Atomic Force Microscopy, modeling, estimation and control

The presented work concentrates on a complete and deep understanding of the Atomic Force Microscopy from the control point of view. This analysis allows us to propose improvements for the Atomic Force Microscopes standard functions. Control approach plays an important role in all this development but profound understanding of the instruments physics has to be reached as well.The second chapter briefly but completely overviews the most important techniques to operate the Scanning Probe Microscope and more precisely the AFM. This chapter should unveil advantages and difficulties of the existing techniques. The most basic function parts of AFM are presented. Followed by a summary of Contact (static) operation mode and Non-contact (dynamic) operation mode.The third chapter concentrates on the modeling of surface interactions and the dynamic of the cantilever with the tip. A simplified model of the surface interaction forces is presented and used as a base to performed simulations later on. Followed by a simplified cantilever model and a more complex multi-mode model based on the beam theory with implemented model for the thermal excitation.The fourth chapter presents an application of observer techniques to Atomic Force Microscopy. A short introduction to all present measurements and detection disturbances is given at the beginning. Theoretical introduction of the observer and its application in control follows. Then two observer applications to Atomic Force Microscope in Amplitude Modulation technique and a new static force measurement are presented.The fifth chapter presents a new operation mode of Atomic Force Microscope based on static measurement of the interaction force. A cold damping technique is used to be able to operate the cantilever in completely static regime and its description is given at the beginning of the chapter. Followed, by theoretical definition and description of a new operation mode called “Cooling mode". The main advantages and disadvantages compared to the standard AFM operation modes are listed to see the functionality improvements and limitations. Experimental setup used to prove this concept is designed and identified in the following text. This information allows us to design a stabilizing controller using pole placement techniques. The realtime measurement results are presented at the end of this chapter.Le travail présenté se concentre sur une complète compréhension de l'AFM du point de vue du contrôle. Cette analyse nous permet de proposer des améliorations au fonctionnement standard de l'AFM. L'approche du contrôle joue un rôle important dans tout ce développement mais une profonde compréhension des instruments de physique a été requise.Le second chapitre, a une vue d'ensemble des techniques les plus importantes pour faire fonctionner la microscopie à sonde locale (SPM) et plus précisement l‘AFM. Ce chapitre dévoile les avantages et inconvénients des techniques existantes. Les fonctions les plus basiques de l'AFM sont représenteé. S'en suit un résumé des modes d'opération de contacte (statique) et modes d'opération de non-contacte (dynamique).Le troisième chapitre se concentre sur les interactions du modèle de surface et la dynamique du levier avec la pointe. Une simplification des interactions du modèle de surface est présentée et utilisée comme base pour accomplir des simulations. S'en suit un modèle de levier simplifié et un modèle multimode plus complexe, basé sur la théorie du faisceau avec l'implantation d'un modèle pour une excitation thermique.Le quatrième chapitre présente une application des techniques de l'observateur pour l'AFM. Un courte introduction présente les perturbations de mesures et les perturbations données par la détection au début. Suit ensuite l'introduction théorique de l'observateur et ses applications pour le contrôle. Puis sont présentés deux observateurs d'application pour l'AFM dans une technique de modulation d'amplitude et une nouvelle mesure de force statique. Le cinquième chapitre présente un mode d'opération de l'AFM basé sur la mesure statique de la force d'interaction. Une technique « cold damping » est utilisée dans le but de faire fonctionner le levier dans un régime complètement statique, la description est faite en début de chapitre. Suivent une définition et une description théorique d'un nouveau mode dopération nommé « Cooling Mode ». Les principaux avantages et inconvénients qui sont comparés aux modes d'utilisation standard de l'AFM sont listés pour constater les améliorations des performances et d'en apprécier les limites. L'expérimentation menée prouve que ce concept est concu et identifié dans le texte suivant. Cette information nous permet de concevoir un contrôleur stable dans la technique de placement du pôle. Les résultats de mesures en temps réel sont présentés à la fin du chapitre