用于原子力顯微鏡壓電掃描器的新型電荷驅(qū)動(dòng)方法研究與應(yīng)用.pdf

1、在微致動(dòng)與精密定位領(lǐng)域，壓電致動(dòng)器由于位移分辨率高、輸出力大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于壓電材料自身的遲滯與非線性等特性，基于壓電致動(dòng)器的微定位系統(tǒng)的性能往往受到很大限制，為此，研究人員提出了很多的辦法，其中最常用的三種方法為:前饋控制方法、反饋控制方法、電荷控制方法。本論文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)用于壓電致動(dòng)器的兩種新型驅(qū)動(dòng)方法:開關(guān)電容電荷泵方法與結(jié)合應(yīng)變反饋和電荷放大的混合驅(qū)動(dòng)方法，進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并實(shí)

2、現(xiàn)了兩種方法在原子力顯微鏡中的應(yīng)用。
　　本論文對(duì)一種新穎的開關(guān)電容電荷泵方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將之成功地應(yīng)用于原子力顯微鏡中掃描成像。本文對(duì)開關(guān)電容電荷泵的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，分別對(duì)充電電容、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器對(duì)電荷泵電路的影響進(jìn)行了分析。對(duì)開關(guān)電荷泵產(chǎn)生的階躍位移進(jìn)行了頻譜分析，指出應(yīng)該盡量實(shí)現(xiàn)“小步快跑”的掃描方式。對(duì)開關(guān)速度對(duì)電路的影響進(jìn)行了分析與探討，并針對(duì)性地提出了一種高速放電的開關(guān)電容電荷泵電路。然后搭建實(shí)驗(yàn)

3、裝置，以普通藍(lán)光光盤為樣品，使用開關(guān)電容電荷泵方法在原子力顯微鏡中實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的光柵式掃描(RasterScanning)，成像結(jié)果亦表明相對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)掃描，開關(guān)電容電荷泵方法能有效地減小遲滯與非線性，圖像質(zhì)量有很大提高。針對(duì)開關(guān)電容電荷泵方法的低頻漏電問題，提出了一種基于開關(guān)電容電荷泵的螺旋線掃描方法。對(duì)此方法下壓電致動(dòng)器上的電荷量進(jìn)行了推導(dǎo)，分析比較了同等掃描情況下光柵式掃描與螺旋線式掃描的速度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)螺旋線式掃描的速度是光柵式掃描

4、的√π倍。針對(duì)螺旋線掃描這種特殊的掃描方式，開發(fā)了一個(gè)對(duì)應(yīng)的圖像算法。
　　本論文首次提出了一種結(jié)合應(yīng)變反饋控制和電荷放大的混合驅(qū)動(dòng)方法，用以解決包括開關(guān)電容電荷泵在內(nèi)的電荷驅(qū)動(dòng)方法的低頻漏電問題?；趥鞲衅鞯姆答伩刂剖亲畛墒熳盍餍械囊环N方法，它主要使用位移傳感器來探測壓電致動(dòng)器的輸出位移，并形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于傳感器噪聲的存在，高分辨率與高帶寬成為不可兼得的兩個(gè)量，因而反饋控制方法通常都是應(yīng)用在低頻頻域。電荷控制方法的理論基礎(chǔ)

5、為壓電致動(dòng)器的輸出位移與其上的電荷量（而不是施加的電壓）成線性關(guān)系。電荷放大器在高頻頻域有著良好的線性度、高分辨率、以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但是在低頻頻域由于漏電以及一些非理想因素的影響，其往往退化為電壓放大器，因而電荷放大器主要是用在高頻頻域。本文提出一種混合控制電路，它使得應(yīng)變反饋回路主要工作在低頻頻域，而使電荷放大回路主要工作在高頻頻域，這種方法結(jié)合了反饋控制方法與電荷控制方法的優(yōu)點(diǎn)，而彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)。
　　通過對(duì)混合控制電路

6、及其傳遞函數(shù)的分析，從理論上證明了應(yīng)變反饋控制與電荷控制的頻率響應(yīng)能實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接。對(duì)應(yīng)變反饋回路以及電荷放大回路的噪聲水平分別進(jìn)行了詳細(xì)分析，數(shù)據(jù)表明單獨(dú)使用應(yīng)變反饋控制時(shí)，對(duì)于10kHz帶寬所能達(dá)到的最高位移分辨率為4.4nm;而單獨(dú)使用電荷放大器時(shí)，對(duì)于10kHz帶寬所能達(dá)到的最高位移分辨率為48.8pm。以三維尺寸為10mm×10mm×20mm的壓電堆棧致動(dòng)器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)以上混合驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了性能測試，當(dāng)給壓電堆棧施加一個(gè)三角波

7、激勵(lì)時(shí)，在0.1Hz～50Hz的頻率范圍內(nèi)混合驅(qū)動(dòng)方法均有穩(wěn)定的增益，而且輸出位移的非線性度均小于2％。將應(yīng)變反饋回路與電荷放大回路的帶寬均設(shè)為1kHz時(shí)，應(yīng)變放大器輸出的位移噪聲理論計(jì)算值為1.9nm，實(shí)際測量值等效為2.5nm;電荷放大器輸出的位移噪聲理論計(jì)算值為25pm，而實(shí)際測量值等效為30pm。通過混合驅(qū)動(dòng)與單獨(dú)使用應(yīng)變反饋的對(duì)比，也證明了混合驅(qū)動(dòng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　提出了一種改進(jìn)型的混合驅(qū)動(dòng)方法，并將之成功應(yīng)用在

8、原子力顯微鏡中進(jìn)行掃描成像。將以上混合驅(qū)動(dòng)方法用來驅(qū)動(dòng)原子力顯微鏡中的壓電掃描器時(shí)，一個(gè)繞不開的問題就是壓電致動(dòng)器是虛地連接的，這在實(shí)際掃描當(dāng)中會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)易受干擾。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于“鏡像驅(qū)動(dòng)”的改進(jìn)型混合驅(qū)動(dòng)方法，它同時(shí)使用一個(gè)參考致動(dòng)器和一個(gè)目標(biāo)致動(dòng)器，通過使用混合驅(qū)動(dòng)方法控制虛地連接的參考致動(dòng)器，從而間接地在實(shí)地連接的目標(biāo)致動(dòng)器上實(shí)現(xiàn)高線性度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì)傳遞函數(shù)的分析也證明了此方法的可行性。此方法被成功地應(yīng)用于商用原子力顯微鏡