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Etude et réalisation d’un système asservi de contrôle de mouvement nanométrique appliqué à une source d’électrons. Mémoire d’ingénieur électronique présenté par Bruno ALEXANIAN au Conservatoire National des Arts et Métiers, le 15 juin 2005. 1. Plan. Contexte du projet Objectifs Module 1

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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

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Plan

  • Contexte du projet

  • Objectifs

  • Module 1

  • Module 2

  • Assemblage du système

  • Bilan (technique et économique)

  • Conclusion

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Contexte du projet
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


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


Source d lectrons
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

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Objectifs du projet
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.

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Plan du projet
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

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Carte prototype
(Carte prototype)

Module 1

9


Rôle : commander le micromoteur piézoélectrique pour effectuer le déplacement précis de la pointe.

1 cm

10



Fonctionnalit s du prototype module 1
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

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Choix d une conception analogique du module 1
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

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Sch ma de principe simplifi de la carte module 1
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

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Carte prototype1

Module 2

(Carte prototype)

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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

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Principe du syst me d approche automatique
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)

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Mesure du courant d mission
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

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Choix technologique du module 2
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

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Pilotage nanométrique de la pointe

Etat système

Arrêt

Recul rapide

Contrôle visuel de la pointe

Maintenance

Recul lent

Option

Approche automatique

Avance lente

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Bilan
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 €

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Perspectives de miniaturisation
Perspectives de miniaturisation

 Modules 1 & 2 réunis autour d’un seul composant

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 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 »

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Conclusion
Conclusion

  • Dispositif électronique conforme au cahier des charges sur le plan technique et économique

  • Perspectives

  • Remarques personnelles

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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


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