Etude et réalisation d’un système asservide contrôle de mouvement nanométrique

appliqué à une source d’électrons

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Mémoire d’ingénieur électronique présenté par Bruno ALEXANIAN

au Conservatoire National des Arts et Métiers, le 15 juin 2005

Plan

• Contexte du projet

• Objectifs

• Module 1

• Module 2

• Assemblage du système

• Bilan (technique et économique)

• Conclusion

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Contexte du projet

But : réalisation d’un "nez électronique" dans le cadre d’un contrat avec la DERA – DSTL

⇒ Dispositif composé en trois parties

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Projet réalisé au laboratoire LPMCN

U.M.R. 5586 (CNRS / UCBL)

Constitution du "nez électronique"

Principe

1 - Emission d’un faisceau électrons à partir d’une source e-

2 - Ionisation négative des molécules à analyser : mol + e - ⇒ mol -

3 - Analyse des ions par spectrométrie de masse à temps de vol4

1 2 3

Source d’électrons

Principe de la source par émission de champ (sous vide)

Paramètres géométriques

- Distance d

- Forme de la pointe

Paramètres physiques

- Tension V

- Matériau de la pointe

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⇒ Réaliser un système d’asservissement pour le contrôle du mouvement nanométrique de la pointe

Objectifs du projet

Conclusion : choix d’un développement modulaire comprenant un dispositif de pilotage manuel et automatique.

Créer une source d’électrons avec les spécificités suivantes :

- Courant d’émission : 1 μA- Tension d’émission : 200 à 300 V

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Implications :

• Maîtriser parfaitement la faible distance d

• Générer la haute tension V adéquate

• Mesurer le faible courant d’émission (nA au µA)

Synoptique

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Plan du projet

• Conception du Module 1(Carte de pilotage de l’Inchworm)

• Développement du Module 2(Carte de gestion de commandes)

• Adaptation des autres parties existantes(Amplificateur HT, nanoampèremètre, générateur HT)

• Assemblage du système(Système électronique et ensemble du dispositif piézoélectrique)

• Mise au point du système

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(Carte prototype)

Module 1

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Rôle : commander le micromoteur piézoélectrique pour effectuer le déplacement précis de la pointe.

1 cm

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Séquence d’un « pas »

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Fonctionnalités du prototype Module 1

• Génération des signaux de commande

• Réglage de la vitesse de déplacement

• Sélection du sens de déplacement de l’Inchworm

Compatibilités :

- Interfaçable

- Compatible avec l’amplificateur HT

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Choix d’une conception analogique du Module 1

Avantages :

- Maîtrise totale de la qualité et de la rapidité des signaux

- Souplesse des réglages en temps réel

Contraintes à respecter :

- Stabilité en température (amplitude et fréquence)

- Contrôle de la stabilité à long terme

- Immunité au bruit environnant

- Faible coût

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Schéma de principe simplifié de la carte Module 1

V clamp 1 et V clamp 3V central

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Autres éléments :

- Filtres RC : lissage des signaux de "clamping"

- Circuits "buffers" : adaptation d’impédance des sorties

- Commutateurs analogiques : sélection de différents réglages

Synoptique

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(Carte prototype)

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Module 2

Pupitre de commande

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Fonctionnalités du Module 2 :

1 - Contrôler une approche automatique de la pointe

2 - Activer le pilotage manuelle de la pointe

Implications :

• Déplacement Z de la pointe

• Commande du générateur HT

• Mesure du courant d’émission

• Gestion du pilotage automatique• Sécurités

• Interface de commandes

⇒ Dispositif électronique piloté par µC18

Principe du système d’approche automatique

• Phase A : approche rapide (VHT = 2000 V, Icrête = 20 nA)

• Phase B : approche fine (VHT = 200 V, Icrête = 1 µA)

• Phase C : réglage de I(V) (VHT ~ 300 V, Imoyen = 1 µA)

• Phase D : stabilisation du courant (Modulation de VHT)

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Mesure du courant d’émission

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Allure de i(t) avant la phase D Allure de i(t) après la phase D

Principe de l’algorithme de la phase D

Répéter

Effectuer 10 mesures rapprochées du courant Faire la moyenne des 10 mesures Si moyenne > 1,1 µA ==> V = V - 1 Si moyenne < 0,9 µA ==> V = V + 1

Choix technologique du Module 2

⇒ Microcontrôleur PIC 16F877 (Microchip) cadensé à la vitesse max de 20 MHz

Avantages :

- 33 Entrée/Sorties

- CNA 10 bits intégré

- Souplesse de programmation en PicBASIC évolué

- Mémoire FLASH (8 K)

- Auto-protection

- Coût abordable 21

Assemblage du système

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Maintenance

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Recul rapide Arrêt

Recul lent

Avance lenteApproche automatique

Option

Etat systèmePilotage nanométrique de la pointe

Contrôle visuel de la pointe

Bilan

Bilan technique

- Système fiable et évolutif

- Possibilité de numériser le Module 1

- Miniaturisation possible de l’ensemble du système

Bilan économique

- Coût du Module 1 : 100 €

- Coût du Module 2 : 250 €24

Perspectives de miniaturisation

Modules 1 & 2 réunis autour d’un seul composant

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Les autres modules du système

• Réduction possible du nanoampèremètre

• Remplacement de l’alimentation HT et de l’amplificateur HT par un convertisseur dit « ultra miniature DC to HV DC converter »

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Conclusion

• Dispositif électronique conforme au cahier des charges sur le plan technique et économique

• Perspectives

• Remarques personnelles

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Etude et réalisation d’un système asservide contrôle de mouvement nanométrique

appliqué à une source d’électrons

Mémoire d’ingénieur électronique présenté par Bruno ALEXANIAN

au Conservatoire National des Arts et Métiers, le 15 juin 2005