Система прецизионного механического перемещения для повышения пространственного разрешения и точности измерений линейных размеров в сканирующем зондовом микроскопе

• Автор: Михайлов, Михаил Алексеевич
• Шифр специальности: 05.11.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 127 с. : ил.

1.12.8. Магнитострикционные датчики перемещения

1.12.9. Потенциометрические датчики перемещения

1.12.10. Выбор физического принципа датчика в задачах СЗМ

1.13. Методы измерения емкости датчика перемещения

1.13.1. Метод амперметра и вольтметра

1.13.2. Резонансный метод

1.13.3. Измерение времени разряда или заряда конденсатора

1.14. Выводы

2. Составление физико-математической модели

2.1. Предпосылки 5

2.1.1. Одномерные уравнения движения зонда и образца вдоль координаты г

2.1.2. Влияние емкости конденсатора системы зонд-образец на процесс сканирования
2.1.3. Использованное программное обеспечение для моделирования
2.2. Физико-математическая модель СЗМ в туннельном режиме
2.3. Физико-математическая модель СЗМ в атомно-силовом режиме
2.4. Результаты синтеза ПИД регулятора для режимов
2.4.1. Туннельный режим СЗМ
2.4.2. Атомно-силовой режим СЗМ
2.5. Выводы
3. Постобработка изображений, полученных СЗМ методиками, решение обратных задач
3.1. Анализ факторов, вносящих искажения при проведении исследования топографии поверхности при использовании СЗМ методов
3.2. Решения прямых и обратных задач аппаратной функции сканера
3.3. Восстановление СЗМ-изображений, искаженных аппаратной функцией использованием нейронных сетей
3.4. Выводы
4. Эксперимент. Исследование компенсации ошибок, вносимых пьезокерамическим
сканером СЗМ

4.1. Структурная схема системы
4.2. Описание отдельных элементов, входящих в структурную схему
4.2.1. Устройство емкостного датчика перемещения
4.2.2. Схема измерения емкости датчика
4.3.Тестирование и калибровка измерительной системы емкости
4.4.Тестирование системы измерения перемещения, экспериментальные данные
4.5. Восстановление изображения
4.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Актуальность темы исследования. Для исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела, диагностики дефектов, количественной и качественной! оценки характеристик металлических и немоаллическнх материалов, а также биологических объектов на нано уровне широко используются различные методы сканирующей чопдовой микроскопии. Областями их применения являются: материаловедение (анализ свойств материалов, диагностика дефектов материалов), физика (изучение характеристик твердого тела, а также жидкостей), биология и медицина (изучение параморов клеток различного вида).
Одним из самых важных компонентов сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) является сканер, который обеспечивает прецизионные перемещения образца. В методе постоянной высоты сканер поддерживает постоянным зазор между зондом и поверхностью образна, С точки зрения задачи автоматического регулирования сканер является исполнительным устройством. От характеристик сканера во многом зависит точность измерений.
Па сегодняшний день сканеры для СЗМ чаще всего изготавливаются из пьезокерамических движителей. Пьезокерамика обладает такими параметрами, как крип и гистерезис. Эти свойства искажают реакцию па входной сигнал и усложняют процесс измерений. Чтобы избежать этих факторов, есть два варианта решения проблемы:
1. Улучшение параметров сканера (это резко увеличивает его стоимость);
2. Создание системы управления перемещения сканера на датчиках других типов.
Используя второй метод, возможно получить более дешевую конструкцию СЗМ и улучшить параметры измерений.
Эффективность применения сканирующих зондовых микроскопов зависит, в первую очередь, от параметров прибора, а именно: от характеристик датчиков перемещений и от точности параметров системы управления перемещением.

ЦСП - это специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени. ЦСП отличается 01 обычного микропроцессора:
]. Гарвардской архитектурой - разделение памяти команд и данных:
2. Аппаратным ускорением вычислительных инструкций (например, «умножение с накоплением» - “У = А + В * С”, выполняемое за один такт, которое используется для организации цифровых фильтров и регуляторов);
3. Ограниченным набором периферийных устройся в.
Данный класс устройств отличается меньшей гибкостью, чем ПЛИС, но повышенной! скоростью проектировки (по сравнению с ПЛИС) за счет готовых блоков с неизменной логикой. Существуют промежуточные варианты между ЦСП и микропроцессорами, когда ЦОС обладает широким перечнем периферии. [26] [27] Заказные БИС - это специализированные устройства, которые полностью проектируется заказчиком. Эти устройства обладают максимальной гибкостью: она ограничена только технологическими возможностями производителя и ресурсами разработчиков. Это самый трудный и долгий вариант для разработки, и он рентабелен только при очень больших партиях. [25]
Реализация всех алгоритмов ЦОС происходит с помощью следующих цифровых устройств:
1. Сумматор;
2. Умножитель;
3. Сдвиговый регистр. [28]
В ЦОС чаще всего используются два вида частотных фильтров:
1. Фильтры е конечной импульсной характеристикой (КИХ);
2. Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ).
Структурные схемы КИХ и БИХ фильтров изображены па рисунках 16 и 9 соответственно. Обозначения на рисунках: