基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜成像方法及装置

摘要

一种基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜成像方法及装置。首先针对当前原子力显微镜普遍采用的成像方法在高速扫描下成像误差大的缺点，通过分析AFM成像部件的信号，提出了一种加入压电扫描管动态特性的改进成像方法，包括：模型的辨识、参数的标定、采集成像所需数据及成像。本发明有效地提高了AFM在Z方向上的成像精度，特别是对于AFM高速扫描下的成像精度有着明显的改善效果。成像装置采用本原CSPM4000及其所提供的信号访问接口，利用RTLinux良好的实时性，在PC上实现了控制周期为50μs的精确实时反馈控制。利用该装置可以在高速扫描时实现样品的精确成像，并能为以后进行纳米操作方面的研究提供条件。

权利要求

1.一种基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜成像方法，其特征在于成像时利用压电扫描 管的动态特性来提高成像精度，具体成像方法如下：h(t)＝kv·(v(t)-L-1(U(s)G(s)))          (9)其中，h(t)为样品的形貌变化，kv为激光检测系统的静态增益，v(t)为激光光斑信号，U(s) 为控制信号u(t)的拉普拉斯变换，G(s)为系统Z方向上的动态模型；L-1(U(s)G(s))为(U(s)G(s)) 的反拉普拉斯变换；

具体步骤包括：

第1、首先要获得所使用的压电扫描管的动态特性，

第1.1、模型的辨识：在开环控制下，通过RTLinux控制平台在压电扫描管上施加白噪声，同 时记录光斑数值，用N4SID辨识整个系统Z方向上的动态特性模型G(s)；

第1.2、参数的标定：在开环控制下，利用标定光栅对kv和ksens两个系数进行标定，其中，kv 为激光检测系统的静态增益，ksens为系统开环时从输入u(t)到输出v(t)的灵敏度系数；

第2、在获取动态特性之后，应用基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜成像方法，对不同 的样本进行动态成像，步骤为：第2.1、采集成像所需数据：首先关闭原有的控制器，只利用原子力显微镜开放式实时控制平 台对Z方向上进行PI控制，然后调节好PI参数使得控制效果为最佳，对样品光栅进行扫描，并 由PC机同时记录下输入数据u(t)和输出数据v(t)，即控制信号u(t)和激光光斑的反馈信号 v(t)；

第2.2、成像：将上述采集所得到的数据，利用上述动态成像公式(9)合成图像，即可实现离线 或在线逐行成像。

2、一种基于权利要求1所述成像方法的成像装置，其特征在于该装置基于原子力显微镜信号 访问接口扩展的一套开放式实时控制平台：该平台基于本原CSPM4000原子力显微镜本体，利用原子力显微镜所提供的Signal Out和 Signal In信号访问接口，扩展了一套开放式原子力显微镜实时控制平台；

扩展的开放式原子力显微镜实时控制平台部分，其组成如下：

(1)放大器：用于对Signal Out引出的光斑模拟信号进行比例放大，将其调整至A/D转换模 块的电压采集范围之内，放大器通过专用连接线与Signal Out端和A/D转换模块连接；

(2)A/D转换模块：用于将上步放大后的Signal Out的光斑反馈模拟信号转换为数字信号， 其通过PCI接口与PC机连接；

(3)基于PC机的RTLinux：这是一个Linux环境下的实时控制系统，用于对原子力显微镜 系统进行实时控制，控制信号通过PCI接口输出到D/A转换模块，同时PC机实现对上步转换后 的光斑数据和控制信号数据的存取与成像处理；

(4)D/A转换模块：用于将控制信号从数字信号转换为模拟信号，并通过专用连接线输入到 Signal In接口，以实现对AFM本体的控制。

说明书

【技术领域】：

本发明属于微纳米科学与技术领域中的显微工具，原子力显微镜(AFM)-属于扫 描探针显微镜(SPM)中的一种，特别是一种基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜的成像方法。

【背景技术】：

原子力显微镜是纳米技术和纳米操作领域中强有力的工具。传统的光学显微镜由于 受到衍射极限的限制，其分辨率只能达到光的半波长，无法对更小的物体进行观测。1982年，Gerd Binnig等人研制成功了第一台扫描隧道显微镜(STM)，第一台原子力显微镜(AFM)，实现了对纳米 级别物体的观测。AFM由于不受样品材料导电性的限制，因而应用范围更加广泛[1-3]。

原子力显微镜的基本硬件结构可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分(PSD)、反馈控制 系统。原子力显微镜的基本工作成像原理(如图1所示)为：使用末端带有探针的微悬臂在被探测样 品表面逐行进行扫描，由于探针与样品之间微弱的相互作用力，微悬臂会发生微形变。在测量过 程中，微悬臂会随着样品形貌高低起伏而产生微小形变，通过激光位移检测装置测量出这种微形 变，再由控制系统通过调节压电扫描管Z方向上的电压，来控制样品台的位移，使得样品表面的 原子与探针针尖原子之间的相互作用力维持不变，则此时Z方向压电扫描管的控制电压，就可以 间接地反映样品的形貌起伏[4]。

闭环控制效果很好的情况下，控制器可以恒定地维持样品表面的原子与探针针尖原子之间的 作用力，如附图1所示，这样只需利用控制器的控制电压信号就可以对样品进行成像：

h＝k·(±u)

其中，h代表样品的形貌，k为压电执行器的伸缩系数，u是控制器的输出电压，即压电扫描管的 输入电压。

然而，在实际扫描过程中，并不能使探针完全跟踪样品形貌，而只能在很低的扫描速度下， 尽可能地维持探针与样品之间的作用力。一般来说，当扫描速度适当提高时，只靠压电扫描管Z 方向上的输入电压(即控制信号)，并不能满足成像需求-在样品形貌突变时，微悬臂必然会产生 一定的形变来更新产生控制信号。如附图2，图中为闭环控制下的光斑信号与控制信号。因此，可 以考虑同时利用激光光斑信号和控制信号来合成图像，将激光光斑信号作为修正项来弥补一定的 控制误差。

在当前的AFM系统中，使用压电扫描管在Z方向的输入信号u与光斑的反馈信号v来对样品 表面成像，一般不考虑压电扫描管的动态特性，完全假定在扫描过程压电扫描管已达到稳定输出， 采用如下线性成像方法：

h＝k·(±u+v/ksens)            (1)

其中，u是为了在恒力模式下使探针跟踪样品表面所需要的压电扫描管Z方向上的输入信号，也 就是控制信号，其正负极性由AFM在Z方向上的执行器结构决定：当执行器在扫描管上时为负， 若集成在微悬臂上则为正，本实验选用的AFM属于前者；v是光斑的反馈信号，将它作为修正项， 可以在一定程度上弥补扫描速度过快时的控制误差；ksens为系统开环时从输入u到输出v的灵敏度 系数；k为压电扫描管管Z方向上的伸缩系数，这两个系数可以通过标定得到。

然而，这种成像方法没有考虑压电扫描管的动态特性，成像是假定压电扫描管完全达到稳定 状态为前提，直接将压电扫描管的输入信号u作为稳态数据来获取样品的表面形貌，而这并不符 合高速扫描时的实际情况，故此这种成像方法只能在较低的扫描速度下实现精确成像。在高速扫 描过程中，由于探针在各个扫描点上停留的时间很短，压电扫描管的响应速度比微悬臂探针系统 的响应速度慢很多，压电扫描管无法达到稳定状态，所以压电执行器的动态特性是限制高速扫描 成像的主要原因。此外，当扫描速度高于压电扫描管的响应速度时，扫描过程中陶瓷管将无法达 到稳态过程，处于暂态过渡阶段，此时若使用公式(1)成像，就会因为压电扫描管未稳定而使图像 出现条纹，振荡，以及误差大等缺点，无法正确地反映样品的真实形貌，这将严重影响AFM高速 扫描下的测量性能。

【发明内容】：

本发明的目的是解决现有原子力显微镜在高速扫描下成像误差大的问题，提供一种 基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜成像方法及应用，使AFM在高速扫描情况下能够精确成 像。

本发明致力于通过恰当的分析，将压电扫描管动态特性考虑进原子力显微镜的成像方法中， 以实现对压电扫描管输入信号数据的动态处理，进而改善原子力显微镜在高速扫描中的成像精度。 然后将这种方法实际应用到AFM高速扫描系统中，以利用AFM对快速生物过程进行监测。

通过分析成像信号之间的关系，以及原子力显微镜的基本组成和其中各个部件的特性可以得 知：压电扫描管的动态特性是导致高速扫描时成像精度低的主要原因[11]。事实上，对于现有的 原子力显微镜而言，成像时一般不考虑压电扫描管的动态特性，而是将其当作稳态数据进行处理 来获取样品的表面形貌。如果在成像过程中考虑压电扫描管的动态特性，利用其动态模型来计算 真实形变量，则可以更加准确地表达样品的形貌信息。基于这种考虑，本发明针对AFM的高速扫 描模式，提出了一种基于压电扫描管动态特性分析的成像方法，并从理论和实验两方面对这种成 像方法的性能进行了验证，最后将本发明提出的成像方法应用到实际的AFM扫描系统中，提高其 高速扫描时的成像精度。

本发明提供的基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜成像方法，具体步骤包括：

第1、首先要获得所使用的压电扫描管的动态特性，获得压电扫描管动态特性的步骤如下：

第1.1、模型的辨识：在开环控制下，通过RTLinux控制平台在压电扫描管上施加白噪声，同 时记录光斑数值，辨识整个系统Z方向上的动态特性模型；

第1.2、参数的标定：在开环控制下，利用标定光栅对公式(9)中的kv和公式(10)中的ksens两个 系数进行标定，其中，kv＝(k2k3-1)/k2k3k4为激光检测系统的静态增益，ksens为系统开环时从输 入u(t)到输出v(t)的灵敏度系数。

第2、在获取动态特性之后，就可以应用基于压电扫描管动态特性的原子力显微镜成像方法， 对不同的样本进行动态成像，步骤为：

第2.1、采集成像所需数据：首先关闭原有的控制器，只利用AFM开放式实时控制平台对Z 方向上进行PI控制，然后调节好PI参数使得控制效果为最佳，对样品光栅进行扫描，并由PC机 同时记录下输入数据u(t)和输出数据v(t)，即控制信号u(t)和激光光斑的反馈信号v(t)；

第2.2、成像：将上述采集所得到的数据，代入公式(9)：

h(t)＝kv·(v(t)-L-1(U(s)G(s)))(9)

其中，h(t)为样品的形貌变化，kv为激光检测系统的静态增益，v(t)为激光光斑信号，U(s) 为控制信号的拉普拉斯变换，G(s)为系统Z方向上的动态模型；L-1(U(s)G(s))为(U(s)G(s))的 反拉普拉斯变换。

利用公式(9)合成图像，即可实现离线或在线逐行成像。

本发明方法针对AFM的高速扫描模式，提出了一种基于压电扫描管动态特性分析的成像方 法，成像方法的推导过程概述如下：

1.探针-样品-扫描管的几何位置关系分析

当利用原子力显微镜对样品进行探测时，探针-样品-扫描管的关系示意图如附图3所示。

扫描前，将探针与样品慢慢逼近，接触后将激光接收器调零，此时的位置为样品与探针的初 始位置，如图中虚线所示。而开始扫描后的位置为图中实线所示。

其中变量γ(t)为微悬臂相对于初始位置(如附图3中点划线)的形变量，d(t)为探针与样品之间 的距离，h(t)为样品的形貌变化，z(t)为压电扫描管在Z方向上的位移量。初始位置时，设探针 到压电扫描管零位移的距离为L0，探针与样品间的距离为d0，二者均为常量，并且此时有 z(0)＝0，h(0)＝0，d(0)＝d0，γ(0)＝0。

为了统一图中各个变量的正负符号，以压电扫描管Z方向零位移处为基线，建立坐标系如附 图3所示，其中，横坐标轴指向为扫描方向，纵坐标轴指向为各变量的正方向。

在扫描过程中，一方面从探针-样品-扫描管的关系，可以得到探针到压电扫描管零位移处的距 离L(t)为：

L(t)＝d(t)+h(t)+z(t)

另一方面，从微悬臂相对于初始位置的形变考虑，又有：

L(t)＝L0(t)+γ(t)

则有：

L0+γ(t)＝d(t)+h(t)+z(t)

为了简化模型，暂不考虑探针-样品系统中力-距离的非线性因素，将其相互作用力f(d)在位 置d0进行线性化后得到f[Δd(t)]＝k2·Δd(t)。这里f[Δd(t)]、Δd(t)的意义均为f(d0)、d0的相 对变化量，有d(t)＝d0+Δd(t)，代入上式则有：

L0+γ(t)＝d0+Δd(t)+h(t)+z(t)        (2)

在初始位置处时，将z(0)＝0，h(0)＝0，d(0)＝d0，γ(0)＝0代入上式中可以得到：

L0＝d0

则在扫描过程中，公式(2)可简化为：

γ(t)＝Δd(t)+h(t)+z(t)        (3)

2.关于获得压电扫描管动态模型G1(s)的分析

AFM系统中信号流程示意图如附图4所示，其中G1(s)为压电扫描管Z方向上的动态特性，u(t) 为压电扫描管Z方向的控制输入电压，Ua(t)表示经过电压放大器之后的实际电压，f(d(t))表示 探针与样品之间的作用力，最终的反馈信号则为光电管的输出v(t)，而变量z(t)，h(t)，d(t)，γ(t)的 定义与附图3一致。

一般而言，我们可以先得到系统中由输入u(t)到输出v(t)的动态特性模型G(s)：

$G\left(s\right)=\frac{V\left(s\right)}{U\left(s\right)}---\left(4\right)$

在开环实验过程中，输入u(t)和输出v(t)均可以采集得到，因此通过模型辨识可以建立系统的模 型G(s)。在此基础上，我们可以利用G(s)来间接获得压电扫描管的动态特性G1(s)。

由于压电扫描管的响应速度比探针-样品系统、微悬臂探针系统和激光检测系统的响应速度慢 很多，这里我们不考虑后三者的动态特性，简化其传递函数分别为k2，k3，k4。

由以上分析以及附图4的结构可知，信号u(t)与z(t)之间满足如下关系：

Z(s)＝U(s)·k1·G1(s)                (5)

同时，从Δd(t)到v(t)有：

V(s)＝ΔD(s)·k2·k3·k4    (6)

因此，根据附图4所示的信号流程图和式(5)和式(6)可知：如果能分析得到中间环节z(t)到Δd(t) 的传递函数，则可以由G(s)间接求出G1(s)。

在辨识AFM系统的模型G(s)时，由于探针沿样品表面不做运动，探针仅在同一个扫描点上 做Z方向上的移动，因此，无需考虑样品形貌变化，可以设置h(t)＝0，代入公式(3)并结合附图 4，则可以得到从z(t)到Δd(t)的关系如下：

z(t)＝γ(t)-Δd(t)＝(k2k3-1)·Δd(t)

其对应的传递函数为：

$\mathrm{\Delta D}\left(s\right)=\frac{1}{k_2{k}_3-1}Z\left(s\right)---\left(7\right)$

将公式(5)、(6)、(7)代入(4)式并进行整理后，可得AFM系统的动态模型如下：

$G\left(s\right)=k_1·G_1\left(s\right)·\frac{1}{k_2{k}_3-1}·k_2·k_3·k_4$

则压电扫描管的动态特性模型为：

$G_1\left(s\right)=\frac{(k_2{k}_3-1)·G\left(s\right)}{k_1·k_2·k_3·k_4}---\left(8\right)$

k1，k2，k3，k4均为附图4中所示的系统常数。

3.根据压电扫描管动态特性计算出形貌信息

在正常扫描过程中，结合附图4，将压电扫描管动态特性公式(8)代入公式(3)中可以得到：

$h\left(t\right)=\gamma \left(t\right)-z\left(t\right)-\mathrm{\Delta d}\left(t\right)$

$=(k_2{k}_3-1)·\mathrm{\Delta d}\left(t\right)-L^{-1}\left(U\left(s\right)k_1{G}_1\left(s\right)\right)$

$=\frac{(k_2{k}_3-1)}{k_2{k}_3{k}_4}(v\left(t\right)-L^{-1}\left(U\left(s\right)G\left(s\right)\right))$

由于在扫描过程中k2，k3，k4均为常数，因此样品的相对形貌可由公式：

h(t)＝kv·(v(t)-L-1(U(s)G(s)))      (9)

来表示，其中，kv＝(k2k3-1)/k2k3k4为激光检测系统的静态增益。为了与传统的成像方法相比较， 将k＝kv·ksens代入公式(1)得到：

h(t)＝kv·(v(t)-u(t)×ksens)            (10)

将公式(9)与(10)相比较后可知：改进后的方法用包含压电扫描管动态特性的L-1(U(s)G(s))项代替 了u(t)×ksens项，因此在快速扫描过程中可以得到更为准确的样品图像。

一种基于上述成像方法的成像装置，该装置平台基于本原CSPM4000原子力显微镜本体，利 用原子力显微镜所提供的Signal Out和Signal In信号访问接口，扩展了一套可应用本发明方法的 开放式AFM实时控制平台。

扩展的开放式实时控制平台部分(如附图8中的虚线框部分)的组成如下：

(1)放大器：用于对Signal Out引出的光斑模拟信号进行比例放大，将其调整至A/D转换模 块的电压采集范围之内，放大器通过专用连接线与Signal Out端和A/D转换模块连接；

(2)A/D转换模块：用于将上步放大后的Signal Out的光斑反馈模拟信号转换为数字信号， 其通过PCI接口与PC机连接；

(3)基于PC的RTLinux：这是一个Linux环境下的实时控制系统，用于对AFM系统进行实 时控制，控制信号通过PCI接口输出到D/A转换模块，同时PC机实现对上步转换后的光斑数据 和控制信号数据的存取与成像处理；

(4)D/A转换模块：用于将控制信号从数字信号转换为模拟信号，并通过专用连接线输入到 Signal In接口，以实现对AFM本体的控制。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出并实现了一种基于压电扫描管Z方向动态特性的原子力显微镜的成像改进方法， 来改进高速扫描成像时的精度。与传统的没有考虑压电执行器动态特性的成像方法相比，本发明 所提出的成像方法，可以减小高速扫描成像时产生的超调和震荡，同时也明显减小了随扫描频率 提高而产生成像误差。将本发明应用到AFM平台上，可以在高速扫描时对样品实现精确成像。

【附图说明】：

图1是AFM接触模式下的基本成像原理示意图；

图2是实际闭环控制下成像信号示意图；

图3是探针-样品-扫描管的关系示意图；

图4是AFM信号流程示意图；

图5是扫描频率为15Hz时的局部成像曲线的对比；

图6是扫描频率为20Hz时的局部成像曲线的对比；

图7是两种成像方法的形貌对比，A为加入动态特性的形貌，B为没有加入动态特性的形貌， 单位为nm，扫描方向为自左到右；

图8是基于RTLinux的AFM扩展实验平台即成像装置的结构图。

【具体实施方式】：

实施例1：

1.新的成像方法的实现步骤

我们在本原CSPM4000系列原子力显微镜的基础上，搭建起一个基于PC的RTLinux实时控 制平台见图8，用来实现对AFM的实时控制。基于这个平台我们用来实施发明中所提到的成像方 法。

1)模型的辨识

为了应用公式(9)，需要先辨识整个系统Z方向上的动态模型。在开环条件下，通过RTLinux 控制平台在压电扫描管Z方向上施加白噪声，同时记录光斑数值，来辨识动态模型，具体实现过 程见参考文献[13]。

2)参数的标定

这一部分需要对公式(9)中的kv，和公式(10)中的ksens进行标定，主要是在开环控制下，利用标 定光栅对两个系数进行标定。

3)采集成像所需数据

为了获得成像公式(9)中的u和v，即控制器的输出和激光光斑的反馈信号。合成图像所需数 据的采集过程为：首先关闭厂商的控制器，仅利用自己的控制平台对Z方向上进行PI控制，然后 调节好PI参数使得控制效果为最佳，对样品光栅进行扫描，并由PC同时记录下输入数据u和输 出数据v。

4)应用发明的成像方法

将采集所得到的数据，利用公式(9)合成图像，可以实现离线或在线逐行成像。

5)本发明改进效果的验证

实验选用的扫描探针型号为CSC21/AIBS(μMasch Inc.USA，具体参数为，针尖曲率半径小于 10nm，微悬臂长度110μm，微悬臂宽度40μm，微悬臂厚度1μm，固有频率105kHz，力常数2N/m)， 扫描样品为一维光栅(台阶高度100±10nm，μMasch Inc.，USA)。

在开环条件下辨识得系统模型如下：

$G\left(z\right)=\frac{C\left(z\right)}{R\left(z\right)}$

其中：

C(z)＝-0.00011z4+0.001512z3+

0.01062z2+0.01057z1-0.0008574

R(z)＝z5-0.9979z4-0.6761z3+

0.6541z2+0.5269z1-0.3975

在具体扫描过程中，X、Y方向的迟滞通过逆补偿得到有效控制[12]。扫描图像分辨率均为 512×512像素，扫描范围3500nm×3500nm。将在闭环控制下采集得到的数据分别利用公式(9)和(10) 进行成像，得到的结果如附图5～附图7所示。

附图5记录了扫描频率为15Hz的局部形貌高度数据，其中黑色实线为采用公式(9)的动态成 像曲线，而红色虚线为利用公式(10)的传统静态成像曲线。附图6为扫描频率20Hz时的局部形貌 高度数据，附图7为其合成图像。下表列举扫描频率为20Hz时某一行的部分成像数据：

  传统的静态成像方法的数据   应用动态成像方法后的数据   1   -49.56537452   -68.08297045   2   -1.708266976   -56.9359729   3   48.96623863   -44.19929675   4   92.05857452   -31.32383567   5   123.2978574   -17.76926083   6   142.5694669   -2.343046359   7   151.3740933   14.82344905   8   150.4938736   32.02345786   9   141.1047962   47.29493193   10   125.1980974   59.64258075   11   105.8194697   69.06993758   12   85.84133159   75.84503071   13   67.94464595   80.12834107   14   53.99727481   81.9397144   15   43.65617715   80.99367829   16   34.73991529   76.85515255   17   23.0638313   69.10086884   18   3.505405427   57.28127366

  19   -28.15797017   41.13174635   20   -69.11472404   21.90081969   21   -109.1332286   2.697673364   22   -138.1197231   -14.02500831   23   -148.5130425   -27.44754944   24   -141.9805884   -38.14420661   …   …   …

表1描频率为20Hz时的部分成像数据对比(单位：nm)

从附图5和附图6中可以看出：传统的静态成像方法在光栅的上下跳沿处出现了超调，并且 随着扫描速度的提高，超调也明显增大，甚至出现了一定程度振荡；而利用本发明改进后的成像 方法得到的曲线在光栅上下跳沿的超调明显减小，更加接近于真实光栅的形貌曲线。此外，由附 图5，附图6以及表1可知这种成像方法得到的曲线具有300μs左右的滞后，较为真实地反映出了 压电扫描管Z方向上的动态响应时间。

附图7中记录了20Hz下利用全部扫描数据合成后得到的光栅形貌对比图。其中，B图为传统 的成像方法得到的结果，经统计其台阶高度大部分分布在200nm～320nm之间，其在光栅跳沿处有 着明显的超调振荡，其视觉效果为光栅高低平台出现了条纹和斑点，而在采用本发明提出的方法 得到的扫描图像(附图7A)中，台阶高度大部分分布在90nm～150nm之间，在光栅跳沿处的超调 则明显减小，并且振荡消失。这种标准光栅的台阶高度约为100nm，因此利用本发明提出的方法得 到的图像更加符合样品的真实形貌。

表2对比了分别用两种方法成像时光栅台阶的平均高度。从该表中可以看出：传统静态成像 方法由于超调将使样品的台阶虚假偏高，并且误差随扫描频率的加快而逐步增加；与之相比较， 改进后的动态特性成像方法可以较好地解决这种虚假偏高问题。此外，对于同一个样品，台阶高 度在不同的扫描频率下基本保持不变，证明改进后的成像方法具有较高的可靠性，可以应用于高 速扫描成像。

  扫描频率   /Hz   传统的静态成   像方/nm   加入动态特性的   成像方法/nm   10   159   126   15   185   126   20   267   136

表2不同扫描频率下光栅成像的台阶平均高度

上述实验结果表明，在以15Hz、20Hz的高速扫描方式下，本发明所提出的成像方法可以较好 地处理压电扫描管的动态特性，因此得到的扫描图像能够更加真实地反映样品的形貌。

以上步骤中，第1、2步仅在扫描管或探针等系统构件改变后第一次使用时实施，在辨识和标 定之后，只须进行以后的步骤。

2.发明实验装置

本发明所应用的实验平台为基于RTLinux实时控制的AFM开放式平台。由于一般商业AFM 控制器是不开放的，很难获得控制器信号，本实验平台结合本原CSPM4000所提供的信号访问接 口，利用RTLinux良好的实时性，在PC上实现了控制周期为50μs的精确实时反馈控制。其结构 图如附图8所示，其中灰色部分为新添加的RTLinux平台。利用此平台，可以在高速扫描时实现 样品的精确成像，并能为以后进行纳米操作方面的研究提供条件。

数据采集过程如下：首先关闭厂商的控制器，仅利用自己的控制平台对Z方向上进行PI控制， 然后调节好PI参数使得控制效果为最佳，对样品进行扫描，并由PC同时记录下输入数据u和输 出数据v，最后再利用本发明所提出的方法来在线或者离线成像。

参考文献

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