用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件

用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜（STM）的控制

物理系林亮宋真

指导老师

张朝晖

用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜（STM）的控制1背景

1.扫描隧道显微镜（STM）简介

扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope）1982年由诺贝尔物理学奖得主葛-宾尼（GedBinning）和海-罗雷尔（HeinrichRohrer)等人研制成功。是一种具有原子级（A，埃）分辨率的表面分析仪器。在金属和半导体表面以及生命科学的研究中有着广泛的应用。背景

1.扫描隧道显微镜（STM）简介扫描隧道22.STM工作原理简介2.STM工作原理简介3控制部分控制分为三部分：粗逼近、扫描和负反馈。粗逼近用步进的方式进行，每加一次电压，向前逼近一步，采用锯齿形电压。扫描分为X扫描和Y扫描两部分，X方向为行方向，Y方向为列方向。X方向扫描过去再回来，然后Y方向换行，循环往复，可以扫描x×y大小的区域.控制部分控制分为三部分：粗逼近、扫描和负反馈。4负反馈和表面分析负反馈控制贯穿全过程。负反馈由加在Z方向上的电压来实现。首先读取隧道电流I,与标准值相减，然后经过比例、积分运算，得到负反馈电压的数值，加到Z轴上去，调节陶瓷管伸长，以实现衡电流扫描。加在Z轴上的电压的变化反应样品表面电子波函数的起伏。通过存储和读取分析Z轴电压的二维分布，就能得到样品表面起伏的信息。负反馈和表面分析负反馈控制贯穿全过程。负反馈由加在Z方向上的53.负反馈控制简介为了实现对STM探针与样品表面距离的控制，普遍方法是用pid控制。通常的STM的控制部分是用dsp芯片来实现的。而我们这里是用labview编程来实现对STM的控制。3.负反馈控制简介为了实现对STM探针与样品表面距离的控6Pid有两种控制算法，即：

式（4）称为位置式PID控制算法。Pid有两种控制算法，即：7由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，导致控制器的响应速度变慢，而且由于积分的累积作用，在手动和自动切换时，很难做到无扰动切换。因此，人们又提出一种新的控制算法，PID增量式控制算法：由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，导致控制8二为什么要尝试新的控制方式虚拟仪器的关键环节是软件，使用和修改起来会更方便开发与维护的费用低，系统组建时间短具有强大的数据处理功能二为什么要尝试新的控制方式虚拟仪器的关键环节是软件，使用9三我们所做的工作粗逼近控制XY扫描控制针尖到表面距离的负反馈控制三我们所做的工作粗逼近控制10用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件11用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件12用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件13用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件14四结论与问题用虚拟仪器来实现pid控制是十分方便的，而且修改起来也十分方便，当用硬件实现某些功能比较困难时，可以考虑用虚拟仪器。由于系统的硬件还没有完全准备好，所以我们还只能对扫描过程进行模拟。但从我们模拟的情况来看，用虚拟仪器实现STM的控制是完全可行的。四结论与问题用虚拟仪器来实现pid控制是十分方便的，而15Labview软件也有很大的局限性，例如时序问题，labview系统本身只提供了一毫秒周期的系统时钟。所以要实现真正的应用，还需考虑使用A/D卡的时钟。另外，关于Labview的资料还是太少，有一些模块都找不到描述，所以我们经常只能摸着石头过河。但其中也不乏乐趣！Labview软件也有很大的局限性，例如时序问题，labvi16五致谢在我们的实验过程中，张朝晖老师给了我们很多的指导和鼓励，并为我们提供了很好的实验条件。贾宏博同学为我们提供了很多资料，并在我们不太熟悉labview软件的时候给了我们很大的帮助。在此向他们表示由衷的感谢！五致谢在我们的实验过程中，张朝晖老师给了我们很多的指导和鼓17

用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜（STM）的控制

物理系林亮宋真

指导老师

张朝晖

用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜（STM）的控制18背景

1.扫描隧道显微镜（STM）简介

扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope）1982年由诺贝尔物理学奖得主葛-宾尼（GedBinning）和海-罗雷尔（HeinrichRohrer)等人研制成功。是一种具有原子级（A，埃）分辨率的表面分析仪器。在金属和半导体表面以及生命科学的研究中有着广泛的应用。背景

1.扫描隧道显微镜（STM）简介扫描隧道192.STM工作原理简介2.STM工作原理简介20控制部分控制分为三部分：粗逼近、扫描和负反馈。粗逼近用步进的方式进行，每加一次电压，向前逼近一步，采用锯齿形电压。扫描分为X扫描和Y扫描两部分，X方向为行方向，Y方向为列方向。X方向扫描过去再回来，然后Y方向换行，循环往复，可以扫描x×y大小的区域.控制部分控制分为三部分：粗逼近、扫描和负反馈。21负反馈和表面分析负反馈控制贯穿全过程。负反馈由加在Z方向上的电压来实现。首先读取隧道电流I,与标准值相减，然后经过比例、积分运算，得到负反馈电压的数值，加到Z轴上去，调节陶瓷管伸长，以实现衡电流扫描。加在Z轴上的电压的变化反应样品表面电子波函数的起伏。通过存储和读取分析Z轴电压的二维分布，就能得到样品表面起伏的信息。负反馈和表面分析负反馈控制贯穿全过程。负反馈由加在Z方向上的223.负反馈控制简介为了实现对STM探针与样品表面距离的控制，普遍方法是用pid控制。通常的STM的控制部分是用dsp芯片来实现的。而我们这里是用labview编程来实现对STM的控制。3.负反馈控制简介为了实现对STM探针与样品表面距离的控23Pid有两种控制算法，即：

式（4）称为位置式PID控制算法。Pid有两种控制算法，即：24由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，导致控制器的响应速度变慢，而且由于积分的累积作用，在手动和自动切换时，很难做到无扰动切换。因此，人们又提出一种新的控制算法，PID增量式控制算法：由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，导致控制25二为什么要尝试新的控制方式虚拟仪器的关键环节是软件，使用和修改起来会更方便开发与维护的费用低，系统组建时间短具有强大的数据处理功能二为什么要尝试新的控制方式虚拟仪器的关键环节是软件，使用26三我们所做的工作粗逼近控制XY扫描控制针尖到表面距离的负反馈控制三我们所做的工作粗逼近控制27用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件28用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件29用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件30用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜STM的控制课件31四结论与问题用虚拟仪器来实现pid控制是十分方便的，而且修改起来也十分方便，当用硬件实现某些功能比较困难时，可以考虑用虚拟仪器。由于系统的硬件还没有完全准备好，所以我们还只能对扫描过程进行模拟。但从我们模拟的情况来看，用虚拟仪器实现STM的控制是完全可行的。四结论与问题用虚拟仪器来实现pid控制是十分方便的，而32Labview软件也有很大的局限性，例如时序问题，labview系统本身只提供了一毫秒周期的系统时钟。所以要实现真正的应用，还需考虑使用A/D卡的时钟。另外，关于Labview的资料还是太少，有一些模块都找不到描述，所以我们经常只能摸着石头过河。但其中也不