基于壓電懸臂梁的SFM反饋控制與信號檢測系統(tǒng)研制.pdf

1、掃描力顯微鏡(SFM)是掃描探針顯微鏡(SPM)家族中一組重要的成員,是測試物質(zhì)表面形貌和特性的重要工具.傳統(tǒng)的利用光學(xué)偏轉(zhuǎn)法對懸臂梁的變形進(jìn)行檢測的SFM儀器由于需要精確的光學(xué)對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)從而使儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、操作過程繁瑣;另外由于懸臂梁不能進(jìn)行自激勵(lì)和自調(diào)整,因而無法在一些場合下應(yīng)用.基于壓電懸臂梁的SFM能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)光學(xué)方法檢測的SFM的上述不足,在微觀形貌檢測尤其是并行加工和信息存儲方面有著廣闊的應(yīng)用前景.該文針對基于壓電懸

2、臂梁的SFM反饋控制和信號檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn).基于壓電薄膜的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)原理提出了壓電懸臂梁的在外激勵(lì)條件下的等效電路,并設(shè)計(jì)了差動(dòng)電荷和差動(dòng)電流放大電路,對設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬.針對待測信號,設(shè)計(jì)了帶通濾波電路,用以慮除信號中的干擾噪聲,提高信噪比.對基于壓電懸臂梁的SFM反饋控制系統(tǒng)性能提出了要求,根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)了反饋控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和基于DSP的實(shí)現(xiàn)方案.DSP板卡作為硬件控制和計(jì)算單元,基于DSP卡構(gòu)造多級子卡

3、結(jié)構(gòu),包括ADC通道子卡、DAC與通信子卡.完成了多級子卡以及其他硬件部分的設(shè)計(jì)和仿真和測試.根據(jù)系統(tǒng)性能要求和所設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了反饋控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu).完成了反饋控制系統(tǒng)軟件部分中的各層程序的算法設(shè)計(jì)和代碼設(shè)計(jì).針對所要測量的壓電懸臂梁的壓電信號中存在大量干擾噪聲的情況,采用數(shù)字鎖相計(jì)算的方法對所采集的信號進(jìn)行計(jì)算和信息提取.針對壓電陶瓷薄膜介電性能檢測中的問題,設(shè)計(jì)了基于數(shù)字鎖相計(jì)算的介電性能測試方法.對該方法的原理和精度進(jìn)行