Fjernindsprøjtning af laserfejl under pandemi | Hovedbog

Fjernindsprøjtning af laserfejl under pandemi | Hovedbog

Tidsstempel: 16. maj 2023 kl. 12
Kildeknude: 2657380

Dette korte indlæg beskriver nogle laserstationsforbedringer, vi lavede for at kunne køre vores eksperimenter eksternt.

Opsætningsproblemer

Vores laserfejlinjektionsplatform er lavet af et mikroskop, der bruges til at fokusere en laserkilde ned til en enhed, der testes. Den er udstyret med et infrarødt kamera til at observere den interne arkitektur af den målrettede chip og justere laserstråleformen. Heldigvis er den udstyret med et motoriseret trin, som gør det muligt at flytte laserstrålen hen over chippen fra vores brugerdefinerede softwareapplikation. Alle de værktøjer vi udviklede kører på Linux styresystemet, og det er derfor muligt at bruge dem via en SSH forbindelse, forudsat at du har en god internetforbindelse. Vi stod over for nogle latensproblemer i forbindelse med mikroskopkameraets livebillede, som vi hurtigt løste ved at slå SSH-komprimeringsmuligheden til (-C) som ikke er aktiveret som standard og i høj grad reducerer den nødvendige streamingbåndbredde. Ikke desto mindre krævede nogle elementer på det tidspunkt stadig intervention in situ:

  • Styring af kameraets lyskilde: Et dedikeret udstyr giver infrarødt lys til at oplyse chippen til kameravisualisering.
  • Åbning eller lukning af den mekaniske kameralukker: denne lukker er en del af mikroskopet og skal lukkes, når laseren bruges.
  • Udskiftning af mikroskopobjektiv: 4 forskellige optiske objektiver er monteret på et mekanisk roterende tårn og tillader forskellige mikroskopforstørrelser.

Nedenfor er detaljeret beskrevet, hvordan vi tilpassede vores testbænk til at fjernstyre lukkeren og lyskilden. Vi ønskede især at begrænse omkostningerne ved disse tilpasninger og gøre dem tilgængelige så hurtigt som muligt.

Styring af lyskilden

Siliciumsubstratet af halvledere er semi-transparent for infrarødt lys, og med et infrarødt kamera er det derfor muligt at observere kredsløbs indre struktur. For at gøre observationen mulig, skal kredsløbet være belyst med en infrarød lyskilde. Vores lasermikroskop blev leveret med et dedikeret lyskildeudstyr, en Hayashi LA-150CE, som har en strømafbryder og en knap til at justere lysintensiteten, som vist nedenfor. Når en lasertestkampagne startes, slukker vi normalt lyskilden, da den kan forstyrre komponenterne, især når prøverne fortyndes.

Når vi kiggede på bagsiden af ​​udstyret, fandt vi en "fjern"-kontakt og et eksternt stik var tilgængeligt. Vi forstod, at denne lyskilde giver mulighed for fjernbetjening gennem et tidligere årtusinde-stik. Lidt dokumentation kan findes på nettet, men vi identificerede i et Hayashi-katalog, at der findes en LAN kontrolenhed kompatibel med denne lyskilde. Dette produkt er dog udgået. Desuden er LAN-forbindelse ikke særlig praktisk. I samme katalog fandt vi specifikationen for lyskildens stik. Selvom det ikke er særlig detaljeret, var det nok at prøve dette af.

Fjernbetjening pinout fra Hayashi produktkatalog:

Denne grænseflade giver to hovedinteressante funktioner:

  • Digitale ben 1 og 8 kan bruges til at tænde og slukke lampen ved at kortslutte dem eller ej. Pin 8 er faktisk jorden, så kun pin 1 er virkelig relevant.
  • Den analoge ben 2 styrer lysintensiteten med et signal, der spænder fra 0 V (minimum intensitet) til 5 V (maksimal intensitet). Når fjerntilstand er aktiveret, omgås frontpanelpotentiometeret, og lysintensiteten styres direkte af denne pin.

Vi besluttede at bygge vores eget fra bunden Hayashi Light fjernbetjening ved hjælp af følgende dele:

  • En STM32 mikrocontroller til at være vært for den indlejrede applikationskode,
  • En FT232 USB-til-seriel konverter til at tillade styring af donglen fra USB,
  • En AD5621B digital-til-analog konverter til 0 til 5V analog signalgenerering for at kontrollere lysintensiteten.

Vi designede printkortet vha KiCad. For at være ærlig kan dette design være en smule overdimensioneret: mikrocontrolleren er for stor til det nuværende behov, og FT232 kan fjernes, da STM32-enheder allerede har USB-kapacitet, på bekostning af softwareudviklingstid. Vores mål var at gøre det hurtigt og beskidt og genbruge nogle af vores allerede designede skemaer.

For sjov, og fordi vi mener, at dette er et meget lovende sprog, udviklede vi mikrocontroller-firmwaren i Rust.

Vi har endelig designet et simpelt plastikkabinet vha FreeCAD, og printede det med modellering.

Uventet var den sværeste del af dette projekt at identificere stikket (reference 5710140 fra Amphenol for den mandlige side), og også købe det, da det er forældet og ikke længere sælges af mange leverandører. Delleverandørens søgemaskine Octopart kan hjælpe.

Alle skemaer og designfiler er tilgængelige på vores GitHub repository.

PCB og kabinet
Styring af kameraudløseren

I mikroskopet deler laserstrålen og kameraet den samme optiske vej. Når laseren optager, reflekteres en brøkdel af lyset af silicium og vil ramme kameraet. For at forhindre sensorskader, som kan resultere på lang sigt i døde pixels, kan en optisk mekanisk lukker foran kameraet lukkes. Lukkeren er manuel og kræver lidt eller ingen kraft for at blive aktiveret.

For at gøre fjernbetjening mulig, købte vi en lille stepmotor og en TIC T834 Stepper Motor Controller fra Polulu. Vi udviklede og printede 3D-gear og en krop, der skal monteres på mikroskopet, for at flytte lukkeren med motoren.

TIC T834 kræver en strømkilde for at levere energi til motoren, men da vores motor ikke trækker meget strøm, kortsluttede vi USB-strømforsyningen til T834 for også at drive motoren. TIC-controllere er meget nemme at opsætte og bruge, det er veldokumenteret, og det tog os meget kort tid at styre motoren fra vores softwareværktøjer. Vi udviklede en lille controller-klasse i Python, der nu er integreret i vores pystages bibliotek.

Stepmotorcontrollere skal finde ud af den aktuelle motorposition, når den er tændt. Dette gøres med en initialiseringsprocedure, hvor motoren vil rotere, indtil en kontaktkontakt fortæller controlleren, at motoren er i nulpositionen. Vi brugte en simpel switch direkte forbundet til T834, som har denne funktion indbygget.

Den 3D-kropsdel, vi printede, var ikke særlig nøjagtig, og de to gear fungerede ikke korrekt ved første gang. Ved hjælp af varme kunne vi bøje plastdelen lidt for at rette op på gabet mellem gearene. Efter et par justeringer var vi i stand til at fjernåbne og lukke kameraets lukker perfekt!

Lukker i aktion

Mekanisk design er tilgængeligt på vores GitHub repository.

Afsluttende tanker

Ved at integrere styringen af ​​lyskilden og kameraudløseren kunne vi køre mange lasertestkampagner eksternt. Det er også mere bekvemt end før, da lukning af lukkeren og slukning af lyset nu kan ske automatisk, når laseren er tændt, hvorimod det før krævede menneskelig fysisk indgriben og nemt kunne glemmes.

Med hensyn til styringen af ​​objektivtårnet findes der allerede motoriserede tårne, men de er desværre ret dyre, og det kan være svært at udskifte. I øjeblikket fandt vi ikke nogen enkel og billig løsning. Det er svært at dreje tårnet med en ekstern motor, især fordi der er en fjeder, der låser tårnet på plads, når objektivet er justeret i forhold til mikroskopet. Den vægt, vi kan tilføje til den motoriserede scene, er også begrænset. Dette er stadig et åbent problem i øjeblikket, men det forhindrer ikke fjernarbejde, vi er kun begrænset til en valgt forstørrelse.

Endelig kræver udskiftning af prøven, når den er brudt, stadig adgang til laboratoriet. Heldigvis sker det ikke for tit. Vi kan i sidste ende multiplekse mange kredsløb på et enkelt datterkort, så vi kan brænde et par enheder, før vi har brug for fysisk udskiftning, men vi har ikke udviklet en sådan løsning.

Tidsstempel:

Mere fra Ledger