题目：高速原子力显微镜控制电路的研究

原子力显微镜是目前应用最为广泛的扫描探针显微镜之一。自1986年Binning， Rohrer和Gerber在STM的基础上发明第一台原子力显微镜以来，许多科技工作者在此基础上进行了不断改进和提高，并拓宽其应用领域，从而派生出多种类型的原子力显微镜，不仅可进行电性、磁性、纳米微影加工及生物活性分子性质分析，更广为应用于探索纳米尺度下微观的物性（光、力、电、磁），功能已经远远超过以往显微镜技术，将人类带入了纳米时代。但是原子力显微镜也有自身的局限性，由于采用逐点扫描成像技术，扫描一幅图像需要几十秒的时间，难以满足日趋增长的对样品实时观测的需求。为此，近年来国内外许多科技工作者开展了高速原子力显微镜的研究。高速原子力显微镜从上个世纪九十年代产生到现在发展异常迅速，国外的科学家们通过各种手段以增加原子力显微镜的扫描速度，实现了80毫秒/帧的扫描成像速度，将传统原子力显微镜的扫描速度提高了近1000倍，而国内在这一方面的研究工作尚处于起步阶段，如中科院电工研究所研制了基于DSP的原子力显微镜，扫描速率为55Hz行频，距离真正的高速原子力显微镜还是有一定的差距。本课题参考商用原子力显微镜的控制电路，设计了一套以PC104工控主机（嵌入Linux为嵌入式操作系统）为核心的高速原子力显微镜控制系统。该系统不依赖PC主机，可以独立的完成对扫描探头的扫描控制、数据采集记录保存等功能。本课题还提出了针对原子力显微镜的基于数字电位器的PID控制Z方向的控制方法，这种方法既能保证PID的响应速度和可靠性，又能远程修改PID的参数。本控制系统能输出-150V～150V、8A的电压驱动信号，以驱动压电扫描器。实验证明，控制系统可以控制传统原子力显微镜的扫描探头进行扫描、并获得扫描图像。配合高速扫描探头，扫描的范围能达到100μm×100μm，输出的最大行扫频率>400Hz。本课题研制的控制系统为高速原子力显微镜扫描探头的研究提供了控制硬件平台。