侯進(jìn)旺，馮欣悅，化雪薈

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，廣東佛山528000）

一種新型的掃描隧道顯微鏡溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

侯進(jìn)旺*，馮欣悅，化雪薈

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，廣東佛山528000）

設(shè)計(jì)了一種新型的掃描隧道顯微鏡溫度控制系統(tǒng)，溫度控制以ADS1247為主電路模塊的恒流源法的鉑電阻溫度控制。系統(tǒng)使用球形封閉曲面，球腔的傳遞函數(shù)可以被估計(jì)為一階系統(tǒng)。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外溫度干擾的抵抗性能，對(duì)傳遞函數(shù)的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。仿真結(jié)果表明，有較大時(shí)間常數(shù)的傳遞函數(shù)可以使系統(tǒng)更好地抵制外界環(huán)境的干擾。通過重新設(shè)計(jì)的密閉曲面殼體結(jié)構(gòu)，可以使得掃描隧道顯微鏡設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)在一小時(shí)內(nèi)把溫度波動(dòng)范圍穩(wěn)定在0.01℃內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有明顯的優(yōu)越性。

STM；封閉表面；密封腔；高穩(wěn)定度

納米技術(shù)的快速發(fā)展急需要一種應(yīng)用范圍為毫米級(jí)、分辨率為亞納米級(jí)新的長度測量和定位控制方法。就目前而言，長度測量的標(biāo)準(zhǔn)方法是激光干涉法，其他重要的方法如采用常規(guī)晶體點(diǎn)陣法作為參考依據(jù)。Binnig G和Rohrer H［1-2］發(fā)明的掃描隧道顯微鏡已經(jīng)成為了出色的工具，它可以用來獲取空氣中晶體表面原子的圖像［3-4］。將STM作為檢測器與晶體表面作為參考和定位控制相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)原子編碼技術(shù)的可行性已被證實(shí)［5］。納米技術(shù)研究［6-8］表明，環(huán)境條件特別是振動(dòng)和溫度在環(huán)境中起著重要的作用。為了克服環(huán)境的影響，通過利用高質(zhì)量的設(shè)備設(shè)計(jì)和制造特殊的環(huán)境控制系統(tǒng)［9-10］成為當(dāng)今的研究趨勢。其中，通過結(jié)合振動(dòng)隔離設(shè)備和熱穩(wěn)定單元的方法更簡單有效［11-12］。然而，在對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，Aketagawa M［13-14］忽略了一個(gè)機(jī)理：STM自身的能量消耗也會(huì)產(chǎn)生熱量。因此，為了增強(qiáng)熱穩(wěn)定單元的性能，單元的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)被重新設(shè)計(jì)。

在本文中，首先設(shè)計(jì)了以ADS1247為主電路模塊的恒流源法的鉑電阻溫度控制。將ADS1247輸出的可編程恒定電流作為鉑電阻激勵(lì)源，并采用ADS1247集成的可編程放大器放大鉑電阻的電壓降，然后將放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行24位模數(shù)轉(zhuǎn)換。電路結(jié)構(gòu)簡單，測量精度及穩(wěn)定性好。然后研究了為補(bǔ)償STM產(chǎn)生的內(nèi)部干擾而設(shè)計(jì)的球形封閉曲面殼體，并進(jìn)行了模擬仿真和實(shí)驗(yàn)。

收稿日期：2015-06-13修改日期：2015-07-13

1　溫控電路設(shè)計(jì)

采用恒流源法進(jìn)行鉑電阻溫度控制，需要向鉑電阻提供恒定的電流。本設(shè)計(jì)采用基于TI公司的ADS1247的鉑電阻的測溫方案，將ADS1247輸出的可編程恒定電流作為鉑電阻激勵(lì)源。測量過程中，采用ADS1247集成的可編程放大器放大鉑電阻的電壓降，并將放大器輸出信號(hào)進(jìn)行24位的A/D轉(zhuǎn)換。

1.1三線制鉑電阻的測量方法設(shè)計(jì)

三線制熱電阻采樣時(shí)，首先需要對(duì)多路選擇開關(guān)進(jìn)行配置。MCU通過SPI口向ADS1247寫入控制字，達(dá)到對(duì)多路選擇開關(guān)MUX的配置目的。通過配置多路選擇開關(guān)，使得2個(gè)電流源與三線制熱電阻的連接關(guān)系如圖1所示。連接關(guān)系配置結(jié)束后，配置PGA參數(shù)，然后配置電流源并啟動(dòng)電流源。

圖1　三線制熱電阻測量示意圖

當(dāng)電流流過鉑電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓降；同樣電流流過熱電阻的連線電阻時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生壓降。所以加在PGA上的差分電壓如式（1）所示：

其中，U為加在PGA上的差分電壓；RPT為實(shí)際熱電阻值；RW1為熱電阻a端一根導(dǎo)線的電阻；RW2為熱電阻b端一根導(dǎo)線的電阻；I為恒流源輸出電流值。

兩路恒流源電流匯聚后，流經(jīng)參考源采樣電阻Rref產(chǎn)生電壓降，該電壓作為ADS1247內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考源，參考源電壓如式（2）所示：

其中，Uref為模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓值；Rref為實(shí)際參考電阻值；I為恒流源輸出的電流值。

通過公式推導(dǎo)，三線制熱電阻采樣值與實(shí)際值的關(guān)系如式（3）所示：

其中，Rpt為實(shí)測熱電阻值；RPT為實(shí)際熱電阻值；為理論參考電阻值。由式（3）可知，三線制熱電阻測量精度與熱電阻線電阻差值（RW1-RW2）及參考源采樣電阻的精度有關(guān)。

1.2提高測量精度方法的設(shè)計(jì)

由式（3）可知，三線制電阻測量精度與參考電壓取樣電阻及熱電阻線電阻差（RW1-RW2）有關(guān)。因此，要想實(shí)現(xiàn)高精度測量，必須選擇高精度和高穩(wěn)定性的電阻作為參考電阻采用RX70精密繞線電阻，精度為萬分之一。繞線電阻具有精度極高，工作時(shí)噪聲小，穩(wěn)定可靠，溫度系數(shù)小，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。為減小線電阻差的影響，實(shí)際應(yīng)用中保持鉑電阻導(dǎo)線等長。為減小電路板上導(dǎo)線電阻引起的誤差，鉑電阻接線端與參考電阻要盡可能靠近ADC芯片引腳，并盡量確保電路板上的導(dǎo)線等長。

在上式推導(dǎo)中，均假設(shè)PGA和ADC均不會(huì)引入誤差。但實(shí)際情況并非如此。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)輸入為零時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出并不為零，存在誤差。使得測量不能達(dá)到預(yù)期精度。因此在啟動(dòng)ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之前，要對(duì)ADS1247進(jìn)行系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。

本設(shè)計(jì)采用ADS1247的數(shù)字濾波器減小工頻干擾，數(shù)字濾波器放置于模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，其作用是對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，從而達(dá)到濾除干擾噪聲的目的。數(shù)字濾波器的濾波特性與采樣速率有關(guān)，實(shí)際中ADC的數(shù)據(jù)速率為5 sample/s。數(shù)字濾波特性如圖2所示，50 Hz、60 Hz工頻干擾噪聲均被衰減70 dB以上。

圖2　數(shù)字濾波特性（5SPS）

在電路設(shè)計(jì)上，ADS1247單獨(dú)供電，通過0歐電阻將模擬地與數(shù)字地隔離。在電路板上采用大面積鋪地，進(jìn)一步降低電磁干擾。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在差分輸入端與參考電壓端接濾波電容，可進(jìn)一步提高有效轉(zhuǎn)換位數(shù)。

1.3溫度測量電路設(shè)計(jì)

圖3　三線制鉑電阻測溫電路圖

ADS1247中集成了可編程放大器、24 bit精密ADC芯片和數(shù)字濾波器，很大程度上簡化了電路設(shè)計(jì)。測量電路如圖3所示。其中1、2、3端分別接鉑電阻的3根引出線。ADS1247 的AIN0、AIN1引腳既作為恒流源輸出引腳，也作為PGA的差分輸入引腳。差分輸入端與參考電壓端所接濾波電容均選取2.2。

1.4溫度信號(hào)處理設(shè)計(jì)

鉑電阻在正溫度區(qū)時(shí)，阻值與溫度呈現(xiàn)非線性。同時(shí)由于電路中阻值的誤差及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的誤差，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。這些都會(huì)最終影響系統(tǒng)的測量精度，因此需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行線性化處理和校正。

由于系統(tǒng)中電阻值的誤差以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的誤差，系統(tǒng)的零點(diǎn)與理論值之間存在誤差，所以在進(jìn)行線性化處理之前，要先確定系統(tǒng)的零點(diǎn)，即當(dāng)鉑電阻阻值為100 Ω時(shí)，ADC的輸出值。

實(shí)際中用萬分之一精度的100 Ω繞線電阻代替鉑電阻，記錄下此時(shí)ADC的輸出值，并存入單片機(jī)存儲(chǔ)器中。這個(gè)輸出值即為0℃時(shí)，ADC的實(shí)際輸出值。

Pt100在0～926℃內(nèi)可以用電阻-溫度的二次多項(xiàng)式函數(shù)表示：

式（4）也稱為分度函數(shù)，其中A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7。實(shí)際使用時(shí)，為了保證測量精度及便于在測控系統(tǒng)中應(yīng)用，有必要對(duì)其進(jìn)行非線性校正或補(bǔ)償。為克服鉑電阻的非線性，最行之有效的方法是讓單片機(jī)采用查表和線性插值法，以從A/D的輸入值再現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度值。

首先計(jì)算出溫度在0～40℃范圍內(nèi)每增加1℃時(shí)，ADC對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出量變化值。然后與零點(diǎn)時(shí)的輸出值相加，計(jì)算出整數(shù)溫度值對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出量，以數(shù)組stand［n］的形式存入單片機(jī)存儲(chǔ)器中，這就完成了制表工作。

單片機(jī)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后得到的結(jié)果與表格內(nèi)的數(shù)組 stand［n］進(jìn)行比較，直到 stand［n］≤stand［t］＜stand［n+1］時(shí)，停止比較。此時(shí) n的值即為所測溫度值的整數(shù)部分。然后接著再去應(yīng)用線性插值法計(jì)算出溫度的小數(shù)部分，由stand［t］-stand［n］和stand［n+1］-stand［n］的比值即可得出三位小數(shù)。

2　模擬仿真

為了滿足熱均勻性，仿真中封閉表面殼體被設(shè)計(jì)成球形，該腔由兩個(gè)銅罩、一個(gè)熱交換層和兩個(gè)熱隔離材料層構(gòu)成，仿真中所用密閉表面殼體示意圖如圖4所示，其中Text（t）是外部干擾溫度，Tpipe（t）是施加在熱交換層上的溫度，Tcap（t）是殼體內(nèi)的溫度。

圖4　密閉表面殼體示意圖

為了驗(yàn)證球形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，模擬仿真實(shí)驗(yàn)在CATIA?［15］中完成，它結(jié)合了Sim-Designer?［16］模塊。在仿真中，外部銅罩和內(nèi)部銅罩的直徑分別為70 cm和50 cm，兩層銅罩間放置平均直徑為60 cm的換熱層。隔熱材料用來填充兩層銅罩間的剩余空間。

為了確定該球腔的傳遞函數(shù)，階躍輸入信號(hào)通過溫度的突然變化來實(shí)現(xiàn)。首先，在外部階躍干擾溫度Text（t）下測量腔內(nèi)溫度Tcap（t）。其次，在熱交換銅管內(nèi)階躍干擾溫度Tpipe（t）下，測量殼體內(nèi)部的溫度Tcap（t）。

圖5　仿真結(jié)果圖

當(dāng)殼體被施加的外部階躍溫度為Text（t）和當(dāng)熱交換銅管被階躍溫度Tpipe（t）干擾時(shí)，殼體內(nèi)溫度Tcap（t）響應(yīng)仿真顯示Text（t）和Tpipe（t）的初始溫度和最終溫度分別是25℃和35℃。研究中記錄溫度響應(yīng)的時(shí)間步長和時(shí)間周期分別是是30 min和8 h。仿真結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明腔的傳遞函數(shù)Tcap（s）/Text（s）可以估計(jì)為一階函數(shù)，傳遞函數(shù)Tcap（s）/Text（s）的時(shí)間常數(shù)是78 min。在同樣的方式下，熱交換層的傳遞函數(shù)Tcap（s）/Tpipe（s）可以估計(jì)為一階函數(shù)，Tcap（s）/Tpipe（s）的時(shí)間常數(shù)是 48 min，比Tcap（s）/Text（s）小了近39%。

3　實(shí)驗(yàn)分析

為了以后便于安裝STM，封閉曲面殼體的原型由兩個(gè)半球形部分組成，分為上層部分和下層部分如圖6所示。

圖6　構(gòu)建的密閉曲面殼體

每個(gè)部分包括兩個(gè)半球形銅罩和一個(gè)用于熱交換的半球形螺旋銅管。所構(gòu)造的殼體用于獲取傳遞函數(shù)，然后與仿真結(jié)果相比較。因?yàn)閷?shí)際中很難像仿真中那樣給殼體提供一個(gè)外部溫度的階躍變化，所以殼體內(nèi)溫度Tcap（t）的測量是通過改變實(shí)驗(yàn)室中的干擾溫度Text（t）來得到的。與仿真中條件相同，溫度每30 min記錄一次，記錄8 h。斜坡信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化溫度響應(yīng)如圖7所示，當(dāng)實(shí)際腔的外部干擾溫度Text（t）變化時(shí)，腔內(nèi)溫度Tcap（t）響應(yīng)。該響應(yīng)表明傳遞函數(shù)Tcap（s）/Text（s）可以近似為一階函數(shù)，時(shí)間常數(shù)為60 min，比仿真結(jié)果小了23%。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)半球形銅罩，而仿真中使用了一個(gè)球形銅罩。

圖7　斜坡信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化溫度響應(yīng)

盡管如此，理論上的傳遞函數(shù)應(yīng)當(dāng)具有相同的形式。所以傳遞函數(shù)Tcap（s）/Text（s）可以近似為：

通過對(duì)比仿真結(jié)果，可以估測出傳遞函數(shù)Tcap（s）/Tpipe（s）。該傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)比Tcap（s）/ Text（s）小39%，可表示為：

4　性能測試

在MATLAB和SIMULINK［17］中修改表達(dá)式（5）和式（6）所示的傳遞函數(shù)，可以分析出熱交換控制系統(tǒng)的性能。仿真中的原理圖如圖8所示。Tcap（s）/ Text（s）的時(shí)間常數(shù)為60 min，Tcap（s）/Tpipe（s）的時(shí)間常數(shù)為36.6 min。同時(shí)也呈現(xiàn)了隨機(jī)外部干擾Ext. Dist.的框圖和斜坡形式的內(nèi)部干擾Int.Dist。

用階躍模塊Setpoint來設(shè)置熱交換層的溫度設(shè)置點(diǎn)。隨機(jī)模塊 Ext.Dist.和斜坡模塊 Int.Dist.分別用來產(chǎn)生外部干擾溫度Text（t）和內(nèi)部干擾溫度Tint（t），輸入到殼體的傳遞函數(shù)。由于系統(tǒng)可估計(jì)為一階系統(tǒng)，所以可應(yīng)用傳統(tǒng)的沒有相互作用的PID控制器。該控制器的參數(shù)通過手動(dòng)調(diào)整。

仿真結(jié)果如圖9所示，當(dāng)密封腔被外部溫度Text（t）和內(nèi)部溫度Tint（t）干擾時(shí)，腔內(nèi)溫度Tcap（t）的響應(yīng)。結(jié)果表明即使外界干擾溫度發(fā)生無序的變化，簡單的PID控制器也可以有效的控制殼體內(nèi)的溫度。這是 Tcap（s）/Text（s）的大時(shí)間常數(shù)為60 min所帶來的優(yōu)勢。

圖9　仿真結(jié)果圖

為了研究熱交換控制系統(tǒng)由于抵抗設(shè)備能量消耗而引起的內(nèi)部干擾溫度的性能，我們進(jìn)行了更近一步的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明當(dāng)Tcap（s）/Tpipe（s）的時(shí)間常數(shù)為36.6 min時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部干擾溫度較快的上升速率會(huì)引起系統(tǒng)的不可控性。當(dāng)降至5 min時(shí)，仿真表明，系統(tǒng)熱上升速率變小，并且偏差溫度更小。由此可以得出結(jié)論：系統(tǒng)抵抗內(nèi)部溫度干擾的魯棒性與熱交換過程的時(shí)間常數(shù)成反比。為了減小時(shí)間常數(shù)，必須重新設(shè)計(jì)該殼體的結(jié)構(gòu)。圖10中所示的結(jié)構(gòu)幾乎和初步實(shí)驗(yàn)時(shí)的殼體的結(jié)構(gòu)一樣，但是用作熱交換層的螺旋銅管的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在這個(gè)新提出的結(jié)構(gòu)里，依附在內(nèi)部銅罩上的螺旋銅管會(huì)盡可能地減小時(shí)間常數(shù)。

圖10　新設(shè)計(jì)的密封殼體結(jié)構(gòu)示意圖

5　結(jié)論

本文提出了一種新型的為掃描隧道顯微鏡設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)中的密閉表面球形殼體由兩層銅罩，一個(gè)用作熱交換層的銅管和兩層熱隔離材料構(gòu)成。外部銅罩和內(nèi)部銅罩的直徑分別為70 cm和50 cm，兩層銅罩之間放置平均直徑為60 cm的熱交換層。銅罩間的其余空間用熱隔離材料填充。當(dāng)外界溫度和內(nèi)部溫度發(fā)生階躍變化時(shí)，殼體內(nèi)部的溫度響應(yīng)被分別記錄下來，記錄周期為8 h。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該殼體的傳遞函數(shù)可近似為一階函數(shù)。用構(gòu)建的封閉曲面殼體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，初步得到傳遞函數(shù)。測試結(jié)果表明，該殼體的傳遞函數(shù)是一個(gè)一階函數(shù)，與仿真結(jié)果一致。用此傳遞函數(shù)來驗(yàn)證該溫控系統(tǒng)的性能。因?yàn)樵摎んw的傳遞函數(shù)是一階的，所以在仿真中采用傳統(tǒng)的PID來驗(yàn)證系統(tǒng)抵抗外部溫度干擾的性能。PID的參數(shù)通過手動(dòng)調(diào)整。仿真結(jié)果表明，Tcap（s）/Text（s）的時(shí)間常數(shù)較大，即使外部溫度無序的干擾該系統(tǒng)，系統(tǒng)仍具有很高的魯棒性。對(duì)于熱交換過程，溫控系統(tǒng)的魯棒性與Tcap（s）/Tpipe（s）的時(shí)間常數(shù)成反比。因此，減小時(shí)間常數(shù)可以提高系統(tǒng)補(bǔ)償內(nèi)部溫度干擾的性能。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文通過修改熱交換層的結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)出的此新型溫度控制系統(tǒng)可以在一小時(shí)內(nèi)將溫度穩(wěn)定在0.01℃內(nèi)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

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［15］CATIA?is a Registered Trademark of the Dassault Systemes［Z］.

［16］SimDesigner?is a Registered Trademark of the MSC.Software Corporation［Z］.

［17］MATLAB?and SIMUL INK?are Registered Trademark of the MathWorks，Inc［Z］.

侯進(jìn)旺（1959-），男，河南洛陽人，碩士，副教授，主要從事工業(yè)控制電子方向的研究；

馮欣悅（1990-），女，山西運(yùn)城人，碩士，助教，主要從事圖像處理，電子信息方向的研究。

A Novel Design of Temperature Control System for Scanning Tunneling Microscope

HOU Jinwang*，F(xiàn)ENG Xinyue，HUA Xuehui
（Department of Electronic Information，F(xiàn)oshan Polytechnic Institute，F(xiàn)oshan Guangdong 528000，China）

Design a novel temperature control system for scanning tunneling microscope using a spherical closed surface capsule.Put ADS1247 as the the main circuit module for platinum resistance temperature control.The transfer functions of the capsule can be estimated as the first order system.The characteristic of transfer functions are analyzed to verify the performance of the temperature control system against the existence of an external disturbance temperature and an internal disturbance temperature.The simulation results show that the large time constant of transfer function has an advantage to isolate the system against the external disturbance in ambient environment very well.We believe that the temperature control system for a scanning tunneling microscope using the closed surface capsule with the fluctuation of temperature in the level of 0.01℃over the period of 1 hour can be constructed by redesigning of the structure of a spherical closed surface capsule based on the result of these preliminary experiments.It reached the design requirements and has obvious advantages.

STM；closed-surface；capsule；high stability

TN791

A

1005-9490（2016）03-0686-06

EEACC：7320R；7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.036