一种新型的扫描隧道显微镜温度控制系统的设计

侯进旺，冯欣悦，化雪荟

（佛山职业技术学院电子信息系，广东佛山528000）

一种新型的扫描隧道显微镜温度控制系统的设计

侯进旺*，冯欣悦，化雪荟

（佛山职业技术学院电子信息系，广东佛山528000）

设计了一种新型的扫描隧道显微镜温度控制系统，温度控制以ADS1247为主电路模块的恒流源法的铂电阻温度控制。系统使用球形封闭曲面，球腔的传递函数可以被估计为一阶系统。为了验证该系统对内外温度干扰的抵抗性能，对传递函数的特性进行了实验分析。仿真结果表明，有较大时间常数的传递函数可以使系统更好地抵制外界环境的干扰。通过重新设计的密闭曲面壳体结构，可以使得扫描隧道显微镜设计的温度控制系统在一小时内把温度波动范围稳定在0.01℃内，达到了设计要求，具有明显的优越性。

STM；封闭表面；密封腔；高稳定度

纳米技术的快速发展急需要一种应用范围为毫米级、分辨率为亚纳米级新的长度测量和定位控制方法。就目前而言，长度测量的标准方法是激光干涉法，其他重要的方法如采用常规晶体点阵法作为参考依据。Binnig G和Rohrer H［1-2］发明的扫描隧道显微镜已经成为了出色的工具，它可以用来获取空气中晶体表面原子的图像［3-4］。将STM作为检测器与晶体表面作为参考和定位控制相结合来实现实时原子编码技术的可行性已被证实［5］。纳米技术研究［6-8］表明，环境条件特别是振动和温度在环境中起着重要的作用。为了克服环境的影响，通过利用高质量的设备设计和制造特殊的环境控制系统［9-10］成为当今的研究趋势。其中，通过结合振动隔离设备和热稳定单元的方法更简单有效［11-12］。然而，在对内部温度进行补偿时，Aketagawa M［13-14］忽略了一个机理：STM自身的能量消耗也会产生热量。因此，为了增强热稳定单元的性能，单元的结构应当被重新设计。

在本文中，首先设计了以ADS1247为主电路模块的恒流源法的铂电阻温度控制。将ADS1247输出的可编程恒定电流作为铂电阻激励源，并采用ADS1247集成的可编程放大器放大铂电阻的电压降，然后将放大器输出的信号进行24位模数转换。电路结构简单，测量精度及稳定性好。然后研究了为补偿STM产生的内部干扰而设计的球形封闭曲面壳体，并进行了模拟仿真和实验。

收稿日期：2015-06-13修改日期：2015-07-13

1　温控电路设计

采用恒流源法进行铂电阻温度控制，需要向铂电阻提供恒定的电流。本设计采用基于TI公司的ADS1247的铂电阻的测温方案，将ADS1247输出的可编程恒定电流作为铂电阻激励源。测量过程中，采用ADS1247集成的可编程放大器放大铂电阻的电压降，并将放大器输出信号进行24位的A/D转换。

1.1三线制铂电阻的测量方法设计

三线制热电阻采样时，首先需要对多路选择开关进行配置。MCU通过SPI口向ADS1247写入控制字，达到对多路选择开关MUX的配置目的。通过配置多路选择开关，使得2个电流源与三线制热电阻的连接关系如图1所示。连接关系配置结束后，配置PGA参数，然后配置电流源并启动电流源。

图1　三线制热电阻测量示意图

当电流流过铂电阻时，会产生电压降；同样电流流过热电阻的连线电阻时，也会产生压降。所以加在PGA上的差分电压如式（1）所示：

其中，U为加在PGA上的差分电压；RPT为实际热电阻值；RW1为热电阻a端一根导线的电阻；RW2为热电阻b端一根导线的电阻；I为恒流源输出电流值。

两路恒流源电流汇聚后，流经参考源采样电阻Rref产生电压降，该电压作为ADS1247内部模数转换器参考源，参考源电压如式（2）所示：

其中，Uref为模数转换器参考电压值；Rref为实际参考电阻值；I为恒流源输出的电流值。

通过公式推导，三线制热电阻采样值与实际值的关系如式（3）所示：

其中，Rpt为实测热电阻值；RPT为实际热电阻值；为理论参考电阻值。由式（3）可知，三线制热电阻测量精度与热电阻线电阻差值（RW1-RW2）及参考源采样电阻的精度有关。

1.2提高测量精度方法的设计

由式（3）可知，三线制电阻测量精度与参考电压取样电阻及热电阻线电阻差（RW1-RW2）有关。因此，要想实现高精度测量，必须选择高精度和高稳定性的电阻作为参考电阻采用RX70精密绕线电阻，精度为万分之一。绕线电阻具有精度极高，工作时噪声小，稳定可靠，温度系数小，耐高温等优点。为减小线电阻差的影响，实际应用中保持铂电阻导线等长。为减小电路板上导线电阻引起的误差，铂电阻接线端与参考电阻要尽可能靠近ADC芯片引脚，并尽量确保电路板上的导线等长。

在上式推导中，均假设PGA和ADC均不会引入误差。但实际情况并非如此。在实际应用中，当输入为零时，模数转换器的输出并不为零，存在误差。使得测量不能达到预期精度。因此在启动ADC进行数据转换之前，要对ADS1247进行系统偏置校准和增益校准。

本设计采用ADS1247的数字滤波器减小工频干扰，数字滤波器放置于模数转换之后，其作用是对采样值进行数字滤波处理，从而达到滤除干扰噪声的目的。数字滤波器的滤波特性与采样速率有关，实际中ADC的数据速率为5 sample/s。数字滤波特性如图2所示，50 Hz、60 Hz工频干扰噪声均被衰减70 dB以上。

图2　数字滤波特性（5SPS）

在电路设计上，ADS1247单独供电，通过0欧电阻将模拟地与数字地隔离。在电路板上采用大面积铺地，进一步降低电磁干扰。实际应用中发现，在差分输入端与参考电压端接滤波电容，可进一步提高有效转换位数。

1.3温度测量电路设计

图3　三线制铂电阻测温电路图

ADS1247中集成了可编程放大器、24 bit精密ADC芯片和数字滤波器，很大程度上简化了电路设计。测量电路如图3所示。其中1、2、3端分别接铂电阻的3根引出线。ADS1247 的AIN0、AIN1引脚既作为恒流源输出引脚，也作为PGA的差分输入引脚。差分输入端与参考电压端所接滤波电容均选取2.2。

1.4温度信号处理设计

铂电阻在正温度区时，阻值与温度呈现非线性。同时由于电路中阻值的误差及模数转换器的误差，会导致系统误差。这些都会最终影响系统的测量精度，因此需要对测量结果进行线性化处理和校正。

由于系统中电阻值的误差以及模数转换器的误差，系统的零点与理论值之间存在误差，所以在进行线性化处理之前，要先确定系统的零点，即当铂电阻阻值为100 Ω时，ADC的输出值。

实际中用万分之一精度的100 Ω绕线电阻代替铂电阻，记录下此时ADC的输出值，并存入单片机存储器中。这个输出值即为0℃时，ADC的实际输出值。

Pt100在0～926℃内可以用电阻-温度的二次多项式函数表示：

式（4）也称为分度函数，其中A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7。实际使用时，为了保证测量精度及便于在测控系统中应用，有必要对其进行非线性校正或补偿。为克服铂电阻的非线性，最行之有效的方法是让单片机采用查表和线性插值法，以从A/D的输入值再现实时温度值。

首先计算出温度在0～40℃范围内每增加1℃时，ADC对应的数字输出量变化值。然后与零点时的输出值相加，计算出整数温度值对应的数字输出量，以数组stand［n］的形式存入单片机存储器中，这就完成了制表工作。

单片机启动模数转换器后得到的结果与表格内的数组 stand［n］进行比较，直到 stand［n］≤stand［t］＜stand［n+1］时，停止比较。此时 n的值即为所测温度值的整数部分。然后接着再去应用线性插值法计算出温度的小数部分，由stand［t］-stand［n］和stand［n+1］-stand［n］的比值即可得出三位小数。

2　模拟仿真

为了满足热均匀性，仿真中封闭表面壳体被设计成球形，该腔由两个铜罩、一个热交换层和两个热隔离材料层构成，仿真中所用密闭表面壳体示意图如图4所示，其中Text（t）是外部干扰温度，Tpipe（t）是施加在热交换层上的温度，Tcap（t）是壳体内的温度。

图4　密闭表面壳体示意图

为了验证球形结构的优越性，模拟仿真实验在CATIA®［15］中完成，它结合了Sim-Designer®［16］模块。在仿真中，外部铜罩和内部铜罩的直径分别为70 cm和50 cm，两层铜罩间放置平均直径为60 cm的换热层。隔热材料用来填充两层铜罩间的剩余空间。

为了确定该球腔的传递函数，阶跃输入信号通过温度的突然变化来实现。首先，在外部阶跃干扰温度Text（t）下测量腔内温度Tcap（t）。其次，在热交换铜管内阶跃干扰温度Tpipe（t）下，测量壳体内部的温度Tcap（t）。

图5　仿真结果图

当壳体被施加的外部阶跃温度为Text（t）和当热交换铜管被阶跃温度Tpipe（t）干扰时，壳体内温度Tcap（t）响应仿真显示Text（t）和Tpipe（t）的初始温度和最终温度分别是25℃和35℃。研究中记录温度响应的时间步长和时间周期分别是是30 min和8 h。仿真结果如图5所示，结果表明腔的传递函数Tcap（s）/Text（s）可以估计为一阶函数，传递函数Tcap（s）/Text（s）的时间常数是78 min。在同样的方式下，热交换层的传递函数Tcap（s）/Tpipe（s）可以估计为一阶函数，Tcap（s）/Tpipe（s）的时间常数是 48 min，比Tcap（s）/Text（s）小了近39%。

3　实验分析

为了以后便于安装STM，封闭曲面壳体的原型由两个半球形部分组成，分为上层部分和下层部分如图6所示。

图6　构建的密闭曲面壳体

每个部分包括两个半球形铜罩和一个用于热交换的半球形螺旋铜管。所构造的壳体用于获取传递函数，然后与仿真结果相比较。因为实际中很难像仿真中那样给壳体提供一个外部温度的阶跃变化，所以壳体内温度Tcap（t）的测量是通过改变实验室中的干扰温度Text（t）来得到的。与仿真中条件相同，温度每30 min记录一次，记录8 h。斜坡信号的标准化温度响应如图7所示，当实际腔的外部干扰温度Text（t）变化时，腔内温度Tcap（t）响应。该响应表明传递函数Tcap（s）/Text（s）可以近似为一阶函数，时间常数为60 min，比仿真结果小了23%。这是因为实验中使用了两个半球形铜罩，而仿真中使用了一个球形铜罩。

图7　斜坡信号的标准化温度响应

尽管如此，理论上的传递函数应当具有相同的形式。所以传递函数Tcap（s）/Text（s）可以近似为：

通过对比仿真结果，可以估测出传递函数Tcap（s）/Tpipe（s）。该传递函数的时间常数比Tcap（s）/ Text（s）小39%，可表示为：

4　性能测试

在MATLAB和SIMULINK［17］中修改表达式（5）和式（6）所示的传递函数，可以分析出热交换控制系统的性能。仿真中的原理图如图8所示。Tcap（s）/ Text（s）的时间常数为60 min，Tcap（s）/Tpipe（s）的时间常数为36.6 min。同时也呈现了随机外部干扰Ext. Dist.的框图和斜坡形式的内部干扰Int.Dist。

用阶跃模块Setpoint来设置热交换层的温度设置点。随机模块 Ext.Dist.和斜坡模块 Int.Dist.分别用来产生外部干扰温度Text（t）和内部干扰温度Tint（t），输入到壳体的传递函数。由于系统可估计为一阶系统，所以可应用传统的没有相互作用的PID控制器。该控制器的参数通过手动调整。

仿真结果如图9所示，当密封腔被外部温度Text（t）和内部温度Tint（t）干扰时，腔内温度Tcap（t）的响应。结果表明即使外界干扰温度发生无序的变化，简单的PID控制器也可以有效的控制壳体内的温度。这是 Tcap（s）/Text（s）的大时间常数为60 min所带来的优势。

图9　仿真结果图

为了研究热交换控制系统由于抵抗设备能量消耗而引起的内部干扰温度的性能，我们进行了更近一步的实验。结果表明当Tcap（s）/Tpipe（s）的时间常数为36.6 min时，系统内部干扰温度较快的上升速率会引起系统的不可控性。当降至5 min时，仿真表明，系统热上升速率变小，并且偏差温度更小。由此可以得出结论：系统抵抗内部温度干扰的鲁棒性与热交换过程的时间常数成反比。为了减小时间常数，必须重新设计该壳体的结构。图10中所示的结构几乎和初步实验时的壳体的结构一样，但是用作热交换层的螺旋铜管的结构发生了变化。在这个新提出的结构里，依附在内部铜罩上的螺旋铜管会尽可能地减小时间常数。

图10　新设计的密封壳体结构示意图

5　结论

本文提出了一种新型的为扫描隧道显微镜设计的温度控制系统。仿真实验中的密闭表面球形壳体由两层铜罩，一个用作热交换层的铜管和两层热隔离材料构成。外部铜罩和内部铜罩的直径分别为70 cm和50 cm，两层铜罩之间放置平均直径为60 cm的热交换层。铜罩间的其余空间用热隔离材料填充。当外界温度和内部温度发生阶跃变化时，壳体内部的温度响应被分别记录下来，记录周期为8 h。仿真实验表明，该壳体的传递函数可近似为一阶函数。用构建的封闭曲面壳体进行实验，初步得到传递函数。测试结果表明，该壳体的传递函数是一个一阶函数，与仿真结果一致。用此传递函数来验证该温控系统的性能。因为该壳体的传递函数是一阶的，所以在仿真中采用传统的PID来验证系统抵抗外部温度干扰的性能。PID的参数通过手动调整。仿真结果表明，Tcap（s）/Text（s）的时间常数较大，即使外部温度无序的干扰该系统，系统仍具有很高的鲁棒性。对于热交换过程，温控系统的鲁棒性与Tcap（s）/Tpipe（s）的时间常数成反比。因此，减小时间常数可以提高系统补偿内部温度干扰的性能。仿真实验验证了本文通过修改热交换层的结构所设计出的此新型温度控制系统可以在一小时内将温度稳定在0.01℃内，具有一定的实用价值和广泛的应用前景。

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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］.

侯进旺（1959-），男，河南洛阳人，硕士，副教授，主要从事工业控制电子方向的研究；

冯欣悦（1990-），女，山西运城人，硕士，助教，主要从事图像处理，电子信息方向的研究。

A Novel Design of Temperature Control System for Scanning Tunneling Microscope

HOU Jinwang*，FENG Xinyue，HUA Xuehui
（Department of Electronic Information，Foshan Polytechnic Institute，Foshan 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