[发明专利]实现温度变化期间的尺寸稳定性的结构

说明书

描述了用于在纳米压痕测量系统中的加热或冷却的样品固定台。设计的几何形状和材料的选择使得样品架在较宽的温度范围内相对于纳米压痕尖端的移动最小化。该系统对由于在高温纳米压痕系统中尖端和/或样品的加热而引起的样品运动和/或压痕尖端运动进行控制和最小化。这是通过几何、材料选择和多个热源冷源的组合来实现的，稳态和瞬态位移响应都可以得到控制的。

相关申请数据

本申请要求2015年3月23日提交的标题为“Structure to Achieve ActiveDimensional Stability During Temperature Changes”的临时美国专利申请序列号62/136,930的优先权。

技术领域

本发明涉及任何需要尺寸稳定性的领域。这包括但不限于纳米压痕测量。更具体地，本发明涉及补偿由于这种系统中的温度变化引起的尺寸变化。

背景技术

在涉及诸如扫描电子显微镜、精密光学系统、对准系统和纳米压痕测试系统等各种高精度测量仪器的应用中，保持样品固定台相对显微镜焦点或纳米压痕测试探针尖端的位置是至关重要的。温度随时间的动态变化可导致样品平台发生相对于测量系统中焦点或测量尖端的不必要移动。在包括用于进行高温或低温测量的加热器或冷却器的样品放置平台中，温度变化会是个重要的问题。

因此，需要一个可靠的系统，用于加热或冷却系统的各种部件，同时还补偿由于温度变化导致的系统部件的移动。

发明内容

在本文所述的各种实施例中，通过在纳米压痕测量系统中采用进行加热或冷却的固定台来保持样品或测量尖端或两者的位置不变以满足上述和其它需要。设计的几何形状和材料的选择使得样品架在较宽的温度范围内相对于纳米压痕尖端的移动最小化。优选实施例对由于在高温纳米压痕系统中尖端和/或样品的加热而引起的样品运动和/或压痕尖端运动进行控制和最小化。这是通过几何、材料选择和多个热源冷源的组合来实现的，稳态和瞬态位移响应都可以得到控制。

在本文所述的实施例中，设计目标是使结构元件沿着以一个或多个180度方向变化来回移动的热流路径的净线性膨胀或收缩最小化，换句话说，一条路径将自身折回一次或多次。沿着路径的净线性膨胀/收缩取决于路径中结构的各种部件的长度、它们的热膨胀系数以及每个部件上的温度梯度。为了进行建模，假设一维热流，因此组件横向尺寸不是关键的。净线性膨胀/收缩可以描述为：

净线性膨胀/收缩＝∑L_iα_iΔT_i

其中，L_i、α_i和ΔT_i分别是路径中的每个部件沿着路径方向的相应长度、热膨胀系数和部件上的温度梯度。在上述方程中，ΔT_i的某些值为正(在+y方向)，一些为负(在-y方向)，这取决于热流的方向。如本领域技术人员可以理解的，设计目标是净零膨胀/收缩。从上述方程可以看出，对于稳态或瞬态热流条件，可以达到净零膨胀/收缩的部件长度、部件材料性质和部件温度梯度的多种组合是显而易见的。这个方程可用来解释辐射膨胀/收缩的额外影响，特别是在较高的工作温度下。

本文所述的一些实施例提供了用于测量仪器的样品固定台。样品固定台包括样品架、支撑结构和壳体。样品架包括样品平台和管状支撑杆。样品平台具有可以放置样品的上表面和设置在上表面下方的下表面。管状支撑杆具有刚性地固定在样品台的下表面的上部和设置在上部下方的下部。支撑结构包括基部构件、管状壁构件和唇形构件。基部构件刚性地固定到管状支撑杆的下部。管状壁构件具有刚性地固定到基部构件的下部和设置在下部上方的上部。唇形构件刚性地固定在管状壁构件的上部并且具有中心开口。唇形构件也刚性地固定到壳体上。壳体包括中心孔和围绕孔的上凸缘。中心孔接收支撑结构的基部构件和管状壁构件。