專利名稱:掃描探針顯微鏡的數(shù)字閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及SPM(掃描探針顯微鏡)的控制系統(tǒng)，特別涉及利用數(shù)字閉環(huán)技術(shù)實現(xiàn)掃描的掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
SPM(Scanning Probe Microscope)即掃描探針顯微鏡，是一種集多種現(xiàn)代技術(shù)于一身的新型表面分析儀器，它是世界上分辨率最高的顯微鏡，也是研究納米技術(shù)的最有力的工具。
SPM在其掃描過程中，探針，光路，壓電陶瓷掃描管以及相應(yīng)控制電路組成了一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。如圖1所示，針尖趨近樣品表面并與表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子之間存在著相互作用力(主要是原子間的排斥力)，當壓電陶瓷掃描管帶動針尖進行X，Y方向掃描時，每掃描到一個位置，由于樣本表面的起伏，針尖與樣本間的相互斥力會因為相互間距離的接近或遠離發(fā)生變化，從而造成與針尖相連的微懸臂發(fā)生彈性形變，利用一束激光照射到微懸臂的背面，微懸臂將激光束反射到一個光電檢測器，檢測器接收的激光強度偏差值與微懸臂的形變量呈一定比例關(guān)系，并將該激光強度偏差值變換成統(tǒng)一的標準信號送入控制器，偏差信號在控制器中進行相應(yīng)運算后形成控制量并送到控制對象壓電陶瓷管上，通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷管Z方向的伸縮來保持針尖與樣本間的作用力恒定，便能保證微懸臂在形變后及時恢復(fù)正常狀態(tài)，從而保證下一個點位置的掃描，同時針尖行進到每一位置的閉環(huán)控制量即壓電陶瓷掃描管的伸縮量也被記錄下來，由此得到樣品表面形貌的圖像。
相對于其他表面分析儀器，SPM具有以下優(yōu)點1、具有原子級高分辨率。
2、可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是整個表面的平均性質(zhì)。
3、可觀察表面電子結(jié)構(gòu)信息。
4、可實時地得到實空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。
5、真空、大氣、常溫、低溫、溶液、電勢控制下觀察。
6、對樣品無高能電子束傷害。
基于上述優(yōu)點，SPM被廣泛的應(yīng)用于表面原子結(jié)構(gòu)觀察、化學(xué)反應(yīng)表面觀察、吸附結(jié)構(gòu)(催化機理)觀察、納米尺度上的電磁力的性質(zhì)觀察以及生命現(xiàn)象觀察。應(yīng)用的范圍涵括了半導(dǎo)體業(yè)、記錄媒體業(yè)(探測光盤表面平滑度AFM)、材料科學(xué)、生物學(xué)、生命科學(xué)等等。
由以上SPM的掃描過程可知，SPM之所以能完成納米尺度的掃描工作，其關(guān)鍵是通過閉環(huán)控制及時調(diào)節(jié)壓電陶瓷掃描管的狀態(tài)進行掃描。生產(chǎn)過程中應(yīng)用最普遍的控制方法是PID控制，所謂PID控制，是將偏差信號的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用于SPM的控制系統(tǒng)中。
目前，大多數(shù)SPM系統(tǒng)都是采用模擬PID控制，這種模擬PID控制系統(tǒng)采用模擬電子元器件，通過搭接常規(guī)電子線路的方式設(shè)計PID控制器，其優(yōu)點是實時性好，缺點是靈活性差，可調(diào)PID參數(shù)范圍受到硬件電路設(shè)計的限制，不利于維護和升級。對于模擬處理系統(tǒng)，當需要改變系統(tǒng)性能時，不得不修改硬件設(shè)計，或調(diào)整硬件參數(shù)。一套模擬控制系統(tǒng)只能對應(yīng)它已經(jīng)實現(xiàn)的功能，升級意味著新系統(tǒng)的研制，隨之帶來的是開發(fā)周期的延長。因此，要解決原來在模擬PID控制器中無法解決的問題，必須將模擬線路實現(xiàn)的功能用軟件來實現(xiàn)，即利用微型機系統(tǒng)代替模擬控制器的常規(guī)電子線路并受PID控制器程序的控制，亦即數(shù)字PID控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)SPM模擬量控制系統(tǒng)的缺陷，提供一種掃描探針顯微鏡的數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。
本發(fā)明以數(shù)字信號處理器DSP為基礎(chǔ)搭建SPM的硬件平臺，在此硬件平臺基礎(chǔ)上通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID控制器的設(shè)計。本發(fā)明只需在進行軟件參數(shù)設(shè)置或算法改進的情況下，就能改善掃描控制系統(tǒng)的品質(zhì)，滿足不同的性能要求。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明由掃描探針顯微鏡的硬件系統(tǒng)和數(shù)字PID控制程序構(gòu)成。
本發(fā)明的硬件系統(tǒng)包括電子學(xué)部分和探頭部分。
電子學(xué)部分從功能上分為七大模塊，分別是電源系統(tǒng)、A/D板、D/A板、高壓放大板、多功能信號板，DSP主控制板以及總線接口電路模塊。
電源系統(tǒng)、A/D板、D/A板、高壓放大板、多功能信號板，DSP主控制板均通過系統(tǒng)總線接口電路相連接，總線接口電路中均為自定義的總線，包括了地址線(A00～A10)、數(shù)據(jù)線(D00～D15)、讀寫控制(RD、WD)、外部I/O操作控制，以及電源線、地線和一些需要通過總線傳送的模擬信號，總線定義為96根，總線接口電路板上設(shè)計有六個相同的96芯母接口，并把六個母接口連在一起，其余的每塊功能板上的一端都有一個96芯的公接口，這樣，只需把其余的功能電路板分別插到總線板的六個接口上，整個系統(tǒng)就掛在了系統(tǒng)總線上。
各個板與總線之間的接口邏輯以及板上的一些粘合邏輯都采用CPLD技術(shù)實現(xiàn)。整個電子學(xué)部分以DSP主控板為核心，一方面主控板上的DSP芯片通過USB接口和上位機實現(xiàn)通訊，另一方面，從DSP提供的總線中的地址、數(shù)據(jù)和控制線通過接口電路連接至各個模塊板卡上的CPLD芯片，然后通過對CPLD的編程來實現(xiàn)地址譯碼、數(shù)據(jù)讀寫或鎖存等等工作，從而實現(xiàn)DSP主控板對其余各功能板塊的控制，實現(xiàn)DSP對A/D轉(zhuǎn)換模塊過來的數(shù)據(jù)進行采集和數(shù)字PID調(diào)節(jié)，以及實現(xiàn)DSP將調(diào)節(jié)后的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換模塊，從D/A板出來的電氣信號在通過高壓放大板濾波放大后，控制探頭進行掃描。
DSP主控板是電子學(xué)部分的核心模塊，它以高速數(shù)字信號處理器DSP為核心，主要實現(xiàn)以下五大功能(1)通過D/A發(fā)送三角波驅(qū)動壓電陶瓷掃描管帶動微探針在樣品表面掃描；(2)通過A/D采集當前探針形變量(激光偏轉(zhuǎn)差值)；(3)從USB接口接收來自PC機的命令并且下達各部件執(zhí)行，包括當前坐標設(shè)定、隧道電流的設(shè)定、步進電機的驅(qū)動、相位模式下的探針掃頻用DDS器件合成頻率等。
(4)向USB口發(fā)送掃描圖像的數(shù)據(jù)，PC對這些數(shù)據(jù)處理之后得到掃描圖像。
(5)掃描管Z方向的數(shù)字PID控制回路，用來實現(xiàn)對壓電陶瓷掃描管Z方向的數(shù)字PID控制。
A/D板采用高速ADC芯片，主要用來把來自激光探測器的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入DSP主控制板，從而構(gòu)成Z方向的閉環(huán)控制，同時得到Z方向的高度以形成圖像數(shù)據(jù)。
D/A板采用雙緩存DAC芯片設(shè)計，主要用來接受DSP發(fā)來的控制信號，并將其轉(zhuǎn)換為模擬量，實現(xiàn)掃描管Z向控制、預(yù)置偏壓以及光柵掃描輸出等功能。
多功能信號板主要實現(xiàn)光電檢測器所得激光信號的處理。
高壓放大板采用美國AD公司的高壓放大芯片，一是對光柵掃描輸出進行高壓放大以驅(qū)動壓電陶瓷管進行XY向掃描，二是將經(jīng)過PID控制器調(diào)節(jié)后的偏差信號進行高壓放大，對壓電陶瓷掃描管的Z向狀態(tài)進行及時控制。
電源系統(tǒng)主要實現(xiàn)向系統(tǒng)供電。一共分為+5V、±15V、±150V和+18V幾個部分。其中+5V電源主要向系統(tǒng)中的數(shù)字電路供電，±15V向系統(tǒng)中的模擬電路部分供電，±150V作為壓電陶瓷管掃描電壓放大電路部分的電源，而+18V向步進電機供電。
探頭部分，即系統(tǒng)的探測模塊。探頭部分通過電子學(xué)部分的控制信號控制其動作，從而實現(xiàn)掃描。
本發(fā)明硬件工作過程如下(1)探針在掃描過程中，樣本形貌的變化會引起激光器打在微懸臂上的反射光路發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過四像限光電檢測器即時監(jiān)測激光信號的偏轉(zhuǎn)量，檢測器的輸出信號是ABCD四路弱電流信號，再通過前置放大器對四路弱電流輸出進行放大并轉(zhuǎn)化為四路電壓信號送入多功能信號板進行處理。
(2)多功能板上，對四路信號進行相應(yīng)運算處理后，就得到了微懸臂在掃描點位置上與Z向位移成比例的電壓值。
(3)將該電壓值送入A/D板，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送入DSP主控制板處理。
(4)在DSP控制器中，該數(shù)字量與設(shè)定值進行比較后得到誤差信號，其中設(shè)定值為探針在未發(fā)生形變與形變產(chǎn)生之間的臨界值，一旦樣本出現(xiàn)高低變化，就會有誤差產(chǎn)生，誤差信號進入PID控制器程序，控制器立即產(chǎn)生控制作用，得到數(shù)字控制信號。在得到實時的控制信號后，一方面，記錄下跟蹤穩(wěn)定后該控制信號的值，通過USB口送入計算機，作為樣本形貌數(shù)據(jù)保存；另一方面，將該控制信號送入D/A板。
(5)數(shù)字控制量通過D/A板，轉(zhuǎn)化為模擬控制量(電壓值)，送入高壓放大板。
(6)模擬控制量經(jīng)高壓放大后，即時調(diào)節(jié)壓電陶瓷掃描管的Z向伸縮，保證探針恢復(fù)到無形變狀態(tài)，即讓探針與樣本間距保持恒高狀態(tài)，以保證下一個點位置的掃描工作。
本發(fā)明的數(shù)字PID控制程序的設(shè)計，是將模擬PID控制規(guī)律進行適當變換后，以DSP主控板上的DSP數(shù)字信號處理器為運算核心，利用軟件程序來實現(xiàn)PID控制和校正。
本發(fā)明的數(shù)字PID控制由偏差處理，PID計算和控制量處理三部分程序組成。
偏差處理程序主要是把采集到的已通過A/D板轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的激光信號與設(shè)定值進行比較，轉(zhuǎn)化為誤差信號，并進行限值處理。其具體操作步驟如下設(shè)定探針在未發(fā)生形變與形變產(chǎn)生之間的臨界值為參考值，以其為標準，與采樣信號進行比較，得到的差值即為誤差信號，若該誤差信號超過正負向的最大偏差值，則令該誤差信號與其相對應(yīng)的正負向的最大偏差值相等，本系統(tǒng)正負偏差范圍可在軟件中自行設(shè)定，但正向不能超過+32768，負向不能超過-32767，因此，在程序中令大于+32768的正向偏差為+32768，令小于-32767的負向偏差為-32767。
PID計算程序主要負責(zé)對偏差處理程序所得到的誤差信號進行線性校正，程序中包括比例(P)、積分(I)和微分(D)三個校正環(huán)節(jié)，其中比例環(huán)節(jié)負責(zé)成比例的反映控制系統(tǒng)誤差信號，誤差一旦產(chǎn)生，立即產(chǎn)生控制作用，以減小誤差；積分環(huán)節(jié)用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分環(huán)節(jié)反映信號的變化趨勢，以便能在誤差信號變太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。三個環(huán)節(jié)的對于誤差信號的影響，在程序中通過設(shè)定比例系數(shù)Kp，積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd的大小來決定，誤差信號在分別經(jīng)過三個校正環(huán)節(jié)的運算后，將各校正環(huán)節(jié)所得到誤差信號在分別經(jīng)過三個校正環(huán)節(jié)的運算后，將各校正環(huán)節(jié)所得到的值相加，從而構(gòu)成了針對壓電陶瓷掃描管的控制量，因為采用的是增量式算法，參與校正的是相鄰兩次誤差信號之差，因此得到的控制信號是控制增量，該控制算法中不需要累加，所以誤動作時影響小，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。
控制量處理程序?qū)嶋H上就是一個限值處理程序，當計算得出的控制增量結(jié)果超出正負最大控制量范圍時，使之與相對應(yīng)的限定最大正負幅值相等，從而避免壓電陶瓷掃描管的伸縮量超出正常工作范圍。最后，經(jīng)過這三步程序校正和處理后得到的控制增量，便可通過D/A板轉(zhuǎn)化成模擬量，經(jīng)高壓放大后，及時調(diào)整壓電陶瓷掃描管的Z向狀態(tài)，以保證針尖與樣本間的作用力恒定，從而保證與針尖相連的微懸臂在形變后及時恢復(fù)正常狀態(tài)以進行下一個點位置的掃描。
本發(fā)明中，軟件及其運算基礎(chǔ)DSP構(gòu)成了整個掃描控制系統(tǒng)的核心，并控制其他硬件一起協(xié)同工作，組成了SPM的數(shù)字PID閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)。
當控制器對閉環(huán)系統(tǒng)進行PID調(diào)節(jié)時，只需在軟件上調(diào)整比例，積分和微分等參數(shù)，即修改Kp，Ki，Kd的變量內(nèi)容，就可改變整個閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能。
本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，相對于以往使用模擬PID控制的SPM，具有以下優(yōu)點1.可調(diào)參數(shù)范圍大，對于PID可調(diào)參數(shù)而言，參數(shù)的可調(diào)范圍非帶寬廣，不會受到以往模擬電路的限制。使用軟件PID控制，可以實現(xiàn)各種PID參數(shù)設(shè)置的掃描，以適應(yīng)對不同樣本掃描的要求。
2.控制靈活，PID控制器在實際應(yīng)用中，往往要面對不少具體問題，如積分飽和問題，限位問題，干擾抑制問題，這在模擬PID控制中需要采取改變線路和元器件，甚至是更換不同類型的PID調(diào)節(jié)器來加以解決，而對于數(shù)字PID控制，只需要軟件代碼的修正，問題便能很容易的得到解決。
3.可升級性好，如果要達到更加精準和智能的PID控制效果，模擬電路的設(shè)計會更加復(fù)雜或者是根本無法設(shè)計出相應(yīng)的PID控制電路，而對于軟件PID控制而言，只需要算法的改進和程序的升級而已，硬件上不需要做任何改動。
4.可靠性高，由于控制效果通過DSP運算實現(xiàn)，在器件正常工作條件下，環(huán)境與噪聲不容易影響結(jié)果的準確性和正確性。
5.保密性好，由于DSP系統(tǒng)中DSP，CPLD等器件在保密上的優(yōu)越性能，使其與由分立組成的模擬系統(tǒng)或簡單的數(shù)字系統(tǒng)相比，具有高度保密性。
6.可以方便的完成閉環(huán)控制和非閉環(huán)控制之間的切換，對于實現(xiàn)SPM某些特殊功能的掃描模式(如電場力掃描，磁場力掃描)提供了基礎(chǔ)。
7.此外，借助DSP運算速度快，軟件操作靈活性大的優(yōu)點，可以使控制對像有更好的瞬態(tài)特性和更高的穩(wěn)態(tài)精度。



圖1為原子力式掃描探針顯微鏡原理示意圖；圖2為本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為總線接口電路板的接口定義原理圖；圖4為A/D板原理框圖；圖5為D/A板原理框圖；圖6為多功能信號板信號處理電路圖；圖7為高壓板原理框圖；圖8為探測模塊示意圖；圖9為SPM系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制原理框圖；圖10為PID控制軟件流程圖；圖11為利用數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)掃描所得到的光盤表面形貌圖的部分截圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
如圖2所示，本發(fā)明硬件系統(tǒng)包括電子學(xué)部分和SPM探頭部分，其中電子學(xué)部分由總線接口電路板、DSP主控制板、電源系統(tǒng)、A/D板、D/A板、高壓放大板、多功能信號板組成。
如圖3所示，總線接口電路板上都是自定義的總線，包括了地址線(A00～A10)、數(shù)據(jù)線(D00～D15)、讀寫控制(RD、WD)、外部I/O操作控制，以及電源線、地線和一些需要通過總線傳送的模擬信號，總線定義為96根，總線接口電路板上設(shè)計有六個相同的96芯母接口，并把六個母接口連在一起，其余的每塊功能板上的一端都有一個96芯的公接口。依次定義總線接口電路板上的六個96芯母接口為接口1，接口2，接口3，接口4，接口5，接口6，將DSP主控板插入接口1，A/D板插入接口2，D/A板插入接口3，多功能信號板插入接口4，高壓放大板插入接口5，電源系統(tǒng)接入接口6，整個系統(tǒng)就掛在了系統(tǒng)總線上。DSP主控制板通過總線接口電路板分別與電源系統(tǒng)、A/D板、D/A板、高壓放大及步進電機驅(qū)動模塊、多功能信號板相連接，SPM探頭分別與高壓放大及步進電機驅(qū)動模塊、多功能信號板相連接。
DSP主控板由數(shù)字信號處理器TMS320C5402、存儲器芯片、USB接口芯片68013組成。存儲器是一片SDRAM芯片，SDRAM的數(shù)據(jù)/地址總線與DSP的數(shù)據(jù)/地址總線相連接，USB接口芯片的數(shù)據(jù)/地址總線與DSP的數(shù)據(jù)/地址總線相連接，并通過USB串行總線與上位機實現(xiàn)通訊。數(shù)字信號處理器接收總線上來自A/D板的信號，通過PID控制器程序?qū)π盘栠M行PID調(diào)節(jié)，將每次跟蹤穩(wěn)定后無偏差的數(shù)據(jù)暫時存入存儲器芯片中的存諸單元中，同時通過USB接口電路與上位機進行通訊，在上位機做出要求的情況下，將數(shù)據(jù)上傳入上位機進行保存。
如圖4所示，A/D板由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和信號選擇電路組成，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元采用16位AD7671模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，信號選擇電路單元采用模擬開關(guān)芯片，模擬開關(guān)芯片的輸入信號端與總線接口中的模擬信號引腳相連接，獲取來自信號板的模擬信號進行選擇輸出，模擬開關(guān)芯片的輸出信號端則連接至AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片模擬信號輸入腳，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字信號輸出端連接到總線接口中的數(shù)據(jù)線(D00～D15)部分。在信號選擇電路中，模擬開關(guān)芯片通過切換通道，將來自多功能信號板需要進行轉(zhuǎn)換的模擬信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的A/D芯片，得到的數(shù)字信號通過總線進入DSP主控板進行處理。
如圖5所示，D/A板由XY兩個方向的掃描信號輸出電路、Z向控制信號輸出電路組成。X方向和Y方向掃描信號輸出電路、Z向控制信號輸出電路均是一片AD669的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，X方向和Y方向掃描信號輸出電路、Z向控制信號輸出電路的信號輸入端連接到總線接口中的數(shù)據(jù)線(D00～D15)部分，輸出端連接到總線接口的模擬信號線部分，通過總線接口接受DSP主控板發(fā)出的控制信號，分別對所得信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并將得到的XYZ三向模擬信號通過總線接口送入高壓放大板進行信號放大。
如圖6所示的多功能信號板由四象限光電檢測器輸出信號的運算處理電路組成。運算處理電路包括兩片加法器芯片和一片除法器芯片，兩片加法器的輸入端均連接到總線接口處表征ABCD四像限光電信號的接口端，其輸出端連接到除法器的輸入端，除法器的輸出端則連接到總線接口的模擬信號引腳，將運算所得的輸出信號送入AD板。探針在掃描時，微懸梁的形變引起激光光斑移動，光電檢測器上四個象限因受到光照面積不同而輸出不同的光電流ABCD，通過加法器芯片可得到各像限信號的差值(C+D)-(A+B)，它與微懸梁的形變有著簡單的正比例關(guān)系，該值再通過除法器與另一加法器芯片所得到的各像限信號的和值-(A+B+C+D)相除，這時除法器的輸出便表征了微懸梁的實際形變量。
如圖7所示，高壓放大板由XYZ三路高壓放大電路單元組成，電路單元采用高壓運放AD171芯片，它們的輸入信號端分別與總線接口電路端的X_IN、Y_IN、Z_IN連接，接收來自D/A的信號，分別將D/A產(chǎn)生的XY方向的掃描波形進行高壓放大以驅(qū)動壓電陶瓷管進行XY向掃描，對閉環(huán)PID控制器的輸出進行高壓放大以驅(qū)動壓電陶瓷管的Z向伸縮。
如圖8所示，探頭部分包括激光器，四像限光電檢測器，微懸臂探針，壓電陶瓷掃描管以及電機推進平臺。一方面，激光器發(fā)出的激光打在微懸臂的鏡面上，通過反射進入四像限光電檢測器，探針感應(yīng)樣本表面的起伏，造成微懸臂的形變，相應(yīng)打在光電檢測器上的激光光斑會產(chǎn)生位移，從而造成檢測器接收的激光強度值發(fā)生變化，這一信號值進入多功能信號板進行處理，便能夠表征微懸臂的形變值。另一方面，通過電子學(xué)部分發(fā)出的控制信號控制壓電陶瓷掃描管的動作，便能完成Z向閉環(huán)控制和XY向掃描。
圖9所示為DSP中所運行的PID控制流程。如圖9所示，DSP數(shù)字信號處理器首先完成數(shù)據(jù)的初始化，定義初始PID參數(shù)，定義參考值，然后按照所設(shè)定的參數(shù)對接收到的偏差信號進行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，其間的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)包括偏差處理，PID計算和控制量處理三部分程序。完成數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)后，運算得到的數(shù)字控制增量從DSP發(fā)出，通過D/A模塊轉(zhuǎn)化為模擬量，對控制對象壓電陶瓷管進行實時控制，即通過控制壓電陶瓷管的伸縮，讓樣本趨近或遠離探針，從而使發(fā)生形變的探針逐漸恢復(fù)無形變狀態(tài)。每次通過PID程序運算得到的控制增量都會使壓電陶瓷的狀態(tài)發(fā)生改變，從而使重新得到的偏差的信號發(fā)生改變，因此，需要根據(jù)新的系統(tǒng)狀態(tài)下的偏差信號，更新參數(shù)，進行新一輪閉環(huán)(PID)控制程序的運算和控制量的輸出，直到偏差信號為零，探針恢復(fù)到無形變狀態(tài)。接下來便能平移樣本，進行下一個點位置的掃描，同時根據(jù)下一個點位置對探針造成的形變量進行數(shù)字閉環(huán)(PID)控制。
下面進一步對本發(fā)明的工作過程進行描述以光盤盤片表面為樣本，使用本發(fā)明對它進行接觸模式(Contact Mode)的數(shù)字閉環(huán)掃描。
1.如圖8所示，通過調(diào)節(jié)微懸臂位置，使激光器光點移至探針微懸臂上，保證激光經(jīng)反射后進入四象限光電檢測器，調(diào)節(jié)四象限光電檢測器作XY方向平移，控制激光光斑在光電檢測器的正中位置。此時，光電檢測器上ABCD四象限各相當于一個光電管。驅(qū)動步進電機，使探針逐步趨近樣本。當探針與表面輕輕接觸時，因為原子間相互斥力的作用，微懸臂發(fā)生彈性形變，根據(jù)光杠桿作用，反射在光電檢測器上的光點斑位置同時產(chǎn)生向上的偏移，當偏移到參考值時，DSP停止對步進電機的驅(qū)動，開始掃描。在進行樣本掃描時，樣本的起伏引起微懸臂的形變，微懸臂在形變過程中引起光斑移動，則四個像限會因為光照面積不同而輸出不同的光電流。將光電流信號轉(zhuǎn)化為ABCD四個電壓值，經(jīng)信號放大后進入多功能信號板。
2.如圖6所示，多功能信號板的信號處理電路通過加法器和除法器對ABCD四個電壓值進行運算處理，得到表征微懸臂形變量的電壓值，即圖中除法器的輸出值A(chǔ)FM-CNI，將該值送入A/D板。
3.如圖4所示，該電壓值經(jīng)模擬開關(guān)選通后，進入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)總線送入DSP主控板中的數(shù)字信號處理器TMS320C5402進行數(shù)字PID調(diào)節(jié)。
4.如圖9所示，DSP運算流程中，首先進行參數(shù)的初始化，初始化比例，積分和微分等參數(shù)，即為Kp，Ki，Kd變量賦值；然后進行誤差的初始化，即將實時檢測到的反映微懸臂形變量的數(shù)字值與設(shè)定好的參考值進行比較，得到其差值，作為誤差信號，并對誤差信號進行限值處理，以保證其合理性；接下來，根據(jù)所設(shè)定的比例，積分和微分參數(shù)，對誤差信號分別進行三個校正環(huán)節(jié)的計算，將各校正環(huán)節(jié)所得到的值相加，從而構(gòu)成了針對壓電陶瓷掃描管的控制量，因為采用的是增量式算法，參與校正的是相鄰兩次誤差信號之差，因此得到的控制信號是控制增量；最后，將該控制增量輸出，更新參數(shù)，進行下一輪PID計算。
5.從DSP輸出的控制增量經(jīng)總線進入D/A板，如圖5所示。該數(shù)字控制量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片后轉(zhuǎn)換為模擬量電壓信號，送入高壓放大板。
6.如圖7所示，模擬控制量經(jīng)Z向高壓放大芯片后，該值已足夠驅(qū)動壓電陶瓷掃描管進行Z向的調(diào)節(jié)。將該值送入SPM探頭部分，控制壓電陶瓷掃描管的動作。
7.如圖8所示，在微懸臂發(fā)生彈性形變的情況下，壓電陶瓷管根據(jù)控制量即時調(diào)節(jié)Z向伸縮量，以保證探針恢復(fù)到無形變狀態(tài)，即讓探針與樣本間距保持恒高狀態(tài)，從而保證每一個點位置的掃描工作；同時，壓電陶瓷管在每一個點位置上的Z向調(diào)節(jié)量也被記載下來，作為所掃描樣本的表面形貌數(shù)據(jù)保存到主控板存儲器中并在需要的情況下將所存數(shù)據(jù)通過USB口，即時上傳到計算機中，生成圖像。
8.整個SPM系統(tǒng)的PID控制過程如圖10所示，各個硬件模塊與軟件PID控制程序協(xié)同工作，構(gòu)成一個閉環(huán)回路。
9.如圖11所示，為利用SPM數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)掃描所得到的光盤樣本表面形貌圖的部分截圖。
本發(fā)明改變了以往SPM系統(tǒng)進行模擬PID控制的傳統(tǒng)控制方法，將繁雜的電路轉(zhuǎn)化為軟件程序，提高了系統(tǒng)的可控性，同時也為系統(tǒng)的可擴展性，可升級性，提供了基礎(chǔ)和保障。
權(quán)利要求
1.一種掃描探針顯微鏡的數(shù)字閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)，包括電子學(xué)部分、SPM探頭部分組成的硬件系統(tǒng)和數(shù)字PID控制程序，其特征在于，電子學(xué)部分由總線接口電路板、DSP主控制板、A/D轉(zhuǎn)換卡、D/A轉(zhuǎn)換卡、高壓放大板、多功能信號板組成；總線接口電路板上均為自定義的總線，包括了地址線(A00～A10)、數(shù)據(jù)線(D00～D15)、讀寫控制(RD、WD)、外部I/O操作控制，以及電源線、地線和一些需要通過總線傳送的模擬信號，總線定義為96根，總線接口電路板上設(shè)計有六個相同的96芯母接口，并把六個母接口連在一起，其余的每塊功能板上的一端都有一個96芯的公接口；依次定義總線接口電路板上的六個96芯母接口為接口1，接口2，接口3，接口4，接口5，接口6，DSP主控板插入接口1，A/D板插入接口2，D/A板插入接口3，多功能信號板插入接口4，高壓放大板插入接口5，電源系統(tǒng)接入接口6；DSP主控制板通過總線接口電路板分別與電源系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換卡、D/A轉(zhuǎn)換卡、高壓放大及步進電機驅(qū)動模塊、多功能信號板相連接，SPM探頭分別與高壓放大板、多功能信號板相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡的數(shù)字閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP主控板由數(shù)字信號處理器、存儲器芯片、USB接口芯片組成，存儲器的數(shù)據(jù)/地址總線與DSP的數(shù)據(jù)/地址總線相連接，USB接口芯片的數(shù)據(jù)/地址總線與DSP的數(shù)據(jù)/地址總線相連接，并通過USB串行總線與上位機實現(xiàn)通訊；所述的A/D板由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和信號選擇電路組成，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用16位AD7671模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，信號選擇電路采用模擬開關(guān)芯片；模擬開關(guān)芯片的輸入信號端與總線接口中的模擬信號引腳相連接，模擬開關(guān)芯片的輸出信號端連接至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片模擬信號輸入腳，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字信號輸出端連接到總線接口中的數(shù)據(jù)線(D00～D15)部分；所述的D/A板由XY兩個方向的掃描信號輸出電路、Z向控制信號輸出電路組成；X方向和Y方向掃描信號輸出電路、Z向控制信號輸出電路均為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，X方向和Y方向掃描信號輸出電路、Z向控制信號輸出電路的信號輸入端連接到總線接口中的數(shù)據(jù)線(D00～D15)部分，輸出端連接到總線接口的模擬信號線部分；所述的多功能信號板由四象限光電檢測器輸出信號的運算處理電路組成。運算處理電路包括兩片加法器芯片和一片除法器芯片，兩片加法器的輸入端均連接到總線接口處表征ABCD四像限光電信號的接口端，其輸出端連接到除法器的輸入端，除法器的輸出端則連接到總線接口的模擬信號引腳，將運算所得的輸出信號送入AD板；所述的高壓放大板由XYZ三路高壓放大電路單元組成，電路單元采用高壓運放AD171芯片，它們的輸入信號端分別與總線接口電路端的X_IN、Y_IN、Z_IN連接。
3.按照權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡的數(shù)字閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字PID控制由DSP主控制板的DSP數(shù)字信號處理器完成，步驟如下首先完成數(shù)據(jù)的初始化，定義初始PID參數(shù)，定義參考值，然后按照所設(shè)定的參數(shù)對接收到的偏差信號進行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)；完成數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)后，運算得到的數(shù)字控制增量從DSP發(fā)出，通過D/A板轉(zhuǎn)化為模擬量，對控制對象壓電陶瓷管進行實時控制，即通過控制壓電陶瓷管的伸縮，讓樣本趨近或遠離探針，從而使發(fā)生形變的探針逐漸恢復(fù)無形變狀態(tài)；然后再根據(jù)新的系統(tǒng)狀態(tài)下的偏差信號，更新參數(shù)，進行新一輪閉環(huán)控制程序的運算和控制量的輸出，直到偏差信號為零，探針恢復(fù)到無形變狀態(tài)，接下來便能平移樣本，進行下一個點位置的掃描，同時根據(jù)下一個點位置對探針造成的形變量進行閉環(huán)控制。
4.按照權(quán)利要求
3所述的掃描探針顯微鏡的數(shù)字閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)，其特征在于所述的對接收到的偏差信號進行的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)包括偏差處理，PID計算和控制量處理三部分程序；偏差處理是把采集到的已通過A/D板轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的激光信號與設(shè)定值進行比較，得到的差值作為誤差信號，若該誤差信號超過正負向的最大偏差值，則令該誤差信號與其相對應(yīng)的正負向的最大偏差值相等；PID計算主要負責(zé)對偏差處理所得到的誤差信號進行線性校正，包括比例(P)、積分(I)和微分(D)三個校正環(huán)節(jié)，其中比例環(huán)節(jié)負責(zé)成比例的反映控制系統(tǒng)誤差信號，誤差一旦產(chǎn)生，立即產(chǎn)生控制作用，以減小誤差；積分環(huán)節(jié)用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分環(huán)節(jié)反映信號的變化趨勢，以便能在誤差信號變太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間；三個環(huán)節(jié)對于誤差信號的影響，通過設(shè)定比例系數(shù)Kp，積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd的大小來決定，誤差信號在分別經(jīng)過三個校正環(huán)節(jié)的運算后，將各校正環(huán)節(jié)所得到的值相加，便構(gòu)成了針對壓電陶瓷掃描管的控制量；控制量處理是當?shù)贸龅目刂圃隽拷Y(jié)果超出正負最大控制量范圍時，進行限值處理，使之與相對應(yīng)的限定最大正負幅值相等，避免壓電陶瓷掃描管的伸縮量超出正常工作范圍；經(jīng)過這三步程序校正和處理后得到的控制增量，便可通過D/A板轉(zhuǎn)化成模擬量，經(jīng)高壓放大后，及時調(diào)整壓電陶瓷掃描管的Z向狀態(tài)，以保證針尖與樣本間的作用力恒定，從而保證與針尖相連的微懸臂在形變后及時恢復(fù)正常狀態(tài)以進行下一個點位置的掃描。
專利摘要
一種掃描探針顯微鏡的數(shù)字閉環(huán)掃描控制系統(tǒng)，包括電子學(xué)部分、SPM探頭部分和數(shù)字PID控制程序。電子學(xué)部分以DSP主控板為核心，DSP主控板上的DSP芯片通過USB接口和上位機實現(xiàn)通訊，并從DSP提供的總線中的地址、數(shù)據(jù)和控制線通過接口電路連接至各個模塊板卡上的CPLD芯片，然后通過對CPLD的編程來實現(xiàn)地址譯碼、數(shù)據(jù)讀寫或鎖存等工作，實現(xiàn)DSP主控板對其余各功能板塊的控制，對A/D板過來的數(shù)據(jù)進行采集和數(shù)字PID調(diào)節(jié)，以及將調(diào)節(jié)后的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換板，從D/A板出來的電氣信號經(jīng)高壓放大板濾波放大后，控制探頭進行掃描。以DSP作為運算基礎(chǔ)的數(shù)字PID控制程序可令掃描探針顯微鏡在掃描過程中完全通過數(shù)字閉環(huán)控制來進行信號跟蹤和反饋。
文檔編號G01Q60/10GKCN1912573SQ200510086212
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月8日
發(fā)明者夏清文, 林云生, 韓立, 左燕生 申請人:中國科學(xué)院電工研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan