TESIS - UNAM · 2019-02-13 · DIRECTOR DE TESIS: DR. NASER QURESHI 2014. 2 Agradecimientos AmisPadres Valentina Rojas Victoriano Manuel Gonz´alez Morales Por haberme apoyado hasta

Universidad Nacional Aut

´

onoma de

M

´

exico

Facultad de Ingenier

´

ıa

Control de distancia para microscopio de

barrido con resolucion micrometrica

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

Ingeniero Electrico-Electronico

PRESENTA:

LUIS FELIPE ASCENCIO ROJAS

DIRECTOR DE TESIS:DR. NASER QURESHI

2014

2

Agradecimientos

A mis PadresValentina Rojas VictorianoManuel Gonzalez Morales

Por haberme apoyado hasta el final de la Carrera.A mis Hermanos y a toda mi Familia.

A mis Profesores y Amigos en la Facultad De Ingenierıa,UNAM.

Agradecimiento EspecialAl Proyecto PAPIIT 104513 para la compra de Materiales y Beca.

Contenido

1 Objetivo 51.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Teorıa 92.1 Amplificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Amplificador Operacional Ideal . . . . . . . . . . . . . 92.1.2 Amplificador Operacional Real . . . . . . . . . . . . . 132.1.3 Amplificador de Instrumentacion . . . . . . . . . . . . 15

2.2 Fotodiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4 Microscopio de barrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.5 Control PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Diseno 273.1 Amplificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2 Circuito para alimentar al diodo laser . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Diseno Optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.4 Circuito para el fotodiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.4.1 Medicion de corrientes en el Fotodiodo . . . . . . . . . 373.5 Diseno Mecanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.5.1 Estructura Mecanica Realizada . . . . . . . . . . . . . 41

4 Pruebas de Diseno 454.1 Medicion de Voltajes en la salida de los amplificadores . . . . 454.2 Diseno del Control en LABVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3 Pruebas del control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.3.1 Resolucion de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3

4 CONTENIDO

4.4 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5 Conclusiones 61

6 ANEXOS 63

Capıtulo 1

Objetivo

1.1 Introduccion

El ser Humano desde que ha tenido uso de razon siempre ha querido saber loque hay en el ambiente en el cual esta, desde cosas cualitativas como arboles,personas, colores, comida, agua, etcetera. Sin embargo teniendo al adquirireste conocimiento basico surgen preguntas, ¿Cuantos arboles hay?, ¿Cuantaspersonas hay a su alrededor?, ¿La comida le alcanzara para llenarse?, ¿Elagua se puede beber?. Estas preguntas pueden resolverse al realizar unamedicion, hay 20 arboles, 4 personas estan a mi alrededor, y ası sucesiva-mente.

Pero que es Medir, en realidad hacer una medicion es comparar una vari-able fisica con un patron establecido de la misma variable. Partiendo de estadefinicion se establecieron varios patrones que se denominaron Sistemas deUnidades, Sistema CGM (Centımetro, Gramo, Metro), Sistema Ingles(Pie,Slug , Rankie), y muchos mas. En Mexico se utiliza el Sistema Internacionalde Unidades (SI) donde las cantidades unidades basicas son 7.

De las unidades referidas en la tabla (1.1) podemos hacer una medicioncualquiera. La unidad que tiene la longitud es el metro que se difine como:la distancia que viaja la luz en el vacıo en 1/299792458 segundos, pero estaforma de tomar medidas de longitud es muy costosa por lo que se han hechopatrones menos precisos pero con un error lo suficientemente aceptable parala medicion (entre dos puntos) ha realizar, ejemplos: una cinta metrica dealmenos un metro con resolucion de un milimetro que se emplea para tomarmedidas de cintura, un Vernier que es un instrumento de medicion longitudi-

5

6 CAPITULO 1. OBJETIVO

Cantidad Fısica Unidad SımboloLongitud Metro mMasa Gramo gTiempo segundo sTemperatura Kelvin KIntensidad Luminosa Candela CdCantidad de sustancia mol molIntensidad de Corriente electrica Ampere A

Tabla 1.1: Unidades basicas del Sistema Internacional de Unidades

nal utilizado en laboratorios para poder medir hasta decimas de milimetro.

Se han desarrollado nuevas tecnicas de medicion longitudinal que hanpodido llegar a medir micrometros (entre dos puntos), todo mediante sis-temas los cuales utilizan principalmente un haz. tres de ellos se describen acontinuacion.

1. Interferometrıa: Esta tecnica fue desarrollada Michelson el cual utilizaespejos y un divisor de haz (Ver figura 1.1 ), se inicia con un Haz Laserel cual llega e incide en el divisor de haz, aquı se transmite el 50% delhaz que va hacia el espejo 1(M1) y se refleja el otro 50% hacia el espejodos(M2). Los dos espejos reflejan a su respectivo haz que al regresaral divisor se recombina, ası al colocar un detector podra observarse elpatron de interferencia. Con esta tecnica es posible conocer dos canti-dades fisicas, la longitud de Onda, el indice de refraccion del medio enel cual se coloca el interferometro. Ademas es posible medir distanciasmuy pequenas(decimas de milimetro) dezplazando uno de los espejos.

2. Medicion por Ultrasonido: Esta Tecnica utiliza un tren de pulsos ul-trasonicos (38 a 50 [KHz]) donde la fuente principal es un cristal, eltiempo entre la emision y la recepcion es proporcional a la distanciaque existe entre el sensor y el objeto en el que reboto el tren de im-pulsos. Sin embargo esta limitada por muchos factores que impiden untiempo de respuesta muy cercano, es casi imposible medir distanciascercanas.

3. Medicion de distancia por triangulacion: Este metodo se realiza con unhaz laser y un sensor de luz, los cuales se colocan en una posicion de

1.1. INTRODUCCION 7

Figura 1.1: Interferometro de Michelson[2]

triangulo con lo cual es posible determinar la distancia que existe entreun objeto (por la reflexion del haz) y esl sistema laser-Sensor (Ejemplo:Figura 1.2)

Figura 1.2: Ejemplo de Sistema Laser-Sensor para medicion de distancia

Con los metodos descritos se puede llegar a tener una resolucion milimetricae incluso micrometrica, tan solo con un sistema Haz-Sensor y otros compo-nentes para transducir la senal del sensor a distancia.

"En este trabajo se implementará un sistema menos usado: medición de distancia por deflección de haz láser"

8 CAPITULO 1. OBJETIVO

1.2 Objetivos

1. Disenar un control de distancia.

2. El control debe contar con resolucion micrometrica.

3. Montar el control de distancia en el microscopio de barrido.

"en un microscopio de barrido de microondas"

Capıtulo 2

Teorıa

2.1 Amplificadores

2.1.1 Amplificador Operacional Ideal

Figura 2.1: Primer modelo de Amplificador de Voltaje

Se define, en electronica, a un amplificador como:Algun dispositivo que al aplicarsele una entrada devuelve una salida con lasmismas caracteristicas excepto que su amplitud es mayor, por ejemplo:EL amplificador de Voltaje, cuya ecuacion es:

V s = GvVe (2.1)

9

10 CAPITULO 2. TEORIA

Donde:

Vs = Voltaje de salida

Gv = Ganancia

Ve = Voltaje de entrada

Existen mas amplificadores como el amplificador de corriente, sin em-bargo, nos concentraremos en el amplificador de voltaje, tambien llamadoamplificador operacional (AO).

Figura 2.2: Simbolo del amplificador operacional

Para analizarlo tomaremos el primer modelo tratado como ideal (AOI)ya que no consume corriente (Ip = In = 0) ni voltaje (Voffset = 0) , suscaracteristicas son:

1. Ganancia infinita.

2. Impedancia de Entrada infinita.

3. Impedancia de Salida cero.

4. Ancho de Banda infinito.

La ecuacion que describe el comportamiento del AOI es:

Vs = Gv(Vp Vn) (2.2)

2.1. AMPLIFICADORES 11

Esta ecuacion describe el comportamiento en malla abierta y no ten-emos control sobre la ganancia, es decir que nuestro voltaje de salida tenderaa los voltajes de polarizacion (V+ y V), es necesario introducir una reali-mentacion negativa para tener control sobre la ganancia. Esta realimentacionse realiza agregandole nuevos elementos al AOI.Ahora analizaremos el siguiente circuito que incluye un AOI con realimentacionnegativa.

Figura 2.3: Circuito 1

De la ecuacion ( 2.2 ) y aplicando leyes de corrientes de kircho↵ se llega a:

Vs = Z1

Z2

Ve (2.3)

Observando la ecuacion ( 2.3 ) y comparandola con la ecuacion ( 2.2 )surge que

Vs = Voltaje de salida

Gv = Z1

Z2Ve = Vp Vn

Dada la ganancia Gv la salida sera invertida y la relacion entre impedan-cias sera el factor de amplificacion.


Ahora, si cambiamos las impedancias Z1 y Z2 por resistores R1 y R2tendremos un amplificador como tal:

Vs = R1

R2

Ve (2.4)

Si cambiamos la impedancia Z1 por un capacitor C y la impedancia Z2por un resistor R tendremos un amplificador integrador:

Vs =

1

RC

ZVe dt (2.5)

Si cambiamos la impedancia Z2 por un capacitor C y la impedancia Z1por un resistor R tendremos un amplificador derivador:

Vs = (RC)dVe

dt(2.6)

Mediante el analisis de circuitos podemos configurar un AOI para quefuncione como un operador de voltajes, veremos el ejemplo del amplificadorrestador:

Figura 2.4: Amplificador Restador

Utilizando de nuevo la ecuacion ( 2.2 ) , ley de corrientes de kircho↵ yprincipio de superposicion se obtiene:

Vs =

Z1(Z3 + Z4)

Z4(Z1 + Z2)

V 1

Z3

Z4

V 2 (2.7)


La ganancia depende de muchas Impedancias que no es lo conveniente,sı hacemos la siguientes relacion entres impedancias, Z1 = Z3 y Z2 = Z4,tendremos una nueva ecuacion que solo depende de Z1 y Z2 :

Vs =

Z1

Z2

(V 1 V 2) (2.8)

2.1.2 Amplificador Operacional Real

Las no idealidades del AO son :

1. Voffset; voltaje debido a asimetrias que presenta el AO en su con-struccion.

2. IB; corriente de polarizacion que se presenta principalmente en losAO´s construidos con TBJ´s debido a que estos transistores debende tener una corriente de base para que se presente una corriente desalida.

3. Ioffset ; corriente debido tambien a asimetrias que presenta el AO ensu construccion (Iofsset = Ip In).

Para observar el efecto de las no idealidades del AO, analizaremos elAmplificador inversor.

La ecuacion que representa al circuito es:

V s = R1

R2V e+

1 +

R1

R2

Voffset +

1 R3(R1R2)

R1 +R2

IBR1

1 +

R3(R1R2)

R1 +R2

Iofsset

R1

2

Para tener un modelo mas cercano al ideal podemos compensar las noidealidades,en el caso de IB podemos hacer cero el factor que la multiplicahaciendo que la R3 sea del mismo valor que el paralelo de R1 y R2.

V s =R1

R2(V 1 V 2) +

1 +

R1

R2

Voffset R1Iofsset

Para Ioffset ahora queda solo en terminos de R1 es claro que no se puedequitar su efecto pero se puede minimizar utilizando Resistencias de un valorapropiado de acuerdo a la aplicacion.


Figura 2.5: Representacion del Amplificador Inversor con no idealidades

V s =R1

R2(V 1 V 2) +

1 +

R1

R2

Voffset

Con el voltaje de o↵set podemos anadir un voltaje exterior de la mismamagnitud. De nuevo tenemos la ecuacion que describe el caso Ideal ( 2.8 ),sin embargo las impedancias ahora son Resistencias.

V s =R1

R2(V 1 V 2)

Otros aspectos a considerar en el modelo real del AO son

• Ancho de banda limitado. Parametro que puede obtenerse de acuerdoa la ganacia por ancho de banda(ABG).

• Slew-Rate. El parametro indica que tan rapido puede cambiar la salidael AO de un valor a otro .

Cada uno de ellos se pueden encontar en la hoja de datos que proporcionael fabricante del dispositivo.


2.1.3 Amplificador de Instrumentacion

Los amplificadores de Instrumentacion se utilizan principalmente para tomarsenales muy pequenas, que van de los nanovolts hasta los milivolts. Estassenales estan presentes en muchas aplicaciones por eso son importantes y seles dedico mucha invetigacion para su implementacion.

La base de estos amplificadores son los restadores, sin embargo los resta-dores tienen problemas a la hora de lidiar con senales muy pequenas y es quesu impedancia de entrada es alta y se puede perder la senal. Para estos casosse acondiciona la senal con una preamplificacion.

Figura 2.6: Preamplificacion

Con este circuito tendremos impedancia de entrada iagual a la impedan-cia del propio AO (alrededor de los megaOhms).


Ademas tendremos dos voltajes V1’ y V2’ cuyas ecuaciones son:

V 10 =

R

Rv+ 1

V 1

R

Rv

V 2

V 20 =

R

Rv+ 1

V 2

R

Rv

V 1

Con no idelaidades

V 10 =

R

Rv+ 1

Voffset1 + IB1Rv Ioffset1

Rv

2

V 20 =

R

Rv+ 1

Voffset2 + IB2Rv Ioffset2

Rv

2

Ahora se incluye el amplificador Restador, Sin embargo tenendra unapeculiaridad su ganancia sera unitaria.

Las ecuaciones se reduacen a:

Vs =

2R

Rv+ 1

(V 1 V 2) (2.9)

Aquı la ganacia total depende de R y Rv.

Las no idealidades del circuito preamplificador se anulan si los AO tienenlas mismas caracteristicas.

Aun asi habra no idelidades en el amplificador restador que tenemos quecompensar.

Las propiedades del amplificador de instrumentacion son:

1. Impedancia de entrada muy alta

2. Impedancia de salida muy baja

3. Ancho de banda grande.

4. Alta ganancia en modo diferencial

2.2. FOTODIODO 17

Figura 2.7: Amplificador de Instrumentacion completo

2.2 Fotodiodo

Es dispositivo opto-electroncio de dos terminales que responde rapidamente ala obsorcion de fotones creando una corriente electrica (Fotocorriente), pode-mos decir que el fotodiodo es un transductor de energıa luminica a energıaelectrica. Formado principalmente por la union P N , es decir la union dedos semiconductores dopados con exceso de huecos (material p) o con excesode electrones (material n) que al unirse se presentan diversos fenomenos enla cual hay recombinacion de electrones y huecos, ademas se crea una barrerade potencial que esta en equilibrio electrico, en dicha barrera ya no hay re-combinacion sin embargo puede romperse dicho equilibrio si inciden fotonescon sufciente energıa para romper los lazos entre hueco y electron para darpaso a un flujo de corriente.

El principio de funcionamiento es identico al diodo normal que polarizadoinversamente genera una pequena corriente de portadores minoritarios debido


Figura 2.8: Simbolo del fotodiodo

a la temperatura(Ih), sin embargo Ih es despreciable del nivel de los nA. Sise hace incidir un haz de Luz (en la cual sus fotones deben cumplir h > Eg)sobre la union P N se genera una corriente que esta asociada a la longitudde onda que lleven los fotones ası como su potencia.

Hay diversos tipos de fotodiodos que dependiendo de la aplicacion pode-mos usar, del que nos encargaremos de explicar es el Fotodiodo PSD (delingles Position Sensing Diode) el cual esta construido de una forma especialpara detectar posicion del haz que produce la fotocorriente.

Existen dos modelos de PSD.

1. Detector de Cuadrante (QD, Quadrant Detector), se caracteriza portener cuatro fotodiodos con las mismas propiedades acomodados enforma de cuadrantes cartesianos. Meadiante este PSD se puede centrarun haz, por ejemplo un laser, al procesar las senales de corriente quesurgen del fotodiodo, ademas puede posicionarse en algun eje ya sea elx o el y

Figura 2.9: Representacion del fotodiodo detector de cuandrante(1,2,3,4),con ejes coordenados

2.3. LASER 19

2. Efecto Lateral (LEP, Lateral E↵ect Photodiode ), fotodiodo con variascapas resitivas, es capaz de detectar la posicion del haz en toda su area,comunmente se le utiliza en aplicaiones donde hay diversas longitudesde onda.

Figura 2.10: Representacion del fotodiodo de efecto lateral

2.3 Laser

Los laseres tiene distintos materiales de construccion por los que se les asignaen varios grupos

1. laseres contruidos en medios gaseosos

(a) Laser en Helio-Neon

(b) Laser en Argon

(c) Laser en Helio-Cadmio

(d) Laser en Vapor de Cobre

2. Laseres contruidos en medios liquidos

(a) Laser Dye Organico

3. Laseres construidos en materiales dielectricos

(a) Laser de Ruby

(b) Laser en Nd:YAG(Neodimio dopado con itrio-aluminio)

(c) Laser en Nd:Glass (Neodiminio en cristal)


4. laseres construidos con semiconductor (principalmente con silicio o ar-senuro de galio)

5. Laseres en el Vacio

Discutiremos acerca del Laser construido con semiconductor (Diodo-Laser).Es basicamente un semiconductor que contiene una union P N en la

cual ambos semiconductores (P y N) estan altamente dopados, la emisionde fotones se debe a la recombinacion de electrones con huecos. El principiode funcionamiento es la inversion de poblacion atravez de la exitacion deelectrones que pasan de la banda de valencia hacia la banda de conduccionpara despues regresar a la banda de valencia para recombinarse y emitir unfoton, la longitud de onda( ) depende de la energıa de gap (Eg = EcEv) .

Figura 2.11: Esquema de un Diodo Laser y su principio de Emision[4]

La recombinacion emite un foton, sin embargo puede llegar a emitirsesimultaneamente un fonon, cuando sucede esto se dice que sucede una tran-sicion indirecta que afecta en la amplificacion del haz, en caso contrariosucede una transicion directa, Los mejores semiconductores para fabricar undiodo-laser es GaAS. Existe una region Activa (5[µm]) entre Los semicondu-tores tipo P y tipo N en esta region se realiza la recombinacion y la emisionde fotones, con una estructura como la figura 2.11) los fotones generan unhaz de luz hacia todos los lados, sin embargo en la realidad se encapsula elsemiconductor para que solo emita en la direccion frontal, aun ası los laseres

2.3. LASER 21

tiene un haz divergente por lo que es necesario colocarle un colimador paratener un haz en una sola direccion. Como el Laser se parece al Led en uncierto rango de corriente aplicada se comporta como uno(Ver Figura:2.12),en el momento que el haz del laser empieza a ser coherente se dice que superola corriente de umbral(Ith), la minima para que haya resonancia en la regionactiva.

Figura 2.12: Grafica de Corriente del diodo laser[4]


2.4 Microscopio de barrido

El microscopio de barrido utiliza la teoria optica de campo cercano (NearField Optics) propuesta por E.H. Synge en 1928.

Principalmente esta compuesto por una cavidad coaxial acoplada capac-itivamente a otra que acaba en punta, dicha punta es un fragmento del con-ductor del coaxial.

Para su funcionamiento se utiliza una fuente de GHz que entra en res-onancia con el material a 7.4[GHz] en el vacıo. Este microsocopio al teneruna frecuencia natural de resonancia tiene varias caracteristicas las cualesse pueden aprovechar para ”ver” otros materiales, porque al interactuar conellos puede detectar cambios, por ejemplo; en su factor de calidad, su fase osu coeficiente de reflexion, que al procesarse los datos obtenidos por mediode una computadora, se puede obtener la imagen de dicho material e inclusosu relieve (Ejemplo: ver Figura 2.13).

Figura 2.13: Relieve de grafito obtenido con el microscopio[6]

Frecuencia de Resonancia 7.4[GHz]Impedancia Caracteristica 52[]Espesor de muestras que puede leer 200 900[nm]

Tabla 2.1: Caracteristicas del microscopio de barrido

2.5. CONTROL PID 23

2.5 Control PID

Figura 2.14: Diagrama a Bloques de un sistema controlado[7]

El control PID es un algoritmo usado para tener un cierto valor deseado encualquier sistema. Esta conformado por un control proporcional, un controlintegral y un control derivativo, cada uno contiene ciertas caracteristicasdeseadas. Se describe por la ecuacion (2.10) que es dependiente de E(t) elerror que hay entre la senal de entrada R(s) y la senal de salida Y(t).

C(t) = Kp

E(t) +

1

T i

ZE(t) dt+ Td

dE(t)

dt

(2.10)

C(t) = Senal de control

Kp = Ganancia proporcional

Ti = Constante de tiempo integral

Td = Constante de tiempo derivativa

La forma de integrar al PID es el algoritmo en paralelo donde cada controlP, I, D, se realizan por separado para despues sumarse en una sola senal. Estoen el dominio del tiempo.

Analizaremos el control PID en LabviewAl igual que en el dominio del tiempo se necesita una senal de entrada

y un valor al cual llegar(set point). Lo que cambia en este PID digital sonlas formas en que se realizan los controles. Primero se obtiene el error que


Figura 2.15: Diagrama a Bloquesl PID en paralelo[7]

existe en la senal a procesar y el setpoint. El primer elemento se obtienemultiplicando el error por la constante de proporcionalidad(control P), laparte derivativa se realiza con la diferencia de un error previo y el error actualdividido todo por la diferencia de tiempos de los mismos errores que despuesse multiplica por la constante derivativa (control D), la parte integral serealiza multiplicando el error por la difencia de tiempos multiplicada tambienpor la constante integral (control I), todo esto para sumarse y comparase conlos limites que se indican en el control para determinar un salida

2.5. CONTROL PID 25

Tabla 2.2: Forma de Calcular cada parte del control PID en LABVIEW [8]


Capıtulo 3

Diseno

3.1 Amplificadores

Para el diseno de los amplificadores de la senal utilizaremos el dispositivoque contiene 4 amplificadores operacionales con entrada Jfet en un solo chipde Faichild de la familia Tl04. debido a sus caracteristicas.

1. Impedancia de Entrada = 1012[]

2. Impedancia de Salida = 80[]

3. Voltaje de o↵set = entre 9[mV ]

4. Corriente de bias = entre 20[nA]

5. Corriente de o↵set = entre 10[nA]

6. RRMC = 86[dB]

7. Voltaje de ruido = 4[µV ]

El diseno parte de amplificar senales del nivel de los milivolts, por lo cualnecesitamos una ganacia variable que este dentro del rango 10 a 1000. Elamplificador que utilizare es el amplificador de instrumentacion debido a lascaracteristicas que presenta.

De la ecuacion ( 2.9 ):

Vs =

2R

Rv+ 1

(V 1 V 2)

27

28 CAPITULO 3. DISENO

Primero tomaremos el caso:

2R

Rv+ 1

= 10

por lo tanto:

Rv =2R

9asignamos un valor a R de 47[k ], entonces tendremos el valor de

Rv = 10.4[K]

Ahora calcularemos el valor de Rv para

2R

Rv+ 1

= 1000

Rv =2(47000)

999

Rv = 94[ ]

Este valor tiene que ser el minimo que debe tomar Rv para que no tengaproblemas el amplificador, Sin embargo los trimpots llegan a un valor deresistencia cero por lo que es necesarion incluir una nueva resistencia en serieque no cambie su valor.

Ademas debemos de compensar las no idealidades del amplificador, lomas importante es el voltaje de o↵set para que no interfiera en nuestrasmediciones, esto se realiza con un divisor de voltaje para llegar a tener mili-volts o menor voltaje. para no incluir otras fuentes tomaremos los voltajes depolarizacion para dicha compensacion y agregaremos otro trimpot de valorcercano a los MegaOhms quedando de la siguiente manera el circuito (com-pleto ver figura 3.1 )

El valor de las resistencias cambia por valores comerciales por lo que serecalcula el valor de la ganancia.

2(47000)

10000 + 100+ 1

= 9.3

2(47000)

100+ 1

= 940


Figura 3.1: Circuito completo


3.2 Circuito para alimentar al diodo laser

De acuerdo a las especificaciones del fabricante1.

Valores nominales de operacionVoltaje de operacion 2[V ]corriente de operacion 100[mA]potencia de salida 100[mW ]

El Diodo Laser necesita de una fuente de corriente constante para que lapotencia del haz sea constante.

Dentro del datasheet del LM317lT de Texas Instruments se encuentra uncircuito en el cual se controla la corriente de forma muy precisa.

Figura 3.2: Fuente de corriente de precision

La ecuacion de este circuito es:

IOUT =1.5

R1+ 1mA

Teniendo en cuenta que : 12 R1 240 y la fuente de alimentacion serade 12[V ], la potencia que necesita discipar el LM317T es

P = V I

P = (10[V ])(100[mA])

1THORLABS, L785P090

3.2. CIRCUITO PARA ALIMENTAR AL DIODO LASER 31

P = 1[W ]

Para no tener problemas con el funcionamiento del dispositivo podemoscolocar un discipador de calor sin embargo surgiria otro problema, el incre-mento de la temperatura en el sistema. Para evitar dicho incremento detemperatura incluiremos a un regulador de voltaje. un regulador que cumpleesta funcion es el LM7805 que tendra en su salida 5 [V], hora la discipacion serepartira en dos dispositivos, aunque ya no tendremos el mal funcionamientode ambos y reduciremos el incremento de temperatura.

Implementando el circuito controlador de corriente (ver figura 3.3 ) pode-mos asegurar la potencia constante del laser.

Figura 3.3: Circuito que controla la Corriente en el laser

como necesitamos una corriente de 100[mA], el valor de R1 es:

R1 =1.5[V ]

0.099[A]= 15[ ]

Con el Laser debemos tener cuidado a la hora de disenar el circuito debidoa la respuesta transitoria que presente porque podemos danar el dispositivosi tenemos un sobrepico de voltaje que este por arriba de los 2.5[V ].

En la Figura ( 3.4 ) observamos que el sobrepaso de tension llega a 2.1[V ]y asi no tenemos que preocuparnos por danar el Laser.


Figura 3.4: Simulacion de respuesta a escalon

Figura 3.5: Componentes del circuito

3.3. DISENO OPTICO 33

3.3 Diseno Optico

El sistema Laser-Fotodiodo funciona mediante un haz de luz enviado desde elDiodo-Laser, que ya se vio en capitulos anteriores, que tendra una potenciaascociada y una longitud de onda. El fotodiodo tiene una responsividad lacual asocia a una cantidad en [A

m] a cierta longitud de onda () .

En nuestro caso la longitud de onda esta cerca del rojo (aproximadamnete785[nm]) y una potencia aproximada de 10[mW], por lo que el fotodiodotendra una corriente inducida de 5[mA], la cual pasara por una resistenciade 1[K] para tomar la lectura de voltaje.

Como el dispositivo que tenemos esta conformado por cuatro fotodiodosen forma de cuadrantes, tomaremos la resta de los voltajes inducidos en cadacuadrante (V 1 V 2yV 3 V 4).

La senal que nos indicara que tanto se ha dezplazado todo el conjunto depunta con sensor sera la diferencia en voltaje que se ve en ( 3.2 ) y ( 3.3 )notando el dezplazamiento en un solo eje, por lo que es importante centrarmuy bien el haz.

Tabla 3.1: Diagrama de Fotodiodo captando el Haz para centrarlo

Mediante la diferencia de los voltajes podremos tomar una senal que seprocesa se observa el desplazamiento de la punta con la muestra estatica, elobjetivo es observar los relieves que contiene la muestra para separar a lapunta la distancia necesaria para que se obtenga buena resolucion espacial.


Tabla 3.2: Desviacion de haz hacia arriba, significa una diferencia de Voltajepositivo, tambien significa desplazamiento en distancia hacia arriba

Tabla 3.3: Desviacion de haz hacia abajo, significa una diferencia de Voltajenegativo, tambien significa un desplazamiento en distancia abajo

3.4. CIRCUITO PARA EL FOTODIODO 35

3.4 Circuito para el fotodiodo

Figura 3.6: Diagrama del QP5.8-6-TO5

En esta tesis el Fotodiodo que utilizaremos es QP5.8-6-TO5 que tienecuatro fotodiodos en forma de cuadrantes cuyas principales caracteristicasson(ver tabla 3.4)2 y las mas importantes son:

1. Voltaje inverso de operacion = Maximo 50 [V]

2. pico de corriente inverso = 10 [mA]

Simbolo Caracteristica Condiciones Mınimo Tıpico Maximo UnidadesID Corriente Obscura VR = 10 V —– 0.4 —– nAC Capacitancia VR = 10 V —– —– 5.5 pFVBR Voltaje de ruptura IR = 10 µA —– 15 —– V

VR = 10 Vtr tiempo de respuesta = 850 nm —– ± 1 ± 2 %

RL = 50

Tabla 3.4: tabla de caracteristicas a 22C

Para polarizar a los fotodiodos usaremos una fuente de 12[V ] incluyendoun filtro pasobajas (Tipo RC) para quitar ruido de altas frecuencias presentesen el ambiente.

Para saber a que frecuencia de corte sera el Filtro, obetenemos su funcionde transferencia.

2Tomados del datasheet del fabricante Pacific Silicon Sensor


Figura 3.7: Responsitividad del fotodiodo, Relacionando longitud de onda()con la cantidad de corriente por potencia A

W

Figura 3.8: Circuito para el fotodiodo

Vin

Vs

=1

S + 1RC

(3.1)

De ( 3.1 ) tomamos a


f0 =1

2 RC

queremos que nuestra frecuencia de corte este alrededor de 3[KHz], comodicha frecuencia depende de dos componentes, R y C (resistencia y capaci-tanca), elegiremos a la resistencia para encontrar algun valor de capacitancia,usaremos una resistencia de 1.5 [K]

C =1

(2)(1500)(3000)= 35[nF ] (3.2)

si tomamos el valor del capacitor mas cercano C = 33[nF ], la frecuenciade corte sera

f0 = 3.2[KHz]

3.4.1 Medicion de corrientes en el Fotodiodo

Las pruebas realizadas en el Fotodiodo se hicieron con el Laser L785P090utilizando poca potencia (alrededor de 10[mW ] ) porque al utilizar la maximapotencia (alrededor de 100[mW ] ) se genera una corriente de 0.55[mA] quepasa por una resistencia de 1[K] generando un voltaje de 55[V ] entonces senecesitara una fuente de voltaje alta, sin embargo con la potencia de 10[mW ]se puede usar una fuente de 12[V ], usando la estructura de la figura (3.9) setomaron las mediciones de voltaje mostradas en la tabla (3.5)

Con los valores de la tabla es muy notable que la corriente inducidatiene un valor que ronda por los 5[mA]. Algunos valores discrepantes sondebidos a que se utilizaron resistores con una tolerancia de ±5% por lo quefue necesario cambiarlas por resistencias con tolerancia de ±0.1% con estecambio se tomaron las medidas (Ver tabla 3.6)

El diseno se hara con valor de resistores de 1[K] para tener una senaldeseable.


Fotodiodo Valor del Resistor Voltaje1 1 [k ] 5[V]1 470 [] 2.4 [V]1 100 [] 490[mV]2 1 [k ] 4.9[V]2 470 [] 2.2 [V]2 100 [] 460[mV]3 1 [k ] 5.1[V]3 470 [] 2.4 [V]3 100 [] 490[mV]4 1 [k ] 4.8[V]4 470 [] 2.6 [V]4 100 [] 500[mV]

Tabla 3.5: Mediciones tomadas con un haz incidente de 10[mW ] y resistoresde tolerancia ±5%

Fotodiodo Valor del Resistor Voltaje1 1 [k ] 5[V]1 470 [] 2.3 [V]1 100 [] 500[mV]2 1 [k ] 5[V]2 470 [] 2.4 [V]2 100 [] 500[mV]3 1 [k ] 5[V]3 470 [] 2.4 [V]3 100 [] 490[mV]4 1 [k ] 4.9[V]4 470 [] 2.4 [V]4 100 [] 500[mV]

Tabla 3.6: Mediciones tomadas con un haz incidente de 10[mW ] y resistoresde tolerancia ±0.1%


Figura 3.9: Medicion con espejo movible


3.5 Diseno Mecanico

El sistema Laser-Fotodiodo se montara en el microscopio de barrido simu-lado en la figura (3.10). Por lo tanto se tiene que disenar una estructura quesoporte dicho sistema.

Figura 3.10: Estructura Mecanica que tiene el Microsocpio

Primero pondremos al laser en un poste (figura 3.11) el cual sera fijo yeste sera nuestra referencia de distancia.

Los Fotodiodos estaran en la base junto con la punta(Figura 3.12), ası elpodremos observar el movimiento del haz que despues se acondicionara paratomar la senal de voltaje como funcion de la distancia.

Teniendo en cuenta este diseno, la logica que tiene es la triangulacion dehaz para enviar y recibir ademas que se colocaran dos espejos para llevar elhaz lo mas cerca posible de la punta para que no haya mucha discrepanciade distancia que hay entre la muestra y la punta.

El diseno queda de la siguiente forma para tener en cuenta las distanciasnecesarias entre la punta, los fotodiodos y el laser (Figura 3.13)

3.5. DISENO MECANICO 41

Figura 3.11: Poste que de soporte para el Laser

Figura 3.12: soporte para Fotodiodos

3.5.1 Estructura Mecanica Realizada

Estas son las dos estructuras hechas en el taller mecanico (Figura 3.14 y3.15), el material utilizado es principalmente aluminio, se realizaron postes


Figura 3.13: Simulacion del sistema mecanico y optico montado en el micro-scopio

que soportan al laser para poder moverlo con varios grados de libertad. asıcomo la inclusion de espejos cubiertos por cobre para que se tenga un mayorindice de refracion que ayude al haz a no perder toda la potencia que lleva,ademas de no dispersar el haz.

Se incluye una imagen (Figura 3.16) que muestra la colocacion de elsistema Laser-Fotodiodo dentro del Microscopio de Barrido. La estructuradel laser no es muy estable debido que solo tiene un punto de apoyo y con elmas minımo movimiento se puede introcucir Ruido mecanico a la lectura dela posicion de haz.

3.5. DISENO MECANICO 43

Figura 3.14: Estructura con fotodiodo y espejo de cobre

Figura 3.15: Estructura con laser y espejo de cobre


Figura 3.16: Estructura mecanica con Laser y Fotodiodo integrado a micro-scopio

Capıtulo 4

Pruebas de Diseno

4.1 Medicion de Voltajes en la salida de los

amplificadores

El primer circuito de los amplificadores (figura 4.1) se realizo colocando todoslos componentes en una sola tableta perforada.Las caracteristicas de cada Amplificador son:

Impedancia de entrada Impedancia de Salida GanaciaAmplificador 1 1012 [Ohms] 50 [Ohms] 40Amplificador 2 1012[Ohms] 50 [Ohms] 40

Sin embargo el nivel de ruido inducido de Corriente alterna que conteniaera muy alta, alrededor de 300[mA] (Figura 4.2)

hay dos frecuencias que estan interfiriendo, una de amplitud grande(Figura4.3) y otra que la modula(Figura 4.4).

Por lo tanto se implemento un nuevo circuito que reduce las frecuenciasademas de agregarle un nuevo filtro en la salida, colocando los dos amplifi-cadores por separados y reduciendo el numero de cables utilizados para lainterconexion de elementos.

Aunque se presenta una senal inducida de ruido vemos que esta en el nivelde los [GHz] podemos sospechar que este es captado por el instrumentode medicion (osciloscopio) o por los cables usados para esa medicion, sin

45

46 CAPITULO 4. PRUEBAS DE DISENO

Figura 4.1: Primer diseno de amplificadores

embargo esa senal no influye mucho porque daremos un tratamiento de lasenal por medios digitales.

4.1. MEDICION DE VOLTAJES EN LA SALIDA DE LOS AMPLIFICADORES47

Figura 4.2: Senal de ruido presente en el primer diseno del circuito de am-plificadores

Figura 4.3: Frecuencia aproximada de 500[KHz]


Figura 4.4: Frecuencia aproximada de 1[GHz]

Figura 4.5: Segundo diseno de amplificadores

4.1. MEDICION DE VOLTAJES EN LA SALIDA DE LOS AMPLIFICADORES49

Figura 4.6: Senal de ruido presente en el primer diseno del circuito de am-plificadores

Figura 4.7: Frecuencia aproximada de 40[GHz],


Con el circuito (Figura 4.5) se tomaron diversos lecturas

Posicion del haz Diferencia de Voltaje 1 Diferencia de Voltaje 2 Nivel de ruido en ACCentrado 0[mV] 20[mV] 4[mVAC ]

Primer cuadrante 4.3[V] 12[mV] 5[mVAC ]Segundo cuadrante -4.8[V] -30 [mV] 4 [mVAC ]Tercer cuadrante 4.7[V] 40 [mV] 4 [mVAC ]Cuarto cuadrante -4.6[V] -15 [mV] 5[mVAC ]Primer cuadrante ysegundo cuadrante 4[mV] 0[mV] 4[mVAC ]tercer cuadrante ycuarto cuadrante 0[mV] 10[mV] 6[mVAC ]

Primer cuadrante ytercer cuadrante 4.7[V] 4.9[V] 5[mVAC ]

segundo cuadrante ycuarto cuadrante - 4.8[V] - 4.6[V] 4[mVAC ]

Tabla 4.1: Medicion de Voltajes por cuadrantres para determinar los nivelesde Voltaje que se presentan en las salidas de los amplificadores

En la tabla (4.1) los voltajes presentes rondan un valor mınimo de 0[V]y uno maximo de 4.7[V] por lo cual la diferencia de voltajes entre los fotodi-odos rondaran en los milivolts, es claro que el diseno hecho para el acondi-cionamiento de la senal obtenida es bueno ya que permite ver movimientosdel haz muy pequenos(al tocar el laser y mover el haz) ademas de tener yasolo 4[mV] de ruido.

4.2. DISENO DEL CONTROL EN LABVIEW 51

4.2 Diseno del Control en LABVIEW

Teniendo como punto de partida las dos diferencias de voltaje (V1-V2 y V3-V4), iniciaremos el control digitalizando estas diferencias de voltaje, mediantela tarjeta de adquisicion de datos (DAQmx 6501)

Figura 4.8: Digitalizacion de voltajes

De la figura ( 4.8 ) se compone de una canal virual que tiene los siguientescomponenetes:

• Dos canales virtuales que tienen la caracteristica de tomar los datos yguardarlos en la memoria RAM del CPU.

1. (samples per channel) Muestras por canal virtual.

2. (rate) frecuencia de muestreo.

• DAQmx play; inicia la lectura de las muestras

• DAQmx Read; lee los datos y los guarda en un vector.

• DAQmx stop; detiene la lectura de datos en el ultimo que se le asigno.

Con estos canales tomaremos 10000 muestras cada 10[ms] y que repre-sentara muy bien a los voltajes diferenciales.


Figura 4.9: Toma de 10000 muestras de la diferencia de Voltajes (1 y 2)

En esta parte se observa que nuestras muestras llevan incluido voltaje deruido inducido de AC que se habia visto en las pruebas de los amplificadores,ahora podemos reducir este Ruido mediante el promedio de las muestras, asitendremos solo el voltaje en DC y un pequeno nivel de ruido que estara enel nivel de los [µV ].

En la Figura ( 4.10 ) vemos como se promedia las muestras que adquierela DAQmx y nos devuelve un valor que lo multiplicaremos para tener unvalor que podemos manejar mucho mejor ademas de redondearlo, se graficacontra la primera adquisicion y asi sucecivamente con cada adquisicion.

Con la nueva senal generaremos el control, nos apoyaremos con un controlya utilizado en el miscroscopio (Figura 4.11) el cual tiene las propiedadesde generar una senal digital para mandar a otra DAQ cuantos micropasosavanzara el motor.

Incluiremos un control de PID que asignara cuntos micropasos avanzaraal motor.

ası obtendremos un control en conjunto que de acuerdo a la senal devoltaje indicara cunato se debe mover para tener una distancia constanteentre la muestra y la punta

4.2. DISENO DEL CONTROL EN LABVIEW 53

Figura 4.10: Promedio de voltaje, Multiplicacion de muestras y Grafica deamplitud

Figura 4.11: Programa micropasos

Este Control toma las muestras desde la DAQmx, las promedia, realizaun proceso en donde se indica a que nivel se quiere llegar de voltaje, da una


Figura 4.12: Control PID para micropasos

Figura 4.13: Control para micropasos

salida para el programa de micropasos y este manda la senal a la DAQmxque dice cuantos micropasos avanza el motor y en que direccion.

4.3. PRUEBAS DEL CONTROL 55

4.3 Pruebas del control

Inciaremos con las pruebas teniendo en cuenta que se realizaron con unamuestra de silico y oro.Aqui solo se tomo en cuenta un canal.

4.3.1 Resolucion de Control

las pruebas realizadas para obtener la resolucion que puede tener el circuitose hicieron con micropasos controlados externamente con el programa de laFigura ( 4.11 ) en el cual 2 micropasos representan una micra de avance.

Con las dos figuras ( 4.14 ) y ( 4.15 ) se observa que el control no tieneproblemas al regresar a un valor ya sea positivo o negativo de voltaje puesal tener linealidad y simetria dara los mismo pasos hacia arriba que haciaabajo.

Figura 4.14: Pruebas de linealidad

Se va a determinar la resolucion que tiene el control realizando lecturasde varios rangos de avance.La figura ( 4.16 ) muestra el avance de 100 micropasos equivalentes a 50 mi-cras. donde los valores cambian de 38[mV] a -480[mV] para regresar de nuevoa 40[mV] y despues seguir a 550[mV], que al realizar la siguiente operaciontendremos una resolucion de la medicion.

(38 + 480)[mV ]

(50micras)' 10.3

mV

micra


Figura 4.15: Pruebas de simetria

La figura ( 4.17 ) muestra el avance de 10 micropasos equivalentes a5 micras. donde los valores cambian de 88[mV] a 40[mV] para regresar a90[mV] y despues seguir a 145[mV], que al realizar la siguiente operaciontendremos una resolucion de la medicion.

(88 40)[mV ]

(5micras)' 9.6

mV

micra

La figura ( 4.18 ) muestra el avance de 2 micropasos equivalentes a 1micra.donde los valores cambian de -5[mV] a -15[mV] para pasar a -25[mV]y despues seguir a -37[mV], que al realizar la siguiente operacion tendremosuna resolucion de la medicion.

(5 + 15)[mV ]

(1micra)' 10

mV

micra

La figura ( 4.19 ) muestra el avance de 1 micropaso equivalentes a 0.5micras.donde los valores cambian de -6[mV] a 0[mV] subir a 5[mV] y de-spues seguir a 11[mV], que al realizar la siguiente operacion tendremos unaresolucion de la medicion.

(5 0)[mV ]

(0.5micras)' 10

mV

micra

Tomando como referencia todas las mediciones podemos decir que la res-olucion del control es de 10

mVmicra

que es muy buena porque el nivel de ruido

tiene nivel de 1[mV] por redondeo. Ademas si queremos tener una distancia

4.3. PRUEBAS DEL CONTROL 57

Figura 4.16: 50 micras, 10.3 [mV] por micra

Figura 4.17: 5 micras, 10[mV] por micra

entre la muestra y la punta dentro del rango de 10 micras es posible ver ycontrolar.

mejor usar la palabre "micrometro"


Figura 4.18: 2 micras, 10[mV] por micra

Figura 4.19: 1 micropaso, 10[mV] por micra

micrometro, o um si prefieres

4.4. RESULTADOS 59

4.4 Resultados

Figura 4.20: Control funcionando dandole una referencia

En esta Imagen (Figura 4.20) se observa que al tomar la lectura de voltajetrata de llegar a uno que se le asigna mediante el Setpoint del PID, no le tomademasiado tiempo, alrededor de 2 minutos, pero este nivel no es muy establedebido a que un micropaso tiene el nivel de 5[mV] pero con este micropasoestamos al limite inferior de los motores con lo cual puede o no avanzar.

Se observa claramente una oscilacion alrededor del punto de referenciaque deseamos, lo que quiere decir que aun no tenemos un control exacto perosi preciso. pues al hacer muchas pruebas se llega a la misma accion, estar enuna oscilacion de 1 micra hacia arriba y una micra hacia abajo del punto dereferencia.


Capıtulo 5

Conclusiones

De acuerdo con los resultados obtenidos en esta tesis se logro el objetivoplanteado al inicio, ya que se tiene un control de la distancia que hay entre lapunta del microscopio de barrido y la muestra que se analiza. Teniendo unaresolucion de 0.5[µm], se puede colocar a 0.5[µm] de separacion entre punta ymuestra, cabe resaltar que este sistema solo funciona en muestras con indicede reflexion grande(en esta tesis se utilizo una muestra de microantenas deoro puestas sobre silicio).

En la salida de los amplificadores se observa un voltaje de ruido inducidoa mas de 40[GHz] con una amplitud de 3[mV ], este voltaje de ruido puedeinfluir en la medicion de la senal que pasa atravez de los cables pero con elprocesamiento digital de la senal se redujo significativamente, porque es unasenal con forma de senoide y al hacer un promedio con las muestras adquiri-das solo tenemos el ruido inducido en valores de DC muy pequenos del ordende los [µV ] que no influyen en la medicion porque un micropaso equivale aleer 5[mV ].

Los datos procesados en LABVIEW los adquiere atravez de la DAQmxcon una buena representacion de los voltajes diferenciales entregados por losamplificadores, que al procesarlos nos quedamos con el promedio de 10000muestras tomadas cada segundo, este promedio es el valor significativo delconjunto de muestras y con este valor entra a un control PID que entregaotro valor pero con la caracteristica que ya no es tomado como voltaje sinocomo micropaso que se manda atravez de dicha DAQmx para mover el motorteniendo como minimo un micropaso.

61

62 CAPITULO 5. CONCLUSIONES

Existe un inconveniente con la estructura del control, que al estar muyseparada del conjunto punta-muestra es factible que aparezca ruido mecanicoal haber oscilaciones o micromovimiento que aparecen al caminar cerca delmicroscopio o mover la estructura completa dando un golpe fuerte al soportedonde se encuentra, en el mejor de los casos puede estar estatica si ponemosal microscopio en un ambiente controlado.

El motor tiene una limitante, el numero de micropasos, es decir, un mi-cropaso significa un avance de 0.5[µm] dando un voltaje de 5[mV ], sı serealizara un mejor control del motor para que cada micropaso significara0.1[µm] este mismo diseno de Control podrıa leer ese pequeno cambio e in-cluso mejorando la ganancia de los amplificadores se vera con mejor definicionel cambio. Esta propuesta da pie al mejoramiento del control no solo en el as-pecto del motor sino que utilizando estructuras mas pequenas y dispositivosigual de pequenos se puede mejorar el nivel de ruido mecanico al acercar elsistema Laser-Fotodiodo al conjunto punta-muestra.

Las Caracteristicas del control son:

Voltaje de operacion 12[V ]Resolucion 0.5[µm]Longitud de onda 785[nm]Micropasos Mınimo 1Linealidad 1[mm] a 1[mm]

Capıtulo 6

ANEXOS

Hoja de Datos de los componentes utilizados en esta Tesis:

1. Fotodiodo QP5.8-6-TO5

2. Laser LP85P090

3. Amplificadores TL084

4. Regulador de Voltaje LM317

5. Regulador de Voltaje 7805

6. DAQmx 6501

7. DAQmx 6343

63

10/29/2010

Pacific Silicon Sensor Quadrant Series Data Sheet Part Description QP5.8-6-TO5

Order # 03-073

Ø 9.2

Ø 0.48

8.0

ACTIVE AREAS: 4 X 1.44 mm(4 X 1.20mm X 1.20mm w/ 50µm GAPS)

Ø 8.13

2

Ø 5.90

3.20

CATHODE& CASE

ANODE A

PIN 21.94

PIN 3PIN 4

PIN 1

ANODE B

PIN 5

ANODE D ANODE C±1

5 PL

5 PL

Ø 5.08PIN CIRCLE

BACKSIDE VIEWFRONTSIDE VIEW

AB

CD

2.60 SQ

FEATURES DESCRIPTION APPLICATIONS x 4 X 1.20 mm square active area x Small gap x Low dark current x High resolution

4 X 1.44 mm2 Low Dark Current Quadrant Photodiode with P on N construction and 50 Pm gaps. Hermetically packaged in a TO-5 with a clear borosilicate glass window cap.

x Laser beam position sensor x Autocollimators x Optical tweezers x Ellipsometers

ABSOLUTE MAXIMUM RATING SPECTRAL RESPONSE SYMBOL PARAMETER MIN MAX UNITS

TSTG Storage Temp -55 +125 qCTOP Operating Temp -40 +100 qC

VR(OP) Reverse Operating Voltage - 50 V

I(PEAK) Peak DC Current - 10 mA

ELECTRO-OPTICAL CHARACTERISTICS @ 22q C

SYMBOL CHARACTERISTIC TEST CONDITIONS MIN TYP MAX UNITSID Dark Current* VR = 10 V --- 0.4 --- nAC Capacitance* VR = 10 V --- --- 5.5 pF

Responsivity VR = 0 V; O = 633 nm --- 0.40 --- A/W

VR = 0 V; O = 900 nm --- 0.64 --- VBR Breakdown Voltage IR = 10 µA --- 15 --- Vtr Rise Time VR = 10 V; O = 850 nm; RL = 50 : --- 20 --- ns Uniformity of Sensitivity VR = 10 V; O = 880 nm --- ±1 ±2 %

* per element Disclaimer: Due to our policy of continued development, specifications are subject to change without notice.

USA: Pacific Silicon Sensor, Inc. 5700 Corsa Avenue, #105 Westlake Village, CA 91362 USA Phone (818) 706-3400 Fax (818) 889-7053 Email: [email protected] www.pacific-sensor.com Proud Members of the Silicon Sensor International AG Group of companies

International sales:Silicon Sensor International AG Peter-Behrens-Str. 15 D-12459 Berlin, Germany Phone +49 (0)30-63 99 23 10 Fax +49 (0)30-63 99 23 33 Email: [email protected] www.silicon-sensor.de

110010009008007006005004000.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

WAVELENGTH (nm)

RE

SP

ON

SIV

ITY

(A/W

)

PIN 5

PIN 1 PIN 2 PIN 3 PIN 4

A B C D

SCHEMATIC

HoR

S COMPL

IANT

Product Specification Sheet

21159-S01, Rev D– April 18, 2011 Specifications subject to change without notice.

Description Thorlabs’ mounted Ø5.6 mm, TO-18 can package discreet laser diode is a compact light source suited to many applications. Our lasers are fully compatible with our entire line of Laser Diode and TEC Controllers, as well as our selection of Laser Diode Mounts and Collimation Solutions.

Specifications Absolute Maximum Ratings (Tc = 25 °C)

Specification Symbol Value Optical Output Power Po 100 mW

LD Reverse Voltage Vr (LD) 2 V

PD Reverse Voltage Vr (PD) 30 V

Storage Temperature TS -40 to 85 °C

Operating Case Temperature TC -10 to 70 °C

Typical and Measured Characteristics (Tc = 25 °C)

Specification Symbol Min Typical Max Lasing Wavlength* λP 775 nm 785 nm 795 nm

Optical Power Po - 90 mW 100 mW

Threshold Current* Ith - 35 mA 60 mA

Operating Current* Iop - 120 mA 160 mA

Operating Voltage* Vop 1.5 V 2.0 V 2.3 V

Slope Efficiency* η 0.7 W/A 1.1 W/A 1.4 W/A

Astigmatism As - - 15 µm

Monitor Current Im 0.3 mA 0.5 mA 1.0 mA

Beam Divergence* θ// 8° 9° 10°

θ! 15° 16° 20°

Beam Angle Deviation* θ// -2° - 2°

θ! -2° - 2°

Emission Point Accuracy

∆X -80 µm - 80 µm

∆Y -80 µm - 80 µm

∆Z -80 µm - 80 µm

*Po = 90 mW

L785P090 Mounted Laser Diode

TL081, TL081A, TL081B, TL082, TL082A, TL082BTL082Y, TL084, TL084A, TL084B, TL084YJFET-INPUT OPERATIONAL AMPLIFIERS

SLOS081E – FEBRUARY 1977 – REVISED FEBRUARY 1999

9POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265

electrical characteristics, VCC ± = ±15 V (unless otherwise noted)

PARAMETER TEST CONDITIONS† TTL081M, TL082M TL084Q, TL084M

UNITPARAMETER TEST CONDITIONS† TA MIN TYP MAX MIN TYP MAXUNIT

VIO Input offsetvoltage VO = 0 RS = 50 Ω25°C 3 6 3 9

mVVIO Input offsetvoltage VO = 0, RS = 50 ΩFull range 9 15

mV

αVIOTemperature coefficient of input offset voltage

VO = 0 RS = 50 Ω Full range 18 18 µV/°C

IIO Input offset current‡ VO = 025°C 5 100 5 100 pA

IIO Input offset current‡ VO = 0125°C 20 20 nA

IIB Input bias current‡ VO = 025°C 30 200 30 200 pA

IIB Input bias current‡ VO = 0125°C 50 50 nA

VICRCommon-mode inputvoltage range 25°C ±11

±12to15

±11± 12

to15

V

M i kRL = 10 kΩ 25°C ±12 ±13.5 ±12 ±13.5

VOMMaximum peakoutput voltage swing RL ≥ 10 kΩ

Full range±12 ±12 Vout ut voltage swing

RL ≥ 2 kΩFull range

±10 ±12 ±10 ±12

AVDLarge-signaldifferential voltage

VO = ±10 V, RL ≥ 2 kΩ 25°C 25 200 25 200V/mVAVD differential voltage

amplification VO = ±10 V, RL ≥ 2 kΩ Full range 15 15V/mV

B1 Unity-gain bandwidth 25°C 3 3 MHzri Input resistance 25°C 1012 1012 Ω

CMRR Common-moderejection ratio

VIC = VICRmin,VO = 0, RS = 50 Ω 25°C 80 86 80 86 dB

kSVRSupply voltagerejection ratio(ΔVCC± /ΔVIO)

VCC = ±15 V to ±9 V,VO = 0, RS = 50 Ω 25°C 80 86 80 86 dB

ICCSupply current(per amplifier) VO = 0, No load 25°C 1.4 2.8 1.4 2.8 mA

VO1/VO2 Crosstalk attenuation AVD = 100 25°C 120 120 dB† All characteristics are measured under open-loop conditions with zero common-mode input voltage unless otherwise specified.‡ Input bias currents of a FET-input operational amplifier are normal junction reverse currents, which are temperature sensitive as shown in

Figure 17. Pulse techniques must be used that maintain the junction temperatures as close to the ambient temperature as is possible.

operating characteristics, VCC± = ±15 V, TA = 25°C (unless otherwise noted)PARAMETER TEST CONDITIONS MIN TYP MAX UNIT

VI = 10 V, RL = 2 kΩ, CL = 100 pF, See Figure 1 8∗ 13SR Slew rate at unity gain VI = 10 V, RL = 2 kΩ, CL = 100 pF,

5∗V/µs

TA = – 55°C to 125°C, See Figure 1 5∗

tr Rise timeVI = 20 mV RL = 2 kΩ CL = 100 pF See Figure 1

0.05 µsOvershoot factor

VI = 20 mV, RL = 2 kΩ, CL = 100 pF, See Figure 120%

V Equivalent input noise RS = 20 Ωf = 1 kHz 18 nV/√Hz

VnEquivalent in ut noisevoltage RS = 20 Ω

f = 10 Hz to 10 kHz 4 µV

InEquivalent input noisecurrent RS = 20 Ω, f = 1 kHz 0.01 pA/√Hz

THD Total harmonic distortion VIrms = 6 V,f = 1 kHz

AVD = 1, RS ≤ 1 kΩ, RL ≥ 2 kΩ, 0.003%

∗On products compliant to MIL-PRF-38535, this parameter is not production tested.

Absolute Maximum Ratings (Note 1)If Military/Aerospace specified devices are required,please contact the National Semiconductor Sales Office/Distributors for availability and specifications.

Power Dissipation Internally LimitedInput-Output Voltage Differential 40VOperating Junction Temperature

Range −40°C to +125°C

Storage Temperature −55°C to +150°CLead Temperature

(Soldering, 4 seconds) 260°COutput is Short Circuit Protected ESD Susceptibility Human Body Model (Note 5) 2kV

Electrical Characteristics (Note 2)

Parameter Conditions Min Typ Max UnitsLine Regulation TJ = 25°C, 3V (VIN − VOUT) 40V, IL 20mA (Note 3) 0.01 0.04 %/V

Load Regulation TJ = 25°C, 5mA IOUT IMAX, (Note 3) 0.1 0.5 %

Thermal Regulation TJ = 25°C, 10ms Pulse 0.04 0.2 %/WAdjustment Pin Current 50 100 ˩AAdjustment Pin Current 5mA IL 100mA 0.2 5 ˩AChange 3V (VIN − VOUT) 40V, P 625mW

Reference Voltage 3V (VIN − VOUT) 40V, (Note 4) 1.20 1.25 1.30 V 5mA IOUT 100mA, P 625mW

Line Regulation 3V (VIN − VOUT) 40V, IL 20mA (Note 3) 0.02 0.07 %/V

Load Regulation 5mA IOUT 100mA, (Note 3) 0.3 1.5 %

Temperature Stability TMIN TJ TMax 0.65 %

Minimum Load Current (VIN − VOUT) 40V 3.5 5 mA 3V (VIN − VOUT) 15V 1.5 2.5

Current Limit 3V (VIN − VOUT) 13V 100 200 300 mA (VIN − VOUT) = 40V 25 50 150 mA

Rms Output Noise, % of VOUT TJ = 25°C, 10Hz f 10kHz 0.003 %

Ripple Rejection Ratio VOUT = 10V, f = 120Hz, CADJ = 0 65 dB CADJ ˩F 66 80 dB

Long-Term Stability TJ = 125°C, 1000 Hours 0.3 1 %Thermal Resistance Z Package 0.4 Leads 180 °C/WJunction to Ambient Z Package 0.125 Leads 160 °C/W

SO-8 Package 165 °C/W 6-Bump micro SMD 290 °C/W

Note 1: “Absolute Maximum Ratings” indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the deviceis functional, but do not guarantee specific performance limits.Note 2: Unless otherwise noted, these specifications apply: −25°C Tj 125°C for the LM317L; VIN − VOUT = 5V and IOUT = 40mA. Although power dissipationis internally limited, these specifications are applicable for power dissipations up to 625mW. IMAX is 100mA.Note 3: Regulation is measured at constant junction temperature, using pulse testing with a low duty cycle. Changes in output voltage due to heating effects arecovered under the specification for thermal regulation.Note 4: Thermal resistance of the TO-92 package is 180°C/W junction to ambient with 0.4 leads from a PC board and 160°C/W junction to ambient with 0.125lead length to PC board.Note 5: The human body model is a 100pF capacitor discharged through a 1.5k˖ resistor into each pin.

3 www.national.com

LM317L

Typical ApplicationsDigitally Selected Outputs

906411

*Sets maximum VOUT

High Gain Amplifier

906412

Adjustable Current Limiter

906413

12 R1 240

Precision Current Limiter

906414

Slow Turn-On 15V Regulator

906415

Adjustable Regulator withImproved Ripple Rejection

906416

†Solid tantalum*Discharges C1 if output is shorted to ground

High Stability 10V Regulator

906417

Adjustable Regulator with Current Limiter

906418

Short circuit current is approximately 600 mV/R3, or 60mA (compared toLM317LZ's 200mA current limit).At 25mA output only 3/4V of drop occurs in R3 and R4.

9 www.national.com

LM317L

µA7800 SERIESPOSITIVE-VOLTAGE REGULATORS

SLVS056J – MAY 1976 – REVISED MAY 2003


3-Terminal RegulatorsOutput Current up to 1.5 AInternal Thermal-Overload Protection

High Power-Dissipation CapabilityInternal Short-Circuit Current LimitingOutput Transistor Safe-Area Compensation

KTE PACKAGE(TOP VIEW)

OUTPUT

COMMON

INPUT

COMMONOUTPUT

KC (TO-220) PACKAGE(TOP VIEW)

INPUT

CO

MM

ON

COMMONOUTPUT

KCS (TO-220) PACKAGE(TOP VIEW)

INPUT

CO

MM

ON

CO

MM

ON

description/ordering information

This series of fixed-voltage integrated-circuit voltage regulators is designed for a wide range of applications.These applications include on-card regulation for elimination of noise and distribution problems associated withsingle-point regulation. Each of these regulators can deliver up to 1.5 A of output current. The internalcurrent-limiting and thermal-shutdown features of these regulators essentially make them immune to overload.In addition to use as fixed-voltage regulators, these devices can be used with external components to obtainadjustable output voltages and currents, and also can be used as the power-pass element in precisionregulators.

ORDERING INFORMATION

TJVO(NOM)

(V) PACKAGE† ORDERABLEPART NUMBER

TOP-SIDEMARKING

POWER-FLEX (KTE) Reel of 2000 µA7805CKTER µA7805C5 TO-220 (KC) Tube of 50 µA7805CKC

µA7805CTO-220, short shoulder (KCS) Tube of 20 µA7805CKCS

µA7805C



µA7808C

10POWER-FLEX (KTE) Reel of 2000 µA7810CKTER µA7810C

0°C to 125°C10

TO-220 (KC) Tube of 50 µA7810CKC µA7810C0°C to 125°C



µA7812C



µA7815C

24POWER-FLEX (KTE) Reel of 2000 µA7824CKTER µA7824C

24TO-220 (KC) Tube of 50 µA7824CKC µA7824C

† Package drawings, standard packing quantities, thermal data, symbolization, and PCB design guidelines are available atwww.ti.com/sc/package.

Please be aware that an important notice concerning availability, standard warranty, and use in critical applications ofTexas Instruments semiconductor products and disclaimers thereto appears at the end of this data sheet.

Copyright © 2003, Texas Instruments IncorporatedPRODUCTION DATA information is current as of publication date.Products conform to specifications per the terms of Texas Instrumentsstandard warranty. Production processing does not necessarily includetesting of all parameters.

µA7800 SERIESPOSITIVE-VOLTAGE REGULATORS

SLVS056J – MAY 1976 – REVISED MAY 2003


recommended operating conditionsMIN MAX UNIT

µA7805C 7 25µA7808C 10.5 25

VI Input voltageµA7810C 12.5 28

VVI Input voltageµA7812C 14.5 30

V

µA7815C 17.5 30µA7824C 27 38

IO Output current 1.5 ATJ Operating virtual junction temperature µA7800C series 0 125 °C

electrical characteristics at specified virtual junction temperature, VI = 10 V, IO = 500 mA (unlessotherwise noted)

PARAMETER TEST CONDITIONS T †µA7805C

UNITPARAMETER TEST CONDITIONS TJ†MIN TYP MAX

UNIT

Output voltage IO = 5 mA to 1 A, VI = 7 V to 20 V, 25°C 4.8 5 5.2VOutput voltage O ,

PD ≤ 15 WI ,

0°C to 125°C 4.75 5.25V

Input voltage regulationVI = 7 V to 25 V

25°C3 100

mVInput voltage regulationVI = 8 V to 12 V

25°C1 50

mV

Ripple rejection VI = 8 V to 18 V, f = 120 Hz 0°C to 125°C 62 78 dB

Output voltage regulationIO = 5 mA to 1.5 A

25°C15 100

mVOutput voltage regulationIO = 250 mA to 750 mA

25°C5 50

mV

Output resistance f = 1 kHz 0°C to 125°C 0.017 Ω

Temperature coefficient of output voltage IO = 5 mA 0°C to 125°C –1.1 mV/°COutput noise voltage f = 10 Hz to 100 kHz 25°C 40 µVDropout voltage IO = 1 A 25°C 2 VBias current 25°C 4.2 8 mA

Bias current changeVI = 7 V to 25 V

0°C t 125°C1.3

mABias current changeIO = 5 mA to 1 A 0°C to 125°C 0.5

mA

Short-circuit output current 25°C 750 mAPeak output current 25°C 2.2 A

† Pulse-testing techniques maintain the junction temperature as close to the ambient temperature as possible. Thermal effects must be taken intoaccount separately. All characteristics are measured with a 0.33-µF capacitor across the input and a 0.1-µF capacitor across the output.

USER GUIDE AND SPECIFICATIONS

NI USB-650124-Channel, 32-Bit Counter Digital I/O Device

This user guide describes how to use the National Instruments USB-6501 data acquisition (DAQ) device and lists the device specifications.

IntroductionThe NI USB-6501 is a Full-Speed USB 2.0 device that provides 24 DIO channels and a 32-bit counter.

Figure 1. NI USB-6501 Top View

1 USB Cable Strain Relief

1

NI USB-650124-line Digital I/O

NI USB-6501 User Guide and Specifications 12 ni.com

I/O ConnectorThe NI USB-6501 ships with two detachable terminal blocks for digital signals. The individual terminals accept 16 AWG to 28 AWG wire.

Table 2 lists the digital terminal assignments.

Table 1. LED State/Device Status

LED State Device Status

Not lit Device not connected or in suspend.

On, not blinking Device connected.

Single-blink Operating normally.

Table 2. Digital Terminal Assignments

Module Terminal Signal Module Terminal Signal

1 GND 17 P0.0

2 +5 V 18 P0.1

3 P1.7 19 P0.2

4 P1.6 20 P0.3

5 P1.5 21 P0.4

6 P1.4 22 P0.5

7 GND 23 P0.6

8 GND 24 P0.7

9 P2.7/PFI 0 25 GND

10 P2.6 26 GND

11 P2.5 27 P1.0

12 P2.4 28 P1.1

13 P2.3 29 P1.2

14 P2.2 30 P1.3

15 P2.1 31 +5 V

16 P2.0 32 GND

GN

D+5V

P1.7P1.6

P1.5P1.4

GN

DG

ND

P2.7P2.6

P2.5P2.4

P2.3P2.2

P2.1P2.0

GN

D+5

VP1

.3P1

.2P1

.1P1

.0G

ND

GN

DP0

.7P0

.6P0

.5P0

.4P0

.3P0

.2P0

.1P0

.0

10/17/13 NI USB-6343 - National Instruments

sine.ni.com/nips/cds/print/p/lang/en/nid/209070 1/5

BNC connectivity now available!32 analog inputs, 500 kS/s, 16-bit resolution, ±10 VFour analog outputs, 900 kS/s, 16-bit resolution, ±10 V48 digital I/O lines (32 hardware-timed up to 1 MHz)Four 32-bit counter/timers for PWM, encoder, frequency, eventcounting, and moreAdvanced timing and triggering with NI-STC3 timing andsynchronization technologySupport for Windows 7/Vista/XP

Technical SalesUnited States(866) 531-[email protected]

NI USB-6343

X Series Data Acquisition

Overview

NI X Series multifunction data acquisition (DAQ) devices for USB provide a new level of performance withNI-STC3 timing and synchronization technology, NI Signal Streaming for high performance over USB, acompletely redesigned mechanical enclosure, and multicore-optimized driver and application software.

NI-STC3 TechnologyNI-STC3 timing and synchronization technology delivers advanced timing features, including independentanalog and digital timing engines, retriggerable measurement tasks, and four counter/timers with morefunctionality than ever before.

NI Signal StreamingUSB X Series devices include patented NI Signal Streaming, a technology that uses message-basedinstructions and device-side intelligence to ensure high-speed, bidirectional data transfer over USB. WithUSB X Series, you can concurrently transfer analog, digital, and counter data in both directions.

Data Acquisition SoftwareX Series devices include multithreaded NI-DAQmx driver software, which is compatible with the followingversions (or later) of NI application software - LabVIEW 8.5, LabWindows™/CVI 8.1, or MeasurementStudio 8.0.1;; or LabVIEW SignalExpress 2.x. X Series devices are also compatible with ANSI C/C++ andMicrosoft Visual Studio .NET. NI-DAQmx includes free LabVIEW SignalExpress LE data-logging softwareand hundreds of shipping examples to help you get started quickly with your application.

The mark LabWindows is used under a license from Microsoft Corporation. Windows is a registeredtrademark of Microsoft Corporation in the United States and other countries.

Specifications

Specifications Documents

Specifications

Data Sheet

Specifications Summary

Appendix A Device-Specific Information

© National Instruments Corporation A-11 X Series User Manual

Figure A-5. NI USB-6343 Pinout

Note Refer to Table 7-10, X Series USB Device Default NI-DAQmx Counter/Timer Pins, for a list of the default NI-DAQmx counter/timer pins for this device. For more information about default NI-DAQmx counter inputs, refer to Connecting Counter Signals in the NI-DAQmx Help or the LabVIEW Help.

17181920212223242526272829303132

AI 4 (AI 4+)AI 12 (AI 4–)AI GNDAI 5 (AI 5+)AI 13 (AI 5–)AI GNDAI 6 (AI 6+)AI 14 (AI 6–)AI GNDAI 7 (AI 7+)AI 15 (AI 7–)AI GNDNCAI GNDAO 1AO GND

AI 0 (AI 0+)AI 8 (AI 0–)AI GNDAI 1 (AI 1+)AI 9 (AI 1–)AI GNDAI 2 (AI 2+)AI 10 (AI 2–)AI GNDAI 3 (AI 3+)AI 11 (AI 3–)AI GNDAI SENSEAI GNDAO 0AO GND

123456789

10111213141516

49505152535455565758596061626364

AI 20 (AI 20+)AI 28 (AI 20–)AI GNDAI 21 (AI 21+)AI 29 (AI 21–)AI GNDAI 22 (AI 22+)AI 30 (AI 22–)AI GNDAI 23 (AI 23+)AI 31 (AI 23–)AI GNDNCAI GNDAO 3AO GND

AI 16 (AI 16+)AI 24 (AI 16–)AI GNDAI 17 (AI 17+)AI 25 (AI 17–)AI GNDAI 18 (AI 18+)AI 26 (AI 18–)AI GNDAI 19 (AI 19+)AI 27 (AI 19–)AI GNDAI SENSE 2AI GNDAO 2AO GND

33343536373839404142434445464748

81828384858687888990919293949596

PFI 8/P2.0D GNDPFI 9/P2.1D GNDPFI 10/P2.2D GNDPFI 11/P2.3D GNDPFI 12/P2.4D GNDPFI 13/P2.5D GNDPFI 14/P2.6D GNDPFI 15/P2.7+5 V

P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7PFI 0/P1.0PFI 1/P1.1PFI 2/P1.2PFI 3/P1.3PFI 4/P1.4PFI 5/P1.5PFI 6/P1.6PFI 7/P1.7

65666768697071727374757677787980

113114115116117118119120121122123124125126127128

P0.24D GNDP0.25D GNDP0.26D GNDP0.27D GNDP0.28D GNDP0.29D GNDP0.30D GNDP0.31D GND

P0.8P0.9P0.10P0.11P0.12P0.13P0.14P0.15P0.16P0.17P0.18P0.19P0.20P0.21P0.22P0.23

979899

100101102103104105106107108109110111112

NC = No Connect

Bibliografıa

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poner el http