基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)及其成像方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)及其成像方法，包括雙探針掃描配置單元、核心控制單元以及上位機(jī)操作單元。雙探針掃描配置單元包括電橋配置模塊和掃描平臺(tái)；核心控制單元包括信號(hào)采集模塊、壓電陶瓷控制模塊、微電機(jī)控制模塊、信號(hào)輸出模塊；上位機(jī)操作單元主要包括上位機(jī)操作界面以及上位機(jī)與FPGA芯片之間的串口通訊模塊。本發(fā)明提出的基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡能夠很好的克服離子電流漂移，提高了掃描圖像的質(zhì)量和穩(wěn)定性。本發(fā)明可以在生理環(huán)境下對(duì)生物樣品的表面三維形貌進(jìn)行掃描成像，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸、納米級(jí)分辨率、穩(wěn)定掃描。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)及其成像 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于掃描離子電導(dǎo)顯微鏡領(lǐng)域，涉及掃描離子電導(dǎo)顯微鏡探針的配置模 式，具體涉及一種基于平衡電橋電路的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)及其成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（Scanning Ion Conductance Microscopy，SICM)是掃描探 針顯微鏡家族中的新興成員。由于其特殊的成像機(jī)理，能夠在生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣本 的非接觸、納米級(jí)分辨率掃描成像，因此SICM在活細(xì)胞的成像領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)。近幾十 年，SICM技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并在生物、化學(xué)、材料等多個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。
[0003] 1989年，Hansma研究團(tuán)隊(duì)首先提出并研制出SICM，此后Korchev研究團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ) 上進(jìn)行了改進(jìn)，并于1997年第一次成功應(yīng)用于活細(xì)胞高分辨成像。隨著SICM成像技術(shù)的不 斷發(fā)展，研究者們先后提出了多種掃描模式，主要包括直流模式(Direct Current，DC)、交 流模式(Alternate Current，AC)以及跳躍模式（Hopping modes)。早期的SICM采用的是DC 掃描模式，以通過(guò)探針尖端的離子電流直接作為反饋信號(hào)，控制探針Z向運(yùn)動(dòng)以保持離子電 流恒定，然后通過(guò)逐行掃描樣本表面，從而獲得樣品的表面形貌。然而，在DC模式掃描過(guò)程 中，離子電流不可避免受到溶液濃度、溫度等因素的影響發(fā)生變化(稱(chēng)為離子電流漂移），從 而導(dǎo)致探針經(jīng)常與樣本表面發(fā)生接觸或碰撞，導(dǎo)致探針堵塞甚至斷裂。因此，SICM在DC模式 下成像穩(wěn)定性較差，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜表面樣品的高分辨率成像。
[0004] 為了克服DC模式的不足，研究者提出了一種距離調(diào)制的掃描模式，即AC模式。在A(yíng)C 模式下，探針掃描的同時(shí)，在Z方向上以一定的頻率振動(dòng)，一般振幅為幾十納米，同時(shí)使用鎖 相放大器檢測(cè)離子電流的幅值作為控制反饋信號(hào)。AC模式克服了離子電流漂移的影響，提 高了 SICM掃描穩(wěn)定性，但是探針振動(dòng)頻率限制了其掃描的速度，而且其不適合復(fù)雜表面形 貌樣品的成像。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)SICM對(duì)復(fù)雜樣品表面的高分辨率成像，研究者引入了跳躍掃描模式。在 跳躍模式中，掃描探針從距離樣品表面較遠(yuǎn)處，向下運(yùn)動(dòng)接近樣品表面，當(dāng)離子電流達(dá)到設(shè) 定值后，控制探針遠(yuǎn)離樣品表面;然后水平移動(dòng)探針至下一探測(cè)位置，再向下運(yùn)動(dòng)接近樣品 表面，直至完成樣品掃描。通過(guò)探針上下大幅度的跳動(dòng)進(jìn)行逐點(diǎn)探測(cè)，跳躍模式掃描能夠避 免與復(fù)雜樣品表面發(fā)生碰撞，并能有效地對(duì)極其復(fù)雜的細(xì)胞表面進(jìn)行納米尺度下的高分辨 率長(zhǎng)時(shí)間無(wú)損觀(guān)測(cè)。然而，跳躍模式不可避免的大幅度降低了 SICM的掃描成像速度，而且其 掃描過(guò)程仍然受到離子電流漂移的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于更好的克服離子電流漂移，進(jìn)一步提高SICM系統(tǒng)的綜合性能， 提供一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)及其成像方法?；谄胶怆姌虻?雙探針配置模式能夠很好的克服SICM成像過(guò)程中離子電流漂移的影響，提高了 SICM系統(tǒng)的 成像能力和穩(wěn)定性。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] 一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，該掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系 統(tǒng)包括雙探針掃描配置單元、核心控制單元以及上位機(jī)操作單元，所述雙探針掃描配置單 元包括雙探針配置模塊和掃描平臺(tái)；雙探針配置模塊包括電橋配置電路以及與電橋配置電 路相連的掃描探針、參考探針、偏置電源和前置放大器，前置放大器、掃描平臺(tái)以及上位機(jī) 操作單元與核心控制單元相連;掃描探針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電流反饋信號(hào)通過(guò)前置放大器引入 至核心控制單元，所述電流反饋信號(hào)為基于電橋配置電路所形成的掃描探針和參考探針兩 支路電流的差異。
[0009] 所述雙探針配置模塊包括兩個(gè)開(kāi)口半徑相等或相近的超微探針以及設(shè)置于每個(gè) 超微探針內(nèi)的Ag/AgCl電極，以其中一個(gè)超微探針作為掃描探針，以另一個(gè)超微探針作為參 考探針。
[0010] 所述電橋配置電路包括固定電阻器RQ、R(/和可調(diào)電阻器R a、Ra'，其中，固定電阻器 R0以及R(/的一端與偏置電源的一端相連，固定電阻器Ro的另一端與可調(diào)電阻器1^的一端相 連，固定電阻器R t/的另一端與可調(diào)電阻器1^的一端相連，可調(diào)電阻器Ra的另一端與掃描探 針的電極相連，可調(diào)電阻器的另一端與參考探針的電極相連，偏置電源的另一端連接有 電極;前置放大器的一輸入端連接于固定電阻器Ro與可調(diào)電阻器R a之間，前置放大器的另一 輸入端連接于固定電阻器IV與可調(diào)電阻器之間，前置放大器的輸出端與核心控制單元 相連。
[0011] 所述固定電阻器Ro與Rt/的電阻相等。
[0012] 所述電橋配置電路還包括可調(diào)電容器(^和(^，可調(diào)電容器Ca與固定電阻器R 0并 聯(lián)，可調(diào)電容器與固定電阻器R(/并聯(lián)。
[0013] 所述掃描平臺(tái)包括用于驅(qū)動(dòng)所述掃描探針沿X、Y、Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的微電機(jī)和壓電 陶瓷，所述微電機(jī)以及壓電陶瓷與核心控制單元相連。
[0014] 所述核心控制單元包括FPGA控制芯片、用于將掃描探針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電流反饋信 號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換并采集至FPGA控制芯片的信號(hào)采集模塊以及用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷和微電機(jī)的驅(qū) 動(dòng)模塊，F(xiàn)PGA控制芯片內(nèi)設(shè)置有用于運(yùn)算X、Y、Z三個(gè)方向壓電陶瓷運(yùn)動(dòng)的控制量的壓電陶 瓷控制模塊、用于運(yùn)算Χ、Υ、Ζ三個(gè)方向的微電機(jī)所需要的控制量的微電機(jī)控制模塊以及用 于將FPGA控制芯片運(yùn)算的與各個(gè)控制量對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳輸至所述驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸出模塊。
[0015] 所述上位機(jī)操作單元包括上位機(jī)以及用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與FPGA控制芯片之間數(shù)據(jù) 傳輸?shù)耐ㄓ嵞K。
[0016] 基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟：
[0017] 1)將樣品置于電解液中，然后利用掃描平臺(tái)使掃描探針、參考探針以及與偏置電 源連接的電極與電解液接觸；
[0018] 2)在利用掃描探針對(duì)樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描前，調(diào)節(jié)電橋配置電路至平衡狀態(tài)；
[0019] 3)保持參考探針在電解液中靜止的同時(shí)利用掃描探針對(duì)樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描， 通過(guò)前置放大器輸出雙探針配置下掃描探針Z向運(yùn)動(dòng)的電流反饋信號(hào)，核心控制單元根據(jù) 所述電流反饋信號(hào)控制掃描探針Z向的運(yùn)動(dòng)，并由上位機(jī)操作單元記錄掃描探針掃描過(guò)程 中各探測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)掃描成像。
[0020] 所述步驟2)具體包括以下步驟:通過(guò)改變電橋配置電路中的可調(diào)電阻以及可調(diào)電 容使電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，即此時(shí)前置放大器反饋的電流信號(hào)為零。
[0021] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：
[0022] 本發(fā)明提出的基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，采用一對(duì)超微探 針，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的電橋配置電路以抵消掃描環(huán)境的變化對(duì)掃描探針的影響，從而能夠很好 的克服探針掃描過(guò)程中離子電流漂移等干擾的影響，進(jìn)一步提高了掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的 成像性能。本發(fā)明可以在生理環(huán)境下對(duì)生物樣品的表面三維形貌進(jìn)行掃描成像，能夠?qū)崿F(xiàn) 非接觸、納米級(jí)分辨率、穩(wěn)定掃描。
[0023] 相對(duì)與傳統(tǒng)單探針配置的掃描離子電導(dǎo)顯微鏡，在采用以直流信號(hào)反饋的掃描模 式下(如直流掃描模式、跳躍掃描模式等），本發(fā)明采用雙探針配置，能夠?qū)崟r(shí)的抑制掃描環(huán) 境的微小變化(如溫度、濃度等因素變化)對(duì)成像的影響，提高了掃描離子電導(dǎo)顯微鏡的抗 干擾能力和掃描成像穩(wěn)定性。
[0024]進(jìn)一步的，本發(fā)明具有良好的人機(jī)交互性能，可通過(guò)上位機(jī)操作界面設(shè)定并發(fā)送 掃描參數(shù)設(shè)定值;掃描過(guò)程中，上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示反饋電流信號(hào)的變化曲線(xiàn)并逐行更新掃 描的圖像;系統(tǒng)掃描完成，可保存掃描配置和圖像的相關(guān)數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為基于平衡電橋電路的雙探針配置SICM系統(tǒng)示意圖；
[0026] 圖2為基于平衡電橋電路的雙探針配置示意圖(a)及其等效電路圖(b);
[0027] 圖3為交流偏置電壓源雙探針配置等效電路圖；
[0028] 圖4為直流偏置電壓源雙探針配置等效電路圖；
[0029] 圖中：1為超微探針，2為Ag/AgCl電極，3為偏置電源，4為壓電陶瓷，5為前置放大 器。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明基于平衡電橋的雙探針配置SICM系統(tǒng)包括雙探針掃描配置單 元、核心控制單元以及上位機(jī)操作單元，雙探針掃描配置單元主要由雙探針(掃描探針和參 考探針）、掃描平臺(tái)、電橋配置電路、前置放大器(即前置電流功率放大器)等組成，核心控制 單元主要由16位AD和DA、FPGA控制芯片、驅(qū)動(dòng)模塊等組成，上位機(jī)操作單元主要由上位機(jī)等 組成。通過(guò)設(shè)計(jì)電橋平衡電路，輸出雙探針配置下SICM系統(tǒng)的電流反饋信號(hào)，進(jìn)而依靠反饋 信號(hào)控制掃描探針Z向的運(yùn)動(dòng)，并記錄下探針掃描過(guò)程中各探測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)位置，以實(shí)現(xiàn)SICM 系統(tǒng)的非接觸、高分辨率(納米級(jí)）、穩(wěn)定掃描成像。
[0032]所述掃描平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)SICM系統(tǒng)掃描時(shí)樣品的放置和固定，并為探針成像掃描提 供一個(gè)可靠的平臺(tái)，掃描平臺(tái)是由Χ、γ、ζ三個(gè)方向的微電機(jī)和壓電陶瓷以及掃描托盤(pán)等組 成，掃描托盤(pán)由兩個(gè)方向的微電機(jī)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)X、Y方向運(yùn)動(dòng)，探針由獨(dú)立的微電機(jī) 和壓電陶瓷控制Z向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探針相對(duì)于掃描托盤(pán)的三維運(yùn)動(dòng)。
[0033]微電機(jī)以及壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)控制基于FPGA控制芯片上的控制算法(控制算法包括 壓電陶瓷控制模塊以及微電機(jī)控制模塊），壓電陶瓷控制模塊通過(guò)運(yùn)算獲得x、Y、z三個(gè)方向 壓電陶瓷運(yùn)動(dòng)的控制量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描探針運(yùn)動(dòng)的精確控制;微電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)X、 Y、Z三個(gè)方向的微電機(jī)獨(dú)立控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)探針掃描區(qū)域的粗略調(diào)整。
[0034] 掃描探針Z向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電流反饋信號(hào)由前置放大器5輸出，采用16位的AD以實(shí) 現(xiàn)探針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和采集，并送至FPGA控制芯片，經(jīng)過(guò)FPGA控制芯片 運(yùn)算后由信號(hào)輸出模塊輸出PWM信號(hào)，利用16位DA以及驅(qū)動(dòng)模塊(壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器以及微電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出。
[0035] 所述上位機(jī)的操作界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始參數(shù)(如掃描模式、掃描速度、成像點(diǎn)數(shù)等） 的設(shè)定、反饋信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能;上位機(jī)與FPGA控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)串口 通訊模塊實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸包括FPGA控制芯片從上位機(jī)獲得SICM系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定信息以 及上位機(jī)從FPGA控制芯片實(shí)時(shí)獲得反饋信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0036] 本發(fā)明提供的基于平衡電橋的雙探針配置模式主要由一對(duì)尖端開(kāi)口半徑相近的 超微探針(理想狀態(tài)為開(kāi)口半徑相等，但實(shí)際加工中，一對(duì)超微探針通常是由一根玻璃管從 中間加熱部分拉斷而形成的，尖端具有開(kāi)口，開(kāi)口半徑存微小差異）、Ag/AgCl電極和相應(yīng)的 電橋配置電路構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)雙探針SICM系統(tǒng)的探針配置，并提供探針Z向運(yùn)動(dòng)的反饋電流 信號(hào)，兩個(gè)探針均可由對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷4驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z向運(yùn)動(dòng)。
[0037] 參見(jiàn)圖2(a)，所述雙探針配置模式具體由電橋配置電路、尖端開(kāi)口半徑相近的一 對(duì)超微探針l、Ag/AgCl電極2(3個(gè)）、偏置電源3、前置放大器5以及基于FPGA的控制器（即核 心控制單元)等組成。其中，一根超微探針內(nèi)置一個(gè)Ag/AgCl電極，并作為掃描探針，用來(lái)掃 描樣本的表面獲得其形貌特征信息；另一根超微探針內(nèi)置另一個(gè)Ag/AgCl電極，并作為參考 探針。參考探針與掃描探針處于同一培養(yǎng)皿電解液中，保證兩探針受到溶液的濃度、溫度等 因素的影響相同。第三個(gè)Ag/AgCl電極置于所述電解液中，并與偏置電源一端連接，偏置電 源另一端、參考探針以及掃描探針與電橋配置電路連接，通過(guò)設(shè)計(jì)電橋配置電路，進(jìn)而在掃 描探針成像掃描過(guò)程中，實(shí)時(shí)克服離子電流的漂移。
[0038] 如圖2(b)所示，雙探針配置等價(jià)電路(忽略電解液電阻）主要由三個(gè)部分構(gòu)成：掃 描探針等價(jià)電路、參考探針等價(jià)電路和電橋配置電路。掃描探針等價(jià)電路主要由串聯(lián)在一 起的固定電阻器RK等效探針的尖端電阻r P)和可調(diào)電阻器Ra。(等效探針的接近電阻rac)與 固定電容器Cp(等效探針的尖端電g Cp)并聯(lián)構(gòu)成；同理，參考探針等價(jià)電路應(yīng)該由固定電阻 器(等效探針的尖端電阻)、可調(diào)電阻器Rac/ (等效探針的接近電阻rac/ )和固定電容器 (V (等效探針的尖端電容CfZ )構(gòu)成，但是由于參考探針靜置在樣品培養(yǎng)皿中，而且距離樣品 表面較遠(yuǎn)，因此參考探針的rac/約為0,可以忽略。另外，電橋配置電路的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)雙探針 模式下穩(wěn)定掃描的重要組成部分，它主要由固定電阻器R〇、R(/和可調(diào)電阻器構(gòu)成，其 中，固定電阻器Ro的一端與偏置電源5連接，另一端與可調(diào)電阻器1^的一端連接，固定電阻器 R(/的一端與偏置電源5連接，另一端與可調(diào)電阻器1^的一端連接，Ra的另一端與掃描探針 的Ag/AgCl電極連接，RZ的另一端與參考探針的Ag/AgCl電極連接，前置放大器5的一輸入 端連接于固定電阻器Ro與可調(diào)電阻器R a之間，前置放大器5的另一輸入端連接于固定電阻器 Rt/與可調(diào)電阻器之間，前置放大器5的輸出端與16位AD相連。
[0039] 電橋配置電路不僅用來(lái)克服探針掃描過(guò)程中離子電流的漂移，同時(shí)將掃描探針和 參考探針兩支路電流的差異A Ilcin輸出給前置放大器5,最終以△ Ilcin為掃描探針Z向運(yùn)動(dòng)的 反饋信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)掃描探針Z向運(yùn)動(dòng)控制，具體說(shuō)明如下。
[0041]
[0040] 在探針進(jìn)入工作區(qū)掃描成像之前，要調(diào)節(jié)電橋配置電路至平衡狀態(tài)，即通過(guò)前置 放大器的電流為零。根據(jù)交流電橋平衡條件，可知電橋配置電路中的各阻抗要滿(mǎn)足式(1):
a)
[0042] 其中，j表示復(fù)數(shù)單位，j2 = -l，ω表示角頻率，rQ、r(/、ra、ra'分別為電阻器R Q、R(/、 RhRJ的電阻；
[0043] 為了簡(jiǎn)化電橋配置電路，不妨令rQ = n/，化簡(jiǎn)式（1)可得該電橋配置電路平衡的條 件如式(2)、（3)所示：
(2)
[0044 (3):
[0045] 由式(2)、（3)可知，只有當(dāng)電橋配置電路中電阻和電容均滿(mǎn)足平衡條件時(shí)，通過(guò)前 置放大器5(如圖2(b)所示)的電流值才為零。
[0046] 由上述可知，當(dāng)使用交流偏置電源(AC)時(shí)，不僅需要調(diào)節(jié)電阻器1^和1^的大小，同 時(shí)還需要增加可調(diào)電容（參見(jiàn)圖3,與Ro并聯(lián)的可調(diào)電容器C a，以及與Rt/并聯(lián)的可調(diào)電容器 CZ )，以滿(mǎn)足兩支路電流的相位相同，因此需要調(diào)節(jié)電阻和電容大小，才能使電橋配置電路 達(dá)到平衡狀態(tài)；當(dāng)使用直流偏置電源，則不需要考慮電容的影響，只需要滿(mǎn)足式(2)，電橋即 可達(dá)到平衡狀態(tài)，即只需調(diào)節(jié)兩支路的電阻阻值即可。
[0047] 參見(jiàn)圖4,直流偏置電壓源雙探針配置等效電路中Io為干路通過(guò)的總電流，1^12、 I3和I4為各支路通過(guò)的電流，Uo為直流偏置電源電壓，Id為掃描探針尖端離子電流漂移值， Id'為參考探針尖端離子電流漂移值。由于參考探針和掃描探針處于相同的掃描環(huán)境中，而 且參考探針和掃描探針開(kāi)口大小大致相同，因此可以認(rèn)為環(huán)境因素導(dǎo)致的離子電流漂移對(duì) 參考探針和掃描探針的影響近似相同，即Id? Id'。然后，根據(jù)基爾霍夫定律計(jì)算可以得到， 通過(guò)前置放大器的電流A Ilcin的表達(dá)式：
[0048]
(4)
[0049] 其中：Rt為電橋配置電路達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)(探針未進(jìn)入工作區(qū)ra?！?)，探針支路的 總電阻，即 Rt=r〇+r a+rp。
[0050] 由式(4)可知，電橋配置電路調(diào)節(jié)平衡后，△ Ilcin的大小由掃描探針接近電阻rac決 定。當(dāng)探針遠(yuǎn)離工作區(qū)時(shí)，接近電阻r ac-0,則Δ Ilcm = O,此時(shí)電橋配置電路處于平衡狀態(tài)； 當(dāng)探針逐漸接近樣品時(shí)，接近電阻ra。逐漸增大，導(dǎo)致△ Ilcin逐漸增大，即電橋配置電路失去 平衡；當(dāng)探針無(wú)限接近樣品表面時(shí)，接近電阻rac趨向于+⑴，則Δ Ilcin ? Uo/(2R?)。因此，可 以將信號(hào)A Ilcin作為探針Z向運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，通過(guò)設(shè)定合適的△ Ilcin閾值，以實(shí)現(xiàn)基于電橋 的雙探針配置SICM的非接觸、穩(wěn)定掃描。
[0051]同時(shí)由式(4)可知，通過(guò)利用參考探針和電橋配置電路，使得探針的反饋信號(hào)△ 與掃描探針和參考探針的離子漂移因素 Id和Id'無(wú)關(guān)，只與電橋配置電路偏置電壓和阻 抗等有關(guān)，因此該雙探針配置模式能夠很好的克服離子電流漂移甚至掃描環(huán)境對(duì)掃描探針 的影響。
[0052]以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按 照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū) 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征在于:該掃描離子電 導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)包括雙探針掃描配置單元、核心控制單元以及上位機(jī)操作單元，所述雙探針 掃描配置單元包括雙探針配置模塊和掃描平臺(tái)；雙探針配置模塊包括電橋配置電路以及與 電橋配置電路相連的掃描探針、參考探針、偏置電源(3)和前置放大器(5)，前置放大器(5)、 掃描平臺(tái)以及上位機(jī)操作單元與核心控制單元相連;掃描探針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電流反饋信號(hào) 通過(guò)前置放大器(5)引入至核心控制單元，所述電流反饋信號(hào)為基于電橋配置電路所形成 的掃描探針和參考探針兩支路電流的差異。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征 在于:所述雙探針配置模塊包括兩個(gè)開(kāi)口半徑相等或相近的超微探針（1)以及設(shè)置于每個(gè) 超微探針內(nèi)的Ag/AgCl電極(2)，以其中一個(gè)超微探針作為掃描探針，以另一個(gè)超微探針作 為參考探針。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征 在于:所述電橋配置電路包括固定電阻器Ro、!^和可調(diào)電阻器R a、Ra、其中，固定電阻器R〇以 及IV的一端與偏置電源（3)的一端相連，固定電阻器R〇的另一端與可調(diào)電阻器1^的一端相 連，固定電阻器R(/的另一端與可調(diào)電阻器1^的一端相連，可調(diào)電阻器R a的另一端與掃描探 針的電極相連，可調(diào)電阻器RZ的另一端與參考探針的電極相連，偏置電源(3)的另一端連 接有電極;前置放大器(5)的一輸入端連接于固定電阻器R〇與可調(diào)電阻器R a之間，前置放大 器(5)的另一輸入端連接于固定電阻器IV與可調(diào)電阻器RZ之間，前置放大器(5)的輸出端 與核心控制單元相連。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征 在于:所述固定電阻器R〇與IV的電阻相等。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征 在于:所述電橋配置電路還包括可調(diào)電容器(^和(^，可調(diào)電容器C a與固定電阻器R〇并聯(lián)，可 調(diào)電容器(^與固定電阻器IV并聯(lián)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征 在于:所述掃描平臺(tái)包括用于驅(qū)動(dòng)所述掃描探針沿X、Y、Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的微電機(jī)和壓電陶 瓷(4)，所述微電機(jī)以及壓電陶瓷(4)與核心控制單元相連。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征 在于:所述核心控制單元包括FPGA控制芯片、用于將掃描探針運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電流反饋信號(hào) 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換并采集至FPGA控制芯片的信號(hào)采集模塊以及用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷和微電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 模塊，F(xiàn)PGA控制芯片內(nèi)設(shè)置有用于運(yùn)算X、Υ、Ζ三個(gè)方向壓電陶瓷運(yùn)動(dòng)的控制量的壓電陶瓷 控制模塊、用于運(yùn)算Χ、Υ、Ζ三個(gè)方向的微電機(jī)所需要的控制量的微電機(jī)控制模塊以及用于 將FPGA控制芯片運(yùn)算的與各個(gè)控制量對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳輸至所述驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸出模塊。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)，其特征 在于:所述上位機(jī)操作單元包括上位機(jī)以及用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與FPGA控制芯片之間數(shù)據(jù)傳輸 的通訊模塊。9. 一種如權(quán)利要求1所述基于平衡電橋的雙探針掃描離子電導(dǎo)顯微鏡系統(tǒng)的成像方 法，其特征在于:包括以下步驟： 1)將樣品置于電解液中，然后利用掃描平臺(tái)使掃描探針、參考探針以及與偏置電源(3) 連接的電極與電解液接觸； 2) 在利用掃描探針對(duì)樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描前，調(diào)節(jié)電橋配置電路至平衡狀態(tài)； 3) 保持參考探針在電解液中靜止的同時(shí)利用掃描探針對(duì)樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，通過(guò) 前置放大器(5)輸出雙探針配置下掃描探針Z向運(yùn)動(dòng)的電流反饋信號(hào)，核心控制單元根據(jù)所 述電流反饋信號(hào)控制掃描探針Z向的運(yùn)動(dòng)，并由上位機(jī)操作單元記錄掃描探針掃描過(guò)程中 各探測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)掃描成像。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:所述步驟2)具體包括以下步驟:通過(guò)改變 電橋配置電路中的可調(diào)電阻以及可調(diào)電容使電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，即此時(shí)前置放大器(5)反 饋的電流信號(hào)為零。
【文檔編號(hào)】G01Q60/44GK105842485SQ201610161455
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日
【發(fā)明人】莊健, 李澤清, 焦陽(yáng)博瀚, 尚春陽(yáng)
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)