發布日期：2022-10-09 點擊率：79
摘要：簡要闡述了掃描隧道顯微鏡的基本組成及掃描成像原理，介紹了一種以PIC16C65單片機為微處理器的掃描隧道顯微鏡電子學系統的組成和接口電路以及部分接口子程序。
關鍵詞：掃描隧道顯微鏡；PIC16C65；MAX195；AD1866
Application of the PIC16C65 Single Chip to Scanning Tun nel Microscope
YUAN Fang1，YANGSheng2
(1.Institute of Information Engineering,Shanghai Maritime University, Shanghai, 200135，China；
2.University of Science and Technology of China,Hefei,230026,China)
Abstract：The paper summarises the mainly parts of the scanni ng tunnel microscope and the principle of the scanning imagings，and introduces the interface circuit and the subprogram of the PIC16C65 with the other parts
Keywords：scanning tunnel microscope； PIC16C65； MAX195；AD1 866
1概述
掃描探針顯微鏡（STM）是納米科技發展中最重要的工具。他基于量子力學中的隧道貫穿理論，其核心是一個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。當樣品與針尖之間的距離非常接近時，電子就可以通過隧道效應由針尖轉移到樣品或從樣品轉移到針尖，從而形成隧道電流。隧道電流的大小與他們的間距成負指數關系［1］：
I∝Bexp(-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的系數； K為與自由電子的質量及有效平均勢壘高度等有關的系數； 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成可以分為3個部分：頭部系統、電子學系統、計算機系統。頭部系統中的掃描器是一個很關鍵的部件，掃描器的質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三個方向上做納米級的精密移動。xy掃描電壓發生器產生例如三角波的掃描波形，控制掃描器對樣品進行逐行掃描。針尖固定在掃描器上隨掃描器運動。在針尖與樣品偏置電壓的作用下，當針尖和樣品足夠接近時，就會有隧道電流產生。靈敏的電流放大器檢出隧道電流，并把他轉化為電壓，再與電流設置點做比較，比較的結果反映了針尖與樣品間距與設定值之間的偏差。通常在STM電子學系統中引入比例積分控制器用做反饋電路，以調整掃描器z方向的運動來保持隧道電流恒定，這時針尖與樣品在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］。
目前國內有多家生產掃描隧道顯微鏡的廠家，內部電子學部分基本上是以DSP芯片為核心、 外部附加高精度A/D或D/A等外圍器件構成。由于DSP芯片結構和功能的復雜性，不方便使用和學習，下面介紹一種以Microchip公司生產的PIC16C65中檔單片機為核心、外圍附加1 6位的A/D轉換器MAX195及D/A轉換器AD1866器件的掃描隧道顯微鏡的電子學系統。
2 PIC16C65單片機與MAX195的接口
Microchip公司生產的PIC系列單片機具有哈佛雙總線結構，采用了類精簡指令集和指令流水 線結構，運行速度非常快，可以完全取代DSP來工作［3］。MAX195是由MAXIM公司生產的16位串行輸出A/D轉換器，他速度快、功耗低并且具有自標定能力。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單片機通過通用的I/O口D口的7個管腳與MAX195和MC14555連接。A/D轉換過程由PIC16C65的程序控制。本程序采用異步讀取方式，即在16位數據轉換完成后再讀取數據。轉換開始時首先置/CONV為低電平啟動轉換，轉換開始后單片機不斷檢查/EO C管腳的電平是否變低，如果變低說明轉換已經結束，單片機通過RD5口構造16個串行輸出脈沖送入到MAX195，轉換后得到的16位數據通過RD4口逐位送到PIC單片機內進行讀取和處理。
MAX195進行A/D轉換的子程序如下：
3 PIC16C65與AD1866的接口
AD1866是AD公司生產的性能良好的雙通道16位D/A轉換器，每個通道由1個參考電壓、1個16位的輸入寄存器、1個16位的輸入鎖存器、1個16位DAC和1個輸出放大器組成。AD1866工作過程也由PIC單片機的程序來控制。首先PIC通過RA2和RB3口構造輸出脈沖，將需要進行 D/A轉換的16位數據從高位到低位依此送入AD1866的數據寄存器，然后在LL和LR管腳構造下降沿脈沖，將數據寄存器中的16位數據送進DAC進行D/A轉換，并相應地更新DAC的輸出。其接口電路如圖2所示。
其部分接口子程序如下：
其工作過程如下：首先給步進馬達通電，讓馬達連續運行，向下逐漸靠近樣品，直徑很小的探針安裝在步進馬達前面隨馬達一起運動。當探針快要接近樣品時，步進馬達改變運行方式，從連續運行方式變為點動狀態運行。同時給探針加偏壓，一直到能檢測出預設的隧道電流時，再將壓電陶瓷z軸方向的距離與預設值相比較，可得到該點表面高度。以此可以掃描出全部樣品的表面形狀，再將數據送入到計算機中，通過一定的圖像處理即可得到樣品的表面樣貌圖。
4結語
采用PIC16C65為核心構成的掃描隧道顯微鏡的電子學系統部分通過與PC機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比高、圖像顯示清晰等特點，在精密測量和微驅動及材料研究中都具有廣泛的應用前景。
參考文獻
［1］張立德.納米測量學的發展與展望［J］.現代科學儀器，1998， (21)
［2］Atherton P D. Nanometre Precision Mechanisms[J]Me asurement+Control.1998, 31(3)
［3］俞光昀.PIC系列單片機開發應用技術［M］北京：電子工業出版社，2000
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