p s d ) 上。光束在p s d 上的位置随悬臂的变形而变化， 通过光束位置可反映出悬臂的形变情况( 图1 - 3 ) 。该方法灵敏度高、性能稳定、 但需要光束对准光路和检测设备。 4 压电、压阻方法： 将压电、压阻元件用微制造的方法集成在微悬臂梁上，利用压电或压阻效应 进行悬臂粱的形变检测( 图卜4 ) 。使用该方法的系统体积小、装置简单，不需要 额外对准装置和操作。 鹾 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 z l 孤 图1 4 压电法检测悬臂粱形变的s f m 结构图 1 3s f m 反馈控制系统 搏函 搏弩、m 丁； 幽1 5s f m 反馈控制环模型 反馈控制部分是整个s f m 的核心。s f f f 在扫描过程中，由于样品表面的形貌变 化使微悬臂的形变也发生变化。反馈控制系统保持悬臂梁的形变情况( 或振动幅 度和频率) 在扫描过程中不变，既保持针尖与样品间相互作用力恒定。如图卜5 为整个反馈控制环的模型： 反馈控制环包括四个主要部分：( 1 ) 针尖与样品的相互作用：( 2 ) 悬臂粱的形 变以及作用力的传感：( 2 ) 反馈控制系统；( 3 ) 用于产生反馈位移的压电陶瓷。 在这里我们重点讨论反馈环中的控制系统部分。由于s t m 和s f m 系列显微镜 的反馈控制系统有相似之处，有的甚至完全相同，因此以下我们综合了各种显微 镜的控制系统。 峰剑 酾面酮 检型量咂砸珥吨蒸蓟蛋l 匦两芦 图卜6 反馈控制系统框图 主里型兰垫查叁堂堡圭兰些笙苎塑二皇j i ! l 图l 一6 为反馈控制系统框图。检测量为前端变送器所检测到的代表针尖一样 品表面相互作用的物理量，对s t m 而言为隧道电流，对s f m 为表征微悬臂变形量 的物理量。预处理部分对检测量进行放大、滤波等处理。调整量计算是将检测量 与预设置值相比较，得出差值并用一定的算法( 通常是用p i d 算法) 计算出调整 值。计算出的调整值一方面用于构成样品表面形貌图像另一方面通过后处理( 如 滤波、高压放大等) 加到压电元件上调整样品一针尖相对位置。 1 3 1 s f m 反馈控制系统发展过程 s f m 及s t m 反馈控制系统的发展在大体上经历了三个阶段，这三个阶段根据调 整量计算的方法不同可以分为：( 1 ) 纯电路控制方式：( 2 ) 基于计算机的控制方式： ( 3 ) 基于专用处理芯片的控制方式。 1 纯电路控制方式 这是早期的s f m s t m 所常用的控制方式。“”。其控制是由简单的模拟电路 元件及数字电路元件所组成的电路完成，主要包括运算放大器( 以及由运算放大 器构成的比例、积分放大器和比较器) 、触发器、计数器等。调整量计算通常是将 经过预处理的测量信号与预设阈值相比较，将的差值( e r r o r ) 经过比例一积分( p i ) 放大器( 由运算放大器或数字积分器组成) ，得到的结果即为调整量。调整量经过 后处理后便可加在z 方向压电驱动元件上用于调节间距。早期s t m s f m 的形貌图 一般是用录像机存储以及用b w 电视监视器显示，或用示波器显示。 纯电路方式控制，其优点是成本低、结构简单、速度快、精度高。如b i n n i n g 00 等发明的第一台s f m 其z 方向分辨率可小于la ，侧向分辨率可达到3 0 a 。其缺 点是电路的专用性强，只适用于专门仪器和有限范围内的试验。电路参数固定， 不利于系统优化及反馈算法的更新，也不能采用复杂的反馈算法，并且不能进行实 时的监控并实时的调整。 2 基于计算机的控制方式 随着计算机技术的发展出现了基于计算机的控制方法。把经过预处理的信号 经a d 变换后输入计算机中，由预先编制的程序完成对信号的处理( 包括反馈控 制信号计算和图像处理) 并把结果经o a 变换和高电压放大后加在压电元件上。 这种方法克服了纯电路方法的缺点，具有很大的灵活性。但因为计算机计算速度 6 ! 里型兰垫查查堂塑主兰些堡苎墅兰羔兰l ! l 和精度有限，而且要兼顾反馈控制和图像处理，因此其精度和速度都不如纯电路 控制方法。解决方法是使用高性能的计算机及并行计算机系统”，但成本很高。 3 基于专用处理芯片的控制方式 由于基于计算机的反馈控制存在速度慢和精度低的缺点，因此就提出了使用专 用处理芯片来构成反馈控制回路的方法汹”+ “+ 3 ”。“。初期是使用单片机及微 控制器等芯片“，随着数字信号处理器( d s p ) 应用的普及，现在主要是使用基于 d s p 的反馈控制。基于d s p 的反馈控制过程与基于计算机的反馈控制过程基本相同。 反馈量的计算是由d s p 完成。d s p 的输出一方面用于调整针尖一样品间距，另一方 面通过接口传给主计算机，由主计算机完成图像处理工作。计算机一方面接受d s p 传来的数据进行图像处理，另一方面提供与用户的接口，接受用户的败控，改变 系统参数并实时对d s p 进行调整。 使用基于d s p 的反馈控制器的优点是：系统具有很好的灵活性和高性能。能 够容易地应用各种成熟的技术如相位探测、最优滤波、主动衰减( a c t i v ed a m p i n g ) 、 反馈参数优化等技术。d s p 具有单时钟周期乘法运算、矩阵运算能力，所以d s p 适 用于实时的计算和信号处理。因此使用d s p 的系统比使用其他处理芯片具有更高 的速度。其缺点是使用基于d s p 的反馈系统成本高，要达到高速高精度的要求不 仅要求高性能的d s p ，还需要高速高精度的a d ，d a 转换器。 以p h e u e l l 等人实现的系统为例”。该系统使用a t & t 的d s p 3 2 c ，其z 方向 精度为1 8 b i t ，x y 方向为1 6 b i t 。最后在z 方向最低有效位( l s b ) 对应1 1 4 m y ， 在x y 方向每l s b 对应4 4 7 5 m v 。理论上扫描速度最快为2 m m s 。但通常扫描速度 为l o o n m s - - 5 0 n m s 。在实际试验中，该系统能观察到0 4 矗一0 5 矗的结构。 1 3 2 反馈控制系统设计中应注意的问题 1 反馈控制系统的稳定性能。对于闭环控制系统衡量系统性能的重要指标是系统 的稳定性。系统的稳定性达不到，会出现振荡，则系统无法工作。 2 反馈控制系统的抗噪声性能。对s f m 反馈控制系统，影响其性能的主要因素 是系统噪声。系统的分辨率直接受噪声影响( 系统分辨率还受探针针尖形状影响) 。 噪声分为输出噪声( o u t p u tn o i s e ) 与输入噪声( i n p u tn o i s e ) “。输出噪声产 生于压电驱动电路，可以通过特殊的低噪声设计技术使其最小化。输入噪声是测 量装置内固有的，只能被减少到一个特定的水平。此外振动，热漂移等也对性能 主里翌兰垫查查兰塑圭兰竺笙兰兰二童j i 兰l 有很大影响m 3 。振动由三个来源：声频振动；来自地面的外部振动；内部产生的 振动。在设计s f m 控制的电子部分时，应认真考虑噪声、振动和热漂移的影晌。 3 ，系统设计的整体性。如图卜5 ，反馈控制系统设计时不仅要考虑到其自身的特 性，还要考虑到s f m 仪器的整体特性，这样才可能使系统性能最优。s f m 仪器中包 含有机械部分和电子部分，其中每一部分的设计不是独立的而是相互协调的。例 如，s f m 系统在工作时会受到热漂移、压电迟滞等机械部分的缺陷的影响。克服这 些影响可以通过提高机械部分的响应频率进行，但是由于机械部分响应频率提高 的程度有限，在高速工作时会出现各种问题，可以在反馈控制系统中使用一些补 偿方法如倾斜补偿( t i i tc o m p e n s a t i o n ) 。”的方法实现。 4 反馈控制系统的实现的成本和周期。 1 4 基于压电悬臂梁的s f m 反馈控制及信号处理系统设计 基于压电微悬臂梁的s f m 的反馈控制系统除了微悬臂梁及其检测装置外的其 他部分与传统的基于光学偏转法的s f m 具有相似性，但目前国际上和国内还没有 专门针对基于压电微悬臂梁s f m 的反馈控制系统，现有的基于压电微悬臂梁的s f m 的反馈控制系统都是在传统的s f m 仪器上改装而成。因此我们所要实现的系统就 是专用于基于压电微悬臂梁的s f m 的反馈控制和信号检测系统。 图卜7 基于压电微恳臂梁的s f b l 整体结构 该系统的核心是基于d s p 反馈控制部分。系统的整体结构如图卜7 所示。系 统包括三个大部分： 1 s f m 仪器部分，包括仪器的机械结构部分、压电微悬臂梁、前放电路和滤波电 路、压电扫描器和逼近机构驱动马达。 8 ! 里型兰垫查查兰堡主兰些堡兰 塑二童丝丝 2 主控机箱部分，包括i ) s p 板主控单元、反馈控制软件、数据前向通道、数据后 向通道、电源以及其他辅助部分。 3 计算机主控部分，包括计算机、数据处理软件和用户接口软件。 1 5 论文的主要研究内容 本论文主要论述基于压电微悬臂梁的s f m 的反馈控制、信号检测、驱动以及 其他相关部分，重点是在硕士研究生学习阶段所完成的系统设计、仿真、制作调 试、以及测试试验工作。本论文以后各章的安排为： 第二章压电悬臂梁微弱压电信号检测系统研制，重点讨论压电微悬臂粱微弱压 电信号检测装置和模拟带通滤波器的设计以及模拟、试验结果。 第三章基于压电悬臂梁的s f m 反馈控制系统研制，重点讨论基于压电悬臂梁 的s f m 的反馈控制系统硬件部分和软件部分的研制以及模拟、测试结果。 第四章压电薄膜介电性能测试系统研制，该系统利用数字锁相计算方法检测压 电薄膜的等效电阻和等效电容得到压电薄膜的介电性能。 第五章总结与展望。 1 6 本章小结 介绍了扫描力显微镜的出现、发展和相关应用背景。对扫描力显微镜的工作原 理、成像模式、形变检测方法进行了综述介绍。重点介绍了s f m 的反馈控制系统， 并提出反馈控制系统研制中应注意的问题。提出了所要研制的基于压电微悬臂梁 的s f m 的反馈控制系统的整体结构和组成部分。 9 中国科学技术大学硕士学位论文第二章压电悬臂粱微弱压电信号检测系! 重型型 第二章压电悬臂梁微弱压电信号检测系统研制 本章主要论述基于压电微悬臂梁的s f m 中的压电悬臂梁微弱压电信号检测装 置的研制，即图卜7 中s f m 仪器部分中的前置放大电路和滤波电路的设计、仿真 和实验。 2 1 压电悬臂梁的工作原理 如第一章所述，所要研制的系统是基于压电悬臂粱的s f m 反馈控制和信号检 测系统。该s f m 仪器的工作基础就是具有自检测和自激励功能的压电悬臂粱。因 此系统研制的第一步就是压电悬臂梁的压电信号检测装置研制。 * e 豳21 压电微悬臂梁结构不意图 如图2 一l ，压电微悬臂梁由基体、弹性悬臂、下电极、压电层、上电极和钝化 层组成，微悬臂的机械谐振频率是由其形状、尺寸、材料等决定的”1 。压电微悬臂 粱的工作原理是。“： 在压电层的上下电极之间旌加电压，由于逆压电效应，在压电层上将产生相 应的应变。由外加电场产生的悬臂在方向1 上的应变为。： s l = j 5 1 1 五+ s t ；1 2 疋+ s 6 1 3 五+ 也i 局 ( 2 1 ) 其中s j 为方向1 ( 长度方向) 上的应变，z 为方向i 上的外应力，5 6 为恒定 电场下的压电薄膜的弹性常数，d 为压电薄膜的压电系数，b 为在方向3 ( 厚度 方向) 上所加电场强度。在外应力为零的情况下，可得到： s = d 3 l e 3 ( 2 2 ) 外加电场局除了会在长度方向引起压电薄膜的应变外，在令两个方向也会引起压 电薄膜的应变，分别为：s 2 = d 3 2 岛，马= d 3 3 毛。 由式2 - - 2 可以看出，在压电层的上下电极之间施加交变电压，则压电薄膜的 应变也是交变的。在压电薄膜的交变应变的激励下，微悬臂粱会发生相应的振动。 1 0 ! 里型兰垫查叁兰墅主兰篁堡苎笙三童堡皇茎笪墨垡堑垦鱼堕量笙型墨竺翌型 同时，由于正压电效应，微悬臂梁的振动在压电层上将产生电荷的积聚，其 总电位移量为： d 3 = 。3 岛+ d 3 i 五+ 如2 乏+ d 3 3 五 ( 2 - - 3 ) 其中，d 3 1 t l ，d 3 2 疋，d 3 3 五分别为压电层在l ，2 ，3 方向上发生应变而产生的电 位移：e t 3 为压电薄膜方向3 上的在常应力下的介电常数，占7 3 最为由于激励电压 的作用在压电薄膜的等效电容上产生的电位移。在由压电层发生应变产生的压电 电荷中，由于微悬臂梁的振动( 沿方向3 ) 引起的腱电膜在方向1 的应变( 拉伸和收 缩) 而产生的电位移远大于其它电位移，因此可以忽略由其他两个方向应变产生的 电位移。则得到： d 3 = 占。3 弓+ 屯j 五 ( 2 4 ) 由e | ，为压电薄膜的弹性模量，则有t = e ，s ，可得到： d 3 = 3 岛+ 西】e p s l ( 2 5 ) 则在压电薄膜电极上聚集的电荷为。”： 0 3 ( ，) = 0 3 ( 7 0 ) 十s 。3 如1 w + 也i e p s l l w ( 2 6 ) 式中，0 3 ( 7 0 ) 为初始时刻压电薄膜上的电荷，1 、w 分别为压电膜的长和宽，s ， 为压电层在方向1 上的应变。 设c ，为压电薄膜等效电容，t 为压电薄膜的厚度，出r 3 ：如：岛旦善，式 岛l w ( 2 6 ) 可变为： q 3 ( ，) = 岛( t o ) + g + 呜l 廓s d w ( 2 - - 7 ) 式中v ：；为外加激励电压，根据式( 2 7 ) ，只要测出电量0 3 就可以得到应变量 s 。，进而得到微悬臂的振幅1 。本章所论述的内容即为电量9 3 的检测装置的研制。 2 2 压电薄膜等效电路模型 在只考虑正压电效应时，压电微悬臂粱上压电层的等效电路为电荷源与电容器 并联或电压源与电容器串联“。实际上由于该压电薄膜既作为传感器又作为驱动 器，所以等效电路中还应该加上激励信号。因此实际等效电路分别如图2 - - 2 ( a ) 1 1 主鬯型兰垫查查兰堡：! 兰垡丝皇 兰三兰堡皇量壁墨堂塑墨皇堕兰丝型至竺! ! 垦l 和2 - - 2 ( b ) 。在两图中q f 为压电效应产生的电荷，q 和r ，为压电薄膜的等效电容 和漏电阻，c 、。为电缆寄生电容，r ，和c ，为测量电路输入电阻和电容，k 为激励电 压。 压电层作为驱动元件时，需要一个激励信号作用在压电层上。因为压电层自身 存在等效电容和漏电阻，所以此激励电压除了会引起压电层变形以外，还会在压 电层的等效电容上引起电荷聚集，并且在压电薄膜的漏电阻上引起电流。当压电 层同时作为传感元件时，上述由激励信号引起的，我们检测时不需要的电荷将会 和由压电效应产生的，我们所需要检测的压电电荷叠加在一起。因此在检测压电 微悬臂梁的压电信号时必须考虑到激励信号的影响，在等效电路中加入激励信号。 激励信号对于压电微悬臂梁的压电信号的检测的影响是很严重的，因此在设计检 测方法和检测系统时要设计出合适的方法加以去除。 幽2 2 ( a ) 压电层电荷源等效电路图2 2 ( b ) 压电层电压源等效电路 2 3 前置放大电路设计 2 3 1 前置放大电路原理 为了消除式2 7 中c ，k 的影响，我们除了在压电微悬臂梁上做有一块压电 膜：主压电膜( m a i np a t t e r n ) 外还在基板上做有另一块不能随微悬臂梁振动的参 考压电膜( r e f e r e n c ep a t t e r n ) 。 另外我们在电路设计时采用差动放大形式，将 两块压电薄膜上的压电信号相减，这样可以抵消由于激励信号带来额外的电荷以 及其他共模干扰信号。常用的压电信号检测前置放大电路有电压放大和电荷放大 两种”，对本系统我们设计了差动电荷放大和差动电流放大两种放大电路。 中国科学投术大学硕士学位论文第二章压电悬臂梁微弱压电信号检测系统研制 图2 3 蠹动电荷放大电路 图2 - - 3 所示为差动电荷放大电路与微悬臂梁的连接图，图中忽略了导线寄生 电容以及输入电阻、电容。，、c 。分别是主压电膜和参考压电膜的等效电容， r n ，和r p r 分别是主压电膜和参考压电膜的漏电阻，巧是激励信号，q 。为主压电膜 产生的压电电荷，q ，为参考压电膜产生的压电电荷。为表述方便，设r = 丘r ：3 ， r w 2 b 髟。，调节参数使i 蒜= 瓦丢，输出电压为： 忙【箸等一警彘制 ：一f 笠勘丛一堡兰鱼! 墨堡兰l ! 丛竺监1 、 c ，、r 3 c ，2r 船+ r 4r 4r , 4 r 33 ：一f 盆匕血丛一垒兰垒堑叠 lq 一 恐 c ，z月。粕j e ( 级+ k - q , - v f p , ) 嘶r ：4 。j 即泡+ 一绋一k ) 高 ( 2 8 ) 其中，_ c m 和k c 。即为式( 2 ) 中的c p 巧，理想情况下有c 。= c p r ，得到： 地一鲰) 参 ( z - 9 ) g 一编即为由于悬臂梁的振动产生的电荷量。 c , o n c p ，时，调节各电阻值使 e ( c 。，一u p 最小，使两路最大限度平衡。o n ) 旦塑兰垫查查兰塑主兰堡笙塞兰三皇昼皇墨堕墨丝! ! 堡皇笪兰竺型墨竺型! l q ，为主压电膜产生的压电电荷，。：堕刍是其压电电流( 由于参考压电膜固定不 d f 砭，：u + 一i i j r ，：u + 一( 卑+ ，。) r ，( 2 - 1 0 a ) k “赢 u + ：i 峨( 2 - l o b ) 月，+ r n 瓦1 肾k 竺鉴1 李掣以。叫， l + 志x ，志 在理想情况下c p 卅= c p r ，r m = r p r , r ，= r l ，得： = 一= 一警r ，( 2 1 挈 主旦型兰丝查盔兰堡主兰垡笙壅 塑三! 墨皇量壁墨壁! 竖生堕三丝婴重羔! ! ! 苎l 改为可调电阻，在非谐振点处调节足i 使r 。r p l ij 巩1 - 。) - r s ( r p r 瓦丢) 最小， 使两路处于最佳平衡状态。 2 3 2 前置放大电路设计及仿真 待测的压电薄膜压电信号为在i o o k h z - - 2 0 0 k h z 之间，幅度为l o “2 库仑量级的 正弦信号。待测信号经过前置放大电路放大后需要达到l o o m v 量级。前置放大电 路采用三级结构( 图2 5 ，第一级为由两个o p a l 2 9 超低偏置电流运算放大器构成 的两个电荷放大器；第二级为由0 p a 6 3 7 精密高速运算放大器构成的减法器；第三 级为由0 p a 6 3 7 精密高速运算放大器构成的同相放大器。 第一级与第二级共同构成了图3 3 中所示的差动电荷放大器。r f 4 取2 0 k ，r 3 取1 k ，c f l 取5 0 p ，则根据式3 - 9 ，= 4 x ( q 一9 册) 1 0 v 。第三级为同相放大 器，其输出为：k ( 1 9 k 再+ - i k 一) ：8 ( q ，一线) 1 0 1 2 矿。 采用o p a l 2 9 作为第一级的电荷放大器是因为o p a l 2 9 具有极低的输入偏置电 流( 最大为2 5 0 f a ) ，因为我们所要检测信号的电流也非常小( 为n a 级) ，所以 o p a l 2 9 具有的极低的输入偏置电流对于压电微悬臂粱的信号检测非常适用。另外 o p a l 2 9 的输入阻抗为1 0 。q ，与压电薄膜的高输出电阻很好的相匹配。o p a l 2 9 的 缺点是带宽不够大，响应时阳仕e 较慢。 采用0 p a 6 3 7 作为第二和第三级的运算放大元件是因为其具有很小的输入失调 电压( 最大为2 5 0i xv ) ，第二级和第三级运算放大是进行电压放大，因此需要具有 低输入失调电压的运算放大器。另外0 p a 6 3 7 具有很大的增益带宽比，适于高频、 大放大倍数的应用。 用p s p i c e 对前置放大电路进行仿真，以一端连接电压源的电容作为电荷源， 两路输入的电压源皆为i o o k h z ，1 0 0 uv ，两路电容分别为2 n f 和l n f ，其差相当于 由微悬臂粱振动产生的电荷。则q 一级= 珥( c l c 2 ) = l 1 0 3 库仑，则最终输出 应为8 0 0 m y 。图2 6 为p s p i c e 的仿真结果，与理论计算相符。图2 7 为用p s p i c e 对前置放大电路进行频率特性仿真的结果，结果表明，系统的上限截止频率约在 6 0 0 k h z ，i o o k h z 到2 0 0 k h z 频率段处于系统的上限截止频率以内，输出基本保持线 性。 ! 里型兰垫查查兰堡主兰些至壅 苎三兰堡皇墨壁墨堂塑垦皇堕兰丝型墨塑i ! ! ! | ! l 圈2 - 5 前置放大电路 i _ _ 他r j f ，一f一40 ， 一一0 、一掂一 一 扯一f 娃 l - 一一 1 l 一 ， t 一 。f 卅 一 ；三j _ u i f - 卜 r _ i l ：二 弭： 二：