本项目主要设计了一个亚微米级定位台,通过与Micro-Epsilon共聚焦位移传感器进行结合后,设计成为微米级表面轮廓仪。
1、该轮廓仪能够完成对微小样品的表面轮廓测量(如晶圆裸片、金属表面等),分析其表面平整度或起伏结构。动态深度分辨率能够达到38nm,横纵分辨率能够达到8μm。
2、对于亚纳米级定位台,其分辨率能够达到100nm。基于该定位台,能够实现包括但不限于:扫描成像(如本项目所示的轮廓仪)、微流控操纵、光学对准等功能。
该定位台为基于粘-滑效应工作原理,具体分析可参考文章:
Open STM: A low-cost scanning tunneling microscope with a fast approach method
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468067223001116
Low-cost, open-source XYZ nanopositioner for high-precision analytical applications
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468067222000621
位移测试通过IFC2421共聚焦位移传感器与IFS2405-1探头完成,采样率为1ksps。
在对压电陶瓷施加5Vp-p的锯齿波时,定位台所产生的位移为100nm左右。
在实际测试过程中,过低的锯齿波电压可能导致位移的不稳定。随着驱动电压的增加,定位台的位移将趋于稳定,以下是10V锯齿波驱动下的单步位移情况。(对于无需反向移动的情况,基于AL1.65型压电陶瓷的单步电压可增加至20Vp-p)
通过施加10个连续的10V锯齿波,可以实现2μm左右的单向稳定位移。
在下图所示的过程中,反向位移略小于正向位移,这可能是磁铁与滑轨产生了倾斜导致的。在部分的测试结果中,正向与方向位移能够接近。
通过改变锯齿波斜率,测试定位台能够达到的最高速度。如下图所示,定位台的最高速度能够大大0.85mm/s。
通过将定位台与共聚焦位移传感器结合,设计成为微米级轮廓仪。在工作过程中,定位台进行蛇形扫描,共聚焦传感器采集位移数据,经上位机整合后采集成图像。注意,以下图片的单位均为微米。
原始数据可以在ScanImages>RawImage中被找到。其中,xxxs.tiff为灰度映射至[0~255]的版本,以方便直接查看。原始图像需要使用Gwyddion或其他相关软件进行查看。
3DModel > 包含了项目所有的3D文件
3DModel > CNC > 包含了项目需要加工的CNC文件
3DModel > SolidWorks > 包含了项目的3D原始工程文件
ControlSoftware > 包含了项目使用到的脚本,请安装requirements.txt对应的pip包后运行gui.py以启动上位机
ControlSoftware > reverse.py 用于高度反转
Images > 包含压电滑台的性能数据
Pico2Firmware > 树莓派Pico2固件
ScanImages > 轮廓仪的扫描原始结果
PCB > 工程的PCB文件,请使用EasyEDA/立创EDA打开。或在线打开:https://oshwhub.com/dimsmary/micron-profilometer-micro-profil
按照PCB文件夹下提供的文件进行复刻即可。有以下注意事项:
- 对于+5V LDO、DAC3、ADC区域电路为非必要部分,如无需求,可不进行焊接。
- 对于DAC部分的电路,如果DAC采用AD5761R,则ADR421可不进行焊接。如果采用AD5761,则需要进行焊接。对于本项目,默认采用AD5761R。AD5761R与AD5761在寄存器操作时略有不同,后续将进行介绍。
请使用VS Code打开Pico2Firmware>Table_Movement进行烧录,或使用Pico2Firmware目录下的.uf2文件完成烧录。
如果需要修改AD5761/AD5761R的初始化设置,请修改Table_Movement>lib>ad57x1>ad57x1.cpp中的#define CONTROL_REG_BASE,该宏定义对AD5761/AD5761R的初始化进行了设置,包括内部参考电压源的开启/关闭,详情请参考对于数据手册的CONTROL REGISTER小节。
所有需要加工的文件被放置在了3DModel > CNC下,请参考视频[链接待更新]或3DModel > SolidWorks下的XYTable.SLDASM以及full_assemble.SLDASM进行组装。
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对于需要额外购买的Z轴定位台,其关键词为[Z轴升降台],台面尺寸为60x60cm,行程为1cm。
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对于fix.STEP,可以采用3D打印。
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定位台的组装可参考OpenSTM项目,或对应的HardwareX文章:https://doi.org/10.1016/j.ohx.2023.e00504。需要注意的是,在组装定位台时,需要将磁铁侧壁打磨光滑,否则定位台的行程可能受到影响。
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PCB中的Connector通过M2螺丝安装在XYTable_X中,G连接压电陶瓷的负极,X/Y连接压电陶瓷的正极。对于Y轴压电陶瓷的走线已预留槽位,可使用漆包线连接至此PCB。
对于PCB电源跳线帽部分的连接,其顺序为(对于三脚,不连则为选择中间,连接中间与另外一端则为选择另外一端):
SYNC/FREQ: 2.4M
SEQ: SEQ.
SLEW: NORM.
EN1:ON
EN2:OFF
SS: 连接
V_EN: 连接
COMP1: GND
COMP2: GND
SYN1、SYN2连接至GPIO17、20,SDI2、SCK2连接至SPI0的数据输出、时钟引脚。
使用5V Type-C口电源连接至Power_IN端。
使用SMA-IPEX连接线,将DAC0、DAC1与定位台中的Connector PCB连接。
将PICO2连接至PC,此时PICO2将在PC处初始化两个虚拟串口。
使用RS422转USB连接Micro-Epsilon共聚焦位移传感器与PC,在Micro-Epsilon的设置中,需要设置仅输出Distance1。
运行gui.py启动上位机。
上位机包含四个选项卡:Serial Ports, DAC Manual Control, Sawtooth Control, Scan。
在Serial Ports中,moving table port连接PICO2的虚拟串口,连接数字较大的一个。(如,PICO2提供了COM12和COM13,连接COM13)。confocal port连接RS422转USB。
在DAC Manual Control中,可以对DAC0/1的输出电压控制。如果需要控制DAC3,可以将SYN3连接至GPIO21。
在Sawtooth Control中,可以控制DAC0/1发送锯齿波。以下是参数解释:
Sawtooth Steps:锯齿波数量。
Increment:电压每步增量,单位:V。
Maximum Voltage:锯齿波电压峰值。
Bias Voltage:锯齿波初始电压。
Channel Select:输出端口选择,X channel则为DAC0,Y Channel则为DAC1。
在参数修改后,需要点击Sync Settings进行参数同步。
点击Send Positive Sawtooth则会发送正锯齿波,Send Negative Sawtooth则会发送负锯齿波。
在Scan中,可以对样品轮廓进行扫描。
X Forward Steps:扫描过程中,X定位台的单步前进的锯齿波数。
X Backward Steps:扫描过程中,X定位台的单步后退锯齿波数。
Y Forward Steps:扫描过程中,Y定位台的单步前进锯齿波数。
Y Backward Steps:暂时不使用
Image Size X:图像X尺寸
Image Size Y:图像Y尺寸
Increment:暂时不使用
点击Start Monitor后,共聚焦传感器的位移值将实时显示在图像框的上方。将各参数值设置好后,点击Scan开始扫描。
需要注意的是,考虑到定位台的正向位移和反向位移可能不一致,可以设置不同的X Forward/Backward Steps值。当你观察到图像不对劲时,可以尝试保持Forward值,然后增加或减少Backward值直到图像正常。
在完成扫描后,图像将被显示在图像框中,点击Save Image即可对图像进行保存。图像将被保存为两张,其中带_scaled后缀的图像的灰度值将被映射至0~255以便浏览。
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