参数自适应的NC-AFM悬臂控制系统设计
DOI:
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作者:
作者单位:

1.中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原 030051;2.中北大学半导体与物理学院 太原 030051; 3.中北大学仪器与电子学院 太原 030051

作者简介:

通讯作者:

中图分类号:

TH742;TN0

基金项目:

国家重点研发计划项目(2022YFC2204104)、国家自然科学基金国际合作与交流项目(62220106012)、山西省杰出青年基金(20210302121007)、山西省量子传感与精密测量国际联合实验室项目(202204041101015)资助


Parameter adaptive NC-AFM cantilever control system design
Author:
Affiliation:

1.State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology, North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.School of Semiconductor and Physics, North University of China,Taiyuan 030051,China; 3.School of Instrument and Electronics, North University of China,Taiyuan 030051,China

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    摘要:

    由于非接触原子力显微镜的成像精度在很大程度上依赖于用于保持悬臂梁恒幅振荡的谐振频率解调与反馈回路的性能。为提升谐振频率的解调和反馈环路的性能,本文设计了一种参数自适应悬臂控制系统,对传统锁相环和幅度比例积分控制器的结构进行了改进,分别引入最小均方算法和单神经元PID算法,实现了系统关键参数的自适应调节。通过系统测试与实验验证,该方法成功实现了对微悬臂梁的稳定控制,将锁相环的频率锁定时间从41 ms缩短至32 μs,频率分辨率提升至0.04 Hz。同时,该系统有效抑制了悬臂梁振荡状态的发生,显著改善了成像实验中的非线性失真现象。最后进行了镀层表面应用测试,有效的测量出镀层厚度为50 nm。

    Abstract:

    The imaging accuracy of a non-contact atomic force microscope heavily depends on the performance of its resonant frequency demodulation and feedback loop, which maintain the constant amplitude oscillation of the cantilever beam. To enhance this performance, this paper presents a parametric adaptive cantilever control system. It does this by improving the structure of the amplitude proportional-integral controller and the traditional phase-locked loop, and by introducing the single-neuron PID algorithm and the least-mean-square algorithm, respectively, to achieve adaptive adjustment of the system′s key parameters. Through experimental verification and system testing, the technique effectively achieves stable control of the micro-cantilever beam, reduces the phase-locked loop′s frequency locking time from 41 ms to 32 μs, and improves the frequency resolution to 0.04 Hz. Concurrently, The system effectively suppresses cantilever oscillations, significantly improving nonlinear distortion in imaging experiments. Finally, a coating surface test was conducted, accurately measuring a thickness of 50 nm.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

曾德超,姚志飞,孙秋园,赵波慧,马宗敏.参数自适应的NC-AFM悬臂控制系统设计[J].电子测量技术,2025,48(16):12-18

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