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Sur les dernières décennies s’est fait sen-tir le besoin de développer des moyensd’investigation adaptés à la réductionconstante des dimensions, vers l’infini-ment petit. Dans cette logique, le CEA Gre-noble Minatec a fait l’acquisition d’unsystème de spectrométrie par diffusiond’ions de moyenne énergie (MEIS). C’est unmoyen de nanocaractérisation qui per-met l’analyse chimique et structurale d’ob-jets de tailles nanométriques placés dansun environnement ultravide. Cette tech-nique est appliquée principalement auxdispositifs destinés à l’enregistrementmagnétique et à la microélectronique.Le logiciel de supervision fourni avec cetéquipement permettait uniquementd’assurer le pilotage manuel de l’instal-lation, nécessitant donc une présencehumaine constante. Or, les essais com-plets, tels qu’ils sont menés au CEA, peu-vent s’étaler sur plusieurs jours. De plus,les outils d’analyse associés étaientinexistants, ce qui rendait l’interprétation

automatisé, accompagné d’un outild’analyse des résultats performant.En 2006, le CEA a consulté la sociétéMesulog, partenaire National Instru-ments, pour une préétude de validationde l’architecture matérielle et logicielle.Fort des résultats obtenus, le développe-ment a été déclenché et la réalisations’est effectuée en plusieurs phases, surplusieurs années.

Automatiser un système d’acquisition dans un environ-nement scientifique complexeL’un des premiers défis dans la réalisationde ce logiciel a été la compréhension del’environnement scientifique complexedu CEA. L’utilisateur règle la position del’échantillon à travers les trois rotationsd’un goniomètre, par l’intermédiaire dedeux cartes de commande d’axes. Unaccélérateur délivre un faisceau d’ionssur l’échantillon, au travers du pilotaged’un obturateur, via un relais.

Acquisition de données

NANOCARACTÉRISATIONDE MATÉRIAUX AU CEAL’objectif de ces travaux était de mettre à disposition des scientifiquesdu département de recherche sur les matériaux du CEA un systèmed’acquisition rapide et automatisé intégrant une représentation convivialedes données scientifiques ainsi qu’un outil d’analyse de ces mesuresdans le domaine de l’infiniment petit.

Denis JALABERTChercheur Minatec - CEA Grenoble.

François PIERREChercheur Minatec - CEA Grenoble.

Luc DESRUELLE Chef de projets Test et Mesure,co-gérant Mesulog.

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Système de spectrométrie par diffusion d’ionsde moyenne énergie (MEIS) destiné à l’analysechimique et structurale d’objets de taillesnanométriques.

des résultats longue et fastidieuse. Il étaitindispensable de réaliser un système depilotage et d’acquisition entièrement

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Un analyseur permet de contrôler l’éner-gie des particules diffusées, via deux alimentations haute tension. La nano-caractérisation est réalisée par la mesured’un détecteur qui permet de compta -biliser le nombre d’apparitions des par-ticules incidentes et de fournir un spectreen deux dimensions (énergie, angle). Desséries de mesures successives sont réa-lisées à des tensions de faisceaux diffé-rentes, permettant ainsi de caractérisercomplètement l’échantillon.

Piloter des appareils de labo-ratoire imposésUn autre défi a été de piloter les appareilsimposés par l’équipement du laboratoire.Le driver, code permettant d’interagiravec l’appareil, est alors un élémentdéterminant. Les cartes de commande d’axes ont laparticularité d’être au format bus ISA etnon Plug-and-Play, donc non reconnuespar un PC sous Windows XP. Leur pilotagea nécessité le développement d’un driver

spécifique sous LabVIEW, par encapsu-lation des fonctions d’une DLL. L’arrêt de la mesure est conditionné parla « dose » correspondant à l’intégrationde la mesure du courant d’ions reçu surl’échantillon cible. Cette mesure est réa-lisée par un picoampèremètre Keithley6485, appareil de grande précision enmesure de très faible courant, configuréen résolution 5 chiffres ½ avec une réso-lution de 10 fA. L’utilisation du driverVISA a permis d’obtenir des cycles d’in-terrogations inférieurs à 100 ms.

Un matériel USB pour piloterles alimentations HT et les relaisLe pilotage des alimentations haute ten-sion et des relais de commande des obtu-rateurs a été ajouté en 2006 à l’équipementexistant. Mesulog s’est orienté vers dumatériel National Instruments DAQPad-6015 sur port USB, d’une résolution sur 16bits, couplé à des modules de condition-nement du signal « SCC » pour assurerl’isolation. Le placement de la carte d’ac-quisition hors du PC, le plus près possibledes signaux à acquérir et de l’alimentationhaute tension à piloter, a permis de maxi-miser le rapport signal sur bruit. Ce nou-veau matériel a été complètement intégrédans la baie 19’’ de l’équipement.Le driver NI-DAQmx de pilotage des cartesd’acquisition NI fournit un environnementrapide et puissant de programmation. Deplus l’utilitaire Measurement & AutomationExplorer (MAX) permet de définir uneéchelle de conversion « Signal électriquevers unité physique » modifiable par l’uti-lisateur, en dehors de l’exécutable.Le logiciel de pilotage MEISVIEW ainsi réalisé assure le pilotage aussi bien manuelqu’automatique de l’équipement, lesmesures sont affichées en temps réel et lescientifique peut ainsi suivre l’évolutiondes essais.

Un logiciel d’analyse et de com paraison des essaispour faciliter la validation du produitEn 2010, Mesulog a développé un second

« Pouvoir piloter des systèmes detechnologie et de marques différentes. »

Principe de la nanocaractérisation.

Le logiciel d’analyse met de nombreuses fonctionnalités à la disposition des chercheurs.

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logiciel d’aide à l’analyse post-acquisi-tion, MEISAnalyser, donnant la possibi-lité aux scientifiques de visualiser lesdonnées générées par l’application surplusieurs postes, de réaliser automati-quement des rapports et d’exporter lesmesures dans des formats compatiblesavec d’autres outils d’analyses (Matlab,Excel…).

De nombreuses fonctionnalités ont étémises à la disposition des chercheurs,

d’images ont été réalisés pour prendre encompte la non-linéarité des mesures.Le logiciel développé en concertationpermanente avec le client est au finaltrès intuitif et convivial. Aucune forma-tion complémentaire n’a été nécessaire.

Un bilan plus que positifet un brevet déposé L’automatisation de la plate-forme MEISdu CEA a permis d’accroître considéra-blement le nombre d’essais, et de mettreà disposition des scientifiques un outilconvivial et performant d’aide à l’ana-lyse. Cette solution, plébiscitée par lesutilisateurs, est aujourd’hui largementutilisée. De nouvelles évolutions sontprévues pour l’année 2013.La flexibilité de l’outil a permis au CEA dedéposer un brevet sur une nouvelleméthode de caractérisation structurale3 dimensions à partir de balayages suc-cessifs en angle et de la reconstruction duspectre 2D �

+ SUR LE WEBwww.mesulog.fr

Intérieur de la chambre d’analyse MEIS avec l’échantillon, dans l’environnement ultravide. Le matériel NI de pilotage des alimentations HTet des relais de commande des obturateurs aété intégré dans la baie 19’’ de l’équipement.

Ensemble des éléments de l’accélérateurpermettant l’ionisation d’un gaz parbombardement électronique, avec notammentle générateur haute tension 400 KV.La nanocaractérisation fournit un spectre en 2D

(énergie, angle).leur permettant d’avoir des informationsplus précises sur certaines zones decaractérisation, de parcourir la visuali-sation en 3D des mesures ou de se posi-tionner selon un angle. Le logicield’analyse permet également de fairedynamiquement des sections 2D, enangle ou en énergie. Ces fonctions appor-tent des informations très pertinentesaux chercheurs lors de leurs investiga-tions.La puissante bibliothèque mathématiquede LabVIEW a été utilisée. Des algo-rithmes spécifiques de reconstruction