Injeção de falhas de laser remoto durante pandemia | Razão

Este breve post descreve alguns aprimoramentos da estação de laser que fizemos para poder executar nossos experimentos remotamente.

Problemas de configuração

Nossa plataforma de injeção de falhas a laser é feita de um microscópio usado para focalizar uma fonte de laser em um dispositivo em teste. É equipado com uma câmera infravermelha para observar a arquitetura interna do chip de destino e ajustar a forma do feixe de laser. Felizmente, ele é equipado com um estágio motorizado que permite mover o feixe de laser pelo chip de nosso aplicativo de software personalizado. Todas as ferramentas que desenvolvemos rodam no sistema operacional Linux, sendo assim possível utilizá-las através de uma conexão SSH, desde que tenha uma boa conexão com a internet. Enfrentamos alguns problemas de latência ao lidar com a imagem ao vivo da câmera do microscópio, que resolvemos rapidamente ativando a opção de compactação SSH (-C) que não é ativado por padrão e reduz bastante a largura de banda de streaming necessária. No entanto, na altura alguns elementos ainda careciam de intervenção in situ:

• Controlando a fonte de luz da câmera: um equipamento dedicado fornece luz infravermelha para iluminar o chip para visualização da câmera.
• Abrindo ou fechando o obturador mecânico da câmera: este obturador faz parte do microscópio e deve ser fechado ao usar o laser.
• Alteração da objetiva do microscópio: 4 objetivas óticas diferentes são montadas em uma torre rotativa mecânica e permitem diferentes ampliações do microscópio.

Abaixo está detalhado como customizamos nossa bancada de testes para controlar remotamente o obturador e a fonte de luz. Em particular, queríamos limitar o custo dessas adaptações e disponibilizá-las o mais rápido possível.

Controlando a fonte de luz

O substrato de silício dos semicondutores é semitransparente à luz infravermelha e, com uma câmera infravermelha, é possível observar a estrutura interna dos circuitos. Para possibilitar a observação, o circuito deve ser iluminado com uma fonte de luz infravermelha. Nosso microscópio a laser foi enviado com um equipamento de fonte de luz dedicado, um Hayashi LA-150CE, que possui uma chave liga/desliga e um botão para ajustar a intensidade da luz, conforme ilustrado abaixo. Quando uma campanha de testes a laser é iniciada, geralmente desligamos a fonte de luz, pois ela pode interferir nos componentes, principalmente quando as amostras são diluídas.

Olhando para a parte traseira do equipamento, encontramos um interruptor “remoto” e um conector externo disponível. Entendemos que esta fonte de luz oferece capacidade de controle remoto por meio de algum conector do milênio passado. Pouca documentação pode ser encontrada na web, mas identificamos em um catálogo Hayashi que existe um Unidade de Controle LAN compatível com esta fonte de luz. Porém este produto foi descontinuado. Além disso, a conectividade LAN não é muito conveniente. No mesmo catálogo, encontramos a especificação do conector da fonte de luz. Embora não seja muito detalhado, foi o suficiente para tentar isso.

Pinagem do controle remoto do catálogo de produtos Hayashi:

Essa interface fornece dois principais recursos interessantes:

• Os pinos digitais 1 e 8 podem ser usados ​​para ligar e desligar a lâmpada, colocando-os em curto ou não. O pino 8 é realmente o terra, então apenas o pino 1 é realmente relevante.
• O pino analógico 2 controla a intensidade da luz com um sinal que varia de 0 V (intensidade mínima) a 5 V (intensidade máxima). Quando o modo remoto está ativado, o potenciômetro do painel frontal é ignorado e a intensidade da luz é controlada diretamente por este pino.

Decidimos construir do zero o nosso próprio Controle Remoto Hayashi Light utilizando as seguintes peças:

• Um microcontrolador STM32 para hospedar o código do aplicativo incorporado,
• Um conversor USB para serial FT232 para permitir o controle do dongle a partir do USB,
• Um conversor digital-analógico AD5621B para a geração de sinal analógico de 0 a 5V para controlar a intensidade da luz.

Nós projetamos o PCB usando KiCad. Para ser honesto, esse projeto pode ser um pouco superdimensionado: o microcontrolador é muito grande para a necessidade atual e o FT232 pode ser removido, pois os dispositivos STM32 já possuem recursos USB, ao custo do tempo de desenvolvimento do software. Nosso objetivo era torná-lo rápido e sujo e reutilizar alguns de nossos esquemas já projetados.

Por diversão, e por acreditarmos que esta é uma linguagem muito promissora, desenvolvemos o firmware do microcontrolador em Rust.

Finalmente projetamos um invólucro de plástico simples usando FreeCAD, e imprimiu com Esculpir.

Inesperadamente, a parte mais difícil deste projeto foi identificar o conector (referência 5710140 da Amphenol para o lado macho), e também comprá-lo, pois está obsoleto e não é mais vendido por muitos fornecedores. O motor de busca de fornecedores de peças Outubro podem ajudar.

Todos os esquemas e arquivos de design estão disponíveis em nosso Repositório GitHub.

Controlando o obturador da câmera

No microscópio, o feixe de laser e a câmera compartilham o mesmo caminho óptico. Quando o laser está disparando, uma fração da luz é refletida pelo silício e atinge a câmera. Para evitar danos ao sensor que podem resultar em pixels mortos a longo prazo, um obturador ótico mecânico na frente da câmera pode ser fechado. O obturador é manual e requer pouca ou nenhuma força para ser acionado.

Para possibilitar o controle remoto, compramos um pequeno motor de passo e um Controlador de motor de passo TIC T834 da Polulu. Desenvolvemos e imprimimos engrenagens 3D e um corpo para serem montados no microscópio, a fim de movimentar o obturador com o motor.

O TIC T834 requer uma fonte de alimentação para fornecer energia ao motor, mas como o nosso motor não consome muita corrente, causamos um curto-circuito na fonte de alimentação USB do T834 para alimentar o motor também. Os controladores TIC são muito fáceis de configurar e usar, estão bem documentados e levamos muito pouco tempo para controlar o motor com nossas ferramentas de software. Desenvolvemos uma pequena classe controller em Python agora integrada em nosso pystages biblioteca.

Os controladores do motor de passo precisam descobrir a posição atual do motor quando ele é ligado. Isso é feito com um procedimento de inicialização em que o motor girará até que uma chave de contato informe ao controlador que o motor está na posição zero. Usamos um switch simples conectado diretamente ao T834 que possui esse recurso embutido.

A parte do corpo 3D que imprimimos não era muito precisa e as duas engrenagens não estavam funcionando corretamente na primeira vez. Usando o calor, poderíamos dobrar ligeiramente a parte de plástico para corrigir a folga entre as engrenagens. Após alguns ajustes, conseguimos abrir e fechar remotamente o obturador da câmera perfeitamente!

O projeto mecânico está disponível em nosso Repositório GitHub.

Considerações finais

A integração do controle da fonte de luz e do obturador da câmera nos permitiu executar muitas campanhas de teste de laser remotamente. Também é mais conveniente do que antes, já que fechar o obturador e desligar a luz agora pode ser feito automaticamente quando o laser é ligado, enquanto antes exigia intervenção física humana e poderia ser facilmente esquecido.

Em relação ao controle da torre objetiva, já existem torres motorizadas, mas infelizmente são muito caras e podem ser complicadas de substituir. Por enquanto, não encontramos nenhuma solução simples e de baixo custo. Girar a torre com um motor externo é difícil, principalmente porque há uma mola que trava a torre no lugar quando a objetiva está alinhada com o microscópio. Além disso, o peso que podemos adicionar ao estágio motorizado é limitado. Este ainda é um problema em aberto no momento, mas não impede o trabalho remoto, estamos apenas limitados a uma ampliação selecionada.

Por fim, a substituição da amostra quebrada ainda requer acesso ao laboratório. Felizmente, isso não acontece com muita frequência. Podemos eventualmente multiplexar muitos circuitos em uma única placa-filha, para que possamos queimar alguns dispositivos antes de precisar de substituição física, mas não desenvolvemos essa solução.

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• Fonte: https://www.ledger.com/blog/laser-improvements