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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
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