CN102027562A - 试样夹持器组件 - Google Patents

Abstract

一种适合于在透射电子显微镜中断层照相检验试样的试样夹持器组件(500)，包括：主体部分(501)，该主体部分(501)取细长构件的形式，所述细长构件安排成可移动地插入显微镜的支柱中；和操纵器部分，该操纵器部分具有第一轴线，操纵器部分包括：试样安装部分(510)，该试样安装部分(510)配置成支承试样；试样平移组件(530)，该试样平移组可操纵，以便相对于主体部分平移试样安装部分；和试样旋转组件(540)，该试样旋转组件(540)结合到主体部分和试样平移组件(530)上，试样旋转组件可操纵，以便绕第一轴线相对于主体部分旋转试样平移组件。

Description

试样夹持器组件

发明领域

本发明涉及试样倾斜系统。尤其是但不仅是，本发明涉及供在实施试样的三维(3D)电子断层照相检验(tomographic inspection)或其它高倾斜范围显微镜检验中使用的试样倾斜系统。

背景

电子断层照相法已显示为用于试样(或样品)分析的有效技术，因为它能从二维投影图像得到关于试样的微观结构特征的3D信息。按照该技术，投影图像数据是从试样如沿着许多不同方向观察的有关的区域得到。通常，试样在电子束照射下相对于电子束绕一轴线旋转若干增量。试样的图像以连续的旋转角记录。这样得到的图像随后用来重新形成试样的3D模型。

有利的是，能相对于试样在很宽的电子束的入射角范围内记录试样的电子投影图像。

应该充分理解，试样在断层照相仪器的试样台上的旋转能造成有关的试样区域相对于视场移动一足够大的量，以致需要平移校正试样位置，以便得到有意义的图像系列。实际上，倾斜感生的试样平移的问题在高放大倍数(例如，约为100K或更多数量级)下加重。对于试样的某些纳米级检验来说，重要的是能在超过100K的放大倍数下观察试样。

由于在试样的旋转时试样的不希望有的平移的结果，试样通常必须在每次增量旋转之后平移，以便保持试样相对于仪器的“视场”的相同空间位置。这种平移常常不容易，且有时不可能，视试样的有关的区域相对于视场移动多远而定。

试样的不希望有的运动也可能由于试样旋转的机械传动装置和/或平移机构的偏移和/或松动而发生。

在某些众所周知的电子量微镜(尤其是侧入式显微镜，见图1(a))中，试样1安装在夹持器组件7的一端处，该夹持器组件7本身插入电子显微镜支柱2的测角计组件5中。测角计组件5可操纵，以便使夹持器组件7能绕夹持器组件7的轴线7A旋转，而夹持器组件的轴线7A安排成一般垂直于电子束E沿着支柱2通过的方向，该方向是平行于Z轴(图1(b))的方向。

对于本专利文献来说，夹持器的轴线7A沿着X轴对准(图1(b))。Y轴垂直于X轴和Z轴定向。

测角计组件5还可供平移试样夹持器的端部，试样在一般垂直于电子束E的通过的(X，Y)平面中相对于测角计沿着两个相互正交的方向设在上述试样夹持器的端部处。

测角计组件5还能沿着平行于Z轴的方向调节夹持器组件的位置(或“高度”)。

该夹持器组件的位置调节可供(i)调节试样的图像的焦点，(ii)试样在物镜内沿着Z轴运动到最佳平面，以便尽量减小像差，和(iii)这样定位试样，以便当夹持器组件绕其轴线7A旋转时，减少视场内有关的试样的区域的侧向运动。夹持器组件的调节称之为“同心高度调节”。同时达到同心高度和最小像差的高度未必总是有可能。

现有技术系统具有下述缺点，即试样绕夹持器组件的轴线7A的旋转能造成试样在X-Y平面中的过量运动。而且，该运动的量通常是不可预知。此外，现有技术系统仅在有限的角范围内可供试样倾斜。

众所周知的试样夹持器组件的主要限制是，倾斜是宏观地强加给整个夹持器组件。例如，在某些侧入式夹持器中，夹持器组件7的一端7’从侧角计5伸出，该测角计5可供通过夹紧夹持器组件7的端部7’并实际上使它转动来手动操纵夹持器组件7(例如，倾斜)。

现有技术系统还有下述缺点，即试样或试样的一部分不能贴着第二试样或试样的第二部分旋转和平移。

发明简介

在本发明的第一方面，提供了试样夹持器组件，该试样夹持器组件适合于试样在透射电子显微镜中的断层照相检验，上述试样夹持器组件包括：主体部分，该主体部分取一细长构件的形式，所述细长构件安排成可移动地插入显微镜的支柱中；和操纵器部分，该操纵器部分具有第一轴线，操纵器部分包括：试样安装部分，该试样安装部分配置成支承试样；试样平移组件，该试样平移组件可操纵，以便相对于主体部分平移试样安装部分；和试样旋转组件，该试样旋转组件结合到主体部分和试样平移组件上，试样旋转组件可操纵，以便绕第一轴线相对于主体部分旋转试样平移组件。

所谓断层照相检验指的是在试样绕一轴线的许多不同的各个旋转位置的每一个位置处拍摄试样的图像，上述轴线垂直于沿其观察试样的方向。

本发明的某些实施例具有下述优点，即位于束线的电子、X射线或质子束线中的试样可以绕一精密轴线旋转，该精密轴线基本上垂直于束线的轴线，而试样的有关的区域不在垂直于束线的轴线(Z轴)的方向上移动大于规定的距离。在某些实施例中，这具有下述优点，即在相对于众所周知的断层照相法系统获得有关的区域的断层照相图像的过程中，减少了试样相对于显微镜的视场的位置的调节量。

应该意识到，本发明的某些实施例适合用电子、X射线束和/或质子束供样品的高倾斜范围衍射分析。因此，在本发明的某些实施例中，不是进行断层照相法成像。相反，进行衍射分析。

在某些实施例中，要求试样位置的某些残余平移调节以便相对于视场将试样的有关的区域保持在固定位置处，可很容易根据几何考虑预知。因此，本发明的某些实施例配置成对这些所需的调节预先考虑和校正。然而，在事先不知道将发生室温的变动或试样的射束感生的热量的情况下，某些平移调节，如由于试样的“偏移”，例如由于显微镜位于其中的环境温度的变化而产生的试样的平移量，不容易可预知。

本发明的一些实施例适合于与一种或多种不同的仪器如透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、扫描电子显微镜(SEM)、聚焦离子束(FIB)系统、X射线显微镜、质子束显微镜、光学显微镜和其它成像装置(其中包括红外(IR)和兆兆赫成像装置)一起使用。

本发明的某些实施例适合于在断层照相法之外的领域中使用，如：

(i)为修改试样(例如，可编程纳米制造)目的，在聚焦电子或离子束下旋转和平移试样。

(ii)在试样之间形成接触或者叠加投影图之前，例如作为压痕或者应变测量实验的一部分，将第一试样旋转到与第二试样成特定的方位关系。应该理解，在某些应变测量实验如云纹技术中，试样中的应变可以通过在与另一个试样的叠加投影中观察试样进行测量。

(iii)低焦深体视学。允许在倾斜角从180°到360°范围(通常不用于断层照相法)内检测试样的超高倾斜范围允许不基于计算机化轴向断层照相法(CAT)而是基于低焦深体视学的先进3D观察技术。在180°相对观察下投影图像的等效性(equivalence)不再适用，而两个观察方向的观察能力变成主要的优点。在样品的磁TEM成像和全息成像中相关的应用也存在。

优选地，主体部分取基本上是管状件的形式。

试样平移组件可以基本上设在主体部分内。

试样旋转组件可以基本上设在主体部分内。

优选地，平移组件包括初级平移组件和次级平移组件。

优选地，初级平移组件包括至少一个压电促动器。

优选地，初级平移组件的至少一个压电促动器配置成以粘滑方式运行。

可供选择地或者此外，初级平移组件的至少一个压电促动器可以包括四象限压电促动器。

使用压电促动器具有下述优点，即在试样的运动方面可以达到亚纳米精度。

次级平移组件可以包括至少一个压电促动器。

次级平移组件的至少一个压电促动器可以配置成以粘滑方式运行。

可供选择地或此外，次级平移组件的至少一个压电促动器可以包括四象限压电促动器。

试样安装部分优选地结合到次级平移组件上，和次级平移组件优选地结合到初级平移组件上，因而初级平移组件的平移引起次级平移组件的对应的平移。

优选地，试样平移组件可操纵，以便在基本上平行于第一轴线的平面中沿着两个非平行的方向相对于主体部分平移试样安装部分。

更优选地，试样平移组件可操纵，以便沿着三个基本上相互正交的方向相对于主体部分平移试样安装部分。

优选地，试样旋转组件包括压电促动器，该压电促动器安排成引起旋转组件的轴构件的旋转，轴构件与第一轴线一致，轴构件这样结合到初级平移组件上，以便初级平移组件绕第一轴线的旋转可以通过旋转组件的轴构件的旋转实施。

优选地，夹持器组件还包括第三级平移器(transtator)，该第三级平移器安排成引起操纵器部分的旋转，因而第一轴线绕-基本上垂直于第一轴线的轴线旋转。

在某些实施例中，第三级平移器的存在具有下述优点，即第一轴线可以旋转到一方位中，因而它基本上平行于测角计的旋转轴线。

优选地，第三级平移器安排成引起操纵器部分相对于主体部分的旋转。

第三级平移器优选地包括压电促动器组件，该压电促动器组件在操纵器部分的第一位置处结合到操纵器部分上，并安排成在基本上垂直于第一轴线的平面中相对于主体部分平移操纵器部分的一部分，操作器安排成绕操纵器部分的第二位置枢转，所述第二位置沿着第一轴线从第一位置位移。

主体部分优选地包括一空心杆件，旋转组件和初级平移组件设在该空心杆件内。

优选地，次级平移组件和至少一部分设在杆件中。

优选地，试样旋转组件配置成使试样安装部分能绕第一轴线旋转-角度为至少大体上250°。

更优选地，试样旋转组件配置成使试样安装部分能绕第一轴线旋转-角度为大体上360°。

试样旋转组件可以是可操纵，以便以小于大体上

，优选地小于大体上

，更优选地小于大体上

为一级旋转试样安装部分。

试样平移组件可以是可操纵，以便以小于大体上10nm，更优选地小于大体上1nm，还更优选地小于大体上0.1nm为一级平移试样安装部分。

优选地，夹持器可操纵，以便将试样安装部分平移到一位置，由此安装在试样安装部分中的试样的一部分与第一轴线相交。

夹持器可以包括辅助试样安装部分。

优选地，辅助安装部分结合到主体部分上。

夹持器可以是可操纵，以便将由试样安装部分支承的第一试样平移成与由辅助试样安装部分支承的第二试样物理接触。

优选地，夹持器适合于插入透射电子显微镜的测角计部分中。

优选地，夹持器配置成能将试样安装部分可移动地插入常规侧入式透射电子显微镜的物镜中。

优选地，夹持器配置成能通过真空加载锁将试样安装部分可移动地插入物镜中。

夹持器可以具有控制器，该控制器安排成通过试样平移组件或试样旋转组件控制试样安装部分，以便将试样安装部分支承在规定部位中。

因此，在某些实施例中，控制器自动地安排，以便按照用户的指挥将试样保持在规定部位中。这具有下述优点，即将试样支承在规定的部位中具有的准确度与手动控制试样的部位相比增加。

控制器可以安排成通过试样平移组件和试样旋转组件来控制试样安装部分，以便将试样安装部分支承在规定部位中。

控制器可以安排成将设在试样安装部分中的试样保持在规定部位中。

规定的部位可以是与试样的图像的视场有关的部位。

可供选择地，规定的部位可以是与夹持器的主体部分有关的部位。

规定的部位可以与距由辅助试样夹持器支承的试样的规定距离相对应。

在本发明的第二方面，提供了材料分析设备，所述材料分析设备与如任何上述权利要求所述的试样夹持器结合。

设备优选地从透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜、X射线显微镜、X射线衍射仪、质子束显微镜、离子束显微镜和同步加速器辐射束线(synchrotron radiation beamline)中选定。

在本发明的一方面，提供了一种试样夹持器组件，该试样夹持器组件适合于试样的断层照相检验，试样夹持器组件包括：主体部分；和操纵器部分，该操纵器部分具有第一轴线，操作器部分包括：试样安装部分，该试样安装部分配置成支承试样；试样平移组件，该试样平移组件可操纵，以便相对于主体部分平移试样安装部分；和试样旋转组件，该试样旋转组件结合到主体部分和试样平移组件上，试样旋转组件可操纵，以便绕第一轴线相对于主体部分旋转试样平移组件。

附图简介

现在，参照附图说明本发明的一些实施例，其中：

图1(a)示出电子显微镜的现有技术试样夹持器和测角计组件，和图1(b)示出相对于图1(a)的示图的参考轴的对应方位；

图2是本发明的实施例的夹持器组件的示意图；

图3(a)是图2的实施例的夹持器组件的另一个示意图，和图3(b)是图2的实施例的初级平移组件的一部分的示意图；

图4(a)是在本发明的某些实施例中所用的旋转电机的滑粘式安排的示意图，和图4(b)是在本发明的某些实施例中所用的初级平移组件的滑粘式安排的示意图；

图5是示出本发明的某些实施例的夹持器组件不同的各自旋转轴的示意图；

图6(a)和(b)是夹持器组件具有第三级平移组件的示意图；

图7是本发明的还有另一个实施例的夹持器组件的示意图；

图8(a)-(c)示出本发明具有初级平移组件的不同的各自配置的实施例；

图9是本发明具有旋转位置传感器的实施例的试样夹持器组件的剖面透视图；和

图10示出图9的试样夹持器组件的另一个剖面透视图。

详细说明

在本发明的一个实施例中，提供一种夹持器组件100(图2)，该夹持器组件100具有试样安装部分110，所述试样安装部分110安排成将试样元件115结合于其上。安装部分110具有一穿过其形成的孔径，试样元件115放置在该孔径上，并通过环形圈元件112固定地附接于其上。

在某些实施例中，安装部分110以模块形式提供，并能用一种或多种不同的方法将试样元件115固定于其上。

在某些实施例中，试样元件115以常规支承格栅的形式提供，该支承格栅可以结合到一杆件上，而所述杆件又可以通过将杆插入接收孔径，例如通过拧进螺纹孔中结合到夹持器组件的安装部分110上。

将试样元件115固定到安装部分110上的另一些方法也是有用的，所述方法包括弹簧夹、板牙(screw plate)和其它固定元件。

在图2的实施例中，安装部分110附接到试样平移组件上，该试样平移组件包括初级平移组件130和次级平移组件120。安装部分110附接到次级平移组件120的第一端121上，该第一端121是从次级平移组件120的第二端122在轴向上位移的次级平移组件120的自由端，所述次级平移组件120的第二端122结合到初级平移组件130的第一端131上。初级平移组件130的第二端132结合到旋转组件150的轴140上。

初级平移组件130安排成能朝一般平行于X轴的方向和朝垂直于X轴的方向平移次级平移组件120。次级平移组件120安排成能沿着X轴和沿着垂直于X轴的两个相互正交的方向平移试样安装件110。

在某些实施例中，初级和次级组件130，120各都安排成能朝三个基本上正交的方向平移试样安装部分110。

在图2的实施例中，初级平移组件130是粗略的平移组件，该初级平移组件130具有若干有关的平移单元，每个平移单元都取一对剪切压电驱动器的形式，所述剪切压电驱动器可按照粘滑式操作方式操纵。图3(a)示出图2的夹持器组件100的构造的进一步详细情况，而图3(b)是初级平移组件130的放大图。

如图3(b)中所示，初级平移组件130具有第一支承件133和第二支承件134，所述第一和第二支承件133和134各都取基本上是圆筒形构件的形式。第二支承件134的端部结合到第一支承件133的端部133A上，并安排成可通过粘滑式驱动机构相对于第一支承件133移动。在图3的实施例中，第二支承件134可朝基本上垂直于第一和第二支承件133，134的纵向轴线的方向移动。

尤其是，第一支承件133的端部133A设有槽部分133B，第二支承件134的榫部分134C可在所述槽部分133B内滑动。

在第二支承件134的榫部分134C中设一基本上是V形的通道134D，在该通道134D中设一轴承(未示出)，以便有助于第二支承件134在平行于基本上是V形的通道134D的顶部的方向上相对于第一支承件133的运动。

在第二支承件134的相对端处设置对应的配置，在该相对端处安排一第三支承件135。以便可相对于第二支承件134移动。槽部分134B用与第一支承件133的端部133A中所形成的槽部分133B类似的方式沿着基本上垂直于第二支承件134的纵向轴线的方向设置。

第三支承件135具有榫部分135C，该榫部分135C在第三支承件135的一端形成并安排，由此榫部分135C可通过滑粘式驱动机构在槽部分134B中滑动。第二支承件134的榫134C和槽134B的相对方位是这样，以使第二和第三支承件可在基本上正交的方向上相对于第一支承件133移动。

次级平移组件120是取四象限压电管125的形式的较细的平移组件，如图3(a)中所示。压电管125可操纵，以便在平行于X轴的方向上和通过加合适的电位到压电管125的一个或多个象限上沿着两个垂直于X轴的相互正交的方向上使压电管的第一端121相对于第二端122偏转。

应该意识到，加电位到四个象限的每个象限上引起第二端122在平行于X轴的方向上平移。

如上所述，平移组件120，130结合到轴构件140上，而该轴构件140又结合到试样旋转组件150上。试样旋转组件150具有旋转促动器部分152(图2)，该旋转促动器部分152设在压电管构件160内，所述压电管构件160可以是夹持器组件100的主体部分的一部分，或者刚性地结合到夹持器组件100的主体部分上。旋转组件150可通过两对压电元件操纵，所述两对压电元件按照剪切操作方式安排，以便实施轴构件140的旋转运动。

安排平移组件120，130，由此试样115的平移可以通过平移组件120，130实施，以便在轴构件140的旋转轴线上或其附近定位有关的区域。

图4(a)是试样旋转组件150的旋转促动器部分152的构造的示意剖视图。夹持器组件100的轴构件140穿过旋转组件150，并保持处于与两对压电晶体对接。旋转组件150的一对晶体153，154在图4(a)中示出。晶体153，154设在轴构件140的完全相反的两侧上。两对晶体沿着纵向轴线相互间隔开，并固定地附接到旋转组件150的框架上，所述框架相对于管构件160固定。

为了产生轴构件140的旋转运动，将一电位加到晶体153的其中之一上，以便感生晶体的剪力，由此使晶体153处于与轴构件140对接的端面相对于轴构件140朝第一切向方向T1位移。朝第一切向方向的位移足够缓慢地进行，以便由于摩擦作用而使轴构件140绕夹持器组件100的纵向轴线旋转。在所示的实施例中，轴构件140的旋转相对于图中所示的方位朝反时针方向发生。

然后使晶体153以足够快的方式恢复到它的形状，以便使晶体153的端面这样在轴构件140的表面上滑动，以致不感生轴构件140的旋转。换句话说，晶体153的端面相对于轴构件140的表面“滑移”。

在一个晶体153的剪切之后，用类似方式加电位到另一个晶体154上，因此产生轴构件140的进一步旋转。在某些实施例中，晶体对153，154的剪切能基本上同时进行。别的操作的次序也是有用的。

应该注意，在图1-4的实施例中，旋转组件150与某些众所周知的高速超声促动器如例如在某些自动聚焦摄像机透镜组件中所用的不同。在某些实施例中，旋转组件150配置成以分段方式运行，而在某些实施例中，旋转组件150对试样安装部分的增量旋转优化到角间距为1°数量级的旋转位置。

在某些实施例中，组件安排成可供试样安装件增量旋转到具有角间距为0.1°或更小的旋转位置。其它的角间距也是有用的。

在使用中，夹持器组件100可以安装在电子显微镜的支柱2的测角计组件5中(图1)。在某些显微镜中，测角计组件5这样安排成可供夹持器组件100的粗略平移，以使结合到安装部分110上的试样元件115是在显微镜的视场内。

在某些实施例中，夹持器组件100这样配置，以便至少当测角计组件5处在规定的配置中时，试样115将在显微镜的视场内。例如，规定的配置可以要求测角计的倾斜角是在特定范围内，和/或夹持器组件的一个或多个试样平移组件或旋转组件的位置是在特定的位置范围内。

在安装了安装部分110中带有试样115的夹持器组件100之后，可以将平移组件120，130调节至试样115的有关的区域116与试样旋转组件150的旋转轴线一致。应该理解，在本发明的某些实施例中，除了通过平移组件120，130平移试样以便完成这种平移之外，还可以通过显微镜的试样夹持器组件平移设备进行夹持器组件100的平移。

一旦试样的有关的区域与旋转组件150的旋转轴线一致并在显微镜的视场内，则驱动试验倾斜组件150，并将试样安装部分110旋转到一系列角位置，在每个角位置处记录试样的投影电子图像。然后将所记录的图像按照众所周知的电子断层照相再现算法处理，以便得到有关的区域116的微观结构的3D表示。

应该理解，在不同的相应倾斜角处获得一系列图像的过程中，有关的区域116在显微镜的视场内的运动可能导致要求调节有关区域的位置。为此，可能需要用次级平移组件120(或者在严重运动的情况下，另外或者代之以用初级平移组件130)平移试样。

试样的“偏移”，例如由于试样加热或充电，也可以通过这种方法补偿。此外补偿由于夹持器组件100的构造中机械不精确而引起的有关区域的运动。

在某些实施例中，初级平移组件130这样安排，以便当初级平移组件130相对于旋转组件150设定到基准位置(datum position)而次级平移组件120处于规定的配置中时，次级平移组件120的压电管的轴线基本上与旋转组件150的旋转轴线对准。规定的配置可以要求将一组缺省的电位加到四象限促动器的四个象限的一个或多个象限上。

在某些实施例中，初级平移组件130结合到轴上，而该轴结合到轴构件140上。在某些实施例中，初级平移组件130直接结合到轴构件140上。

应该理解，在本发明的某些实施例中，其中将试样旋转组件和平移组件配置成可插入常规电子显微镜测角计5中，该测角计5的旋转轴线5A可以与旋转组件150的旋转轴线不一致。

这种情况在图5中示出，此处测角计5的旋转轴线5A与本发明的实施例的夹持器组件100的试样旋转组件150的旋转轴线150A一起示出。还示出了旋转组件150的“平均”旋转轴线A，该“平均”旋转轴线A在这个实施例中是与轴线5A，150A成相等角度取向的轴线，并与每个轴线5A，150A共平面。

本发明的某些实施例通过使旋转组件150能绕轴线旋转，以使旋转组件150的旋转轴线150A与测角计的旋转轴线5A平行对准，似乎克服了轴线5A，150A对不准的问题。

此外，在某些实施例中，在轴构件140的旋转过程期间，旋转组件150的旋转轴线150A的空间中的位置可能波动。这能造成试样的有关区域116的位置相对于显微镜的视场的波动。

在某些实施例中，调节旋转组件150的旋转轴线150A的位置的能力可供补偿在轴构件140的旋转期间试样位置的波动，而与用初级和/或次级组件130，120对试样位置进行调节无关。

图6(a)示出本发明的实施例，其中夹持器组件200设有基本上如对图2-4的实施例所述的零部件。对应的零部件用相近的标号标出，词头用数字“2”代替数字“1”。

此外，试样旋转组件250在旋转组件250的一端250F处结合到第三级平移组件280上，该端部250F与结合到初级旋转组件230上的端部相对。

第三级平移组件280安排成引起旋转组件250的端部250F的平移。在某些实施例中，第三级平移组件280包括平移促动器如滑粘式促动器，所述促动器直接结合到端部250F上。用于使端部250F平移的另一些机构也是有用的。

轴承271这样设置成紧贴旋转组件250的一部分，所述一部分旋转组件250在轴向上从端部250F位移，并约束旋转组件250的运动，以使旋转组件250的端部250F的平移引起旋转组件250的旋转轴线的旋转。在图6(a)中示出了一对轴承271；应该理解，可以使用一对以上的轴承。

第三级平移组件280这样安排成使用户能调节旋转组件250的旋转轴线的位置，以便在通过旋转组件250旋转试样的过程期间用户感兴趣的试样的区域保持在所需位置处。

在某些实施例中，第三级平移组件280的动作与初级和次级平移组件230，220的动作互补。

在某些实施例中，第三级平移组件280能使旋转组件250的旋转轴线250A移动，因此能与物镜的光轴相交。

在某些实施例中，第三级平移组件280能使旋转组件250的旋转轴线250A和测角计5的旋转轴线5A(图5)基本上相互平行或基本上相互一致对准。

图6(b)示出一实施例，其中第三级平移组件280’以第一压电促动器282的形式设置，该第一压电促动器282可操纵，以便使结合到夹持器组件的操纵器部分的试样旋转组件250’上的杆件283偏转。在图6(b)的实施例中，杆件283基本上与一轴线同轴，试样旋转组件250’可绕该轴线操纵，以便旋转初级平移组件(未示出)。

第一压电促动器282可操纵，以便长度增加，因此使试样旋转组件250’绕轴线的旋转可操纵，以便旋转初级平移组件。

第一弹性件284取模块的形式，该第一弹性件284设在杆件283与第一压电促动器282相对侧上。当第一促动器282扩展时，杆件283从基准位置朝第一弹性件284方向偏转，由此第一弹性件284被弹性压缩。

当第一促动器282随后产生收缩时，第一弹性件284朝向未受压缩的状况扩展。这使杆件283偏转回向基准位置。设置轴承271’以便有助于操纵器部分的旋转。在某些实施例中，设置第二压电促动器(未示出)和对应的第二弹性件，它们基本上垂直于第一促动器282和杆件283的轴线定向，第二促动器安排成使操纵器组件绕一轴线旋转，该轴线基本上垂直于第一促动器282安排成绕其使操纵器组件旋转的轴线。

在某些实施例中，第一和第二促动器这样结合到杆件283上，以便不需要第一和第二弹性件。

在某些实施例中，第一和第二促动器取压电管构件的形式，每个压电管构件都安排成当把合适的电位加到其电极上时沿着各自管构件的纵向轴线扩展。

图7示出本发明的实施例，其中试样夹持器组件300设置具有图2的实施例的零部件。

图7的实施例与图2的实施例相同的零部件用类似的标号标出，而词头用数字“3”代替“1”。

如图7中所示，除了初级试样安装件310之外，还设置了第二试样安装件312。在图7的实施例中，夹持器组件300具有框架部分301，次级试样安装件312附接到该框架部分301上。夹持器组件300配置成能通过初级和次级平移组件330，320及旋转组件350使初级试样安装件310相对于次级试样安装件312平移和旋转。

应该理解，在某些实施例中，二级试样安装件312相对于穿过电子显微镜的支柱2的电子束来旋转可以通过旋转测角计5实施，夹持器组件300安装在该测角计5中，由此造成整个夹持器组件300的旋转，而初级试样安装件310相对于电子束的旋转可以通过夹持器组件安装于其中的测角计的旋转或者通过夹持器组件300的旋转组件350的旋转实施。

在某些实施例中，夹持器组件300安排成能将位于初级和次级试样安装件310，312中的试样同时设在显微镜的视场中。

在某些实施例中，组件300能使被初级试样安装件310夹持的试样与被次级试样安装件夹持的试样形成物理接触。因此，本发明的某些实施例的夹持器组件可以在一些应用，如材料之间接触动力学的纳米级研究中使用。因此，本发明的某些实施例可以在纳米压痕实验、材料制造技术和方法学中使用。

在某些实施例中，初级平移组件330配置成能沿着一个或多个正交的轴线平移次级平移组件320，所述轴线包括相对于基准位置距离高达+/-0.5mm的X轴线。

另一些大于或小于+/-0.5mm的距离也是有用的。在某些实施例中，初级平移组件330配置成能沿着一个或多个正交的轴线平移次级平移组件，所述轴线包括距离高达+/-1mm的X轴线，而在另一些实施例中，该距离是+/-0.25mm。

在某些实施例中，初级平移组件330配置成能沿着三个相互正交的X，Y，Z轴平移次级平移组件320。

在某些实施例中，次级平移组件320配置成能使试样安装件沿着正交的X，Y，Z方向平移到次级平移组件320的平移范围内规定位置的1nm内。

图8(a)示出一实施例，其中初级平移组件430取四象限压电管的形式设置，而次级平移组件420通过另一个四象限压电管设置。在图8(a)的实施例中，初级平移组件430的压电管配置成使次级平移组件沿着三个相互基本上正交的方向平移，次级平移组件420配置成用对应的方式，但由于各个平移组件的压电管之间尺寸上的差异而在较小的距离上平移试样安装部分412。

在某些可供选择的实施例中，初级平移组件430由一四象限压电管还有滑粘式促动器提供。在某些实施例中，初级平移组件430的四象限压电管可供沿着X轴平移次级平移组件420至少100微米，和沿着与X轴垂直的轴线平移至少100微米。在某些实施例中，距离沿着一个或两个轴是至少500微米。

应该理解，在某些实施例中，如本文所述的具有四个象限(或“分段”)的一个或多个四象限压电管可以用具有不同数量分段的压电管代替。

图8(b)示出本发明的可供选择的实施例的初级平移组件，其中次级平移组件630的轴向平移(亦即，平行于X轴平移)通过滑粘式驱动机构635A变得方便，此外通过另一个类似于图3(b)中所示的滑粘式驱动机构沿着垂直于X轴的方向平移。轴向平移运动(平行于X轴)通过压电元件变得方便，所述压电元件安排成按照类似于图3(b)中所示的滑粘式驱动机构平移试样。

图8(c)和(d)示出初级平移组件，该初级平移组件具有组合式X轴和Y轴平移促动器，所述组合式X轴和Y轴平移促动器能通过一个榫槽安排平移次级平移组件。在图8(c)和(d)的实施例中，初级平移组件包括第一支承件433和第二支承件434，所述第一和第二支承件433和434通过第二支承件434的榫部分434C和第一支承件433的对应的槽433B结合在一起。

榫部分434C设有两对用压电材料制成的板436，437，每对板436，437的其中一个板设在榫部分434C的相对侧的每一侧上，夹在第一支承件433的槽部分433B的相对的和基本上平行的内表面433B’之间。

一对板436的各板都相对于另一对板437的各板具有结晶取向，以便可以实施在平行于第一支承件433的槽部分433B的内表面433B’的平面中相互正交的方向上平移第二支承件434。

在图8(c)和(d)的实施例中，板436安排成在平行于Y轴的方向上平移第二支承件，面板437安排成在平行于X轴的方向上平移第二支承件。另一些安排也是有用的。

应该理解，本发明的某些实施例的设备可以在不同的应用范围内使用，所述不同的应用包括纳米制造应用。例如，在本发明的某些实施例中，削尖金属丝以形成具有直径为20nm或更小的“纳米尖”可以通过在束线如离子束中旋转金属丝进行。在某些实施例中，某些实施例的设备安装在聚焦离子束(FIB)研磨设备中。

在本发明的某些实施例中，机构例如通过夹持器设备的电子控制器提供，通过该机构可以测定旋转组件150的轴140的旋转位置。

图9示出一种试样夹持器组件500，其中设一旋转位置传感器590(Sentron AG Angle Sensor 2SA-10)。传感器590具有铁磁性圆盘部分591和CMOS(互补型金属氧化物半导体)Hall电路，所述铁磁性圆盘部分591结合到夹持器组件500的旋转组件550的轴540上，而CMOS Hall电路设在芯片包装592中，所述芯片包装592相对于夹持器组件500的主体部分501设在固定的方位中。

位置传感器590提供与轴540的旋转位置相对应的输出，因此能将位置反馈提供给夹持器组件500的操作者和/或提供给控制器设备如计算设备。

位置传感器590的存在具有下述优点，即操作者可以确信轴540(并因此样品夹持器510)是及时在规定的时刻处在规定位置中。

在没有旋转位置传感器590的某些实施例中，试样安装件510的旋转位置可以根据提供给旋转组件550的控制信号如所进行的滑粘式驱动步骤总数确定。每个滑粘式驱动步骤的幅度可以对规定的滑粘式驱动参数的设定(如所加电压、所加电压的转换速率等)进行测量，以便提供在规定的条件下每个滑粘式驱动步骤的旋转的参考幅度。在规定的方向上所实施的旋转量然后能通过参照在那个方向上进行的滑粘式驱动的总数确定，在相反方向上进行的驱动的总数较少。

然而，这种方法具有下述缺点，即在规定的驱动参数组下规定的方向上轴540旋转的量可以随着时间推移改变，例如由于旋转组件的温度的变化和/或压电晶体的老化。

在某些实施例中，如在显微镜下所看到的样品或样品夹持器的一部分或夹持器组件的任何其它合适部分的图像都可以记录和用来提供关于样品的现行位置的信息。信息可以随后用来控制夹持器组件，以便将样品移动到所需的位置，和/或将样品保持在所需的位置中。例如，信息可以用来将样品支承在样品夹持器中的规定的区域保持在显微镜的视场内基本上恒定的位置中。因此，信息可以用来补偿试样的偏移，例如热偏移。

在某些实施例如具有初级试样安装件310，350和次级试样安装件312，512的图7或图9的实施例中，信息可以用来控制初级试样安装件相对于次级试样安装件的位置。例如，试样夹持器组件300，500的控制器可以安排成相对于次级试样安装件312，512将初级试样安装件310，510移动到规定的部位。控制器可以安排成这样移动试样安装件310，510，以便使由初级试样安装件310，510支承的试样相对于由次级试样安装件312，512所支承的试样进入规定的位置。规定的位置可以与各个试样之间规定的距离，或者试样之间发生接触的位置相对应。

如上所述，图9的实施例具有试样安装部分510，该试样安装部分510设在组件500的一端处，所述端部处与设置旋转组件550的端部相对。组件具有辅助(或次级)试样安装件512，所述辅助试样安装件512被组件500的主体部分501支承，辅助试样安装件512安排成支承第二试样。在某些实施例中，主体部分可以称之为框架部分。

应该理解，设备可以是可操纵，以便控制由试样安装部分510支承的第一试样，以致在投影中，亦即在沿着电子束的方向上第一试样叠加第二试样，上述电子束沿着显微镜的支柱通过。这种特点在一些实验如利用云纹技术的应变测量实验中尤其重要，此处试样中的应变可以通过在与另一个试样的叠加的投影中观察试样进行测量。如上所述，设备的控制器可以根据由显微镜提供给控制器的试样的图像将第一试样操纵成与第二试样成叠加关系。

在整个说明和该说明的权利要求书中，单词“包括”和“包含”及单词的变动，例如“一直包括”和“现包括”，意味着“包括但不限于”，且不打算(和不)排除其它部分、添加物、部件、整体或步骤。

在整个说明和该说明的权利要求书中，除非正文另有要求，否则单数包括复数。尤其是，在使用不定冠词的地方，除非正文另外要求，否则把说明理解为考虑多个及单个。

除非与其不相容，否则与本发明的特定方面、实施例或例子结合说明的本发明的特点、整体、特征、化合物、化学部分或基团应理解为可适用于本文所说明的任何其它方面、实施例或例子。

Claims (44)

1.一种试样夹持器组件，适合于在透射电子显微镜中断层照相检验试样，包括：

主体部分，所述主体部分取细长件的形式，设置成可拆卸地插入显微镜的支柱中；和

具有第一轴线的操纵器部分，该操纵器部分包括：

试样安装部分，该试样安装部分配置成支承试样；

试样平移组件，该试样平移组件可操纵以便相对于主体部分平移试样安装部分；和

试样旋转组件，该试样旋转组件结合到主体部分和试样平移组件上，试样旋转组件可操纵以便绕第一轴线相对于主体部分旋转试样平移组件。

2.如权利要求1所述的夹持器组件，其中主体部分取基本上是管状件的形式。

3.如权利要求1或权利要求2所述的夹持器组件，其中试样平移组件基本上设在主体部分内。

4.如任一上述权利要求所述的组件，其中试样旋转组件基本上设在主体部分内。

5.如任一上述权利要求所述的夹持器，其中试样平移组件可操纵以便在基本上平行于第一轴线的平面中沿着两个非平行的方向相对于主体部分平移试样安装部分。

6.如权利要求5所述的夹持器，其中试样平移组件可操纵以便沿着三个基本上相互正交的方向相对于主体部分平移试样安装部分。

7.如任一上述权利要求所述的夹持器，其中平移组件包括初级平移组件和次级平移组件。

8.如权利要求7所述的夹持器，其中初级平移组件包括至少一个压电促动器。

9.如权利要求8所述的夹持器，其中初级平移组件的该至少一个压电促动器配置成用粘滑方式运行。

10.如权利要求8或权利要求9所述的夹持器，其中初级平移组件的该至少一个压电促动器包括四象限压电促动器。

11.如权利要求7-10其中之一所述的夹持器，其中次级平移组件包括至少一个压电促动器。

12.如权利要求11所述的夹持器，其中次级平移组件的该至少一个压电促动器配置成用粘滑方式运行。

13.如权利要求11或权利要求12所述的夹持器，其中次级平移组件的该至少一个压电促动器包括四象限压电促动器。

14.如权利要求7-13其中之一所述的夹持器，其中试样安装部分结合到次级平移组件上，和次级平移组件结合到初级平移组件上，因此初级平移组件可操纵以便平移次级平移组件。

15.如任一上述权利要求所述的夹持器，其中试样旋转组件包括压电促动器，该压电促动器安排成使旋转组件的轴构件旋转，该轴构件基本上与第一轴线一致，该轴构件结合到初级平移组件上从而使轴构件的旋转引起初级平移组件绕第一轴线的旋转。

16.如权利要求15所述的夹持器，其中夹持器组件还包括第三级平移器，该第三级平移器安排成引起操纵器部分的旋转，因此第一轴线绕基本上垂直于第一轴线的轴线旋转。

17.如权利要求16所述的夹持器，其中第三级平移器安排成引起操纵器部分相对于主体部分的旋转。

18.如权利要求16或权利要求17所述的夹持器，其中第三级平移器包括压电促动器组件，该压电促动器组件在操纵器部分的第一位置处结合到操纵器部分上，并安排成在基本上垂直于第一轴线的平面中相对于主体部分平移操作器部分的一部分，操纵器安排成绕操纵器部分的第二位置枢转，该第二位置沿着第一轴线从第一位置移开。

19.如任一上述权利要求所述的夹持器，其中试样旋转组件配置成允许试样安装部分绕第一轴线旋转穿过一角度为至少大体上是250°。

20.如权利要求19所述的夹持器，其中试样旋转组件配置成允许试样固定部分绕第一轴线旋转穿过一角度为大体上是360°。

21.如任一上述权利要求所述的夹持器，其中试样旋转组件可操纵以便以小于大体上

，优选地小于大体上

，更优选地小于大体上

为级别旋转试样安装部分。

22.如任一上述权利要求所述的夹持器，设有用于确定试样安装部分的旋转位置的机构。

23.如权利要求22所述的夹持器，其中该用于测定旋转位置的机构包括磁场源和磁场传感器。

24.如权利要求23所述的夹持器，其中磁场源和磁场传感器的其中之一安排成与试样夹持器部分一起旋转，而磁场源和磁场传感器的其中另一个安排成相对于主体部分保持处于基本上固定的方位。

25.如权利要求23或24所述的夹持器，其中磁场传感器包括Hall探头。

26.如任一上述权利要求所述的夹持器，其中试样平移组件可操纵以便以小于大体上10nm，更优选地小于大体上1nm，还更优选地小于大体上0.1nm为级别平移试样安装部分。

27.如任一上述权利要求所述的夹持器，其中夹持器可操纵以便将试样安装部分平移到一位置，由此安装在试样安装部分中的试样部分与第一轴线相交。

28.如任一上述权利要求所述的夹持器，还包括辅助试样安装部分，该辅助试样安装部分安排成支承第二试样。

29.如权利要求28所述的夹持器，其中辅助安装部分结合到主体部分上。

30.如权利要求28或29所述的夹持器，该夹持器可操纵以便将由试样安装部分所支承的第一试样平移到与由辅助试样安装部分所支承的第二试样成物理接触。

31.如权利要求28-30其中之一所述的夹持器，该夹持器可操纵以便将由试样安装部分所支承的第一试样平移到与第二试样成叠加关系，如在显微镜中投影所看到的。

32.如任一上述权利要求所述的夹持器，该夹持器适合于插入透射电子显微镜的测角计部分中。

33.如任一上述权利要求所述的夹持器，该夹持器配置成允许将试样安装部分可拆卸地插入常规侧入式透射电子显微镜的物镜中。

34.如权利要求33所述的夹持器，该夹持器配置成允许通过真空加载锁将试样安装部分可拆卸地插入物镜中。

35.如任一上述权利要求所述的夹持器，该夹持器具有控制器，所述控制器安排成通过试样平移组件或试样旋转组件控制试样安装部分，以便将试样安装部分支承在规定部位中。

36.如权利要求1-34其中之一所述的夹持器，其中控制器安排成将设在试样安装部分中的试样保持在规定部位中。

37.如权利要求35或36所述的夹持器，其中规定部位是相对于试样的图像的视场的部位。

38.如权利要求35或36所述的夹持器，其中规定部位是相对于夹持器的主体部分的部位。

39.如从属于权利要求28-31的其中之一的权利要求35或36所述的夹持器，其中规定部位对应于距由辅助试样夹持器所支承的试样的规定距离。

40.材料分析设备，与如任一上述权利要求所述的试样夹持器相结合。

41.如权利要求40所述的设备，其中设备是从透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜、X射线显微镜、X射线衍射仪、质子束显微镜、离子束显微镜和同步加速器辐射束线中选定的一种。

42.试样夹持器组件，基本上如上面参照附图所述。

43.材料分析设备，基本上如上面参照附图所述。

44.透射电子显微镜，基本上如上面参照附图所述。

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