[發(fā)明專利]一種SICM的探針樣品距離控制方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710259175.8
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN108732387B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉連慶;滕澤宇;于鵬;楊洋;楊鐵;趙亮;李廣勇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01Q60/44
• 分類號: G01Q60/44;G01Q10/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

1.一種SICM的探針與樣品間距離自適應(yīng)控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、掃描前建立逼近曲線，該逼近曲線為探針和樣品間距離與離子電流的關(guān)系曲線；利用逼近曲線建立下降沿補償函數(shù)模型，該模型以探針當前位置與工作點位置的Z軸壓電陶瓷電壓差值為輸入，以下降沿補償系數(shù)為輸出；

步驟2、掃描過程中將圖像上一行的掃描高度作為當前待掃描行的工作點位置；

步驟3、掃描當前行時，采集壓電陶瓷的實時位置，將探針當前位置與預測的工作點位置的Z軸壓電陶瓷電壓差值代入下降沿補償函數(shù)，得到下降沿補償系數(shù)；

步驟4、判斷當前位置是否為高度下降沿；若是則將離子電流偏差的比乘以下降沿補償系數(shù)反饋至控制器；

步驟5、控制器輸出控制量給壓電陶瓷，使探針跟蹤樣品的形貌高度，與樣品表面保持恒定的距離；

所述利用逼近曲線建立下降沿補償函數(shù)模型包括以下步驟：

步驟1-2-1、以圖像掃描時的電流設(shè)定值為中間點，將逼近曲線分成左、右即高度上升和高度下降兩部分；

步驟1-2-2、在高度上升和高度下降兩部分中，以離子電流與電流設(shè)定值之間的電流偏差的絕對值為函數(shù)值，以Z軸壓電陶瓷電壓與電流設(shè)定值處所對應(yīng)的Z軸壓電陶瓷電壓之差的絕對值為自變量，用來表示探針當前位置到工作點位置的距離，分別做出上升沿和下降沿的電流偏差隨Z軸壓電陶瓷電壓差值的變化曲線；上升沿的電流偏差為正偏差，下降沿的電流偏差負偏差；

步驟1-2-3、以正偏差與負偏差絕對值的比作為函數(shù)值，以反映探針當前位置到工作點位置距離的Z軸壓電陶瓷電壓差值為自變量，采用最小二乘法進行有理數(shù)擬合得到系數(shù)，建立下降沿補償函數(shù)；

所述下降沿補償函數(shù)模型

k(d)＝(p1×d+p2)/(d+q1)

其中k(d)為下降沿補償系數(shù)，d為反映探針當前位置與工作點位置距離的Z軸壓電陶瓷電壓差值，p1,p2,q1為系數(shù)。

2.按權(quán)利要求1所述的一種SICM的探針與樣品間距離自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述利用逼近曲線建立下降沿補償函數(shù)模型具體為：利用逼近曲線通過擬合的方式建立下降沿補償函數(shù)，該函數(shù)的輸出為下降沿的電流偏差需要增加的倍數(shù)。

3.按權(quán)利要求1所述的一種SICM的探針與樣品間距離自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟4包括以下步驟：

步驟4-1、實時采集離子電流及壓電陶瓷電壓；

步驟4-2、判斷當前掃描點是樣品高度的上升沿還是下降沿；

步驟4-3、如果是上升沿則電流偏差保持原來的值不變；否則更新電流偏差為離子電流偏差的比再乘以下降沿補償系數(shù)k后反饋至控制器。

4.按權(quán)利要求3所述的一種SICM的探針與樣品間距離自適應(yīng)控制方法，其特征在于，所述步驟4-2包括：

步驟4-2-1、分別設(shè)定一個離子電流偏差值、一個壓電陶瓷的電壓差值，作為死區(qū)；

步驟4-2-2、當電流偏差和電壓差值均超出死區(qū)時，判斷為樣品高度的下降沿，否則為高度上升沿。

5.一種SICM探針與樣品間距離的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

逼近曲線模塊：設(shè)定探針逼近停止點，獲得逼近曲線數(shù)據(jù)；

下降沿補償函數(shù)模型建立模塊：設(shè)定掃描工作點，以工作點為中點通過逼近曲線繪制電流偏差隨探針到工作點位置的距離變化的曲線，擬合得到正偏差與負偏差絕對值的比值和反映探針當前位置到工作點位置距離的Z軸壓電陶瓷電壓差值的關(guān)系曲線，建立下降沿補償函數(shù)模型；

下降沿補償函數(shù)模型包括以下步驟：

步驟1-2-1、以圖像掃描時的電流設(shè)定值為中間點，將逼近曲線分成左、右即高度上升和高度下降兩部分；

步驟1-2-2、在高度上升和高度下降兩部分中，以離子電流與電流設(shè)定值之間的電流偏差的絕對值為函數(shù)值，以Z軸壓電陶瓷電壓與電流設(shè)定值處所對應(yīng)的Z軸壓電陶瓷電壓之差的絕對值為自變量，用來表示探針當前位置到工作點位置的距離，分別做出上升沿和下降沿的電流偏差隨Z軸壓電陶瓷電壓差值的變化曲線；上升沿的電流偏差為正偏差，下降沿的電流偏差負偏差；

步驟1-2-3、以正偏差與負偏差絕對值的比作為函數(shù)值，以反映探針當前位置到工作點位置距離的Z軸壓電陶瓷電壓差值為自變量，采用最小二乘法進行有理數(shù)擬合得到系數(shù)，建立下降沿補償函數(shù)；

所述下降沿補償函數(shù)模型

k(d)＝(p1×d+p2)/(d+q1)

其中k(d)為下降沿補償系數(shù)，d為反映探針當前位置與工作點位置距離的Z軸壓電陶瓷電壓差值，p1,p2,q1為系數(shù)；

行預測模塊：保存當前行每一點的高度信息，在對下一行掃描時提供給控制模塊作為高度的預測值；

反饋控制模塊：用下降沿補償函數(shù)模型處理電流偏差得到新的偏差，將新的偏差輸入到PID控制器得到控制量，輸出控制量到壓電陶瓷控制探針的高度以跟蹤樣品表面的形貌。