Научная деятельность в области нанотехнологий позиционируется в России и в мире как приоритетное направление науки и техники. Между тем, это достаточно новое направление научного знания, возникшее во второй половине XX века. Как следует из самого названия, приставка наноуказывает на характерные размеры изучаемых объектов. В настоящее время к объектам нанотехнологий относятся объекты, линейные размеры которых не превышают 100 нм при этом у них проявляются специфические свойства не характерные для аналогичных макрообъектов (например, тонкие пленки, ультрадисперсные материалы).
К методам исследования нанообъектов можно отнести электронную микроскопию, сканирующие туннельную микроскопию, атомносиловую микроскопию и ближнепольную оптическую микроскопию.
Темой настоящей диссертационной работы является создание единой методики построения микроконтроллерных систем управления сканирующими зондовыми микроскопами (СЗМ) модельного ряда НаноСкан. В ходе выполнения работы был разработан и реализован ряд такого рода систем. Диссертация посвящена совершенствованию и созданию новых элементов и устройств для систем управления специализированными СЗМ. Эти микроскопы разрабатываются и производятся ФГУ ТИСНУМ и ЗАО НТ-МДТ. Они предназначены для решения задач, связанных с исследованием свойств материалов на наноуров-не. Выбор приборов семейства НаноСкан в качестве основного потребителя разработанной системы управления обусловлен традиционным научно-техническим сотрудничеством между МИФИ и ТИСНУМ и активном участием студентов, аспирантов и сотрудников кафедры «Электронных измерительных систем» в совершенствовании СЗМ НаноСкан.
Разработка метода сканирующей зондовой микроскопии была начата в 1982 году как одного из направлений аналитического приборостроения. Основной идеей метода является изучение параметров сканируемых поверхностей при помощи зонда. Зонд представляет собой колебательную систему, на которой закреплена сканирующая игла, выполненная из алмаза. При контакте иглы с поверхностью происходит изменение условий возбуждения зонда, что приводит к изменению параметров колебательного процесса. Эти изменения позволяют восстановить относительную высоту точки, а при построчном сканировании — рельеф поверхности. Кроме того, при помощи методов сканирующей зондовой микроскопии можно измерять и механические свойства поверхностей, такие как вязкость и модуль упругости первого рода. Благодаря малой площади поверхности острия иглы можно достичь давлений до 100 ГПа. В процессе сканирования глубина проникновения в материал не превышает нескольких нанометров, а площадь контакта составляет несколько десятков квадратных нанометров. Такое малое проникновение иглы в материал позволяет измерять свойства тонких пленок без искажений, вносимых подложкой на которую они нанесены.
СЗМ сегодня используются для измерения линейных размеров, профилей поверхности, модуля упругости, твердости, электропроводности, а также получения топографических изображений формы поверхности и ее свойств. При этом они демонстрируют пространственное разрешение на несколько порядков лучше, чем оптические микроскопы, и в отличии от электронных, не требуют вакуумирования для осуществления измерений.
Развитие элементной базы цифровой электроники и приход на рынок дешевых и мощных микроконтроллеров ставит задачу совершенствования имеющегося парка СЗМ и придания им новых функциональных возможностей. Практически все современные СЗМ имеют в своем составе те или иные элементы цифрового управления, реализованные на микроконтроллерах, цифровых сигнальных процессорах или программируемой логике. Все эти элементы входят в состав радиоэлектронной аппаратуры, гарантирующей правильную работу СЗМ и обеспечивающей связь с персональным компьютером, осуществляющим глобальное управление всем процессом измерения, а также хранение результатов измерений.
Актуальность темы
Актуальность данной работы обусловлена широкой научно-исследовательской и практической деятельностью в области нанотехнологий, а также тем, что результаты диссертации имеют практическое значение для развития модельного ряда приборов НаноСкан (сканирующие зондовые микроскопы, твердомеры, наноинденторы). Работа содержит научные и технические исследования и разработки в области вторичных преобразователей информации, аналоговых и цифровых элементов и устройств используемых в современных измерительных комплексах.
Переход на микроконтроллерное управление существенно повышает гибкость и адаптируемость этого прибора, расширяет возможности для постановки новых исследовательских задач, позволяет использовать цифровую обработку сигналов и реализовать сложные алгоритмы управления, повышает точность и достоверность производимых измерений. Новое поколение СЗМ НаноСкан, возникшее благодаря переходу на микроконтроллерное управление, обеспечит ускорение научно-технического прогресса в области нанотехнологий и имеет важное народно-хозяйственное значение.
Цели и задачи работы. Целью выполнения диссертационной работы является создание методики построения системы управления СЗМ НаноСкан. Исходя из которой предстояло разработать и реализовать в виде электронных блоков универсальную систему сбора данных и управления СЗМ модельного ряда НаноСкан. Слово «универсальная» здесь и далее следует понимать только относительно модельного ряда устройств НаноСкан, производимых ФГУ ТИСНУМ (г. Троицк, МО) и ЗАО НТ-МДТ (г. Зеленоград). СЗМ НаноСкан на момент начала работы обладали уникальными метрологическими и эксплуатационными показателями, однако использование устаревшей элементной базы и специализированного интерфейса взаимодействия с персональным компьютером сдерживало их широкое применение.
Для разработки метода необходимо было решить следующие задачи:
— выделить типы устройств модельного ряда НаноСкан по критерию их практического назначения;
— сформулировать необходимые и достаточные метрологические требования для каждого типа устройств;
— решить задачи структурного синтеза разрабатываемых систем;
— решить задачи параметрического синтеза разрабатываемых систем, учитывая особенности элементной базы;
— разработать унифицированные алгоритмы управления и сбора данных.
Также необходимо было решить несколько задач, связанных с практическим применением приборов модельного ряда НаноСкан:
— перейти на 16 разрядные АЦП при измерении контролируемых физических величин;
— разработать систему контроля и сбора данных для адаптации ранее созданных приборов к новым условиям эксплуатации;
— разработать систему контроля и сбора данных для интеграции измерительных модулей НаноСкан в системы сторонних производителей;
— разработать систему контроля и сбора данных для обеспечения измерительного процесса, присутствующего в полнофункциональных устройствах НаноСкан.
Разрабатываемые системы должны не только удовлетворять предъявляемым к ним требованиям, но и обеспечивать дополнительные аппаратно-программные возможности в целях проведения исследовательских работ, как научного содержания, так и практического характера.
Отметим, что стоимость систем контроля и сбора данных является существенным параметром, так как приборы модельного ряда НаноСкан выпускаются серийно. В связи с этим особое внимание было уделено выбору средств разработки и элементной базы таким образом, чтобы получить максимум возможностей при минимуме затрат.
Научная новизна.
— Был проведен теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования аналого-цифровых элементов и системы управления СЗМ НаноСкан в целом, позволивший сформулировать предложения по улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик серийно выпускаемых приборов.
— Разработана методика построения систем контроля и сбора данных для управления сканирующими зондовыми микроскопами модельного рядя НаноСкан, воплощающая в жизнь новые алгоритмы измерения и сканирования.
— Предложен вариант аппаратно-программной реализации систем НаноСкан, предназначенных для интегрирования в измерительные комплексы сторонних производителей.
— Предложен вариант аппаратно-программной реализации систем НаноСкан, предназначенных для управления полнофункциональными устройствами.
— Создана основа для перехода на цифровые системы регулирования положения зонда СЗМ.
— Обеспечена техническая возможность сложной когерентной обработки измерительных данных в режиме реального времени.
Практическая значимость. Созданные в соответствии с разработанной методикой системы придали приборам модельного ряда НаноСкан ряд новых качеств, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования элементов систем управления и сбора данных:
— реализованы измерительные процедуры в реальном времени;
— реализована многоканальность модифицирующего и зондирующего воздействия на исследуемые материалы;
— снижено влияние помех на результаты измерений;
— повышена разрядность используемых АЦП до 16 бит;
— повышена технологичность сборки СЗМ — за счет взаимозаменяемости разработанных систем было снижено количество сборочных единиц;
— реализована возможность использовать новые, более сложные измерительные алгоритмы;
— добавлены алгоритмы удаленного обновления ПО;
— заменен интерфейс с шины PCMCIA на шину USB;
— реализована гальваническая изоляция СЗМ от управляющего ПК;
— обеспечена возможность удаленного управления питанием, что облегчает установку прибора в изолированном помещении с повышенным уровнем радиации или особо чистом;
— добавлены дополнительные порты расширения;
— снижена себестоимость;
— произведена интеграция сканирующего наноиндентора НаноСкан в состав нанолабора-тории ИНТЕГРА;
— существенно расширен круг задач, решаемых приборами модельного ряда НаноСкан.
Системы управления, выполненные в соответствии с разработанной методикой, могут применяться не только для построения СЗМ, но и в ряде других устройств, условиям применения в которых они удовлетворяют по параметрам скорости и разрядности. По критерию электробезопасности разработанные системы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к медицинскому оборудованию (ГОСТ 12.2.025−76). При помощи данных СУ можно создавать не только новые, но и адаптировать старые устройства к новым условиям эксплуатации, что было крайне затруднено при использовании прежней системы управления.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из следующих глав:
Результаты работы внедрены в двух организациях:
— Акт о внедрении № 08−12−18−728 от 18 декабря 2008 г. выдан ФГУ ТИСНУМ подписан директором ФГУ ТИСНУМ д.ф.-м.н. Бланком В.Д.
— Акт о внедрении № без номера от 10 декабря 2008 г. выдан ЗАО «НТ-МДТ», подписан генеральным директором ЗАО «НТ-МДТ» д.ф.-м.н. Быковым В.А.
Основные положения доложены и обсуждены на научной сессии МИФИ — 2008.
По теме диссертации опубликовано 4 работы из которых одна в реферируемом журнале, включенном в список ВАК [34, 35, 36, 37].
При создании СУ для модельного ряда НаноСкан использовались следующие средства разработки:
— Atmel AVR Studio — среда разработки программного обеспечения для микроконтроллеров с ядром AVR;
— Microsoft DDK — среда разработки драйверов для операционных систем Windows;
— Microsoft SDK — среда разработки ПО для операционных систем Windows, была использована для создания dll библиотек;
— Borland Turbo С++ — среда разработки ПО для операционных систем Windows, была использована для разработки служебного ПО;
— FTDI MPROG — утилита конфигурирования EEPROM, хранящей данные инициализации для мостов FT232BM и FT2232C;
— FTDI Driver Set — набор драйверов и библиотек управляющих функций для моста FT232BM и FT2232C;
— DipTrace — программа создания электрических схем и разводки печатных плат;
— ProgeCAD — среда для работы с конструкторской документацией;
— Nuance PDF Converter — среда для работы с файлами формата PDF, применялась для оформления электронных документов;
— OpenOffice — пакет программ для работы с текстовыми файлами и файлами таблиц был использован для создания текста диссертации;
— Windows ХР Pro — операционная система.
Суммарная стоимость средств разработки не превышает 50 000 рублей, что является очень низкой ценой с учетом серийного производства СЗМ и итоговой стоимостью готового микроскопа. * *.
Широкие аппаратно-программные возможности систем позволили реализовать новые измерительные алгоритмы и повысить точность прежних, что повысило достоверность получаемых данных и конкурентоспособность приборов модельного ряда На-ноСкан. Гибкость методики и адаптируемость аппаратно-программного комплекса позволили приборам НаноСкан гармонично влиться в серийно производимые нанолаборатории NTEGRA, придав последним важную метрологическую функцию — измерение твердости и модуля Юнга наноструктурированных материалов.
Переход на новую методику построения сканирующих зондовых микроскопов модельного ряда НаноСкан и смена программно-аппаратной реализации отражает мировую тенденцию, состоящую в активном использовании специализированных микроконтроллеров и цифровых процессоров в составе систем, обеспечивающих режим реального времени в современной измерительной аппаратуре. Созданные системы управления NanoScan Light и NanoScan Full обеспечивают не только соответствие приборов семейства НаноСкан современным требованиям, но и гарантируют быстрое дальнейшее развитие данного семейства сканирующих зондовых микроскопов.
Заключение
.
В ходе выполнения диссертационной работы была разработана методика построения систем контроля, управления и сбора данных для сканирующих зондовых микроскопов модельного ряда НаноСкан. Которая включает в себя две составляющие: методику построения аппаратного обеспечения и методику построения программного обеспечения. В соответствии с разработанной методикой были созданы два варианта системы управления: система асинхронного типа — NanoScan Light и система синхронного типа — NanoScan Full. Обе они производятся серийно.
Методика построения программного обеспечения аппаратной (микроконтроллерной) части позволяет легко модифицировать ПО, добавляя в него новые внешние функции (внешними называются функции, вызываемые с ПК). Были разработаны базовые «внутренние» функции управления периферией микроконтроллера (внутренние функции служат для снижения объема кода встроенного ПО и выполняют часто используемые базовые операции). В основе встроенного ПО лежит алгоритм, который осуществляет контроль за состоянием векторов прерываний (аппаратный запуск прерываний запрещен) и управляет вызовом запрашиваемых внешних функций. Благодаря наличию главного цикла и особых алгоритмов обмена данными момент запуска внешних функций контролируется с ПК, а процесс их выполнения синхронизирован с высокостабильным тактирующим сигналом кварцевого генератора и осуществляется ПО микроконтроллера. Все это позволяет реализовать синхронный измерительный процесс в реальном времени с асинхронной передачей данных в ПК по шине USB.
Методика построения аппаратного обеспечения позволяет создавать СУ, обладающие широкими возможностями в сочетании с низкой стоимостью. Системы управления гальванически изолированы от ПК, что позволяет повысить надежность и работоспособность системы при возникновении нештатных ситуаций. Также реализован интерфейс удаленного управления питанием СЗМ — это позволяет располагать микроскоп в изолированном чистом помещении, что бывает часто необходимо при проведении высокоточных измерений.
Сформулируем следующие основные положения выносимые на защиту:
— Универсальная методика построения систем контроля и сбора данных для аппаратно-программного комплекса СЗМ, позволяющая оперативно адаптировать НаноСкан к новым измерительным задачам.
— Режимы измерения и сканирования в реальном времени с асинхронным протоколом передачи данных по шине USB.
— Реализация систем управления асинхронного и синхронного типа для различных условий эксплуатации СЗМ НаноСкан.
— Многоканальные измерения и повышение достоверности получаемых данных в приборах модельного ряда НаноСкан.
