基于ARM的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的研究.pdf

1、納米技術(shù)是近年來快速發(fā)展的前沿學(xué)科領(lǐng)域之一。納米技術(shù)正在不斷應(yīng)用到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，形成了許多與其相關(guān)的新興學(xué)科。掃描隧道顯微鏡（STM）與原子力顯微鏡（AFM）等是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是納米科技工作者必不可少的研究工具，而且尤以原子力顯微鏡的需求更大，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。
　　本文提出基于ARM的原子力顯微鏡的設(shè)計(jì)思想，對(duì)其原理和方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并將嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用到AFM的控制系統(tǒng)中，不僅具有重要的理論意義和

2、科學(xué)價(jià)值，而且具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　文中在總結(jié)納米科技及AFM應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)AFM的工作原理進(jìn)行了深入的探討。結(jié)合當(dāng)前AFM應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，提出了基于ARM嵌入式操作系統(tǒng)ARM-μCLinux的AFM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)用ARM控制18位DAC輸出模擬信號(hào)，再經(jīng)過高壓放大，控制壓電陶瓷器XYZ方向運(yùn)動(dòng)；系統(tǒng)采用16位同步ADC采集微懸臂梁的反饋信號(hào)；利用ARM多線程優(yōu)勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過LA

3、N口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；利用Atmega128L控制AD9851輸出0～500KHz、幅值可調(diào)的正弦波，頻率穩(wěn)定度0.04Hz，幅度輸出誤差在0.2mV范圍內(nèi)，在輕敲模式下，使AFM的微懸臂梁在其諧振頻率附近振蕩，從而實(shí)現(xiàn)輕敲式AFM掃描；通過三維步進(jìn)掃描平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)大范圍掃描；通過序列圖像拼接技術(shù)最大掃描范圍可以達(dá)到90mm×90mm，拼接算法準(zhǔn)確率達(dá)98％以上；提出了采用納米級(jí)非接觸位移傳感器作為自動(dòng)進(jìn)針系統(tǒng)的反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采

4、用三級(jí)進(jìn)針機(jī)制，控制自動(dòng)進(jìn)針過程，有效防止了在進(jìn)針過程中導(dǎo)致探針損壞或過度進(jìn)針導(dǎo)致的樣品表面損傷；開展了氣相和液相條件下AFM系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，均獲得了清晰的樣品形貌圖像，并對(duì)樣品形貌圖像作了分析。通過氣相和液相環(huán)境下的大量實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作可靠。
　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：
　　1、在 AFM系統(tǒng)中，引入了ARM-μCLinux占先式嵌入式操作系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并且使得系統(tǒng)應(yīng)用軟件的更新及外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)更為容易，與其