Prueba de la electrónica del STM

El objetivo de esta prueba es el de determinar el funcionamiento correcto del sistema electrónico del KIT STM. Para esto se realizaron diferentes procedimientos con el fin de descartar errores en los diferentes módulos de la electrónica explicados con anterioridad.

Funcionamiento del modulo de control

Lo primero que se probó fue el funcionamiento del modulo de control. La señal de entrada a este módulo corresponde a una señal de voltaje proveniente del módulo de pre- amplificación. Por tal motivo, se utilizó una entrada de voltaje implementada con un generador de funciones seleccionando una señal sinusoidal a baja frecuencia (0.5 Hz) para poder obtener todo el barrido de voltaje por medio del sistema de adquisición. La determinación de la amplitud de la señal de entrada se basó en la amplitud máxima de la señal de salida la cual corresponde a ±10 V, según la configuración de la tarjeta de adquisición del sistema STM. Como el sistema electrónico cuenta con un ajuste del nivel de offset, este se configuro en 0 V para así obtener una entrada simétrica, la cual resultó ser de ±1.7 V, valor determinado por ensayo y error. Por medio de esta diferencia, se pudo determinar la ganancia de voltaje del módulo de control la cual corresponde a aproximadamente 6 V/V. La señal adquirida por medio del software de adquisición al igual que su representación en 3D utilizando los algoritmos de filtraje se pueden ver en la Figura 24.

Figura 24: Graficas obtenidas por prueba de electrónica – modulo de control.

Como podemos ver en la figura anterior, la señal sinusoidal de entrada se puede ver representada por una variación en la escala de amplitud de la figura adquirida por medio del software SPM4all y su representación en 3D. Aquí podemos ver representado claramente el rango completo de salida, con lo cual podemos probar el funcionamiento correcto de la electrónica del módulo de control. Cabe la aclaración que para la prueba realizada se utilizó la salida Iout. De igual forma, se probó el ruido generado por el modulo de control sobre la imagen final adquirida. Para esto, se colocó una señal de

voltaje constante a la entrada del módulo de control con un valor aproximado de 0.47 V, con lo cual se obtuvo una señal constante de salida de aproximadamente 2.47 V. El ruido generado por el modulo de control no es significativo ya que no es percibido por el sistema de adquisición, como se puede ver en la Figura 25. Aquí podemos apreciar un plano libre de ruido aun visualizado con una escala del orden de mV.

Figura 25: Prueba de ruido generado por modulo de control con entrada de voltaje constante

Funcionamiento del módulo pre-amplificador

Una vez probado el correcto funcionamiento de la electrónica del modulo de control, procedemos a probar la electrónica del modulo de pre-amplificación. La prueba de este módulo se realizó utilizando el módulo de control como acople entre el módulo a probar y el sistema de adquisición, ya que es por medio de este que podemos generar las imágenes de validación. Para la prueba de este modulo, se tuvo que implementar una fuente de corriente con el fin de simular el principio físico de generación de corriente por tunelamiento. El problema principal con la fuente de corriente a implementar es la manipulación de corrientes del orden de nA, ya que son corrientes de muy baja amplitud, no solo difícil de generar sino difícil de controlar. Por medio de este proyecto se tuvo una primera aproximación a la implementación de la fuente de corriente requerida controlada por voltaje utilizando un amplificador operacional en modo de conversión de voltaje a corriente como se puede ver en la Figura 26. Para poder obtener las corrientes deseadas, la fuente de corriente se implementó utilizando resistencias de aproximadamente 10 Mȍ con voltajes del orden de 10 mV correspondiente al voltaje de entrada de la fuente.

Figura 26: Fuente de corriente controlada por voltaje.

Utilizando la fuente de corriente implementada se generaron las gráficas de la Figura 27 con resultados aceptables. Vemos que a medida que aumenta la corriente teórica, se generan diferentes niveles de valores de corriente en las gráficas generadas partiendo de los datos registrados por medio del sistema de adquisición. De esta forma se demuestra parcialmente el funcionamiento adecuado de la electrónica del módulo de pre- amplificación. Se puede concluir de este experimento la variación relativa de los niveles de voltaje adquiridos por la tarjeta a medida que cambia el valor de corriente de entrada al sistema. No se puede determinar órdenes de magnitud ni realizar una calibración del STM adecuada ya que no se cuenta con una fuente de corriente calibrada para los órdenes de magnitud requeridos. La Figura 27f corresponde a un amento de la escala en la dirección Z, donde se puede notar las variaciones en la corriente de entrada al sistema. En esta misma imagen se puede evidenciar la sensibilidad del microscopio a la interferencia electromagnética. Los picos de alta amplitud son generados por interferencia con un equipo celular que se encontraba cerca al sistema el cual recibió una llamada.

(a) I teórica = 1.06 nA (b) I teórica = 0.52 nA

(c) I teórica = 0 nA (d) I teórica = - 0.59 nA

(e) I teórica = -1.08 nA (f) Aumento gráfica (e) Figura 27: Grafica de la implementación de la fuente de corriente