掃描電化學(xué)顯微鏡的探針驅(qū)動(dòng)電路

摘要：采用一種由步進(jìn)電機(jī)和壓電陶瓷構(gòu)成的宏微二級(jí)位置控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于L298N的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和基于PA69的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，達(dá)到了掃描電化學(xué)顯微鏡對(duì)探針定位的要求。

關(guān)鍵詞：SECM；宏微定位；驅(qū)動(dòng)電路

引言

掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)是80年代發(fā)展起來的一種電化學(xué)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)新技術(shù)。該技術(shù)驅(qū)動(dòng)非常小的電極(探針)在靠近樣品處進(jìn)行掃描，樣品可以是金屬、半導(dǎo)體、高分子、生物基底等材料。SECM具有化學(xué)靈敏性，可測(cè)量微區(qū)內(nèi)物質(zhì)氧化或還原所產(chǎn)生的電化學(xué)電流，從而獲得對(duì)應(yīng)的微區(qū)電化學(xué)和相關(guān)信息。它主要由電化學(xué)部分(電解池、探頭、基底、各種電極和雙恒電位儀器)，用來精確地控制、操作探頭和基底位置的位移驅(qū)動(dòng)器，以及用來控制操作、獲取和分析數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)(包括接口)等三部分組成，SECM系統(tǒng)原理如圖1所示。

位移驅(qū)動(dòng)部分是通過超精密定位技術(shù)(UMDE)實(shí)現(xiàn)對(duì)探針的三維空間微位移的精準(zhǔn)控制，操縱探頭和基底間保持相對(duì)穩(wěn)定，以便獲得樣品表面信息。它既是SECM控制系統(tǒng)的基本組成部分，也是SECM實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了獲取樣品盡可能完整的信息，要求驅(qū)動(dòng)位移空間相對(duì)樣品有較大的量程，可達(dá)到厘米級(jí)別。同時(shí)高分辨率要求必須是超精密定位，分辨率可達(dá)到亞微米。因此，SECM的驅(qū)動(dòng)部分采用宏微兩級(jí)位移控制系統(tǒng)。宏定位采用步進(jìn)電機(jī)，微定位采用壓電陶瓷。一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)控制電路是影響SECM位移精度的關(guān)鍵因素，因此本文著重于設(shè)計(jì)二級(jí)位移系統(tǒng)的控制電路。

步進(jìn)電機(jī)宏定位

步進(jìn)電機(jī)作為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)。由于可以通過控制離散的脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而可以滿足SECM準(zhǔn)確宏定位的目的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制占用大量的CPU工作時(shí)間，會(huì)影響了系統(tǒng)的整體性能。本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一種基于ARM微控制器的由L298構(gòu)成的控制和驅(qū)動(dòng)電路，既不占用CPU大量的時(shí)間，又能獲得良好的控制和驅(qū)動(dòng)效果。

SGS公司的L298步進(jìn)電機(jī)控制器的片內(nèi)PWM斬波電路產(chǎn)生開關(guān)式控制繞組電流。該器件的一個(gè)顯著特點(diǎn)是僅需時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)所需相位由電路內(nèi)部產(chǎn)生，它產(chǎn)生兩相雙極性驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電機(jī)電流設(shè)定。L298內(nèi)含兩個(gè)高電壓大電流雙橋式驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)電壓最高46V、每相2.5A的步進(jìn)電機(jī)，組成的兩相雙極性的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，原理如圖2所示。由ARM芯片LPC2138輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過光電隔離器TLP521-2，再與兩個(gè)10口組合送入雙輸入四與門74LS08實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。SECM需要三維驅(qū)動(dòng)，此處只畫出一路電路。

壓電陶瓷微定位

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源

壓電陶瓷是利用電介質(zhì)在電場(chǎng)中的壓電效應(yīng)，直接將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生微位移的換能元件。因其高剛度、高頻響、推力大和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密測(cè)量、生物工程、機(jī)器人等領(lǐng)域。驅(qū)動(dòng)電源對(duì)壓電陶瓷和機(jī)構(gòu)的微位移影響很大，故性能良好的驅(qū)動(dòng)電源是實(shí)現(xiàn)高精度位移的關(guān)鍵。壓電陶瓷對(duì)驅(qū)動(dòng)電源要求如下：一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、輸出穩(wěn)定性好、紋波小、分辨率高。

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源從原理講可以分為電壓控制型和電荷控制型。這里采用電壓控制型，由直流放大器芯片對(duì)控制電壓信號(hào)進(jìn)行線性放大和功率放大，輸出0～150V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。它決定著電源輸出電壓的分辨率和穩(wěn)定性，是整個(gè)電源的關(guān)鍵。

高壓運(yùn)放電路

Apex公司的PA69是一個(gè)高壓、高速功率運(yùn)算放大器，可采用單，雙電源供電；轉(zhuǎn)換速率非常高，可達(dá)到200 V/μS；可以提供高達(dá)50mA的恒定輸出電流，其峰值輸出電流達(dá)100mA。PA69待機(jī)電流很小，一般不到1mA；具有限流保護(hù)功能。

選用的壓電陶瓷等效電容為0.1μF，需要0～150V的連續(xù)可調(diào)輸出電壓，頻率0～1 kHz(正弦波)，則所需轉(zhuǎn)換速率為：

S.R=2∏fV(1×10^-6)=2π×1000×150×(1×10^-6=0.94V/μS

所需最大負(fù)載電流為：

I=S.R×CL=0.94V/μS×0.1μF=94mA

所選定的PA69運(yùn)算放大器符合要求，電路如圖3所示。其中引腳6、7為輸入，2為輸出，3和10以及8和1l外接補(bǔ)償電阻和電容，構(gòu)成相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。1和2引腳之間接限流電阻，形成對(duì)運(yùn)放的限流保護(hù)功能。

失調(diào)電壓補(bǔ)償

在室溫(25℃)及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，輸入電壓為零時(shí)，為使集成運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加入失調(diào)電壓V_io。實(shí)際上指輸入電壓V=O時(shí)，輸出電壓V_o折合到輸入端的電壓是負(fù)

值，即V_io=-(V。lvk0)/A_io。

PA69的最大失調(diào)電壓為3mV，對(duì)分辨率要求為10mV以下的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，PA69的輸入特性不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)電路的前級(jí)輸入進(jìn)行優(yōu)化。為了減小輸入失調(diào)電壓，在該電源的線型放大部分，采用由OP07和PA69組成復(fù)合放大電路。MAXIM公司的OP07具有高精度輸入失調(diào)電壓，最大為為75μV。由PA69和OP07組成一個(gè)新的具有負(fù)反饋的放大器，其輸入失調(diào)電壓為75μV×30=1.5mV<10mV，滿足輸入特性的要求。

放大器的輸入電壓為0-5V，輸出電壓為0-150V，故根據(jù)特性曲線選定PA69的閉環(huán)放大倍數(shù)為30。整體電路如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

壓電陶瓷步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過機(jī)械裝配后，采用以上電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得精密定位儀最大量程可達(dá)2.5cm，最小分辨率可達(dá)lOnm，較好地滿足了SECM對(duì)探針的定位要求，在實(shí)驗(yàn)中得到了很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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