Nanonis Gmbh - LabVIEW를 이용한 고정밀 제어 시스템 구현

Author(s):
Jorg Rychen Tobias Vancura - Nanonis Gmbh

Industry:
ATE/Instrumentation

Products:
Real-Time Module, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
스캐닝 프로브 현미경을 위한 고성능의 최신식 컴팩트 제어 시스템을 개발해야 합니다.

The Solution:
내쇼날인스트루먼트 PXI 플랫폼, LabVIEW 7 Express, LabVIEW 7 Real-Time 모듈, LabVIEW 7 FPGA 모듈 및 PXI-7831R 재구성 가능 I/O 보드를 사용하여 사용이 편리한 모듈식 제어 시스템을 구현합니다.

스캐닝 프로브 현미경용 제어 시스템 향상
Nanonis에서는 새로운 방법으로 스캐닝 프로브 현미경(SPM)용 제어 시스템을 개발했습니다. University of Basel과 Swiss Federal Institute of Technology(Zurich)에서 SPM을 구축하여 사용했던 경험을 기초로 스캐닝 프로브 시스템과 함께 제공되는 소프트웨어는 대개 사용하기가 어렵고 산업 표준 시스템에서 요하는 유연성이 결여되어 있다고 생각됩니다. SPM 제어 시스템용 하드웨어는 일반적으로 혼합 아날로그 및 디지털 회로가 있는 여러 컴포넌트를 사용하고 높이가 수 피트에 달하는 랙 전체를 차지합니다. 우리는 제어 시스템을 구축하고 직관적 사용자 인터페이스를 만들 수 있는 보다 편리하고 유연한 방법을 원했으며 이러한 방법을 얻기 위해 완전 디지털 시스템으로 이동하여 소프트웨어의 모든 시스템 기능을 구현했습니다.

고정밀 스캐닝 프로브 현미경의 원리
AFM(Atomic force microscope)는 nanoscopic scale에서 표면 특성에 관심을 가지는 분야에서 사용되는 맞춤형 도구입니다. 샘플에서 날카로운 팁을 스캐닝하여 사용자는 표면의 형상(topography)을 기록할 수 있습니다. 이러한 현미경은 사용자가 개별 원자까지 볼 수 있을 정도로 정밀합니다. SPM은 자기 신호 표시와 마찰과 같은 전기 또는 기계적 속성을 포함하여 다른 보다 정교한 방법을 설명하는 폭 넓은 용어입니다. 사용자는 일반적으로 동적 모드에서 이러한 방법을 사용합니다. 즉, 팁은 표면 위에서 진동하며 팁과 표면 사이의 힘이 주파수 및 Q-인자 등의 진동 매개변수에 영향을 미치게 됩니다. 이러한 변화가 감지되면 피드백 루프가 팀-샘플 거리를 조정하여 비접촉(noncontact) 모드라고도 하는 특정한 팁-샘플간 상호작용을 유지합니다. 이 피드백은 매우 민첩하게 이루어져야 합니다. 개별 원자를 분해하는 실험에서 팁이 표면을 스캐닝하게 되는 거리와 속도는 지표면으로부터 1mm 높이로 최고 속도로 비행하는 점보 제트에 비교될 수 있습니다.

제어 시스템 속도의 최적화
최근 마이크로전자공학 분야에서 이루어진 발전으로 이제 완전 디지털 시스템을 구현할 수 있게 되었습니다. 하드웨어 플랫폼의 경우, 특정 및 제어 어플리케이션을 위한 산업용 PC의 개방형 표준인 PXI를 선택했습니다. PXI 섀시의 1.26GHz CPU에서 실행되는 LabVIEW 7 Real-Time 모듈로 시간 필수적인 제어 알고리즘을 구현했습니다. 이러한 알고리즘으로는 래스터 스캔(raster scan) 발생기, 팁-샘플 거리 컨트롤러, 데이터 수집 작업 및 엄격한 타이밍 요구사항에 부합하고 실시간 운영 체제에서 실행되어야 하는 기타 자세한 보조 피드백 컨트롤러가 있습니다. 역시 LabVIEW 7 Express에서 프로그래밍된 SPM 컨트롤러의 사용자 인터페이스는 이더넷 케이블을 통해 연결된 원격 컴퓨터에서 실행됩니다. I/O 작업을 구성하는 것 뿐 아니라 우리는 MHz 범위에서 작동해야 하는 알고리즘을 구성하는 데도 LabVIEW 7 FPGA 모듈을 사용했습니다. 또한 LabVIEW 7 FPGA 모듈을 사용하여, LabVIEW 코드를 작성해주면 하드웨어에 구현될 수 있는 알고리즘도 개발했습니다.

레이저 빔과 4개의 사분면 사진 검출기로 캔틸레버(cantilever)의 편향을 측정했습니다.

FPGA에 구현된 PLL의 블록 다이어그램에서는 high-Q 기계적 공진기를 위한 Reference 및 Excitation 신호를 생성하는 NCO(Numerical Controlled Oscillator)를 설명하고 있습니다. Lock-in에서는 공진기 응답 신호의 위상과 진폭을 검출하며 2대의 PID 컨트롤러는 공진 주파수를 추적하여 일정 진폭으로 진동을 유지합니다

PXI-7831R FPGA 하드웨어는 뛰어난 속도, 결정력과 실제적인 병렬 구조를 제공해 줍니다. LabVIEW 코드는 하드웨어의 신호 흐름과 매우 유사하게 보이므로 이 코드로 프로그래밍 가능 하드웨어를 설명하고 이를 칩으로 다운로드하는 것은 논리적입니다. 컨트롤러를 LabVIEW에서 프로그래밍했으므로 이를 실시간 엔진에서 FPGA로 쉽게 전환할 수 있었으며, 이는 초고속의 가장 시간 필수적 요구가 있을 때 FPGA를 사용하여 컨트롤러 속도를 최적화하는 데 도움이 되었습니다.

FPGA에 디지털 위상 잠금 루프 구축 및 테스트
LabVIEW 기반 시스템으로 우리는 PXI-7831R 재구성 가능 I/O 보드에 위상 잠금 루프(PLL)를 구축하여 테스트하였습니다. 첫 번째 구현에서는 실제 엔진의 위상과 진폭에 대해 PID 컨트롤러를 실행했습니다.
그 결과 최대 3kHz의 복조 대역폭에 도달하였으며 이 결과에 힘입어 FPGA에 완전한 PLL을 구현하기로 결정했습니다. 200kS/s로 실행되는 온보드 16비트 아날로그-디지털(A/D) 변환기 및 디지털-아날로그(D/A) 변환기와 32비트 누적 위상 레지스터를 사용하여 이제는 10kHz 이상의 복조 대역폭에 도달할 수 있습니다. 진동 주파수가 약 100kHz로 제한되어 있긴 하지만, 우리는 현재 이 주파수를 개선할 수 있도록 외부 룩업(Look-Up) 테이블과 고속 14비트 A/D 및 D/A 변환기 사용을 평가하고 있으며 외부 컴포넌트와 직접 인터페이스하는 PXI-7831R의 디지털 라인을 구성할 수 있도록 LabVIEW 코드를 작성했습니다.

PXI-7831R의 디지털 인터페이스를 사용하면 별도의 노력 없이도 시스템 기능을 확장할 수 있습니다. 최초 테스트 후에는 주파수 분해능이 0.1uHz인 24MS/s를 확실히 달성할 수 있습니다. 완전 디지털 구현의 두 가지 이점은 다음과 같습니다. 첫째, 아날로그 전자 시스템으로는 높은 위상 정확도가 불가능합니다. 둘째, 최고의 분해능을 위해 10kHz 이상에서 millihertz(mHz) 범위까지 복조 대역폭을 조정할 수 있습니다.

비용 절감 및 효율성 향상
LabVIEW 7 FPGA 모듈을 통해 우리는 뛰어난 성능의 완전 디지털 PLL을 구현했습니다. LabVIEW의 직관적 병렬 구조는 VHDL과 같은 FPGA 프로그래밍 언어에 대한 지식 없이도 효율적이며 구조화된 모듈식 코드를 쓰는 데 필수적이었습니다. 기존의 실시간 컨트롤러를 FPGA와 완벽하게 통합함으로써 어플리케이션의 성능을 한층 향상시킬 수 있습니다.
우리는 PLL 비용을 20,000 달러 절감했으며 LabVIEW 7 FPGA 시스템 성능은 외부 컴포넌트를 사용하던 기존 설정보다 훨씬 향상되었습니다. LabVIEW를 사용하면 FPGA, PXI 실시간 컨트롤러 및 그래픽 사용자 인터페이스를 프로그래밍하기 위한 고유한 개발 환경을 구현할 수 있습니다.

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Jorg Rychen Tobias Vancura
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