专利名称:电子显微镜下微纳样本的无线控制系统的制作方法
电子显微镜下微纳样本的无线控制系统 技术领域：
本发明涉及一种用于微纳样本的观测的控制系统，具体涉及一种在电子 显微镜下操控微纳样本执行各类操作的控制系统。
背景技术：
电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学 透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器，其分辨能力以 它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示。现代电子显微镜最大放大倍率超 过300万倍，而光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍(这是受到该显微 镜执行工作所依据的光线波长的限制)，所以通过电子显微镜就能直接观察 到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。现代电子显微镜一般包括(l)一电子枪，其用于产生加速电子束(2) — 图像生成系统，该系统包括静电透镜和金属光阑，其中的金属光阑用于界限 并聚焦电子束，使电子束穿过样本的表面或扫描到表面上，并形成放大的图 像；(3) —图像观察及纪录系统，其通常包括照相底板或荧光屏；(4)一真空泵， 其用于保持显微镜的高真空度，以避免空气分子使电子偏离其运动路线。按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、发射式电 子显微镜等。透射式电子显微镜(TEM)常用于观察那些用普通显微镜所不 能分辨的细微物质结构，电子穿过样本的薄切片，且在一荧光屏或照相底板 上形成一个图像；扫描式电子显微镜(SEM)主要用于观察固体表面的形貌， 也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成 分分析，例如用于研究各种物体表面的三维构造，从金属、陶瓷到血细胞、 昆虫体等；发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。不同种类的电子显微镜通常均设置一控制系统，与显微镜配合使用，用 于对被成像的样本进行操作，然而，控制系统通常都是专为某种特定的显微 镜而研制的，如SEM的控制系统就不适用于TEM，甚至同一种显微镜但型号不同，控制系统也无法相互通用，缺乏与不同类型显微镜的接口互换使用 的灵活性。为此，中国发明专利公开的用于对由显微镜进行研究的试样执行操作的 控制系统(CN1662838A)以及用于对由显微镜进行研究的试样执行操作的 模块控制系统(CN1662839A)，通过设置适用于各类显微镜的接口及适应各 类操作的多个操作模块。基本包括一操作平台、 一接口和至少1个操作模块， 接口用于与一显微镜进行联接，以便于由显微镜对布置在试样室内的样本执 行成像，操作模块被设置于试样室内的一操作平台上，承放样本的试样载台 位于操作模块中间，以便对布置在试样载台上的试样执行操作。为实现对控 制系统的控制，需设置一与平台联接起来的控制系统，以便于各操作模块按 照所需的方式对样本执行操作。控制系统可包括任何基于处理器的合适的系 统一一例如个人算机(PC),其可执行合适的软件，以对与平台相联接的操 作模块执行控制，如图1所示。控制系统的输入、输出指令均经导线穿过试 样室而与操作平台上的控制电路连接，试样室侧壁上预留孔道以备配接，由 此产生的问题是①试样室内需保持真空状态(1(T、orr)，在导线穿插的孔 道需设置一能保证试样室真空度的密封装置，而当操作模块越多，对应每一 模块的输入、输出导线也就越多，这对密封装置的制作造成相当大的困难， 而试样室内的真空度是影响显微镜成像质量的关键因素之一；②不同种类的 电子显微镜上试样室侧壁上预留的孔道位置、数量不一致，当控制系统与显 微镜组装时，需改装试样室，重新配接各控制电路，且需保持试样室内测试 环境的一致性，因而增加了反复测试及个性化改装的麻烦；③试样室内的空 间有限，尺寸如15 cmX15 cmX6 cm,在如此有限的空间内，需设置控制系统 (包括各操作模块、试样载台等)，供控制电路与输入、输出指令线接入的 空间受限，故而样本执行各类复杂操作需要的指令线接入及设置操作模块数 量均受限，自动化操作能力下降。为解决上述信号输入、输出指令线对试样室真空环境破坏问题，可借助 于无线传输媒介，以发射器与接收器的配合，控制操作模块运动，避免有线 配接的问题。然而，又因试样室内为真空状态，接收器及操作模块的电源无 法使用普通电池(电解液电池)，在真空状态下普通电池极易发生电解液泄漏，这是因为电池壳体受到的压力大于在外界大气压下受到的压力，增加了 一个大气压，壳体被挤压而破裂，电解液的泄漏将腐蚀操作模块，损坏控制 系统；而若采用无电解液的固体电池作为接收器的电源，则需要占用面积有 限的操作平台空间，在电池含电量下降时，若不及时更换电池，将影响接收 信号的能力，以及操作模块的正常运作，导致检测误差，给研究、测量工作 带来麻烦。因而，电源问题是限制采用无线控制的瓶颈，需要本领域技术人 员努力改进的地方。
发明内容
本发明目的是提供一种电子显微镜下微纳样本的无线控制系统，运用该 控制系统，对样本执操作可实现无线控制，适用于各类电子显微镜，且操控 简单、方便。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是 一种电子显微镜下微纳样 本的无线控制系统，包括一操作平台，设置于该平台上的至少一个操作模块， 承载样本的试样载台，以及与每一操作模块内控制电路连接的控制装置，所 述控制装置包括设置于试样室内的接收装置及位于试样室外的发射装置、中央处理器，所述接收装置包括第一 RF模组及第一微处理器，该微处理器的 输出端与控制电路连接，所述发射装置包括第二 RF模组及第二微处理器， 该微处理器的输入端与所述中央处理器连接，读取由中央处理器输出的控制 指令，并转换为射频控制信号发射，经无线电波传输，所述第一 RF模组接 收该射频控制信号，并经由电感-电磁耦合产生的感应电流驱动各操作模块 作业。上述技术方案中，所述中央处理器经串行接口或USB接口或无线信道媒 介与所述第二微处理器的输入端连接。串行接口与USB接口为有线联接，串 行接口如RS-232、 RS-485、 RS-422等，无线信道媒介为无线联接，如WLAN 无线网络等。上文中，电子显微镜通常包括电子枪、图像生成系统、图像观察及纪录 系统和真空泵，以及与显微镜配合使用的控制系统，用于对被成像的样本进 行操作。控制系统包括操作平台、承载样本的试样载台、与显微镜配接的接口及对样本执行操作的操作模块。所述操作模块一般由微致动机构和末端执 行器(如探针等)构成。上述技术方案中，操作模块内的所述控制电路(信 息处理器)接收由接收装置中第一微处理器输出的控制信号，驱动微致动机 构及执行器完成相应操作所述RF模组包括天线和收发器，接收装置中的 第一RF模组内为接收器，而发射装置中的第二 RF模组内为发射器，两者 间经天线运用无线电波实现射频控制信号的传送，而操作人员又通过与发射 装置连接的中央处理器向发射装置输入操作指令。本发明中，当发射装置进入接收装置的射频识别范围后，发射装置所发 出的无线电波(射频控制信号)对接收装置产生感应微电流，接收装置就能 凭借该感应电流所获得的能量作为自身工作以及驱动各操作模块的电源，因 而，试样室内无需设置供电电源(如电池)，利用电感-电磁的耦合方式一方 面实现信号的传送，另一方面实现接收装置及操作模块的供电，从而完成试 样室内外无线控制指令的传输，不影响试样室内的真空度。更进一步地，上述操作模块可以是一 MEMS装置，包括执行器及信号处 理电路，所述执行器经信号处理电路与所述控制电路连接。所述MEMS(Micro Electromechanical System)装置是集微型传感器、执行器以及信号处理和 控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微电子机械系统，为现有技术， 由于其需要的驱动电量较小，由交变磁场产生的感应电流足以驱动MEMS装 置(操作模块)正常工作。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1. 本发明中将接收装置安装于位于试样室内的试样载台上，运用无线 电波传输媒介与位于试样室外的发射装置联接，发射装置发射的射频信号一 方面完成射频控制信号(输入、输出指令)的传递，另一方面利用电感-电磁 耦合方式产生的感应电流作为接收装置及驱动操作模块的电源，从而避免在 试样室内设置电池，使无线传输成为可能，且电源电量以交变磁场产生，无 需考虑电池的更换问题，保证检测精度不受电量变化的影响2. 由于采用无线实现信号传输，与以往采用导线传输，避免了导线的 穿插而影响试样室的密封结构，保持试样室内的真空度不变，利于电子显微 镜的观测；
3. 由于采用无线实现信号传输，使控制系统在不同种类的电子显微镜 下均可以直接使用，无需对试样室进行改装及反复测试，避免影响真空度与 测试精度；
4. 由于采用无线实现信号传输，使控制信号的传输不受试样室大小的 局限，直接对微纳米级别的操作模块进行控制，易于操作，可完成较为复杂 的操作，达到自动化的操作。
图1是本发明背景技术的结构框图； 图2是本发明实施例一的结构框图；图3是本发明实施例一中射频信号传输/能量转换示意框图；图4是本发明实施例一的操作平台布置结构示意图(控制电路未画出)；图5是本发明实施例二的结构框图。其中1、操作平台；2、接收装置3、试样载台；4、操作模块；5、 操作器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见图1至图4所示， 一种电子显微镜下微纳样本的无线控 制系统，包括一操作平台1,设置于该平台上的4个操作模块4，承载样本 的试样载台3，以及与每一操作模块4内控制电路连接的控制装置，所述控 制装置包括设置于试样室1内的接收装置2及位于试样室外的发射装置、中 央处理器，所述接收装置2包括第一 RF模组及第一微处理器，该微处理器 的输出端与控制操作模块4运动的控制电路连接，所述发射装置包括第二 RF 模组及第二微处理器，该微处理器的输入端经串行接口 RS-232 (或是USB接 口、 WLAN无线网络)与所述中央处理器连接，读取由中央处理器输出的控制 指令，并转换为射频控制信号发射，经无线电波传输，所述第一 RF模组接 收该射频控制信号，并经由电感-电磁耦合产生的感应电流驱动各操作模块。RF模组包括天线和收发器，接收装置中的第一RF模组内为接收器，而发射装置中的第二 RF模组内为发射器，发射器利用天线发射射频信号，两 者间产生交变磁场，发射器发出的电波对接收器产生感应微电流，该电流作 为供应接收装置2及操作模块4的电源动力，再利用电波将其射频控制信号 传送给接收器，实现无线通信与操作。如图4所示，安装于试样室内的控制系统包括了一操作平台1,操作平 台1上设有4个操作模块4，分别由微致动机构控制末端的执行器5(探针)， 操作模块的中间设有试样载台3，用于承载样本。控制电路分别与每一操作 模块4连接，输入端与第一微处理器输出端连接，第一微处理器接收由第一 RF模组收到来自试样室外发射装置发射的射频控制信号，而发射装置内的 第二微处理器的输入端又经RS-232串行接口与计算机(中央处理器)连接， 读取由计算机输出的控制指令，从而构成对试样室内操作模块4的无线控制， 完成对微纳米级样本的测量与研究。实施例二参见图5所示， 一种电子显微镜下微纳样本的无线控制系统， 包括一操作平台，设置于该平台上的l个操作模块，承载样本的试样载台， 以及与操作模块内控制电路连接的控制装置，所述控制装置包括设置于试样 室内的接收装置及位于试样室外的发射装置、中央处理器，所述接收装置包 括第一 RF模组及第一微处理器，该微处理器的输出端与控制操作模块运动 的控制电路连接，所述发射装置包括第二 RF模组及第二微处理器，该微处 理器的输入端经USB接口与所述中央处理器连接，读取由中央处理器输出的 控制指令，并转换为射频控制信号发射，经无线电波传输，所述第一 RF模 组接收该射频控制信号，并经由电感-电磁耦合产生的感应电流驱动操作模 块。本实施例中，单个所述操作模块为一 MEMS装置，包括探针执行器及信 号处理电路，所述执行器经信号处理电路与所述控制电路连接，该MEMS装 置的电源由接收装置与发射装置产生的感应电流为驱动电能。
权利要求
1.一种电子显微镜下微纳样本的无线控制系统，包括一操作平台(1)，设置于该平台上的至少一个操作模块(4)，承载样本的试样载台(3)，以及与每一操作模块(4)内控制电路连接的控制装置，其特征在于所述控制装置包括设置于试样室内的接收装置(2)及位于试样室外的发射装置、中央处理器，所述接收装置(2)包括第一RF模组及第一微处理器，该微处理器的输出端与控制电路连接，所述发射装置包括第二RF模组及第二微处理器，该微处理器的输入端与所述中央处理器连接，读取由中央处理器输出的控制指令，并转换为射频控制信号发射，经无线电波传输，所述第一RF模组接收该射频控制信号，并经由电感-电磁耦合产生的感应电流驱动各操作模块作业。
2. 根据权利要求
1所述的无线控制系统，其特征在于所述中央处理 器经串行接口或USB接口或无线信道媒介与所述第二微处理器的输入端连 接。
3. 根据权利要求
1所述的无线控制系统，其特征在于所述操作模块 (4)为一 MEMS装置，包括执行器及信号处理电路，所述执行器经信号处理电 路与所述控制电路连接。
专利摘要
本发明公开了一种电子显微镜下微纳样本的无线控制系统，包括操作平台、操作模块、试样载台及控制装置，其特征在于控制装置包括接收装置及发射装置、中央处理器，所述接收装置包括第一RF模组及第一微处理器，该微处理器的输出端与控制电路连接，所述发射装置包括第二RF模组及第二微处理器，该微处理器的输入端与所述中央处理器连接，读取由中央处理器输出的控制指令，并转换为射频控制信号发射，经无线电波传输，所述第一RF模组接收该射频控制信号，并经由电感-电磁耦合产生的感应电流驱动各操作模块。本发明发射装置与接收装置以无线电波作为通信媒介，经交变磁场产生的感应电能作为驱动电源，实现对试样室内操作模块的无线控制。
文档编号G01Q30/20GKCN101251464SQ200810020045
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月19日
发明者侯蓉晖, 卫 张, 杨毅华 申请人:苏州特尔纳米技术有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan