Наноматериалы для радиоэлектронных средств. Ч. 1. Подготовка сканирующего туннельного микроскопа к диагностике и модификации наноматериалов (96

4)включить питание генератора ГЗ переключателем «Вкл», при этом загорятся лампочка «Мупр» рядом с выключателем и индикатор десятичной точки между переключателями «Частота»;

5)соединить коаксиальным кабелем выход «О→1» генератора со входом осциллографа. На экране осциллографа появится синусоида. Ручкой «Уровень» («Синхронизация») осциллографа добиться неподвижности синусоиды на экране;

6)ручками «Напряжение», «V» и «Плавная регулировка» рядом с выходом «О→1» генератора установить амплитуду выходного напряжения генератора U0 равной заданному значению. Переключателем «Вольт/Дел» осциллографа установить амплитуду синусоиды равной примерно трем клеточкам на экране. Переключателем «Время/Дел» установить период Т синусоиды равным примерно двум клеточкам на экране;

7)зарисовать осциллограмму с указанием амплитуды и периода синусоиды в клеточках и в соответствующих единицах (амплитуда — в вольтах, период — в миллисекундах). Для этого амплитуду U0 синусоиды в клеточках (с точностью до мелких делений,

т.е. десятых долей клеточки) умножить на число, указанное переключателем «Вольт/Дел» осциллографа. Аналогично для получения периода Т синусоиды в миллисекундах нужно число клеточек умножить на число, указанное переключателем «Время/Дел».

• Провести калибровку источника тока Iтун с помощью осцил-

лографа. Для этого:

1)соединить коаксиальным кабелем выход «О→1» генератора со входом «Ген» источника тока Iтун. Соединить другим коаксиальным кабелем выход «Осц» источника тока Iтун со входом осциллографа;

2)действуя так же, как при калибровке генератора ГЗ, измерить и зарисовать осциллограмму с указанием амплитуды и периода синусоиды;

3)по размытию этой синусоиды оценить погрешности измерения напряжения U и частоты f = 1/Т.

• Провести балансировку предусилителя с помощью осцилло-

графа. Для этого:

1)подключить провод заземления « » и провода питания «+»

и«–» предусилителя к соответствующим клеммам источника питания (ИП) предусилителя;

11

2) перед включением ИП установить переключатель «Род работы» в положение «Одиночн», переключатели Uвых каналов I и II — в положение «15»;

3)включить питание источника ИП выключателем «Сеть», при этом загорится лампочка «Сеть» над выключателем;

4)соединить входной коаксиальный кабель «Iтун» предусилителя с проводом заземления. Соединить коаксиальным кабелем выход «Осц» предусилителя со входом осциллографа. Ручкой многооборотного резистора на корпусе предусилителя сместить наблюдаемый на экране сигнал по вертикали до совпадения с горизонтальной линией нулевого напряжения.

• Измерить АЧХ предусилителя с помощью осциллографа и ПЭВМ. Для этого:

1) соединить генератор, источник Iтун, предусилитель, осциллограф, интерфейс ПЭВМ по разработанной схеме измерения. Задавая разные частоты синусоиды с генератора при заданной постоянной амплитуде этой синусоиды, измерять напряжение на выходе предусилителя и последовательно заполнять таблицу «АЧХ предусилителя». Число колонок в таблице должно быть не менее десяти, причем значения частоты f нужно выбирать чаще там, где начинается спад АЧХ, и там, где шумовое напряжение становится больше сигнала. Зарисовать осциллограммы и построить график АЧХ по данным таблицы. Найти частоту среза f0 и уровень шумов;

АЧХ предусилителя

lg( f )

, В

lg(U )

2) запустить программу управления СТМ в режиме измерения тока. Сравнить осциллограммы на экране ПЭВМ и на экране осциллографа при различных способах синхронизации интерфейса, при различных способах изображения и в разных масштабах шкалы тока. Определить уровень шумового тока.

12

1.4.Контрольные вопросы

1.Каково назначение предусилителя СТМ?

2.Каковы характерные значения напряжений, токов, сопротивлений при работе СТМ?

3.Опишите принцип действия (структурную схему) предусилителя.

4.Каковы характерные значения напряжений, токов, сопротивлений при измерении АЧХ предусилителя?

5.Чем заменяется туннельный зазор между иглой и подложкой

вСТМ при измерении АЧХ предусилителя?

6.В чем различия между схемой умножения сопротивлений и схемой последовательного усиления?

7.Оцените значение коэффициента α в формуле (*), если известно, что при изменении Z на 0,1 нм ток I изменяется в 10 раз.

8.Как изменится АЧХ предусилителя, если емкость CI увеличить в 1000 раз (вместо 5 пФ взять 5 нФ)?

9.Каковы характерные значения измеренных шумовых напряжений и токов?

10.Какие источники шумов и наводок Вы обнаружили?

11.Почему сместился нуль при измерении синусоиды осциллографом на выходе делителя в источнике Iтун по сравнению с синусоидой на выходе генератора?

12.С помощью вычисления производной от функции f(T) = 1/T

найдите формулу для относительной погрешности ∆f/f измерения частоты f сигнала, если известна относительная погрешность ∆Т/Т измерения периода Т.

13

Работа № 2. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО УСИЛИТЕЛЯ СТМ

Цель работы — изучение методики получения высоких напряжений звуковых частот для пьезокерамических нанодвигателей СТМ и закрепление теоретических знаний о нанопозиционерах.

2.1. Теоретическая часть

Для модификации или диагностики наноматериалов можно применять зонд (иглу) СТМ (рис. 2.1), перемещаемую с помощью двигателя в нанометровом диапазоне по осям X, Y, Z относительно наноматериала, нанесенного на проводящую подложку. Двигатели СТМ часто изготовляют из пьезокерамики, изменяющей свои размеры в ответ на изменение приложенного электрического напряжения в диапазоне звуковых частот (примерно до 10 кГц). Значения необходимых напряжений X(t), Y(t), Z(t) достигают сотен вольт. Управляющие сигналы на выходе из интерфейса ПЭВМ составляют единицы вольт. Поэтому между интерфейсом и двигателем помещают высоковольтный усилитель (ВВУ) с коэффициентом усиления K порядка 100.

14

Для идеального ВВУ коэффициент K должен сохранять заданное значение на всех частотах, т. е. ВВУ должен иметь плоскую АЧХ. На практике, как и в случае с АЧХ предусилителя (см. работу № 1), существует частота среза f0, после которой наблюдается спад амплитуды выходного сигнала.

ВВУ состоит из трех независимых одинаковых каналов, выдающих соответственно сигналы X(t), Y(t), Z(t) (на рис. 2.2 показан канал Z). В свою очередь, каждый канал может обрабатывать три входных сигнала: Uбольш, Uмал и Uручн. Сигналы на входы Uбольш и Uмал поступают с выхода ЦАП из интерфейса ПЭВМ и соответствуют перемещениям большими и малыми шагами. Вход Uручн можно использовать для подачи любого сигнала, например для ручного управления перемещением. При снятии АЧХ на этот вход подается постоянное напряжение смещения. Каждый из трех поступивших на вход ВВУ сигналов Un умножается на свой коэффициент Kn. Затем все сигналы складываются, и результат поступает на усилитель Kус. Таким образом, на выходе каждого канала ВВУ получается взвешенная сумма трех входных напряжений, усиленная примерно в 100 раз.

Применение отдельных сигналов Uбольш и Uмал для перемещения независимыми большими и малыми шагами вызвано необходимостью перемещаться на большие (порядка 1 мкм) расстояния, сохраняя во всем диапазоне малую погрешность (порядка 0,01 нм). Если перемещаться во всем микронном диапазоне только малыми субнанометровыми шагами, то необходимо корректировать накапливающуюся погрешность. Такая проблема точного позиционирования встречается, например, в установках литографии (степперах)

Рис. 2.2

15

для микроэлектроники. Для ее решения применяют лазерные интерферометрические системы и (или) заранее нанесенные образцовые метки. При этом для вывода из ПЭВМ требуется ЦАП с большим числом N (более 17) разрядов. Это влечет за собой проблемы с шумами (напряжение 1-го разряда меньше 1 мВ) и быстродействием (время преобразования больше 100 мкс). Поэтому удобно составлять большое перемещение Z не из большого числа малых шагов Zмал, а из малого числа больших шагов Zбольш, после чего пройти оставшееся расстояние малыми шагами Zмал.

Выбор конкретных значений величин Zмал и Zбольш зависит от характерных особенностей диагностируемого (модифицируемого) наноматериала. Если ориентироваться на характерный размер объектов 10 нм (например, наночастицы), то значение большого шага Zбольш удобно взять порядка размера атома (0,3 нм). При 12-разрядном ЦАП максимальное число шагов равно примерно 4000, что дает максимальное перемещение около 1 мкм. Выбор значения малого шага определяется сильной экспоненциальной зависимостью туннельного тока от зазора Z между иглой и подложкой. Ток I изменяется в 10 раз при изменении зазора на 0,1 нм, поэтому значение малого шага Zмал нужно взять около 0,01 нм. Таким образом, отношение Zбольш/Zмал равно примерно 30. В соответствии с этим выбирают весовые множители Kn = R/Rn при суммировании со взвешиванием (рис. 2.3). В этой схеме на ОУ применен инвертирующий сумматор (первый ОУ), поэтому перед выходом стоит инвертор (второй ОУ с одинаковыми резисторами r), меняющий знак на противоположный.

16

Взвешенная сумма большого и малого сигналов поступает на вход усилителя, построенного на ОУ и высоковольтном транзисторе (рис. 2.4). К выходу ВВУ подключен делитель, состоящий из сопротивлений R и r. С него снимается напряжение, поступающее на положительный вход ОУ. Для ОУ это напряжение является сигналом отрицательной обратной связи, так как снимается с коллектора транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и поэтому находится в противофазе с напряжением на выходе ОУ (на базе транзистора).

Значение сопротивления R0 задает рабочую точку. Его выбирают так, чтобы ток открытого транзистора имел типичное значение 5 мА. При источнике питания +300 В это дает R0 = 60 кОм. Согласно основному свойству ОУ с обратной связью, напряжение на выходе будет меняться до тех пор, пока не сравняются потенциалы на положительном и отрицательном входах ОУ. Тем самым сравняются входное напряжение Uвх и напряжение (r/R)Uвых, снятое с делителя, подключенного к выходу. Поэтому коэффициент усиления Kус приближенно равен R/r (при R >> r).

Емкость С порядка 1 нФ предотвращает самовозбуждение ВВУ, а емкость Свых сглаживает ступеньки после ЦАП перед подачей на пьезодвигатель. Ее роль может играть емкость (около 10 нФ) самого пьезодвигателя, если он сделан из пьезопластин толщиной около 1 мм. Если пьезодвигатель состоит из брусков толщиной около 5 мм, этой емкостью можно пренебречь (около 5 пФ).

+ 300 В

R0

RUвых

+

r

С

Рис. 2.4

17

Поскольку ВВУ и пьезодвигатель используют однополярное напряжение, на вход ВВУ с выхода ЦАП ин-

терфейса подают также однополярное напряжение.

Максимальное напряжение, получаемое на выходе ВВУ, зависит не только от напряжения высоковольтного источника питания, но и от напряжения питания микросхем ОУ. Например, ес-

ли вместо Uпит = 15 В на микросхему ОУ подавать 12 В, то максимальное выходное напряжение Uвых пропорционально уменьшается (рис. 2.5).

При измерении АЧХ ВВУ поступают так же, как при измерении АЧХ предусилителя. На вход ВВУ (рис. 2.6) подают гармоническое напряжение U(t) = U0cos(2πft) заданной частоты f и амплитуды U0 и с помощью осциллографа измеряют амплитуду U1 выходного гармонического напряжения U(t) = U1cos(2πft). Эти измерения проводят для нескольких значений частоты f входного напряжения и следят за постепенным уменьшением выходной амплитуды U1, пока она не станет меньше шумового напряжения ∆U.

На выходе генератора синусоидальное напряжение принимает как положительные, так и отрицательные значения. Чтобы на вход ВВУ поступало однополярное напряжение, ко входу Uручн подключают положительное постоянное смещение от источника напряжения U0 (рис. 2.7). Суммируясь с напряжением от генератора, оно «поднимает» синусоиду в область положительных напряжений.

плитуду перемещения Lmax нужно поделить на наименьший период Tmin, т. е. умножить на характерную максимальную частоту fmax. В качестве этой часто-

ты можно взять частоту среза f0, найденную при измерении АЧХ для заданной амплитуды синусоиды на входе ВВУ.

2.2.Расчетная часть

•Расчитать значения сопротивлений r, R и R0 в схеме с высоковольтным транзистором (см. рис. 2.4) при наличии следующих требований:

1) напряжение источника питания +500 В;

2) ток открытого высоковольтного транзистора 5 мА;

3) входное напряжение 10 В на положительном входе ОУ должно превратиться в 400 В на выходе ВВУ.

•Оценить влияние емкости Cвых в схеме ВВУ на его частоту среза f0.

Рис. 2.8

19

•Оценить требования к быстродействию интерфейса ПЭВМ для выдачи напряжения в ВВУ с заданной частотной характеристикой.

•Оценить максимальную скорость перемещения Vmax, которую можно получить без искажений, при наличии следующих требований:

1) коэффициент Kпьезо преобразования напряжения в перемещение пьезодвигателя Kпьезо = 1 нм/В;

2) при амплитуде 1 В входного напряжения ВВУ его частота

среза 10 кГц.

2.3.Экспериментальная часть

•Разработать функциональную схему измерения АЧХ ВВУ и собрать ее под руководством преподавателя.

ВНИМАНИЕ! Для измерений напряжений больше 10 В применять щуп осциллографа со встроенным делителем 1:10.

•Провести калибровку генератора ГЗ с помощью осциллографа, как описано в работе № 1.

•Измерить АЧХ ВВУ с помощью осциллографа. Для этого:

1)соединить генератор, источник постоянного смещения, ВВУ

иосциллограф по разработанной схеме измерения. Задавая разные частоты синусоиды с генератора при заданной постоянной амплитуде этой синусоиды, измерять напряжение на выходе ВВУ и последовательно заполнять таблицу, как в работе № 1. Зарисовать осциллограммы и построить график АЧХ по данным таблицы. Найти частоту среза f0 и уровень шумов;

2)уменьшая до нуля напряжение постоянного смещения на входе ВВУ, наблюдать за изменением осциллограмм на выходе ВВУ. Зарисовать характерные осциллограммы.

ВАЖНО! По сравнению с работой № 1 здесь есть существенные отличия:

1) АЧХ ВВУ нужно снимать при нескольких значениях амплитуды синусоиды генератора, т. е. следует измерить зависимость АЧХ от амплитуды напряжения, поступающего на вход ВВУ. Частота среза f0 уменьшается с ростом этой амплитуды из-за искажений, вносимых высоковольтным транзистором;

20