Übersicht über den Aufbau

Aus Wiki-500-Euro-RTM
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Überblick

Ziel war es ein möglichst autarkes und von äußeren Mitteln unabhängiges System zu konzipieren. Der Nutzer soll ohne weitere Ressourcen das RTM bedienen und steuern können. Um ein System zu erstellen, das nicht zeitgebunden und unabhängig von äußeren Faktoren, wie Softwareupdates oder Betriebssystemen ist, beinhaltet diese Realisierung alle nötigen Bauteile, um das RTM einzustellen, einen Scan auszuführen und eine erste Auswertung der aufgenommenen Daten anzuzeigen. Bis auf die weiterführende Nachbereitung der Daten erfüllt dieses RTM alle Funktionen, die auch professionelle Rastertunnelmikroskope leisten. Allein eine umfangreichere Datenaufbereitung und eine wissenschaftlichen Ansprüchen genügende Visualisierung des Scans benötigen wegen der erhöhten Rechenkapazität und beispielsweise größerer Displays externe Computer und Software. Diese Realisierung des RTM ist auf eine Betriebsweise mit konstantem Tunnelstrom und einer Messung der z-Raumrichtung ausgerichtet (siehe Überblick RTM-Technik).

Aufbau

Schematischer Aufbau des STM

Das RTM lässt sich prinzipiell in zwei große Bereiche unterteilen: die Scaneinheit und die Steuerungseinheit. Die Scaneinheit bezeichnet dabei alle Bauteile die mechanisch am Scan beteiligt sind, während in Steuerungseinheit die Steuerung und Verarbeitung der beim Scan aufgenommenen Daten stattfindet.
Das RTM ist sehr modular aufgebaut und die Module lassen sich jeweils einer Einheit zuordnen. Die Module können weitgehend parallel entwickelt werden und werden meistens erst im letzten Schritt, in der Verdrahtung, zusammengeführt. Näheres dazu ist auf der Seite Anleitung für den Nachbau zu finden, auf der ein Leitfaden zur Umsetzung dieser Realisierung angeboten wird. Nebenstehendes Bild zeigt einen schematischen Aufbau des RTM, der einen guten Überblick über die verschiedenen Module des STMs bietet.






Scaneinheit

Unter Scaneinheit fallen alle Module des Aufbaus, die mechanisch an dem Scan der Probe beteiligt sind. Ein Linsenhalter dient als Gehäuse der Scaneinheit. In diesem werden auf zwei verschiedenen Ebenen Spitze und Probe grob auf Abstand gehalten. Durch Millimeterschrauben können die beiden Ebenen zu einander parallel verschoben oder zu einander gekippt werden. Es gibt aktuell noch zwei verschiedene Bauweisen für das Gehäuse. Beide Arten sind sich sehr ähnlich, jedoch besteht die eine Variante aus zwei Ebenen, während die andere drei Ebenen hat. Die genauen Unterschiede und die Vor- und Nachteile sind auf der Seite Gehäuse beschrieben. Die Auswirkungen auf den Aufbau sind zwar von außen betrachtend erheblich. Allerdings sind die Unterschiede in den Bauteilen nur gering und die Arbeitsschritte sind ebenfalls nahezu identisch. Wenn sie sich unterscheiden, ist dies auf den entsprechenden Seiten vermerkt.
Die Feineinstellung und die Bewegung für den Scan erfolgt über eine Piezoeinheit, an der die Spitze montiert ist. Das Piezoelement wird an einer Ebene des Linsenhalters befestigt. Bei dem Aufbau mit drei Ebenen an die zweite Ebene von oben, und bei dem Aufbau mit zwei Ebenen an die oberste Ebene. Bei professionellen Mikroskopen besteht die Piezoeinheit aus drei separaten Piezos, sodass für jede Raumrichtung ein Piezo unabhängig geschalten werden kann. Diese Realisierung besitzt dagegen nur einen einzelnen Piezo. Dieser wird in vier voneinander isolierte Bereiche geteilt. Dadurch, dass die einzelnen Zonen sich nun unabhängig von einander ausdehnen können, werden die Diagonalen mit den Steuerungströmen für die x-Richtung und y-Richtung belegt. Die vertikale z-Richtung wird durch gleichzeitiges Ansteuern aller vier Bereiche geregelt. Diese Bauweise ist deutlich günstiger und einfacher umzusetzen.
Die Probe ist dabei auf einem Probenhalter befestigt, der bei beiden Aufbauten auf der untersten Ebene festgeklebt ist.

Steuerungseinheit

Die Steuerungseinheit besteht aus all den Modulen, die für die Steuerung der Mechanik, Datenerfassung und -verarbeitung zuständig sind. Das Zentrum bildet ein Mini-Computer, über dessen Interface der Benutzer Einstellungen für den Scan, den Scan selbst und eine vorläufige Auswertung des Scans vornehmen kann.
Für den Computer gibt es momentan zwei verschiedene Versionen. Einerseits gibt es den Aufbau mit einem STM32F407 und andererseits den Aufbau mit einem ESP32 in einem M5-Stack. Der Unterschied zwischen den Computern liegt in den informationstechnischen Möglichkeiten und den nötigen finanziellen Mitteln, für den restlichen Aufbau ist er marginal. Wirklich bedeutend dafür ist er nur in der Anbindung der Digital-Analog-Converter (DAC) und des Analog-Digital-Converters (ADC), die für die Ansteuerung der Piezo und die Auslesung des Tunnelstroms entscheidend sind, an den Computer. Ansonsten ist der übrige Aufbau der Steuerungseinheit der selbe. Details zu den beiden Varianten und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile finden sich auf der Seite Computer.
Für die Ansteuerung der Piezos müssen drei Schritte durchgeführt werden. Zuerst wird die digitale, quantisierte Spannung aus dem Computer durch DACs (Digital-Analog-Converter) in einen analoge Spannung umgewandelt. Dabei wird die Spannung von den aus dem Computer ausgegebenen ± 3.3 V auf die für den Piezo notwendigen ± 15 V erhöht. In beiden Computerarianten gibt es nur vier Ein- oder Ausgänge, einen für den Input des Tunnelstroms und drei Steuerungsausgänge für die drei Raumrichtungen. Um die vier Bereiche auf dem Piezo ansteuern zu können, müssen die Steuerungssignale für die drei Raumrichtungen entsprechend aufsummiert, also in vier Signale für die Piezoviertel umgewandelt, werden. Das und die Verstärkung der Spannung erfolgen durch einen Piezotreiber.
Damit der Computer den Tunnelstrom auslesen kann, muss er erst durch einen Vorverstärker verstärkt werden. Um Fehler zu minimieren und Effizienz zu optimieren ist es sinnvoll, ihn dieser möglichst nah an der Scaneinheit zu positionieren. Deshalb wird er auch am Gehäuse befestigt. Letztendlich muss der analoge Tunnelstrom durch einen ADC (Analog-Digital-Converter) digitalisiert werden, damit er vom Computer verabeitet werden kann.
Für das RTM werden verschiedene Stromkreisläufe benötigt (Steuerungsstrom, Biasstrom für den Tunneleffekt und Stromkreislauf des Computers), die um gute Messergebnisse zu erzeugen alle mit der gleichen Masse verbunden sein müssen. Für eine stabile Stromversorgung ohne teure Netzgeräte sorgen Batterien.

Fotos für den Überblick