（模式识别与智能系统专业论文）afm压电驱动器建模与控制研究.pdf

原创 本人郑重声明：所呈交的 独立进行研究所取得的成果。 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：达塑 e t 期：2 q l q ：基盟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 逸整导师签名：呈丕堡连日 期：迎也立丝 目录 目录 摘要i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 研究背景2 1 3 研究现状3 1 4 论文结构5 第二章原子力显微镜与压电陶瓷驱动器7 2 1 原子力显微镜的工作原理7 2 2 原子力显微镜的硬件架构9 2 2 1 力检测部分9 2 2 2 位置检测部分9 2 2 3 反馈系统一9 2 3 原子力显微镜的操作模式1 0 2 3 ：1 接触模式l l 2 3 2 非接触模式1 2 2 3 3 轻敲模式1 2 2 4 压电陶瓷驱动器性能分析1 2 2 4 1 压电效应与逆压电效应1 3 2 4 2 压电陶瓷驱动器特性分析1 4 2 5 本章小结17 第三章改进的p i 迟滞非线性建模1 9 3 1 迟滞特性介绍1 9 3 2p i 模型和迟滞非线性特性补偿2 0 3 2 1p i 迟滞非线性建模2 1 3 2 2p i 迟滞模型逆模型求解2 2 3 2 3p i 建模法的特点和局限性2 4 山东大学学位论文 3 3 无记忆非线性特性补偿2 5 3 3 1 无记忆非线性特性建模2 6 3 3 2 无记忆非线性特性的逆模型求解一2 7 3 4 改进的p i 模型与补偿器设计2 9 3 4 1 建模与补偿器设计2 9 3 4 2 模型辨识2 9 3 5 建模仿真研究一3 0 3 6 本章小结3 3 第四章振动特性补偿3 5 4 1 振动特性介绍3 5 4 2 控制器设计思想3 6 4 3 动态模型辨识3 7 4 4 抑制谐振模态点的控制器设计4 0 4 4 1 基于多项式的控制器设计4 0 4 4 2 正位置反馈控制器4 2 4 4 3 谐振控制器4 4 4 5 实验结果分析4 7 4 6 本章小结4 8 第五章高速微定位系统控制4 9 5 1 理论基础4 9 5 2 仿真实验结果5 0 5 3 传感器噪声影响5 3 5 4 实验设备介绍5 4 5 4 1 微位移平台5 4 5 4 2 压电陶瓷控制器5 5 5 5 本章小结5 5 第六章总结与展望5 7 参考文献5 9 目录 量量曼量舅舅舅量量曼曼曼曼量暑舅舅舅曼量鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼量罾量曼量曼鼍量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i 曼量曼曼曼曼曼舅舅皇曼曼皇量量曼量曼鲁皇曼 致谢6 5 硕士研究生期间发表( 录用) 论文与参与项目6 7 c o n t e n t s 曼皇量曼曼曼鼍量量曼曼量曼曼曼曼曼皇曼量曼量曼量曼量邑舅鼍舅曼皇曼鲁曼量量曼曼鼍曼曼皇曼量皇量皇曼皇曼皇曼皇曼皇喜量鲁量皇曼量曼曼曼皇曼皇皇量鼍量 c o n t e n t s a b s t r a c t i l l c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 ：! m o t i v a t i o no f t h er e s e a r c h 2 1 3d e v e l o p m e n to f t h et o p i c 3 1 4t h e s i so u t l i n e 5 c h a p t e r2a t o m i cf o r c em i c r o s c o p ea n dp i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r s 7 2 1p r i n c i p l eo f a f m 7 ：2 2s t r u c t u r eo f a f m 9 2 2 1f o r c es e n s i n gp a r t 9 2 2 2p o s i t i o ns e n s i n gp a r t 9 2 2 3f e e d b a c ks y s t e m 9 2 3o p e r a t i o nm o d e so f a f m 1 0 2 3 1c o n t a c tm o d e 1 1 2 3 2n o n c o n t a c tm o d e 1 2 ：! 3 3t a p p i n gm o d e 1 2 2 4p r o p e r t ya n a l y s i so fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s 1 2 2 4 1p 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 t 1 3 2 4 2c h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s 1 4 ：! 5 s u m m a r y 1 7 c h a p t e r3m o d i f i e dp im o d e l i n go fh y s t e r e s i s n o n l i n e a r i t y 1 9 3 1i n t r o d u c t i o n 1 9 3 2p im o d e l i n ga n dh y s t e r e s i sc o m p e n s a t i o n 2 0 3 2 1m o d e l i n go fh y s t e r e s i sn o n l i n e a r i t y 21 v 山东大学学位论文 ：；2 2c o m p e n s a t i o no fh y s t e r e s i sn o n l i n e a r i t y 2 2 3 2 3p r o p e r t i e sa n dl i m i t a t i o no fp ia p p r o a c h 2 4 3 3m o d e l i n ga n dc o m p e n s a t i o no fm e m o r y f r e en o n l i n e a r i t y 2 5 3 3 1m o d e l i n go fm e m o r y f r e en o n l i n e a r i t y 2 6 3 3 2c o m p e n s a t i o no fm e m o r y f r e en o n l i n e a r i t y 2 7 3 4m o d i f i e dp im o d e l i n ga n dc o m p e n s a t o rd e s i g n 2 9 ：；4 1 m o d e l i n ga n dc o m p e n s a t i o n 2 9 3 4 2i d e n t i f i c a t i o n 2 9 ：；5s i m u l a t i o nr e s u l t s ：；( ) 3 6s u m m a r y 3 3 c h a p t e r4c o m p e n s a t i o n0 fv i b r a t l 0 n 3 5 4 1i n t r o d u c t i o n 3 5 4 2c o n t r o l l e rd e s i g ns c h e m e 3 6 4 3i d e n t i f i c a t i o no fd y n a m i cm o d e l 3 7 4 4d e s i g no fr e s o n a n td a m p i n gc o n t r o l l e r 4 0 4 4 1p o l y n o m i a l - b a s e dc o n t r o l l e r 4 0 4 4 2p o s i t i v ep o s i t i o nf e e d b a c kc o n t r o l l e r 4 2 4 4 3r e s o n a n tc o n t r o l l e r 4 4 4 5s i m u l a t i o nr e s u l t s 4 7 4 6s u m m a r y 4 8 c h a p t e r5c o n t r o l0 fh i g h s p e e dm i c r o p o s i t i o n i n g s y s t e m 4 9 1 i 1t h e o r i t i cb a s i s 4 9 1 ；2s i m u l a t i o nr e s u l t s 5 0 5 3e f f e c to fs e n s i n gn o i s e 5 3 1 ；4e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 5 4 1 ；4 1m i c r o - p o s i t i o ns y s t e m 。5 4 5 4 2d r i v ec o n t r o l l e r 5 5 s u m m a r y 5 5 c o n t e n t s c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n dc o m m e n t s 5 7 r e f e r e n c e s ! ；9 a c k n o w l e d g e m e n t 6 5 p u b l i c a t i o n sa n dr e s e a r c hp r o j e c t s 6 7 摘要 摘要 在人类探究微观世界的过程中，微定位技术逐步发展起来。原子力显 微镜作为一种微显微成像与微纳米操控的设备，其原子级的分辨率使得纳 米科技获得了蓬勃发展。目前的商用原子力显微镜多采用压电陶瓷驱动器 作为三自由度微定位器。但压电材料固有的迟滞非线性特性及振动特性等， 限制了原子力显微镜的成像速率，使其不能满足对动态样本实时观察、操 作的要求，原子力显微镜的适用性受到了极大的限制。因此本文将从系统 和控制的角度出发，在不降低原子力显微镜成像精度的前提下，实现压电 陶瓷驱动器的快速扫描控制，提高原子力显微镜的成像速率。 本文以山东省科技攻关项目“微系统可靠智能原子成像及操控关键技 术 为背景，主要工作如下： i 压电陶瓷驱动器性能分析 分析压电陶瓷材料的伸缩机理，介绍了压电效应与逆压电效应；探讨 了压电陶瓷堆栈式驱动器作为微定位驱动器时，影响纳米定位精度的因素， 如蠕变特性、迟滞特性、振动特性等。 i i 迟滞非线性特性补偿 针对压电陶瓷驱动器在大范围扫描下影响明显的迟滞特性，指出了经 典p i 迟滞模型的不足之处，并利用改进的p i 模型，设计前馈控制器来补 偿迟滞非线性特性。 i i i 振动特性补偿 建立了微位移平台线性振动模型，并分别设计了基于多项式的极点配 置控制器，正位置反馈控制器，谐振控制器对系统第一谐振模态点进行抑 制，从而达到削弱振动特性影响的目的。 i v 高速微定位系统控制 根据压电陶瓷驱动器的机理构造，将基于改进p i 模型的迟滞补偿器与 抑制系统谐振模态的振动控制器相结合，对压电陶瓷驱动器进行综合控制， 实现压电陶瓷扫描器的大范围快速扫描。并进行了仿真实验验证，对三种 不同控制策略进行性能分析比较，并取得了良好的效果。 最后，对本文所做的工作以及获得的成果经验进行了简单总结，并且 【j 东大学学位论文 分析了本文的不足之处以及有待进一步解决的问题。 n 关键词微定位系统；压电陶瓷驱动器；迟滞特性；振动特性 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hh u m a nb e i n g se x p l o r i n gt h em i c r ow o r l d ，m i c r o n a n o p o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yi nt h ep a s ty e a r s a sas y s t e mw i t ht h e a b i l i t yo f a t o m i cr e s o l u t i o n ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) i sw i d e l yu s e di n m i c r o - p o s i t i o n i n ga n dm a n i p u l a t i n g a tp r e s e n t ，m a n yc o m m e r c i a la f m su s e p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca st h e i r3 - d e g r e eo ff r e e d o mm i c r o p o s i t i o n i n ga c t u a t o r s h o w e v e r ，t h ei n h e r e n tp r o p e r t i e so fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，s u c ha sh y s t e r e s i s n o n l i n e a r i t ya n dv i b r a t i o n ，l i m i tt h es c a n n i n gs p e e do fa f m a sar e s u l to ft h a t ， a f mc o u l dn o ts a t i s f yt h er e q u e s to fr e a l t i m eo b s e r v i n go rm a n i p u l a t i o no f d y n a m i cs a m p l e s ，a n di sr e s t r i c t e di nr e a l t i m ea p p l i c a t i o n f o rt h e s er e a s o n s ， t h ist h e s i sa i m sa ts p e e d i n gt h es c a n n i n gw i t h o u tl o w e r i n gt h ea c c u r a c yo f a f m i m a g i n gf r o mt h ev i e wo fs y s t e ma n dc o n t r o lp o i n t t h ew o r ki sb a s e do nt h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o je c to f s h a n d o n gp r o v i n c e ：k e yt e c h n o l o g yo fr e l i a b l ei n t e l l i g e n ta t o m i ci m a g i n g a n d m a n i p u l a t i n gf o rm i c r o - s y s t e m ”t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： i p r o p e r t ya n a l y s i so fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s e x p a n s i o nm e c h a n i s mi sa n a l y z e d b a s e do nt h e s t u d yo fp 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 t ，s e v e r a li n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i cs t a c ka c t u a t o r s ，s u c ha s c r e e p ，h y s t e r e s i s ， v i b r a t i o n ，a r ed e s c r i b e d ，m a i n l yw i t hr e s p e c tt ot h e i rr e s t r i c t i o n st oa c c u r a t e m i c r o p o s i t i o n i n g i i c o m p e n s a t i o no fh y s t e r e s i sn o n l i n e a r i t y t oi n v e s t i g a t et h ec o m p e n s a t i o no fh y s t e r e s i s ，t h ec l a s s i c a lp im o d e l i n g a p p r o a c hi sc o n s i d e r e da n ds e v e r a ld r a w b a c k so ft h i sm o d e la r ef i g u r e do u t f u r t h e r m o r e ，am o d i f i e dp im o d e li se s t a b l i s h e d a n dt h e n ，af e e d f o r w a r d c o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do nt h em o d i f i e dp im o d e li sd e s i g n e da n di su s e df o r t h ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y 1 l i c o m p e n s a t i o no fv i b r a t i o n as e c o n d - o r d e rl i n e a rd y n a m i cm o d e lo f m i c r o p o s i t i o n i n gs y s t e mi sb u i l t i i i 山东大学学位论文 a n dt h r e ek i n d so fd a m p i n gc o n t r o l l e r s ，s u c ha s p o l y n o m i a l b a s e dp o l e p l a c e m e n tc o n t r o l l e r , p o s i t i v ep o s i t i o nf e e d b a c kc o n t r o l l e r ，a r ed e s i g n e dt o d a m pt h ef i r s tr e s o n a n tm o d eo fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r , a i m i n ga ta t t e n u a t i n g t h ee f f e c to fv i b r a t i o n i v c o n t r o lo fh i g h s p e e dm i c r o p o s i t i o n i n gs y s t e m t h eh y s t e r e s i sc o m p e n s a t o ra n dd a m p i n gc o n t r o l l e ra r ec o m b i n e df o rt h e i n t e g r a t e dc o n t r o lo ft h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r b a s e do nt h ei n t e g r a t ec o n t r o l s t r a t e g y , h i g h - s p e e da n dl a r g e r a n g es c a n n i n gc o n t r o lo fm i c r o - p o s i t i o n i n g s y s t e mi sa c h i e v e d ，a n dt h ec o n c l u s i o nc o u l db ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n r e s u l t s a tt h el a s tp a r to ft h et h e s i s ，t h em a i nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da n d s u g g e s t i o n so ft h ef u t u r er e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l da r eg i v e n k e yw o r d s ：m i c r o - p o s i t i o n i n gs y s t e m ；p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ；h y s t e r e s i s ； v i b r a t i o n i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 9 8 2 年，i b m 公司苏黎世实验室的g b i n n i n g 和h r o h r e r 共同发明 了扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p y ，s t m ) ，标志着人类在探 究原子尺度的领域内，向前跨出了一大步，对于材料表面现象的研究也更 加深入。在这之前，能直接看到原子结构的仪器只有场离子显微镜( f i e l d i o nm i c r o s c o p y , f i m ) 与电子显微镜( e l e c t r o nm i c r o s c o p y , e m ) 。但碍于 试片的制作及操作环境的限制，这些仪器对于原子结构的研究能力极为有 限。s t m 的发明克服了这些问题，使得人类进入了直接观察原子、操纵 原子的新时代。不过由于s t m 是利用量子理论中的隧道效应来探测物质 表面结构的，它所能分析的材料只局限于导体或半导体。1 9 8 6 年i b m 公 司的g b i n n i n g 与史丹佛大学的c f q u a t e 等人在s t m 的基础上开发研 制了原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , a f m ) ，利用探针针尖和被 测试样本表面原子间范德华作用力的强弱，来描绘样本表面的起伏高低和 几何形状。a f m 的样本可为导体或非导体，解决了s t m 在材料上的限制。 与现有的其它显微工具相比较，a f m 具有以下独特的优点：( 1 ) 高的 空间分辨率：光学显微镜的放大倍数一般都不超过1 0 3 倍，电子显微镜的 放大极限为1 0 6 倍，而a f m 的放大倍数高达1 0 1 0 倍，水平和竖直方向分 辨率可分别达到0 1 n m 和0 0 1 n m ，直接分辨单个原子。( 2 ) 广泛的试验对 象：a f m 可对导体、半导体和绝缘体进行研究，能够对物理材料、化学材 料、生物样品进行测量，亦可对表面软硬不同或不同状态的物质进行测量。 ( 3 ) 简单易行的制样方法：样本不须进行复杂的特殊处理，只需稍加固定 处理即可进行观测。( 4 ) 多样性的实验环境：其量测过程可在大气条件或 溶液中进行，消除了真空测量的局限性，使得生物样本可以在其最适合的 生理环境中被观察及量测，为生命科学的研究提供了极大的便利【l 】。 l j l 东大学学位论文 1 2 研究背景 s t m 和a f m 的原子级分辨率，使得纳米科技蓬勃发展。然而由于s t m 和a f m 成像速率慢，不能满足对动态样本实时观察、操作的要求，使得 它们的适用性受到了极大的限制 2 】【3 】。i e e e 于2 0 0 7 年9 月在其t r a n s a c t i o n o nc o n t r o l s y s t e m st e c h n o l o g y 上发表s p e c i a li s s u eo nd y n a m i c sa n d c o n t r o lo fm i c r o a n dn a n o s c a l es y s t e m s 的专题，把提高s t m 和a f m 系 统的成像速率作为一个重要问题提出【4 1 。 图1 1 为a f m 结构图，x y 平面运动的压电陶瓷扫描器( 光栅扫描) 、 z 轴向运动的压电陶瓷定位器和带探针的微悬臂梁( 对弱力非常敏感) 为 a f m 的核心部件。 图1 1a f m 控制系统结构图 在样品表面形貌的成像过程中，x y 平面压电陶瓷扫描器载着样本做 光栅运动，a f m 微悬臂梁上的针尖以光栅形式扫描整个样品表面。样品表 面形貌的变化会引起样品与针尖之间距离的变化，由于原子力作用，引起 两者间力的变化，导致微悬臂梁的弯曲，通过激光的反射测定悬臂梁的弯 曲量。a f m 通过控制z 轴向压电陶瓷定位器产生微位移来保持微悬臂梁弯 曲量的恒定，以达到控制针尖和样品表面之间距离的恒定( 接触模式中的 恒力模式) ，并通过收集扫描过程中的信号，经计算机图像处理得到样品表 面的三维形貌图。 受到压电陶瓷蠕变特性和迟滞非线性特性的影响，尤其迟滞非线性导致的 扫描误差可达到最大扫描范围的1 5 【7 1 ，此时压电扫描器的振动特性对于 成像准确性影响不大，一般不予考虑。但在高频扫描时，x y 平面扫描器 和z 轴向定位器振动特性引起的扫描、定位误差影响成像的准确性，导致 图像失真，甚至可能损坏探针和样品，不能再被忽视。另外，高频扫描在 反馈系统引入的传感器噪声给精确扫描和定位带来更大的困难【8 】。振动特 性和传感器噪声成为提高压电扫描器扫描频率的瓶颈，限制了a f m 成像 速率的提高。 目前商用a f m 为了避免压电扫描器振动特性引起的图像失真，水平 方向扫描频率通常限制在5 h z 以下【2 】，这样，每帧图像的成像时间用分钟 来计量，使得显微成像的实时性很差。较慢的扫描成像速率严重限制了 a f m 对动态样本的实时观察，尤其表现在对生物样本生命活动过程( 如人 体细胞的跃迁) 和化学反应过程进行显微成像上【2 】【3 1 ，低的成像速率不能 提供转瞬即逝的动态信息，致使无法完全了解快速变化的微纳观世界，更 不能及时对动态样本进行微纳米操控。因此，在保证原有a f m 系统成像 准确性和成像范围的情况下，有效提高成像速率是一个迫切需要解决的重 要问题。 1 3 研究现状 2 0 0 3 年和2 0 0 4 年，美国国家科学基金( n s f ) 召开了两次w o r k s h o p ， 主题分别为f u t u r ed i r e c t i o n si nn a n o s c a l es y s t e m s ，d y n a m i c sa n dc o n t r o l 9 】 和c o n t r o la n ds y s t e mi n t e g r a t i o no fm i c r o a n dn a n o s c a l es y s t e m s 1 们。这两 次研讨会引起了广大系统和控制领域专家对微纳观系统的极大兴趣，许多 学者开始尝试用系统和控制的观点来解决微纳观系统中存在的问题，并取 山东大学学何论文 得了一些成果，表现出了良好的发展潜力，推动了纳米科技的发展。2 0 0 9 年1 2 月苏黎世i b m 研究中心组织w o r k s h o po nd y n a m i c sa n dc o n t r o lo f m i c r oa n dn a n o s c a l es y s t e m s 1 1 】，很多学者就a f m 快速成像问题展开讨论。 美国d e l f t 大学的g e o r gs c h i t t e r 从机械设计角度入手，用柔性铰链连接三 个独立的压电陶瓷堆叠，设计出了最低谐振频率在2 2 k h z 的三维压电驱动 微纳米定位系统，实现了快速成像的a f m 系统【1 2 】，但是从机械设计方案 可以看出，其高的带宽是以牺牲压电驱动器的扫描范围为代价的。澳大利 亚n e w c a s t l e 大学的s o r m o h e i m a n i 设计了基于压电陶瓷管的电荷驱动 电源【l3 1 ，避开了迟滞效应的影响，通过积分谐振控制方案有效抑制了振动 【l4 1 ，然而电荷源的设计复杂性和压电陶瓷材料的高阻抗性阻碍了此方案的 推广应用。美国b o s t o n 大学s e a n a n d e r s s o n 认为传统的光栅扫描常常带有 大量空白信息，因此他提出一种非光栅扫描方式，能够对样本感兴趣部分 进行局部扫描，提高了原子力显微镜的扫描效率，但同时也增加了图像处 理过程中计算的难度【”】。 自从1 9 8 9 年白春礼院士等人成功研制出我国第一台原子力显微镜以 来，国内很多学者在a f m 成像准确性方面做出了成绩。中国科学院沈阳 自动化研究所董再励教授等从探针建模实现a f m 扫描图像重构入手，提 出基于探针模型预估计的a f m 扫描图像重构方法，有效降低了a f m 图像 重构时引入的误差【l6 1 。天津大学胡小唐教授等提出了a f m 系统x 轴向自 适应变速扫描方式，这种扫描方式根据样品表面结构的实时状况采用不同 的扫描速度，降低了对z 轴向位移频率响应的要求【1 7 】。哈尔滨工业大学赵 学增教授等针对a f m 压电工作台存在的迟滞现象建立了一种描述迟滞特 性的迟滞数学模型，它能够模拟任一迟滞曲线【l 引。浙江大学章海军教授等 针对a f m 压电工作台横向与纵向存在交叉耦合误差的问题，优化了基于 平板扫描器的原子力显微镜，实现了x y 平面扫描和z 向反馈的分离，消 除了耦合误差【1 9 】。还有很多科研单位在a f m 系统设计上做出了贡献，如 吉林大学、大连理工大学、西北工业大学和重庆大学等【2 0 】- 【2 3 1 。 从目前研究现状看来，实现a f m 快速准确成像主要有两条途径，一 是从机械设计的角度解决a f m 系统快速成像中存在的问题，二是从系统 和控制的角度，建立系统模型和设计优良的控制方案，来解决a f m 快速 4 第一章绪论 扫描带来的诸多不利影响。本文将从系统和控制的角度出发，实现a f m 快速扫描的高性能控制。 1 4 论文结构 本论文共分为六章，简述如下： 第一章绪论：首先介绍了微纳观世界精确显微成像中广泛应用的原子 力显微镜，指出了限制原子力显微镜成像精度与扫描速率的主要因素；然 后介绍了国内外专家在原子力显微镜操作控制及压电驱动器控制研究中所 取得的成果；最后给出了本文的结构安排。 第二章原子力显微镜与压电陶瓷驱动器：首先讨论了原子力显微镜的 工作原理，详细分析了原子力显微镜的硬件架构，并对不同操作模式进行 了分析比较；然后对原子力显微镜核心部件的压电陶瓷驱动器进行了深入 研究，分析了影响压电陶瓷驱动器纳米级定位精度的主要因素，如蠕变特 性、迟滞特性，振动特性及温漂特性等。 第三章改进的p i 迟滞非线性建模：分析经典p i 迟滞模型的局限性， 建立改进的p i 迟滞模型，利用前馈逆控制思想设计迟滞特性补偿器，并针 对实验室的压电微位移平台在水平方向进行了建模，验证了前馈控制的有 效性。 第四章振动特性补偿：建立系统线性动态模型，分别设计基于多项式 的能够进行极点配置的谐振模态抑制控制器，正位置反馈控制器及谐振控 制器来抑制系统的谐振模态点，并通过阶跃响应实验研究，对三种控制策 略进行性能比较。 第五章高速微定位系统控制研究：结合迟滞补偿策略与振动控制设计， 对实验室的压电微位移平台进行综合控制，比较前面章节中所提出的建模 方法与控制策略的性能，验证提出的控制策略能否实现微定位平台的大范 围高速度扫描控制。 第六章总结与展望：对论文的主要工作进行总结，并提出更多有待深 入研究和解决的问题，指出了进一步的研究方向。 5 山东大学学位论文 6 第二章原子力显微镜与压电陶瓷驱动器 第二章原子力显微镜与压电陶瓷驱动器 2 1 原子力显微镜的工作原理 a f m 是在s t m 的基础上发展出来的。早期的a f m ( 以b i n i n g 等人 发明的第一台a f m 为例) ，在今天看来，由于同时包括了a f m 和s t m 两 个系统，因此存在以下一些不足：( 1 ) 需要两套反馈控制系统，并且两套 反馈系统之间需要联合使用，导致压电扫描滞后现象明显，扫描速度很慢； ( 2 ) 需要两套扫描驱动装置分别控制a f m 针尖和s t m 针尖的扫描，因 而导致设备相对较大也比较笨重；( 3 ) a f m 探针微悬臂梁的背面需要沉积 一层光滑的导电膜；( 4 ) a m f 微悬臂梁背部或s t m 针尖的污染将严重影 响成像精度【2 4 】。 图2 - 1a f m 的原始结构图 1 9 8 8 年，m e y e r 和a m e r 等人用激光反射法( l a s e rb e a mr e f l e c t i o n ) 代 替原先的s t m 针尖检测法【25 1 ，该方法与s t m 针尖检测法相比，不但设计 简单，而且激光与微悬臂梁背面之间的距离并不影响信噪比( 这对以前的 s t m 针尖检测法是影响很大的) 。因此m e y e r 和a m e r 的激光反射检测法 7 l j i 东大学学位论文 几乎成为现在所有a f m 的标准检