扫描探针显微镜大范围扫描漂移实时校正方法研究

Scanning Probe Microscopy has been playing a significant instrumental role for imaging, metrology and manipulating in nanotechnology, which has been widely used in many fields such as precise measurement, material science, biomedical science, etc. However, the performance of scanning probe microscopy is easily affected by thermal drift and hysteresis of piezoelectric platform, causing distortion to the scanned image and bringing measurement error too.. This project plans to investigate an online correction method for hysteresis and a scanning method for SPM that can calculate and correct the thermal drift in real-time, and to explore new scanning method and route, eliminating the cumulative error of thermal drift and hysteresis in the large range scanning.. The research includes: (1) Building a mathematical model for hysteresis to prevent the effect of hysteresis to the calculation of drift, exploring the method to derive model parameters from the scanned image of normal sample, and then studying the online hysteresis correction method. (2) Analyzing and programming the scanning route for large range scanning to establish the tight relationship between the scanning image and the scanned image, and investigating the real-time calculation and compensation method of thermal drift. (3) Through the design of large range and high precision scanning platform, remould and construction of the experimental platform and control system, carrying out the experimental research to obtain the low-drift sample image of large range scanning.. The implementation of this project will be benefit to improve the large-range scanning performance, and will realize the theoretical and practical value.

扫描探针显微镜为纳米科技的成像、计量和操控提供了重要的工具，在精密测量、材料、生物医学等领域得到广泛的应用。然而，扫描探针显微镜大范围扫描时受到迟滞和漂移等影响，导致扫描图像产生畸变，带来测量误差。本项目拟研究迟滞在线校正和漂移实时计算并校正补偿的扫描方法，探索新的扫描方法和路径规划，消除大范围扫描时迟滞和漂移对图像的累积误差。主要研究工作有：首先为避免迟滞对漂移计算的影响，建立迟滞数学模型，探索基于普通样品图像的模型参数求解方法，进行迟滞的在线校正研究；其次分析与规划大范围扫描的路径，建立扫描图像之间的紧密关联，研究漂移实时计算和校正扫描方法；最后通过设计大行程高精度扫描平台、实验平台和控制系统的改造搭建，进行实验研究，获取大范围扫描样品的低漂移图像。本项目的顺利实施有利于改善扫描探针显微镜大范围扫描的性能，具有重要的理论和实际应用价值。

扫描探针显微镜为微纳米表面形貌的成像、计量和操控提供了重要的工具，在精密测量、材料、生物医学等领域得到广泛的应用。然而，扫描探针显微镜大范围扫描时受到迟滞和漂移等影响，导致扫描图像产生畸变，带来测量误差。本项目研究了一种基于相关扫描方法并实时校正漂移的旋转扫描路径，可以有效改进在大范围长时间扫描过程中漂移的影响。其具体研究内容包括以下几个方面：.1. 为降低扫描探针显微镜中压电致动器的迟滞对扫描过程中实时计算漂移的影响，提出了一种有效的正弦迟滞模型，并探索了一种可以使用普通扫描样品的模型参数求解方法，由此可以在计算漂移之前校正迟滞的影响。同时在研究过程中，探索了一种新的多叠层压电致动器独立驱动方法，可以在开环驱动时有效降低迟滞的大小。.2. 由于温漂、蠕变等原来带来的漂移的影响，扫描探针显微镜在扫描过程中常常会偏离既定的扫描路线，导致图像与实际样品会产生畸变甚至缺失样品的形貌信息。针对这一问题，提出了一种实时校正漂移的螺旋式扫描路径，通过重叠部分扫描区域的方式，后续扫描图像会与之前的扫描信息产生联系，利用前后扫描共有的图像信息，通过图像相关技术可以计算漂移的大小并进行实时校正。.3. 针对以上提出的两种研究内容，在实验室原由的原子力显微镜扫描平台上进行了实验研究。为适应新提出的扫描路径方法，改造了AFM在恒力扫描方式时硬件闭环控制，提高了扫描速度，设计了大行程高精度扫描平台，可以扩展AFM的扫描路径，并设计了相应的扫描控制程序，完成了螺旋式扫描路径的扫描图像。.通过本项目的研究，在不增加高性能位移传感器的基础上，通过提出的正弦迟滞模型降低了扫描探针显微镜图像迟滞，并根据实时校正漂移的螺旋式扫描路径，扫描得到了样品的低漂移图像，在一定程度上改善了扫描探针显微镜扫描的性能，具有较好的理论和实际应用价值。