PIC16C65單片機(jī)在掃描隧道顯微鏡中的應(yīng)用

1概述

掃描探針顯微鏡（STM）是納米科技發(fā)展中最重要的工具。他基于量子力學(xué)中的隧道貫穿理論，其核心是一個能在金屬樣品表面上掃描并與樣品間有一定的偏置電壓的直徑為原子尺度的針尖。當(dāng)樣品與針尖之間的距離非常接近時，電子就可以通過隧道效應(yīng)由針尖轉(zhuǎn)移到樣品或從樣品轉(zhuǎn)移到針尖，從而形成隧道電流。隧道電流的大小與他們的間距成負(fù)指數(shù)關(guān)系［1］：

I∝B exp(-KS)(1)

其中：I為樣品與針尖之間的隧道電流； B為與樣品和針尖之間的偏壓有關(guān)的系數(shù)； K為與自由電子的質(zhì)量及有效平均勢壘高度等有關(guān)的系數(shù)； S為樣品與針尖之間的隧道電流。

掃描隧道顯微鏡的基本構(gòu)成可以分為3個部分：頭部系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)。頭部系統(tǒng)中的掃描器是一個很關(guān)鍵的部件，掃描器的質(zhì)量決定了針尖和樣品間距的控制精度，從而決定了STM圖像的質(zhì)量。目前一般采用管狀的PZT壓電陶瓷材料。掃描器可以在x，y，z三個方向上做納米級的精密移動。xy掃描電壓發(fā)生器產(chǎn)生例如三角波的掃描波形，控制掃描器對樣品進(jìn)行逐行掃描。針尖固定在掃描器上隨掃描器運(yùn)動。在針尖與樣品偏置電壓的作用下，當(dāng)針尖和樣品足夠接近時，就會有隧道電流產(chǎn)生。靈敏的電流放大器檢出隧道電流，并把他轉(zhuǎn)化為電壓，再與電流設(shè)置點做比較，比較的結(jié)果反映了針尖與樣品間距與設(shè)定值之間的偏差。通常在STM電子學(xué)系統(tǒng)中引入比例積分控制器用做反饋電路，以調(diào)整掃描器z方向的運(yùn)動來保持隧道電流恒定，這時針尖與樣品在z軸方向的間距反映了樣品表面高度的起伏變化。這就是STM的恒流模式［2］。

目前國內(nèi)有多家生產(chǎn)掃描隧道顯微鏡的廠家，內(nèi)部電子學(xué)部分基本上是以DSP芯片為核心、 外部附加高精度A/D或D/A等外圍器件構(gòu)成。由于DSP芯片結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性，不方便使用和學(xué)習(xí)，下面介紹一種以Microchip公司生產(chǎn)的PIC16C65中檔單片機(jī)為核心、外圍附加1 6位的A/D轉(zhuǎn)換器MAX195及D/A轉(zhuǎn)換器AD1866器件的掃描隧道顯微鏡的電子學(xué)系統(tǒng)。

2 PIC16C65單片機(jī)與MAX195的接口

Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)具有哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，采用了類精簡指令集和指令流水 線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度非常快，可以完全取代DSP來工作［3］。MAX195是由MAXIM公司生產(chǎn)的16位串行輸出A/D轉(zhuǎn)換器，他速度快、功耗低并且具有自標(biāo)定能力。MAX195主要用于隧道電流的采集。MAX195與PIC16C65的連接及MAX195的外圍連接如圖1所示

圖1中PIC16C65單片機(jī)通過通用的I/O口D口的7個管腳與MAX195和MC14555連接。A/D轉(zhuǎn)換過程由PIC16C65的程序控制。本程序采用異步讀取方式，即在16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后再讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換開始時首先置/CONV為低電平啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后單片機(jī)不斷檢查/EO C管腳的電平是否變低，如果變低說明轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，單片機(jī)通過RD5口構(gòu)造16個串行輸出脈沖送入到MAX195，轉(zhuǎn)換后得到的16位數(shù)據(jù)通過RD4口逐位送到PIC單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行讀取和處理。

MAX195進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的子程序如下：