一种匀强磁场磁电测试与观测装置

技术领域

本发明涉及磁电测试系统技术领域，特别涉及一种匀强磁场磁电测试与观测装置。

背景技术

随着微流控技术的发展，越来越多的人开始拓展微流控芯片的应用及其性能的测试。由于微流控芯片内部结构精密，尺寸较小，针对其性能全面探索成为了一个复杂的难题。针对一些透光性较差的流体，需要在磁场下研究并定量测试其电学性能，这给微流控芯片的性能测试带来了更多的挑战。

目前，针对一些微流控芯片内部的流动分析，人们大多在显微镜下进行定性观测，其中包括气泡、液滴、细胞、病毒的行为和动作观测等。然而，定性研究捕捉的细节较少，研究获得结论不完善。如何在显微镜下进行定量的研究微流控芯片的内部流动以及芯片的性能，成为了一个重要的挑战。针对一些微流控芯片内部的透光性较差流体，进行磁电测试和观测，微观定性观察和宏观性能对比的检测，均是亟需解决的问题。如何产生均匀的磁场，如何布置观测电路，如何同时捕捉微观动作和宏观电信号，是本发明需要解决的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种匀强磁场磁电测试与观测装置，旨在解决观测装置无法定量的研究微流控芯片的内部流动以及芯片性能的问题。

本发明的技术方案如下：

一种匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，包括载物平台、光学观测系统、磁场发生系统、磁电检测系统；所述光学观测系统包括设置在所述载物平台上方的单筒显微镜，设置在所述单筒显微镜上的CCD相机、与所述CCD相机电连接的计算机；所述磁场发生系统包括至少一个非接触套设在所述载物平台上的亥姆霍兹线圈以及与所述亥姆霍兹线圈电连接的直流可编程电源；所述磁电检测系统包括精密可编程电源、与所述精密可编程电源电连接的台式高斯计，以及与所述台式高斯计电连接的高斯计探头。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述光学观测系统还包括设置在所述载物平台下方的可调光源，以及与所述可调光源电连接的光源调节器。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述光学观测系统还包括设置在所述载物平台下方且用于支撑所述载物平台的载物平台左支架和载物平台右支架，所述载物平台左支架上设置有手动精密微调工作台，所述载物平台的左端固定在所述手动精密微调工作台上，所述载物平台右支架上设置有水平滑轨，所述载物平台的右端固定在所述水平滑轨上。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述光学观测系统还包括固定底座、固定设置在所述固定底座上的支架竖直杆、设置在所述支架竖直杆上的支架水平杆、设置在所述支架水平杆上的支架滑轨，以及设置在所述支架滑轨上的显微镜支架，所述显微镜支架用于安装单筒显微镜。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述单筒显微镜包括单筒显微镜筒以及安装在所述单筒显微镜镜筒下方的物镜。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述载物平台上设置有定位钻孔。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述磁场发生系统还包括用于检测所述亥姆霍兹线圈温度的温度传感器，以及与所述温度传感器电连接的温度报警器。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述磁场发生系统包括设置在所述载物平台左支架和所述载物平台右支架之间的两个亥姆霍兹线圈，所述两个亥姆霍兹线圈间隔对称设置，所述单筒显微镜位于所述两个亥姆霍兹线圈之间。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述磁电检测系统还包括与所述台式高斯计以及精密可编程电源分别电连接的数据采集器，所述数据采集器还与所述笔记本电连接。

所述的匀强磁场磁电测试与观测装置，其中，所述磁电检测系统还包括仪表支架，以及设置在所述仪表支架上的仪表。

有益效果：本发明提供的匀强磁场磁电测试与观测装置可以产生较为均匀的磁场，并在磁场内部同时进行小型磁性电子元器件的微观观测和宏观磁电性能测试。本发明提供的装置集成了宏观和微观性能测试于一体，可以对比微观结构和宏观信号，其提高了微观电子元器件的检测效率，为微机电磁电系统测试提供了方便。

附图说明

图1为本发明一种匀强磁场磁电测试与观测装置较佳实施例的第一视角结构示意图。

图2为本发明一种匀强磁场磁电测试与观测装置较佳实施例的第二视角结构示意图。

图3为本发明一种匀强磁场磁电测试与观测装置较佳实施例的第三视角结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种匀强磁场磁电测试与观测装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于微型传感器的小型化、集成化，这使得同时进行微观观测和宏观性能测试成为了一个重大的难题。目前，市场上对电子元器件的观测主要采用显微镜。常见的体式显微镜，其下部操作空间较大，可以集成宏观电学测量系统，但是其放大倍数较低。常见的金相显微镜等高倍放大显微镜，其焦距较短，镜头下方操作空间较小，无法在其下方集成复杂系统。因此，现有观测装置大多只能提供观测功能，无法将微观观测和宏观电学测试集成。除此之外，磁场会影响某些测试传感器的精度，对测试系统造成干扰，在磁场内进行电学测试及微观观测面临着较多挑战。总的来说，如何实现磁场内的磁电测量及微观观测，目前还未有较好地解决方法。

基于此，本发明提供了一种匀强磁场磁电测试与观测装置，如图1-图2所示，其包括载物平台111、光学观测系统、磁场发生系统、磁电检测系统；所述光学观测系统包括设置在所述载物平台111上方的单筒显微镜，设置在所述单筒显微镜上的CCD相机109、与所述CCD相机109电连接的计算机106；所述磁场发生系统包括至少一个非接触套设在所述载物平台111上的亥姆霍兹线圈114以及与所述亥姆霍兹线圈114电连接的直流可编程电源101；所述磁电检测系统包括精密可编程电源102、与所述精密可编程电源102电连接的台式高斯计103，以及与所述台式高斯计103电连接的高斯计探头207。

在本实施例中，所述单筒显微镜上安装了所述CCD相机，所述CCD成像相机连接至所述计算机106，使用配套软件进行成像，成像前可以使用所述单筒显微镜校准标尺对软件进行标定，用于关联像素尺寸和实际尺寸的关系，方便通过显微镜图片进行样本尺寸测量，本实施例通过所述CCD相机可定性记录微流控芯片的流动特性；本实施例中，所述亥姆霍兹线圈114通电后可产生均匀的磁场，通过所述台式高斯计103以及高斯计探头207可定量地测试微流控芯片的磁电性能。也就是说，本实施例提供的匀强磁场磁电测试与观测装置集成了对微流控芯片的宏观和微观性能测试于一体，可以对比微观结构和宏观信号，其提高了微观电子元器件的检测效率，为微机电磁电系统测试提供了方便。

在一些实施方式中，所述单筒显微镜包括单筒显微镜镜筒205以及安装在所述单筒显微镜镜筒205下方的物镜115。本实施例中，所述单筒显微镜镜筒205下方可根据需求安装不同放大倍数的物镜115，例如安装10倍、20倍、40倍等可替换物镜，以用于观测不同尺寸的样品。

在一些实施方式中，所述光学观测系统还包括固定底座120、固定设置在所述固定底座120上的支架竖直杆107、设置在所述支架竖直杆107上的支架水平杆108、设置在所述支架水平杆108上的支架滑轨210，以及设置在所述支架滑轨210上的显微镜支架209，所述显微镜支架209用于安装所述单筒显微镜。

具体来讲，如图1-2所示，所述固定底座120通过法兰盘203与所述支架竖直杆107固定，所述支架竖直杆107上通过一竖直杆紧固螺丝213与一带有通孔的水平紧固件200连接，所述水平紧固件200可以通过所述竖直杆紧固螺丝213进行上下调整和旋转，所述支架水平杆108插入到所述水平紧固件200的通孔内并通过所述第一紧固螺丝211和第二紧固螺丝212固定，通过所述第一紧固螺丝211和第二紧固螺丝212可调整所述支架水平杆108沿所述通孔水平轴向运动。所述支架竖直杆107上还设置有竖直杆保险紧固螺丝201和竖直杆保险紧固件202，所述竖直杆保险紧固螺丝201和竖直杆保险紧固件202搭配使用，主要是固定支架水平杆108，避免其沿重力方向意外滑动导致镜头与载物平台碰撞损坏。

在本实施例中，所述显微镜支架209通过所述水平紧固螺丝208固定在所述支架滑轨210上，所述显微镜支架209上还设置有显微镜粗细准焦螺旋110，所述支架滑轨210搭配所述显微镜粗细准焦螺旋110使用，控制所述显微镜支架209带动所述单筒显微镜沿重力方向上下移动，从而调整焦距。

本实施例中，所述单筒显微镜固定在所述显微镜支架209上，所述显微镜支架可以在空间中3个自由度内调整并固定，方便整个光学观测系统的移动。

在一些实施方式中，所述光学观测系统还包括设置在所述载物平台111下方的可调光源116，以及与所述可调光源116电连接的光源调节器119。本实施例通过在载物平台111下方增设可调光源116，通过设置所述可调光源可以透过透光性较差的样本，从而观测到较薄物体内部情况，有助于更清晰地观测微流控芯片内流体的流动性能。

在一些实施方式中，所述光学观测系统还包括设置在所述载物平台111下方且用于支撑所述载物平台的载物平台左支架117和载物平台右支架113，所述载物平台左支架117上设置有手动精密微调工作台118，所述载物平台111的左端固定在所述手动精密微调工作台118上，所述载物平台右支架113上设置有水平滑轨112，所述载物平台的右端固定在所述水平滑轨112上；如图3所示，所述手动精密微调工作台118上设置有前后Y方向位移旋钮301、左右X方向位移旋钮302。

具体来讲，所述载物平台111的左端可通过所述前后Y方向位移旋钮301、左右X方向位移旋钮302定量调整，以实现在两个方向的位移移动；所述载物平台111的右端固定在水平滑轨112上，水平滑轨112可以沿2个方向平移，从动于所述手动精密微调工作台118。所述手动精密微调工作台上设置有带有刻度的螺旋测微器，可以测量载物平台111的位移。本实施例中，所述载物平台可以指定平移一定距离，对位于载物平台上的整个样品进行抽样检测，该抽样检测方法，指的是在某一长宽区域内，按照固定间隔等抽样方法，抽取一定数量的视野，进行统计，结合视野面积和样品总面积的比例，估算整个样品的情况及某一事件发生的概率，显微镜的图像也可以测距，使用显微镜校准标尺对像素距离进行映射，后使用显微镜图像像素点数量便可以计算距离。

在一些实施方式中，所述载物平台111为亚克力透明材料制作，透光性能较好。

在一些实施方式中，所述载物平台11上还设置有定位钻孔，所述定位钻孔为正交的多组钻孔，可以用做样本的定位，对于特殊样本需要安装夹具，也可以由该组钻孔扩展。

在一些实施方式中，如图1所示，所述磁场发生系统还包括用于检测所述亥姆霍兹线圈114温度的温度传感器，以及与所述温度传感器电连接的温度报警器121。具体来讲，如图1-图2所示，所述磁场发生系统包括设置在所述载物平台左支架和所述载物平台右支架之间的两个亥姆霍兹线圈114，所述两个亥姆霍兹线圈114间隔对称设置，所述单筒显微镜位于所述两个亥姆霍兹线圈114之间。直流可编程大功率电源101为亥姆霍兹线圈114提供电源，改变电流和电压等组合可以产生不同大小的均匀磁场，磁场强度范围为0-30mT。

在一些具体的实施方式中，所述亥姆霍兹线圈的线圈内径为138mm，外径为242mm，两个亥姆霍兹线圈的中间间距为58mm，左右放置，漆包线为3.0mm，直流电阻为0.98欧姆，线圈最大电流20A，20A时中心磁场强度为30mT，中心20*20mm位置均匀度为99％。所述直流可编程大功率电源为所述亥姆霍兹线圈供电，所述电源可提供电压0-30V,电流0-20A,电压分辨率为1mV，电流分辨率为0.1mA，电源具有过载保护。所述亥姆霍兹线圈无水冷系统，温度随着通电时间升高，为了防止意外发生，所述温度传感器结合温度报警器可以实时检测线圈温度并进行报警，报警阈值为50摄氏度。所述磁场发生系统还包括J型热电偶温度测量装置，其安装在亥姆霍兹线圈上，热电偶信号接入所述磁电检测系统，用于将线圈温度反馈至所述计算机端口。本实施例中，所述亥姆霍兹线圈磁场强度可以通过改变磁场电流和磁场电压的组合实现，既可以通过改变电压改变场强，也可以通过改变电流改变场强。磁场强度和电压电流的关系可以通过曲线拟合初步确定，后结合所述台式高斯计的测量数值进行闭环调节，从而快速到达所需要的数值，调节过程既快速又精确。

在一些实施方式中，两个亥姆霍兹线圈的间距为58mm，所述单筒显微镜镜筒直径小于50mm，可以放置进入磁场内部，单筒显微镜镜筒长度较大，致使安装的CCD成像相机在磁场之外，避免磁场对CCD成像相机成像造成影响。

在一些实施方式中，如图1-图2所示，所述磁电检测系统还包括与所述台式高斯计103以及精密可编程电源102分别电连接的数据采集器104，所述数据采集器104还与所述笔记本106电连接；还包括用于放置高斯计探头207的高斯计探头支架206，用于放置仪表的仪表支架105，以及与所述精密可编程电源102电连接的测量处理电路。

具体来讲，所述直流精密可编程电源，由3通道组成，可以分别提供0-30V，0-30V，0-5V电压，主要用于给测量处理电路提供电源。所述台式高斯计，用于测量磁场强度，搭配所述高斯计探针及高斯计探针支架使用。高斯计探针可以根据高斯计探针支架的位置移动而移动，高斯计探针支架可以上下调整高度，高斯计探针支架杆上刻有刻度，可以进行高度方向的测量。高斯计探针和台式高斯计用数据线相连接，所述台式高斯计可以将磁场强度的大小，线性地转换为电压信号。所述数据采集器由数据采集系统主机和数据采集卡组成。所述测量处理电路，可以根据需要测量的电子元器件自行设计，最终的电压电流信号接入所述数据采集器最终传入所述计算机。

在本实施例中，所述数据采集器可以测量电压、电流、温度等信号，需要测量的样品参数，可以使用对应的传感器以及所述测量处理电路转换至电压信号，接入数据采集器，所述数据采集器预留多个接口，方便扩展。

在本实施例中，所述测量处理电路内布置有应急开关、安全电阻，应急开关的主要作用在于拆装测试样本、发生短路意外时断开测量处理电路和主电源，安全电阻主要作用是限流，避免大电流烧毁整个系统。

综上所述，本发明提供的匀强磁场磁电测试与观测装置可以产生较为均匀的磁场，并在磁场内部同时进行小型磁性电子元器件的微观观测和宏观磁电性能测试。本发明提供的装置集成了宏观和微观性能测试于一体，可以对比微观结构和宏观信号，其提高了微观电子元器件的检测效率，为微机电磁电系统测试提供了方便。除此之外，所述匀强磁场磁电测试与观测装置还设置有随机抽样、图片测量、闭环控制、模块扩展、保护电路等功能，方便匀强磁场磁电测试与观测等科学研究。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。