автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка методов, алгоритмов и устройств управления съемом и предварительной обработки информации в сканирующем туннельном микроскопе

он

На правах рукописи

Антонов Александр Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ СЪЕМОМ II ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СКАНИРУЮЩЕМ ТУННЕЛЬНОМ

МИКРОСКОПЕ

Специальность 05Л3.05 - Элементы и устройст ва вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996.

IIa нравах рукописи

Антонов Александр Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ СЪЕМОМ II ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СКАНИРУЮЩЕМ ТУННЕЛЬНОМ

МИКРОСКОПЕ

Специальность 05Л3.05 - Элементы н устройства вычислительной техпики и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996.

А

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ефремов Владимир Дмитриевич.

Официальные оппоненты:

академик АИН РФ, академик АЕН РФ,

доктор технических наук, профессор Ерофеев Анатолий Александрович; к.т.н, с.н.с., нач. лаб. АО НИИ ВС "СПЕКТР" Подгурский Юрий Евгеньевич

Ведущая организация:

Военная инженерно-космическая академия им. А.Ф. Можайского.

У 6>0

Защита состоится "// " 1996 г. в час.

на заседании специализированного диссертационного совета Д063.38.04 Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая 29, корпус 9, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан " А _1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Дурандин К.П.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Анализ достижений в области сканирующей туннельной микроскопии показывает, что за свою недолгую историю (в 1986 году Г.Биннинг и Г.Рорер получили Нобелевскую премию за разработку первого сканирующего туннельного микроскопа) сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) стал мощным инструментом для исследования наноструктур в различных областях науки и техники.

Но особенно ощутимые результаты от применения СТМ могут быть получены в области электронного приборостроения, где СТМ, позволяющий видеть отдельные атомы, может с успехом применяться как для неразрушающего исследования и контроля субмикронных полупроводниковых структур, так и для создания операционных элементов с нанометровыми размерами (вплоть до размера атома), т.е. в так называемой паиотехнологии квантовых интегральных схем. Практическое внедрение напотехиологии обеспечит возможность создания диодов, транзисторов, логических элементов, имеющих сверхвысокое быстро действ ней исключительно низкое потребление энергии, а также реализации сложнейших вычислительных систем на одном кристалле. Таким образом, новые возможности, открываемые нанотехиологией, могут существенно преобразовать существующие подходы к созданию электронных элементов и построению вычислительных систем.

Однако, для того, чтобы СТМ стал надежным инструментом в напотехиологии, он должен соответствовать ряду жестких критериев, в частности, позволять с высокой скоростью исследовать атомарную топографию участков поверхности размером от десятков ангстрем до десятков микрон и обеспечивать получение качественных и достоверных изображений атомарной топографии поверхности (АТП).

Современные же СТМ еще далеки от подобного идеала, а процедура получения качественных изображений атомарной топографии поверхности все еще не стала рутинной. Это противоречие определяет необходимость совершенствования СТМ и повышения его эффективности при исследовании атомарной топографии поверхности, а именно: улучшения качества получаемых изображений; повышения скорости измерения, в особенности при проведения экспресс-анализа больших участков поверхности (размером десятки микрон). Основными современными направлениями в совершенствовании СТМ являются разработка новых и совершенствование существующих методов, алгоритмов и устройств управления съемом и предварительной обработки информации.

Целью исследований, результаты которых представлены в настоящей работе, била именно разработка методов и средств совершенствования существующих СТМ.

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования являются продолжением научно-исследовательской работы, выполненной в 1986-1991 гг. на Факультете технической кибернетики С-Петербургского Технического Университета по разработке и созданию первого серийного отечественного СТМ-СТМ "Пирамидка".

Тема диссертационной работы связана с планом госбюджетной научно-исследовательской работы "Исследование и разработка систем управления, контроля и диагностики" № 0890301 и согласуется с межвузовской научно-исследовательской программой "Приборы и устройства интегральной электроники", утвержденной комитетом РФ по высшей школе ( указание № 45-10).

Цель работы.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности СТМ при измерении АТП, а именно: улучшение качества получаемых изображений ЛТП, повышение скорости измерения АТП.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка математических моделей полезною сигнала, получаемого в СТМ при измерении АТП, базирующихся на современном физическом представлении о кристаллической структуре поверхности, и проведете их исследования.

2. Разработка методов, алгоритмов и структур съема и обработки информации, обеспечивающих улучшение качества получаемых изображений АТП и повышение скорости измерения АТП.

3. Создание на этой теоретической базе инженерных инструментов, обеспечивающих возможность построения высокоэффективных устройств измерения АТП, и апробация их на практической задаче, связанной с совершенствованием серийного СТМ "Пирамидка".

Методы исследования.

Методы исследования базируются на использовании элементов теории вероятностей, цифровой обработки сигналов, математической статистики, методов математического анализа и булевой алгебры.

Научная новизна работы.

1. Разработаны математические модели полезных сигналов, получаемых в СТМ при измерении атомарно-чистых поверхностей кристаллов с гранецеитрированной кубической решеткой типа (111)(1х1), базирующиеся на современных физических представлениях о кристаллической структуре поверхностей;

2. Показана необходимость предварительной медианной фильтрации получаемых в СТМ сигналов и разработана методика определения оптимального размера апертуры устройства медианной фильтрации, учитывающая особенности получаемого полезного сигнала, характерных для СТМ шумовых составляющих, а также нелинейный характер медианной фильтрации;

3. Разработаны прямой, конвейерный и рекурсивный алгоритмы медианной фильтрации, основанные на использовании предложенной матрицы сравнений и ориентированные на асинхронный, параллельный процесс вычисления медианы;

4. Разработаны структуры прямого, конвейерного и рекурсивного медианных фильтров, реализующие разработанные алгоритмы;

5. Разработаны алгоритм и структура устройства управления съемом информации в СТМ, учитывающие особенности получаемого в СТМ полезного сигнала, и ориентированные на экспресс-анализ макроучастков ЛТП.

Практическая ценность.

На основе полученных з диссертационной работе теоретических результатов:

1. Разработан инженерный инструмент для определения оптимального размера апертуры устройства предварительной медианной фильтрации СТМ, включающий методику определения оптимального размера апертуры и пакет программ;

2. Создан инженерный инструмент для разработки СБИС медианного фильтра заданного типа, имеющего задаваемые размер апертуры и разрядность входных отсчетов;

3. На базе разработанного инженерного инструмента для серийпого СТМ "Пирамидка" определен оптимальный размер апертуры устройства предварительной медианной фильтрации;

4. На базе созданного инженерного инструмента для серийного СТМ "Пирамидка" разработана СБИС предварительной медианной фильтрации, имеющая апертуру оптимального размера и позволяющая в реальном масштабе времени обрабатывать получаемые отсчеты сигнала.

Оформлена заявка (№ 94-026546/281026614, приоритет от 18.07.94) и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение: "Устройство измерения атомарной топографии поверхности'1,

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре "Нанотехнология квантовых интегральных схем" (Москва 1989); Всероссийской научно-практической конференциии "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С-Петербург 1995), а также на семинарах кафедры АиВТ СПбГГУ.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Достоверность результатов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Экспериментальными исследованиями;

2. Результатом экспертизы Всероссийского научно-исследовательского института патентной экспертизы;

3. Корректным использованием математического аппарата;

4. Апробацией работы в виде докладов на Всесоюзной и Всероссийской конференциях и публикаций в научных изданиях;

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основное содержание работы изложено на 210 страницах, приложения занимают 28 страниц. В работе имеется 47 рисунков и 5 таблиц. Список литературы составляет 110 наименований.

Содержание работы

Введение,

Во введении показана актуальность темы диссертации, отражены научная новизна и практическая зшчимость выполненной работы, представлено краткое содержание глав.

Первая глава.

Глава посвящена рассмотрению физических принципов туннельной микроскопии, обзору и анализу методов, структур и вариантов технической реализации современых СТМ.

В главе исследованы причины, ограничивающие применение СТМ в науке и технике, в частности, в нанотехнологии квантовых интегральных схем, и делается вывод о необходимости повышения эффективности СТМ при измерении АТП, а именно: улучшения качества получаемых изображений АТП, повышения скорости измерения АТП.

Проведенный в главе анализ современных тенденций в развитии сканирующей туннельной микроскопии показывает, что для решения задачи повышения эффективности СТМ необходимо иметь достоверные оценки характеристик полезного сигнала (т.е. незашумленного сигнала), получаемого при измерении АТП, а основными путями ее решения являются разработка новых и совершенствование существующих методов, алгоритмов и устройств управления съемом и обработки информации.

На основании проведенного анализа в главе формулируется цель исследования и определяются задачи, решение которых обеспечит достижение поставленной цели.

Вторая глава посвящена решению задачи разработки и исследования базирующихся на современных физических представлениях о кристаллической структуре поверхности математических моделей полезного сигнала, получаемого в СТМ при измерении АТП полупроводников с типичной кристаллической структурой.

В первом разделе разрабатываются математические модели полезных сигналов.

Общий вид модели полезного сигнала:

где: Z - координата острия зонда по оси Z; Xt,Yt - текущие координаты исследуемой точки поверхности; d - ширина туннельного зазора; Roc - радиус острия зонда; образец - тип кристаллической структуры исследуемой поверхности; поверхность - тип поверхности: с атомарными ступеньками, без атомарных ступенек.

Все модели полезного сигнала созданы для образцов, имеющих гранецентрированную кубическую структуру и поверхность типа (111)(1 xl).

Разработанная модель полезного сигнала, соответствующая атомарно-чистой поверхности кристалла без атомарных ступенек имеет вид:

Вторая глава.

2 — f(Xm, Ym, d, Roc, образец, поверхность).

IF Dy<d IF Dy<,d

где: Dy = Ra + Roc + d)2 — p2 — Roc; Ra - радиус атомов исследуемой поверхности, p - расстояние до центра ближайшего атома из точки с координатами Хт,Ут.

Разработанная модель полезного сигнала, соответствующая атомарно-чистой поверхности кристалла с атомарными ступеньками имеет вид:

Za IF А

max(Za, 4(d+Roc)2 -(Lkr + lst)2 +n-Zmc.Dst) IF В

Za

max(Za,(Lst—Lkr) -r)

A: B:

C:

D: E: F:

max(^(d+Roc) -(Lkr + lst)3 + n■ Zmc,Dst) Za + n-Zmc Ln qxLkr;

-1st < Lkr < Ln q>&low_s < 0&

&4(d-n Zmc+Roc)2 +(Lkr + lst<d+Rocv

wdst > 0 ;

-1st <Lkr < Ln ep&low_s < 0& &J(d-n-Zmc+Roc)2 -(Lkr + lst)2 >d+Roc; ~1st <Lkr < Ln qi&low s > O&Ln epl -lst<Lk; -Ist <Lkr<Ln q>&low_s > O&Ln q>l -1st > Lkr; Lkr < -1st ;

IF С IF D IF E

IF F

гпр Гпт=Тс1-(d + Roc)/

гае.ьп<р=ья /(п-Zmc/ 1st) ;Lst =(d+Roc) / sm(arctgn-Zmc /1)) ;

Lkr =((ast + bst-Xt)-Yl) ■ cos(arcl^bst]) ;Dst = 4dst -Roc + n-Zmc; law s = n■ Zmc-(d+Roc) -(d+Roc) ■ cos(arctgf n-Zmc/ 1st)) ; dst =(Ra+d+ Roc)2 -Xst-Yst;Xst ~(xp-xt)!;Yst = (yp-yt)2; xp,yp- координаты центра атома, ближайшего к исследуемой точке и лежащего за ступенькой по направлению движения зонда; Хт,Уг- текущие коордшшы точки; a,,,bST-коэффициенты, определяющие положение и направление атомарной ступеньки; n - число монослоев в ступеньке, Zmc - высота монослоя; 1st- ширина ступеньки.

Разработанные модели реализованы с использованием системы математического моделирования MATLAB.

Второй раздел главы посвящен исследованию разработанных моделей: исследованию спектрального состава полезного сигнала; исследованию зависимости диапазона изменения полезного сигнала от ширины (d) туннельного зазора и радиуса (Roc) острия зонда.

Проведенное исследование спектрального состава полезного сигнала позволило определить зависимость спектрального состава от условий измерения атомарно-чистых поверхностей кристаллов с гранецентрированной кубической структурой (111)(1х1).

Результаты исследования зависимости диапазона изменения полезного сигнала от d и Roc, хорошо согласующиеся с известными экспериментальными результатами, показывают, что диапазон изменения полезного сигнала существенно зависит от d и Roc и для атомарно-чистых поверхностей кристаллов с гранецентрированной кубической структурой (111)(1х1) не превышает, в лучшем случае, одного ангстрема, а при увеличении _d и Roc резко уменьшается до 0.1 - 0.05 ангстрем.

На основании проведенного анализа поденных результатов исследования показано, что для получения качественного изображения АТП необходимо до его регистрации, на этапе предварительной обработки, исключить шумы импульсного "характера, т.е. реализовать предварительную фильтрацию импульсного шума.

Вцелом, разработанные во второй главе модели полезного сигнала, моделирующие программы и результаты проведенных исследований могут быть использованы для решения задач, связанных с повышением эффективности управления положением зонда при измерении АТП, увеличением скорости измерения ЛТП, реализацией оптимальной фильтрации, поиском слабою сигнала на фоне широкополосных, мощных помех, распознаванием материала исследуемого образца и кристаллической структуры поверхности.

Третья глава.

Третья глава посвящена решению задачи улучшения качества получаемых в СТМ изображений АТП, а именно - разработке методов, алгоритмов и устройств предварительной обработки (фильтрации импульсных выбросов) получаемых в СТМ сигналов.

В первом разделе сформулирована цель предварительной фильтрации - обеспечение с вероятностью не хуже заданной (Рв) подавления всех импульсных выбросов в филируемом (Zc) сигнале и получение сигнала (М/с), максимально близкого к полезному (Zг:с) сигналу, характеризующему атомарно-чистую поверхность.

Показано, что на этапе предварительной фильтрации для эффективною подавления импульсного шума и сохранення обусловленных наличием атомарных ступенек резких перепадов фильтруемого сигнала необходимо использовать основанные на порядковых статистиках методы нелинейной фильтрации, а именно - медианные фильтры.

Сформулирована задача и обоснована необходимость создания инструментальных средств для разработки устройств предварительной медианной фильтрации, имеющих параметры, соответствующие условиям и целям исследования АТГ1.

Определены основные этапы решения поставленной в главе задачи: разработка инженерного инструмента для определения оптимального размера апертуры устройства предварительной медианной фильтрации получаемых в СТМ сигналов; разработка алгоритмов и структур медианных фильтров, позволяющих в реальном масштабе времени осуществлять предварительную медианную фильтрацию; создание инженерного инструмента для разработки устройств предварительной медианной фильтрации с заданными параметрами; разработка для серийного СТМ "Пирамидка" СБИС предварительной медианной фильтрации с оптимальными параметрами.

Второй раздел посвящен разработке инженерного инструмента для определения оптимального размера апертуры устройства предварительной медианной фильтрации получаемых в СТМ сигналов. В нем, в частности, решаются задачи создания методики определения оптимального размера апертуры и соответствующего пакега программ.

Разработанная методика включает этапы, исследования инвариантности полезного сигнала, характеризующего ЛТП, к медианной фильтрации; исследования зависимости эффективности медианного фильтра от размера апертуры; определения оптимального размера аперпсуры

При создании методики доказано утверждение (У1), определяющее необходимые условия, при которых полезный сигнал, характеризующий АТП, является инвариантным к медианному фильтру с апертурой к отсчетов. Исходя из цели предварительной фильтрации, разработан кршгерий эффективности медианного фильтра.

где: N - число отсчетов в фильтруемом сигнале, у - весовой коэффициент'. Разработанный пакет программ реализован в рамках системы математического моделирования МАТЬАВ.

САР = Г еслиАЕ>АО'У

[/ ее м АЕ<АИ-у АЕ = тах[\{'/с - МКГ)1(2пс)\;

АО = тах\М2пс ~ МЕВг^7,пс)\;

СКЕ =

и

В третьем разделе на базе разработанного инженерного инструмента определяется оптимальный размер апертуры устройства предварительной медианной фильтрации для серийного СТМ "Пирамидка".

Четвертый раздел посвящен анализу и синтезу алгоритмов и структур медианных фильтров.

Проведенный в разделе анализ современных архитектур медианных фильтров показывает, что существует противоречие между аппаратными затратами и быстродействием фильтра. Так фильтры, реализованные на основе сортирующих сетей, имеют высокое быстродействие, но требуют существенных аппаратных затрат, а построенные на базе систолических массивов процессоров имеют значительно меньшие аппаратные затраты, но при этом не позволяют обеспечить высокого быстродействия. Поэтому для создания при минимальных аппаратных затратах медианного фильтра, имеющего апертуру большого размера и осуществляющего в реальном масштабе времени обработку многоразрядных входных отсчетов, что характерно для СТМ, актуальна задача разработки новых алгоритмов медианной фильтрации и реализующих их структур, позволяющих преодолеть указанное выше противоречие.

Предложена рекурсивная процедура построения матрицы сравнения, являющейся средством для создания эффективных алгоритмов медианной фильтрации.

Сформулировано и доказано утверждение (У2). "Число единиц в столбцах (строках) матрицы сравнений различно", обосновывающее возможность однозначного определения медианы на основе предложенной матрицы сравнений.

Разработаны прямой, конвейерный и рекурсивный алгоритмы медианной филътрашш, ориентированные на асинхронный, параллельный процесс вычисления медианы в неоднородной сети арифметико-логических элементов, предполагающие синхронное поступление входных отсчетов и обеспечивающие получение выходного отсчета (медианы) на каждом такте работы.

На базе разработанных алгоритмов синтезированы структуры прямого, конвейерного, рекурсивного медианных фильтров.

Показано, что использование созданных структур позволяет (при построении медианного фильтра с задашгьеми размером апертуры и разрядностью обрабатываемых отсчетов) достичь большего быстродействия по сравнению с сортирующими сетями и обеспешггь меньшие аппаратные затраты по сравнению с систолическими массивами процессоров.

Пятый раздел посвящен разработке инженерного инструмента для создания аппаратной реализации устройства предварительной медианной фильтрации.

Проведенный в разделе анализ решаемой задачи показал, что исходные данные для разработки СБИС устройства предварительной медианной фильтрации, а именно: размер апертуры фильтра, тип фильтра, разрядность входных отсчетов, частота поступления входных отсчетов существенно зависят от условий, целей и используемой аппаратуры измерения АТП и, следовательно, не являются постоянными даже в рамках одного устройства измерения АТП. При этом при измснсниии любого из указанных параметров сложную, многоэтапную, итерационную, требующую значительных временных и материальных затрат процедуру разработки и изготовления СБИС, в общем случае, необходимо осуществлять заново. Поэтому актуальна задача создания инженерною инструмента, облегчающего этап разработки СБИС медианного фильтра с заданными параметрами.

Разработанный инженерный инструмент, ориентированный на использование в рамках пакета автоматизированного проектирования МАХ+РЬиБЦ, включает библиотеку унифицированных модулей, обеспечивающих возможность построения на основе разработанных структур медианного фильтра с требуемыми характеристиками, и методику применения этого набора модулей.

В шестом разделе на базе созданного инженерного инструмента, в рамках пакета МАХ+РЬШП, разрабатывается СБИС предварительной медиапной фильтрации для серийного СТМ "Пирамидка", имеющая оптимальный размер апертуры. Созданная СБИС обеспечивает обработку в реальном масштабе времени получаемых в СТМ "Пирамидка" отсчетов сигнала.

В целом, разработанные в третьей главе инженерные инструменгы, алгоритмы работы и структуры медианных фильтров обеспечивают решение задачи улучшения качества получаемых в СТМ изображений ЛТП и, кроме того, имеют обшстехническую ценность, так как могут быть использованы при создании СБИС медианной фильтрации с оптимальными параметрами для различных приложений.

Примеры практического использования разработанных инженерных инструментов при создании СБИС предварительной медианной фильтрации для серийного СТМ "Пирамидка" доказывают их работоспособность.

Четвертая глава.

Четвертая глава посвящена решению задачи повышения скорости измерения АТП, что достигается путем изменения метода, алгоритма и устройства управления съемом информации в СТМ.

В первом разделе анализируются существующие подходы к решению задачи повышения скорости исследования АТП. Показано, что использование подходов, базирующихся на методе сканирования со стабилизацией туннельного тока, не позволяет кардинально решить задачу повышения скорости измерения ЛТП даже на небольших участках поверхности. С другой стороны, распространение известного метода быстрого сканирования, позволяющего достичь приемлемого быстродействия при исследовании небольших, атомарно-гладких участков поверхности, сдерживается отсутствием эффективного решения задачи экспресс-анализа макроучастков АТП. Поэтому в разделе делается вывод об актуальности задачи повышения скорости экспресс-анализа макроучастков ЛТП и определяются основные пути ее решения.

Во втором разделе рассматривается разработанный алгоритм измерения АТП, ориентированный на повышение скорости исследования макроучастков поверхности.

Третий раздел посвящен разработке структуры устройства управления измерением АТП, реализующего разработанный алгоритм Приводятся детальные алгоритмы работы блоков структуры. Рассматривается работа устройства в целом.

В четвертом разделе проводится анализ разработанных алгоритма и структуры. Показано, что использование разработанных алгоритма и устройства управления позволяет, по сравнению с алгоритмами и устройствами управления, базирующимися на методе сканирования со стабилизацией туннельного тока, существенно увеличить скорость исследования макроучастков АТП и упростить устройство управления съемом информации в СТМ.

Заключение

В диссертационной работе решены задачи улучшения качества получаемых изображений АТП и увеличения скорости измерения АТП, что обеспечивает повышение эффективности СТМ при измерении АТП.

При решении этих задач получены следующие научные результаты.

1. Разработаны математические модели полезных сигналов, получаемых в СТМ при измерении атомарно-чистых поверхностей кристаллов с гранецентрированной кубической решеткой типа (111)(1*1). Разработанные математические модели базируются на современных физических представлениях о кристаллической структуре поверхностей, позволяют задавать условия (радиус (Roc) острия зонда, ширину (d) туннельного зазора, тип поверхности) измерения полезного сигнала и реализованы в рамках пакета MATLAB.

Заложенные в построенные модели принципы модульности и иерархичности позволяют легко адаптировать их для кристаллов со структурой поверхности, отличной от (111)(1 * 1).

2. Показана необходимость предварительной медианной фильтрации получаемых в СТМ сигналов и разработана методика определения оптимального размера апертуры устройства медианной фильтрации, учитывающая особенности получаемого полезного сигнала и характерных для СТМ шумовых составляющих, а также нелинейный характер медианной фильтрации. Разработанная методика позволяет определить такой размер апертуры устройства предварительной медианной фильтрации, который при заданных значениях вероятности (ри) импульсного выброса и длины (14) фильтруемой последовательности обеспечивает исправление всех импульсных выбросов с вероятностью не хуже заданной и минимальную среднеквадратичную ошибку воспроизведения отсчетов отфильтрованного сигнала относительно полезного сигнала, характеризующего АТП. Разработанная методика имеет общетехническую ценность, так как позволяет определять оптимальный размер апертуры предварительной медианной фильтрации для любых, а не только получаемых в СТМ, сигналов.

3. Разработаны прямой, конвейерный и рекурсивный алгоритмы медианной фильтрации, базирующиеся на использовании предложенной в диссертационной работе матрицы сравнений. Доказана возможность однозначного определения медианы на ее основе. Разработанные алгоритмы ориентированы на асинхронный, параллельный процесс получения медианы в неоднородной сети арифметико-логических элементов, предполагают синхронное поступление входных отсчетов и обеспечивают получение выходного отсчета (медианы) на каждом такте работы.

4. Разработаны структуры прямого, конвейерного, рекурсивного медианных фильтров. Разработанные структуры, реализующие разработанные алгоритмы медианной фильтрации, выполнены в виде неоднородной сети арифметико-логических элементов с синхронными элементами хранения (в том числе и промежуточного хранения) данных и позволяют осуществлять в реальном масштабе времени обработку получаемых в СТМ многоразрядных отсчетов. Построение медианных фильтров на основе разработанных структур позволяет достичь большего, чем при использовании сортирующих сетей, быстродействия и обеспечить меньшие, чем при использовании систолических массивов процессоров, аппаратные затраты.

Отметим, что разработанные алгоритмы и структуры медианных фильтров имеют общетехничсскую ценность, так как могут быть использованы при построении

высокоэффективных медианных фильтров для различных устройств сбора, обработки и передачи информации.

5. Разработаны алгоритм и структура устройства управления съемом информации в СТМ, учитывающие особенности получаемого в СТМ полезного сигнала и ориентированные на экспресс-анализ макроучастков ЛТП. Разработанные алгоритм и устройство управления съемом информации в СТМ, позволяют существенно, в сравнении с методом сканирования со стабилизацией туннельного тока, увеличить скорость исследования макроучастков АТП и упростить устройство управления съемом информации в СТМ.

На созданной теоретической базе получены следующие практические результаты.

1. Разработан инженерный инструмент для определения оптимального размера апертуры устройства предварительной медианной фильтрации получаемых в СТМ сигналов, включающий методику определения оптимального размера апертуры и пакет программ, выполненный в системе математического моделирования МАТЬАВ. Созданный инженерный инструмент позволяет определять оптимальный размер апертуры предварительных медианных фильтров при любых, а не только характерных для СТМ, заданных: входном сигнале и шумовой составляющей и, следовательно, имеет общетехническую ценность.

2. На базе разработанного инженерного инструмента определен оптимальный размер апертуры устройства предварительной медианной фильтрации для серийного СТМ "Пирамидка". При определении оптимального размера апертуры использовались разработанные математические модели получаемых в СТМ полезных сигналов и известные математические модели характерных для СТМ шумовых составляющих.

3. Создан инженерный инструмент для разработки в рамках пакета МЛХ+РШЯН, па основе разработанных структур, СБИС медианного фильтра, имеющего заданный размер апертуры и разрядность входных отсчетов. В основе разработанного инженерного инструмента лежит библиотека унифицированных модулей, позволяющая построить медианный фильтр с произвольными размером апертуры и разрядностью входных отсчетов, и методика использования этой библиотеки в рамках пакета автоматизированного проектирования МАХ+РЬШП. Разработанный инженерный инструмент имеет общетехническую ценность, так как позволяет создавать СБИС медианной фильтрации для любых устройств сбора, обработки и передачи информации.

4. На базе созданного инженерного инструмента разработана СБИС предварительной медианной фильтрации для серийного СТМ "Пирамидка", имеющая оптимальный размер

апертуры и позволяющая в реальном масштабе времени осуществлять обработку получаемых в СТМ входных отсчетов.

В целом, в диссертационной работе достигается поставленная цель - повышение эффективности СТМ при измерении АТП. Предложенный в работе подход к повышешио эффективное™ СТМ ориентирован на существующие принципы измерения АТП и может с успехом применяться как для совершенствования серийных СТМ, так и для создания СТМ новых поколений.

Публикации.

1. Антонов А.П., Уймонен В А., Филиппов A.C. Микропроцессорная система управления сканирующим туннельным микроскопом. // Межвузовский сборник научных трудов,- М.-1989.стр.98-100.

2. Антонов А.П., Филиппов A.C. Алгоритмы функционирования микропроцессорного контроллера сканирующего туннельного микроскопа.// Вычислительная техника, автоматика и радиоэлектроника: Сборник научных трудов. -Л: ЛГТУ, 1990.-стр.84-89.

3. Исследование и разработка пьезомашшулятора и системы управления для устройства атомарного уровня. Отчет по НИР// ЛГИ, NTP 0187.0001649, Л.1991.

4. Антонов АП., Филиппов A.C. Обработка изображений в сканирующем туннельном микроскопе для визуального наблюдения. //Вычислительные, измерительные и управляющие системы. Труды ЛГТУ,- К» 440.-1991, стр.66-70.

5. Антонов А.П., Филиппов A.C. Организация управления сканирующим туннельным микроскопом на базе микроЭВМ. // Вычислительные, измерительные и управляющие системы. Труды СПбГТУ. -№442.-1992. -стр.16-18.

6. Антонов А.П. Разработка устройства обработки сигналов, получаемых в сканирующем туннельном микроскопе. // Вычислительная техника, автоматика и радиоэлектроника: Сборник научных трудов. -С-П: СПбГТУ.-1992.-стр. 106-112.

7. Антонов А.П. Разработка моделей атомарного рельефа поверхностей кристаллов для совершенствования систем управления и обработки информации сканирующего туннельного микроскопа. // Вычислительная техника, автоматика и радиоэлектроника : Сборник научных трудов. С-П: СПбГТУ.-1993.-стр.125-130.

8. Антонов А.П., Мслехин В.Ф., Филиппов A.C. БИС программируемой логики фирмы Intel.// Экспресс-Электроника 1994.-№6(13), стр.15-17.

9. Антонов А.П., Филиппов А С. БИС гибкой логики фирмы Intel: новые возможности для разработчиков цифровых систем.// Экспресс-Электроника 1994.-№7(14), стр. 18-19.

10. Антонов А.П., Мелехин В.Ф., Филиппов А С. Построение цифровых устройств на БИС программируемой и гибкой логики фирмы Intel.// Экспресс-Электроника 1994.-№8(15), стр.18-19.

11. Антонов А.П. Микросхемы PLD фирмы Altera.// Экспресс-Электроника 1994,-№12(19), стр.23-24,

12. Антонов А.П., Тарабукин В.И., Филиппов А С. Разработка способа и устройства управления сканирующим туннельным микроскопом для измерения атомарной топографии поверхности // Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России", 25-27 апреля 1995 г.-тезисы докладов.-часть 8.-С.-П. 1995 -стр.4.

13. Антонов Л.П., Мелехин В.Ф., Филиппов А С. Специализированные СБИС в технических системах. // Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России", 25-27 апреля 1995 г.-тезисы докладов.-часть 8 - СП. 1995.-стр.7.

14. Антонов А.П. Разработка алгоритма параллельного вычисления медианы и устройства медианной фильтрации, реализуемого на одной СБИС //Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России", 25-27 апреля 1995 г.-тезисы докладов.-часть 8.-С-П.1995. -стр.11.

15. Антонов А.П., Тарабукин В.И., Филиппов А С. Разработка алгоритма и устройства управления сканирующим туннельным микроскопом при исследовании атомарной топографии поверхности.//Вычислительные, измерительные и управляющие системы. Труды

Cn6TTy.-N452.-1995.-c. 186-193.

Антонов А.П.