CN110662953A - 应力单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在样品上施加力的装置和方法。特别地，本发明涉及一种应力单元(200)，包括框架(205)；连接到所述框架的致动器装置(210)；以及用于连接所述致动器装置和所述样品(230)的连接器(220)。所述连接器(220)包括连接到所述致动器装置(210)的第一连接器部分和可连接到所述样品(230)的第二连接器部分。所述第一连接器部分柔性地连接到所述框架。所述致动器装置(210)包括具有第一可变长度的第一元件(214)和具有第二可变长度的第二元件(212)，并且适于改变所述第一长度和所述第二长度之间的差以提供所述力。

Description

应力单元

技术领域

本发明涉及一种用于在样品上施加力的装置和方法。特别地，本发明涉及一种用于沿样品的单轴施加力的应力单元。

背景技术

可以通过对材料施加应力或应变来对材料的性能进行研究。近年来，施加单轴应变和应力于材料来研究其对材料的电性能和其他性能的影响，已成为物理和工程研究的各个领域的趋势。

要对这些样品施加可调的单轴应变或应力，需要专门构建的单元，有时称为应变单元或应力单元。所述应变是指材料对所施加的压力的响应，例如材料的变形。这样的单元可用于测量施加到材料上的应力、应变或二者都有。

需要在低温和/或高磁场下进行应力/应变调谐实验，这对所述单元产生了三个明显的限制。第一，所述单元必须基本上是非磁性的，并且基本不受磁场的影响。第二，所述单元必须能在低温下工作，并且必须能够大范围地改变单元温度，而不会通过不同的热胀冷缩对样品施加较大的应力。第三，所述单元应该足够紧凑以适合普通的低温装置和磁铁孔。两种常见的标准是最大直径为1英寸和最大直径为2英寸。

由于上述限制，目前大多数能够对样品施加单轴应力的设备，如拉伸测试仪、张力计或万能试验机，都不适合这种应用。

直到最近，在低温下施加调谐应变的装置还受到很大的限制。在基于压电致动器的方法中，可以施加的最大力非常小，且/或可以施加的应变范围非常小，且/或在冷却过程中样品无法保持在零应力附近。

《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)的第85卷第065003(2014)号发表的文章《基于压电的应变调谐装置》(Piezoelectric-based Apparatus forStrain Tuning)描述了第一个实用的设备，该设备紧凑，可承受低温和高磁场，可对不同的膨胀冷缩进行补偿，并且可施加大应变(高达约10^-2)和力(高达约100牛)。这篇文章所述的设备采用压电叠层结构，旨在消除热膨胀效应。然而，使用这种单元，可以施加到合理长度的样品的应力或应变的范围仍然是有限的。此外，所述设备使得已安装的样品不能无损移除，这在使用珍贵样品时是一个严重的限制。

本发明的目的是解决一个或多个上述限制。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在样品上施加力的应力单元，所述单元包括框架；连接到所述框架的致动器装置；用于将所述致动器装置连接到所述样品的连接器，所述连接器包括连接到所述致动器装置的第一连接器部分和可连接到所述样品的第二连接器部分，其中所述第一连接器部分柔性地连接到所述框架，并且其中所述致动器装置包括具有第一可变长度的第一元件和具有第二可变长度的第二元件，所述致动器装置适于改变所述第一长度和所述第二长度之间的差以提供所述力。

例如，所述第一连接器部分和所述第二连接器部分可以一体成型。

例如，所述样品可以在第一端和第二端之间延伸，所述框架可连接到所述样品的第一端，所述第二连接器部分可连接到所述第二端。

例如，所述致动器装置的第一元件和第二元件可以分别由一个或多个压电致动器提供。

可选地，所述第一连接器部分通过柔性机件柔性地连接到所述框架，使得在所述致动器装置致动时所述连接器能够相对于所述框架移动。例如，所述柔性机件可以是挠曲件或铰链,使得所述连接器相对于所述框架旋转。

可选地，所述第二连接器部分包括可连接到所述样品的引导件，所述引导件可枢转地连接到所述第一连接器部分。例如，所述第二部分可以通过柔性机件可枢转地连接到所述引导件。所述柔性机件可包括铰链。例如，所述铰链可以集成到所述连接器上。例如，所述铰链可包括挠曲件。

可选地，所述引导件可以柔性地连接至所述框架。例如，所述引导件可以经由一个或多个挠曲件连接至所述框架。

可选地，所述框架包括接合到第二框架部分的第一框架部分，并且其中所述第一连接器部分通过所述第二框架部分柔性地连接到所述框架。例如，所述第一框架部分可以为U形，所述第二框架部分可以是梁形。

可选地，沿所述第一框架部分和所述第二框架部分之间的边界延伸有挠曲件，所述第一连接器部分通过所述挠曲件柔性地连接到所述框架，使得所述第二框架部分和所述第一连接器部分能够基本上同轴地旋转。例如，所述挠曲件可以是柔性铰链。

可选地，所述应力单元包括用于固定所述样品的样品盘，所述样品盘包括可释放地附接到所述框架的第一板部分和可释放地附接到所述连接器的第二板部分。

可选地，所述引导件可以设置在所述样品盘上。例如，所述样品盘可包括形成一个或多个引导件的部分。

可选地，所述第一板部分和所述第二板部分中的至少一个可枢转地连接到所述引导件。

可选地，所述应力单元包括连接到所述单元的承载部分的第一传感器，所述第一传感器适于测量所述承载部分的变形。当没有力施加到所述样品上时，所述承载部分不会变形。例如，所述承载部分可包括所述框架的一部分。例如，所述变形可用来确定施加到所述样品上的应力。

可选地，所述第一传感器适于测量所述框架的第一框架部分和所述框架的第二框架部分之间的位移，其中，所述第一框架部分可连接到所述样品并且可相对于所述第二框架部分移动。例如，所述传感器可包括连接到所述框架的所述第一框架部分的第一导电板和连接到所述框架的所述第二框架部分的第二导电板。

可选地，所述应力单元包括适于测量所述连接器和所述框架之间的移位的第二传感器。例如，所述连接器的一个或多个部分相对于所述框架的移位可用于确定施加在样品上的移位，从而确定所述样品的应变。

可选地，所述致动器装置可以设置在第一平面中，并且其中所述样品设置在不同于所述第一平面的第二平面中。

可选地，所述第一平面可以基本垂直于所述第二平面。

可选地，所述第一平面可以基本平行于所述第二平面。例如，所述第一平面可以基本平行于所述第二平面，但不与所述第二平面共面。

根据本发明的第二方面，提供了一种在样品上施加力的方法，包括提供致动器装置，所述致动器装置包括具有第一可变长度的第一元件和具有第二可变长度的第二元件；改变所述第一长度和所述第二长度中的至少一个以在第一平面中提供所述力；提供连接器，包括连接到所述致动器装置的第一连接器部分和可连接到所述样品的第二连接器部分；其中所述第一连接器部分柔性连接到框架。

例如，所述第一长度和所述第二长度可以在相反的方向上变化，和/或所述第一长度和所述第二长度可以有不同的变化量。

可选地，所述方法包括通过相对于所述框架移动所述连接器，将所述力从所述第一平面转移到所述样品所在的第二平面，其中转移所述力包括相对于所述框架或平移或旋转所述第一连接器部分，使得以基本沿着所述第二平面移动所述第二连接器部分。

可选地，所述方法包括提供可枢转地连接到所述第一连接器部分的引导件；并且允许所述引导件相对于所述第一连接器部分枢转。通过允许所述引导件能够相对于所述第一连接器部分枢转，可以减弱所述第一连接器部分的旋转。

可选地，所述第一平面基本垂直于所述第二平面。

可选地，所述第一平面基本平行于所述第二平面。

可选地，所述方法包括监测所述单元的承载部分的变形，以确定施加到所述样品上的力的大小和符号。

附图说明

以下通过示例并参考附图进一步详细描述本发明，其中:

图1是根据现有技术的应力单元的俯视图；

图2是设有垂直于样品平面的致动器平面的应力单元的透视图；

图3(a)是致动器装置静止时图2所述的应力单元的横截面图；

图3(b)是致动器装置致动时图2所述的应力单元的横截面图；

图4是另一应力单元的透视图；

图5是设有平行于样品平面的致动器平面的应力单元的透视截面图；

图6是设有平行于样品平面的致动器平面的另一应力单元的透视截面图；

图7是设有用于固定样品的可移除板的应力单元的分解透视截面图；

图8是图7所述的应力单元的透视图，所述板安装在所述单元上；

图9是设有力传感器的应力单元的透视图；

图10是设有应变敏感元件的应力单元的透视截面图；

图11是又一应力单元的透视截面图；

图12是样品盘的透视图；

图13是另一样品盘的透视图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的应力单元100。所述应力单元100包括桥105和框架110。三个压电致动器从桥105伸出。内部压电致动器115平行布置在两个外部压电致动器120和125之间。

样品130附接到两个样品安装块135和140。所述安装块140附接到内部压电致动器115，并且可相对于设备的框架110移动。所述安装块135固定到框架110上，称为固定块。

外部致动器120和125的一端附接到桥105，另一端附接到框架110，而内部致动器115的一端附接到桥105，另一端附接到安装块140。压电致动器的这种布置原则上消除了所述致动器和所述框架之间的不同的热膨胀/收缩的影响：由于温度变化相同，内部和外部压电致动器叠层的长度变化相等，则不会对样品130施加净应力/应变。这种消除很重要，因为原则上致动器可以比样品长得多，任何不同的收缩都将是乘以致动器长度除以样品长度。样品和框架之间的不同热胀冷缩可能会在样品上产生应力，但是这种应力可以通过操作致动器来消除。、

外部致动器120和125通常共享共同的电线，并且一起操作。如果在内部致动器115与外部致动器120和125之间施加长度差，使得致动器115比致动器120和125更短，则是将正应力/应变(也称为张力)施加到样品130上。相反地，如果在内部致动器115与外部致动器120和125之间施加长度差，使得致动器115比致动器120和125更长，则是将负应力/应变(也称为压力(compression))施加到所述样品上。

为了测量施加到样品上的应变，传感器一端连接到安装块140，另一端连接到安装块135。传感器对长度的变化很敏感，并且可以包括例如电阻应变仪或平行板电容器。

然而，在单元100中，致动器115、120和125的最大长度受到限制，因此这些致动器可以传递的总行程也受到限制，这就减小了可以传递至样品的最大应变。因此，所述单元100不适于提供宽范围的拉力或压缩力，这限制了其应用。

图2示出了根据本发明的应力单元200的透视图。所述应力单元包括框架205、连接到框架205的致动器装置210，以及用于将致动器装置210与样品连接的连接器220。连接器220包括第一连接器部分(也称为驱动件222)和第二连接器部分，第一连接器部分与致动器装置210连接，第二连接器部分包括可与样品230连接的引导件224。

框架205由连接到第二部分205b的第一部分205a形成。在本示例中，第一部分205a为U形，而第二部分205b为梁形，也称为横梁。在使用中，框架205可以用螺栓固定到低温恒温器(未示出)，从而使得框架能够保持固定。在本示例中，引导件224通过两组挠曲件244和246连接至框架205。这种挠曲件用于大致约束引导件224的运动沿着相对于框架205a的一个轴线。

致动器装置210由内部致动器214和两个外部致动器212和216形成。外部致动器212和216的一端连接到平台218，也称为桥，另一端连接到框架的第一部分205a。内部致动器214的一端连接到平台218，另一端连接到驱动件222。平台218可相对于框架205移动。

驱动件222通过第一铰链240可枢转地连接到引导件224。连接器220柔性地连接到框架205。驱动件222通过第二铰链245可枢转地连接到第二部分205b。如图3所示，驱动件222也通过第三铰链250可枢转地连接到内部致动器214。

第一铰链240、第二铰链245和第三铰链250可以一体成型于制造连接器的材料中。例如，连接器和框架可以基本上由非磁性的金属(例如钛)制成。例如，铰链可以由挠曲材料的柔性部分形成。铰链也可以称为柔性铰链。

在本示例中，样品230在其第一端和第二端之间延伸。样品230的第一端机械连接到框架205，并且第二端机械连接到引导件224。

图3示出了图2的应力单元200在平面A的横截面图。图3(a)示出了当致动器212、214和216的长度相等时连接器220的状态，图3(b)示出了当致动器214已经相对于致动器212和216延伸时连接器220的状态。

在操作中，外部致动器212和216一起操作，并且在内部致动器214与其他致动器212和216之间施加长度差。例如，通过施加相反符号的电压，致动器214的长度与致动器212和216的长度可以沿相反方向变化。在本实施例中，致动器的布置使得它们在垂直方向上伸长和收缩。在致动器装置210的操作期间，框架的第二部分205b相对于框架的第一部分205a保持固定。内部致动器214的延伸或收缩使铰链250相对于铰链245向上或向下移动，导致驱动件222旋转。因为铰链245和240之间存在垂直位移，所以这种旋转使得引导件224基本上水平移动。

在图3(b)所示的示例中，内部致动器214的长度延伸，因此压靠在连接器220上。驱动件222沿逆时针方向朝着框架205的第二部分205b枢转，由此来拉动引导件224。挠曲件244和246提供了高弹簧常数，以抵抗引导件224相对于框架205旋转，铰链240为引导件224相对于驱动件222的旋转提供了低弹簧常数，因此引导件224被水平地拉向驱动件222，但是没有实质的旋转。结果，拉力基本上沿单轴施加到样品230上。在本实施例中，单轴对应于样品的纵轴。因此，铰链240确保样品230上的端部没有施加不必要的旋转，仅施加了移位。

致动器装置210也可以被致动以缩短内部致动器214相对于外部致动器212和216的长度。在这种情况下，内部致动器下拉连接器220。驱动件222沿顺时针方向枢转。引导件224在基本水平的方向上被向右推动。这导致压力基本上沿着单轴施加到样品230上。

第一铰链240、第二铰链245和第三铰链250提供柔性机件，使得连接器220能够将从内部致动器214接收的力传递至样品230。所述力沿单轴施加至所述样品。铰链240和引导件224的组合为驱动件222的旋转和铰链240相对样品的垂直位移提供了弱关联。因此，由引导件224传递到样品的力基本上是单轴的。例如，可以沿样品的长轴向样品施加线性力。施加的力偏移和/或在样品一端施加扭矩会导致样品弯曲并降低所施加的压力的均匀性。通过防止这种偏移，可以提高所观察样品的电子材料特性的精度。

连接器220允许将由致动器传递的力从一个平面重新定向到另一个平面。致动器装置210和样品230分别位于两个不同的平面中。在本示例中，致动器装置210的平面垂直于样品230的平面。相对较长的致动器可用于实现高应变范围。在这种情况下，装置的垂直方向可以比水平方向长。这种配置在例如磁体孔中有用，用于当施加于样品上的力和磁场需要垂直时的测量。

如图3所示，除了所需的水平移位之外，驱动件222的旋转还可以将垂直移位施加到引导件224。这种垂直移位可以通过挠曲件244和246以及铰链240的组合来减弱。例如，通过延长铰链240以降低其弹簧常数，来抵抗相对其两端的垂直位移，进一步减小或消除垂直移位。可选地，或组合地，通过铰链245和240之间的水平距离的最小化来减小垂直移位。

柔性铰链245可以通过在形成连接器220和框架205的材料中切割两个狭槽262和264来获得。这能够无需在框架的第一部分205a和第二部分205b之间不切割狭槽的情况(可能比较困难)下实现。

图4示出了另一应力单元400的透视图，应力单元400具有易于制造的框架和连接器设计。所述应力单元400与应力单元200类似，并且相同的附图标记用于表示与图2中相同的特征。在图4中，沿第二部分205b的长度方向延伸有铰链445，铰链445将驱动件222连接至框架的第二部分205b。这简化了所述单元的制造。铰链445包括位于两个外部部分445b和445c之间的内部部分445a。铰链445b和445c位于框架的第一部分205a和框架的第二部分205b之间。这些附加的外铰链445b和445c的轮廓相同，并且与内铰链445a同轴。因此，所有三个铰链都可以在一次加工操作中切割，大大简化了制造过程。在本实施例中，在操作期间，框架的第二部分205b相对于框架的第一部分205a旋转。引入两个同轴铰链，而不是单个铰链，必然会降低弹簧常数，阻碍除了预期的旋转之外的运动。为了部分减轻这个缺点，构成同轴铰链445的铰链可以比图2和3的铰链245更厚、更硬，因为对于驱动件222的相同旋转，构成同轴铰链445的每个铰链将需要承担第二铰链245的一半旋转。

图5是在与样品平面平行的平面上设置有致动器装置的应力单元500的截面图。所述应力单元500包括框架505，连接至框架505的致动器装置510以及用于将致动器装置510连接至样品530的连接器520。样品设置在样品架535中。框架505通过四个挠曲件542、544、546和548连接到连接器520。框架505具有由四个壁部505a、505b、505c和505d形成的方形形状。连接器520具有长方体形状，在连接器520的基座中具有长方体切口，以确保连接器520不与中央压电致动器514的侧面接触。连接器520包括机械连接到中央压电致动器514端部的下部区域522和机械连接到样品530的上部区域524。

连接器520位于由框架505的壁部505a、505b、505c和505d形成的空腔中。挠曲件542和544从壁部505b的内表面向连接器520的表面延伸。挠曲件542和544从连接器520的顶面垂直向下延伸。在本示例中，挠曲件542向下延伸大约至连接器520一半的高度，而挠曲件544延伸至连接器520的整个高度。类似地，挠曲件546和548从壁部505c的内表面延伸。挠曲件546向下延伸大约至连接器520一半的高度，而挠曲件548延伸至连接器520的整个高度。

在本示例中，致动器装置510位于由形成框架505的四个壁部505a、505b、505c和505d包围的空间的下部。放置致动器装置510的方向与施加到样品的应力方向平行，但是致动器装置510与样品位于不同平面内。致动器512、514、516的一端附接到桥518。外部致动器512和516的另一端机械连接到框架505的包括壁部505d部分的下部。中央致动器514的另一端连接到连接器520的下部。

在操作中，外部致动器512和516的长度相对于内部致动器514的长度变化。例如，符号相反的电压可以分别施加到内部致动器514和外部致动器512和516，使得内部致动器和外部致动器的长度在相反方向上变化。在本实施例中，致动器布置成使得它们在水平方向上伸长和收缩。内部致动器514的延伸或收缩使连接器520相对于框架505以平移运动的方式移动。这种平移使得连接器520朝向或远离样品530基本水平移动。挠曲件542、544、546、548基本上将连接器520的运动限制为沿单个轴线的位移。在替代实施例中，挠曲件542、544、546和548可以由其他柔性机件代替。这种柔性机件的位置也可以变化。

与图2的单元200相比，单元500的设置使得单元在高度上可以更短。同时，使得致动器512、514和516的长度可以沿单元宽度的很大一部分延伸，与将致动器放置在样品平面中相比，可以更有效地利用空间。然而，这种设计的限制是所述单元仍然会对样品施加相当大的扭矩。当所述单元工作时，相对较大的扭矩施加到连接器上。挠曲件旨在抵抗该扭矩，但是抵抗连接器旋转的组合弹簧常数不是无限的，因此连接器仍将有一定程度的旋转。这可能会在样品上产生不必要的非单轴应力。

图6是具有连接器设计的应力单元600的剖视图，所述连接器设计减小了施加在样品上的不必要的扭矩。应力单元600与应力单元500相似，并且相同的附图标记用于指代与图5中相同的特征。在图6中，连接器620包括连接到致动器装置510的第一连接器部分(也称为驱动件622)，和包括连接到样品架535的引导件624的第二连接器部分。驱动件622通过铰链640可枢转地连接到引导件624。驱动件622受挠曲件642、644、646和648约束，基本上单轴移动。类似地，引导件624也受挠曲件641、643、645和647约束，基本上单轴移动。

在替代实施例中，可以修改驱动件622的形状，使得驱动件622通过挠曲件642、646、644和648连接到框架505的部分位于致动器装置510下方。在此实施例中，致动器装置直接位于引导件624下方。

在应力单元600的操作期间，致动器装置510将引起框架505和驱动件622之间的净平移。然后，该平移被传递到引导件624，这导致引导件624将力施加在样品530上。与图5中应力单元500的操作相似，由于致动器和样品不共面而产生的扭矩导致驱动件622的一些旋转。然而，铰链640呈现出将该旋转传递到引导件624的低弹簧常数，并且挠曲件641、643、645和647呈现出抵抗引导件的旋转的高弹簧常数。因此，施加到驱动件上的扭矩所引起的驱动件的任何旋转在引导件中都被明显减弱。

图7是应力单元700的分解透视图，所述应力单元700设有用于固定样品的可移除板。应力单元700与图5的应力单元500相似，并且相同的附图标记用于指代与图5中相同的特征。

在本实施例中，应力单元设有可移除板710，该可移除板可以安装到该单元上。所述板710具有标记为710a，710b，710c，710d和742的五个部件。部件710a，710b和710c形成U形部分(也称为凸缘A)，部件710b和710c从部件710a延伸。部件742位于部件710b和710c之间形成桥接部分。部件742起到引导件的作用，并且也被称为引导件。一组挠曲件743、745、747和749设置在引导件742的每个端部，从而允许引导件相对于凸缘A(710a，710b和710c)移动。

样品730可附着在部件742和部件710a之间的板上。例如，样品的第一端可以用环氧树脂固定到凸缘701a，第二端可以用环氧树脂固定到引导件742。可选地，板535也可以用环氧树脂粘合到样品端部的适当位置，以进一步加强样品与板之间的结合。

部件710d通过柔性铰链711柔性连接到引导件742。部件710d可以紧固到驱动件540。板710可以安装在框架505的外表面和驱动件540的外表面上。为此，板710设置有多个孔径720，用于接收一组螺钉715。相似地，框架505的外表面和引导件524的外表面上也设置有多个孔725。通过所述多个孔，螺钉715可以安装例如盘形弹簧，使得由螺钉施加的力逐渐施加。这样，螺钉可以依次拧紧，通过拧紧螺钉时施加的扭矩，板710紧密地固定到框架505和引导件540，而不会引起凸缘710a或凸缘710d相对于框架505和引导件540旋转。在替代实施例中，所述孔径、孔和螺钉可选地由紧固机构代替，从而允许板710可拆卸地连接到框架和引导件上。

在本实施例中，引导件由板710的部件742提供。驱动件540通过铰链711可枢转地连接到引导件。在例如由于制造缺陷、表面上的灰尘或表面上的划痕而导致驱动件540和框架505上的安装表面不完全共面的情况下，铰链711还为样品提供保护。安装表面的非共面性会施加凸缘710d相对于凸缘710a的旋转和/或位移，然而铰链711对于将该旋转和/或位移传递到引导件742呈现低弹簧常数。

应力单元700允许样品730与致动器510装置或框架505分开安装。然后，在样品固定到板710上之后，就可以对样品进行复杂处理，而不必将样品附接到框架505上。样品730和板710也可以方便地移除，而不破坏样品，然后重新连接用于进一步测量。

图8示出了安装所述板的单元700。

图9示出了设置有力传感器的应力单元900。应力单元900与图4的应力单元400相似。在此实施例中，框架改变为包括力传感器。框架905具有第一部分905a，两个平行臂905b和905c从所述第一部分延伸。臂905b和905c由横梁构件905d终止。凹槽910设置在框架的第一部分905a内，因此从框架905a的第一部分划分出框架的一部分(称为力件905e)。力件905e通过挠曲件915a和915b连接到臂905b。力件905e通过挠曲件920a和920b连接到臂905c。当致动器装置致动时，挠曲件915a、915b、920a和920b使得力件905e能够相对于部分905a和臂905b和905c移动。挠曲件915a、915b、920a和920b被设计成较为刚性，以确保当向样品930施加大力时，力件905e将仅相对于第一部分905a少量移动。两个导电板952和954设置在凹槽910内，从而形成电容器。在替代实施例中，板952、954可以由压电传感器代替。

在操作中，连接器向样品930施加力。然后，所述力通过样品传递到力件905e，力件905e相对于框架部分905a、905b和905c少量移动。当力件905e朝向或远离框架部分905移动时，第一导电板952和第二导电板954之间的距离减小或增加。力件905e的这些小移位可以通过测量两个导电板952和954之间的电容变化来量化。这种布置方便和精确地测量了施加到样品930上的力。通过知悉施加到样品上的力和样品的尺寸，可以确定施加到样品上的应力大小。

参照图9描述的力传感器可以应用于其他应力单元。例如，所述力传感器可以设置在图2、4、5、6和7的应力单元中。

如上参照图2至9所述的应力单元也可以设置有位移传感器，用于测量引导件和框架之间、或者驱动件和框架之间、或者引导件和桥905e之间的距离变化。所述位移传感器可用于估计通过所施加的力在所述样品中获得的应力。所述移位传感器还可用于确定样品和/或用于将样品固定到所述装置上的任何环氧树脂是否存在非弹性变形。这种非弹性变形在移位对所施加的力的依赖中表现为非线性。

为此可以使用不同的位移传感器。在示例性实施例中，第一导电板附接到框架，第二导电板附接到引导件。导电板布置成与施加到样品上的力的轴线正交。然后可以测量第一板和第二板之间的电容值。测得的电容作为1/d的函数变化，其中d是导电板之间的间距。因此，可以基于电容值提取板之间的距离。

如图9所示，设计用于检测施加到样品上的力的附加特征增加了设备的成本和复杂性。通过检测在应力单元的承载部分中发生的变形，可以简化设计。

图10是另一个应力单元1000沿所述单元的三个横向平面的透视截面图。应力单元1000与图6的应力单元600非常相似，并且相同的附图标记用于表示与图6中相同的特征。应力单元1000包括附加应变敏感元件1060，所述附加应变敏感元件1060位于框架部分505a的外表面上。应变敏感元件1060可以是用于检测其所附着的表面中的应变的应变仪。在操作期间，单轴力施加到样品530。所述力通过样品传递到框架部分505a。施加的任何力都将导致小的变形，甚至对刚性件如505a也是如此。可以通过应变敏感元件1060检测到的表面应变的变化来检测朝向或远离样品的这种小变形，并且这种小变形将与样品应变成正比。这样，所述应力单元1000代表一种测量样品应变的简单方法，而不必引入图9的应力单元900中描述的附加特征。

图11示出了又一个应力单元1100的沿所述单元的三个横向平面的透视截面图。在本实施例中，驱动件被制造得较短，以允许将额外的力件1160装配在单元的壳体内。单元1100与图6的单元600相似。为简洁起见，将仅描述所述单元的修改特征。相同的附图标记用于表示与图6中所述相同的功能。

应力单元1100包括框架1105、致动器装置510和用于将致动器装置连接到样品1130的连接器1122、1124。连接器包括连接到致动器装置510的驱动件1122。驱动件1122可通过柔性铰链1140连接到引导件1124。引导件1124也可通过样品架1135连接到样品1130。引导件1124和驱动件1122可以比图6的单元的部件624和622短。驱动件1122通过前面参照图6描述的四个挠曲件642、644、646和648连接到框架1105。框架1105形成设置有空腔的壳体，所述空腔部分包围致动器装置510、驱动件1122、引导件1124和力件1160。

框架1105具有第一部分1105a，两个平行臂1105b、1105c从所述第一部分延伸。臂1105b和1105c由端部1105d终止。凹槽1110设置在框架的第一部分1105a内，因此将框架的一部分(称为力件1160)从框架1305a的第一部分分开。力件1160通过挠曲件1115a和1115b连接到臂1105b。力件1160通过挠曲件1120a和1120b连接到臂1105c。当致动器装置510致动时，挠曲件1115a、1115b、1120a和1120b使得力件1160能够相对于部分1105a和臂1105b和1105c移动。挠曲件1115a、1115b、1120a和1120b设计成相对刚性，以确保当大力施加到样品1130时，力件1160将仅相对于第一部分1105a少量移动。两个导电板1152和1154设置在凹槽1110内，因此形成电容器。通过测量这些板之间的电容，可以测量力件1160的移位，从而可以确定施加到样品1130的力。

在包括可移除样品盘的实施例中，例如图7中的应力单元700，有时需要将样品盘设计成当样品盘被固定到设备的其余部分时，减轻样品不精确对准的影响。

图12示出了另一样品盘1200的示例。样品盘1200类似于图7的单元700的样品盘710。为简洁起见，将仅描述所述单元的修改特征。相同的附图标记用于指代与图7中描述的相同的特征。样品盘1200和图7中的样品盘710之间的主要区别在于，样品盘部分710a不直接附接到应力单元的框架部分，而是通过附加的柔性铰链1238连接到凸缘1250。然后，可以使用如图7所示螺栓将凸缘1250可逆地附接到框架505。

与图7的样品盘710相比，当样品盘被螺栓连接到相应的应力单元上时，引入凸缘1250和附加的柔性铰链1238使得样品盘1200能够容许更大的垂直和水平偏移。这是因为大部分偏移将被柔性铰链1238吸收，而不是被转移到样品上。

图13示出了设置有多个引导件的样品盘1300的示例。样品盘1300包括平行布置的第一线性构件1320和第二线性构件1322，也称为刚度块。第一引导件1310通过第一组挠曲件1332和1334连接至第一和第二线性构件1320、1322。第二引导件1312通过第二组挠曲件1336和1338连接至第一和第二线性构件1320、1322。第一凸缘1340通过也称为铰链1370的第五挠曲件连接至第一引导件1310。第二凸缘1350通过也称为铰链1372的第六挠曲件连接至第二引导件1312。所述第一和第二凸缘1340、1350通过一组孔连接到连接器和框架(未示出)。例如通过包括板1360和1362的样品架，样品1330可附接到第一引导件1310和第二引导件1312之间的板上，。在未示出的替代示例中，样品盘1300设置有单个线性构件。

技术人员将理解，在不脱离本发明的情况下，所公开的装置的变化是可能的。例如，尽管本发明的应力单元描述了由三个致动器构成的致动器装置，但是所述单元可以设计成仅具有两个致动器或者具有三个以上的致动器。只要施加到样品上的净应变由一个致动器或一组致动器与另一个致动器或另一组致动器之间不同幅度的伸长或缩短而产生。但当所有致动器伸长以消除热效应时，不会产生样品应变。致动器装置也可以由两对致动器提供。在这种情况下，当一对伸长而另一对收缩时，可能会产生应变/应力。致动器可以是不同类型的，例如，致动器可以是压电致动器。因此，对具体实施例的上述描述仅作为示例，而非出于限制的目的。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不对上述操作进行重大改变的情况下，可以进行较小的修改。

Claims (21)

1.一种应力单元，用于在样品上施加力，所述单元包括：

框架；

连接到所述框架的致动器装置；和

连接器，用于将所述致动器装置连接到所述样品，所述连接器包括连接到所述致动器装置的第一连接器部分和可连接到所述样品的第二连接器部分，其中所述第一连接器部分柔性地连接到所述框架；并且

其中所述致动器装置包括具有第一可变长度的第一元件和具有第二可变长度的第二元件，所述致动器装置适于改变第一长度和第二长度之间的差以提供所述力。

2.根据权利要求1所述的应力单元，其中，所述第一连接器部分通过柔性机件柔性地连接到所述框架，使得在所述致动器装置致动时，所述连接器相对于所述框架移动。

3.根据权利要求1或2所述的应力单元，其中，所述第二连接器部分包括可连接到所述样品的引导件，所述引导件可枢转地连接到所述第一连接器部分。

4.根据权利要求3所述的应力单元，其中，所述引导件柔性地连接到所述框架。

5.根据前述权利要求中的任意一项所述的应力单元，其中所述框架包括第一框架部分，所述第一框架部分接合到第二框架部分，并且其中所述第一连接器部分通过所述第二框架部分柔性地连接到所述框架。

6.根据权利要求5所述的应力单元，其中，沿所述第一框架部分和所述第二框架部分之间的边界延伸有挠曲件，所述第一连接器部分通过所述挠曲件柔性地连接到所述框架，使得所述第二框架部分和所述第一连接器部分基本上同轴地旋转。

7.根据前述权利要求中的任意一项所述的应力单元，包括用于固定所述样品的样品盘，所述样品盘包括可释放地附接到所述框架的第一板部分和可释放地附接到所述连接器的第二板部分。

8.根据权利要求7所述的应力单元，当从属于权利要求3时，其中所述引导件设置在所述样品盘上。

9.根据权利要求8所述的应力单元，其中，所述第一板部分和所述第二板部分中的至少一个可枢转地连接到所述引导件。

10.根据前述权利要求中的任意一项所述的应力单元，包括第一传感器，所述第一传感器连接到所述单元的承载部分，所述第一传感器适于测量所述承载部分的变形。

11.根据权利要求10所述的应力单元，其中，所述第一传感器适于测量所述框架的第一部分和所述框架的第二部分之间的位移，其中，所述第一部分可连接到所述样品并且可相对于所述第二部分移动。

12.根据前述权利要求中的任意一项所述的应力单元，包括第二传感器，适于测量所述连接器和所述框架之间的位移。

13.根据前述权利要求中的任意一项所述的应力单元，其中，所述致动器装置设置在第一平面中，并且其中所述样品设置在与所述第一平面不同的第二平面中。

14.根据权利要求13所述的应力单元，其中所述第一平面基本垂直于所述第二平面。

15.根据权利要求13所述的应力单元，其中所述第一平面基本平行于所述第二平面。

16.一种在样品上施加力的方法，包括：

提供致动器装置，所述致动器装置包括具有第一可变长度的第一元件和具有第二可变长度的第二元件；

改变第一长度和第二长度中的至少一个以在第一平面中提供所述力；

提供连接器，所述连接器包括连接到所述致动器装置的第一连接器部分和可连接到所述样品的第二连接器部分；其中所述第一连接器部分柔性地连接到框架。

17.根据权利要求16所述的方法，包括：通过相对于所述框架移动所述连接器，将所述力从所述第一平面转移到所述样品所在的第二平面，其中转移所述力包括相对于所述框架平移或旋转所述第一连接器部分，使得以基本沿着所述第二平面移动所述第二部分。

18.根据权利要求17所述的方法，包括：

提供可枢转地连接到所述第一连接器部分的引导件；并且允许所述引导件相对于所述第一连接器部分枢转。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述第一平面基本垂直于所述第二平面。

20.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述第一平面基本平行于所述第二平面。

21.根据权利要求16至20中的任意一项所述的方法，包括监测所述单元的承载部分的变形，以确定施加到所述样品上的力的大小和符号。

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