一种多因素协同的显微操作装置及其控制方法与流程

本发明属于精密仪器、微观操作技术领域，具体涉及一种多因素协同的显微操作装置及其控制方法。

背景技术：

随着材料、生物等技术的发展，涌现了许多新功能材料和技术，对于其性能的检测和机理的分析也不断从宏观向微观深入。现有的探测平台虽然大多可以在微观尺度上对样品进行一定操作，但其应用环境条件单一、检测操作范围有限，并且在对材料进行不同性能检测试验时，需要切换平台操作，不仅使得操作复杂、效率低下。对于需要进行连续多种环境因素变量的测试的样品，还会在切换过程中出现破坏样品或引入干扰因素的情况，使得测试结果具有一定误差。对于需要进行多因素协同检测的样品，鲜有检测装置能够满足测试要求。

落后的检测技术将直接制约新型材料的研究，特别是对于现在发展迅猛的电力绝缘和电子传感器等材料技术，需要在热、电场、压力等环境下对其微观性能进行检测或操作，急需一种能够多因素协同工作的显微操作装置来提升当前的检测水平。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种多因素协同的显微操作装置，在该显微操作装置中通过不同功能单元或模块之间结构上的耦合布置进行多因素的协同施加，从而实现在复杂环境中对样品的显微操作和/或检测。

一方面，本发明提供一种显微操作装置，其包括主控系统、显微操作模块、观测记录模块、电源模块、温度模块、压力模块和位移模块。所述主控系统配置成采集所述显微操作模块、所述观测记录模块、所述电源模块、所述温度模块、所述压力模块和所述位移模块的信号，以及向它们发送控制信号。所述显微操作模块对承载在载物台上的待检样品执行所需的操作和/或检测。所述观测记录模块设置成能将所述显微操作模块的工作区域纳入其观测记录的视野范围内，使得能对所述显微操作模块的操作和/或检测过程进行观测记录。所述电源模块用于对所述主控系统、所述显微操作模块、所述观测记录模块、所述温度模块、所述压力模块和所述位移模块提供电源，所述电源模块包括用于施加所述操作和/或检测过程所需的电场条件的电场施加单元。所述位移模块与所述载物台相连接，并响应于所述主控系统的控制信号而驱动所述载物台发生位移。

优选地，所述电场施加单元、所述温度模块和所述压力模块配置成能各自独立地施加相应的电场、温度和压力。

优选地，所述电场施加单元、所述温度模块和所述压力模块配置成能相互协同地施加相应的电场、温度和压力，其中按顺序依次施加温度、压力、电场。

优选地，所述温度模块配置成响应于所述主控系统的控制信号而施加执行所述操作和/或检测所需的温度，所能施加的温度为20～400℃。

优选地，所述压力模块配置成响应于所述主控系统的控制信号而施加执行所述操作和/或检测所需的压力，所能施加的压力为0～900mpa。

优选地，所述温度模块包括隔热层和加热层，其中所述隔热层位于所述载物台上方，所述加热层位于所述隔热层上。所述电场施加单元包括陶瓷绝缘层和地电极，其中所述陶瓷绝缘层层叠于所述加热层上，所述地电极位于所述陶瓷绝缘层上，所述地电极配置成能承载待检样品并装配有感测温度的温度传感器。所述压力模块包括高压探针、压力测量模块和施压模块，所述高压探针配置成对所述待检样品施加所需的压力，所述压力测量模块配置成测量通过所述高压探针施加在所述待检样品上的压力，所述施压模块用于从所述主控系统接收信号并基于接收到的信号驱动所述高压探针进行施力。

优选地，所述显微操作模块配置成基于所述主控系统的控制信号而在手动操作模式或自动操作模式下工作。

另一方面，本发明还提供一种控制上述显微操作装置的方法，所述方法包括：

步骤(i)，将所述电源模块调节至工作状态，为所述主控系统、所述显微操作模块、所述观测记录模块、所述温度模块、所述压力模块以及所述位移模块提供12v工作电源；

步骤(ii)，所述主控系统向所述显微操作模块发送控制信号，所述显微操作模块响应于控制信号而在自动操作模式下对待检样品进行操作和/或检测；

步骤(iii)，所述主控系统向所述观测记录模块发送控制信号，所述观测记录模块响应于该控制信号而进行显微镜物镜焦距调节，并通过工业相机和图像处理程序在所述操作和/或检测过程中获取实时视频信号；

步骤(iv)，所述主控系统向所述位移模块发送控制信号，所述位移模块响应于该控制信号而将样品待检区域调节至适当的位置，所述主控系统进行以下一种或多种控制：基于设定的工作温度和变温速率，控制所述温度模块以提供操作和/或检测所需的温度；基于设定的工作电场类型以及电场强度数值，根据高压探针与接地电极组成的电极系统类型，以及所述高压探针与接地电极之间的距离，计算出所需工作电压及升压速率，控制所述电场施加单元升高电压至设定的工作电压，以便提供操作和/或检测所需的电场；以及，基于设定的工作压力和调节速率，控制所述压力模块将压力调节至设定的工作压力来提供检测所需的压力；

步骤(v)，所述主控系统发送已设定的命令代码至所述显微操作模块，所述显微操作模块在自动操作模式下执行显微操作，完成对样品的检测操作。

与现有技术相比，本发明的显微操作装置提供了温度、压力、电场等多种环境因素的协同控制，为新材料研发过程中的单因素作用、多因素依次作用、多因素协同作用下的测试提供了良好的平台，高精度的位移模块和观测记录模块实现了操作、检测过程中的高精度可视化，提高了操作精度，提升了检测效率。

本装置可以高效、便捷、准确地在不同环境因素协同作用下对样品进行显微操作，有利于推动新型材料或生物样品的微观性能测试的技术发展。

附图说明

图1示出了本申请的一种多因素协同的显微操作装置结构原理的图。

图2示出了图1的显微操作装置中电场施加单元、温度模块和压力模块的布置方式。

图3是示出压力模块中高压探针、压力测量模块和施压模块的细节的图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的多因素协同的显微操作装置及其控制方法作进一步的说明。

图1示出了本申请的一种多因素协同的显微操作装置结构原理的图，其中具体示出了显微操作装置中各个主要单元之间的连接关系。

如图1所示，该显微操作装置大体上包括主控系统1、显微操作模块2、观测记录模块3、电源模块4、温度模块5、压力模块6和位移模块7。其中，显微操作模块2、温度模块5、压力模块6以及电源模块4中的电场施加单元位于样品操作室(未示出)中。

主控系统1配置成采集显微操作模块2、观测记录模块3、电源模块4、温度模块5、压力模块6和位移模块7的信号，并向上述各个模块发送控制信号。主控系统1优选是基于labview开发环境设计而成的，通过usb数据线进行通讯连接，可以对多台硬件设备进行数据采集并发送控制信号到对应模块的执行电路，通过对采集上来的原始数据进行分析可以得到有意义的结果并显示输出。主控系统1配置成能将图形界面输入的参数转换成数据信号发送至相应模块的执行电路。

显微操作模块2配置成可以响应于主控系统1的控制信号而在自动或手动操作模式下工作。其中，手动操作模式仅限于在无需施加电场的情况进行，该模式下显微操作模块2和观测记录模块3的自动调节功能解除，通过手动调节显微操作模块2上的调节旋钮(未图示)进行操作。

在图1所示的显微操作装置中，观测记录模块3设置在能将显微操作模块2的工作区域纳入其观测记录的视野范围内的位置，使得能对该显微操作模块2的操作和/或检测过程进行观测记录。观测记录模块3能够获取视频、图像信号，对保存的图像信号进行编辑保存，对于经过距离校正的图像信号，还可以测量图像中目标物的尺寸，可以用于对显微操作模块2的操作及检测过程进行观测和记录，并将结果传递至主控系统1进行编辑和保存。观测记录模块3的精度由工业相机的分辨率决定，优选可以达到2000万像素。

电源模块4包括电场施加单元。一方面，电源模块4配置成为主控系统1、显微操作模块2、观测记录模块3、温度模块5、压力模块6和位移模块7提供12v的工作电源。另一方面，电源模块4配置成响应于主控系统1的控制信号而利用电场施加单元对待检样品施加所要求的电场。

温度模块5配置成响应于主控系统1的控制信号而为样品的操作和/或检测提供所要求的温度条件。

压力模块6配置成响应于主控系统1的控制信号而为样品的操作和/或检测提供所要求的压力条件。

位移模块7与承载待检样品的载物台(未图示)相连接，配置成响应于主控系统1的控制信号而移动载物台，进而将待检样品移动至指定视野区域，以便于显微操作模块2进行操作和/或检测，观测记录模块3进行观测记录。位移模块7的位移精度优选在5微米左右。

为了实现在对样品的操作和/或检测过程中协调控制电场、温度、压力等多种因素，完成复杂环境中对样品的显微操作和/或检测，在结构上对电源模块4中的电场施加单元、温度模块5和压力模块6进行了合理的设计。具体地，温度模块5、电场施加单元和压力模块6依次从下至上布置。温度模块5和电场施加单元位于载物台上侧。图2示出了显微操作装置中的电场施加单元、温度模块5和压力模块6的布置方式。出于简化结构的考虑，可以由温度模块5和电场施加单元共同充当承载待检样品的载物台。

如图2所示，温度模块5包括隔热层8和位于隔热层8上的加热层9，隔热层8设置在载物台上。电场施加单元包括陶瓷绝缘层10和位于陶瓷绝缘层10上的接地电极11，陶瓷绝缘层10位于加热层9上方，接地电极11配置成能承载待检样品12。对样品进行操作和/或检测时，待检样品12放置在接地电极11上，加热层9的热量通过陶瓷绝缘层10和接地电极11传递至样品12，接地电极11上安装有检测温度的温度传感器。

压力模块6包括高压探针13、压力测量模块14和施压模块15。高压探针13位于待检样品12上方，其可以通过朝着待检样品12下压的方式对待检样品12施加压力。压力测量模块14用于测量通过高压探针13施加到待检样品12的压力值，施压模块15配置成从主控系统1接收控制信号，然后驱动高压探针13向下施力。图3示出了压力模块6中高压探针13、压力测量模块14和施压模块15的细节，如图所示，高压探针13通过末端夹具与压力测量模块14相连接，压力测量模块14还包括压力传感器，施压模块15通过传动系统带动压力测量模块14和高压探针13运动，以便向待检样品12施加所需的压力。

高压探针13另一方面还能用于与接地电极11组成各种电极系统类型。高压探针13可以采用各种合适的结构形状，例如针状、柱状或球状，相应地与接地电极11可以形成针-板电极系统、柱-板电极系统或球-板电极系统。作用于待检样品12上的压力形式取决于高压探针13的结构形状。

电场施加单元设置成能直接承载待检样品12并通过陶瓷绝缘层10与其他器件进行电场隔离，可以保证仅有待检样品12承受电场的作用，其他器件几乎不会受到电场的作用，从而减小显微操作装置中器件电老化的可能，有助于延长显微操作装置的寿命。温度模块5设置在待检样品12和电场施加单元的下方，从下方进行加热并通过电场施加单元的陶瓷绝缘层10和接地电极11将热量传递给待检样品，这样可以最大程度地保证对待检样品12加热的效果，陶瓷绝缘层10既可以实现导热功能又可以降低电场施加单元与温度模块5之间的相互影响。

基于上述电场施加单元、温度模块5和压力模块6的布置方式，当需要在同时由电场、温度和压力条件构成的复杂环境中对样品进行操作和/或检测时，电场、温度和压力条件的施加顺序依次为温度、压力和电场。考虑到操作安全以防止触电事故发生，电场的施加应当在最后进行，并且必须在安全距离之外进行电压调节，以保证操作者的人身安全。当需要温度和压力因素协同作用时，考虑到温度模块5加热到设定温度所需的时间相对比较长，而施压时间过长可能会对样品造成破坏，因此温度模块5先进行加热，待达到设定温度后，通过压力模块6尽可能快地将压力调节至所需数值，然后对待检样品12进行相应的操作和/或检测。

下面通过实施例对上述显微操作装置的控制方法进行描述。

实施例1：基础显微操作控制方法

基础显微操作无需施加电场、温度、压力等条件，仅为装置的基础功能操作过程。

首先，将电源模块4调节至工作状态，为显微操作装置的其他各个单元提供12v工作电源。

接下来，通过主控系统1选择或切换显微操作模块2的操作模式。以自动操作模式为例，通过主控系统1选定为自动操作模式以后，观测记录模块3响应于主控系统1发送的控制信号而进行显微镜物镜焦距调节，通过工业相机和图像处理程序在电脑主机上获得样品操作室中的实时视频信号。

然后，位移模块7响应于主控系统1发送的控制信号而将载物台调节至适当的位置,此时载物台的中心坐标记为(x，y，z)。

接下来，主控系统1向显微操作模块2发送控制信号进行显微操作，具体地，主控系统1将图形界面输入的参数转换成数据信号发送至显微操作模块2的执行电路。观测记录模块3获取整个操作和/或检测过程中的视频、图像信号，对保存的图像信号进行编辑保存。

实施例2：温度因素单独作用下的显微操作控制方法

首先，将电源模块4调节至工作状态，为显微操作装置的其他各个单元提供12v工作电源。

接下来，通过主控系统1选择或切换显微操作模块2的操作模式。以自动操作模式为例，通过主控系统1选定为自动操作模式以后，观测记录模块3响应于主控系统1发送的控制信号而进行显微镜物镜焦距调节，通过工业相机和图像处理程序在电脑主机上获得样品操作室中的实时视频信号。

然后，位移模块7响应于主控系统1发送的控制信号而将载物台调节至适当的位置。

接下来，在主控系统1中设置工作温度twork和温升速率δt，温度模块5响应于主控系统1的控制信号而将温度升至设定的工作温度twork。

接下来，主控系统1向显微操作模块2发送执行样品检测的控制信号，具体地，主控系统1可以通过将图形界面输入的参数转换成数据信号的方式将控制信号发送至显微操作模块2的执行电路。显微操作模块2基于主控系统1所发送的控制信号而进行样品检测。观测记录模块3获取整个操作和/或检测过程中的视频、图像信号，对保存的图像信号进行编辑保存。

实施例3：电场因素单独作用下的显微操作控制方法

首先，将电源模块4调节至工作状态，为显微操作装置的其他各个单元提供12v工作电源。

接下来，通过主控系统1选择或切换显微操作模块2的操作模式。以自动操作模式为例，通过主控系统1选定为自动操作模式以后，观测记录模块3响应于主控系统1发送的控制信号而进行显微镜物镜焦距调节，通过工业相机和图像处理程序在电脑主机上获得样品操作室中的实时视频信号。

然后，位移模块7响应于主控系统1发送的控制信号而将载物台调节至适当的位置。

接下来，在主控系统1中设置工作电场类型ework以及电场强度数值evalue，主控系统1根据高压探针13与接地电极11组成的电极系统类型，以及高压探针13与接地电极11之间的距离d，计算出所需的工作电压uxork及升压速率δu，电源模块4响应于主控系统1发送的控制信号而将电压升高至设定的工作电压uwork。为加快系统的响应速度，在数据库中存储了不同电极系统的电场分布数据，当输入工作电场类型ework以及电场强度数值evalue后，自动调取对应的电极系统的电场分布数据，利用查表法确定工作电压范围，再利用插值法计算得到所需的工作电压uwork。通常通过δu＝uwork/10来计算升压速率δu，当计算出的uwork/10超过500v/s时δu取500v/s，当计算出uwork/10小于200v/s时δu取200v/s，升压速率δu的范围优选为200v/s～500v/s。

接下来，主控系统1向显微操作模块2发送执行样品检测的控制信号，具体地，主控系统1可以通过将图形界面输入的参数转换成数据信号的方式将控制信号发送至显微操作模块2的执行电路。显微操作模块2基于主控系统1向其发送的控制信号而进行样品检测。观测记录模块3获取整个操作和/或检测过程中的视频、图像信号，对保存的图像信号进行编辑保存。

实施例4：压力因素单独作用下的显微操作控制方法

首先，将电源模块4调节至工作状态，为显微操作装置的其他各个单元提供12v工作电源。

接下来，通过主控系统1选择或切换显微操作模块2的操作模式。以自动操作模式为例，通过主控系统1选定为自动操作模式以后，观测记录模块3响应于主控系统1发送的控制信号而进行显微镜物镜焦距调节，通过工业相机和图像处理程序在电脑主机上获得样品操作室中的实时视频信号。

然后，位移模块7响应于主控系统1发送的控制信号而将载物台调节至适当的位置。

接下来，在主控系统1中设置设置工作压力pwork和调节速率δp，压力模块6响应于主控系统1所发送的控制信号而将压力调节至设定的工作压力pwork，调节速率δp优选为δp≤pwork×5％。

接下来，主控系统1向显微操作模块2发送执行样品检测的控制信号，具体地，主控系统1可以通过将图形界面输入的参数转换成数据信号的方式将控制信号发送至显微操作模块2的执行电路。显微操作模块2基于主控系统1向其发送的控制信号而进行样品检测。观测记录模块3获取整个操作和/或检测过程中的视频、图像信号，对保存的图像信号进行编辑保存。

实施例5：温度、压力和电场因素协同作用下的显微操作控制方法

首先，将电源模块4调节至工作状态，为显微操作装置的其他各个单元提供12v工作电源；

接下来，通过主控系统1选择或切换显微操作模块2的操作模式。以自动操作模式为例，通过主控系统1选定为自动操作模式以后，观测记录模块3响应于主控系统1发送的控制信号而进行显微镜物镜焦距调节，通过工业相机和图像处理程序在电脑主机上获得样品操作室中的实时视频信号。

然后，位移模块7响应于主控系统1发送的控制信号而将载物台调节至适当的位置。

接下来，在主控系统1中将温度、压力和电场的施加和/或调节顺序设置成依次是温度→压力→电场，并参照实施例2～4在主控系统1中分别设置温度、压力和电场相关的参数值，基于设定的各项参数值向温度模块5、压力模块6和电源模块4发送控制信号，温度模块5、压力模块6和电源模块4分别响应于主控系统1所发送的控制信号而开始工作，使得检测环境中的温度、压力和电场参数分别达到设定值。

接下来，主控系统1向显微操作模块2发送执行样品检测的控制信号，具体地，主控系统1可以通过将图形界面输入的参数转换成数据信号的方式将控制信号发送至显微操作模块2的执行电路。显微操作模块2基于主控系统1向其发送的控制信号而进行样品检测。观测记录模块3获取整个操作和/或检测过程中的视频、图像信号，对保存的图像信号进行编辑保存。

申请人结合说明书附图对本发明的具体实施方式和实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案。详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明的精神，并非对本发明保护范围的限制。相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。