使用 NI ELVIS 與 LabVIEW 設計原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope，AFM)

Author(s):
Nebjosa Jaksic - Colorado State University - Pueblo

Industry:
Electromechanics/ Electrotechnics, University/Education, Research, Electronics

Products:
LabVIEW, NI ELVIS

The Challenge:
使用現成零件與廣泛使用的軟體套件，針對奈米技術設計高成本效益的原子力顯微鏡 (AFM)。

The Solution:
以現有的掃描器、壓電驅動器 (Piezo-driver)、光感測器 (Photo-detector)、NI ELVIS，與 NI LabVIEW 為基礎，建置成本 $10,000 美金以下的 AFM 系統。

AFM 為廣泛使用於奈米技術的裝置，可針對多種金屬或非金屬的奈米等級顆粒，進行成像作業並操作。然而，此裝置往往要價美金 $50,000 至超過 $500,000 不等。此篇文章將說明此專案所開發的AFM 裝置，並包含 1 組常見的掃描器、1 組壓電驅動器(Piezo driver)、1 組光感測器 (Photo-detector)，與 1 台安裝 NI ELVIS 與 NI LabVIEW 軟體的電腦。

AFM 可透過懸臂末端的尖端掃瞄物體表面，並進一步根據尖端所偵測的資訊產生表面影像。透過直徑為數個奈米的尖端，與可偵測數個pN 作用力的懸臂，即可產生奈米 (Nanometer) 尺寸的表面影像。同樣的，系統亦可操作奈米尺寸的物體。AFM 為化學、生物、生化，與醫藥研究所必備。AFM 可用於決定並檢驗奈米尺度範圍的研究結果。可使用AFM 所檢驗的材料，則包含厚薄不一的外層、陶製品、複合材料、玻璃、合成纖維、生物薄膜、金屬、聚合物，與半導體。

時至今日，常見的 AFM 往往極為昂貴，且其用途受到極大的限制。許多小型學校與研究機構並無法添購AFM。若要能普及使用 AFM，則需要高成本效益的新設計。

設計考量

AFM 包含可掃瞄樣本，僅數微米(Micrometer) 的掃瞄尖端；以奈米為單位量測表面的精確掃描器；進行掃瞄作業時，可驅動懸臂 x、y，與 z 方向的驅動程式；可偵測由懸臂傳回偏斜資料的機器；與軟體控制，可處理並顯示資料的資料擷取系統。為了要在數分鐘內取得數十微米的大範圍高解析度影像，AFM 必須於樣本表面迅速移動尖端，並搭配快速且精確的資料擷取系統。

依作者先前的經驗，某些製造商的資料擷取與控制介面卡精確度已符合此專案需求，但 NI 產品具有更友善的使用者介面。自從科羅拉多州立大學(Colorado State University) – Pueblo 工程系開始機電計畫以來，即開始挑選機電與控制實驗室的資料擷取和控制設備。既然實驗室與AFM 的系統需求極為相近，則我們選擇了 10 套包含 LabVIEW 的NI ELVIS 工作站。而 NI ELVIS 工作站之一則用於AFM 開發。

AFM 硬體

使用 Agilent 製造的掃描器 (先前用於分子成像)，搭配使用步進馬達驅動的蝸輪 (Worm gear) 粗調 (Coarse approach) 機器，並容納 4 元組真空管 (4 象限) 光感應器，安裝於 NI ELVIS 開發機板的上方。此項裝置安裝於厚重的金屬板上，並以4 組橡膠圈固定於鋼框中，以提升機器振動的隔離效果。要完成此項儀器，還必須使用 1 組NI ELVIS PC 控制介面卡與 1 組電腦。掃描器則包含1 組 3-D 致動器 (可延展、壓縮，或任意彎曲的壓電管)、可發出直徑為數釐米光束的雷射器，與連接3-D 致動器的懸臂：包含底部尖端與頂部的反射表面。雷射光束將反射至懸臂的頂端。4 元組真空管(Quad-diode) 光感測器將擷取反射的光束，跟著量測懸臂的偏斜程度。

資料擷取與控制系統

控制系統則分為 3 組子系統：粗調 (Coarse approach) 子系統、微調 (Fine approach) 子系統，與掃瞄子系統。資料擷取系統將處理、記錄，並顯示資料 4 象限光感測器所擷取的資料。

粗調控制子系統將透過 NI ELVIS 機板 (DO0、DO1、DO2，與 DO3) 上的 4 組數位輸出，以控制 400 步驟/解析度的步進馬達。並使用LabVIEW 8.0 的 VI 控制該組馬達。根據此VI，步進馬達, 步進馬達將透過蝸輪 (Worm gear) 與精確的螺絲組合，移動掃描器至樣本直到尖端碰觸到樣本。

微調控制子系統則控制壓電致動器的 z 軸。由於 NI ELVIS 機板上僅有2 組 16 位元的 DAC，因此正好負責x 與 y 壓電運動。而 z 軸運動則使用最高7 位元解析度的 12 V 可程式化電源。

掃瞄控制子系統則使用 NI ELVIS 機板上的 2 組 16 位元 DAC，以控制 x 與 y 方向的壓電運動，執行掃瞄功能。理論上來說，使用包含16 位元控制的 40 微米掃描器，則每步驟可達到約 0.6 奈米的解析度！而現在，尖端的直徑則成為AFM 解析度的限制因素。DAC 可達到 10 V 輸出。既然壓電管(Piezotube) 需要較高的電壓進行操作，則在輸入可程式化電源與 DAC 電壓至壓電管之前，即放大達10 倍。

資料擷取子系統包含 Advanced Photonix 公司的 4 象限光感測器、4 組 TL082AC 的低雜訊放大器，與 NI ELVIS 開發機板上的 ADC 共 4 個通道。光感測器的4 個象限將透過操作放大器，將電壓訊號傳送至 NI ELVIS 機板。透過這些訊號，則可決定感測器的雷射點(Laser spot) 位置，並可於前端面板中，以 x-y 圖表顯示感測器的雷射點。

軟體建置

為了控制 AFM，則必須建立流程圖、區分為 16 個步驟，並使用 LabVIEW 8.0 進行程式設計，以建立標準的狀態機器，讓每狀態執行程式碼，並決定下一個所要轉換的狀態。建立的 VI 將測試各個狀態，並以主要的 LabVIEW 程式搭配多種初始化(Initialization) 的 VI。

令人驚訝的是，在歷經約 6 個月的開發時程之後，我們竟然以 1/10 的成本就建立了所需的 AFM 系統；這一切都要歸功於 NI 產品。

Author Information:
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Nebjosa Jaksic
Colorado State University - Pueblo
Tel: (719) 549-2112
Fax: (719) 549-2519
n.jaksic@colostate-pueblo.edu

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