低温扫描隧道显微镜部分电子电路的研制

摘要

扫描隧道显微镜由于能够探测导电固体表面附近的局域电子态结构，以及得到原子级分辨率的样品表面形貌，而在凝聚态物理学和材料科学研究中得到了广泛的应用。本论文的主要目的，是设计和搭建一套用于低温扫描隧道显微镜的控制电路。 这套电路系统主要包括：(1)高压电路单元，分别提供线性压电步进电机和压电陶瓷扫描管所需的高压源，前者用于扫描针尖位置的粗调，后者用于细调；(2)线性压电步进电机的控制电路；(3)隧道电流前置放大单元，用于将隧道电流转换并放大成合适大小的电压信号；(4)反馈控制单元，由数字信号处理器DSP(Digita]Signal Processor)实现，对来自前放的信号进行处理并控制扫描驱动电路。 高压驱动电路主要功能元件是APEX公司的高精度集成高压运放：PA97，通过细致地分析设计，使得高压信号输出噪声小于5mV，达到对压电扫描管运动控制的精度要求。扫描隧道显微镜的粗调定位器使用一种结构紧凑、控制方便，并可工作于液氦低温环境的压电陶瓷步进电机。扫描隧道显微镜的隧道电流一般约为0.01nA～50nA，对这么小的电流信号进行处理，前置电流放大器的性能好坏至关重要，本文在前放单元的设计中，详细分析影响隧道电流放大电路性能的各种因素，如元件选用、接地、电磁屏蔽等。我们使用加拿大Signal Ranger公司的集成DSP电路板卡，并对其电路进行扩展，来实现反馈及控制。 本文对这几个部分的设计和制作做了详细的分析和介绍，并对制作过程中存在的问题进行讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

§1.1 STM原理

§1.2 STM工作模式

§1.3 STM基本结构

§1.4 STM的发展、应用和局限

§1.5本论文的工作构想和主要内容

第二章压电扫描管驱动电路和步进电机驱动电路的设计及制作

§2.1压电陶瓷扫描管和高压PZT驱动电路的设计

§2.2粗调定位器：压电陶瓷步进电机

§2.3步进电机驱动电路的设计

§2.4电路测试分析

第三章隧道电流前置放大单元的设计

§3.1电流放大器

§3.2隧道电流放大电路的设计

第四章STM反馈系统和数字信号处理器单元

§4.1 STM反馈系统

§4.2数字信号处理器单元

§4.3关于控制程序

第五章结论

附录

参考文献

攻读硕士学位期间发表的文章

致谢