1引言 扫描探针显微镜(SPM)由于具有纳米甚至原子量级的分辨率,20多年来已引起各个领域科学家们的广泛兴趣.在精密工程领域,它作为一种极具前途的纳米计量工具,已在许多国家受到了广泛的重视,如美国NIST,德国PTB和英国NPL等都相继开展了基于SPM的纳米计量技术研究.但作为纳米级的计量分析仪器,不仅要有高分辨率,更要有纳米级甚至更高的精度.因此需要计量工作者对SPM在纳米计量应用的各个方面有比较全面和深入的了解.本文在SPM图像重建、漂移的在线补偿、纳米定位和三维表面粗糙度测量等方面进行了讨论.

介绍了基于石英音叉剪切力模式的扫描探针显微镜系统（Scanning Probe Microscope,SPM）的设计和实现。系统由基于PC104总线的工业主板、ATmega16电机控制模块、高压驱动模块、数据采集和前置信号处理模块组成,在TCP/IP和RS232通信协议的基础上通过自定义上层通信协议完成各模块之间的连接。由于采用了模块化设计和工业化标准,该系统可稳定工作于工业现场,用于加工件表面质量的测量、集成电路缺陷检测、材料瑕疵分析等。

介绍了一种三维纳米级微定位系统。该系统可用于各种扫描探针显微镜（ＳＰＭ）探针和样品的微定位，探针可在样品表面１０ｍｍ×１０ｍｍ区域内定位，重复定位精度小于１００ｎｍ，在高度方向，探针可 顺利地进入样品表面１０ｎｍ区域内。

对由压电陶瓷的压电误差造成的扫描探针显微镜扫描器的运动误差进行了较详细的实验研究和理论分析，分析了各项误差的产生原因及其实验现象，据此可对误差进行判断和修正。

本文设计并实现了一种新的扫描探针显微镜的开放式控制系统。该控制系统设计了灵活开放的总线接口，并对电路模块进行了优化，采取了一系列抗干扰措施，从而使之具备了接口开放、稳定性高等优点，特别适合于个性化的科学研究。本文所采用的开放式设计思想及总线接口的具体实现，对SPM的结构改进及商品化有一定的参考价值。

对现有的商业化SPM进行了一些必要的改造,使其适合于扫描探针加工的要求.讨论了在DI公司多功能SPM基础上开发纳米加工系统的可能性,并提供了一套完整的信号施加、过程监测和环境控制的方法,实现了矢量式的纳米氧化加工,得到了30nm宽的氧化结构,为下一步进行纳米电子器件的构建奠定了基础.

为了解决传统扫描探针显微镜（SPM）控制器中参数难以设定的难题，提出了一种SPM的PI参数自整定控制器的设计，并给出了控制器的硬件结构和软件设计。该控制器基于DSP，通过引入扫描式参数优化算法来实现。结果表明，该控制器能自动完成PI参数的测算，并给出最优的PI参数，提高了SPM扫描图像的质量。

随着扫描探针显微镜技术发展和广泛应用,扫描探针显微镜的技术标准化问题在国内外受到越来越多的关注。然而在数据格式方面,由于所用硬件平台的不同等原因,各制造商所生产的扫描探针显微镜大多使用专用的数据格式。这些数据格式又往往互不兼容,给数据后续的分析处理和交流共享带来不便。本文首先对扫描探针显微镜中数据格式的发展及应用较多的格式进行了分析,然后从扫描探针显微镜现有数据的类型、内容和特点出发,研究了规范扫描探针显微镜数据格式的基本要求和思路;经过比较和筛选提出了一种基于HDF5标准（hierarchical data format,HDF）的标准格式方案;并用C＋＋语言实现了对该格式的操作及其与几种专用数据格式之间的相互转换,完成了格式方案和代码资源的开源共享。

本文提出了自适应范围DNA(Adaptive Range DNA,简称ARDNA)软计算模型框架以及扫描探针显微镜(简称SPM)中压电执行器回滞非线性ARDNA建模及其补偿原理.基于基本回滞算子的线性叠加构建压电执行器回滞非线性模型结构,采用ARDNA软计算方法,同时优化模型结构(指简单回滞算子的个数及其阈值)和参数(指每个回滞算子的加权值),建立最优的压电执行器回滞非线性模型.通过设计单位反馈控制器构建其逆模型,而压电执行器与其逆模型串联,由逆模型获取参考位移所对应的理想激励电压,从而确保压电执行器输出跟踪参考位移,实现回滞非线性实时补偿.数字仿真结果表明了压电执行器回滞非线性建模及其补偿方法的有效性.本文的方法对形状记忆合金SMA(Shape Memory Alloy)、磁流变液体(Magnetorheological Fluids)等材料的回滞非线性建模和补偿也具有参考价值.

报道了扫描探针显微镜在纳米电子薄膜材料的形貌、晶界、晶粒形状与尺度、表面粗糙度和剖面分析中的具体应用实例,以及纳米磁性薄膜中的微磁畴、铁电材料的微电畴和半导体PN区像等电磁特殊性的可视分析应用.