Plan

2. Etude et réalisation d’un système asservide contrôle de mouvement nanométriqueappliqué à une source d’électrons Mémoire d’ingénieur électronique présenté par Bruno ALEXANIANau Conservatoire National des Arts et Métiers, le 15 juin 2005 1

3. Plan • Contexte du projet • Objectifs • Module 1 • Module 2 • Assemblage du système • Bilan (technique et économique) • Conclusion 2

4. Contexte du projet But : réalisation d’un "nez électronique" dans le cadre d’un contrat avec la DERA – DSTL ⇒ Dispositif composé en trois parties Projet réalisé au laboratoire LPMCN U.M.R. 5586 (CNRS / UCBL) 3

5. Constitution du "nez électronique" 2 3 1 Principe 1 - Emission d’un faisceau électrons à partir d’une source e- 2 - Ionisation négative des molécules à analyser : mol + e-⇒ mol- 3 - Analyse des ions par spectrométrie de masse à temps de vol 4

6. Source d’électrons Principe de la source par émission de champ (sous vide) • Paramètres géométriques • Distance d • Forme de la pointe • Paramètres physiques • - Tension V • - Matériau de la pointe ⇒Réaliser un système d’asservissement pour le contrôle du mouvement nanométrique de la pointe 5

7. Objectifs du projet • Créer une source d’électrons avec les spécificités suivantes : • Courant d’émission : 1 μA • Tension d’émission : 200 à 300 V Implications : • Maîtriser parfaitement la faible distance d • Générer la haute tension V adéquate • Mesurer le faible courant d’émission (nA au µA) Conclusion : choix d’un développement modulaire comprenantun dispositif de pilotage manuel et automatique. 6

8. Synoptique 7

9. Plan du projet • Conception du Module 1(Carte de pilotage de l’Inchworm) • Développement du Module 2(Carte de gestion de commandes) • Adaptation des autres parties existantes(Amplificateur HT, nanoampèremètre, générateur HT) • Assemblage du système(Système électronique et ensemble du dispositif piézoélectrique) • Mise au point du système 8

10. (Carte prototype) Module 1 9

11. Rôle : commander le micromoteur piézoélectrique pour effectuer le déplacement précis de la pointe. 1 cm 10

12. Séquence d’un « pas » 11

13. Fonctionnalités du prototype Module 1 • Génération des signaux de commande • Réglage de la vitesse de déplacement • Sélection du sens de déplacement de l’Inchworm Compatibilités : • Interfaçable • Compatible avec l’amplificateur HT 12

14. Choix d’une conception analogique du Module 1 • Avantages : • Maîtrise totale de la qualité et de la rapidité des signaux • Souplesse des réglages en temps réel • Contraintes à respecter : • Stabilité en température (amplitude et fréquence) • Contrôle de la stabilité à long terme • Immunité au bruit environnant • Faible coût 13

15. Schéma de principe simplifié de la carte Module 1 Vclamp1 etVclamp3 Vcentral • Autres éléments : • - Filtres RC : lissage des signaux de "clamping" • Circuits "buffers" : adaptation d’impédance des sorties • Commutateurs analogiques : sélection de différents réglages 14

16. Synoptique 15

17. Module 2 (Carte prototype) 16

18. Pupitre de commande 17

19. Fonctionnalités du Module 2 : 1 - Contrôler une approche automatique de la pointe 2 - Activer le pilotage manuelle de la pointe Implications : • Déplacement Z de la pointe • Commande du générateur HT • Mesure du courant d’émission • Gestion du pilotage automatique • Sécurités • Interface de commandes ⇒ Dispositif électronique piloté par µC 18

20. Principe du système d’approche automatique • Phase A : approche rapide (VHT = 2000 V, Icrête = 20 nA) • Phase B : approche fine (VHT = 200 V, Icrête = 1 µA) • Phase C : réglage de I(V) (VHT ~ 300 V, Imoyen= 1 µA) • Phase D : stabilisation du courant (Modulation de VHT) 19

21. Mesure du courant d’émission Allure de i(t) avant la phase D Allure de i(t) après la phase D  Principe de l’algorithme de la phase D Répéter Effectuer 10 mesures rapprochées du courant Faire la moyenne des 10 mesures Si moyenne > 1,1 µA ==> V = V - 1 Si moyenne < 0,9 µA ==> V = V + 1 20

22. Choix technologique du Module 2 ⇒ Microcontrôleur PIC 16F877 (Microchip) cadensé à lavitesse max de 20 MHz Avantages : - 33 Entrée/Sorties - CNA 10 bits intégré - Souplesse de programmation en PicBASIC évolué - Mémoire FLASH (8 K) - Auto-protection - Coût abordable 21

23. Assemblage du système 22

24. Pilotage nanométrique de la pointe Etat système Arrêt Recul rapide Contrôle visuel de la pointe Maintenance Recul lent Option Approche automatique Avance lente 23

25. Bilan Bilan technique - Système fiable et évolutif - Possibilité de numériser le Module 1 - Miniaturisation possible de l’ensemble du système Bilan économique - Coût du Module 1 : 100 € - Coût du Module 2 : 250 € 24

26. Perspectives de miniaturisation  Modules 1 & 2 réunis autour d’un seul composant 25

27.  Les autres modules du système • Réduction possible du nanoampèremètre • Remplacement de l’alimentation HT et del’amplificateur HT par un convertisseur dit« ultra miniature DC to HV DC converter » 26

28. Conclusion • Dispositif électronique conforme au cahier des charges sur le plan technique et économique • Perspectives • Remarques personnelles 27

30. Etude et réalisation d’un système asservide contrôle de mouvement nanométriqueappliqué à une source d’électrons Mémoire d’ingénieur électronique présenté par Bruno ALEXANIANau Conservatoire National des Arts et Métiers, le 15 juin 2005