Le groupe Recherche de Harvard utilise NI LabVIEW et le matériel PXI pour étudier la croissance des nanofils

Author(s):
Quan Qing - Université d'Harvard

Industry:
University/Education, Research

Products:
Modular Instruments, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
Créer un amplificateur à verrouillage (lock-in LIA) virtuel, à grand nombre de voies, conçu pour la recherche en nanotechnologie.

The Solution:
Utiliser le logiciel NI LabVIEW et une solution à base de PXI multichâssis pour développer un amplificateur à verrouillage compact et très flexible.

Un amplificateur à verrouillage est un instrument utilisé pour détecter de très petits signaux AC dans un environnement bruité. Par exemple, un signal de 50 mV peut être perturbé par 5 V de bruit blanc. Les scientifiques utilisent ces amplificateurs dans bon nombre de domaines de recherche concernant les matériaux, la recherche médicale, la biologie et la géologie. Il existe plusieurs fabricants d'amplificateurs à verrouillage et différentes gammes de fréquences, d'amplitudes et de mesures de phase.

Dans le groupe Recherche de Lieber, qui est rattaché au Département Chimie de l'Université de Harvard, l'une de nos applications consistait à détecter des bio-molécules/virus spécifiques en utilisant des tableaux TEC (transistors à effet de champ) de nanofils. Le diamètre d'un nanofil équivaut à peine à 10 milliardièmes de mètre (10 nanomètres) en diamètre, soit environ cinq fois plus petit qu'un virus. Les TEC des nanofils sont supérieurs aux TEC Si en volume conventionnels en termes de sensibilité de la charge de surface à cause de leur structure unidimensionnelle et de la géométrie du matériel directe au lieu d'être enterrée. Les nanofils ont des applications potentielles qui servent à détecter des marqueurs de maladies dans les fluides du corps humain qui sont indicateurs de tumeurs, comme les cancers du sein ou des ovaires, et d'autres types de maladies, ainsi que des agents pathogènes utilisés dans la guerre biologique. Le capteur est si petit qu'il est possible d'implanter des détecteurs dans le corps pour contrôler en continu les niveaux d'insuline et d'autres molécules fondamentales. En corrélant des signaux provenant d'un tableau de plusieurs capteurs au lieu d'un élément unique, les méthodes statistiques peuvent servir à réduire et/ou à éliminer de faux signaux et des signaux de bruit, permettant par là-même des diagnostics de maladies plus fiables.

Pour obtenir des signaux simultanément depuis un tableau de capteurs TEC de nanofils, nous avions besoin de plusieurs voies de mesures à verrouillage de très petits signaux de courant. Nous avons utilisé une solution avec amplificateur à verrouillage (LIA) proposant les fonctionnalités suivantes pour extraire 128 voies de signaux :

• une vitesse d'acquisition simultanée de 25 kéch./s (minimum)
• une amplification à verrouillage avec un minimum de dix mises à jour par seconde
• la capacité d'extraire un signal embarqué dans un bruit comparable en amplitude
• la capacité à enregistrer 32 voies de données sur disque à 102,4 kHz

En utilisant le Kit NI de démarrage d'amplificateur à verrouillage, nous avons trouvé un exemple d'instrument virtuel (VI) susceptible d'être modifié et enrichi pour satisfaire nos attentes. L'exemple fourni dans le kit de démarrage incluait un algorithme écrit en NI LabVIEW qui traite des étapes de bouclage verrouillé par phase, de filtrage et de démodulation nécessaires pour effectuer une mesure verrouillée.

Nous devions relever deux défis afin de satisfaire les besoins de cette application. Tout d'abord, les techniques à verrouillage logicielles sont coûteuses si on les quantifie. Cela nécessitait de considérer le code capable d'optimiser la puissance de traitement pour une application multivoies. Nous avons déterminé que nous avions besoin d'utiliser un système à double processeur ainsi qu'un calcul distribué.

Deuxièmement, nous devions déterminer les spécifications et les besoins nécessaires et considérer si un VI pouvait remplacer de façon efficace son équivalent matériel traditionnel.

Nous avons proposé une solution multichâssis pour supporter un amplificateur à verrouillage à 128 voies nécessitant 25 kéch./s et une vitesse de rafraîchissement d'une seconde. Le système incluait quatre châssis, chacun doté de quatre modules DSA (d'acquisition de signaux dynamiques), d'un module NI PXI-6653 de synchronisation multichâssis et de cadencement afin de synchroniser le châssis, et d'un PC monoprocesseur pour contrôler chaque châssis.

Le VI à verrouillage original était prévu pour deux voies d'entrée : le signal d'intérêt et une fréquence de référence. Nous avons modifié le code LabVIEW pour accepter plusieurs voies d'entrée et apporté des changements supplémentaires afin d'utiliser deux processus parallèles distincts pour l'acquisition et l'analyse. Pour traiter le streaming de données, nous avons choisi une architecture PC distribuée. Les châssis PXI étaient connectés via MXI à leur propre PC pour assurer le streaming des données sur disque. L'équipe de recherche a synchronisé l'acquisition entre les châssis en utilisant le NI PXI-6653.

Les besoins des mesures ont spécifié une mesure de courant - une vitesse d'échantillonnage simultané de 25 kéch./s sur toutes les voies - ainsi que la capacité à extraire un signal stable provenant d'un bruit ambiant comparable. Le NI PXI-4472 a été choisi pour sa vitesse d'échantillonnage simultané de 102,4 kéch./s, ainsi que pour ses filtres anti-repliement et sa gamme dynamique de 110 dB. Des amplificateurs de gain personnalisés entre le spécimen du nanofil et le système PXI traitent la conversion du courant en tension.

Le système amplificateur à verrouillage virtuel que nous avons développé est actuellement utilisé par le groupe Recherche de Lieber. Comme le montre le graphe ci-dessous, ce système offre une réduction des coûts, des dimensions réduites et une souplesse plus grande que son équivalent traditionnel.

 

Prix
$93,100 USD - Virtuel
$512,000 USD - Traditionnel
 
Dimensions
[275 x 177 x 396,5 mm] x 4 - Virtuel
[495,3 x 133,5 x 431,8 mm] x 128 - Traditionnel
 
Flexibilité
oui - Virtuel
non - Traditionnel

 

Novembre 2007

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Quan Qing
Université d'Harvard
United States
quanqing@cmliris.harvard.edu

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