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電子顯微鏡下微納樣本的無線控制系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:65322閱讀:259來源:國知局
專利名稱:電子顯微鏡下微納樣本的無線控制系統(tǒng)的制作方法
電子顯微鏡下微納樣本的無線控制系統(tǒng) 技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種用于微納樣本的觀測的控制系統(tǒng),具體涉及一種在電子 顯微鏡下操控微納樣本執(zhí)行各類操作的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)
電子顯微鏡是根據(jù)電子光學原理,用電子束和電子透鏡代替光束和光學 透鏡,使物質(zhì)的細微結(jié)構(gòu)在非常高的放大倍數(shù)下成像的儀器,其分辨能力以 它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示?,F(xiàn)代電子顯微鏡最大放大倍率超 過300萬倍,而光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍(這是受到該顯微 鏡執(zhí)行工作所依據(jù)的光線波長的限制),所以通過電子顯微鏡就能直接觀察 到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。現(xiàn)代電子顯微鏡一般包括(l)一電子槍,其用于產(chǎn)生加速電子束(2) — 圖像生成系統(tǒng),該系統(tǒng)包括靜電透鏡和金屬光闌,其中的金屬光闌用于界限 并聚焦電子束,使電子束穿過樣本的表面或掃描到表面上,并形成放大的圖 像;(3) —圖像觀察及紀錄系統(tǒng),其通常包括照相底板或熒光屏;(4)一真空泵, 其用于保持顯微鏡的高真空度,以避免空氣分子使電子偏離其運動路線。按結(jié)構(gòu)和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、發(fā)射式電 子顯微鏡等。透射式電子顯微鏡(TEM)常用于觀察那些用普通顯微鏡所不 能分辨的細微物質(zhì)結(jié)構(gòu),電子穿過樣本的薄切片,且在一熒光屏或照相底板 上形成一個圖像;掃描式電子顯微鏡(SEM)主要用于觀察固體表面的形貌, 也能與X射線衍射儀或電子能譜儀相結(jié)合,構(gòu)成電子微探針,用于物質(zhì)成 分分析,例如用于研究各種物體表面的三維構(gòu)造,從金屬、陶瓷到血細胞、 昆蟲體等;發(fā)射式電子顯微鏡用于自發(fā)射電子表面的研究。不同種類的電子顯微鏡通常均設(shè)置一控制系統(tǒng),與顯微鏡配合使用,用 于對被成像的樣本進行操作,然而,控制系統(tǒng)通常都是專為某種特定的顯微 鏡而研制的,如SEM的控制系統(tǒng)就不適用于TEM,甚至同一種顯微鏡但型號不同,控制系統(tǒng)也無法相互通用,缺乏與不同類型顯微鏡的接口互換使用 的靈活性。為此,中國發(fā)明專利公開的用于對由顯微鏡進行研究的試樣執(zhí)行操作的 控制系統(tǒng)(CN1662838A)以及用于對由顯微鏡進行研究的試樣執(zhí)行操作的 模塊控制系統(tǒng)(CN1662839A),通過設(shè)置適用于各類顯微鏡的接口及適應(yīng)各 類操作的多個操作模塊?;景ㄒ徊僮髌脚_、 一接口和至少1個操作模塊, 接口用于與一顯微鏡進行聯(lián)接,以便于由顯微鏡對布置在試樣室內(nèi)的樣本執(zhí) 行成像,操作模塊被設(shè)置于試樣室內(nèi)的一操作平臺上,承放樣本的試樣載臺 位于操作模塊中間,以便對布置在試樣載臺上的試樣執(zhí)行操作。為實現(xiàn)對控 制系統(tǒng)的控制,需設(shè)置一與平臺聯(lián)接起來的控制系統(tǒng),以便于各操作模塊按 照所需的方式對樣本執(zhí)行操作??刂葡到y(tǒng)可包括任何基于處理器的合適的系 統(tǒng)一一例如個人算機(PC),其可執(zhí)行合適的軟件,以對與平臺相聯(lián)接的操 作模塊執(zhí)行控制,如圖1所示。控制系統(tǒng)的輸入、輸出指令均經(jīng)導線穿過試 樣室而與操作平臺上的控制電路連接,試樣室側(cè)壁上預(yù)留孔道以備配接,由 此產(chǎn)生的問題是①試樣室內(nèi)需保持真空狀態(tài)(1(T、orr),在導線穿插的孔 道需設(shè)置一能保證試樣室真空度的密封裝置,而當操作模塊越多,對應(yīng)每一 模塊的輸入、輸出導線也就越多,這對密封裝置的制作造成相當大的困難, 而試樣室內(nèi)的真空度是影響顯微鏡成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一;②不同種類的 電子顯微鏡上試樣室側(cè)壁上預(yù)留的孔道位置、數(shù)量不一致,當控制系統(tǒng)與顯 微鏡組裝時,需改裝試樣室,重新配接各控制電路,且需保持試樣室內(nèi)測試 環(huán)境的一致性,因而增加了反復測試及個性化改裝的麻煩;③試樣室內(nèi)的空 間有限,尺寸如15 cmX15 cmX6 cm,在如此有限的空間內(nèi),需設(shè)置控制系統(tǒng) (包括各操作模塊、試樣載臺等),供控制電路與輸入、輸出指令線接入的 空間受限,故而樣本執(zhí)行各類復雜操作需要的指令線接入及設(shè)置操作模塊數(shù) 量均受限,自動化操作能力下降。為解決上述信號輸入、輸出指令線對試樣室真空環(huán)境破壞問題,可借助 于無線傳輸媒介,以發(fā)射器與接收器的配合,控制操作模塊運動,避免有線 配接的問題。然而,又因試樣室內(nèi)為真空狀態(tài),接收器及操作模塊的電源無 法使用普通電池(電解液電池),在真空狀態(tài)下普通電池極易發(fā)生電解液泄漏,這是因為電池殼體受到的壓力大于在外界大氣壓下受到的壓力,增加了 一個大氣壓,殼體被擠壓而破裂,電解液的泄漏將腐蝕操作模塊,損壞控制 系統(tǒng);而若采用無電解液的固體電池作為接收器的電源,則需要占用面積有 限的操作平臺空間,在電池含電量下降時,若不及時更換電池,將影響接收 信號的能力,以及操作模塊的正常運作,導致檢測誤差,給研究、測量工作 帶來麻煩。因而,電源問題是限制采用無線控制的瓶頸,需要本領(lǐng)域技術(shù)人 員努力改進的地方。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種電子顯微鏡下微納樣本的無線控制系統(tǒng),運用該 控制系統(tǒng),對樣本執(zhí)操作可實現(xiàn)無線控制,適用于各類電子顯微鏡,且操控 簡單、方便。為達到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種電子顯微鏡下微納樣 本的無線控制系統(tǒng),包括一操作平臺,設(shè)置于該平臺上的至少一個操作模塊, 承載樣本的試樣載臺,以及與每一操作模塊內(nèi)控制電路連接的控制裝置,所 述控制裝置包括設(shè)置于試樣室內(nèi)的接收裝置及位于試樣室外的發(fā)射裝置、中央處理器,所述接收裝置包括第一 RF模組及第一微處理器,該微處理器的 輸出端與控制電路連接,所述發(fā)射裝置包括第二 RF模組及第二微處理器, 該微處理器的輸入端與所述中央處理器連接,讀取由中央處理器輸出的控制 指令,并轉(zhuǎn)換為射頻控制信號發(fā)射,經(jīng)無線電波傳輸,所述第一 RF模組接 收該射頻控制信號,并經(jīng)由電感-電磁耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流驅(qū)動各操作模塊 作業(yè)。上述技術(shù)方案中,所述中央處理器經(jīng)串行接口或USB接口或無線信道媒 介與所述第二微處理器的輸入端連接。串行接口與USB接口為有線聯(lián)接,串 行接口如RS-232、 RS-485、 RS-422等,無線信道媒介為無線聯(lián)接,如WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)等。上文中,電子顯微鏡通常包括電子槍、圖像生成系統(tǒng)、圖像觀察及紀錄 系統(tǒng)和真空泵,以及與顯微鏡配合使用的控制系統(tǒng),用于對被成像的樣本進 行操作??刂葡到y(tǒng)包括操作平臺、承載樣本的試樣載臺、與顯微鏡配接的接口及對樣本執(zhí)行操作的操作模塊。所述操作模塊一般由微致動機構(gòu)和末端執(zhí) 行器(如探針等)構(gòu)成。上述技術(shù)方案中,操作模塊內(nèi)的所述控制電路(信 息處理器)接收由接收裝置中第一微處理器輸出的控制信號,驅(qū)動微致動機 構(gòu)及執(zhí)行器完成相應(yīng)操作所述RF模組包括天線和收發(fā)器,接收裝置中的 第一RF模組內(nèi)為接收器,而發(fā)射裝置中的第二 RF模組內(nèi)為發(fā)射器,兩者 間經(jīng)天線運用無線電波實現(xiàn)射頻控制信號的傳送,而操作人員又通過與發(fā)射 裝置連接的中央處理器向發(fā)射裝置輸入操作指令。本發(fā)明中,當發(fā)射裝置進入接收裝置的射頻識別范圍后,發(fā)射裝置所發(fā) 出的無線電波(射頻控制信號)對接收裝置產(chǎn)生感應(yīng)微電流,接收裝置就能 憑借該感應(yīng)電流所獲得的能量作為自身工作以及驅(qū)動各操作模塊的電源,因 而,試樣室內(nèi)無需設(shè)置供電電源(如電池),利用電感-電磁的耦合方式一方 面實現(xiàn)信號的傳送,另一方面實現(xiàn)接收裝置及操作模塊的供電,從而完成試 樣室內(nèi)外無線控制指令的傳輸,不影響試樣室內(nèi)的真空度。更進一步地,上述操作模塊可以是一 MEMS裝置,包括執(zhí)行器及信號處 理電路,所述執(zhí)行器經(jīng)信號處理電路與所述控制電路連接。所述MEMS(Micro Electromechanical System)裝置是集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和 控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微電子機械系統(tǒng),為現(xiàn)有技術(shù), 由于其需要的驅(qū)動電量較小,由交變磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流足以驅(qū)動MEMS裝 置(操作模塊)正常工作。由于上述技術(shù)方案運用,本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點1. 本發(fā)明中將接收裝置安裝于位于試樣室內(nèi)的試樣載臺上,運用無線 電波傳輸媒介與位于試樣室外的發(fā)射裝置聯(lián)接,發(fā)射裝置發(fā)射的射頻信號一 方面完成射頻控制信號(輸入、輸出指令)的傳遞,另一方面利用電感-電磁 耦合方式產(chǎn)生的感應(yīng)電流作為接收裝置及驅(qū)動操作模塊的電源,從而避免在 試樣室內(nèi)設(shè)置電池,使無線傳輸成為可能,且電源電量以交變磁場產(chǎn)生,無 需考慮電池的更換問題,保證檢測精度不受電量變化的影響2. 由于采用無線實現(xiàn)信號傳輸,與以往采用導線傳輸,避免了導線的 穿插而影響試樣室的密封結(jié)構(gòu),保持試樣室內(nèi)的真空度不變,利于電子顯微 鏡的觀測;
3. 由于采用無線實現(xiàn)信號傳輸,使控制系統(tǒng)在不同種類的電子顯微鏡 下均可以直接使用,無需對試樣室進行改裝及反復測試,避免影響真空度與 測試精度;
4. 由于采用無線實現(xiàn)信號傳輸,使控制信號的傳輸不受試樣室大小的 局限,直接對微納米級別的操作模塊進行控制,易于操作,可完成較為復雜 的操作,達到自動化的操作。


圖1是本發(fā)明背景技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖; 圖2是本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)框圖;圖3是本發(fā)明實施例一中射頻信號傳輸/能量轉(zhuǎn)換示意框圖;圖4是本發(fā)明實施例一的操作平臺布置結(jié)構(gòu)示意圖(控制電路未畫出);圖5是本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)框圖。其中1、操作平臺;2、接收裝置3、試樣載臺;4、操作模塊;5、 操作器。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例一參見圖1至圖4所示, 一種電子顯微鏡下微納樣本的無線控 制系統(tǒng),包括一操作平臺1,設(shè)置于該平臺上的4個操作模塊4,承載樣本 的試樣載臺3,以及與每一操作模塊4內(nèi)控制電路連接的控制裝置,所述控 制裝置包括設(shè)置于試樣室1內(nèi)的接收裝置2及位于試樣室外的發(fā)射裝置、中 央處理器,所述接收裝置2包括第一 RF模組及第一微處理器,該微處理器 的輸出端與控制操作模塊4運動的控制電路連接,所述發(fā)射裝置包括第二 RF 模組及第二微處理器,該微處理器的輸入端經(jīng)串行接口 RS-232 (或是USB接 口、 WLAN無線網(wǎng)絡(luò))與所述中央處理器連接,讀取由中央處理器輸出的控制 指令,并轉(zhuǎn)換為射頻控制信號發(fā)射,經(jīng)無線電波傳輸,所述第一 RF模組接 收該射頻控制信號,并經(jīng)由電感-電磁耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流驅(qū)動各操作模塊。RF模組包括天線和收發(fā)器,接收裝置中的第一RF模組內(nèi)為接收器,而發(fā)射裝置中的第二 RF模組內(nèi)為發(fā)射器,發(fā)射器利用天線發(fā)射射頻信號,兩 者間產(chǎn)生交變磁場,發(fā)射器發(fā)出的電波對接收器產(chǎn)生感應(yīng)微電流,該電流作 為供應(yīng)接收裝置2及操作模塊4的電源動力,再利用電波將其射頻控制信號 傳送給接收器,實現(xiàn)無線通信與操作。如圖4所示,安裝于試樣室內(nèi)的控制系統(tǒng)包括了一操作平臺1,操作平 臺1上設(shè)有4個操作模塊4,分別由微致動機構(gòu)控制末端的執(zhí)行器5(探針), 操作模塊的中間設(shè)有試樣載臺3,用于承載樣本??刂齐娐贩謩e與每一操作 模塊4連接,輸入端與第一微處理器輸出端連接,第一微處理器接收由第一 RF模組收到來自試樣室外發(fā)射裝置發(fā)射的射頻控制信號,而發(fā)射裝置內(nèi)的 第二微處理器的輸入端又經(jīng)RS-232串行接口與計算機(中央處理器)連接, 讀取由計算機輸出的控制指令,從而構(gòu)成對試樣室內(nèi)操作模塊4的無線控制, 完成對微納米級樣本的測量與研究。實施例二參見圖5所示, 一種電子顯微鏡下微納樣本的無線控制系統(tǒng), 包括一操作平臺,設(shè)置于該平臺上的l個操作模塊,承載樣本的試樣載臺, 以及與操作模塊內(nèi)控制電路連接的控制裝置,所述控制裝置包括設(shè)置于試樣 室內(nèi)的接收裝置及位于試樣室外的發(fā)射裝置、中央處理器,所述接收裝置包 括第一 RF模組及第一微處理器,該微處理器的輸出端與控制操作模塊運動 的控制電路連接,所述發(fā)射裝置包括第二 RF模組及第二微處理器,該微處 理器的輸入端經(jīng)USB接口與所述中央處理器連接,讀取由中央處理器輸出的 控制指令,并轉(zhuǎn)換為射頻控制信號發(fā)射,經(jīng)無線電波傳輸,所述第一 RF模 組接收該射頻控制信號,并經(jīng)由電感-電磁耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流驅(qū)動操作模 塊。本實施例中,單個所述操作模塊為一 MEMS裝置,包括探針執(zhí)行器及信 號處理電路,所述執(zhí)行器經(jīng)信號處理電路與所述控制電路連接,該MEMS裝 置的電源由接收裝置與發(fā)射裝置產(chǎn)生的感應(yīng)電流為驅(qū)動電能。
權(quán)利要求
1.一種電子顯微鏡下微納樣本的無線控制系統(tǒng),包括一操作平臺(1),設(shè)置于該平臺上的至少一個操作模塊(4),承載樣本的試樣載臺(3),以及與每一操作模塊(4)內(nèi)控制電路連接的控制裝置,其特征在于所述控制裝置包括設(shè)置于試樣室內(nèi)的接收裝置(2)及位于試樣室外的發(fā)射裝置、中央處理器,所述接收裝置(2)包括第一RF模組及第一微處理器,該微處理器的輸出端與控制電路連接,所述發(fā)射裝置包括第二RF模組及第二微處理器,該微處理器的輸入端與所述中央處理器連接,讀取由中央處理器輸出的控制指令,并轉(zhuǎn)換為射頻控制信號發(fā)射,經(jīng)無線電波傳輸,所述第一RF模組接收該射頻控制信號,并經(jīng)由電感-電磁耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流驅(qū)動各操作模塊作業(yè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的無線控制系統(tǒng),其特征在于所述中央處理 器經(jīng)串行接口或USB接口或無線信道媒介與所述第二微處理器的輸入端連 接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的無線控制系統(tǒng),其特征在于所述操作模塊 (4)為一 MEMS裝置,包括執(zhí)行器及信號處理電路,所述執(zhí)行器經(jīng)信號處理電 路與所述控制電路連接。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種電子顯微鏡下微納樣本的無線控制系統(tǒng),包括操作平臺、操作模塊、試樣載臺及控制裝置,其特征在于控制裝置包括接收裝置及發(fā)射裝置、中央處理器,所述接收裝置包括第一RF模組及第一微處理器,該微處理器的輸出端與控制電路連接,所述發(fā)射裝置包括第二RF模組及第二微處理器,該微處理器的輸入端與所述中央處理器連接,讀取由中央處理器輸出的控制指令,并轉(zhuǎn)換為射頻控制信號發(fā)射,經(jīng)無線電波傳輸,所述第一RF模組接收該射頻控制信號,并經(jīng)由電感-電磁耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電流驅(qū)動各操作模塊。本發(fā)明發(fā)射裝置與接收裝置以無線電波作為通信媒介,經(jīng)交變磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電能作為驅(qū)動電源,實現(xiàn)對試樣室內(nèi)操作模塊的無線控制。
文檔編號G01Q30/20GKCN101251464SQ200810020045
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月19日
發(fā)明者侯蓉暉, 衛(wèi) 張, 楊毅華 申請人:蘇州特爾納米技術(shù)有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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