掃描電化學(xué)顯微鏡的探針驅動(dòng)電路

摘要：  采用一種由步進(jìn)電機和壓電陶瓷構成的宏微二級位置控制系統，設計了基于L298N的步進(jìn)電機驅動(dòng)電源和基于PA69的壓電陶瓷驅動(dòng)電源，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，達到了掃描電化學(xué)顯微鏡對探針定位的要求。

關(guān)鍵詞：  SECM；宏微定位；驅動(dòng)電路

引言

掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)是80年代發(fā)展起來(lái)的一種電化學(xué)現場(chǎng)檢測新技術(shù)。該技術(shù)驅動(dòng)非常小的電極(探針) 在靠近樣品處進(jìn)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(xué)靈敏性，可測量微區內物質(zhì)氧化或還原所產(chǎn)生的電化學(xué)電流，從而獲得對應的微區電化學(xué)和相關(guān)信息。它主要由電化學(xué)部分(電解池、探頭、基底、各種電極和雙恒電位儀器)，用來(lái)精確地控制、操作探頭和基底位置的位移驅動(dòng)器，以及用來(lái)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。

圖1  SECM原理圖 

位移驅動(dòng)部分是通過(guò)超精密定位技術(shù)(UMDE)實(shí)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(shí)現納米級分辨率的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了獲取樣品盡可能完整的信息，要求驅動(dòng)位移空間相對樣品有較大的量程，可達到厘米級別。同時(shí)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(dòng)部分采用宏微兩級位移控制系統。宏定位采用步進(jìn)電機，微定位采用壓電陶瓷。一個(gè)好的驅動(dòng)控制電路是影響SECM位移精度的關(guān)鍵因素，因此本文著(zhù)重于設計二級位移系統的控制電路。

步進(jìn)電機宏定位

步進(jìn)電機作為角位移的執行機構，當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號時(shí)，就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)。由于可以通過(guò)控制離散的脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而可以滿(mǎn)足SECM準確宏定位的目的。步進(jìn)電動(dòng)機的控制占用大量的CPU工作時(shí)間，會(huì )影響了系統的整體性能。本驅動(dòng)系統設計采用一種基于A(yíng)RM微控制器的由L298構成的控制和驅動(dòng)電路，既不占用CPU大量的時(shí)間，又能獲得良好的控制和驅動(dòng)效果。

SGS公司的L298步進(jìn)電機控制器的片內PWM斬波電路產(chǎn)生開(kāi)關(guān)式控制繞組電流。該器件的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是僅需時(shí)鐘、方向和模式輸入信號。步進(jìn)電機所需相位由電路內部產(chǎn)生，它產(chǎn)生兩相雙極性驅動(dòng)信號和電機電流設定。L298內含兩個(gè)高電壓大電流雙橋式驅動(dòng)器，可驅動(dòng)電壓最高46V、每相2.5A的步進(jìn)電機，組成的兩相雙極性的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，原理如圖2所示。由ARM芯片LPC2138輸出PWM信號，經(jīng)過(guò)光電隔離器TLP521-2，再與兩個(gè)IO口組合送入雙輸入四與門(mén)74LS08實(shí)現正反轉控制。SECM需要三維驅動(dòng)，此處只畫(huà)出一路電路。

圖2  步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

壓電陶瓷微定位

壓電陶瓷驅動(dòng)電源

壓電陶瓷是利用電介質(zhì)在電場(chǎng)中的壓電效應，直接將電能轉換成機械能，產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于航空航天、精密測量、生物工程、機器人等領(lǐng)域。驅動(dòng)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(dòng)電源是實(shí)現高精度位移的關(guān)鍵。壓電陶瓷對驅動(dòng)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(dòng)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(jìn)行線(xiàn)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(zhù)電源輸出電壓的分辨率和穩定性，是整個(gè)電源的關(guān)鍵。

高壓運放電路

Apex公司的PA69是一個(gè)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/mS；可以提供高達50mA的恒定輸出電流，其峰值輸出電流達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0.1mF，需要0~150V的連續可調輸出電壓，頻率0~1 kHz(正弦波)，則所需轉換速率為：

S.R=2pfV(1