一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)包括：XYZ三維移動平臺、熱電偶微探針、多路差分輸入溫度采集電路、主控處理器、電位控制電路和供電電源；該方法包括：通過主控處理器執(zhí)行電化學成像指令，控制熱電偶微探針移動，獲取電化學信號；同時通過熱電偶微探針測得熱電動勢信號，將該信號通過多路差分輸入溫度采集電路轉換輸出至主控處理器；主控處理器結合同步獲取的該微區(qū)基底的電化學信號和溫度信號，完成同步微區(qū)電化學成像和溫度成像。本發(fā)明提出的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)及其方法能夠同步、實時、快速地對微區(qū)溫度信號和電化學信號進行獲取，完成同步微區(qū)電化學成像和溫度成像。
【專利說明】
—種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微區(qū)的電化學成像和溫度成像，特別是一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)及其方法。

【背景技術】
[0002]隨著納米材料和納米技術的發(fā)展，需要在更小的尺寸上獲得關于熱的信息，就促使了有著高空間分辨率的亞微米溫度計的發(fā)展。傳統(tǒng)的溫度計(如水銀溫度計)已經(jīng)滿足不了微電子器件、微光學器件和納米醫(yī)學等領域的測量需求。要理解微納范圍的電子裝置和光學裝置的眾多特征，例如熱傳遞、熱消耗等，因此有著亞微米分辨率的溫度測量是很重要的。在納米范圍上的溫度測量方法有發(fā)光溫度計和不發(fā)光溫度計。發(fā)光溫度計包括了以有機染料、量子點和鑭系離子等作為熱探針；不發(fā)光溫度計包括掃描熱顯微鏡、納米刻蝕溫度計、碳納米管溫度計和生物材料溫度計。掃描熱顯微鏡(SThM)是在20世紀80年代中期在掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基礎上發(fā)展起來的一種熱表面分析儀器。根據(jù)原理可將掃描熱顯微鏡分為三大類:a)基于熱電勢測量方法，b)電阻技術方法，c)熱膨脹技術方法。熱電偶是最早出現(xiàn)的基本熱傳感器，其工作原理是溫差電效應即塞貝克(Seebeck)效應。它是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間電壓差的熱電現(xiàn)象?；跓犭妱莸臏y量方法運用的是在掃描探針顯微鏡尖端鍍上一個熱電偶。當熱電偶接觸到基底表面時，會產(chǎn)生一個隨溫度變化的電勢，通過測量響應熱電勢就可以得到基底的溫度。而根據(jù)此原理又發(fā)明了各種各樣的熱電偶，如點接觸熱電偶、薄膜微加工的溫度傳感熱電偶探針。但是在傳統(tǒng)的方式中，這樣的熱電偶探針的范圍局限于導電面和空氣相中，不能用于溶液相中對不導電的基底進行溫度測量；若需要隨該溫度進行測量，還需要通過另外接入測溫儀器，提高了測量的復雜性，而且由于外在設備的介入，增加了對測量數(shù)據(jù)的干擾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)及其方法，以克服現(xiàn)有技術中存在的缺陷，并且實現(xiàn)對微區(qū)基底電化學成像過程中，同時實時地完成對微區(qū)基底溫度成像。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是:一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，其特征在于，包括=XYZ三維移動平臺、熱電偶微探針、多路差分輸入溫度采集電路、主控處理器、電位控制電路和供電電源；所述熱電偶微探針設置在所述XYZ三維移動平臺上，且所述熱電偶微探針的兩個輸出端經(jīng)溫度補償線接入所述多路差分輸入溫度采集電路；所述多路差分輸入溫度采集電路用于采集所述熱電偶微探針的結點熱端所檢測的熱電動勢信號，且所述多路差分輸入溫度采集電路接入所述主控處理器；所述主控處理器的第一控制端與所述XYZ三維移動平臺輸入端相連，所述主控處理器的第二控制端與所述電位控制電路一端相連；所述電位控制電路的另一端與所述熱電偶其中一輸出端相連；所述供電電源用于給多路差分輸入溫度采集電路供電。
[0005]在本發(fā)明一實施例中，所述XYZ三維移動平臺包括:位置控制器、驅動電路、步進電機和壓電陶瓷；所述位置控制器的一端作為所述XYZ三維移動平臺的輸入端，另一端與所述驅動電路相連；所述位置控制器接收所述主控處理器發(fā)出的控制信號，根據(jù)該控制信號發(fā)送相應的驅動信號至所述驅動電路；所述驅動電路與所述步進電機一端相連，驅動所述步進電機輸出；所述步進電機通過輸出軸控制所述壓電陶瓷的移動；所述壓電陶瓷用于夾持所述熱電偶微探針。
[0006]在本發(fā)明一實施例中，所述多路差分輸入溫度采集電路包括依次連接的ADC電路、微功耗處理器和RS485轉接器。
[0007]在本發(fā)明一實施例中，所述電位控制電路包括:電位控制器和電位儀；所述電位控制器的一端作為所述電位控制電路的一端，所述電位控制器的另一端與所述電位儀的一端相連；所述電位儀的另一端作為所述電位控制電路的另一端。
[0008]在本發(fā)明一實施例中，其特征在于:
所述主控處理器還包括一顯示器和一輸入鍵盤。
[0009]進一步的，還提供一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像方法，其特征在于: 調整固定在XYZ三維移動平臺上熱電偶微探針相對于微區(qū)基底表面的位置，主控處理器執(zhí)行微區(qū)基底的電化學成像指令，即主控處理器分別向XYZ三維移動平臺和電位控制電路輸出相關的控制指令，使得XYZ三維移動平臺上的壓電陶瓷帶動熱電偶微探針移動，主控處理器通過電位控制電路給熱電偶微探針施加一電位信號，在熱電偶微探針上生成電活性物種；若生成的電活性物種與微區(qū)基底上的組分發(fā)生發(fā)應，則在熱電偶微探針上產(chǎn)生一個正反饋信號，熱電偶微探針上測得的電流信號增強；若生成的電化學物種不與微區(qū)基底上的組分發(fā)生發(fā)應，則在熱電偶微探針上產(chǎn)生一個負反饋信號，熱電偶微探針上測得的電流信號減小；在微區(qū)基底的不同位置，將通過熱電偶微探針采集到的電流信號經(jīng)電位控制電路傳輸?shù)街骺靥幚砥?，且將該電流信號存儲到主控處理器，完成該微區(qū)基底對應位置電化學信號的獲??；
當熱電偶微探針在不同位置時，其結點熱端同時檢測該微區(qū)基底對應位置的溫度并轉換為熱電動勢信號，多路差分輸入溫度采集電路經(jīng)溫度補償線采集該熱電動勢信號，并將該熱電動勢信號進行模數(shù)轉換、微處理器處理輸出，并經(jīng)RS485轉接器傳輸溫度信號至主控處理器，并存儲到主控處理器；
主控處理器結合同步獲取的該微區(qū)基底的電化學信號和溫度信號，在主控處理器的顯示器上實時同步顯示電化學信號以及溫度信號，并繪制相應的電化學圖像和溫度圖像，完成同步微區(qū)電化學成像和溫度成像。
[0010]相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明所提出的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)及其方法，通過利用熱電偶微探針在獲取電化學信號的同時，完成對微區(qū)基底對應位置的溫度檢測，而且實現(xiàn)了在液相中對基底溫度的測量，能夠同步、實時、快速、有效地對微區(qū)溫度信號和電化學信號進行獲取，完成同步微區(qū)電化學成像和溫度成像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明中一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)的原理圖。
[0012]圖2為本發(fā)明中一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)在溶液為0.1MNaBr + 2 M H2SO4體系下的電化學圖像。
[0013]圖3為本發(fā)明中一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)在溶液為0.1MNaBr + 2 M H2SO4體系下的溫度圖像。

【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行具體說明。
[0015]本發(fā)明提供一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，如圖1所示，其特征在于，包括:XYZ三維移動平臺、熱電偶微探針、多路差分輸入溫度采集電路、主控處理器、電位控制電路和供電電源；所述熱電偶微探針設置在所述XYZ三維移動平臺上，且所述熱電偶微探針的兩個輸出端經(jīng)溫度補償線接入所述多路差分輸入溫度采集電路；所述多路差分輸入溫度采集電路用于采集所述熱電偶微探針的結點熱端所檢測的熱電動勢信號，且所述多路差分輸入溫度采集電路接入所述主控處理器；所述主控處理器的第一控制端與所述XYZ三維移動平臺輸入端相連，所述主控處理器的第二控制端與所述電位控制電路一端相連；所述電位控制電路的另一端端與所述熱電偶其中一輸出端相連；所述供電電源用于給多路差分輸入溫度采集電路供電。
[0016]在本實施例中，所采用的熱電偶微探針為R型熱電偶，其電極的直徑在20μπι左右，電極的RG比可達3-6 ;該R型熱電偶由直徑為25 μ m的純鉬絲和直徑為25 μ m的13%Rh-Pt絲制成，經(jīng)電化學方法腐蝕細之后，再將其尖端熔融成一個結點熱端，另外一端分別作為熱電偶微探針的兩個輸出端；并用Theta管將其相互隔離放于硼硅玻璃管內(nèi)，再通過電阻絲加熱裝置將結點熱端和硼硅玻璃管熔融在一起，電極的另外一端用AB膠包封。該熱電偶微探針具有一般的微電極所有的能力，能用于電化學成像中，還具有熱電偶能夠測溫的能力。
[0017]在本實施例中，所述XYZ三維移動平臺包括:位置控制器、驅動電路、步進電機和壓電陶瓷；所述位置控制器的一端作為所述XYZ三維移動平臺的輸入端，另一端與所述驅動電路相連；所述位置控制器接收所述主控處理器發(fā)出的控制信號，根據(jù)該控制信號發(fā)送相應的驅動信號至所述驅動電路；所述驅動電路與所述步進電機一端相連，驅動所述步進電機輸出；所述步進電機通過輸出軸控制所述壓電陶瓷的移動；所述壓電陶瓷用于夾持所述熱電偶微探針。
[0018]在本實施例中，所述多路差分輸入溫度采集電路包括依次連接的ADC電路、微功耗處理器和RS485轉接器。該多路差分輸入溫度采集電路的采集頻率、輸入類型、寄存器地址根據(jù)電化學成像的采樣點和采樣間隔進行相應設置，還能夠實現(xiàn)直接對熱電偶采集的熱電動勢進行模數(shù)轉換、單片機處理輸出，且該溫度采集電路與主控處理器通信采用標準的M0DBUS-RTU通信協(xié)議。
[0019]在本實施例中，所述電位控制電路包括:電位控制器和電位儀；所述電位控制器的一端作為所述電位控制電路的一端，所述電位控制器的另一端與所述電位儀的一端相連；所述電位儀的另一端端作為所述電位控制電路的另一端。
[0020]在本實施例中，所述主控處理器還包括一顯示器和一輸入鍵盤。
[0021]為了讓本領域技術人員更了解本發(fā)明所提出的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，進一步的，還提供一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像方法，其特征在于:
調整固定在XYZ三維移動平臺上熱電偶微探針相對于微區(qū)基底表面的位置，在通過主控處理器執(zhí)行微區(qū)基底的電化學成像指令，即主控處理器分別向XYZ三維移動平臺和電位控制電路輸出相關的控制指令，使得XYZ三維移動平臺上的壓電陶瓷帶動熱電偶微探針移動，主控處理器通過電位控制電路給熱電偶微探針施加一電位信號，在熱電偶微探針上生成電活性物種；若生成的電活性物種與微區(qū)基底上的組分發(fā)生發(fā)應，則在熱電偶微探針上產(chǎn)生一個正反饋信號，熱電偶微探針上測得的電流信號增強；若生成的電化學物種不與微區(qū)基底上的組分發(fā)生發(fā)應，則在熱電偶微探針上產(chǎn)生一個負反饋信號，熱電偶微探針上測得的電流信號減小；在微區(qū)基底的不同位置，將通過熱電偶微探針采集到的電流信號經(jīng)電位控制電路傳輸?shù)街骺靥幚砥鳎覍⒃撾娏餍盘柎鎯Φ街骺靥幚砥?，完成該微區(qū)基底對應位置電化學信號的獲取；
當熱電偶微探針在不同位置時，其結點熱端同時檢測該微區(qū)基底對應位置的溫度并轉換為熱電動勢信號，多路差分輸入溫度采集電路經(jīng)溫度補償線采集該熱電動勢信號，并將該熱電動勢信號進行模數(shù)轉換、微處理器處理輸出、經(jīng)RS485轉接器傳輸至主控處理器，并存儲到主控處理器；
主控處理器結合同步獲取的該微區(qū)基底的電化學信號和溫度信號，在主控處理器的顯示器上實時同步顯示電化學信號以及溫度信號，并繪制相應的電化學圖像和溫度圖像，完成同步微區(qū)電化學成像和溫度成像。在此過程中，根據(jù)儲存到主控處理器中的電化學信號中的電流信號、位置信號與對應的時間，以及儲存到主控處理器中的溫度信號中的溫度值與對應的時間，通過溫度信號和電化學信號中各自對應的時間相匹配，將溫度值取代電流信號，即可得到對應位置的溫度，再根據(jù)origin將相應的數(shù)據(jù)進行處理，最后得到微區(qū)基底的溫度圖像。
[0022]圖2為R型熱電偶微探針在溶液為0.1M NaBr+2M H2SO4體系下的電化學圖像，圖像中心顏色較深對應的為基底溫度較高的銅絲部分，其他顏色較淺的部分為溫度較低的木頭部分。圖3給出了 R型熱電偶微探針對基底所成的溫度圖像，基底為由兩種導熱性差異大(銅絲和木頭)的材料所組成的基底，當對基底進行加熱時，因為銅絲的導熱性更好，所以中間銅絲的溫度比周圍的溫度更高，，且從圖3可以明確地得出，銅絲的溫度比周圍木頭的溫度高約6°C。
[0023]以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，其特征在于，包括三維移動平臺、熱電偶微探針、多路差分輸入溫度采集電路、主控處理器、電位控制電路和供電電源；所述熱電偶微探針設置在所述見三維移動平臺上，且所述熱電偶微探針的兩個輸出端經(jīng)溫度補償線接入所述多路差分輸入溫度采集電路；所述多路差分輸入溫度采集電路用于采集所述熱電偶微探針的結點熱端所檢測的熱電動勢信號，且所述多路差分輸入溫度采集電路接入所述主控處理器；所述主控處理器的第一控制端與所述見三維移動平臺輸入端相連，所述主控處理器的第二控制端與所述電位控制電路一端相連；所述電位控制電路的另一端與所述熱電偶其中一輸出端相連；所述供電電源用于給多路差分輸入溫度采集電路供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，其特征在于:所述02三維移動平臺包括:位置控制器、驅動電路、步進電機和壓電陶瓷；所述位置控制器的一端作為所述見三維移動平臺的輸入端，另一端與所述驅動電路相連；所述位置控制器接收所述主控處理器發(fā)出的控制信號，根據(jù)該控制信號發(fā)送相應的驅動信號至所述驅動電路；所述驅動電路與所述步進電機一端相連，驅動所述步進電機輸出；所述步進電機通過輸出軸控制所述壓電陶瓷的移動；所述壓電陶瓷用于夾持所述熱電偶微探針。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，其特征在于:所述多路差分輸入溫度采集電路包括依次連接的八IX:電路、微功耗處理器和83485轉接器。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，其特征在于:所述電位控制電路包括:電位控制器和電位儀；所述電位控制器的一端作為所述電位控制電路的一端，所述電位控制器的另一端與所述電位儀的一端相連；所述電位儀的另一端作為所述電位控制電路的另一端。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)，其特征在于: 所述主控處理器還包括一顯示器和一輸入鍵盤。
6.一種基于權利要求5所述的一種新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像系統(tǒng)的新型同步微區(qū)電化學成像和溫度成像方法，其特征在于: 調整固定在X。三維移動平臺上熱電偶微探針相對于微區(qū)基底表面的位置，主控處理器執(zhí)行微區(qū)基底的電化學成像指令，即主控處理器分別向見三維移動平臺和電位控制電路輸出相關的控制指令，使得02三維移動平臺上的壓電陶瓷帶動熱電偶微探針移動，主控處理器通過電位控制電路給熱電偶微探針施加一電位信號，在熱電偶微探針上生成電活性物種；若生成的電活性物種與微區(qū)基底上的組分發(fā)生發(fā)應，則在熱電偶微探針上產(chǎn)生一個正反饋信號，熱電偶微探針上測得的電流信號增強；若生成的電化學物種不與微區(qū)基底上的組分發(fā)生發(fā)應，則在熱電偶微探針上產(chǎn)生一個負反饋信號，熱電偶微探針上測得的電流信號減??；在微區(qū)基底的不同位置，將通過熱電偶微探針采集到的電流信號經(jīng)電位控制電路傳輸?shù)街骺靥幚砥?，且將該電流信號存儲到主控處理器，完成該微區(qū)基底對應位置電化學信號的獲??； 當熱電偶微探針在不同位置時，其結點熱端同時檢測該微區(qū)基底對應位置的溫度并轉換為熱電動勢信號，多路差分輸入溫度采集電路經(jīng)溫度補償線采集該熱電動勢信號，并將該熱電動勢信號進行模數(shù)轉換、微處理器處理輸出，并經(jīng)83485轉接器傳輸溫度信號至主控處理器，并存儲到主控處理器； 主控處理器結合同步獲取的該微區(qū)基底的電化學信號和溫度信號，在主控處理器的顯示器上實時同步顯示電化學信號以及溫度信號，并繪制相應的電化學圖像和溫度圖像，完成同步微區(qū)電化學成像和溫度成像。
【文檔編號】G01K7/02GK104391137SQ201410700392
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】湯儆, 張海玲, 王曼清, 金濤, 鄧凱超, 顧小興 申請人:福州大學