[发明专利]SPM高分辨图形数据处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分辨图形数据处理方法，特别涉及SPM高分辨图形数据处理方法。

背景技术

随着纳米技术的不断发展，作为纳米技术发展重要基础的SPM技术也取得了很大的进步。SPM(Scanning Probe Microscope)，即扫描探针显微镜，包括扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，以及近场光学显微镜SNOM等一系列基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜。SPM最具代表性的是STM和AFM，AFM的工作原理是将探针固定在一个对力非常敏感的悬臂梁上，并使探针与被测样品的表面原子间产生力的作用(如范德华力)，扫描时由于样品表面的形貌变化导致探针和样品之间作用力的变化，通过检测并记录悬臂梁随力的变化而发生的不同程度的弯曲形变就可以得出样品表面的形貌。STM的工作原理与AFM基本相似，只是探针与被测样品之间产生的是隧道效应(如隧道电流)，而不是力的作用。

随着SPM得到越来越广泛的应用，扫描速度和成像质量一直是大家比较关心的问题，而目前的SPM普遍具有扫描速度慢、成像质量低等缺点。花费几分钟甚至几十分钟才能扫描出一幅比较好的图像，已经难以满足当今社会高速发展的需要，虽然为此已经提出了一些提高扫描速度和成像质量的方法，如采用更高灵敏度的悬臂梁、更精细的扫描探针、更高性能的压电陶瓷、更先进的控制算法等，并取得一定成效，但选用更高性能的器件就意味着制作成本的增加，也使得制作工艺越来越复杂。

目前国内外SPM均采用压电陶瓷Z向驱动信号成像，误差信号只是作为PID反馈控制的输入，而忽略了误差信号实际所包含的丰富的图像信息。

发明内容

本发明的目的是克服传统SPM难以实现快速扫描、产生高分辨清晰图像的问题，如需要采用高性能的扫描器、复杂的控制算法、复杂的扫描机械探头等等，本发明提出一种广泛适用于SPM的高分辨图形数据处理方法，在不改变系统硬件设施的前提下，充分利用误差信号来补偿成像信号，实现SPM的快速扫描和高分辨成像。

为实现上述目的，本发明采用误差信号对原始成像数据进行算法补偿，从而产生更高分辨的成像图形。

当SPM的扫描探针在样品表面扫描时，随着样品表面形貌的高低变化，探针与样品之间的作用力变化，变化值与设定值之间的误差作为误差信号通过A/D转换成数字信号进入数字PID控制器，经数字PID控制器运算后输出控制信号Uz，控制信号Uz一方面作为PID反馈控制的输出信号，通过D/A转换为模拟信号后用来改变加在压电陶瓷扫描器垂直方向的电压，驱动压电陶瓷的Z向运动，使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，来保持探针与样品之间的作用力恒定，实现反馈控制。另一方面，直接保存至计算机，作为反映样品形貌的原始成像数据。但是，对于某些表面形貌变化大的样品，在一定的扫描速度下，作为驱动信号的Uz很难保证探针与样品之间的作用力恒定，而是仍然存在一定的误差。该误差信号一方面可以作为衡量扫描跟踪的性能指标，一方面也包含了样品表面的丰富信息。本发明把该探针与样品之间作用力的变化值与设定值之间的误差作为误差信号，对原始成像数据进行算法补偿，从而产生更高分辨的扫描图像。

本发明采用的补偿算法包括以下步骤：

(1)控制SPM步进电机使被测样品逼近探针，使探针和被测样品之间作用力达到预设值。

(2)控制SPM开始扫描，Z方向采用数字PID反馈控制方法，输出数字信号Uz通过D/A转换成模拟信号后用来驱动压电陶瓷扫描器的Z方向运动。

(3)PID控制完成后，记录此刻扫描点作为原始成像数据的信号Uz和误差信号error。

(4)通过调制系数k将步骤3中的误差信号error补偿到作为原始成像数据的信号Uz中，形成新的成像数据Uz′＝Uz+λk*error，λ为悬臂梁的灵敏度，k取值范围0～1，Uz、error换算为统一的计量单位，如nm。

其中步骤1，预设值也就是参考点，预设值体现了探针与样品的逼近程度。

其中步骤2，PID反馈控制方法既可以为数字PID控制，也可以为模拟PID控制。

其中步骤2，在一定的扫描速度下，PID反馈控制在一定时间内完成，并且通过采集误差信号作为反馈控制的输入。

本发明具有以下优点：

(1)操作灵活简单，与现有的很多提高扫描速度的方法相比，本发明完全不需要更改已有硬件设施，只需要在软件上加入一定的图像数据补偿算法就可以实现。并且该算法可以通过软开关实现切换，用户可以根据实际情况灵活地选择。