RU2764379C1 - Scanning probe microscope and controller of the scanning probe microscope - Google Patents

Scanning probe microscope and controller of the scanning probe microscope Download PDF

Info

Publication number
RU2764379C1
RU2764379C1 RU2021119987A RU2021119987A RU2764379C1 RU 2764379 C1 RU2764379 C1 RU 2764379C1 RU 2021119987 A RU2021119987 A RU 2021119987A RU 2021119987 A RU2021119987 A RU 2021119987A RU 2764379 C1 RU2764379 C1 RU 2764379C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signals
signal
controller
board
signal processor
Prior art date
Application number
RU2021119987A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Александрович Быков
Андрей Викторович Быков
Владимир Валерьевич Котов
Вячеслав Викторович Поляков
Станислав Леесмент
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "НТ-МДТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "НТ-МДТ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "НТ-МДТ"
Priority to RU2021119987A priority Critical patent/RU2764379C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2764379C1 publication Critical patent/RU2764379C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: group of inventions relates to scanning probe microscopy. The scanning probe microscope includes a vibrating probe sensor, a vertical drive for reciprocal movement of the sensor and the sample perpendicular to the scanning plane, a measuring transmitter of signals from the vibrating probe sensor, containing a controller including at least one feedback circuit including a digital signal processor connecting the output of the measuring transmitter of signals from the vibrating probe with the vertical drive, a programmable gate array programmed to execute direct digital synthesis of a variable signal, a USB unit for communication with a computer, means for processing the signal from the measuring transmitter of signals from the vibrating probe sensor using at least one dual phase synchronous mixer and low-pass filters. A galvanic separation unit is introduced before the USB unit. At least one dual analogue phase synchronous mixer is installed on the board of the digital signal processor and is configured to supply an output signal first to a third-order analogue filter, then to a multiplexer, then to a digital signal processor for digital filtering.
EFFECT: creation of a functional scanning probe microscope.
8 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии, к устройствам, обеспечивающим управление сканирующими зондовыми микроскопами. Группа изобретений может быть использована для сканирования поверхности образца с целью определения рельефа его поверхности, определения размеров характерных особенностей на его поверхности и пр.The invention relates to scanning probe microscopy, to devices that provide control of scanning probe microscopes. The group of inventions can be used to scan the surface of a sample in order to determine the topography of its surface, to determine the dimensions of characteristic features on its surface, etc.

Известен сканирующий зондовый микроскоп, включающий вибрационный зондовый датчик, вертикальный привод для взаимного перемещения датчика и образца перпендикулярно плоскости сканирования, измерительный преобразователь сигналов от вибрационного зондового датчика, содержащий блок управления, включающий по меньшей мере одну цепь обратной связи, включающую цифровой процессор сигналов, связывающий выход измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика и вертикальный привод, программируемую вентильную матрицу, запрограммированную для выполнения прямого цифрового синтеза переменного сигнала, блок USB для связи с компьютером, средства обработки сигнала от измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика с использованием сдвоенного фазового синхронного смесителя, сигнала и низкочастотных фильтров, причем перед блоком USB вставлен блок гальванической развязки (RU 2428700 C2). Данный сканирующий зондовый микроскоп обладает достаточно широкими функциональными возможностями. Недостатком является достаточно высокий уровень шумов.Known scanning probe microscope, including a vibration probe sensor, a vertical drive for the mutual movement of the sensor and the sample perpendicular to the scanning plane, a measuring converter of signals from a vibration probe sensor, containing a control unit that includes at least one feedback circuit, including a digital signal processor that connects the output a vibration probe signal transducer and a vertical drive, a programmable gate array programmed to perform direct digital synthesis of an alternating signal, a USB block for communication with a computer, means for processing a signal from a vibration probe signal transducer using a dual phase synchronous mixer, a signal and low-frequency filters, and a galvanic isolation unit (RU 2428700 C2) is inserted in front of the USB unit. This scanning probe microscope has a fairly broad functionality. The disadvantage is a rather high level of noise.

Известно применение при обработке изображений в микроскопии низкочастотной фильтрации (RU 2296387 C1), аналоговых и цифровых фильтров (CN 102833462 B).Known application in image processing in microscopy low-pass filtering (RU 2296387 C1), analog and digital filters (CN 102833462 B).

Технической проблемой является уровень шумов, вышеуказанные устройства не устраняют данной проблемы.The technical problem is the level of noise, the above devices do not eliminate this problem.

Устройство по RU 2428700 C2 можно принять в качестве ближайшего аналога.The device according to RU 2428700 C2 can be taken as the closest analogue.

Предлагается контроллер сканирующего зондового микроскопа, включающий по меньшей мере одну цепь обратной связи, включающую цифровой процессор сигналов, связывающий выход измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика и вертикальный привод, программируемую вентильную матрицу, запрограммированную для выполнения прямого цифрового синтеза переменного сигнала, блок USB для связи с компьютером, средства обработки сигнала от измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика с использованием сдвоенного фазового синхронного смесителя, сигнала и низкочастотных фильтров, причем перед блоком USB вставлен блок гальванической развязки. Сдвоенный аналоговый фазовый синхронный смеситель установлен на плате цифрового сигнального процессора и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала вначале на аналоговый фильтр третьего порядка, затем на мультиплексор, затем на цифровой сигнальный процессор для цифровой фильтрации.A scanning probe microscope controller is proposed, including at least one feedback circuit, including a digital signal processor, connecting the output of a measuring transducer of signals from a vibration probe sensor and a vertical drive, a programmable gate array programmed to perform direct digital synthesis of an alternating signal, a USB block for communication with a computer, means for processing a signal from a measuring converter of signals from a vibration probe sensor using a dual phase synchronous mixer, a signal and low-frequency filters, and a galvanic isolation unit is inserted in front of the USB block. A dual analog phase synchronous mixer is mounted on a digital signal processor board and is configured to feed the output signal first to a third-order analog filter, then to a multiplexer, then to a digital signal processor for digital filtering.

Соответственно, данный контроллер предназначен для использования в сканирующем зондовом микроскопе.Accordingly, this controller is intended for use in a scanning probe microscope.

Таким образом, также предлагается сканирующий зондовый микроскоп, включающий вибрационный зондовый датчик, вертикальный привод для взаимного перемещения датчика и образца перпендикулярно плоскости сканирования, измерительный преобразователь сигналов от вибрационного зондового датчика, содержащий блок управления, включающий по меньшей мере одну цепь обратной связи, включающую цифровой процессор сигналов, связывающий выход измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика и вертикальный привод, программируемую вентильную матрицу, запрограммированную для выполнения прямого цифрового синтеза переменного сигнала, блок USB для связи с компьютером, средства обработки сигнала от измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика с использованием сдвоенного фазового синхронного смесителя, сигнала и низкочастотных фильтров, причем перед блоком USB вставлен блок гальванической развязки. Сдвоенный аналоговый фазовый синхронный смеситель установлен на плате цифрового сигнального процессора и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала вначале на аналоговый фильтр третьего порядка, затем на мультиплексор, затем на цифровой сигнальный процессор для цифровой фильтрации.Thus, a scanning probe microscope is also proposed, including a vibration probe sensor, a vertical drive for mutual movement of the sensor and the sample perpendicular to the scanning plane, a measuring converter of signals from the vibration probe sensor, containing a control unit, including at least one feedback circuit, including a digital processor signal converter, connecting the output of the measuring signal converter from the vibration probe sensor and the vertical drive, a programmable gate array programmed to perform direct digital synthesis of an alternating signal, a USB block for communication with a computer, means for processing the signal from the measuring signal converter from the vibration probe sensor using a dual phase synchronous mixer, signal and low-pass filters, with a galvanic isolation block inserted in front of the USB block. The dual analog phase synchronous mixer is installed on the digital signal processor board and is configured to feed the output signal first to the third order analog filter, then to the multiplexer, then to the digital signal processor for digital filtering.

Техническим результатом является уменьшение уровня шумов.The technical result is to reduce the noise level.

Технический результат обеспечивается за счет последовательной обработки сигнала определенным образом. Сдвоенный аналоговый фазовый синхронный смеситель установлен на плате цифрового сигнального процессора и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала вначале на аналоговый фильтр третьего порядка, затем на мультиплексор, затем на цифровой сигнальный процессор для цифровой фильтрации.The technical result is achieved by sequential signal processing in a certain way. The dual analog phase synchronous mixer is installed on the digital signal processor board and is configured to feed the output signal first to the third order analog filter, then to the multiplexer, then to the digital signal processor for digital filtering.

Контроллер сканирующего зондового микроскопа предназначен для обеспечения работы сканирующего зондового микроскопа: организации сканирования, обратных связей, управления параметрами, регистрации сигналов, в том числе сигналов от зондового датчика, а также для связи с рабочей станцией (компьютером).The controller of a scanning probe microscope is designed to ensure the operation of a scanning probe microscope: organization of scanning, feedback, control of parameters, registration of signals, including signals from a probe sensor, and also for communication with a workstation (computer).

Контроллер сканирующего зондового микроскопа выполняет следующие функции: преобразует управляющие сигналы, поступающие из программы управления, формирует сигналы для сканера, шаговых двигателей, измерительных головок и термостолика, обрабатывает сигналы с измерительных головок.The controller of a scanning probe microscope performs the following functions: converts control signals coming from the control program, generates signals for the scanner, stepper motors, measuring heads and thermal stage, and processes signals from measuring heads.

Контроллер предназначен для обеспечения работы сканирующих зондовых микроскопов различных конфигураций в различных режимах (сканирующий зондовый микроскоп в конфигурации для сканирования зондом, для сканирования образцом), способен поддерживать работу с различными измерительными головками, предназначенными для работы с зондовыми датчиками различных типов: зондовыми датчиками кантилеверного типа, вибрационными зондовыми датчиками, зондовыми датчиками на основе оптоволокна для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии и т.д. (указанные части - измерительные головки, зондовые датчики - в состав контроллера сканирпующего зондового микроскопа не входят).The controller is designed to ensure the operation of scanning probe microscopes of various configurations in various modes (scanning probe microscope in the configuration for scanning with a probe, for scanning with a sample), capable of supporting work with various measuring heads designed to work with various types of probe probes: vibration probes, optical fiber probes for scanning near-field optical microscopy, etc. (the indicated parts - measuring heads, probe sensors - are not included in the controller of the scanning probe microscope).

Важнейшими параметрами контроллера сканирующего зондового микроскопа являются количество регистрируемых сигналов, их частотные характеристики, выходные сигналы и их характеристики, быстродействие, тип и характеристики цепей обратной связи (связей), возможности внутренней коммутации, возможности внутренней аналоговой (усиление, фильтрация) и цифровой обработки сигналов.The most important parameters of a scanning probe microscope controller are the number of recorded signals, their frequency characteristics, output signals and their characteristics, speed, type and characteristics of feedback circuits (connections), internal switching capabilities, internal analog (amplification, filtering) and digital signal processing capabilities.

Ниже приводится вариант выполнения устройств группы изобретений (один из возможных вариантов, устройства могут выполнены и по-другому, с наличием всех элементов, указанных в формуле изобретения, с достижением технического результата).Below is an embodiment of the devices of the group of inventions (one of the possible options, the devices can be made in a different way, with the presence of all the elements indicated in the claims, with the achievement of a technical result).

Контроллер имеет модульную конструкцию. В стандартную комплектацию входят кросс-плата с установленными на ней: блоком питания, платой AFM и платой высоковольтных усилителей. Кроме того, на кросс-плате имеется 6 слотов (4 больших и 2 маленьких), в которые могут устанавливаться платы расширения. При установке дополнительных плат в маленькие слоты, следует иметь ввиду, что на них не подаются аналоговые сигналы, а также есть ограничения и по цифровым сигналам.The controller has a modular design. The standard package includes a backplane with the following installed on it: a power supply, an AFM board and a high-voltage amplifier board. In addition, the backplane has 6 slots (4 large and 2 small) that can accommodate expansion boards. When installing additional cards in small slots, keep in mind that they do not receive analog signals, and there are also restrictions on digital signals.

Для обработки сигналов на плате AFM установлен цифровой сигнальный процессор с плавающей запятой, работающий на частоте 320 МГц (Floating point DSP 320 MHz).For signal processing, the AFM board has a floating point digital signal processor operating at a frequency of 320 MHz (Floating point DSP 320 MHz).

Для обмена данными между сигнальным процессором и его периферией, обмена данными с USB, генерации сигналов, управления АЦП, на плате AFM установлена программируемая вентильная матрица.For data exchange between the signal processor and its periphery, data exchange with USB, signal generation, ADC control, a programmable gate array is installed on the AFM board.

Способом обработки сигналов от измерительной головки является их синхронное детектирование. Плата AFM для этого содержит синхронный детектор. Синхронный детектор состоит из пары фазовых синхронных смесителей (умножителей сигнала на входе синхронного детектора на соответствующие опорные сигналы Sin и Cos) и системы низкочастотной фильтрации. Каждый умножитель выполнен на базе микросхемы AD734 производства Analog Devices, является аналоговым и конструктивно распаян на плате AFM наряду с другими компонентами, при этом автономное либо развязанное питание микросхем AD734 не предусмотрено. Далее, в виде проекций MSin и MCos, через фильтр низких частот (20 кГц), сигнал подается на мультиплексор перед АЦП.The method of processing signals from the measuring head is their synchronous detection. The AFM board contains a synchronous detector for this. The synchronous detector consists of a pair of phase synchronous mixers (multipliers of the signal at the input of the synchronous detector by the corresponding reference signals Sin and Cos) and a low-pass filtering system. Each multiplier is based on the AD734 microcircuit manufactured by Analog Devices, is analog and is structurally soldered on the AFM board along with other components, while the autonomous or decoupled power supply of the AD734 microcircuits is not provided. Further, in the form of MSin and MCos projections, through a low-pass filter (20 kHz), the signal is fed to the multiplexer before the ADC.

Фильтрация низких частот является многоступенчатой. Низкочастотная фильтрация выходного сигнала смесителей осуществляется аналоговым фильтром третьего порядка. После мультиплексора и оцифровки АЦП, сигнал дополнительно фильтруется цифровым образом. Цифровая часть фильтрации осуществляется в цифровом сигнальном процессоре.The low pass filtering is multi-stage. Low-frequency filtering of the output signal of the mixers is carried out by a third-order analog filter. After the multiplexer and ADC digitization, the signal is additionally filtered digitally. The digital part of the filtering is carried out in a digital signal processor.

Контроллер посредством кабельных соединений подключается к компьютеру и измерительному блоку.The controller is connected via cable connections to the computer and the measuring unit.

Измерительный блок может комплектоваться различными дополнительными устройствами. При работе с некоторыми из них, например, такими как термостолик или наносклерометрическая головка, контроллер комплектуется дополнительными платами расширения, при этом меняется схема подключения.The measuring unit can be equipped with various additional devices. When working with some of them, for example, such as a thermal table or a nanosclerometric head, the controller is equipped with additional expansion boards, and the connection diagram changes.

Для проведения измерений с нагревом образца в измерительный блок на держателе образца устанавливается термостолик.To carry out measurements with sample heating, a thermal stage is installed in the measuring unit on the sample holder.

Аналоговые сигналы, предназначенные для передачи с платы высоковольтных усилителей на плату AFM:Analog signals intended for transmission from the high-voltage amplifier board to the AFM board:

- HV_X (нормированный);- HV_X (normalized);

- HV_Y (нормированный);- HV_Y (normalized);

- HV_Z (нормированный);- HV_Z (normalized);

- X sensor;- X sensor;

- Y sensor;-Y sensor;

- Z sensor;-Z sensor;

- Res2;- Res2;

- Res4.- Res4.

- Аналоговые сигналы, предназначенные для передачи с платы AFM на плату- Analog signals intended for transfer from AFM board to board

высоковольтных усилителей:high voltage amplifiers:

- Output X;- Out X;

- Output Y;- Output Y;

- Output Z;- Out Z;

- Ex6;-Ex6;

- Sample.- sample.

В контроллере может быть установлена, например, плата AFM 9.0 (фиг.1).The controller can be installed, for example, board AFM 9.0 (figure 1).

Сигналы A-C, B-D (выходы с четырехсекционного фотодиода) преобразуются в сигналы DFL = (A-С) - (B-D) и LF = (A-С) + (B-D). Первоначальные сигналы A-С и B-D более не используются.Signals A-C, B-D (outputs from a four-section photodiode) are converted into signals DFL = (A-C) - (B-D) and LF = (A-C) + (B-D). The original signals A-C and B-D are no longer used.

Сигналы HV_X, HV_Y, HV_Z (нормированные), Gnd (земля прибора), Laser, Ex2, Ex3, Res1, Res2, Res3, Res4 идут напрямую на вход мультиплексора перед АЦП и доступны для измерения (оцифровки).Signals HV_X, HV_Y, HV_Z (normalized), Gnd (device ground), Laser, Ex2, Ex3, Res1, Res2, Res3, Res4 go directly to the input of the multiplexer before the ADC and are available for measurement (digitization).

Сигналы X sensor, Y sensor, Z sensor смешиваются с сигналами с программируемых ЦАПов смещения (Bias) и идут на вход мультиплексора перед АЦП через программируемый усилитель с коэффициентами усиления ×1, 10, 100, 1000.X sensor, Y sensor, Z sensor signals are mixed with signals from programmable bias DACs (Bias) and go to the input of the multiplexer before the ADC through a programmable amplifier with gains ×1, 10, 100, 1000.

Сигналы DFL и LF смешиваются с сигналами с программируемых ЦАПов смещения (Bias) и идут на вход мультиплексора перед АЦП через программируемый усилитель с коэффициентами усиления ×1, 10, 100, 1000. Кроме этого, эти сигналы, до смещения и усиления, идут на фильтры высоких частот (170 Гц) и усилители с коэффициентами усиления ×1, 10 и далее на матрицу переменных сигналов (входа синхронного детектора).DFL and LF signals are mixed with signals from programmable bias DACs (Bias) and go to the input of the multiplexer before the ADC through a programmable amplifier with gains ×1, 10, 100, 1000. In addition, these signals, before bias and gain, go to filters high frequencies (170 Hz) and amplifiers with gains ×1, 10 and further to the matrix of variable signals (synchronous detector input).

Сигнал EX1 идет напрямую на вход мультиплексора перед АЦП и доступен для измерения (оцифровки). Кроме этого, этот сигнал идет на фильтр высоких частот (170 Гц) и усилитель с коэффициентами усиления ×1, 10 и далее на матрицу переменных сигналов (входа синхронного детектора).The EX1 signal goes directly to the input of the multiplexer before the ADC and is available for measurement (digitization). In addition, this signal goes to a high-pass filter (170 Hz) and an amplifier with a gain of ×1, 10, and then to a matrix of variable signals (synchronous detector input).

Сигнал STM идет на вход мультиплексора перед АЦП с усилением ×10 и доступен для измерения (оцифровки). Кроме этого, этот сигнал, до усиления, идет на фильтр высоких частот (170 Гц) и с коэффициентами усиления ×1, 10 и далее на матрицу переменных сигналов (входа синхронного детектора).The STM signal goes to the input of the multiplexer before the ADC with a gain of ×10 and is available for measurement (digitization). In addition, this signal, before amplification, goes to a high-pass filter (170 Hz) and with gains ×1, 10, and then to a matrix of variable signals (synchronous detector input).

Выходы с матрицы переменных сигналов идут на синхронный детектор.The outputs from the matrix of variable signals go to the synchronous detector.

Синхронный детектор состоит из пары фазовых синхронных смесителей (умножителей сигнала на входе синхронного детектора на соответствующие опорные сигналы Sin и Cos) и системы низкочастотной фильтрации. Каждый умножитель выполнен на базе микросхемы AD734 производства Analog Devices, является аналоговым и конструктивно распаян на плате AFM 9.0 наряду с другими компонентами, при этом автономное либо развязанное питание микросхем AD734 не предусмотрено. Далее, в виде проекций MSin и MCos, через фильтр низких частот (20 кГц), сигнал подается на мультиплексор перед АЦП. Фильтрация низких частот является многоступенчатой. Низкочастотная фильтрация выходного сигнала смесителей осуществляется аналоговым фильтром третьего порядка. После мультиплексора и оцифровки АЦП, сигнал дополнительно фильтруется цифровым образом. Цифровая часть фильтрации осуществляется в цифровом сигнальном процессоре.The synchronous detector consists of a pair of phase synchronous mixers (multipliers of the signal at the input of the synchronous detector by the corresponding reference signals Sin and Cos) and a low-pass filtering system. Each multiplier is based on the AD734 microcircuit manufactured by Analog Devices, is analog and is structurally soldered on the AFM 9.0 board along with other components, while the autonomous or decoupled power supply of the AD734 microcircuits is not provided. Further, in the form of MSin and MCos projections, through a low-pass filter (20 kHz), the signal is fed to the multiplexer before the ADC. The low pass filtering is multi-stage. Low-frequency filtering of the output signal of the mixers is carried out by a third-order analog filter. After the multiplexer and ADC digitization, the signal is additionally filtered digitally. The digital part of the filtering is carried out in a digital signal processor.

Все генераторы, имеющиеся на плате AFM, устроены аналогичным образом.All generators available on the AFM board are arranged in a similar way.

Выходной сигнал генератора, используемый затем для подачи на зондовый датчик, образец, для раскачки зондового датчика либо как опорный сигнал для синхронного детектора, берется с выхода ЦАП, цифровой входной сигнал которого формируется в вентильной матрице (FPGA).The output signal of the generator, which is then used to feed the probe, the sample, to drive the probe, or as a reference signal for the synchronous detector, is taken from the output of the DAC, the digital input signal of which is formed in the gate array (FPGA).

После матрицы переменных сигналов также стоят фильтры высоких частот.After the matrix of variable signals, there are also high-pass filters.

На вход матрицы переменных сигналов перед синхронным детектором после усилителей с коэффициентами усиления ×1, 10 приходят также сигналы с генераторов Gen1 и Mod (одинаковые по характеристикам).At the input of the matrix of variable signals in front of the synchronous detector, after amplifiers with gains ×1, 10, signals from generators Gen1 and Mod (the same in characteristics) also come.

Выходы матрицы переменных сигналов (кроме идущих на синхронный детектор): Ut_mod, Ceram (Probe), EXT6. Два последних сигнала идут сразу на выходной разъем, а сигнал Ut_mod смешивается с выходом ЦАП BV.Outputs of the matrix of variable signals (except for those going to the synchronous detector): Ut_mod, Ceram (Probe), EXT6. The last two signals go directly to the output connector, and the Ut_mod signal is mixed with the BV DAC output.

Результирующий сигнал BV через систему реле выходит на внешние разъемы -+AMP и Sample. Реле независимы, и сигнал BV можно подавать на один из этих выходов, либо сразу на оба. Выход Sample может также быть соединен с внешним входом Ex5, при этом выход +AMP может быть либо заземлен, либо на него подан сигнал BV.The resulting BV signal goes through the relay system to the external connectors -+AMP and Sample. The relays are independent, and the BV signal can be applied to one of these outputs, or both at once. The Sample output can also be connected to an external Ex5 input, with the +AMP output either grounded or BV signaled.

ЦАП сигнала BV представляет собой систему трех ЦАПов - Value BV, Scale BV и Offset BV.The signal DAC BV is a system of three DACs - Value BV, Scale BV and Offset BV.

16-разрядный АЦП с частотой 500 кГц измеряет приходящие на него сигналы в порядке, задаваемым матрицей из файла BrdSignals.ini. Увеличенная частота измерения сигнала означает увеличение точности его измерения - виртуальное(используемые для вычисления сигналов Mag и Phase), SensorX, SensorY (используемые для работы в режиме с замкнутыми цепями обратной связи, управляющими перемещениями сканера по осям X, Y (режим Close Loop)) и сигнал SensorZ (используемый для вычисления сигнала SensorHeight) измеряются с наибольшим приоритетом.A 16-bit ADC with a frequency of 500 kHz measures the signals coming to it in the order specified by the matrix from the BrdSignals.ini file. An increased signal measurement frequency means an increase in the accuracy of its measurement - virtual (used to calculate the Mag and Phase signals), SensorX, SensorY (used to work in the mode with closed feedback loops that control the scanner movements along the X, Y axes (Close Loop mode)) and the SensorZ signal (used to calculate the SensorHeight signal) are measured with the highest priority.

С платы AFM имеются два аналоговых выхода на задней стенке (гнезда BNC).The AFM board has two analog outputs on the back (BNC sockets).

Гнездо OUT AC может использоваться для вывода (наблюдения при помощи внешнего осциллографа) переменных сигналов, а именно - сигналов, приходящих на вход матрицы переменных сигналов, т.е. DFL, LF, STM, EX1, а также сигналы с генераторов Gen1 и Mod. На этом выходе только переменные составляющие этих сигналов. Частота среза фильтра высоких частот 170 Гц.The OUT AC jack can be used to output (observe with an external oscilloscope) variable signals, namely, signals coming to the input of the variable signal matrix, i.e. DFL, LF, STM, EX1, as well as signals from generators Gen1 and Mod. At this output, only the variable components of these signals. The cutoff frequency of the high-pass filter is 170 Hz.

На гнездо OUT DC можно вывести из DSP через ЦАП OSC_DAC (16 бит) постоянные (низкочастотные) сигналы. Частоты этих сигналов до 16 кГц.The OUT DC jack can output constant (low frequency) signals from the DSP via the OSC_DAC (16-bit) DAC. The frequencies of these signals are up to 16 kHz.

На 50-ти контактные разъемы выводится сигнал с ResDAC (16 бит) из DSP.The 50-pin connectors output the ResDAC signal (16 bits) from the DSP.

Также до 16 кГц.Also up to 16 kHz.

Для формирования сигналов управления сканером используются четыре ЦАПа на каждый канал (X,Y,Z). Сигналы с ЦАПов Value и Gen смешиваются и подаются на усилитель Scale, и затем к ним примешивается сигнал Offset.To generate scanner control signals, four DACs are used for each channel (X, Y, Z). The signals from the Value and Gen DACs are mixed and fed to the Scale amplifier, and then the Offset signal is added to them.

Результирующие сигналы Output X, Output Y, Output Z идут по шинам кросс-платы на плату высоковольтных усилителей. Усилители HV amp и LV amp находятся на плате высоковольтных усилителей.The resulting signals Output X, Output Y, Output Z go through the backplane buses to the high-voltage amplifier board. The HV amp and LV amp amplifiers are on the high voltage amplifier board.

Модификация платы AFM может включать второй фазовый синхронный смеситель, что обеспечивает более эффективную работу контроллера, более низкий уровень шумов.Modification of the AFM board can include a second phase synchronous mixer, which ensures more efficient operation of the controller, lower noise level.

Плата высоковольтных усилителей предназначена для усиления сигналов управления сканером до значений, необходимых для подачи на пьезокерамику, для обработки сигналов с датчиков перемещения и для управления одним шаговым двигателем.The board of high-voltage amplifiers is designed to amplify the scanner control signals to the values required for supply to piezoceramics, to process signals from displacement sensors and to control one stepper motor.

Плата высоковольтных усилителей может быть выполнена, например, следующим образом.The board of high-voltage amplifiers can be made, for example, as follows.

На задней стенке платы находятся два разъема.There are two connectors on the back of the board.

Сигналы Output X, Output Y, Output Z, поступившие на плату высоковольтных усилителей через кросс-плату, попадают на систему усилителей.Signals Output X, Output Y, Output Z, received on the board of high-voltage amplifiers through the backplane, get to the amplifier system.

Сигналы Output X, Output Y могут быть преобразованы в сигналы X+, X- (Y+, Y-) напряжением ± 150 В каждый (полоса 4 кГц) или в сигналы LV_X+, LV_X- (LV_Y+, LV_Y-) напряжением ± 5 В каждый (полоса 10 кГц). Переключение сигналов осуществляется программируемым реле, сигналы выходят на те же контакты в разъемах.Output X, Output Y signals can be converted to X+, X- (Y+, Y-) signals of ±150 V each (4 kHz bandwidth) or to LV_X+, LV_X- (LV_Y+, LV_Y-) signals of ±5 V each ( bandwidth 10 kHz). The switching of signals is carried out by a programmable relay, the signals go to the same contacts in the connectors.

Сигнал Output Z преобразовывается в сигналы Z+ и Z- напряжением ± 150 В, полосой 12 кГц каждый. Реле в данном случае отключает один из каналов - Z-.The Output Z signal is converted into Z+ and Z- signals with a voltage of ± 150 V, each with a bandwidth of 12 kHz. The relay in this case disables one of the channels - Z-.

На плате также размещены три блока обработки сигналов датчиков перемещения и два ЦАПа, обеспечивающие работу одного шагового двигателя.The board also contains three blocks for processing signals from displacement sensors and two DACs that provide the operation of one stepper motor.

Блок питания контроллера подключается к внешней сети электропитания стандартным кабелем. Напряжение внешней сети 110/220 В, 50/60 Гц. В зависимости от напряжения внешней сети необходимо установить переключатель на задней стенке контроллера рядом с разъемом питания в нужное положение. Переключатель действует только на напряжение, которое подается на трансформаторы платы высоковольтных усилителей.The power supply unit of the controller is connected to the external power supply network with a standard cable. External network voltage 110/220 V, 50/60 Hz. Depending on the voltage of the external network, it is necessary to set the switch on the back of the controller near the power connector to the desired position. The switch only affects the voltage that is supplied to the transformers of the high voltage amplifier board.

Блок питания обеспечивает контроллер необходимыми напряжениями для питания электронных компонентов +/-15 В и +5 В. Другие напряжения вырабатываются уже на кросс-плате. Все напряжения, включая напряжения для платы HV, идут на кросс-плату.The power supply provides the controller with the necessary voltages to power the electronic components +/-15 V and +5 V. Other voltages are already generated on the backplane. All voltages, including those for the HV board, go to the backplane.

Заземление обеспечивается через земляной контакт разъема питания, а также специальным зажимом заземления на задней крышке контроллера. Оба заземления равнозначны.Grounding is provided through the ground contact of the power connector, as well as a special grounding clamp on the rear cover of the controller. Both grounds are equivalent.

В качестве одного из возможных вариантов контроллер может иметь следующие параметры:As one of the possible options, the controller can have the following parameters:

габаритные размеры, мм 160×445×500,overall dimensions, mm 160×445×500,

вес, кг 12,0,weight, kg 12.0,

напряжение питания, В 90÷240 (+10 %/-15 %), 50/60 Гц,supply voltage, V 90÷240 (+10%/-15%), 50/60 Hz,

потребляемая мощность (без дополнительных блоков питания), не более, Вт 80,power consumption (without additional power supplies), not more than, W 80,

интерфейс USB 2.0 Full speed.USB 2.0 interface Full speed.

Применение данного контроллера в сканирующем зондовом микроскопе обеспечивает точность измерений, снижение уровня шумов, что, в свою очередь, способствует расширению функциональных возможностей при проведении сканирующей зондовой микроскопии, обеспечение изучения как твердых, так и мягких объектов.The use of this controller in a scanning probe microscope provides measurement accuracy, noise reduction, which, in turn, enhances the functionality of scanning probe microscopy, ensuring the study of both hard and soft objects.

Claims (8)

1. Сканирующий зондовый микроскоп, включающий вибрационный зондовый датчик, вертикальный привод для взаимного перемещения датчика и образца перпендикулярно плоскости сканирования, измерительный преобразователь сигналов от вибрационного зондового датчика, содержащий контроллер, включающий по меньшей мере одну цепь обратной связи, включающую цифровой процессор сигналов, связывающий выход измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика и вертикальный привод, программируемую вентильную матрицу, запрограммированную для выполнения прямого цифрового синтеза переменного сигнала, блок USB для связи с компьютером, средства обработки сигнала от измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика с использованием по меньшей мере одного сдвоенного фазового синхронного смесителя и низкочастотных фильтров, причём перед блоком USB вставлен блок гальванической развязки, отличающийся тем, что по меньшей мере один сдвоенный аналоговый фазовый синхронный смеситель установлен на плате цифрового сигнального процессора и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала вначале на аналоговый фильтр третьего порядка, затем на мультиплексор, затем на цифровой сигнальный процессор для цифровой фильтрации. 1. A scanning probe microscope, including a vibration probe sensor, a vertical drive for mutual movement of the sensor and the sample perpendicular to the scanning plane, a measuring converter of signals from the vibration probe sensor, containing a controller that includes at least one feedback circuit, including a digital signal processor that connects the output a vibration probe signal transducer and a vertical drive, a programmable gate array programmed to perform direct digital synthesis of an alternating signal, a USB block for communication with a computer, means for processing a signal from a vibration probe signal transducer using at least one dual phase synchronous mixer and low-frequency filters, and before the USB block, a galvanic isolation block is inserted, characterized in that at least one dual analog phase synchronous with The mixer is installed on the digital signal processor board and is configured to supply the output signal first to the third-order analog filter, then to the multiplexer, then to the digital signal processor for digital filtering. 2. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что контроллер микроскопа имеет модульную конструкцию. 2. Scanning probe microscope according to claim 1, characterized in that the microscope controller has a modular design. 3. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что контроллер микроскопа включает кросс-плату и установленные на ней блок питания, плату AFM и плату высоковольтных усилителей.3. Scanning probe microscope according to claim 1, characterized in that the microscope controller includes a cross-board and a power supply unit installed on it, an AFM board and a high-voltage amplifier board. 4. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что контроллер микроскопа дополнительно включает второй сдвоенный фазовый синхронный смеситель. 4. Scanning probe microscope according to claim 1, characterized in that the microscope controller further includes a second dual phase synchronous mixer. 5. Контроллер сканирующего зондового микроскопа, включающий по меньшей мере одну цепь обратной связи, включающую цифровой процессор сигналов, связывающий выход измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика и вертикальный привод, программируемую вентильную матрицу, запрограммированную для выполнения прямого цифрового синтеза переменного сигнала, блок USB для связи с компьютером, средства обработки сигнала от измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика с использованием по меньшей мере одного сдвоенного фазового синхронного смесителя и низкочастотных фильтров, причём перед блоком USB вставлен блок гальванической развязки, отличающийся тем, что по меньшей мере один сдвоенный аналоговый фазовый синхронный смеситель установлен на плате цифрового сигнального процессора и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала вначале на аналоговый фильтр третьего порядка, затем на мультиплексор, затем на цифровой сигнальный процессор для цифровой фильтрации. 5. A scanning probe microscope controller, including at least one feedback circuit, including a digital signal processor, connecting the output of the measuring signal converter from the vibration probe sensor and a vertical drive, a programmable gate array programmed to perform direct digital synthesis of an alternating signal, a USB block for communication with a computer, means for processing a signal from a measuring converter of signals from a vibration probe sensor using at least one dual phase synchronous mixer and low-frequency filters, and a galvanic isolation unit is inserted in front of the USB unit, characterized in that at least one dual analog phase synchronous the mixer is installed on the digital signal processor board and is configured to supply the output signal first to the third-order analog filter, then to the multiplexer, then to the digital signal processor for chi frovoy filtration. 6. Контроллер по п.5, отличающийся тем, что имеет модульную конструкцию. 6. The controller according to claim 5, characterized in that it has a modular design. 7. Контроллер по п.5, включающий кросс-плату и установленные на ней блок питания, плату AFM и плату высоковольтных усилителей.7. The controller according to claim 5, including a backplane and a power supply, an AFM board and a high-voltage amplifier board installed on it. 8. Контроллер по п.5, дополнительно включающий второй сдвоенный фазовый синхронный смеситель.8. The controller of claim 5, further including a second dual phase synchronous mixer.
RU2021119987A 2021-07-07 2021-07-07 Scanning probe microscope and controller of the scanning probe microscope RU2764379C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119987A RU2764379C1 (en) 2021-07-07 2021-07-07 Scanning probe microscope and controller of the scanning probe microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119987A RU2764379C1 (en) 2021-07-07 2021-07-07 Scanning probe microscope and controller of the scanning probe microscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2764379C1 true RU2764379C1 (en) 2022-01-17

Family

ID=80040393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021119987A RU2764379C1 (en) 2021-07-07 2021-07-07 Scanning probe microscope and controller of the scanning probe microscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2764379C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7441447B2 (en) * 2005-10-07 2008-10-28 Georgia Tech Research Corporation Methods of imaging in probe microscopy
US7574327B2 (en) * 2006-12-12 2009-08-11 Sc Solutions All-digital cantilever controller
CN105807792A (en) * 2016-03-09 2016-07-27 西安交通大学 On-chip controller of scanning ion conductance microscope and control method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7441447B2 (en) * 2005-10-07 2008-10-28 Georgia Tech Research Corporation Methods of imaging in probe microscopy
US7574327B2 (en) * 2006-12-12 2009-08-11 Sc Solutions All-digital cantilever controller
CN105807792A (en) * 2016-03-09 2016-07-27 西安交通大学 On-chip controller of scanning ion conductance microscope and control method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8149002B2 (en) Device and method for capacitive measurement by a floating bridge
US6737881B2 (en) Apparatus for testing integrated circuits having an integrated unit for testing digital and analog signals
KR101177157B1 (en) Testing apparatus
RU2764379C1 (en) Scanning probe microscope and controller of the scanning probe microscope
JP7075121B2 (en) Evaluation method and evaluation device for electronic products
US7855544B1 (en) AC low current probe card
CN1057382C (en) Instrumentation amplifier arrangements of electromagnetics flowmeters
GB2220756A (en) D.C. biasing apparatus for impedance measurement
JP2008157769A (en) Optional waveform generator
CN104535920B (en) The test circuit and test method of BIST
TWM300301U (en) Circuit testing apparatus
KR102161156B1 (en) Rf power monitoring apparatus of plasma generator and its method
JP2002143122A (en) Magnetic resonance imaging equipment and method for collecting and processing mr signal
CN112929007A (en) Integrated electronics system of ACJVS device
JPH04269660A (en) Electric measuring apparatus
JP2008076085A (en) Signal measuring device
JP6880671B2 (en) Dynamic burn-in device and control device for it
JP4149162B2 (en) Impedance measuring device
JP3555679B2 (en) IC tester
JP4312572B2 (en) Local feedthrough canceling apparatus, method, program, recording medium, and signal measuring apparatus
JPH05312833A (en) Probe card
JP4066265B2 (en) Contact ring of semiconductor test equipment
JP2009236759A (en) Test equipment
CN109856929B (en) Signal processing device and processing method, alignment system and alignment method and photoetching machine
SU1201919A1 (en) Diode microscope