[發明專利]一種SICM的正交幅值掃描成像模式的裝置和方法

在審

• 申請號: 201610388978.9
• 申請日: 2016-06-03
• 公開（公告）號: CN107462745A
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 劉連慶;楊洋;于鵬;藤澤宇;李鵬;趙亮;李廣勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01Q60/44
• 分類號: G01Q60/44
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 王倩

技術領域

本發明涉及一種新型的微納米級別的快速高質量無損液態環境下的成像技術，具體地說是一種基于掃描離子電導顯微鏡(SICM)的新型成像模式-正交幅值掃描成像模式的裝置和方法。

背景技術

目前，掃描離子電導顯微鏡(scanning ion conductance microscope:SICM)已經廣泛應用眾多領域，如材料、化學、生物等，尤其在針對軟表面樣品(如活體細胞)，由于其獨特的無損、非力接觸等成像特點成為研究者的有力工具。SICM是一種掃描探針顯微技術，通過測定超微玻璃管內探針的離子電流調控探針與樣品的距離，以非接觸方式掃描樣品表面，進而獲取樣品的形貌及性質。SICM采用尖端內半徑為數十nm到數百nm的超微中空玻璃管作為掃描探針。通過兩根分別置于玻璃管探針中和含有電解質溶液的樣品皿中的Ag/Agcl線將驅動電壓加載到玻璃管探針上，并產生回路電流。當玻璃管探針靠近樣品表面時(一般為玻璃管尖端內半徑左右)，隨著間距的縮短，由于容許離子流過的空間縮減，回路電流會急劇減小。依據這一距離/電流曲線關系，實時監測回路電流的變化量，并通過負反饋控制量上下調節玻璃管探針使電流維持在設定恒定值，此時探針的位置可用來表征樣品在該點的高度。逐行對樣品掃描則可得到整個樣品的三維形貌圖像。

現有SICM存在眾多掃描方式。直流模式是最簡單的控制方式，它利用直流電流作為反饋量來保證掃描過程中探針與樣品的距離恒定。該模式掃描速度快，低于5分鐘便可獲得一幅圖像，但該模式下實際工作中存在一些問題，如會出現直流漂移現象，易受電氣噪聲影響等。交流模式則能較好的解決上述問題，它是驅動探針在z方向小幅振動，從而產生交變電流信號，將與驅動信號同頻的電流幅值作為反饋控制量。但交流模式振動頻率受壓電陶瓷性能限制，最快振動頻率1～2kHz，影響了電流幅值的獲取速度，從而降低了掃描速度。交流模式下掃描一幅圖像時間為15～30分鐘。跳躍模式特別適合掃描高度變化劇烈的樣品，但同樣存在掃描速度慢的缺點，一幅圖像需15分鐘以上。上述掃描方式都無法同時滿足快速與高質量掃描成像需求。

發明內容

為了解決上述當前掃描方式無法同時滿足快速與高質量掃描成像需求的技術難點，本發明提出了一種基于SICM的新型掃描成像模式-正交幅值掃描成像模式的裝置和方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種SICM的正交幅值掃描成像模式的裝置，包括：順序連接的電壓驅動單元、電流檢測單元、機構執行單元；

電壓驅動單元：用于輸出交流基準電壓信號，驅動電流檢測單元采集探針位置；

電流檢測單元：用于通過膜片鉗放大器檢測玻璃管電極中的電流值并轉換為電壓、放大輸出到鎖相放大器中，由鎖相放大器檢測與基準電壓信號同頻正交分量幅值反饋至機構執行單元；

機構執行單元：用于將正交分量幅值作為實測值，通過Z向和XY雙向兩個獨立的納米運動平臺及其控制器，控制探針與樣品之間的相對位置。

所述電壓驅動單元為信號發生器。

所述電流檢測單元包括膜片鉗放大器、鎖相放大器、玻璃管探針、參考電極；

所述膜片鉗放大器的外電壓輸入端口與信號發生器第一輸出端口連接，探頭信號端與玻璃管探針連接，探頭地端口與置于溶液中的參考電極連接，I_monitor端口與鎖相放大器的信號輸入端口連接；

所述鎖相放大器的參考信號端與信號發生器第二輸出端口連接，Y輸出端與機構執行單元連接。

所述機構執行單元包括PID控制器、人機交互界面、XYZ三軸納米運動平臺控制器、Z向納米運動平臺和XY雙向納米運動平臺；

所述PID控制器的電壓采集輸入接收鎖相放大器的Y輸出端輸出的電壓，設定值輸入接收人機交互界面輸出的設定值，PID控制器輸出控制電壓至XYZ三軸納米運動平臺控制器用于閉環控制玻璃管探針的Z向運動；

所述人機交互界面的X、Y、Z向控制端分別與XYZ三軸納米運動平臺控制器的X、Y、Z向輸入端連接，用于開環控制樣品的XY方向運動和玻璃管探針的Z向運動；

所述XYZ三軸納米運動平臺控制器的X、Y向輸出端與XY雙向納米運動平臺的X、Y向輸入端連接，Z向輸出端與Z向納米運動平臺輸入端連接。

一種SICM的正交幅值掃描成像模式的方法，包括以下步驟：

1)信號發生器輸出兩路同頻交流信號，一路通過膜片鉗放大器衰減后、加載在玻璃管電極上作為驅動電壓，另一路輸入到鎖相放大器參考信號端；

2)由鎖相放大器獲取膜片鉗放大器輸出交流信號的正交分量幅值；