[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于單分子電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的微電流檢測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510058769.3
• 申請(qǐng)日: 2015-02-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104655920B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周小順;鄭菊芳;梁景洪;陳招斌
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01R19/25
• 分類(lèi)號(hào): G01R19/25;G01R15/09;G01Q60/10
• 代理公司: 廈門(mén)南強(qiáng)之路專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微電流檢測(cè)裝置，尤其是涉及主要應(yīng)用于但不僅限于掃描隧道顯微鏡分子電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的一種用于單分子電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的微電流檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)

隨著掃描隧道顯微鏡裂結(jié)(STM-BJ)技術(shù)和機(jī)械可控裂結(jié)(MCBJ)技術(shù)等裂結(jié)法金屬量子電導(dǎo)、單分子結(jié)電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，科研人員開(kāi)始用此類(lèi)方法檢測(cè)金屬原子線電導(dǎo)及單分子結(jié)電導(dǎo)，其中掃描隧道顯微鏡裂結(jié)法(STM-BJ)應(yīng)用最為廣泛。通常，掃描隧道顯微鏡分子電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)改造商品化的掃描隧道顯微鏡實(shí)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)STM掃描頭的壓電陶瓷管，使STM針尖與基底間的金屬電極依次形成金屬原子線和單分子結(jié)，直至完全斷裂，在恒定的偏壓下，通過(guò)檢測(cè)流過(guò)金屬結(jié)(分子結(jié))的電流得到金屬量子電導(dǎo)(分子電導(dǎo))，因此，微弱電流的檢測(cè)是STM-BJ方法測(cè)量量子、分子電導(dǎo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在STM-BJ電導(dǎo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，流過(guò)金屬結(jié)的電流一般為微安或納安數(shù)量級(jí)，而流過(guò)分子結(jié)的電流為納安、皮安甚至飛安數(shù)量級(jí)，而且兩種結(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí)間非常短，通常只有毫秒級(jí)。傳統(tǒng)的電導(dǎo)檢測(cè)手段無(wú)法同時(shí)捕捉到金屬-金屬結(jié)和金屬-分子-金屬結(jié)的裂結(jié)過(guò)程。目前，科研工作人員通常選擇合適的固定量程記錄金屬-金屬結(jié)的裂結(jié)過(guò)程或金屬-分子-金屬結(jié)的裂結(jié)過(guò)程，無(wú)法完整地觀測(cè)到從金屬-金屬結(jié)過(guò)渡到金屬-分子-金屬結(jié)裂結(jié)過(guò)程的電導(dǎo)變化，而且由于數(shù)據(jù)量不足導(dǎo)致丟失重要的細(xì)節(jié)，甚至無(wú)法得到統(tǒng)計(jì)電導(dǎo)值(主要出現(xiàn)在分子電導(dǎo)段)。因此，發(fā)展一種自適應(yīng)寬量程的微電流檢測(cè)裝置是非常有必要的。

目前，微弱電流的檢測(cè)方法通常采用固定反饋電阻的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路形式，具有3～4個(gè)數(shù)量的電流檢測(cè)范圍。如果需要檢測(cè)超過(guò)4個(gè)數(shù)量級(jí)以上的微弱電流信號(hào)，通常采用模擬開(kāi)關(guān)或繼電器切換電流取樣電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)量程的擴(kuò)展，或者通過(guò)對(duì)數(shù)放大直接測(cè)量。然而，模擬開(kāi)關(guān)的漏電電流已經(jīng)遠(yuǎn)大于所需檢測(cè)電流的低電流端，而繼電器的開(kāi)關(guān)切換是10ms左右，丟失了切換瞬間的信號(hào)，因此通常用于慢速變化的常規(guī)電流信號(hào)；對(duì)數(shù)放大雖然可以實(shí)現(xiàn)6～8個(gè)數(shù)據(jù)級(jí)的電流范圍，但是可檢測(cè)的電流下限為納安級(jí)，而且其準(zhǔn)確度和線性都很差、對(duì)溫度的依賴(lài)也非常大，很少用于精確的測(cè)量。因此，上述的電路無(wú)法滿(mǎn)足電導(dǎo)檢測(cè)快速變化的寬量程電流的要求。

中國(guó)專(zhuān)利CN202013377U公開(kāi)一種超微電流檢測(cè)裝置，包括可編程增益放大模塊、調(diào)整模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和控制模塊。可編程增益放大模塊具有控制端、零點(diǎn)偏差提取端、檢測(cè)信號(hào)輸入端和模擬信號(hào)輸出端，檢測(cè)信號(hào)輸入端與待測(cè)單元相連，可編程增益放大模塊根據(jù)控制端接收到的控制信號(hào)設(shè)置放大倍數(shù)。調(diào)整模塊包括第一放大器，第一放大器的同相輸入端與可編程增益放大模塊的零點(diǎn)偏差提取端相連，第一放大器的輸出端分別與第一放大器的反相輸入端和待測(cè)單元相連。模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與可編程增益放大模塊相連。控制模塊分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和可編程增益放大模塊相連。

中國(guó)專(zhuān)利CN102033157A公開(kāi)一種直流微電壓/微電流檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法，該檢測(cè)裝置包括一振蕩電路、一數(shù)字信號(hào)放大電路、一減法器和一數(shù)值換算電路；該振蕩電路包括兩個(gè)參數(shù)完全相同的第一壓控振蕩器和第二壓控振蕩器，該第一壓控振蕩器的輸入接待檢信號(hào)輸出端或接地，第二壓控振蕩器的輸入接地或接待檢信號(hào)輸出端，該第一壓控振蕩器和第二壓控振蕩器的輸出分別與數(shù)字信號(hào)放大電路的輸入相連接；該數(shù)字信號(hào)放大電路的輸出與減法器的輸入相連接，減法器的輸出接數(shù)值換算電路的輸入。該檢測(cè)裝置通過(guò)第一壓控振蕩器和第二壓控振蕩器分別將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為振蕩頻率，并依次經(jīng)放大處理、減法運(yùn)算和換算處理，從而得以判斷出是否有直流微電壓或直流微電流輸入。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)STM-BJ實(shí)驗(yàn)快速變化的微弱電流信號(hào)，從而有效解決掃描隧道顯微鏡裂結(jié)法實(shí)驗(yàn)中電導(dǎo)變化等技術(shù)問(wèn)題的一種用于單分子電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)的微電流檢測(cè)裝置。

本發(fā)明設(shè)有反相放大電路、四段電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、前級(jí)濾波電路、同相放大電路、后級(jí)濾波電路和光電隔離ADC采集卡；所述四段電流-電壓轉(zhuǎn)換電路外接屏蔽輸入的隧道電流信號(hào)，四段電流-電壓轉(zhuǎn)換電路經(jīng)反相放大電路輸出到STM控制器用于成像控制，四段電流-電壓轉(zhuǎn)換電路經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后的4路電壓信號(hào)依次分別經(jīng)過(guò)前級(jí)濾波電路、同相放大電路、后級(jí)濾波電路和4通道光電隔離ADC數(shù)據(jù)采集卡接PC機(jī)輸入端口，并由PC機(jī)通過(guò)軟件自動(dòng)判斷在同一時(shí)刻選取一個(gè)電壓結(jié)果計(jì)算當(dāng)前的電流值。