扫描探针显微镜中压电执行器模型参数标定和非线性校正方法技术

本发明专利技术涉及一种扫描探针显微镜中的压电执行器参数标定和非线性校正方法。本发明专利技术提出的方法是：（１）扫描标准光栅样品，获得其ＳＰＭ图像；（２）利用压电执行器模型参数标定软件获取压电执行器模型参数，（３）进行非线性在线校正前的数据转换，（４）在线进行非线性校正。本发明专利技术基于标准光栅样品ＳＰＭ图像的压电执行器模型参数标定软件，以获得压电执行器模型参数，进行压电执行器非线性校正，消除ＳＰＭ图像特征扭曲，并大为降低ＳＰＭ产品标定的复杂程度。

【技术实现步骤摘要】
参数标定和非线性校正方法
本专利技术涉及一种扫描探针显微镜(SPM)中的压电执行器模型参数标定和非线性校正方法。
技术介绍
SPM系列产品是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。要控制针尖在样品表面高精度的扫描，用普通机械控制难以达到要求。压电执行器(简称PZT)具有高精度、响应速度快和良好的可控性等优点，从而成为微位移执行器的普遍选择。SPM利用PZT的逆压电效应，将其作为x、y和z方向的压电扫描(执行)器。当所加的电压较小时，PZT的形变量与所加的电压呈线性关系。在x，y方向，按一定顺序施加不同频率的三角波形驱动电压，使得探针在样品表面作光栅运动实现扫描。与此同时，采用闭环控制策略，确保针尖-样品高度恒定，则可以通过加在z向驱动器上的电压值推算出样品表面光栅轨迹点上的相对起伏高度，经计算机重建后就可以在屏幕获得反映样品表面形貌的扫描图像。 但是，由于压电材料、制造工艺、压电电极的极化方向等因素的影响，实际的PZT压电扫描器输入—输出仅在很小范围内可近似为线性，而一般表现为回滞、蠕变等非线性特征。在SPM的应用中，尤其是在大范围扫描模式下，压电扫描器逆压电效应的非线性明显增强。若不能较好地校正其非线性，则必然导致图像特征扭曲。 不少文献通过分析扫描坐标系与空间坐标系之间的关系，对SPM图像数据后处理，即采用离线的处理方式(Offline Process)来实现PZT非线性校正。但是，SPM图像扭曲不仅与PZT输入—输出特性有关，而且与样品特性和x、y轴正交性等诸多因素有关，所以图像后处理变得极为复杂。所以，为了避免这个弊端，使其仅与PZT输入—输出特性有关，而独立于其它因素，通过修改压电扫描器的驱动电压产生机制，调整施加到x、y方向压电驱动器上的电压来补偿其非线性更为方便、合理，即采用在线的处理方式(Online Process)实时地进行非线性校正。 王艳菊等(王艳菊，张大彪。扫描隧道显微镜中的扫描驱动器的特性改善。河北工业大学学报，2001，30(2))利用开环补偿法，通过离线实验获取PZT输入—输出数据，建立非线性补偿方程。将保证PZT线性输出的控制数据编制成表格，单片机查表获取校正控制数据，完成非线性补偿。另外，美国Digital Instruments公司在三角波形的PZT驱动电压的基础上，叠加一个指数衰减的补偿信号，从而获得近似线性的位移输出。而x、y方向压电执行器在高频、高强度周期性电压激励下，驱动探针在被测样品表面作往返运动，此时压电执行器表现出明显的回滞非线性(尤其进行大范围扫描时)。而上述各种方法均没有考虑到这一点，因此线性度难以进一步得到提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，实现扫描探针显微镜中压电执行器非线性校正，消除SPM图像特征扭曲。 为达到上述专利技术目的，本专利技术拟基于标准光栅样品SPM图像数据，获取x、y方向压电执行器的输入(即驱动电压)和输出(即形变量)序列，从而建立其模型。由SPM扫描机理可知，当x方向压电执行器从左到右(即驱动电压由低到高)时，采集样品高度信息并传给上位机成像，而相反方向运动时，不采集样品高度信息，仅仅是使得探针归位；y方向压电执行器从上到下(即驱动电压由低到高)和从下到上运动时，均采集样品高度信息并传给上位机成像。因此，从标准样品的SPM图像中，我们仅仅能间接得到x方向压电执行器从左到右、y方向压电执行器从上到下和从下到上运动时的输出位移数据，而不能得到x方向压电执行器从右到左的输出位移数据。因而x、y方向压电执行器在模型结构选取上有所不同，x方向压电执行器采用多项式模型，y方向压电执行器采用基于基本回滞算子线性叠加的回滞非线性模型。针对不同的模型描述，本专利技术给出了相应的压电执行器非线性校正方法。 本专利技术采用的技术方案如下一种扫描探针显微镜中的压电执行器模型参数标定和非线性校正方法，其特征在于，具体实现步骤如下a.利用待标定的扫描探针显微镜(SPM)获取一维或二维标准光栅样品的SPM图像；b.利用压电执行器模型参数标定软件获取压电执行器模型参数，其步骤为 a).读取一维或二维标准样品的SPM图像文件，获取图像扫描参数，从而推算出扫描过程中x、y方向压电执行器的输入，即驱动电压序列；b).借助鼠标操作，选择一维标准光栅图像中的行或列或二维标准光栅图像光栅格点；c).根据用户输入的一维标准光栅相邻两条纹的物理间距或二维标准光栅相邻两网格点物理间距，软件执行运算，获取x、y方向压电执行器的输出，即形变量序列；d).基于所获得的x、y方向压电执行器的输入，即驱动电压和输出，即形变量序列，及其模型结构，模型结构为x方向压电执行器采用多项式，y方向压电执行器采用回滞非线性模型，然后分别采用最小二乘法和自适应范围DNA软计算方法，建立x、y方向压电执行器模型，并将模型参数存储到文件adjust.bin中；c.基于x、y方向压电执行器模型，实现非线性在线校正前的数据转换，其步骤为a).上位机软件读取文件adjust.bin，获取x、y方向压电执行器模型参数；b).将用户设定的当前扫描范围带入x、y方向压电执行器模型中，计算出x、y方向实际驱动压电输出范围；c).读取扫描频率f、采样周期ET、采用点数p等参数，分别计算x、y方向实际控制步骤，计算公式如下Sdspx+＝1/(2*f*ET)＝106/(32*f)，Sdspx-＝0，Sdspy+＝Sdspx+*2*p，Sdspy-＝0；d).计算DSP输出的x、y方向扫描电压上下限；e).将三组模型参数进行数制转换，并下传DSP控制器；在DSP中执行如下三步，在线实现非线性校正，其步骤为(a).读取x、y方向上初始扫描电压xscan(0)，yscan(0)，并输出到压电执行机构；(b).读取模型参数；(c).根据得到的模型参数分别计算x、y方向下一步的步进驱动电压增量xscan(n)，yscan(n)，然后输出到电压执行机构，驱动探针在样品表面作二维运动。循环执行步骤(b)-(c)，直至完成整个扫描过程。 上述的压电执行器模型标定软件执行运算获取x、y方向压电执行器输出形变量的方法为d.行或列的高度信息数据Z进行阈值化处理若Z＞HTHRESHOLD，则Z＝Z否则，Z＝0；e.设定积分边界对每一段高度信息连续不为0的点，第一个点的x(或y)坐标为积分下界a(或c)，最后一个点的x(或y)坐标为积分上界b(或d)；c.特征点平面坐标确定利用重心法确定特征点平面坐标(x，y)，其中，x=∫abx.z(x,y)dx∫abz(x,y)dx,y=∫cdy.z(x,y)dy∫cdz(x,y)dy]]>d.确定x(或y)方向压电执行器物理位移序列选择一维标准光栅SPM图像的两行数据，其纵坐标分别为N1、N2，通过前四步获取N1、N2记为L，图像中光栅条纹与水平方向的夹角为α，从而，N2行相邻两特征点间距为L/sin(α)，式中α＝arctg(abs((N1-N2)/(x2i-x1i)))。以图像中心为坐标原点，可以得到x方向物理位移序列；类似本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扫描探针显微镜中的压电执行器模型参数标定和非线性校正方法，其特征在于，具体实现步骤如下：ａ．利用待标定的扫描探针显微镜（ＳＰＭ）获取一维或二维标准光栅样品的ＳＰＭ图像；ｂ．利用压电执行器模型参数标定软件获取压电执行器模型 参数，其步骤为：ａ）．读取一维或二维标准样品的ＳＰＭ图像文件，获取图像扫描参数，从而推算出扫描过程中ｘ、ｙ方向压电执行器的输入，即驱动电压序列；ｂ）．借助鼠标操作，选择一维标准光栅图像中的行或列或二维标准光栅图像光栅格点；　 　ｃ）．根据用户输入的一维标准光栅相邻两条纹的物理间距或二维标准光栅相邻两网格点物理间距，软件执行运算，获取ｘ、ｙ方向压电执行器的输出，即形变量序列；ｄ）．基于所获得的ｘ、ｙ方向压电执行器的输入，即驱动电压和输出，即形变量序列， 及其模型结构，模型结构为：ｘ方向压电执行器采用多项式，ｙ方向压电执行器采用回滞非线性模型，然后分别采用最小二乘法和自适应范围ＤＮＡ软计算方法，建立ｘ、ｙ方向压电执行器模型，并将模型参数存储到文件ａｄｊｕｓｔ．ｂｉｎ中；ｃ．基于ｘ、ｙ 方向压电执行器模型，实现非线性在线校正前的数据转换，其步骤为：ａ）．上位机软件读取文件ａｄｊｕｓｔ．ｂｉｎ，获取ｘ、ｙ方向压电执行器模型参数；ｂ）．将用户设定的当前扫描范围带入ｘ、ｙ方向压电执行器模型中，计算出ｘ、ｙ方向实际 驱动压电输出范围；ｃ）．读取扫描频率ｆ、采样周期ＥＴ、采用点数ｐ等参数，分别计算ｘ、ｙ方向实际控制步骤，计算公式如下：Ｓ↓［ｄｓｐｘ＋］＝１／（２＊ｆ＊ＥＴ）＝１０６／（３２＊ｆ），Ｓ↓［ｄｓｐｘ－］＝０，Ｓ↓［ｄｓｐｙ＋］＝Ｓｄｓ ｐｘ↓［＋］＊２＊ｐ，Ｓ↓［ｄｓｐｙ－］＝０；ｄ）．计算ＤＳＰ输出的ｘ、ｙ方向扫描电压上下限；ｅ）．将三组模型参数进行数制转换，并下传ＤＳＰ控制器；在ＤＳＰ中执行如下三步，在线实现非线性校正，其步骤为：（ａ） ．读取ｘ、ｙ方向上初始扫描电压ｘｓｃａｎ（０），ｙｓｃａｎ（０），并输出到压电执行机构；（ｂ）．读取模型参数；（ｃ）．根据得到的模型参数分别计算ｘ、ｙ方向下一步的步进驱动电压增量ｘｓｃａｎ（ｎ），ｙｓｃａｎ（ｎ），然后输出到 电压执行机构，驱动探针在样品表面作二维运动。循环执行步骤（ｂ）－（ｃ），直至完成整个扫描过程。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：费敏锐，黄自元，李荣庆，刘辉，林学海，
申请(专利权)人：上海大学，上海爱建纳米科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]