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 Module 2 Assemblage du système Bilan (technique et économique) Conclusion 2

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

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 comprenant un dispositif de pilotage manuel et automatique. 6

Synoptique 7

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

Module 1 (Carte prototype) 9

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

Séquence d’un « pas » 11

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

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

Schéma de principe simplifié de la carte Module 1 V clamp 1 et V clamp 3 V central Autres éléments : - Filtres RC : lissage des signaux de "clamping" Circuits "buffers" : adaptation d’impédance des sorties Commutateurs analogiques : sélection de différents réglages 14

Synoptique 15

Module 2 (Carte prototype) 16

Pupitre de commande 17

⇒ Dispositif électronique piloté par µC 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

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

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

Choix technologique du Module 2 ⇒ Microcontrôleur PIC 16F877 (Microchip) cadensé à la vitesse 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

Assemblage du système 22

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

Bilan - Système fiable et évolutif 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

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

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

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

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