Realisierung der Steuerungs-/Regelungsalgorithmen mittels FPGA für ein hochauflösendes und schnelles Rasterkraftmikroskop mit aktivem Cantilever

Ahmad, Ahmad GND

Die Entwicklungen des Rasterkraftmikroskops (AFM: atomic force microscope) betrafen alle seine Komponenten, angefangen von Kraftsensoren, Regelungstechniken, Materialien, und Ausrüstung bis zu den Betriebsmoden. Die meisten dieser Entwicklungen haben das Ziel, die Auflösung des AFM zu verbessern und seine Geschwindigkeit zu erhöhen. Meine Doktorarbeit versucht, zur Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie dadurch beizutragen, dass neue Steuerungs- und Regelungsmethoden für das AFM-System mit dem selbstaktuierten piezoresistiven Cantilever (Aktiver Cantilever) als Kraftsensor entworfen und auf Basis der "Field Programmable Gate Array" (FPGA) implementiert werden. In dieser Arbeit wird die Performanz des AFM-Systems mit aktivem Cantilever in der "Geschwindigkeit-Auflösung-Ebene" verbessert. Dafür werden digitale Regelungs- und Steuerungsalgorithmen mit hohem Durchsatz für das AFM-System entworfen und auf FPGA implementiert. Eine Methode wird im Rahmen dieser Arbeit für die automatische Annäherung der Sonde in Richtung der Oberfläche der Probe in einer sehr schnellen und sicheren Art und Weise entwickelt. Die schnelle Annäherung führt zu Verbesserung der AFM-Produktivität besonders bei den Anwendungen, die eine Wiederholung des Annäherungsprozesses während der gleichen Sitzung erfordern (step and image). Rückkoppelungsregelung und Vorwärtsregelung auf Basis eines FPGA werden untersucht, entworfen und implementiert, um die Auswirkungen der Hysterese und Vibrationen des Scanners (Positioniersystem) zu kompensieren. Es wird gezeigt, dass sich durch die Normierung der Hysterese-Kurven die Komplexität des Hysterese-Modells und dadurch des inversen Modells der Hysterese stark reduzieren lässt. Ein neues alternatives Verfahren zur Charakterisierung der Hysterese mittels des AFM-Amplitudenbilds wird erläutert. Der Scanner wird als lineares System höherer Ordnung betrachtet und identifiziert. Ein digitaler Kompensator wird zum Unterdrücken der Scanner-Vibration entwickelt und im FPGA implementiert. Die Scan-Trajektorie in den XY-Richtungen hat einen signifikanten Einfluss auf die Wahl der Steuerungsarchitektur und die erreichbare Scan-Geschwindigkeit. Dafür werden verschiedene Methoden ("Input-Shaper", sinusförmiges und spirales Scannen) in dieser Arbeit implementiert. Zusätzlich werden eine nichtlineare Erfassungsmethode des AFM-Bildes und eine Phasenkorrektur verwendet, um die Verzerrung des AFM-Bildes aufgrund der nicht-linearen Scansignale zu vermeiden. In dieser Arbeit wird eine neue Struktur des digitalen Lock-In entwickelt, der die Amplitude und Phase der Cantilever-Schwingung sehr schnell ermitteln kann. Die Detektionszeit ist kleiner als eine Schwingungsperiode. Die Regelung für ein "Z-Scanner-lose-AFM" wird entworfen und auf FPGA implementiert. In diesem System wird der TMA (Thermomechanischer Aktuator) des aktiven Cantilevers anstatt des Z-Piezoaktuator verwendet, um die Topographie der gescannten Oberfläche zu verfolgen. Dieses Prinzip wird ausgenutzt, um ein AFM-System mit einem aktiven Cantilever-Array (4 Cantilever) zum parallelen Scannen einer großen Oberfläche (0.5mm x 0.2mm) zu entwickeln. Als effektive Scan-Geschwindigkeit werden 5,6 mm/s erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige adaptive Variante zur Erhöhung der Scangeschwindigkeit entwickelt. Diese Methode verhindert ebenfalls effektiv das Sättigungsproblem, das beim Scannen der Oberflächen-Topographien mit hohem Aspekt-Verhältnis entsteht. Verglichen mit einem Standard-Regler ermöglicht der adaptive Regler eine deutlich höhere Stufenauflösung bei vergleichbaren Scanraten. Daher wird das Scannen vier- bis sechsmal schneller bei gleicher Abbildungsqualität. Beim Scannen mit einer kleinen Kraft gibt es sogar eine bis zu 17-fache Verbesserung.

The developments relating to the atomic force microscope (AFM) involved all its components, from the force sensors, control techniques, materials and equipment to its operating modes. The majority of these developments have the aim of improving the resolution of the AFM and enhancing its speed. My doctoral thesis endeavours to contribute to the development of atomic force microscopy by designing new control methods for the AFM system with the self-actuating piezoresistive cantilever (active cantilever) as a force sensor and implementing them based on the “Field Programmable Gate Array” (FPGA). In this thesis, the performance of the AFM system with active cantilever is improved in the “speed-resolution plane”. Digital open-loop and closed-loop control algorithms with high throughput are designed for the AFM system and implemented on the FPGA. During the course of this doctoral thesis, a method is designed for the automatic approach of the probe towards the surface of the sample in a very fast and safe manner. A rapid approach leads to improved AFM productivity particularly with applications that the approach process to be repeated within the same session (step and image). The thesis studies, develops and implements open-loop and closed-loop control based on an FPGA to compensate for the effects of the hysteresis and vibrations of the scanner (positioning system). It shows that normalisation of the hysteresis curves allows the complexity of the hysteresis model and thus the inverse model of the hysteresis to be significantly reduced. A new alternative method for characterization of the hysteresis by means of the AFM amplitude image is explained. The scanner is viewed and identified as a higher-order linear system. A digital compensator is developed to suppress scanner vibration and is implemented in the FPGA. The scan trajectory in the XY direction has a significant influence on the choice of the control architecture and the achievable scan speed. Various methods (“Input Shaper“, sinusoidal and spiral scanning) are implemented in this thesis to achieve this. In addition, a non-linear method for recording the AFM image and phase correction are used to avoid the distortion of the AFM image due to the non-linear scan signals. This thesis develops a new digital lock-In structure, which can very rapidly detect the amplitude and phase of the cantilever oscillation. The detection time is less than one oscillation period. The control for a “Z scanner-less AFM” are developed and implemented on the FPGA. This system uses the TMA (Thermomechanical Actuator) of the active cantilever instead of the Z-piezo actuator to track the topography of the scanned surface. This principle is used to develop an AFM system with an active cantilever array (4 cantilevers) for the parallel scanning of a large surface (0.5 mm x 0.2 mm). 5.6 mm/s are arrived at as the effective scanning speed. This thesis also develops an innovative adaptive version for increasing scanning speed. This method also effectively prevents the saturation problem, which occurs when scanning the surface topographies with a high aspect ratio. Compared to a standard controller, the adaptive controller allows a much higher step resolution of at comparable scan rates. Therefore, the scanning becomes four to six times faster with the same image quality. When scanning with a small force, there is even an up to 17-fold improvement.

Cite

Citation style:

Ahmad, Ahmad: Realisierung der Steuerungs-/Regelungsalgorithmen mittels FPGA für ein hochauflösendes und schnelles Rasterkraftmikroskop mit aktivem Cantilever. Ilmenau 2018.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

open graphic

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export