掃描探針顯微鏡控制技術

掃描探針顯微鏡控制需要克服壓電驅動器的遲滯、蠕變和振動特性，實現對水平平面的掃描軌跡跟蹤和豎直方向上探針與樣品表面距離定位的精確控制。

1、水平方向控制

水平方向控制通過控制壓電驅動器使探針在樣品表面完成重復光柵式掃描，即x軸上重復快速地跟蹤三角波軌跡，y軸上則相對緩慢地跟蹤斜坡軌跡。水平方向控制使掃描探針顯微鏡探針在樣品表面能夠高速精確地跟蹤掃描軌跡，從而實現掃描探針顯微鏡的高速掃描精度和掃描速度。

2、豎直方向控制

掃描探針顯微鏡豎直方向控制通過壓電驅動器，控制探針與樣品表面之間距離以使探針與樣品表面相互作用的物理Z保持穩定(或者將探針與樣品表面之間距離穩定在某一固定值)。豎直辦向定位精確度直接影響到掃描探針顯微鏡成像和納米操作的精度，定位速度影響到掃描探針顯微鏡的成像速度。

樣品表面輪廓是未知的、探針與樣品間距對其相互作用非常敏感和相互作用非常復雜等問題使在豎直方向上實現快速精確定位十分困難。掃描探針顯微鏡豎直方向控制的作用是在克服上述問題的基礎上實現探針在豎直方向的精確快速定位。

3、MIMO控制

掃描探針顯微鏡控制器需要同時控制水平方向的掃描以及垂直方向的定位，水平平面x軸的高速移動會引起可軸方向的振動，水平方向高速掃描也會引起探針與樣品之間豎直方向上的振動;這樣的水平方向和豎直方向的耦合問題在高速掃描時特別明碌。耦合所引起的定位誤差嚴重地影響掃描探針顯微鏡的成像質量，甚至會損壞探針和掃描樣品。