Conception d`un microscope à force atomique grâce à NI ELVIS et à

Conception d'un microscope à force atomique grâce à NI ELVIS et à LabVIEW
"De manière surprenante, après environ six mois de
développement, un AFM a été construit avec
succès pour environ un dixième du coût de ses
équivalents commerciaux, grâce aux produits de
NI."
- Nebjosa Jaksic, Colorado State University
L'objectif :
Concevoir un microscope à force atomique (AFM) économique pour la recherche en nanotechnologie, en utilisant des éléments disponibles dans le
commerce et un ensemble logiciel largement accepté.
La solution :
Implémenter un AFM coûtant moins de 10 000 $, basé sur un scanner disponible dans le commerce, un pilote piézo-électrique, un photodétecteur,
NI ELVIS et NI LabVIEW.
Auteur(s) :
Nebjosa Jaksic - Colorado State University
Melinda Szabo - Colorado State University
Les AFM sont des instruments largement utilisés en nanotechnologie pour photographier et manipuler un large éventail de nanoparticules métalliques et
non métalliques. Cependant, ils sont coûteux avec des prix allant d'environ 50 000 $ à plus de 500 000 $. Ce travail décrit un AFM économique développé
dans ce projet qui consiste en un scanner disponible dans le commerce, un pilote piézo-électrique, un photo-détecteur et un PC équipé de NI ELVIS et qui
exécute le logiciel NI LabVIEW.
Un AFM est un instrument qui balaie une surface en la touchant par une pointe fine à l'extrémité d'un levier et qui créé une image de cette surface, basée
sur les informations de déviation de la pointe. Avec des pointes fines dont le diamètre est de l'ordre de quelques nanomètres et des leviers susceptibles
de détecter des forces de l'ordre de quelques picoNewtons, les éléments nanométriques de la surface peuvent être photographiés. Aussi, il est possible
de manipuler des objets nanométriques. Les AFM sont essentiels en biologie, chimie, biochimie et recherche médicale. Ils sont utilisés pour examiner et
vérifier les résultats de recherche à l'échelle du nanomètre. Les matériaux qu'ils peuvent examiner incluent les revêtements en couche mince et épaisse,
les céramiques, les composites, les verres, les membranes synthétiques et biologiques, les métaux, les polymères et les semi-conducteurs.
Actuellement, les AFM vendus dans le commerce sont coûteux, ce qui limite largement leur utilisation. De nombreuses écoles et institutions de recherche
modestes ne peuvent pas se les offrir. Améliorer l'accessibilité aux AFM nécessite une nouvelle conception économique.
Considérations en matière de conception
Un AFM consiste en un mécanisme d'approche brute pour amener l'échantillon à quelques micromètres d'une pointe de balayage, un scanner de
précision pour balayer la surface mesurée par incréments nanométriques, des pilotes pour piloter le levier portant la pointe dans les directions x, y et z
pendant le balayage, un contrôleur pour contrôler les déplacements en x, y et z, un mécanisme de détection des données de déviation du levier et un
système d'acquisition de données (http://www.ni.com/data-acquisition/f) pour traiter et afficher les données sous contrôle logiciel. Pour obtenir les images
haute résolution de zones de grande taille, de l'ordre de dizaines de micromètres, en seulement quelques minutes, un AFM doit déplacer la pointe
rapidement sur la surface et doit posséder un système d'acquisition de données rapide et précis.
L'expérience préalable des auteurs a montré que certaines cartes d'acquisition de données et de contrôle provenant d'autres fournisseurs sont
suffisamment rapides et précises pour le projet ; cependant, nous avons choisi les produits de National Instruments en raison de leur convivialité. Puisque
le département d'ingénierie Pueblo de l'Université d'État du Colorado vient de démarrer son programme de mécatronique (
http://www.ni.com/mechatronics/f/), le procédé de sélection a été mis en route pour l'équipement informatique d'acquisition de données et de contrôle pour
le Laboratoire de Mécatronique et de Contrôle. Puisque les exigences du laboratoire et celles de l'AFM étaient similaires, 10 stations de travail NI ELVIS
dotées de LabVIEW ont été sélectionnées pour le laboratoire. L'une des stations de travail NI ELVIS a été utilisée pour le développement de l'AFM.
Matériel AFM
Un ensemble scanner d'Agilent (précédemment Molecular Imaging) couplé à un mécanisme d'approche brute par entraînement à vis sans fin par un
moteur pas à pas et à un photodétecteur à quatre diodes (à quatre quadrants) sont logés ensemble et placés au-dessus d'une carte de développement NI
ELVIS. Cet empilement est placé sur une plaque métallique lourde tenue par quatre cordes élastiques fixées à un cadre d'acier pour une isolation accrue
contre les vibrations mécaniques. Une carte de contrôle NI ELVIS et un PC complètent l'instrument. L'ensemble scanner consiste en un actionneur 3D (un
tube piézoélectrique qui peut être étendu, replié ou fléchi dans n'importe quelle direction), un petit laser produisant un faisceau lumineux d'un diamètre de
quelques millimètres, un levier fixé à l'actionneur 3D avec une pointe sur le bas et une surface réfléchissante sur le dessus. La lumière laser se réfléchit
sur le sommet du levier. Le photodétecteur quadruple-diode capture le faisceau lumineux réfléchi, mesurant ainsi la déviation du levier.
Acquisition de données et système de contrôle
Le système de contrôle est divisé en trois sous-systèmes : un sous-système d'approche brute, un sous-système d'approche fine et un sous-système de
balayage. Le système d'acquisition de données s'occupe de l'obtention des données provenant du photodétecteur à quatre quadrants, de l'enregistrement
et de l'affichage des données.
Le sous-système d'approche brute contrôle le moteur pas à pas à 400 pas/tour, via quatre sorties numériques sur la carte NI ELVIS (DO0, DO1, DO2 et
DO3). Un instrument virtuel (VI) programmé en LabVIEW 8.0 est utilisé pour contrôler le moteur. Suivant ce VI, le moteur pas à pas, via le mécanisme
d'entraînement et un ensemble de vis sans fin de précision, déplace l'ensemble scanner vers l'échantillon jusqu'à ce que la pointe touche ce dernier.
Le sous-système d'approche fine contrôle l'axe z de l'actionneur piézotube. Puisqu'il n'existe que deux convertisseurs N/A 16 bits sur les cartes NI ELVIS,
ils sont réservés aux commandes des piézotubes x et y. Le contrôle de l'axe z est obtenu par l'alimentation programmable 12 V, avec une résolution
maximum de 7 bits.
Le sous-système de contrôle du balayage, qui contrôle les déplacements des piézotubes dans les directions x et y, utilise les deux C N/A 16 bits de la
carte NI ELVIS pour exécuter la fonction de balayage. En théorie, il est possible d'obtenir, avec un scanner de 40 microns et un contrôle 16 bits, une
résolution d'environ 0,6 nanomètres par pas ! Désormais, le diamètre de la pointe fine devient le facteur limitant de la résolution de l'AFM. Les C N/A sont
capables d'une sortie de 10 V. Le piézotube nécessitant des tensions plus élevées pour fonctionner, les tensions provenant de l'alimentation
programmable et des CA/N sont multipliées par 10 avant d'être dirigées vers le piézotube.
Le sous-système d'acquisition de données consiste en un photodétecteur à quatre quadrants d'Advanced Photonix, Inc., quatre amplificateurs
opérationnels faible bruit TL082AC et quatre voies du CA/N de la carte de développement NI ELVIS. Les quatre quadrants photodétecteurs envoient des
signaux de tension via des amplificateurs opérationnels à la carte NI ELVIS. La position du point laser sur le détecteur peut être déterminée à partir de ces
signaux, et le point laser peut être représenté grâce à un graphe x-y sur la face-avant.
Implémentation logicielle
Pour contrôler l'AFM, un organigramme est créé, divisé en 16 étapes et ensuite programmé grâce à LabVIEW 8.0 sous la forme d'une machine d'états
standard, où chaque état exécute le code et détermine l'ordre de transition entre les états. Les VIs sont créés et testés pour chaque état, puis, ils sont
intégrés au programme principal LabVIEW avec un VI d'initialisation des variables.
Après environ six mois de développement seulement, un AFM a été construit avec succès pour environ un dixième du coût de ses équivalents
commerciaux, grâce aux produits de NI.
Novembre 2007
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Novembre 2007
Informations sur l'auteur :
Nebjosa Jaksic
Colorado State University
2200 Bonforte Blvd.
Pueblo, CO 81001
Etats-Unis
Tél : (719) 549-2112
Fax : (719) 549-2519
[email protected] (mailto:[email protected])
L'image présente le matériel pour un AFM basé sur une station de travail NI ELVIS.
Législation
Cet article a été rédigé par un utilisateur de National Instruments ("NI"). IL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS AUCUNE GARANTIE ET EST SOUMIS À CERTAINES
RESTRICTIONS COMME PLUS SPÉCIFIQUEMENT DÉTERMINÉES DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION DE NI.COM (
http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/ (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/)).
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