（测试计量技术及仪器专业论文）适于纳米定位的反馈控制技术的研究.pdf

摘要 随着纳米技术新时代的到来，微小位移量及微小物体几何形状测量已经进 入了纳米、埃米量级，同时，现代精密加工技术的发展要求位移测量技术能在 比较宽的量程上有极高的分辨率和很高的精度，研发新的纳米级定位及控制技 术已成为众多尖端科技的迫切要求。 为解决实验室中常用的s p m 仪器易受环境中的干扰，进行了高精度纳米定 位技术的研究。特别针对s t m 系统在扫描隧道状态下的纳米级测量及反馈控制 的特性进行详细的分析，设计信号采集和控制硬件电路，选择合适的反馈控制方 法，以减小干扰对定位稳定性的影响，提高定位精度。 本论文主要阐述了以下几方面的内容： 1 深入了解纳米定位技术的内容和发展情况，并以隧道效应的反馈控制技 术为典型应用，研究有效的纳米级定位控制技术。 2 设计了反馈控制系统的实验装置模型，并通过实时的反馈作用保证在隧 道状态下精确定位，使整个系统工作时具有较高的稳定性。 3 针对于纳米级高精度定位要求，设计了以d s p 为核心的信号采集和控制 硬件电路。电路板以t i 公司的浮点型d s p 为核心处理单元，通过c p l d 完成逻 辑运算，控制l8 位的a d ，2 0 位d a ，外部存储器等部件协调工作。 4 对于压电式微位移台的控制算法进行研究，讨论了传统的数字p i d 算法， 智能控制中模糊控制算法的各自特点，并通过m a t l a b 仿真进行了参数的分析。 5 利用积分分离式p 1 控制算法进行了纳米定位的反馈控制实验，结果表明 装置可以达到纳米级的位移分辨率，并且对干扰下的测量结果进行实时补偿，提 高了工作于隧道状态的稳定性。此外，分析了该实验系统中干扰的来源，提出后 续需要改进和解决的方面，为纳米定位研究奠定基础。 关键词：纳米定位反馈控制技术隧道效应信号采集控制电路积 分分离p i 控制算法 a b s t r a c t w i t ht h ea r r i v a lo fan e we r ao ft h en a n o t e c h n o l o g y ，t i n yd i s p l a c e m e n ta n d l i t t l eg e o m e t r ym e a s u r e m e n th a v ee n t e r e dt h es c a l eo fn a n o m e t e r , e v e na n g s t r o m o r d e r a tt h es a m et i m e ，d e v e l o p m e n to fm o d e r np r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n o l o g y r e q u e s tf o rt h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t c a nr e a c hh i g h r e s o l u t i o na n dp r e c i s i o no n t h ew i d er a n g e s or e s e a r c ho nn e wn a n o p o s i t i o n i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yh a s b e c o m ea nu r g e n tr e q u i r e m e n tf o rm a n ya d v a n c e dt e c h n o l o g y i nt h el a be n v i r o n m e n t ，d i s t u r b a n c e so r i g i n a t i n gf r o ms o u n dw a v e s ，v i b r a t i o n s ， t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n s ， a n do t h e rf a c t o r sa f f e c tt h es p mo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y t o s o l v et h ep r o b l e mo ft h es p me q u i p m e n t sv u l n e r a b l et o t h e s ei n t e r f e r e n c e ， h i g h p r e c i s i o np o s i t i o n i n gn a n o t e c h n o i o g y i ss t u d i e d ad e t a i l e da n a l y s i so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn a n o m e a s u r e m e n ta n df e e d b a c k c o n t r o lu n d e rt h es c a n n i n g t u n n e l i n gs t a t eo fs t ms y s t e mi sm a d e ， c i r c u i ta n dt h es u i t a b l ef e e d b a c kc o n t r o l i m p r o v en a n o p o s i t i o n i n ga c c u r a c y t h em a i nr e s e a r c ht o p i c si n c l u d e ： s i g n a la c q u i s i t i o na n dc o n t r o lh a r d w a r e m e t h o d sa r ed e s i g n e d a n dt h eg o a li st o 1 g e tt h ed e e pu n d e r s t a n do nt h ec o n t e n ta n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n o f n a n o p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y t a k i n gt h e f e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d sb a s e do nt h e t u n n e l i n ge f f e c ta st h et y p i c a la p p l i c a t i o n ，t h ee f f e c t i v en a n o p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y i ss t u d i e d 2 d e s i g nt h ef e e d b a c kc o n t r o le x p e r i m e n t a ld e v i c em o d e l ，w h i c he n s u r e dt h e s t a b i l i t yo f t h en a n o - p o s i t i o n i n gu n d e rt h et u n n e l i n gs t a t ew i t ho n - l i n ec o n t r 0 1 3 f o rt h en a n o p r e c i s i o np o s i t i o n i n gr e q u i r e m e n t s ，t h es i g n a la c q u i s i t i o na n d c o n t r o lh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nt h ed s pa r ed e s i g n e d t i sf l o a t i n g p o i n td s p w o r k a st h ec e n t e rp r o c e s s i n gu n i t ，t h r o u g hac p l dl o g i cc o n t r o lc o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o l t h e18a d ， 2 0d a ，e x t e r n a lm e m o r yc o m p o n e n t s ， a n dm a k et h ew h o l es y s t e m w o r k i n gc o m p a t i b l e 4 t h ec o n t r o la l g o r i t h mr e s e a r c ha i ma tp z tm i c r o d i s t a n c ew o r k i n gt a b l e ， c o m p a r e dt h ea d v a n t a g e so nt r a d i t i o n a ld i g i t a lp i da l g o r i t h m ，a n df u z z ) , c o n t r o l a l g o r i t h m s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ec a r r i e d o u ti n m a t l a b 5 t or e a l i z et h ef e e d b a c kc o n t r o l ，e x p e r i m e n t su s ed i g i t a li n c r e m e n t a lp i a l g o r i t h ma r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t a li n s t r u m e n tc a n r e s p o n s et ot h ed i s p l a c e m e n tl e s st h a n 1n m ，a n dr e a l - t i m ec o m p e n s a t ef o rt h e i n t e r f e r e n c ei sm a d e ，w h i c hh a sab e t t e re f f e c tt h a nt h eo p e nl o o pm e a s u r e m e n t s y s t e m t h es o u r c eo ft h es y s t e mi n t e r f e r e n c e i sa n a l y z e da n dt h ei m p r o v e da n d s e t t l i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d a l lo ft h e s el a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u t h e rs t u d yo f n a n o - p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s - n a n o p o s i t i o n i n g ， e f f e c t ，d i g i t a ls i g n a la c q u i s i t i o na n d c o n t r o la l g o r i t h m f e e d b a c kc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t u n n e l i n g c o n t r o lc i r c u i t r y ， i n t e g r a ls e p a r a t i o np i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是= 本= 人在导师指导下进行的研究t 作剃取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中彳i 包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：诒、l 忆 签字f 期： 2 d 口名年5 月二夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂口j 以将学位论文的拿部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 豫忆 导师签名： 签字日期：2 0 略年5 月2 夕日签字日期：2 c 如8 午r 月弓( 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳米定位技术的研究内容和现状 1 1 1 纳米科学技术 纳米科学技术( n a n o s t ) 是2 0 世纪8 0 年代末期刚刚诞生并正在崛起的新兴科 技，它的基本涵义是在纳米尺寸( 1 0 - 1 0 1 0 - 7 m ) 范围内认识和改造自然，通过直接 操作和安排原子、分子，创造新物质。纳米科技是2 1 世纪科技产业革命的重要 内容之一，它是高度交叉的综合性学科，涉及到物理、化学、生物学、材料科学 和电子学等多个学科的相关知识。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础 学科，同时还有以纳米工程与微机械为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也 是一个融科学前沿和高技术于一体的完整体系，正在逐渐成为本世纪的主导技术 【i 】 o 纳米技术的主要研究内容包括1 2 j ：( 1 ) 纳米级测量，其中包括纳米级精度的 尺寸和位移的测量、纳米级形貌的测量：( 2 ) 纳米级表层物理、化学、机械性能 的检测，包括纳米级表层显微力学探针技术和纳米级摩擦磨损的检测技术；( 3 ) 纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一原子和分子的搬迁和重组，包括微机械 加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、扫描隧道显微加工技术等多种方法； ( 4 ) 纳米材料，包括纳米材料的制备及应用；( 5 ) 纳米级传感器和控制技术；( 6 ) 微 型机械；( 7 ) 型和超微型机电系统和其它综合系统；( 8 ) 纳米生物学，包括分子生 物学、遗传物质d n a 的研究、脑功能的研究和仿生学的研究。纳米科技的发展 正在或即将在科学技术的各个领域带来革命性的变化。 1 1 2 纳米定位技术 目前，超精加工和超微加工在国际上己进入了纳米技术的新时代，对微小位 移量及微小物体几何形状测量已经达到了纳米、亚纳米量级，另一方面，现代精 密加工要求位移测量技术能在较宽的量程上有极高的分辨率和很高的精度，迅速 研发新的纳米级位移、定位及控制技术已成为众多尖端科技的迫切要求。 纳米级定位技术是指定位精度为几纳米，而运动范围至少为微米级的精密定 位技术，其主要作用是实现高精度、小范围的精密调整p j 。 第一章绪论 微定位技术用于实现微位移定位，具有行程小、定位精度高( 亚微米甚至纳米 级) ，易满足不同场合需要等特点。微定位系统由微定位机构( 微动工作台) 、检测 装置和控制系统三部分组成，如图1 1 。 图1 - 1 微定位系统 现有资料表明，纳米级精密定位系统微驱动器主要有微电机( 静电电机、超声 波电机、电磁型电机等) 、压电( p z t ) 驱动器、形状记忆合金( s m a ) 驱动器、电 磁铁、超磁致伸缩材料驱动器等。如日本东京大学佐藤等人研制的微装配机器人 系统，它由左腕、右腕、工作台组成。其中右腕有两个旋转自由度，左腕具有两 个旋转自由度和三个平动自由度；左右腕的旋转自由度直接由超声波电机驱动， 左腕高精度的直线运动由伺服电机驱动，可以达到1 2 n m 的精度。记忆合金驱动 结构简单，体积小，成本低，控制方便，但响应速度慢。压电陶瓷器件具有高分 辨率、高频响、不发热、体积小、重量轻等优点，是一种理想的微位移器件。因 此，高品质的压电陶瓷是实现纳米级定位的基础，以压电陶瓷为驱动元件的微驱 动系统在精密定位领域获得了广泛的应用1 4 j 。 为实现纳米级定位精度，应考虑采用成熟可靠的机械机构，简单的控制器结 构和算法，并且易于维护，经济性好。理想的纳米定位系统的设计应该考虑以下 几点【5 】： 1 ) 定位精度。上述的驱动机构都可以获得优于1 0 n m 的定位分辨率，如何 保证系统达到高速准确的定位要求，是未来研究的方向。 2 ) 合适的驱动机构。压电元件工作台具有亚微米级或纳米级的位移分辨率， 且机构最为简单，响应速度较快；此外，双重驱动机构在超精密定位中应用广泛， 但其驱动系统和控制系统较复杂。 3 ) 简单成熟的控制系统。对于驱动元件的特性，利用常用的p i d 控制技术， 智能控制方法等，实现高精度的纳米定位。 4 ) 良好的经济性、易操作性和易维护性。 纳米定位是一门综合性技术，涉及精密机械、传感技术、自动控制、精密测 量等多学科领域，成为纳米技术领域的研究热点之一。为了获得足够高的定位精 第一章绪论 度，检测方法、驱动机构和控制技术都至关重要【6 j 。 对于纳米定位具有精度极高而且易受外界干扰的特点，为实现纳米级分辨 率，一般采用位移量反馈实现闭环控制的方法。在纳米级定位中，采用高精度传 感器检测实际输出的位移，实现闭环控制，不但可以提高系统的控制精度及频率 响应，还可以增强系统的抗干扰能力。 1 1 2 1 微位移检测方法 纳米定位控制系统需要纳米级的位移检测系统来实时地反馈位置信号，其精 度最终通过位置检测系统来评定，可以说位移检测精度直接决定了位置控制精 度。常用的微小位移检测方法有以下几种： 1 ) 光学检测方法 对微小位移的测试一直是比较困难的问题。光学测量方法占有绝对的优势， 其测量范围大、精度和灵敏度高，适于多点、多物理量的测量，便于远距离遥测。 常见光学测量方法有干涉和多普勒测量两种。干涉测量的精度高，但要求激 光波长稳定、较长的相干长度，受环境条件影响大。双频激光干涉仪是一种最常 用的超精密位置测量装置，它以激光在真空中的波长作为长度基准，可以达到纳 米乃至亚纳米级的测量分辨率。 多普勒频移与被测速度矢量成线性关系、不受环境条件影响，适于研究任何 复杂的物体运动，因此是一种具有明显优势的高精度动态测量方法。激光多普勒 测量技术以其精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大及非接触测量等特点 在各种运动测量中得到了很大的发展。此外采用外差法激光多普勒技术，以锁相 环频率跟踪器处理解决多普勒信号丢失和信噪比低等问题，对调相多普勒跟踪信 号进行频率电压转换可以实时地得到被测的频率参量。采用这种方法实测到小 到9 0 n m 的超声微位移量。 此外，光栅尺测量方法通过记录静尺和动尺相互移动产生的莫尔斯干涉条纹 数来测量位移。光栅与激光干涉仪具有基本相同的测量精度，但它除了受温度的 影响外，几乎不受其他环境因素的影响，使用维护非常方便。 2 ) 电容式微位移传感器 电容式传感器的原理就是将外界位移量的变化转变为电容量的变化，然后进 行后续的电路处理。现在电容传感器采用了电容保护环技术，克服了电容边缘效 应，保证了传感器的线性精度。采用屏蔽电极和同轴电缆，降低等效杂散电容， 从而使电容传感器的性能主要取决于检测电路。非接触式电容振动传感器具有结 构简单，稳定性好，抗干扰能力强，而且测量的分辨力达到o o l n m 。 3 第一章绪论 1 1 2 2 微位移驱动机构【3 j 1 ) 摩擦驱动 摩擦驱动机构是利用摩擦力把伺服电机的回转运动转换成驱动杆的直线运 动。传统的正交摩擦驱动类似于齿轮齿条副驱动，经过空气润滑，采用模型参考 自适应控制，可以获得纳米级的定位精度但其分辨率难以提高，而且对电机的低 速性能要求很高。扭轮摩擦驱动是正交摩擦驱动和螺旋驱动相结合的产物，由一 个光杠和一个扭轮螺母组成，可以获得很小的导程，摩擦阻力小，没有爬行和反 向间隙，采用闭环反馈控制可以很好地解决大行程和高分辨率的问题。具有纳米 分辨率的扭轮摩擦驱动机构晟早由日本的m i z u m o t oh i r o s h i 教授提出，定位分 辨率可以达到1 2 n m 。 2 ) 直线电机 直线电机相当于把一台交流感应电动机沿轴线方向剖开，然后把定子和转子 展开成直线。原先的感应电动机通电以后在转子和定子之间产生的旋转磁场现在 变成了沿直线方向移动的磁场，原先推动转子旋转的电磁力现在变成了直线的作 用力。直线电机可以直接提供直线运动，无需中间转换环节，从而减少了因传动 链而引入的误差。适合于高速和高精度运动场合。目前商业化的直线电机的标称 分辨率一般小于1 0 n m 。 3 ) 滚珠丝杠 “旋转电机+ 滚珠丝杠”是传统的精密驱动方式，经过预紧可以消除轴向移动 产生的间隙，性价比高，动静刚度高，传动精度好，控制技术成熟。然而，摩擦 和弹性变形等因素极大的影响着系统在微米和亚微米尺寸的响应，使其呈现出与 宏观动力学特性完全不同的特性，影响着定位精度的提高。哈尔滨工业大学精密 工程研究所在研制超精密机床进给系统时，针对滚珠丝杠机构的微动特性设计的 闭环控制系统，实现了2 5 n m 的定位精度。 4 ) 静压丝杠 利用静压技术的目的是消除相对运动部件之间的机械接触，从而大大减小或 消除定位系统中的摩擦力。目前静压丝杠多用于大型超精密加工设备和超精密测 量设备中，因为具有极小的摩擦系数，没有爬行和反向间隙，可以在较长的行程 上保持纳米级的分辨率，而且可以长期保持精度。韩国机械和材料学院通过采用 压电元件来反馈、补偿液体静压丝杠和螺母间的间隙，获得了2 5 n m 的系统分辨 率。 5 ) 压电元件 为了实现亚微米甚至纳米级的定位，常用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方 案，但由于螺纹空程和传动摩擦的存在，其定位精度有限。压电元件却可以使工 第一章绪论 作台具有纳米级的位移分辨率，且具有线性比较优良，具有体积小，刚度大，形 变相对较大，位移分辨率高和响应迅速的特点，被广泛的应用于纳米定位技术的 驱动机构中1 7 j 。 压电驱动器在位置控制方面有很好的执行性能，但是其行程只有数十微米， 在这个范围内，纳米定位一般通过压电驱动器驱动柔性铰链来实现。为了实现大 行程的纳米定位，目前通用的方案是宏微双重驱动机构，即在粗定位工作台上安 装一个微动工作台，首先采用大行程、低分辨率的机构进行粗定位，实现大行程 范围内几个微米的定位精度；然后采用小行程、高分辨率的机构在微米行程范围 内进行纳米定位。 1 1 2 3 控制系统 控制技术的发展及应用为精确位移定位机构实现高精度定位提供了有力的 基础，一般的微位移定位机构普遍采用计算机控制系统，除控制定位精度之外， 同时对系统定位误差进行监测和修正，使微位移定位机构达到高的动态和静态精 度。微机控制系统不仅具有快速，准确灵活的优点，而且便于实现微位移定位机 构和整个设备的协调统一。控制系统在微位移系统中占有及其重要的地位，纵观 用于微位移系统的一些驱动器，如电机驱动，压电驱动器、电致伸缩驱动器等具 有非线性、迟滞等不良特性，如果没有控制系统参与作用，驱动器仅处于开环状 态，则微位移定位系统不可能达到很高的精度【8 】。 在工作过程中，对于各种干扰因素的影响，以及微位移驱动器参数随着环境 和过程状态的变化，都为寻找反馈控制方法和最优控制参数提出了很高的要求。 为达到良好的效果，对微位移驱动器模型进行辨识、自动整定控制器参数等工作 都在逐步的探索阶段。目前研究较多的控制方法有以下几种【8 1 ： ( 1 ) p i d 控制及智能p i d 控制 利用高精度传感器和p i d 控制器实现闭环控制来达到高精度控制目的。p i d 控制器结构简单，参数易于调整，得到了广泛应用。在此基础上发展了模糊p i d 控制器和神经网络p i d 控制器。通过反馈控制作用改变系统的特征值和特征向 量，使得极点处于所要求的位置，从而改变系统静、动态品质。 ( 2 ) 自适应控制 目前提出将自适应逆控制思想应用于对压电陶瓷驱动器的控制，用自适应的 方法建立一个能够同时描述驱动器的特性模型，设计自适应逆控制系统，对系统 进行开环控制，这种自适应逆控制使系统的输出线性误差减小，使得控制器具有 一定的鲁棒性和适应性，提高了开环控制系统的性能。 ( 3 ) 智能控制 第一章绪论 主要有模糊控制、神经元网络控制、仿人智能等方法。模糊控制的特点在于 可以利用人的主观经验和直觉，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供 了新的手段；人工神经网络能够以任意精度逼近连续函数，具有自学习和自适应 能力，具有较强的鲁棒性和容错性。仿人智能控制通过模拟人的记忆特性，有选 择地“记忆”有用信息，而“遗忘”无用信息，加速系统向误差减小的方向发展。 国际和国内的科研机构对于控制技术的研究也在不断发展和完善1 9 12 1 。美国 o k l a h o m a 州立大学r i c h t e r 研究小组中将单层神经网络控制同传统的p i d 控制 相结合，构成了一个具有自适应和自学习特点的神经网络控制系统，达到了很 高的定位精度：r h o d ei s l a n du n i v e r s i t y 的g ep i n g 研究小组将前馈控制同p i d 反 馈控制相结合，定位精度比单纯的前馈控制或p i d 反馈控制提高5 0 ；台湾 f o r m o s au n i v e r s i t y 的自动化系工程学院针对压电驱动系统的精密跟踪控制技术， 采用逆m p i 的模型是来减少迟滞非线性，滑模控制器来弥补余下的非线性不确 定性和干扰，可证明这种设计用于纳米级运动控制的有效性；重庆大学光电技术 及系统教育部重点实验室针对压电晶体、压电陶瓷建立p r e i s a c h 控制模型，引 人基于p i d 的前馈反馈控制过程，使压电陶瓷的曲线跟踪误差可以减小到5 n m 内；山东大学控制科学与工程学院提出了一种基于自适应理论的控制方法，利用 最小二乘法对压电陶瓷驱动器参数进行了在线辨识，并把自适应控制理论引入到 驱动控制中，在参数自校正p i d 控制律的作用下，实现p i d 控制器参数的自动 整定，实现高精度快速的纳米定位；哈尔滨工业大学精密工程研究所和东京工业 大学精密工程研究所针对滚珠丝杠驱动机构，设计了将时间优化的b a n g b a n g 控制与高增益p i d 控制相结合的变结构控制系统，驱动机构以最大的加速度向目 标位置运动，系统状态满足b a n g b a n g 控制的切换条件后，p i d 闭环系统就开始 跟踪b a n g b a n g 控制的理论减速轨迹，合理设定了p i d 控制获得无超调响应范 围跟踪段和定位段的范围，获得了实际系统时间几乎最优的无超调点位控制。 1 2s t m 仪器与隧道效应 19 8 2 年国际商业机器公司苏黎世实验室g e r db i n n i g 博士和h e i n r i c he r o h r e r 博士利用量子力学中的隧道效应研制出世界首台扫描隧道显微镜，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 os c o p e ) 是基于量子力学隧道效应原理而发展 起来的一种新型显微镜和表面分析仪器，被广泛应用于物理学、化学、材料科 学、生物医学和微电子学等多学科领域，促进了纳米科技的发展， 由此诞生了 纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米计量学、纳米电子学、纳米机械学、 纳米制造学等，并己取得了重要的成果，被国际科技界公认为2 0 世纪8 0 年代 第一章绪论 世界十大科技成就之l m ”l 。 1 ) 隧道效应 隧道效应也称为隧穿效应，它是量子力学中一种粒子跃迁的现象。在隧道状 态下隧道电流与隧道间隙呈负指数关系变化，其表达式如下。当针尖与样品间隙 改变0i n t o ，隧道电流就会改变一个数量级。 d l s t a n c es 图i - 2 卜s 负指数关系 ，b e x p ( 一2 k 4 中s )( 】1 ) 其中：k2 ( 2 m 2 ) 为常数( 5 】2 3 1 6 5 8 8 e v 一】佗n m _ i ) ，”为自由电子的 质量，h 为普朗克常量；中为平均势垒高度：b 为针尖与样品偏压v b 有关的系 数。 首先，当针尖与样品表面的距离必须非常接近( 大约为0 5 10 n m ) 才会出 现齄道效应，即工作范围较小；其次，电流i 对针尖和样品表面之间的距离s 变 化非常敏感，使得微小振动的作用有着不可忽视的作用。 2 ) 隧道效应的工作特点 按照工作原理可见：间隔s 每改变一埃隧道电流1 就会改变个量级，从 而隧道电流几乎总是集中在间隔最小的区域，如图i 3 所示。这限制了工作范围 只能在纳米级，同时在整个工作区域内灵敏度变化很大。 习 圈i - 3 从针雯到起伏表面的电流罾胜分布圈 制生一样品之间的隧道电流形式可以等效为偏压和可变电阻的模型( 金属 绝缘体一金属结构形式的电阻) ，电阻的f o 、q e r - n o r d h e i r n 关系式： 黼 第一章绪论 。 r ( s ) = r oe x p 2 k 4 s ( 1 - 2 ) 在形成隧道电流的范围内，隧道电阻一般在几百l m 以上，随隧道间隙成指 数变化。对于振动响应的隧道电流必然为非线性，工作范围较大时，系统响应会 出现明显的非对称性。由于较小的尺寸，对集成度和制造工艺都有着较高的要求， 信号的检测和处理部分必须注意屏蔽并选用低噪声的器件，排除各种噪声的干 扰。 实际上的隧道电流变化并非与公式十分吻合，其原因是十分复杂的，由于探 针一样品间隙存在污染和相互作用力，功函数会有所减小的；由于针尖并不是 理想的单原子针尖，所以也造成了实际和理论的差别，表面噪声的存在，表面的 静电力和粘滞力，隧道效应的非弹性模型的传输特征中电子耦合等因素，都有着 不可预测的作用。这对工作的稳定性有很大的影响。 3 ) 基于隧道效应反馈控制的优势 目前相关的研究方向集中在对隧道加速度计的研究，国外比较成功的研制单 位有m i c h i g a n 大学集成传感器与电路中心；s t a n f o r d 大学机械系微结构与传感器 实验室可能是对隧道传感器研究最多的单位，应用目标是为海军提供高精度水下 声探测加速度计。国内的研制单位主要有东南大学微电子中心，清华大学精仪系， 北京大学微电子研究院，取得了一些初步成果1 1 。 为了使s t m 仪器能够有效的工作在大气环境中，必须实现精确的纳米定位。 目前各国的研究组织主要把目光集中在了振动的隔绝以及仪器本身结构研究方 面，提出了很多有意义的成果。但是考虑到其影响因素的复杂性，除了振动，温 度、介质的导电率等因素都会引起隧道间隙的变化。而保证s t m 在其工作状态 下稳定性的分析并没有引起足够的重视，这方面的研究尚待解决。由于干扰对 s t m 等仪器的测量结果影响很大，另一方面这也说明s t m 的的高分辨率和敏感 性。基于这一特点，利用隧道效应的测量原理，研究合适的反馈控制系统，根据 隧道电流的变化情况实时对微位移量进行调整，保证其可以稳定的工作于隧道状 态【1 9 】。 1 3 本课题研究的内容和意义 随着科学技术的发展，纳米定位技术己成为诸多前沿科学、工程技术领域的 关键技术之一。在目前蓬勃发展的纳米科学与技术领域，扫描探针显微技术是实 现纳米测量和纳米加工的主要手段，s p m ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y ) 的核心技 术之一是纳米定位技术，纳米测量和纳米加工均依赖于纳米定位技术，使其成为 纳米测量和原子操作工程研究及走向产业化的前提条件和工作基础。 第一章绪论 对于实验室现有的扫描隧道显微镜的使用和实验发现，工作于一般的大气环 境时，即使能够保证在净化，隔振的条件下，其测量成功率也很小，重复性较低。 考虑在现有的实验条件和环境下提高仪器的测试精度和重复性，应当采用有效的 反馈控制技术实现纳米定位。 在现有理论和实验条件下，本课题的主要任务归纳起来有以下几个方面： 1 深入了解纳米定位技术的内容和发展情况，并以隧道效应的反馈控制技 术为典型应用，研究有效的纳米级定位控制技术。 2 设计了反馈控制系统的实验装置模型，并通过实时的反馈作用保证在隧 道状态下精确定位，使整个系统工作时具有较高的稳定性。 3 针对于纳米级高精度定位要求，设计了以d s p 为核心的信号采集和控制 硬件电路。电路板以t l 公司的浮点型d s p 为核心处理单元，通过c p l d 完成逻 辑运算，控制1 8 位的a d ，2 0 位d a ，外部存储器等部件协调工作。 4 对于压电式微位移台的控制算法进行研究，讨论了传统的数字p i 算法， 智能控制中模糊控制算法的各自特点，并通过m a t l a b 仿真进行了参数的分析。 5 利用积分分离式p i 控制算法进行了纳米级反馈控制实验，结果表明系统 具有较高的位移量分辨率，并且对干扰下的测量结果进行实时补偿，其稳定性明 显优于开环状态下的测量结果。 6 分析了该实验系统中干扰的来源，提出后续需要改进和解决的方法，为 纳米级定位研究打下基础。 本课题的意义：对于纳米级测量仪器，包括扫描隧道显微镜，原子力显微 镜，摩擦力显微镜等，要求针尖能够具有纳米级定位精度，从而减小其工作时外 界干扰对测量效果的影响，所以精确纳米定位被视为非常重要的因素之一。本 文主要基于隧道效应的测量原理，研究通过检测隧道电流的反馈控制方法来实现 纳米级定位。利用有效的反馈控制技术不仅在提高纳米级测量仪器的工作稳定性 方面有积极的作用，还有助于更好的理解纳米定位技术的实现方法，为进一步构 建纳米级定位装置和提高定位精度进行了有益的探索。 第二章反馈控制系统的整体构建 第二章反馈控制系统的整体构建 针对隧道效应的原理，为达到纳米级定位精度，对整个系统的稳定性，分辨 率都有很高的要求。对于外部引入的干扰，如大地振动，温度漂移，噪声，电路 中的电磁干扰等，系统设计时必须注意屏蔽；对于内部结构尽量实现刚性连接， 保证每个部分的可靠性，以及各部分协调配合后的精度。 由于工作原理与s t m 相同，所设计的实验系统参考了s t m 的结构组成。本 设计和普通s t m 不同之处在于简化了横向即x y 向扫描的运动控制，实验为保 证在隧道间隙的恒定，主要针对单点进行测量，即达到在纵向( z 向) 的反馈控 制。 课题研究为满足精确定位的要求，相当于使s t m 工作在恒流模式。外界微 弱的振动影响针尖与样品之间的距离，引起隧道间隙的变化，其变化量以隧道电 流的形式检测，并经过信号采集电路的处理和算法运算，控制执行装置完成相应 的运动，自动调整隧道间隙保持稳定从而降低干扰的影响。在隧道状态下，隧道 间隙的微弱变化可以反映在经过放大电路i v 转化后的电压量上，利用测得的电 压值变化来分析定位情况。 为达到高精度的定位目的，设计了完整的基于隧道效应的反馈控制系统。该 系统主要包括：s t m 测头( 针尖和隧道电路转换变送电路) ，信号采集和反馈控 制电路板，位移驱动装置，控制执行器几部分。系统结构示意图如下： s 图2 1 整体系统结构框图 l o 第二章反馈控制系统的整体构建 2 1 测头部分 测头部分包括探针和微信号的转换放大电路，为提高抗干扰的能力，应尽量 缩短针失和预放大电路部分的距离，选择集成的结构，有利于信号线的屏蔽和隧 道电流的提取。 2 1 1 探针 s t m 测头关键在于针尖结构，理想的针尖其尖端只有一个稳定的原子，通 常用钨或铂铱台金为针尖材料，经过场蒸发等特殊工艺制各探针针尖。实验研究 中选择了铂铱台金针尖，其灵敏度较高，稳定性较好。 探针在s t m 的工作中起若非常重要的作用s t m 针尖的形状，大小和化学 纯度直接影响样品与针尖的隧道电流，从而影响s t m 图像的质量和分辨率，甚 至对被测材料表面原子的电子态密度也有影响。 制各针尖的材料采用铂铱合金丝或高纯钨丝。钨丝价廉，比较坚硬，吏为常 用，一般采用电化学腐蚀方法形成极细的钊尖。交流法制各的针尖呈圆锥体形状， 锥度角比直流法制作的针尖大；直流法制成的针尖呈双曲线形更尖锐，适用于 s t m 高分辨率观察：交直流共用法是一般采用先直流后交流的方法，直流是为 控制针尖大致形状，由于交流法腐蚀速度较慢，所以常用在最后阶段，以至于控 制针尖的形成。与钨相比铂材料柔软，但不易被氧化，加入少量铱( 如铂：铱= 8 ： 2 ) 形成的铂铱台金丝除保留不易被氧化的特性外，其质地柔软，耐腐蚀，其 刚性也得到增强，然而价格较贵，一般通过快速剪切法制作针尖。对于针尖制作 工艺的改革一直没有停止，m o r i k a w a 等人通过控制交流电压，波形，相角，频 率，波数，制各可重复的尖锐钼针尖。为追求最佳效果，还有采用单晶钨制各探 针，通过电子束沉积发在处理过的铂铱针尖上在形成一个长且直的针尖。实际加 工后所获针尖相对原子而言仍然过大，要获得理想的针尖探针需经过一段时间的 扫描，刚好针尖有一个原子时可获得较高的分辨率【】“。 啦 翻2 - 2 钨针尖制作机理和电镜图像 1 1 第二章反馈控制系统的整体构建 2 1 2 微电流信号的检测和放大 由于测量的隧道电流在纳安级，可以说非常的微弱，并不能直接测量，必须 转换为电压值完成后绪的测量和运算。而现在经过数模转换的电压值一般在毫伏 到几伏之间，因此隧道电流转化为电压的增益将会非常大，粗略计算可以达到 1 0 8 1 0 9 之间。如此大的增益倍数，若采用多级放大，则引入电路噪声或者外界 电场的影响会很明显。因此设计隧道电流转换电路十分关键，这是信号经过的第 一道大门，也是后续处理的基础。设计的原则有两点：一是尽可能简化电路组成， 减少噪声的影响，格外注意对噪声的屏蔽，第二是采用先进的核心处理芯片，其 组成元件选用精密元件【l 引。 图2 3 隧道电流转换等效模型 需要考虑的电子部件噪声主要有热噪声，散粒噪声，暗电流噪声和低频噪声。 系统检测微弱隧道电流信号，首先要经过第一级i v 变换，i 变换的噪声源主 要是反馈电阻r 上的热噪声和放大器的等效输入噪声，因为要测量微弱隧道电 流信号，影响最大的是系统的噪声电流。反馈电阻上的约翰逊噪声电流为； ，4 k t f = 育 ( 2 1 ) 式中t 为绝对温度，k 为波尔兹曼常数，当频率f 小于1 0 0 h z 时，式( 2 1 ) 是i 变换的主要噪声源，为了减小低频噪声，须加大反馈电阻r ，当r = 1 m f l 时，o n f 是p a 级电流噪声。 i 变换的第二个噪声源是运算放大器的输入漏电流，为了减少运放的漏电 流，可以采用输入级为结式场效应管( j f e t ) 的运算放大器，而且应该尽量选 用漏电流小的j f e t 型运算放大器。 由于所设计的试验装置检测的微位移为纳米量级，转换成的隧道电流为n a 甚至更小。课题中选用美国b u r r b r o w n 公司生产的超低偏置电流单片运算 放大器o p a l 2 8 作为放大器件。由于输入级采用介质隔离的场效应管组成( 常规 场效应管运放常采用p n 结隔离工艺，简称d i f e t ) ，具有超低偏置电流，低失 第二章反馈控制系统的整体构建 调，低漂移，高开环增益、高共模抑制比等特性。因而非常适用于静电计、质谱 仪、色谱仪、电荷放大器、离子测量、光电检测、高能射线仪器等。 放大器采用了反相端输入的放大方式，输入电阻为隧道电阻，是一个动态电 阻；输出电阻很小。电路设计中应注意的问题主要为： 由于采用了激光调阻( l a s e r - t r i m m e d ) 工艺，o p a l 2 8 的失调电压及其漂移 都不大，但为检测p a 级隧道电流时可在管脚1 ，6 间接1 0 k - - l m q 的电位器作 精确调零，来保证高精度工作。 由于o p a l 2 8 一般用于高阻抗应用场合，因而需要采取严格的屏蔽措施以尽 可能减小输入线上的交流干扰。 前置放大器的输入电阻应该等效于隧道电阻剐，是一个动态电阻，阻值在几 百l 以上。由噪声理论可知，电路采取预加合适输入电阻和减小测量带宽的措 施，以减小热噪声干扰，提高电路灵敏度。 由于单个反馈电阻的阻值很难在1 g q 左右时的保证其精度，加上大阻值电 阻的货源少，通过电阻t 型网络来获得比较大的y 转换增益，反馈电阻r l 应 该尽可能高，而且电阻t 型网络只适用于低输入失调电压的运算放大器，才能使 偏置电压的影响最小。电路中r 1 选择了市面上阻值比较大的1 0 m q 碳膜电阻， r 2 、r 3 分别为1 l 电阻、1 0 l 变阻器。整个增益计算为： 骨 环= - 1 ，月，( 1 + 1 ) ”、 尺2 。 ( 2 2 ) 2 2 微位移驱动装置 图2 4t 型电阻网络 为到达隧道状态并进行数据采集需要有精确的位移驱动装置为保证。在纳米 级测量研究中，如要实现可靠稳定的进入隧道状态，对z 向驱动调整装置要求很 高，高精度的步进装置不仅具有毫米级的移动范围，同时最小分辨力高达纳米量 第二章反馈控制系统的整体构建 级。这就需要定位平台具有较高的精度，可重复性和直线度高。 系统使用了纳米测量机n m m 微动平台，在z 向的调整距离为5 m m 、分辨 力为0 1 n m 。纳米测量机作为一个测量设备，可以方便的搭配不同的测头实现不 同需求测量的功能。在其提供的平台上搭建系统，利用三维高精度运动控制，可 有效的实现高精度的驱动定位。 纳米坐标机的特点如下 2 6 - 2 8 ： a 无阿贝误差 阿贝误差原则：被测样品的测量线跟测量轴线在一条直线上，以避免一阶测 量偏差。引起这些偏差的原因是由于测量仪器的导向机构的系统倾斜和随机倾斜 造成的。一阶偏差的计算如图2 5 所示。计算公式为 a l l = s x t a n ( 矽)( 2 3 ) m e a s u r e dq u a n t i t y 霸 。 鼐 m e a s u r i n g i i n e 图2