發(fā)布時間：2017-12-18 03:15

  本文關(guān)鍵詞：用于原子力顯微鏡壓電掃描器的新型電荷驅(qū)動方法研究與應(yīng)用

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【摘要】：在微致動與精密定位領(lǐng)域,壓電致動器由于位移分辨率高、輸出力大、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點得到了廣泛的應(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)上對用于壓電致動器的兩種新型驅(qū)動方法：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)動方法,進行了詳細的理論分析與實驗驗證,并實現(xiàn)了兩種方法在原子力顯微鏡中的應(yīng)用。 本論文對一種新穎的開關(guān)電容電荷泵方法進行了詳細的分析,并將之成功地應(yīng)用于原子力顯微鏡中掃描成像。本文對開關(guān)電容電荷泵的工作原理進行了詳細分析,分別對充電電容、模擬開關(guān)、運算放大器對電荷泵電路的影響進行了分析。對開關(guān)電荷泵產(chǎn)生的階躍位移進行了頻譜分析,指出應(yīng)該盡量實現(xiàn)“小步快跑”的掃描方式。對開關(guān)速度對電路的影響進行了分析與探討,并針對性地提出了一種高速放電的開關(guān)電容電荷泵電路。然后搭建實驗裝置,以普通藍光光盤為樣品,使用開關(guān)電容電荷泵方法在原子力顯微鏡中實現(xiàn)了傳統(tǒng)的光柵式掃描(Raster Scanning),成像結(jié)果亦表明相對于電壓驅(qū)動掃描,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。對此方法下壓電致動器上的電荷量進行了推導(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比,發(fā)現(xiàn)螺旋線式掃描的速度是光柵式掃描的(?)倍。針對螺旋線掃描這種特殊的掃描方式,開發(fā)了一個對應(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)為壓電致動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,而彌補了各自的缺點。 通過對混合控制電路及其傳遞函數(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)能實現(xiàn)無縫對接。對應(yīng)變反饋回路以及電荷放大回路的噪聲水平分別進行了詳細分析,數(shù)據(jù)表明單獨使用應(yīng)變反饋控制時,對于10kHz帶寬所能達到的最高位移分辨率為4.4nm；而單獨使用電荷放大器時,對于10kHz帶寬所能達到的最高位移分辨率為48.8pm。以三維尺寸為10mm×10mm×20mm的壓電堆棧致動器為實驗對象,對以上混合驅(qū)動方法進行了性能測試,當給壓電堆棧施加一個三角波激勵時,在0.1Hz～50Hz的頻率范圍內(nèi)混合驅(qū)動方法均有穩(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,應(yīng)變放大器輸出的位移噪聲理論計算值為1.9nm,實際測量值等效為2.5nm；電荷放大器輸出的位移噪聲理論計算值為25pm,而實際測量值等效為30pm。通過混合驅(qū)動與單獨使用應(yīng)變反饋的對比,也證明了混合驅(qū)動具有良好的動態(tài)響應(yīng)。 提出了一種改進型的混合驅(qū)動方法,并將之成功應(yīng)用在原子力顯微鏡中進行掃描成像。將以上混合驅(qū)動方法用來驅(qū)動原子力顯微鏡中的壓電掃描器時,一個繞不開的問題就是壓電致動器是虛地連接的,這在實際掃描當中會導(dǎo)致系統(tǒng)易受干擾。為此,設(shè)計了一個基于“鏡像驅(qū)動”的改進型混合驅(qū)動方法,它同時使用一個參考致動器和一個目標致動器,通過使用混合驅(qū)動方法控制虛地連接的參考致動器,從而間接地在實地連接的目標致動器上實現(xiàn)高線性度和動態(tài)響應(yīng)。對傳遞函數(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(NanoFirst3000)中,掃描圖像也表明,在使用此改進型的混合驅(qū)動方法時壓電致動器的遲滯和非線性被大大減小,掃描圖像的質(zhì)量得到了很大提高。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH742

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 謝建宏,張為公;智能材料結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展[J];傳感技術(shù)學(xué)報;2004年01期

2 謝建宏;張為公;梁大開;;智能材料結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J];材料導(dǎo)報;2006年11期

3 吳鷹飛,周兆英,馮焱穎,章剛?cè)A;納米技術(shù)及其前景[J];科技通報;2003年01期

4 魯哲學(xué),張志凌,龐代文;原子力顯微鏡技術(shù)及其在細胞生物學(xué)中的應(yīng)用[J];科學(xué)通報;2005年12期

5 陶寶祺，劉果，，袁慎芳;智能材料結(jié)構(gòu)的研究進展[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報;1995年01期

6 馬夢佳;陳玉云;閆志強;丁劍;何丹農(nóng);鐘建;;原子力顯微鏡在納米生物材料研究中的應(yīng)用[J];化學(xué)進展;2013年01期

7 朱杰,孫潤廣;原子力顯微鏡的基本原理及其方法學(xué)研究[J];生命科學(xué)儀器;2005年01期

8 張曉清;卜慶珍;裴曉琴;閆仲麗;降升平;孫平;;原子力顯微鏡在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用[J];微生物學(xué)通報;2008年04期

9 張德添,何昆,張颯,楊怡,周濤,張學(xué)敏,趙曉光,薛燕;原子力顯微鏡發(fā)展近況及其應(yīng)用[J];現(xiàn)代儀器;2002年03期

10 白春禮,商廣義;掃描探針顯微鏡[J];現(xiàn)代科學(xué)儀器;1994年04期

本文編號：1302586