Realisierung der Steuerungs Regelungsalgorithmen mittels FPGA für ein hochauflösendes und schnelles Rasterkraftmikroskop mit aktivem Cantilever Die Entwicklungen des Rasterkraftmikroskops (AFM: atomic force microscope) betrafen alle seine Komponenten angefangen von Kraftsensoren Regelungstechniken Materialien und Ausrüstung bis zu den Betriebsmoden. Die meisten dieser Entwicklungen haben das Ziel die Auflösung des AFM zu verbessern und seine Geschwindigkeit zu erhöhen. Meine Doktorarbeit versucht zur Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie dadurch beizutragen dass neue Steuerungs und Regelungsmethoden für das AFM System mit dem selbstaktuierten piezoresistiven Cantilever (Aktiver Cantilever) als Kraftsensor entworfen und auf Basis der Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert werden. In dieser Arbeit wird die Performanz des AFM Systems mit aktivem Cantilever in der Geschwindigkeit Auflösung Ebene verbessert. Dafür werden digitale Regelungs und Steuerungsalgorithmen mit hohem Durchsatz für das AFM System entworfen und auf FPGA implementiert. Eine Methode wird im Rahmen dieser Arbeit für die automatische Annäherung der Sonde in Richtung der Oberfläche der Probe in einer sehr schnellen und sicheren Art und Weise entwickelt. Die schnelle Annäherung führt zu Verbesserung der AFM Produktivität besonders bei den Anwendungen die eine Wiederholung des Annäherungsprozesses während der gleichen Sitzung erfordern (step and image). Rückkoppelungsregelung und Vorwärtsregelung auf Basis eines FPGA werden untersucht entworfen und implementiert um die Auswirkungen der Hysterese und Vibrationen des Scanners (Positioniersystem) zu kompensieren. Es wird gezeigt dass sich durch die Normierung der Hysterese Kurven die Komplexität des Hysterese Modells und dadurch des inversen Modells der Hysterese stark reduzieren lässt. Ein neues alternatives Verfahren zur Charakterisierung der Hysterese mittels des AFM Amplitudenbilds wird erläutert. Der Scanner wird als lineares System höherer Ordnung betrachtet und identifiziert. Ein digitaler Kompensator wird zum Unterdrücken der Scanner Vibration entwickelt und im FPGA implementiert. Die Scan Trajektorie in den XY Richtungen hat einen signifikanten Einfluss auf die Wahl der Steuerungsarchitektur und die erreichbare Scan Geschwindigkeit. Dafür werden verschiedene Methoden ( Input Shaper sinusförmiges und spirales Scannen) in dieser Arbeit implementiert. Zusätzlich werden eine nichtlineare Erfassungsmethode des AFM Bildes und eine Phasenkorrektur verwendet um die Verzerrung des AFM Bildes aufgrund der nicht linearen Scansignale zu vermeiden. In dieser Arbeit wird eine neue Struktur des digitalen Lock In entwickelt der die Amplitude und Phase der Cantilever Schwingung sehr schnell ermitteln kann. Die Detektionszeit ist kleiner als eine Schwingungsperiode. Die Regelung für ein Z Scanner lose AFM wird entworfen und auf FPGA implementiert. In diesem System wird der TMA (Thermomechanischer Aktuator) des aktiven Cantilevers anstatt des Z Piezoaktuator verwendet um die Topographie der gescannten Oberfläche zu verfolgen. Dieses Prinzip wird ausgenutzt um ein AFM System mit einem aktiven Cantilever Array (4 Cantilever) zum parallelen Scannen einer großen Oberfläche (0.5mm x 0.2mm) zu entwickeln. Als effektive Scan Geschwindigkeit werden 5 6 mm s erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige adaptive Variante zur Erhöhung der Scangeschwindigkeit entwickelt. Diese Methode verhindert ebenfalls effektiv das Sättigungsproblem das beim Scannen der Oberflächen Topographien mit hohem Aspekt Verhältnis entsteht. Verglichen mit einem Standard Regler ermöglicht der adaptive Regler eine deutlich höhere Stufenauflösung bei vergleichbaren Scanraten. Daher wird das Scannen vier bis sechsmal schneller bei gleicher Abbildungsqualität. Beim Scannen mit einer kleinen Kraft gibt es sogar eine bis zu 17 fache Verbesserung.