参数自适应的NC-AFM悬臂控制系统设计

来源：电子测量技术杂志2025年第16期北京时间：

作者：曾德超，姚志飞，孙秋园，赵波慧，马宗敏

单位：1.中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原 030051;2.中北大学半导体与物理学院 太原 030051; 3.中北大学仪器与电子学院 太原 030051

摘要：由于非接触原子力显微镜的成像精度在很大程度上依赖于用于保持悬臂梁恒幅振荡的谐振频率解调与反馈回路的性能。为提升谐振频率的解调和反馈环路的性能，本文设计了一种参数自适应悬臂控制系统，对传统锁相环和幅度比例积分控制器的结构进行了改进，分别引入最小均方算法和单神经元PID算法，实现了系统关键参数的自适应调节。通过系统测试与实验验证，该方法成功实现了对微悬臂梁的稳定控制，将锁相环的频率锁定时间从41 ms缩短至32 μs，频率分辨率提升至0.04 Hz。同时，该系统有效抑制了悬臂梁振荡状态的发生，显著改善了成像实验中的非线性失真现象。最后进行了镀层表面应用测试，有效的测量出镀层厚度为50 nm。

关键词：非接触原子力显微镜;参数自适应控制;锁相环;悬臂

基金资助：国家重点研发计划项目(2022YFC2204104）、国家自然科学基金国际合作与交流项目(62220106012）、山西省杰出青年基金(20210302121007）、山西省量子传感与精密测量国际联合实验室项目(202204041101015）资助