[3] 렌즈 드라이버 회로 제작 및 성능 평가

[3] 렌즈 드라이버 회로 제작 및 성능 평가

(1) 렌즈 드라이버 회로도

• Input

V1   range : 0 - 3.3V output resolution 5mA

V2   range : 0 - 3.3V output resolution 5uA

• Output

Lens의 current range 0 - 2A

(2) 회로

a(V1) : 낮은 분해능을 가지고 있고 넓은 범위를 제어

b(V2) : 높은 분해능을 가지고 있고 좁은 범위를 제어

c(Lens) : 자기장렌즈로 연결되는 부분

1(VCC) : opamp에서 +부분의 전원 공급부

2(VEE) : opamp에서 -부분의 전원 공급부

3(HVCC) : 렌즈로 흐르는 전류를 공급하는 source

(3) 렌즈 제작 설계

자기장이 형성되어야 하는 방향

Objective lens도 자기장의 방향은 같다.

  

전류가 흐르는 방향이 중요하기 때문에 어떤 방향으로 감을지, 회로에 어떻게 연결을 고려하여 제작해야 한다. 회로에서 start는 HVCC, end는 M1쪽으로 연결된다.

(4) 렌즈 실물

동선 종류	애나멜 1	애나멜 2	테플론 1	테플론 2
Ls [mH]	14.6	17.0	37.9	38.1
Rs [ᘯ]	0.628	0.670	3.9	3.92

(5) 최종 테스트 환경

1,2,3층은 각각 자기장 렌즈 제어 회로

4층은 제어부와 회로도 사이의 interface회로

(6) 실험 요약

대기압 환경에서 실험시작 1시간동안 발열 테스트

1) HVCC(렌즈 전류 source)에 4.5V인가

2) 2A인가시 R3(저항)는 따뜻하고 M1(power mosfet)은 발열 거의 없음

(7) 렌즈 tips

1)  도선을 많이 감을수록 더 큰 자기장을 발생시킬 수 있다. 하지만 얇은 도선은 저항이 높다. 처음엔 AWG30(0.3Φ)로 감아서 많이 감을 수 있었으나 렌즈의 저항이 26Ω정도였고 1A를 흘려주니 바로 도선이 녹았다. 이후 목표했던 2A를 안정적으로 흘려주려고 더 두꺼운 도선을 사용했다.

2) mosfet(M1)은 n-depletion mosfet을 사용했는데 n-enhancement mosfet(일반적인 mosfet)을 사용하기 바란다. depletion mode mosfet은 gate에 전압이 0V일 때 on상태가되기 때문에 전원(HVCC)을 인가하면 신호를 입력해주지 않아도 V = IR에 의해 렌즈에 전류가 흐르게 된다. 전원을 인가할 때 렌즈에 전류를 흐르지 않게 해주려면 enhancement mode mosfet을 사용하는게 바람직하다.

3) 렌즈에서는 발열이 큰 issue이다. 발열은 주로 고전류가 흐르는 부분(빨간 부분)에서 발생한다.

R3에도 많은 전류가 인가되기 때문에 일반적인 탄소피막 저항을 사용해서는 안 된다. 이 회로에서는 50W 1옴의 권선저항기를 이용하여 발열을 잡았다. R3는 피드백으로 전류를 조절해주는 부분인데 주위에 연결되는 도선에도 저항성분이 있기때문에 어느정도는 큰 저항이 신뢰성을 확보하기 좋다. 처음에는 10옴을 선정하였으나 발열문제로 인해 1옴을 선택했다.

4) 회로도는 Image improvement with modified scanning waves and noise

reduction in a scanning electron microscope에 나와있는 논문을 참고하여 제작했다

5) 위에서 사용한 페라이트코어로 렌즈를 제작할 경우 pole piece가 중간에 만들어지기 때문에 OL을 배치할 때 많은 길이를 필요로 하게 된다. 이렇게 되면 높은 반배율을 만들기가 어려워진다. 폴피스를 렌즈의 바닥 근처에 위치시키게 되면 높은 반배율을 만들기 유리하다.

6) alignment는 영상을 보기전까지는 중요성이 와닿지 않을 수 있다. 하지만 영상을 보려면 alignment가 맞아야 반배율을 조절하면서 제대로된 영상을 얻을 수 있다. CL, OL의 alignment를 쉽게 맞추기 위한 방법을 고민했으면한다. 우리는 첫 영상을 본 이후에 50%가 넘는 시간을 alignment를 맞추는데 할애했다.