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引言 掃描電化學顯微鏡(SECM)是80年代發展起來的一種電化學現場檢測新技術。該技術驅動非常小的電極(探針)在靠近樣品處進行掃描，樣品可以是金屬、半導體、高分子、生物基底等材料。SECM具有化學靈敏性，可測量微區內物質氧化或還原所產生的電化學電流，從而獲得對應的微區電化學和相關信息。它主要由電化學部分(電解池、探頭、基底、各種電極和雙恒電位儀器)，用來精確地控制、操作探頭和基底位置的位移驅動器，以及用來控制操作、獲取和分析數據的計算機(包括接口)等三部分組成，SECM系統原理如圖1所示。 位移驅動部分是通過超精密定位技術(UMDE)實現對探針的三維空間微位移的精準控制，操縱探頭和基底間保持相對穩定，以便獲得樣品表面信息。它既是SECM控制系統的基本組成部分，也是SECM實現納米級分辨率的關鍵技術之一。為了獲取樣品盡可能完整的信息，要求驅動位移空間相對樣品有較大的量程，可達到厘米級別。同時高分辨率要求必須是超精密定位，分辨率可達到亞微米。因此，SECM的驅動部分采用宏微兩級位移控制系統。宏定位采用步進電機，微定位采用壓電陶瓷。一個好的驅動控制電路是影響SECM位移精度的關鍵因素，因此本文著重于設計二級位移系統的控制電路。 參進電機宏定位 步進電機作為角位移的執行機構，當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步進角)。由于可以通過控制離散的脈沖個數來控制角位移量，從而可以滿足SECM準確宏定位的目的。步進電動機的控制占用火量的CPU工作時間，會影響了系統的整體性能。本驅動系統設計采用一種基于ARM微控制器的由L298構成的控制和驅動電路，既不占用CPU大量的時間，又能獲得良好的控制和驅動效果。 SGS公司的L298步進電機控制器的片內PWM斬波電路產生開關式控制繞組電流。該器件的一個顯著特點是僅需時鐘、方向和模式輸入信號。步進電機所需相位由電路內部產生，它產生兩相雙極性驅動信號和電機電流設定。L298內含兩個高電壓人電流雙橋式驅動器，可驅動電壓最高46V、每相2.5A的步進電機，組成的兩相雙極性的步進電機驅動電路，原理如圖2所示。由ARM芯片LPC2138輸出PWM信號，經過光電隔離器TLP521-2，再與兩個IO口組合送入雙輸入四與門74LS08實現正反轉控制。SECM需要三維驅動，此處只畫出一路電路。 壓電陶瓷微定位 壓電陶瓷驅動電源 壓電陶瓷是利用電介質在電場中的壓電效應，直接將電能轉換成機械能，產生微位移的換能元件。因其高剛度、高頻響、推力大和高分辨率等優點，廣泛應用十航空航天、精密測量、生物工程、機器人等領域。驅動電源對壓電陶瓷和機構的微位移影響很大，故性能良好的驅動電源是實現高精度位移的關鍵。壓電陶瓷對驅動電源要求如下：一定范圍內連續可調、輸出穩定性好、紋波小、分辨率高。 壓電陶瓷驅動電源從原理講可以分為電壓控制型和電荷控制型。這里采用電壓控制型，由直流放大器芯片對控制電壓信號進行線性放大和功率放大，輸出0～150V連續可調的直流電壓。它決定著電源輸出電壓的分辨率和穩定性，是整個電源的關鍵。 高壓運放電路 Apex公司的PA69是一個高壓、高速功率運算放大器,可采用單／雙電源供電；轉換速率非常高，可達到200 V／μS；可以提供高達50mA的恒定輸出電流，其峰值輸山電流達100mA。PA69待機電流很小，一般不到1mA；具有限流保護功能。 選用的壓電陶瓷等效電容為0.1μF，需要0～150V的連續可調輸出電壓，頻率0～1kHz(正弦波)，則所需轉換速率為： S.R=2πfV(1×l0-6)=2π×1000×150×(1×10-6)=0.94V／μS 所需最大負載電流為： I=S.R×CL=0.94V／μS×0.1μF=94mA 所選定的PA69運算放大器符合要求，電路如圖3所示。其中引腳6、7為輸入，2為輸出，3和10以及8和11外接補償電阻和電容，構成相位補償網絡，實現相位補償。1和2引腳之間接限流電阻，形成對運放的限流保護功能。 失調電壓補償 在室溫(25℃)及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加入失調電壓VIO。實際上指輸入電壓V1=0時，輸出電壓VO折合到輸入端的電壓是負值，即VIO= - (VO|VI=0)／AVO。 PA69的最大失調電壓為3mV，對分辨率要求為10mV以下的壓電陶瓷驅動電源，PA69的輸入特性不能滿足設計要求，需要對電路的前級輸入進行優化。為了減小輸入失調電壓，在該電源的線型放大部分，采用由OP07和PA69組成復合放大電路。MAXIM公司的OP07具有高精度輸入失調電壓，最大為75μV。由PA69和OP07組成一個新的具有負反饋的放大器，其輸入失調電壓為75μV×30=1.5mV<10mV，滿足輸入特性的要求。 放大器的輸入電壓為0～5V，輸出電壓為0～150V，故根據特性曲線選定PA69的閉環放大倍數為30。整體電路如圖3所示。 |
