Iniezione di guasti laser a distanza durante la pandemia | Libro mastro

Iniezione di guasti laser a distanza durante la pandemia | Libro mastro

Timestamp: 16 maggio 2023 12:27
Nodo di origine: 2657380

Questo breve post descrive alcuni miglioramenti della stazione laser che abbiamo apportato per poter eseguire i nostri esperimenti da remoto.

Problemi di configurazione

La nostra piattaforma di iniezione di guasti laser è costituita da un microscopio utilizzato per focalizzare una sorgente laser su un dispositivo in prova. È dotato di una telecamera a infrarossi per osservare l'architettura interna del chip mirato e regolare la forma del raggio laser. Fortunatamente, è dotato di un tavolino motorizzato che consente di spostare il raggio laser attraverso il chip dalla nostra applicazione software personalizzata. Tutti gli strumenti che abbiamo sviluppato girano sul sistema operativo Linux, ed è quindi possibile utilizzarli tramite una connessione SSH, purché si disponga di una buona connessione internet. Abbiamo riscontrato alcuni problemi di latenza relativi all'immagine dal vivo della telecamera del microscopio, che abbiamo risolto rapidamente attivando l'opzione di compressione SSH (-C) che non è abilitato per impostazione predefinita e riduce notevolmente la larghezza di banda necessaria per lo streaming. Tuttavia, all'epoca alcuni elementi richiedevano ancora un intervento in situ:

  • Controllo della sorgente luminosa della telecamera: un'apparecchiatura dedicata fornisce luce a infrarossi per illuminare il chip per la visualizzazione della telecamera.
  • Apertura o chiusura dell'otturatore meccanico della fotocamera: questo otturatore fa parte del microscopio e deve essere chiuso quando si utilizza il laser.
  • Cambio dell'obiettivo del microscopio: 4 diversi obiettivi ottici sono montati su una torretta rotante meccanica e consentono diversi ingrandimenti del microscopio.

Di seguito è dettagliato come abbiamo personalizzato il nostro banco prova per controllare da remoto l'otturatore e la sorgente luminosa. In particolare, volevamo limitare il costo di questi adattamenti e renderli disponibili il prima possibile.

Controllo della sorgente luminosa

Il substrato di silicio dei semiconduttori è semitrasparente alla luce infrarossa e con una telecamera a infrarossi è quindi possibile osservare la struttura interna dei circuiti. Per rendere possibile l'osservazione, il circuito deve essere illuminato con una sorgente di luce infrarossa. Il nostro microscopio laser è stato spedito con un'apparecchiatura di sorgente luminosa dedicata, a Hayashi LA-150CE, che ha un interruttore di alimentazione e una manopola per regolare l'intensità della luce, come illustrato di seguito. Quando viene avviata una campagna di test laser, di solito spegniamo la sorgente luminosa in quanto potrebbe interferire con i componenti, specialmente quando i campioni sono assottigliati.

Guardando la parte posteriore dell'apparecchiatura, abbiamo scoperto che erano disponibili un interruttore "remoto" e un connettore esterno. Abbiamo capito che questa sorgente luminosa offre funzionalità di controllo remoto tramite un connettore del millennio passato. Poca documentazione può essere trovata sul web, ma abbiamo identificato in un catalogo Hayashi che esiste a Unità di controllo LAN compatibile con questa sorgente luminosa. Tuttavia questo prodotto è fuori produzione. Inoltre, la connettività LAN non è molto conveniente. Nello stesso catalogo abbiamo trovato la specifica per il connettore della sorgente luminosa. Sebbene non sia molto dettagliato, è stato sufficiente provarlo.

Piedinatura del telecomando dal catalogo dei prodotti Hayashi:

Questa interfaccia fornisce due caratteristiche principali interessanti:

  • I pin digitali 1 e 8 possono essere utilizzati per accendere e spegnere la lampada cortocircuitandoli o meno. Il pin 8 è in realtà il terreno, quindi solo il pin 1 è davvero rilevante.
  • Il pin analogico 2 controlla l'intensità della luce con un segnale che va da 0 V (intensità minima) a 5 V (intensità massima). Quando la modalità remota è abilitata, il potenziometro del pannello frontale viene bypassato e l'intensità della luce è controllata direttamente da questo pin.

Abbiamo deciso di costruire da zero il nostro Telecomando luce Hayashi utilizzando le seguenti parti:

  • Un microcontrollore STM32 per ospitare il codice dell'applicazione embedded,
  • Un convertitore da USB a seriale FT232 per consentire il controllo del dongle dall'USB,
  • Un convertitore digitale-analogico AD5621B per la generazione del segnale analogico da 0 a 5 V per controllare l'intensità della luce.

Abbiamo progettato il PCB utilizzando KiCad. Ad essere onesti, questo design potrebbe essere un po' sovradimensionato: il microcontrollore è troppo grande per le esigenze attuali e l'FT232 potrebbe essere rimosso poiché i dispositivi STM32 dispongono già di funzionalità USB, a discapito del tempo di sviluppo del software. Il nostro obiettivo era renderlo veloce e sporco e riutilizzare alcuni dei nostri schemi già progettati.

Per divertimento, e poiché riteniamo che questo sia un linguaggio molto promettente, abbiamo sviluppato il firmware del microcontrollore in Rust.

Alla fine abbiamo progettato un semplice involucro di plastica utilizzando FreeCAD, e l'ho stampato con scultore.

Inaspettatamente, la parte più difficile di questo progetto è stata identificare il connettore (riferimento 5710140 di Amphenol per il lato maschio), e anche acquistarlo perché obsoleto e non più venduto da molti fornitori. Il motore di ricerca dei fornitori di componenti Ottoparte può aiutare.

Tutti gli schemi e i file di progettazione sono disponibili sul nostro Repository GitHub.

PCB e custodia
Controllo dell'otturatore della fotocamera

Nel microscopio, il raggio laser e la fotocamera condividono lo stesso percorso ottico. Quando il laser spara, una frazione della luce viene riflessa dal silicio e colpisce la fotocamera. Per evitare danni al sensore che a lungo termine possono causare pixel morti, è possibile chiudere un otturatore ottico meccanico davanti alla fotocamera. L'otturatore è manuale e richiede poca o nessuna forza per essere azionato.

Per rendere possibile il controllo remoto, abbiamo acquistato un piccolo motore passo-passo e un Controller motore passo-passo TIC T834 di Polulu. Abbiamo sviluppato e stampato ingranaggi 3D e un corpo da montare sul microscopio, per muovere l'otturatore con il motore.

TIC T834 richiede una fonte di alimentazione per fornire energia al motore, ma poiché il nostro motore non assorbe molta corrente, abbiamo cortocircuitato l'alimentatore USB del T834 per alimentare anche il motore. I controller TIC sono molto facili da configurare e utilizzare, è ben documentato e ci è voluto pochissimo tempo per controllare il motore dai nostri strumenti software. Abbiamo sviluppato una piccola classe controller in Python ora integrata nel nostro pistages biblioteca.

I controller del motore passo-passo devono rilevare la posizione corrente del motore quando è acceso. Questo viene fatto con una procedura di inizializzazione in cui il motore gira finché un interruttore di contatto non dice al controller che il motore è nella posizione zero. Abbiamo utilizzato un semplice interruttore collegato direttamente al T834 che ha questa funzione integrata.

La parte del corpo 3D che abbiamo stampato non era molto precisa e i due ingranaggi non funzionavano correttamente la prima volta. Usando il calore potremmo piegare leggermente la parte in plastica per correggere lo spazio tra gli ingranaggi. Dopo alcune regolazioni, siamo riusciti ad aprire e chiudere perfettamente l'otturatore della fotocamera da remoto!

Otturatore in azione

La progettazione meccanica è disponibile sul ns Repository GitHub.

Conclusioni

L'integrazione del controllo della sorgente luminosa e dell'otturatore della fotocamera ci ha permesso di eseguire molte campagne di test laser da remoto. È anche più comodo di prima, poiché ora la chiusura dell'otturatore e lo spegnimento della luce possono essere eseguiti automaticamente all'accensione del laser, mentre prima richiedeva l'intervento fisico umano e poteva essere facilmente dimenticato.

Per quanto riguarda il controllo della torretta degli obiettivi, esistono già delle torrette motorizzate, ma purtroppo sono piuttosto costose e possono essere difficili da sostituire. Per il momento non abbiamo trovato nessuna soluzione semplice ed economica. La rotazione della torretta con un motore esterno è difficile, soprattutto perché c'è una molla che blocca la torretta in posizione quando l'obiettivo è allineato al microscopio. Inoltre, il peso che possiamo aggiungere al tavolino motorizzato è limitato. Questo è ancora un problema aperto al momento, ma non impedisce di lavorare da remoto, siamo solo limitati a un ingrandimento selezionato.

Infine, la sostituzione del campione quando è rotto richiede comunque l'accesso al laboratorio. Fortunatamente, non accade troppo spesso. Potremmo eventualmente eseguire il multiplexing di molti circuiti su una singola scheda figlia, in modo da poter masterizzare alcuni dispositivi prima di dover sostituire fisicamente, ma non abbiamo sviluppato una soluzione del genere.

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