原子力顯微鏡控制電路及其信號完整性研究.pdf

1、納米科技作為二十一世紀(jì)全球各國科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的重點，最終目標(biāo)是在原子、分子尺度上對樣品進(jìn)行物理、化學(xué)和生物特性觀測、操作和裝配，從而推動整個科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)展。納米科技研究需要借助各種觀測、操作和裝配儀器設(shè)備。1986年，諾貝爾物理學(xué)獎得主發(fā)明的原子力顯微鏡為實現(xiàn)這一目標(biāo)奠定了研究基礎(chǔ)，其具有較高分辨率和運動精度，可控、可重復(fù)的運動方式和獨特的機(jī)械力加工方法，目前已基本可以在真空、常態(tài)、液態(tài)環(huán)境下原理性的實現(xiàn)對原子、分子尺度大小物體的觀

2、測、操作和裝配等工作。
　　雖然 AFM具備諸多優(yōu)點，但為了進(jìn)一步提高其性能，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍（如在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用）就面臨著如何提高原子力顯微鏡的成像精度和掃描速度等問題，在此方面目前面臨的主要挑戰(zhàn)和難題是：1、由于掃描速率的增加，對AFM控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的需要大大提高；2、由于系統(tǒng)外部電磁輻射和背景光等因素的干擾，基于光電位置傳感器設(shè)計的光電信號檢測系統(tǒng)難以精確分辨出樣品表面的微弱變化；3、由于工頻干擾和電源噪聲等影響，AFM

3、成像出現(xiàn)失真等。以上問題的存在，直接影響了AFM應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，也阻礙了納米科技發(fā)展的進(jìn)程。
　　本文針對上述主要問題，以自主研發(fā)的原子力顯微鏡控制系統(tǒng)為平臺，對控制系統(tǒng)中高速信號處理電路、微弱光電信號采集和壓電陶瓷驅(qū)動電路進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，具體開展了以下工作：
　?。?）基于DSP與FPGA的高速信號處理方案。選用通用性強(qiáng)，開發(fā)周期短，結(jié)構(gòu)靈活的DSP+FPGA主體結(jié)構(gòu)、多通道AD、DA模數(shù)混合設(shè)計、百兆以太網(wǎng)、PID控制算

4、法等設(shè)計方案，實現(xiàn)原子力顯微鏡掃描過程中數(shù)據(jù)的精確傳輸與運算。
　　（2）高速PCB設(shè)計信號完整性分析。針對控制系統(tǒng)中高速高密度PCB中存在的問題，以理論分析為基礎(chǔ)，EDA設(shè)計軟件為平臺，通過PCB仿真工具實踐驗證，具體分析設(shè)計中存在的信號完整性問題，給出問題解決方案，提高PCB設(shè)計的可靠性，同時縮短系統(tǒng)設(shè)計周期。
　?。?）基于PSD光電檢測電路改進(jìn)方案。針對目前存在的外場電磁輻射和背景光等干擾源，提出新的信號采集與信號傳

5、輸方案：高精度的流壓轉(zhuǎn)換設(shè)計與信號差分輸出。有效的減少了信號傳輸過程中電磁輻射對信號的干擾和外部光源對PSD檢測的影響，提高了檢測的靈敏度和精度。
　?。?）壓電陶瓷驅(qū)動電路優(yōu)化方案設(shè)計。壓電陶瓷驅(qū)動模塊主要由低壓運算放大器和高壓運算放大器組成，為了有效的減少電源工頻干擾和噪聲，高壓供電電源采用線性穩(wěn)壓電源模塊，進(jìn)一步解決壓電陶瓷存在的非線性和溫漂影響。
　　本文的研究工作有效的解決了高速信號處理電路中存在的信號完整性問題，