Разработка и исследование пьезоэлектрических устройств и методов управления ими в сканирующем туннельном микроскопе для изучения кластерных материалов

• Автор: Гуляев, Павел Валентинович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 186 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

? ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Методы получения и исследования ультрадисперсных частиц

1.2. Устройства микроперемещений зондовых микроскопов

1.2.1 Манипуляторы грубых перемещений

1.2.2. Сравнительный анализ способов осуществления сближения зондирующего острия и исследуемой поверхности

1.2.3. Манипуляторы точных перемещений

1.2.4. Методы и средства управления пьезосканером

1.3. Выводы, постановка цели и задач исследований
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
л МАНИПУЛЯТОРОВ В СТМ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ
2.1. Обзор известных методов расчета пьезоэлементов
2.2. Пьезосканер туннельного микроскопа для изучения ультрадисперсных частиц кластерных материалов
2.3. Исследование характеристик - точности и скорости
инерционного пьезопривода
2.3.1. Модель движения объекта микроперемещений
2.3.2. Влияние конструктивных параметров инерционного привода на асинхронное смещение объекта
& 2.3 .3. Влияние параметров привода на синхронное смещение объекта.
2.3.4. Исследование инерционного пьезопривода с дополнительным электродинамическим источником воздействия на
перемещаемый объект
2.3.5. Исследования характеристик разработанных
пьезоэлектрических устройств
2.4. Выводы по главе
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ, СРЕДСТВА И МОДЕЛИ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОСКАНЕРОМ СТМ
5 3.1. Анализ способов повышения производительности туннельного
микроскопа
3.2. Адаптивная дискретизация СТМ-изображений

3.3. Применение аппарата прогнозирования для
управления пьезосканером
3.4. Анализ функционирования цепи обратной связи СТМ
3 .4.1. Математические модели цепи обратной связи
3.4.2. РБРГСЕ модели цепи обратной связи
3.5. Принципы адаптивного управления пьезосканером для перемещения зондирующего острия
3.6. Выводы по главе
ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОСКАНЕРОМ
4.1. Практическая реализация и методика испытаний
4.2. Анализ метрологических характеристик СТМ при
адаптивном сканировании поверхности
4.3. Результаты экспериментальных исследований адаптивной
и равномерной дискретизаций СТМ-изображений
4.4. Оценка эффективности адаптивного управления пьезосканером
4.5. Выводы по главе
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТМ .
5 .1. Структура программно-аппаратного обеспечения микроскопа
5.2. Подсистема адаптивного сканирования поверхности
5.3. Подсистема считывания измерительной информации
5.3.1. Использование аппарата прогнозирования при съеме информации о микрорельефе поверхности
5.3.2. Применение системы активной виброзащиты
при считывании измерительной информации
5.4. Подсистема сближения зондирующего острия и образца
5.4.1. Повышение устойчивости функционирования подсистемы сближения острия и поверхности образца
5.4.2. Ускорение процедуры сближения
зондирующего острия и образца
5.5. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
АСМ - атомно-силовая микроскопия
АСОН - асинхронное смещение в обратном направлении
АСИН - асинхронное смещение в прямом направлении
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
БУ - блок управления
БИ - блок интерфейса
30 - зондирующее острие
ИЗС - измерительный стенд
КЛУ - квазилинейный участок
КМ - кластерные материалы
КП - кинематическая пара
МГП - манипулятор грубых перемещений
МИПП - массово-инерционный пьезоэлектрический привод
МТП - манипулятор точных перемещений
НЭ - направляющий элемент
ОД - относительное движение
ОМ - объект микроперемещений
ООС - отрицательная обратная связь
ОП - относительный покой
ППИП - прибор показывающий с индуктивным преобразователем
ПО - программное обеспечение
ПП - плоские пружины
ПЭ - пьезоэлемент
СВ - система виброзащиты
ССОН - синхронное смещение в обратном направлении
ССПН - синхронное смещение в прямом направлении
СТМ - сканирующий туннельный микроскоп
СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия
ТТ - туннельный ток
УДЧ - ультрадисперсная частица
УНПС - управляющий несимметричный пилообразный сигнал
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
ЭИОВ - электромеханический источник осевого воздействия.

функцию либо от скорости сканирования поверхности V, либо от величины интервала дискретизации Д (см. табл 1.2.2), а зависимости величин А. и р. от размера интервала дискретизации СТМ-изображения и скорости сканирования соответственно будут представлять собой ступенчатую функцию, изменяющуюся от 1 до 0 (график 2 на рис. 1.2.2). Моментом перехода от 1 к 0 в первом случае является превышение интервалом дискретизации размеров квазилинейного участка строки растровой сетки СТМ-изображения, а во втором - превышение скоростью сканирования допустимой величины, выше которой цепь ООС уже не может отслеживать изменения рельефа поверхности. В результате для адаптивного управления сканированием поверхности в СТМ необходимо решить задачи, к которым относятся отыскание квазилинейных участков в строке растровой сетки поверхности и определение величины изменения кода ЦАП строчной развертки при сканировании этих участков. При этом адаптивное управление сканированием квазилинейных участков СТМ-изображений позволит увеличить производительность СТМ, снизить вероятность повреждения 30 из-за столкновения с поверхностью, а также повысить точность установления заданного ТТ и, соответственно, определения рельефа поверхности.
Таблица 1.2.
Адаптивное управление сканированием на основе поиска экстремума произведения показателей надежности и производительности СТМ
Адаптивное управление интервалом дискретизации СТМ-изображения Адаптивное управление скоростью сканирования поверхности
Критерий управления Оптимальное сочетание точности приближения поверхности и затрат времени на измерения Оптимальное сочетание сохраняемости 30 и затрат времени на сканирование поверхности
Показатель надежности Отображение всех элементов рельефа поверхности А Предотвращение повреждений р. (сохранность)
Показатель производи- тельности Продолжительность измерений ти Продолжительность сканирования поверхности тс
Управляемая величина Интервал дискретизации Д Скорость сканирования V