实现温度变化期间的尺寸稳定性的结构的制作方法

文档序号:14010959阅读:204来源:国知局
实现温度变化期间的尺寸稳定性的结构的制作方法

相关申请数据

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

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。



技术实现要素:

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=∑liαiδti

其中,li、αi和δti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,δti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。

在优选实施例中,样品平台的至少一部分设置在唇形构件的中心开口内部,并且样品架的管状支撑杆设置在支撑结构的管状壁构件的内部。当存在热膨胀或收缩时,样品平台可相对于管状壁构件轴向移动,并且支撑结构的基部构件可相对于壳体轴向移动。

在一些实施例中,样品平台、管状壁构件、唇形构件的中心开口和壳体的中心孔都是圆柱形的。管状壁构件的内径大于样品平台直径,使得样品台可以相对于管状壁构件轴向移动。唇形构件的中心开口的内径大于样品平台直径,使得样品平台相对于唇形构件的中心开口轴向移动。壳体的中心孔的直径大于管状壁构件的外径,使得管状壁构件可相对于壳体的中心孔轴向移动。

在一些实施例中,样品架由钼形成,支撑结构由不锈钢形成,壳体由铜形成。

在一些实施例中,传热元件设置在样品平台内,用于将热量传递到样品平台或从样品平台移除热量。

在另一方面,本文所述的实施例提供了用于测量仪器的压痕尖端固定台。压痕尖端固定台包括壳体、支撑结构和尖端架。壳体具有外表面和从其外表面延伸到壳体中的中心孔。支撑结构包括至少部分地设置在壳体的中心孔内部的中心部分。支撑结构中延伸到中心部分的中心孔具有在中心部分的外表面中的孔开口和与孔开口间隔开的孔端。从中心部分向外延伸的唇形部件刚性地固定在壳体的外表面上。至少部分地设置在支撑结构的中心孔内的尖端架包括接收部分和附接部分。在中心部分邻近孔开口设置的接收部分接收和固定压痕尖端。设置在支撑结构中心孔内部的附接部分是刚性地固定到邻近孔端部的支撑结构的中心部分。当存在热膨胀或收缩时,支撑结构的中心部分可以在壳体内的中心孔内轴向移动,并且尖端架的接收部分可在支撑结构的中心孔内轴向移动。

在一些实施例中,尖端架由钼形成,支撑结构由不锈钢形成,壳体由铜形成。

在一些实施例中,传热元件设置在支撑结构的中心部分内,用于将热量传递到尖端架或从尖端架移除热量。

附图说明

通过参考附图的详细描述,本发明的优点是显而易见的,其中元件不按比例,以便更清楚地显示细节,其中相同的附图标记在整个几个视图中表示相同的元件,并且其中:

图1-3示出了根据本发明实施例的样品固定台;

图4示出了在图1-3中所示的样品固定台中位移与沿热流路径的距离的关系曲线图;

图5a和5b示出了根据本发明实施例的尖端固定台;和

图6a和6b示出了根据替代实施例的样品固定台。

具体实施方式

如本文中使用的术语,“上”、“下”、“在上面”和“在下面”表示结构中各个部件参考xyz坐标系的y轴(垂直轴)的空间位置或关系。热膨胀和收缩及其补偿也被描述为是沿着设置在y方向的部件轴出现的。应当理解,本文所述的结构可以旋转,使得部件轴线设置在x方向或z方向(或任何其它方向)上,在这种情况下,将描述空间位置或关系的术语转换为相关部件轴。因此,本发明不限于垂直取向,也不限于结构相对于坐标系任何特定轴线的任何其它特定取向。

图1、2和3示出了样品固定台10的优选实施例的剖视图,其包括样品架a、支撑结构b和壳体c。样品架a可以被加热或冷却并包括样品平台12和支撑杆14。

样品平台12和支撑杆14都优选地由钼形成,其中具有热膨胀系数2.8×10-6,样品平台具有用于接收样品上表面12a和用于接合支撑杆14的下表面12b。在最优选的实施例中,样品平台12是圆柱形的。通常,样品平台12的直径取决于要容纳的样品的尺寸。站在热补偿的立场,平台的直径通常不是关键的,因为只有轴向位移是所需要的。然而应当理解,平台的外径必须小于支撑结构的唇缘20的内径,使得当结构随温度变化而膨胀和收缩时,平台12可相对于唇缘20在轴向方向上自由移动。在一个实施例中,样品平台的直径为12.5mm。

传热元件13可以设置在平台12内。在一些实施例中,传热元件13是用于向设置在平台上的样品材料提供热量的电加热器元件。在一些实施例中,传热元件13是用于冷却样品的冷源。平台12的厚度(轴向高度)优选由容纳传热元件13所需的最小空间决定。

支撑杆14包括上部部分14a和下部部分14b。在最优选的实施例中,支撑杆14是圆柱形的。然而,应当理解,支撑杆14可以具有任何其它管状形状。因为支撑杆14的一个目的是为了节流热流,所以其轴向高度(y方向)尽可能小,同时在可能需要将杆14附接到相邻部件的任一端处仍然容纳结构。在一个实施例中,支撑杆的总轴向高度7.8mm。杆14的管状壁的厚度优选尽可能小,同时仍然提供足够的机械强度。在优选实施例中,杆14的上部14a通过高温钎焊附接到平台12的下表面12b。

支撑结构b包括基部16、管状壁构件18和上唇形构件20,它们都优选地由热膨胀系数为9.6×10-6(在r中)的不锈钢(例如304型)形成。

管状壁构件18具有下壁部18a和上壁部18b。在最优选的实施例中,管状壁构件18是圆柱形的。然而,应当理解,管状壁构件18可以具有任何其它管状形状。管状壁构件18的轴向高度(y方向)取决于材料的选择和热流路径中的其它部件的长度。在一个实施例中,管状壁构件的轴向高度为11.7mm。可以通过用类似尺寸的圆形夹具38代替上唇形构件20来调节管状壁部件18的有效高度,该圆形夹具可滑动到管状壁部件18上,如图6a和6b所示。管状壁构件18的壁厚优选尽可能小以节省热流,同时不降低所需的机械强度。在一个实施例中,管状壁构件的壁厚为0.38mm。站在热补偿的立场来看,管状壁构件18的直径通常不是关键的,因为只有轴向位移是所需要的。在一个实施例中,管状壁构件的外径为14.5mm。应当理解,管状壁构件18的内径必须大于平台12的外径,使得平台12当结构随着温度的变化膨胀和收缩时在轴向方向上相对于管状壁构件18自由移动。上唇形构件20和上壁部分18b可以制成一个连续件,例如通过由一块不锈钢加工成该结构。或者,上唇形构件20可以收缩适配到上壁部分18b上。在一个实施例中,上唇形构件的外径为22mm。

基部16的厚度(轴向高度)优选尽可能小,同时仍然允许基部固定到杆14的下部14b,并且防止基部16所固定到的下壁部18a过度变形。在一个实施例中,基部的轴向高度为3.5mm。杆14b的下部可以以各种方式附接到基部16,例如通过焊接、用固定螺钉紧固、适应收缩或这些方法的组合。基部16和下壁部18a可以被制作成为一个连续件,例如可以由一块不锈钢加工成该结构。或者,基部16可以适应收缩到下壁部18a中。

优选由铜(热膨胀系数=9.3×10-6(在r中))形成的壳体c具有中心孔22和上凸缘部分24。在最优选的实施例中,中心孔22是圆柱形的,然而应该理解的是,中心孔22可以具有任何其它的管状形状,支撑结构b的上唇形构件20固定地附接到壳体c的上凸缘部分24,例如利用螺栓。

如图3中的箭头所示,样品平台12中的传热元件13产生的热量流动穿过支撑杆14的壁、支撑结构b的基部16、管状壁部件18和上唇形构件20,最后进入铜壳体c。因为样品架的支撑杆14固定到支撑结构的基部16,所以平台12的上表面12a由于平台12和杆14的热膨胀而沿+y方向移动。由于支撑结构b的唇缘20固定到保持在较低恒定温度的壳体c的凸缘24上,所以支撑结构b的基部16由于支撑结构的热膨胀而沿-y方向移动。

当结构加热或冷却时,结构抵消的+y和-y运动导致平台12的上表面12a保持基本恒定的位置。该抵消效果在图4中示出,在100℃至400℃的温度范围内沿着热流路径的距离与相应的净位移的关系曲线图。

参考图2所示,为了在样品平台的上表面进行完美的温度补偿,假设壳体c处于室温环境,

l1×α1×δt1=l2×α2×δt2

其中,α1是用于样品平台12和支撑杆14的材料的热膨胀系数,α2是用于管状壁构件18的材料的热膨胀系数,l1和l2分别为沿y方向的长度,δt1和δt2分别是相应部件的温度梯度。

图5a和5b示出了包括用于固定纳米压痕尖端(未示出)的尖端架32的纳米压痕尖端固定台26的实施例。在优选实施例中,尖端架32由钼形成。尖端架32具有用于接收纳米压痕尖端和附接部分32b的接收部分32a。尖端架32设置在支撑结构30的中心部分30a的中心孔33内,接收部分32a从孔开口33a延伸出来。在优选实施例中,尖端架的附接部分32b固定地附接到中心孔33的底部处的孔端部33b。因此,尖端架32被支撑结构30牢固地固定和支撑,优选实施例中尖端架32由不锈钢形成。由于温度变化引起的材料膨胀或收缩,尖端架32的接收部分32a相对于孔开口33a自由地轴向运动。

在一些实施例中,传热元件31设置在支撑结构30的中心部分30a内。传热元件31可以是用于加热尖端架32的电加热器元件或用于冷却尖端架32的冷源。可以策略性地放置多个传热元件31以根据需要改变瞬态响应。

支撑结构30由延长轴壳体28固定和支撑。壳体28具有接收支撑结构30的中心部分30a的中心孔36。外唇缘34从支撑结构30的中心部分30a向外延伸,固定地附接到壳体28的外表面28a上。在这种构造中,当材料由于温度变化而膨胀或收缩时,支撑结构30的中心部分30a可相对于中心孔36自由地轴向运动。

因此,当支撑结构30被加热(或冷却)时,结构30的中心部分30a向下(或向上)移动,从而补偿尖端架32的膨胀(或收缩)。这控制稳态响应来保持尖端架32的接收端的位置。

在优选实施例中,轴壳体28由铜形成。应当理解,材料的多种其它组合可以用于尖端保持器32、支撑结构30和延伸轴28。

前面对本发明优选实施例的描述是出于说明和描述的目的,它们并不旨在是详尽或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述方案,显著的修改或变化是可能的。所选择和描述的实施例是为了提供本发明的原理及其实际应用的最佳例证,并且由此使得本领域普通技术人员能够利用多个实施例中的发明并且根据特定用途进行相应改进。所有这些修改和变化在本发明的范围内按照公平、合法和平等来解释。

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