扫描电化学显微镜的探针驱动电路

扫描电化学显微镜(SECM)是80年代发展起来的一种电化学现场检测新技术。该技术驱动非常小的电极(探针) 在靠近样品处进行扫描,样品可以是金属、半导体、高分子、生物基底等材料。SECM具有化学灵敏性，可测量微区内物质氧化或还原所产生的电化学电流，从而获得对应的微区电化学和相关信息。它主要由电化学部分(电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪器)，用来精确地控制、操作探头和基底位置的位移驱动器，以及用来控制操作、获取和分析数据的计算机(包括接口)等三部分组成，SECM系统原理如图1所示。

图1  SECM原理图 

　　位移驱动部分是通过超精密定位技术(UMDE)实现对探针的三维空间微位移的精准控制，操纵探头和基底间保持相对稳定，以便获得样品表面信息。它既是SECM控制系统的基本组成部分，也是SECM实现纳米级分辨率的关键技术之一。为了获取样品尽可能完整的信息，要求驱动位移空间相对样品有较大的量程，可达到厘米级别。同时高分辨率要求必须是超精密定位，分辨率可达到亚微米。因此，SECM的驱动部分采用宏微两级位移控制系统。宏定位采用步进电机，微定位采用压电陶瓷。一个好的驱动控制电路是影响SECM位移精度的关键因素，因此本文着重于设计二级位移系统的控制电路。

步进电机宏定位

　　步进电机作为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。由于可以通过控制离散的脉冲个数来控制角位移量，从而可以满足SECM准确宏定位的目的。步进电动机的控制占用大量的CPU工作时间，会影响了系统的整体性能。本驱动系统设计采用一种基于ARM微控制器的由L298构成的控制和驱动电路，既不占用CPU大量的时间，又能获得良好的控制和驱动效果。

　　SGS公司的L298步进电机控制器的片内PWM斩波电路产生开关式控制绕组电流。该器件的一个显著特点是仅需时钟、方向和模式输入信号。步进电机所需相位由电路内部产生，它产生两相双极性驱动信号和电机电流设定。L298内含两个高电压大电流双桥式驱动器，可驱动电压最高46V、每相2.5A的步进电机，组成的两相双极性的步进电机驱动电路，原理如图2所示。由ARM芯片LPC2138输出PWM信号，经过光电隔离器TLP521-2，再与两个IO口组合送入双输入四与门74LS08实现正反转控制。SECM需要三维驱动，此处只画出一路电路。

图2  步进电机驱动电路

压电陶瓷微定位

压电陶瓷驱动电源

　　压电陶瓷是利用电介质在电场中的压电效应，直接将电能转换成机械能，产生微位移的换能元件。因其高刚度、高频响、推力大和高分辨率等优点，广泛应用于航空航天、精密测量、生物工程、机器人等领域。驱动电源对压电陶瓷和机构的微位移影响很大，故性能良好的驱动电源是实现高精度位移的关键。压电陶瓷对驱动电源要求如下：一定范围内连续可调、输出稳定性好、纹波小、分辨率高。

　　压电陶瓷驱动电源从原理讲可以分为电压控制型和电荷控制型。这里采用电压控制型，由直流放大器芯片对控制电压信号进行线性放大和功率放大，输出0~150V连续可调的直流电压。它决定着电源输出电压的分辨率和稳定性，是整个电源的关键。

高压运放电路

　　Apex公司的PA69是一个高压、高速功率运算放大器，可采用单/双电源供电；转换速率非常高，可达到200 V/mS；可以提供高达50mA的恒定输出电流，其峰值输出电流达100mA。PA69待机电流很小，一般不到1mA；具有限流保护功能。

　　选用的压电陶瓷等效电容为0.1mF，需要0~150V的连续可调输出电压，频率0~1 kHz(正弦波)，则所需转换速率为：

S.R=2pfV(1×10-6)=2p×1000×150×(1×10-6) = 0.94V/mS

所需最大负载电流为：
I=S.R×CL = 0.94V/mS×0.1mF=94mA

　　所选定的PA69运算放大器符合要求，电路如图3所示。其中引脚6、7为输入，2为输出，3和10以及8和11外接补偿电阻和电容，构成相位补偿网络，实现相位补偿。1和2引脚之间接限流电阻，形成对运放的限流保护功能。

图3  压电陶瓷驱动电源

失调电压补偿

　　在室温(25℃)及标准电源电压下，输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，在输入端加入失调电压VIO。实际上指输入电压VI＝0时，输出电压VO折合到输入端的电压是负值，即VIO＝－(VO|VI=0)/AVO。

　　PA69的最大失调电压为3mV，对分辨率要求为10mV以下的压电陶瓷驱动电源，PA69的输入特性不能满足设计要求，需要对电路的前级输入进行优化。为了减小输入失调电压，在该电源的线型放大部分，采用由OP07和PA69组成复合放大电路。MAXIM公司的OP07具有高精度输入失调电压，最大为为75mV。由PA69和OP07组成一个新的具有负反馈的放大器，其输入失调电压为 75mV×30 = 1.5mV < 10mV, 满足输入特性的要求。

　　放大器的输入电压为0~5V，输出电压为0~150V，故根据特性曲线选定PA69的闭环放大倍数为30。整体电路如图3所示。

实验及结论

　　压电陶瓷步进电机经过机械装配后，采用以上电路进行实验，测得精密定位仪最大量程可达2.5cm，最小分辨率可达10nm，较好地满足了SECM对探针的定位要求，在实验中得到了很好的应用。