Удаленная лазерная инъекция неисправностей во время пандемии

Переиздано Платоном

Читают: 0

В этом коротком посте описываются некоторые усовершенствования лазерной станции, которые мы внесли, чтобы иметь возможность проводить наши эксперименты удаленно.

Проблемы с настройкой

Наша платформа лазерной дефектоскопии состоит из микроскопа, используемого для фокусировки лазерного источника на тестируемом устройстве. Он оснащен инфракрасной камерой для наблюдения за внутренней архитектурой целевого чипа и регулировки формы лазерного луча. К счастью, он оснащен моторизованным столиком, который позволяет перемещать лазерный луч по чипу из нашего специального программного приложения. Все разработанные нами инструменты работают в операционной системе Linux, поэтому их можно использовать через SSH-соединение, если у вас хорошее подключение к Интернету. Мы столкнулись с некоторыми проблемами с задержкой, связанными с живым изображением с камеры микроскопа, которые мы быстро решили, включив параметр сжатия SSH (-C), который не включен по умолчанию и значительно снижает требуемую пропускную способность потоковой передачи. Тем не менее, в то время некоторые элементы все еще требовали вмешательства на месте:

Управление источником света камеры: специальное оборудование излучает инфракрасный свет для освещения чипа для визуализации камеры.
Открытие или закрытие механического затвора камеры: этот затвор является частью микроскопа и должен быть закрыт при использовании лазера.
Смена объектива микроскопа: 4 различных оптических объектива установлены на механической вращающейся турели и позволяют использовать различные увеличения микроскопа.

Ниже подробно описано, как мы настроили наш испытательный стенд для дистанционного управления затвором и источником света. В частности, мы хотели ограничить стоимость этих адаптаций и сделать их доступными как можно скорее.

Управление источником света

Кремниевая подложка полупроводников полупрозрачна для инфракрасного света, поэтому с помощью инфракрасной камеры можно наблюдать внутреннюю структуру цепей. Чтобы сделать наблюдение возможным, цепь должна быть освещена источником инфракрасного света. Наш лазерный микроскоп был поставлен со специальным источником света, Хаяши ЛА-150CE, который имеет выключатель питания и ручку для регулировки интенсивности света, как показано ниже. Когда начинается кампания по лазерным испытаниям, мы обычно выключаем источник света, так как он может мешать компонентам, особенно когда образцы утончены.

Глядя на заднюю часть оборудования, мы обнаружили «дистанционный» переключатель и внешний разъем. Мы поняли, что этот источник света предлагает возможность дистанционного управления через какой-то соединитель прошлого тысячелетия. В Интернете можно найти немного документации, но мы определили в каталоге Hayashi, что существует Блок управления локальной сетью совместим с этим источником света. Однако этот продукт снят с производства. Кроме того, подключение по локальной сети не очень удобно. В том же каталоге мы нашли спецификацию разъема источника света. Хотя это не очень подробно, этого было достаточно, чтобы попробовать это.

Распиновка пульта из каталога продукции Hayashi:

Этот интерфейс предоставляет две основные интересные функции:

Цифровые контакты 1 и 8 можно использовать для включения и выключения лампы, замыкая их или нет. Контакт 8 на самом деле является землей, поэтому действительно важен только контакт 1.
Аналоговый контакт 2 управляет интенсивностью света с помощью сигнала в диапазоне от 0 В (минимальная интенсивность) до 5 В (максимальная интенсивность). Когда удаленный режим включен, потенциометр на передней панели обойден, и интенсивность света напрямую контролируется этим контактом.

Мы решили создать с нуля собственный Пульт дистанционного управления Hayashi Light используя следующие части:

Микроконтроллер STM32 для размещения кода встроенного приложения,
Преобразователь USB-последовательный порт FT232, позволяющий управлять ключом с USB,
Цифро-аналоговый преобразователь AD5621B для генерации аналогового сигнала от 0 до 5 В для управления интенсивностью света.

Мы разработали печатную плату, используя KiCad. Честно говоря, эта конструкция может быть немного негабаритной: микроконтроллер слишком велик для текущих потребностей, а FT232 может быть удален, поскольку устройства STM32 уже имеют возможности USB за счет времени разработки программного обеспечения. Наша цель состояла в том, чтобы сделать его быстрым и грязным и повторно использовать некоторые из наших уже разработанных схем.

Ради развлечения и поскольку мы считаем, что это очень перспективный язык, мы разработали прошивку микроконтроллера на Rust.

Наконец-то мы спроектировали простой пластиковый корпус, используя FreeCAD, и распечатал его с помощью Скульптео.

Неожиданно самой сложной частью этого проекта оказалось определение разъема (артикул 5710140 от Amphenol для штекерной части), а также его покупка, так как он устарел и больше не продается многими поставщиками. Поисковая система поставщиков запчастей Октопарт может помочь.

Все схемы и файлы дизайна доступны на нашем Репозиторий GitHub.

Управление затвором камеры

В микроскопе лазерный луч и камера имеют один и тот же оптический путь. Когда лазер стреляет, часть света отражается кремнием и попадает на камеру. Чтобы предотвратить повреждение сенсора, которое в долгосрочной перспективе может привести к битым пикселям, оптический механический затвор перед камерой можно закрыть. Затвор является ручным и требует минимального усилия для срабатывания.

Чтобы сделать возможным дистанционное управление, мы купили небольшой шаговый двигатель и Контроллер шагового двигателя TIC T834 от Polulu. Мы разработали и напечатали 3D-шестерни и корпус для установки на микроскоп, чтобы двигать затвор с помощью мотора.

TIC T834 требует источника питания для питания двигателя, но, поскольку наш двигатель не потребляет много тока, мы замкнули источник питания USB T834 для питания двигателя. Контроллеры TIC очень просты в настройке и использовании, они хорошо документированы, и нам потребовалось очень мало времени, чтобы управлять двигателем с помощью наших программных инструментов. Мы разработали крошечный класс контроллера на Python, который теперь интегрирован в наш пистажи библиотека.

Контроллеры шаговых двигателей должны определять текущее положение двигателя при включении питания. Это делается с помощью процедуры инициализации, при которой двигатель будет вращаться до тех пор, пока контактный переключатель не сообщит контроллеру, что двигатель находится в нулевом положении. Мы использовали простой переключатель, напрямую подключенный к T834, в котором эта функция встроена.

Напечатанная нами трехмерная часть тела была не очень точной, и две шестерни с первого раза работали неправильно. Используя тепло, мы смогли немного согнуть пластиковую часть, чтобы исправить зазор между шестернями. После нескольких настроек мы смогли дистанционно открывать и закрывать затвор камеры идеально!

Затвор в действии

Механический дизайн доступен на нашем Репозиторий GitHub.

Заключение

Интеграция управления источником света и затвором камеры позволила нам удаленно проводить многие кампании по тестированию лазеров. Это также более удобно, чем раньше, так как закрытие затвора и выключение света теперь могут выполняться автоматически при включении лазера, тогда как раньше это требовало физического вмешательства человека и могло быть легко забыто.

Что касается управления турелями целей, то моторизованные турели уже существуют, но, к сожалению, они довольно дороги, и их сложно заменить. На данный момент мы не нашли простого и недорогого решения. Вращение турели с внешним мотором затруднено, особенно потому, что есть пружина, которая фиксирует турель на месте, когда объектив выровнен по отношению к микроскопу. Кроме того, вес, который мы можем добавить к моторизованной сцене, ограничен. На данный момент это все еще открытый вопрос, но это не мешает работать удаленно, мы просто ограничены выбранным увеличением.

Наконец, для замены сломанного образца по-прежнему требуется доступ в лабораторию. К счастью, это случается не слишком часто. В конечном итоге мы можем мультиплексировать множество цепей на одной дочерней плате, чтобы мы могли сжечь несколько устройств, прежде чем потребуется их физическая замена, но мы не разработали такое решение.