W-Pt微纳热电偶批量制备装置的研制

发布时间：2017-09-09 06:10

  本文关键词：W-Pt微纳热电偶批量制备装置的研制

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【摘要】：温度是生命十分重要的参数之一,正是由于地球距离太阳适中的位置才使得地球保持全年平均温度在15℃左右,地球上的生命得以产生和延续。温度对生命的影响体现在对构成生命体的基本单位——细胞。单细胞测温是上个世纪九十年代兴起的一项新的研究技术,在微加工技术得到很大发展的背景下,制造出能适应细胞尺寸大小的测温工具成为可能。微纳热电偶因为具备制作简单,成本低廉和测温精度较高等优点而得到研究者的广泛关注。在已有研究报道中,基于微玻璃移液管构成的热电偶和同轴式金属热电偶因为具有良好的锥形形貌,坚固的基底材料,较高的Seeback系数,快速的响应时间和良好的生物相容性可很好的满足单细胞温度的测量要求。同时,目前W-Pt微纳热电偶的制作存在着诸如制作时间长,性能不稳定等缺陷,限制了相关研究课题的研究进展。而W-Pt微纳热电偶的性能优劣直接影响单细胞测温结果好坏,合格的W-Pt热电偶尖端曲率半径在亚微米乃至纳米尺寸(500nm以下),热电偶W内极尖端锥度为20°以下,Seeback系数尽可能大(一般能达到4.0-10.0μV/K之问),因此研制能实现快速制作性能稳定的W-Pt微纳热电偶装置可以推动单细胞测温相关研究的发展。本文介绍了一套能快速制备性能的W-Pt微纳热电偶装置,该装置是基于Android手机平台和STM32平台,实现了W-Pt微纳热电偶自动化制备,能对W内极制备过程进行实时监测,同时可以对热电偶制作过程的关键参数进行采集、显示和存储。文中对装置研制的三个方面做了详细的介绍,前两章介绍了单细胞测温发展和热电偶的基本原理。接着介绍了装置的结构和功能设计,详细描述了装置各功能模块的结构。然后分别从装置的硬件和软件两个方面介绍了装置的电气控制系统。最后通过对装置各项测试和热电偶制作试验结果分析介绍了装置的实际制作效果。通过对比分析该装置制作的W-Pt微纳热电偶的光学显微镜和电子扫描显微镜(SEM)图像结果,可以得出该装置制作的W-Pt微纳热电偶的钨针尖端曲率半径约为300nmm,锥角小于18°,Seeback系数为4.0-8.0μV/K之间且均一性较好。结果表明该装置很好的实现了W-Pt微纳热电偶的批量、快速、稳定的制作目标,为后续该热电偶应用于单细胞测温研究奠定了坚实的基础。
【关键词】：单细胞测温 W-Pt微纳热电偶 装置研制 STM32 Android软件开发
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH811
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10-11
• 1.2 单细胞测温发展11-13
• 1.3 微纳热电偶原理与应用13-16
• 1.3.1 热电偶原理及优点13-14
• 1.3.2 微纳热电偶研究进展14-15
• 1.3.3 微纳热电偶发展方向15-16
• 1.4 本论文完成的工作16-18
• 第二章 W-Pt微纳热电偶批量制备装置研究的系统设计18-24
• 2.1 引言18
• 2.2 W-Pt微纳热电偶制备过程18
• 2.3 纳米级W针尖的制备方法介绍18-20
• 2.3.1 电化学腐蚀法制备W针尖的原理介绍19-20
• 2.3.2 纳米级W针尖的制备装置设计20
• 2.4 介质层快速包裹方法介绍20-21
• 2.4.1 介质层快速包裹方法20-21
• 2.4.2 介质层快速包裹装置设计21
• 2.5 W-Pt热电偶外极制备方法介绍21-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第三章 装置结构及功能设计与实现24-32
• 3.1 引言24
• 3.2 装置模块设计与实现介绍24-29
• 3.2.1 电化学腐蚀模块设计25-26
• 3.2.2 清洗模块设计26-27
• 3.2.3 烘干模块设计27-28
• 3.2.4 包裹模块设计28-29
• 3.3 模块转移工作台设计29-30
• 3.4 装置传动单元设计30-31
• 3.4.1 工作台转移导轨模组设计30
• 3.4.2 钨针升降步进电机模组设计30-31
• 3.5 本章小结31-32
• 第四章 装置电气控制系统硬件设计与实现32-46
• 4.1 引言32
• 4.2 装置电气控制系统结构32-33
• 4.3 装置电源设计33-34
• 4.4 主控制模块的设计34-39
• 4.4.1 主控模块芯片选型34
• 4.4.2 稳压电路设计34-36
• 4.4.3 腐蚀电路设计36-37
• 4.4.4 驱动电路设计37-38
• 4.4.5 数据采集电路设计38-39
• 4.4.6 主控制模块实现39
• 4.5 辅助控制模块设计39-43
• 4.5.1 辅助控制模块芯片选型40
• 4.5.2 稳压电路设计40
• 4.5.3 开关电路设计40-42
• 4.5.4 驱动电路设计42
• 4.5.5 辅助控制模块电路板实现42-43
• 4.6 无线传输模块设计43-44
• 4.7 Android手机终端44
• 4.8 本章小结44-46
• 第五章 装置的电气控制系统程序设计与实现46-60
• 5.1 引言46
• 5.2 装置的电气控制系统程序数据流程图46-47
• 5.3 主控制模块程序设计47-52
• 5.3.1 主处理器程序设计47-51
• 5.3.2 协处理器程序设计51-52
• 5.4 辅助控制模块程序设计52-53
• 5.5 装置遥控和数据采集终端程序设计53-59
• 5.5.1 程序功能设计与实现53-58
• 5.5.2 程序控制流程58-59
• 5.6 本章总结59-60
• 第六章 装置系统总成及装置参数分析60-72
• 6.1 引言60
• 6.2 装置的总成与参数60-62
• 6.2.1 装置的总成60-61
• 6.2.2 装置的工作参数61-62
• 6.3 纳米级W针尖制作测试62-65
• 6.3.1 实验设计62
• 6.3.2 纳米级W针尖腐蚀结果分析62-64
• 6.3.3 W针尖腐蚀过程电流分析64-65
• 6.4 清洗模块测试65
• 6.5 烘干模块测试65-66
• 6.6 包裹模块测试66-69
• 6.6.1 实验设计66-67
• 6.6.2 包裹模块结果67-69
• 6.6.3 包裹模块湿度监测结果69
• 6.7 W-Pt微纳热电偶定标实验69-70
• 6.7.1 水浴定标系统设计69-70
• 6.7.2 定标实验结果分析70
• 6.8 本章小结70-72
• 第七章 总结和展望72-74
• 7.1 总结72-73
• 7.2 展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-80
• 作者简介80

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