Введение к работе
Актуальность темы
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 нано-уровне. 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 данной работы обусловлена широкой научно-исследовательской и практической деятельностью в об-
ласти нанотехнологий, которые позиционируются в России и в мире как приоритетные направления науки и техники, 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.
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.
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.
Цель и задачи
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 кмпью-тером сдерживало их широкое применение.
Для создания методики было необходимо 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, позволившей 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, воплощающих 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 полно-функциональными 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, повышающих надежность, улучшающих контроль и диагностику функционирования элементов системы
управления и сбора данных:
Реализованы измерительные процедуры в реальном времени.
Обеспечена многоканальность модифицирующего и зондирующего воздействия на исследуемые материалы.
Снижено влияние помех на результаты измерений.
Повышена разрядность используемых АЦП до 16 бит.
Повышена технологичность сборки приборов — 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 прибора 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 На-ноСкан в состав нанолаборатории 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.
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.
Благодаря проделанной работе была усовершенствована техническая база системы управления СЗМ НаноСкан, и повышены качественные и эксплуатационные показатели выпускаемых приборов.
Внедрение результатов работы
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.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 работы из которых одна в реферируемом журнале, включенном в список ВАК.
Объем и структура диссертации
