扫描隧道显微镜精密工作台及其控制技术研究

　　0　引言

　　扫描隧道显微镜(scanning tunneling micro2scope,STM)是一种具有纳米级分辨率的表面分析和加工工具,它利用探针尖端与物质表面间的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构。STM工作台具有极高的定位精度和分辨率,传统的机械驱动装置存在较大的误差,难以满足高精度位移的要求。压电陶瓷承载能力大、动态响应快、频率响应高、易于控制,能够实现STM工作台微位移。伺服电机和压电陶瓷的复合运动方式已经在亚微米级甚至纳米级的精密驱动和定位领域中得到了一定的应用。本文在常规PID控制的基础上,设计了一种采用智能控制技术的STM精密工作台的闭环控制系统,提高了STM工作台的性能。

　　1　STM及其微位移工作台

　　STM的基本原理是,利用量子理论中的隧道效应,将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极,当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm),在外加电场的作用下,电子　　会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极,形成隧道电流It。根据Bardeen隧道电流理论[1],It和针尖与样品表面之间的距离呈指数关系,这使得STM具有极高的纵向分辨率(优于0·01nm)。测量样品表面上不同位置处的隧道电流,则得到样品表面局域能态密度的分布情况。当针尖在样品表面水平扫描时,利用反馈电路保持It恒定,探针在垂直方向上的高低变化就反映出了样品表面的起伏状况,这是STM最常用的工作方式,称之为“恒电流扫描模式”[2]。

　　STM由于分辨率高,扫描范围常常局限在样品的小区域内。为了加大其测量范围,需要具有高精度位移和定位的工作台。微位移工作台是利用微位移技术实现的行程小(一般小于毫米级)、精度高(亚微米、纳米级)和灵敏度高的机构,它既可以作为微进给和微调部件,也可对系统的误差进行补偿,是STM的关键部件之一。

　　传统的机械驱动方式,如滚珠丝杠副等,由于存在螺纹空程、传动摩擦和间隙,定位精度只能达到微米级,无法满足STM工作台纳米级的精度要求。压电陶瓷具有分辨率高、频响高、易于控制等优点,在微位移和定位装置中得到了广泛的应用[3]。采用伺服电机大位移和压电陶瓷微位移相结合的二次定位方式(图1),不仅实现了工作台的快速移动,而且能够补偿大位移工作台的位移偏差,显著地提高系统的调整速度和灵敏度,满足了高精度的位移要求,适用于STM的微位移和定位。

　　微位移工作台是由微位移机构、位移检测装置和控制电路三部分组成的闭环系统。微位移机构采用压电陶瓷驱动器和柔性铰链组成,可等效为图2所示的模型,其中,U为压电陶瓷驱动器的驱动电压,R为电源的内阻,C为压电陶瓷等效电容,UC为电容C的端电压,x为压电陶瓷等效电容,k1为传动部件的刚度,k2为柔性铰链的刚度,μ为柔性铰链的阻尼系数,m为工作台的质量,y为工作台的位移。压电陶瓷驱动器采用层叠结构,不仅减小了驱动器的电容和体积,提高了响应速度,而且降低了成本[4]。