基于PIC16C65單片機(jī)的掃描隧道顯微鏡的電子學(xué)系統(tǒng)

1引言

掃描探針顯微鏡（STM）是納米科技發(fā)展中最重要的工具。他基于量子力學(xué)中的隧道貫穿理論，其核心是一個(gè)能在金屬樣品表面上掃描并與樣品間有一定的偏置電壓的直徑為原子尺度的針尖。當(dāng)樣品與針尖之間的距離非常接近時(shí)，電子就可以通過隧道效應(yīng)由針尖轉(zhuǎn)移到樣品或從樣品轉(zhuǎn)移到針尖，從而形成隧道電流。隧道電流的大小與他們的間距成負(fù)指數(shù)關(guān)系［1］：

I∝B exp(-KS)(1)

其中：I為樣品與針尖之間的隧道電流； B為與樣品和針尖之間的偏壓有關(guān)的系數(shù)； K為與自由電子的質(zhì)量及有效平均勢(shì)壘高度等有關(guān)的系數(shù)； S為樣品與針尖之間的隧道電流。

掃描隧道顯微鏡的基本構(gòu)成可以分為3個(gè)部分：頭部系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。頭部系統(tǒng)中的掃描器是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，掃描器的質(zhì)量決定了針尖和樣品間距的控制精度，從而決定了STM圖像的質(zhì)量。目前一般采用管狀的PZT壓電陶瓷材料。掃描器可以在x，y，z三個(gè)方向上做納米級(jí)的精密移動(dòng)。xy掃描電壓發(fā)生器產(chǎn)生例如三角波的掃描波形，控制掃描器對(duì)樣品進(jìn)行逐行掃描。針尖固定在掃描器上隨掃描器運(yùn)動(dòng)。在針尖與樣品偏置電壓的作用下，當(dāng)針尖和樣品足夠接近時(shí)，就會(huì)有隧道電流產(chǎn)生。靈敏的電流放大器檢出隧道電流，并把他轉(zhuǎn)化為電壓，再與電流設(shè)置點(diǎn)做比較，比較的結(jié)果反映了針尖與樣品間距與設(shè)定值之間的偏差。通常在STM電子學(xué)系統(tǒng)中引入比例積分控制器用做反饋電路，以調(diào)整掃描器z方向的運(yùn)動(dòng)來(lái)保持隧道電流恒定，這時(shí)針尖與樣品在z?軸方向的間距反映了樣品表面高度的起伏變化。這就是STM的恒流模式［2］。

目前國(guó)內(nèi)有多家生產(chǎn)掃描隧道顯微鏡的廠家，內(nèi)部電子學(xué)部分基本上是以DSP芯片為核心、 外部附加高精度A/D或D/A等外圍器件構(gòu)成。由于DSP芯片結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性，不方便使用和學(xué)習(xí)，下面介紹一種以MICroChip公司生產(chǎn)的PIC16C65中檔單片機(jī)為核心、外圍附加1 6位的A/D轉(zhuǎn)換器MAX195及D/A轉(zhuǎn)換器AD1866器件的掃描隧道顯微鏡的電子學(xué)系統(tǒng)。

2 PIC16C65單片機(jī)與MAX195的接口

Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)具有哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，采用了類精簡(jiǎn)指令集和指令流水 線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度非?？欤梢酝耆〈鶧SP來(lái)工作［3］。MAX195是由MAXIM公司生產(chǎn)的16位串行輸出A/D轉(zhuǎn)換器，他速度快、功耗低并且具有自標(biāo)定能力。MAX195主要用于隧道電流的采集。MAX195與PIC16C65的連接及MAX195的外圍連接如圖1所示

圖1中PIC16C65單片機(jī)通過通用的I/O口D口的7個(gè)管腳與MAX195和MC14555連接。A/D轉(zhuǎn)換過程由PIC16C65的程序控制。本程序采用異步讀取方式，即在16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后再讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換開始時(shí)首先置/CONV為低電平啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后單片機(jī)不斷檢查/EO C管腳的電平是否變低，如果變低說明轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，單片機(jī)通過RD5口構(gòu)造16個(gè)串行輸出脈沖送入到MAX195，轉(zhuǎn)換后得到的16位數(shù)據(jù)通過RD4口逐位送到PIC單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行讀取和處理。

MAX195進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的子程序如下：

3 PIC16C65與AD1866的接口

AD1866是AD公司生產(chǎn)的性能良好的雙通道16位D/A轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道由1個(gè)參考電壓、1個(gè)16位的輸入寄存器、1個(gè)16位的輸入鎖存器、1個(gè)16位DAC和1個(gè)輸出放大器組成。AD1866工作過程也由PIC單片機(jī)的程序來(lái)控制。首先PIC通過RA2和RB3口構(gòu)造輸出脈沖，將需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)從高位到低位依此送入AD1866的數(shù)據(jù)寄存器，然后在LL和LR管腳構(gòu)造下降沿脈沖，將數(shù)據(jù)寄存器中的16位數(shù)據(jù)送進(jìn)DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，并相應(yīng)地更新DAC的輸出。其接口電路如圖2所示。

其工作過程如下：首先給步進(jìn)馬達(dá)通電，讓馬達(dá)連續(xù)運(yùn)行，向下逐漸靠近樣品，直徑很小的探針安裝在步進(jìn)馬達(dá)前面隨馬達(dá)一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)探針快要接近樣品時(shí)，步進(jìn)馬達(dá)改變運(yùn)行方式，從連續(xù)運(yùn)行方式變?yōu)辄c(diǎn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。同時(shí)給探針加偏壓，一直到能檢測(cè)出預(yù)設(shè)的隧道電流時(shí)，再將壓電陶瓷z軸方向的距離與預(yù)設(shè)值相比較，可得到該點(diǎn)表面高度。以此可以掃描出全部樣品的表面形狀，再將數(shù)據(jù)送入到計(jì)算機(jī)中，通過一定的圖像處理即可得到樣品的表面樣貌圖。

4結(jié)語(yǔ)

采用PIC16C65為核心構(gòu)成的掃描隧道顯微鏡的電子學(xué)系統(tǒng)部分通過與PC機(jī)的接口和顯示及圖像處理程序可以較清晰地顯示出金屬樣品表面的樣貌。這種掃描隧道顯微鏡具有性價(jià)比高、圖像顯示清晰等特點(diǎn)，在精密測(cè)量和微驅(qū)動(dòng)及材料研究中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］張立德.納米測(cè)量學(xué)的發(fā)展與展望［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，1998， (21)

［2］Atherton P D. Nanometre Precision Mechanisms[J]Me asurement Control.1998, 31(3)

［3］俞光昀.PIC系列單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技術(shù)［M］北京：電子工業(yè)出版社，2000