Hardware and software correction method of piezo scanner nonlinearity in scanning microscope

• Autorzy: Pawłowski S. , Majcher A. , Mrozek M.

Warianty tytułu

PL

Sprzętowo-programowa metoda korekcji nieliniowości piezoskanera w mikroskopie skaningowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An inherent feature of the piezo scanner in scanning probe microscopy is their time-varying nonlinear. This results in a distortion of images and a difficulty of the measurements that require adequate control of the current position of the cantilever with respect to the sample surface. This paper presents methods of correcting a nonlinear piezo scanner. The advantages and disadvantages of each solution are pointed out, and the developed hardware and software correction methods are described. The correction is performed by a digital system made up of high-speed analogue-to-digital converters and a FPGA programmable system in which the correction algorithms are implemented. These algorithms determine, on the basis of actual measurement data, a set of correction factors for different areas and scanning speed. This set can be modified during each scanning process. This method of hardware and software use does not slow down scanning speed, and it maintains high resolution measurements.

PL

Inherentną cechą piezoskanerów w mikroskopach skanujących jest ich zmienna w czasie nieliniowość. Skutkuje ona zniekształceniami uzyskiwanych obrazów oraz trudnościami prowadzenia pomiarów wymagających adekwatnej kontroli aktualnego położenia cantilevera w stosunku do powierzchni próbki. W artykule przedstawiono metody korekcji nieliniowości piezoskanera. Wskazano zalety i wady poszczególnych rozwiązań oraz opisano opracowaną sprzętowo-programową metodę korekcji. Korekcja realizowana jest przez system cyfrowy złożony z szybkich przetworników analogowo-cyfrowych oraz układu programowalnego FPGA, w którym zaimplementowane są odpowiednie algorytmy. Algorytmy te wyznaczają, na podstawie rzeczywistych danych pomiarowych, zbiór współczynników korekcyjnych dla różnych szybkości i obszarów skanowania. Zbiór ten może być modyfikowany podczas każdego procesu skanowania. Metoda sprzętowo-programowa nie spowalnia szybkości skanowania, przy zachowaniu wysokiej rozdzielczość pomiarów.

Słowa kluczowe

EN

scanning microscope; piezo scanner; piezo scanner nonlinearity correction

PL

mikroskop skaningowy; piezoskaner; korekcja nieliniowości piezoskanera

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Problemy Eksploatacji
• Rocznik: 2013
• Tom: nr 1
• Strony: 67--76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Pawłowski S.

• Uniwersytet Łódzki, Łódź

autor

Majcher A.

• Instytut Technologii Eksploatacji - PIB, Radom

autor

Mrozek M.

• Instytut Technologii Eksploatacji - PIB, Radom

Bibliografia

• 1. Cohen S.H., Lightbody M.L.: Atomic Force Microscopy/Scanning Tunneling Microscopy. Springer, 2004.
• 2. Chunli Bai: Scanning Tunneling Microscopy and Its Application. Springer Series in Surface Sciences, 2000.
• 3. Gotszalk T.P.: Systemy mikroskopii bliskich oddziaływań w badaniach mikro- i nanostruktur. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004.
• 4. Howland R., Benatar L.: A practical guide to scanning probe microscopy. ThermoMicroscopes 2000.
• 5. Mority S. (ed.): Noncontact Atomic Force Microscopy. Springer, 2002.
• 6. Drelich J.: Atomic Force Microscopy in Adhesion Studies. Brill Academic Pub, 2005.
• 7. Wiesendanger R. (ed.): Scanning Tunnelling Microscopy. Springer Verlag 2002.
• 8. Hung S.-K., Hwu E.-T., Hwang I.-S., Fu L.-C.: Postfitting Control Scheme for Periodic Piezoscanner Driving. Japanese Journal of Applied PhysicsVol. 45, 2006, pp. 1917.
• 9. Schitter G., Menold P., Knapp H.F.: High performance feedback for fast scanning atomic force microscopes. Rev. Sci. Instrum, 72, No. 8, August 2001. Rev. Sci. Instrum.
• 10. Kodera N., Sakashita M.: Dynamic proportional-integral-differential controller for high-speed atomic force microscopy. Rev. Sci. Instrum, 77, 083704 (2006).
• 11. Moeller G., Gerard P.: A step towards length scale corrected and instrument independent surface roughness analysis. Meas. Sci. Technol. 23, 2012, 105007.
• 12. Hung S.-K., Hwu E.-T., Hwang I.-S., Fu L.-C.: Postfitting Control Scheme for Periodic Piezoscanner Driving. Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 3B, 2006, pp. 1917-1921.
• 13. Majcher A., Mrozek M., Zbrowski A., Olejniczak W., Pawłowski S., Piskorski M.: Mikroskop STM/AFM do zastosowań badawczych w zaawansowanych technologiach w przemyśle oraz w dydaktyce szkół wyższych. Problemy Eksploatacji 3/2011, s. 177-188.