CN1662838A - 用于对由显微镜进行研究的试样执行操作的操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能对由显微镜进行研究的试样执行操作的系统和方法。在一种实施方式中，操作系统适于与多种不同类型的显微镜进行配接，其中的显微镜例如是透射式电子显微镜(TEM)和扫描式电子显微镜(SEM)，系统还包括至少一个操作机构，其作用在于对试样执行操作。在另一实施方式中，操作系统能可拆分地联接到一显微镜—例如TEM上，且系统包括多个用于对试样执行操作的操作机构。在一优选的实施方式中，操作系统既包括可调的接口，也在其中结合有多个操作机构，其中的接口使得系统能与多种不同类型的显微镜接口选择性地进行联接，操作机构能可控地工作，以对试样执行操作。

Description

用于对由显微镜进行研究的试样执行操作的操作系统

与相关申请的交叉引用

本申请与序列号为10/173543的美国专利申请是同时提交的，且属于共同的受让人，该美国申请的名称为“用于在显微镜下对被研究试样进行操作的模块化操作系统”，该申请所公开的内容被结合到本申请中作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于对由显微镜进行研究的试样执行操作的操作系统，更特别地，本发明涉及这样一种操作系统，其包括：一接口，用于与至少一种类型的显微镜可拆卸地进行联接；一试样载台，用于接纳一个试样；以及至少一操作机构，用于对所接纳的试样进行操作。

背景技术

目前，在微米(μm)和纳米(nm)尺度上的研究已取得了很多进展。举例来讲，在许多科学领域—例如生物、医药、物理学、化学、电子学、工程、以及纳米工程中，目前的很多工作都集中在上述的小尺度研究上，其中的目的例如在于研究物体(例如材料、生物体、病毒、病毒、微生物等)、创建新的物体、和/或以很高的精度将多个物体组装到一起。

为了对如此小尺度的物体执行操作，通常必须要使用显微设备，以助于对物体进行观察。例如，人类利用裸眼所能看到的最小物体是0.1mm。如借助于一架良好的光线显微镜(也被称为“光学显微镜”)，则可将图像放大约1500倍。但是，光学显微镜的放大倍数要受到该显微镜执行工作所依据的光线的物理性质(即光线波长)的限制。例如，光学显微镜的分辨性能(即清楚地分辨开两个非常接近的点的能力)较为有限。分辨能力α是由两个点光源之间的角间距来衡量的，而这两个点光源则刚刚能被该仪器检测分辨开。该间距角越小，仪器的分辨能力就越强。因而，通常具有关系式：α＝1.22λ/D，式中的λ是所使用光线的波长，D是物镜的直径，单位为(m)。光学显微镜所能达到的最高分辨率为0.2μm。如采用光学显微镜，则就无法将间距小于上述数值的两个点清楚地分辨为分离开的不同点。

当然，通过减小显微镜用于观察物体的辐射波的波长，就能提高分辨率。因而，人们研制出了电子显微镜，其使用电子流来研究那些对于普通光学显微镜而言太小了的物体，而不是使用光线进行工作。Max Knoll和Ernst Ruska在二十世纪三十年代研制出了第一台电子显微镜。通常，电子显微镜利用电子束照射被研究物体，其中，该电子束的波长(一般情况下，该波长是作用在电子束上的磁力的结果)远小于光学显微镜所使用光线的波长。因此，电子显微镜的放大倍数(以及分辨能力)相对于光学显微镜有了很大的提高。

现代电子显微镜一般包括：(1)一电子枪，其用于产生加速电子束；(2)一图像生成系统，该系统包括静电透镜(举例来讲，其通常是由电磁铁或永磁体构成的)和金属光阑，其中的金属光阑用于界限并聚焦电子束，使电子束穿过样本的表面、或扫描到表面上，并形成放大的图像；(3)一图像观察及纪录系统，其通常包括照相底板或荧光屏；以及(4)一真空泵，其用于保持显微镜的高真空度，原因在于空气分子会使电子偏离其运动路线。电子显微镜的发展对许多科学领域的理论和认识起到了巨大的推动作用。现代的电子显微镜具有亚纳米尺度的分辨率(例如0.1nm的分辨率，这比普通的光学显微镜强1000倍)，放大倍数达到一百万倍，能观察到原子级别的细节结构。

目前已出现了多种不同类型的电子显微镜。这些电子显微镜基本上是按照上述的原理进行工作的，它们并不采用光线，而是采用定向电子束对试样进行研究。其中一种电子显微镜是透射式电子显微镜(TEM)。在TEM中，电子穿透过样本的薄切片，且通常在一荧光屏或照相底板上形成一个图像。试样上密度较大的区域允许很少的电子透过(也就是说使更多的电子散射掉)，因而在所形成的图像上这些区域表现得要暗一些。TEM的放大倍数可达到一百万倍，其获得了广泛的应用，尤其是在生物、医药等科学领域，例如用于研究病毒、以及动植物细胞的构造。

另一种类型的电子显微镜是扫描电子显微镜(SEM)。在SEM中，电子束被聚焦到一个点上，且在样本的表面上扫描。探测器收集从表面反向散射回来的二次电子，并将这些电子变换成信号，这些信号反过来再被用来为样本形成一幅逼真的三维图像。在扫描过程中，探测器从表面凹陷处接收到的反射电子很少，因而在所形成的图像上，表面上较低的区域就表现得暗一些。SEM通常需要样本具有导电性。因而，在对非导电性的样本执行扫描之前，一般先要镀覆(例如使用溅射镀膜机)一薄层金属(通常是金)。SEM可将物体放大约十万倍或更大，其获得了广泛的应用，尤其是在生物、医药、物理、化学、以及工程技术等科学领域，例如用于研究各种物体表面的三维(“3-D”)构造，而从金属、陶瓷到血细胞、昆虫体等均可是其中的被研究物体。

除了上述的光学显微镜和电子显微镜之外，人们还研制出了多种其它类型的显微镜，以利于对微观和/或纳米尺度物体的研究，这些显微镜包括(但不限于)原子力显微镜(AFM)和扫描探针显微镜(SPM)，作为实例，这些显微镜例如是原子力显微镜(AFM)、扫描隧穿显微镜(STM)、近场光学扫描显微镜(NOSM)。显微镜通常被用于实现成像(例如对样本进行观察)。但是，为了具有更大的效用，目前出现了这样的趋势：设置一操作机构，其与显微镜配合使用，用于对被成像的样本进行操作。举例来讲，目前已经在SEM上组合有探针等操作机构，用于对由SEM成像的样本进行操作。例如，LEO ELECTRONMICROSCOPY有限公司就已设计出某些与SEM配合使用的操作机构。另外，目前在TEM上也已经组合有探针等操作机构，用于对由TEM成像的样本进行操作。举例来讲，NANOFACTORYINSTRUMENT公司就已研制了用于某些用于TEM场合的原位探针。

另外，人们已研制出了可拆分的操作机构，其能可拆卸地联接到TEM上。举例来讲，NANOFACTORY INSTRUMENTS公司就研制出了此类用于TEM的可拆分操作机构。可拆分的操作机构包括一试样载台，其用于接纳将要由TEM进行成像的试样，操作机构还包括一个操作器，其具有一用于对试样执行操作的末端执行器，该末端执行器例如是探针。可拆分操作机构还包括一第一致动机构，其作用在于产生行程相对较大的运动，用于对末端执行器执行粗调，操作机构还包括一第二致动机构，其作用在于为末端执行器提供较为细微而精确的定位。

这样，在工作过程中，试样被布置在可拆分操作机构的试样载台上，然后，可拆分操作机构被插入到TEM的试样室中。初始时，相对于布置在试样载台上的试样，利用操作机构的第一致动机构对末端执行器进行布置。这样的第一致动机构例如可包括一长程步进操作器，其以较粗糙的精度提供长程运动(其中的精度例如取决于长程操作器的步进分度)。因而，第一致动器能相对于布置在试样载台上的试样对末端执行器执行粗调。而后，可利用第二致动机构对末端执行器执行较为细微而精确的运动，以操作布置在试样载台上的试样。

但是，由于目前从市场上购得的TEM的试样室的尺寸相对有限，而操作机构要被插入到这样的试样室中，所以现有技术中的这种可拆分操作机构只包括一个用于操作试样的操作器(末端执行器)。另外，现有技术中的此类可拆分操作机构只被应用于TEM，并未与其它类型的显微镜配合使用。

发明内容

如上所述，现有技术中已研制了与SEM、TEM等显微镜配合使用的操作机构(例如探针)，以便于能对由这些显微镜执行成像的试样进行操作。这样的操作机构通常都是专为某种特定的显微镜而研制的。例如，为SEM而研制的操作机构就不适用于TEM，反之亦然。另外，为某种SEM(例如第一种型号的SEM)而研制的操作机构也无法应用在其它类型的SEM(例如不同型号的SEM)上。因此，现有技术中的操作机构缺乏与不同类型显微镜的接口互换使用的灵活性。也就是说，现有技术中的操作机构缺乏能方便地适配于不同类型显微镜的柔性接口。另外，尽管已经为TEM研制了可拆卸的操作机构，但这样的可拆卸机构只带有单个用于对试样执行操作的操作器(或末端执行器)。

因此，希望能有一种“通用的”操作机构，其可被多种不同类型的显微镜所使用。也就是说，希望能有这样一种操作机构：其包括一接口，该接口适于使该操作机构能与多种不同类型的显微镜接口相配接。优选地是，这种操作机构将能与任何不同类型的显微镜按照一定的方式进行配接，且不会影响该显微镜的正常工作(例如成像功能)。因而，优选地是，这样的操作机构例如能与SEM或TEM等显微镜进行配接，以使显微镜具有执行操作的能力，但却不会对希望使用该显微镜标准功用(例如成像功能)的用户造成干扰。另外，还希望能有这样一种可拆卸操作机构，其能可拆卸地联接到TEM和/或SEM显微镜上，且包括多个操作器，这些操作器能可控地进行工作，以便于对由该显微镜进行研究的试样执行操作。

本发明致力于提出一种系统和方法，其能对由显微镜进行研究的试样执行操作。根据本发明的至少一种实施方式，操作系统适于与多种不同类型的显微镜进行配接。例如，根据本发明的一种实施方式，提供了一种操作系统，其包括一个接口，该接口适于与多种不同类型的显微镜接口相兼容。操作系统还包括至少一操作机构，其作用在于对试样执行操作。

根据本发明的一实施方式，提供了一种移动式的试样保持器，其用于保持一个试样，以便于将试样呈送给显微镜。该移动式试样保持器包括一用于接纳试样的载台、至少一个用于对所接纳的试样执行操作的操作机构、以及一个用于与显微镜进行联接的接口。在某些实施方式中，移动式试样保持器包括多个操作机构，用于对所接纳的试样执行操作。例如，在一实施方式中，移动式试样保持器包括至少四个这样的操作机构。具有多个操作机构的设计能实现对试样的多种测量，而这样的测量通常是无法完成的。另外，在某些实施方式中，移动式试样保持器的接口适于与多种不同类型的显微镜接口相兼容。例如，在一实施方式中，接口至少适于与透射电子显微镜(TEM)的接口和扫描电子显微镜(SEM)的接口相兼容。

另外，根据本发明的一种实施方式，提供了一种利用显微镜对试样进行研究的方法。该方法包括步骤：从多种不同类型的显微镜中选择所需类型的显微镜，而其中的各种类型显微镜具有不同类型的接口，用于接纳一试样保持器。该方法还包括：对一试样保持器的接口进行调整，以使其符合所需类型显微镜的接口，其中，所述试样保持器的接口是可调的，以便于适配不同类型的、用于接纳试样保持器的显微镜接口。该方法还包括：将一试样设置在试样保持器上，并将试样保持器与所需类型的显微镜配接，以使得所述试样能被所需类型的显微镜执行成像。在某些实施方式中，试样保持器包括至少一个操作机构，且所述方法还包括利用该操作机构对试样执行操作的步骤。

因而，本发明的某些实施方式提供了一种具有很大灵活性的操作系统，其灵活性体现在其能应用在多种不同类型的显微镜中。某些实施方式提供了一种操作机构，其被结合在一试样保持器之中，且试样保持器包括一可调的接口，此接口使试样保持器能与具有不同接口的多种不同显微镜相联接，其中的接口用于接纳所述的试样保持器。

优选地是，本发明实施方式中的操作系统能按照某种方式与多种不同类型的显微镜相配接，且不会影响该显微镜的正常工作(即显微镜的成像功能)。因而，优选地是，操作系统能与SEM、TEM等显微镜进行配接，以便于对被研究的试样执行操作，但不会对希望使用该显微镜标准功用(例如成像功能)的用户造成干扰。

根据本发明的至少一种实施方式，一种能与显微镜可拆卸地进行联接的操作系统被设计成包括多个用于对试样执行操作的操作机构。例如，根据本发明的至少一种实施方式，一试样保持器包括多个操作机构，每一操作机构包括一末端执行器和一致动机构，其中的致动机构用于向所述末端执行器施加运动。优选地是，所述致动机构的作用在于向末端执行器施加较为精确的运动(该运动例如处于纳米尺度或更高的精度)，以便于对由显微镜进行研究的试样执行操作。在工作中，可采用一独立于试样保持器的调节机构来对试样保持器的末端执行器执行较为粗略的调节，以便于对末端执行器执行初始定位。而后，可将试样保持器与一显微镜进行配接(例如可将保持器插入到显微镜的试样室中)，且利用试样保持器的致动器向其末端执行器施加运动，以便于对该末端执行器执行精确定位，对由显微镜研究的试样执行操作。

举例来讲，根据一种实施方式，一种系统包括：一试样保持器，其包括一用于接纳试样的试样载台；一接口，其用于将试样保持器与显微镜联接起来，以使得试样载台上接纳的试样能被显微镜执行成像；以及多个操作装置，这些装置用于对被接纳的试样执行操作。优选地是，所述多个操作装置中的每一装置都包括一末端执行器，且这些操作装置中的数个装置各具有一致动器装置，用于向对应的末端执行器施加精确的运动，以使其从一初始位置向所需的位置移动。系统还可包括一调节装置，其独立于试样保持器，其中，该调节装置的作用在于对至少一试样保持器的操作机构执行粗调，以便于将该操作机构的末端执行器定位在一初始位置上。

因而，本发明的某些实施方式提供了一种操作系统，其包括一接口，用于与显微镜可拆卸地进行联接，还包括多个操作机构，用于对试样执行操作。优选地是，多个操作机构中的每一机构都包括一末端执行器和一个用于向该末端执行器施加运动的致动器。优选地是，每一致动器都是独立工作的，以便于使操作系统中的多个末端执行器能相互独立地运动。在某些实施方式中，该操作系统可被结合到一试样保持器中，该试样保持器包括一接口，用于与显微镜试样室可拆卸地进行联接。

上文的描述相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便于使读者能更好地理解下文对本发明的详细描述。下文还将介绍本发明其它的特征和优点，这些特征将构成本发明权利要求的保护主题。本领域技术人员应当能领会到：文中所公开的概念和特定实施方式可被容易地当作设计基础，用于完成改型或设计其它的结构，以实现与本发明相同的目的。本领域技术人员还应当意识到：这些等效构造并不悖离由所附权利要求书限定的本发明设计思想和保护范围。如结合附图阅读下文的描述，则能更好地理解本发明的新特点以及其它的目的和优点，而其中的新特点不论是对于本发明的结构设置、还是对于本发明的工作方法而言都被认为是区别性的特征。但是，应当清楚地指出：每一附图的作用都只是为了便于举例说明和进行描述，并不被用来确定本发明的保护界限。

附图说明

为了更为完整地理解本发明，下面将参照附图作如下的描述，在附图中：

图1表示了TEM的标准构造；

图2表示了SEM的标准构造；

图3A-3B表示了一种根据本发明优选实施方式的操作系统的示例性构造；

图4A-4B表示了操作系统的一种优选实施方式，该操作系统被联接到一光学显微镜上，用于相对于试样对其操作机构执行较为粗略的定位；

图5表示了根据本发明一优选实施方式的操作系统，图中该操作系统与一TEM相联接；

图6表示了根据本发明一优选实施方式的操作系统，图中该操作系统与一SEM相联接；

图7中示例性的方框图表示了本发明的一种优选实施方式；

图8中的工作流程图表示了一种实例，用于说明如何应用本发明的某些实施方式；以及

图9中的工作流程图表示了另一种实例，用于说明如何应用本发明的某些实施方式。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的各种实施方式进行描述，在所有的附图中，相同的数字标号指代同样的部件。根据本发明的某些实施方式，一种操作系统被设计成包括一用于与多种不同类型显微镜进行配接的接口。例如，操作系统优选地包括一种可调节的接口，以便于与多种不同类型的显微镜相适配。在一实施方式中，操作系统包括一种接口，其适用于至少多种不同类型的电子显微镜，例如可用于SEM和TEM。在某些实施方式中，操作系统包括一种接口，其适于与除电子显微镜之外的其它类型显微镜配合使用，或既能用于电子显微镜、也能用于其它类型的显微镜。

操作系统还包括至少一个操作机构，用于对由与该操作系统所联接的显微镜执行成像的试样(或“样本”)进行操作。该操作机构可包括任何类型的操作装置，这些操作装置包括(但不限于)：探针(作为举例，可包括压电探针或悬臂力探针、或热探针)、抓持器、玻璃纤维、皮下注射针以及软管，这些操作机构用于对由显微镜进行研究的试样执行操作。更为优选地是，操作系统包括多个操作机构，用于对被研究的试样执行操作。优选地是，操作机构的工作是可控的，以便于执行纳米尺度的操作(这样的操作在文中被称为“纳米操作”)。举例来讲，操作机构最好能按照纳米级的精度可控地运动(例如利用与其相联接的致动机构促使其运动)。

“操作”一词在文中具有广泛的含义，并非仅限于导致被研究试样发生变化的动作。某些类型的操作根本不会改变试样，而是有助于对试样执行观测(例如测量试样的某些的特征)。举例来讲，Webster将“操作”定义为“用手或通过机械装置执行处理或操纵—尤其是按照熟练的方式”(见1998年出版的精装版MERRIAM-WEBSTER’sCOLLEGIATE词典，其书号为ISBN 0-87779-714-5)。在本文的语境中，词语“操作”(及其各种词性形式，例如名词性的“操作”等)将包含Webster的定义，即包括对试样的“处理”或“操纵”，此“操作”不一定导致试样的改变(却只是有助于对试样的特性进行观测)。但是，如下文将进一步描述的那样，操作的类型将并非仅限于利用“机械装置”进行，还可包含其它类型的操作装置，例如电动装置等。

在本发明的某些实施方式中，操作系统包括一试样保持器，其包括一载台，试样可被接纳到该载台上，以便于由显微镜进行成像和/或由操作机构执行操作。试样保持器还包括至少一个操作机构，其可控地工作，用于在所述试样被与该试样保持器相联接的显微镜执行成像的同时、对布置在载台上的试样执行操作。优选地是，该至少一个操作机构的工作精度为纳米级(或更高的精度，例如为亚纳米级的精度)。因而，本发明的某些实施方式包括一种试样保持器，其能与显微镜相联接，其中，该试样保持器包括与其结合到一起的操作机构。

优选地是，试样保持器包括一可调节的接口，其适于使试样保持器能可拆分地联接到多种不同类型的显微镜上。因而，在工作中，要被成像和/或操作的试样布置在试样保持器的载台上。如果必要的话，试样保持器的接口是可调的，以使得试样保持器能联接到可选的显微镜(例如TEM、SEM等)上，且试样保持器随后被联接到该选定的显微镜上。而后，在利用显微镜对该试样执行成像的同时，可利用设置在试样保持器中的操作机构对试样执行操作。之后，可将试样保持器从显微镜中拆走，且可对保持器的接口进行调节，以此使得试样保持器能与一种不同类型的显微镜进行联接，该显微镜上用于接纳该试样保持器的接口属于不同的类型。

因而，本发明的某些实施方式提供一种具有高度灵活性的操作系统，其灵活性体现在其可被应用在多种不同类型的显微镜上。如上文简要描述的那样，某些实施方式提供了一种被结合在试样保持器中的操作系统，且试样保持器包括一种可调的接口，该接口使得该试样保持器能联接到多种不同的显微镜上，这些显微镜上用于接纳该试样保持器的接口是不同的。

优选地是，本发明某些实施方式中的操作系统能与多种不同类型的显微镜按照一定的方式进行配接，其中的配接方式不会对该显微镜的正常工作(例如成像功能)造成影响。因而，操作系统优选地被配接到SEM或TEM等显微镜上，以便于使显微镜具有对被研究试样进行操作的能力，但不会对希望使用显微镜标准功用(例如成像功能)的用户造成干扰。

根据本发明的某些实施方式，提供了一种可拆分地联接到显微镜上的操作系统，其包括多个用于对试样进行操作的操作机构。例如，根据本发明的至少一种实施方式，一试样保持器包括多个操作机构，每一操作机构都包括一末端执行器和一致动机构，其中的致动机构用于向所述末端执行器施加运动。优选地是，该致动机构可操作地向末端执行器施加较为精确的运动(例如纳米级的精度或更高精度)，用于对由显微镜研究的试样执行操作。在工作中，可采用一独立于试样保持器的调节机构，用于对试样保持器的末端执行器执行较为粗略的调节，由此完成末端执行器的初始定位。而后，可将试样保持器与一显微镜进行配接(例如可将保持器插入到显微镜的试样室中)，并利用试样保持器的致动器向其末端执行器施加运动，以精确地定位所述末端执行器，由此对利用显微镜进行研究的试样执行操作。

因而，本发明的某些实施方式提供了一种操作系统，其包括一能与显微镜可拆分地进行联接的接口，并包括多个用于对试样执行操作的操作机构。优选地是，多个操作机构中的每一操作机构都包括一末端执行器和一用于向末端执行器施加运动的致动器。优选地是，每一致动器都能独立地工作，以便于使操作机构中的各个末端执行器能相互独立地运动。在某些实施方式中，这样的操作系统可被结合在试样保持器中，其中的试样保持器包括一接口，其用于可拆分地联接到显微镜的试样室上。

如上所述，在对微米和/或纳米尺度的试样进行分析或执行其它工作时，显微镜发挥着至关重要的作用。目前，已研制出了多种不同类型的显微镜，用于对尺寸如此小的试样进行研究，其中的显微镜包括(但不限于)光学显微镜、电子显微镜(例如TEM、SEM等)以及SPM。尽管本发明的备选实施方式可被应用在一种或多种目前已知的或以后研制出的显微镜上，但本发明的优选实施方式是适用于电子显微镜的。因而，为了更好地领会本发明某些实施方式所能带来的优点，下面将结合图1-2对目前现有电子显微镜的几种实例进行详细描述。更具体来讲，图1表示了TEM的标准构造，图2表示了SEM的标准构造。下文还参照图3A-3B、图5、图6对操作系统优选实施方式的几种实例进行详细描述，其中的操作系统包括多个操作机构和/或可适配的接口，其中的接口使得操作系统可被选择性地联接到SEM或TEM上。

尽管下文将结合图1-2对TEM、SEM的标准结构进行描述，但应当指出的是：本发明的实施方式并非仅限于所述的示例性构造。而是这样的情况：本发明的某些实施方式能被应用于目前已有或以后出现的TEM和SEM的其它构造。此外，尽管至少一种实施方式提供了一种能被应用于多种不同类型电子显微镜(例如TEM和SEM)的操作系统，但本发明的某些其它实施方式也可包括一种适配接口，该接口允许该操作系统能与非电子显微镜的其它类型显微镜配套使用、或除了能与电子显微镜进行配接之外还能与其它类型显微镜配套使用，不论该显微镜是目前存在的、还是日后将研制出的。另外，尽管至少一种实施方式提供了这样的操作系统：其包括一接口，用于与电子显微镜(例如TEM和/或SEM)可拆分地进行联接，还包括多个操作机构，但在本发明的某些实施方式中，该操作系统也可带有这样的接口：其能可拆分地与非电子显微镜的其它类型显微镜进行联接、或除了能与电子显微镜可拆分地进行联接之外还能与其它类型显微镜联接，不论该显微镜是目前存在的、还是日后将研制出的。

如上文简要描述的那样，电子显微镜是这样的科学仪器：其采用高能电子束对处于极其细微尺度上的样本执行检查。该检查工作可提供大量的信息，这些信息包括：(1)形貌：样本的表面特征或“该表面看起来象什么”，表面的纹理；表面特征与材料属性(硬度、反射率等)之间的直接关系；(2)形态：组成样本的颗粒的形状和尺寸；以及这些结构与材料属性(延展性、强度、反应性等)之间的直接关系；(3)成分组成：构成样本的元素和化合物，以及这些成分之间的相对含量；执行成分的材料属性(熔点、反应性、硬度等)之间的直接关系；以及(4)结晶信息：原子在样本中如何排列；以及这些排列结构与材料属性(导电性、电学属性、强度等)之间的直接关系。

研制电子显微镜的目的是由于光学显微镜存在局限，光学显微镜的放大倍数受到光线物理特性(即光线的波长)的限制，其放大倍数被限制为500x或1000x，分辨率达到0.2μm。在1930年代的早期，光学显微镜就达到了这一限度，而科学研究上却需要看到有机细胞内部结构(细胞核、线粒体等)中更为细微的细节。这就需要10000x的放大倍数，而采用光学显微镜却无法达到这样的放大倍数。为了克服光学显微镜所使用光线的波长限制，研制出了电子显微镜，电子显微镜向样本辐射电子束。

一般来讲，电子显微镜的功能与光学显微镜类似，区别只在于电子显微镜采用聚焦的电子束、而不是光线来对样本执行成像，并获得有关样本结构和组成的信息。电子显微镜的工作过程基本上涉及如下的步骤：(1)形成一电子流(例如利用电子源)，并利用正电势使电子流向样本加速；(2)利用金属光阑和磁透镜来限制并聚焦该电子流，使其成为狭薄的聚焦单频束；(3)利用静电透镜(通常为磁性透镜)将该电子束聚焦到试样上；以及(4)受到照射的试样内部产生相互作用，从而影响到电子束。

首先参见图1，该示意图表示了TEM100的一种示例性构造。TEM是人们研制出的第一种电子显微镜，这种显微镜是按照光学透射式显微镜的原理而设计的，区别只在于使用聚焦后的电子束而不是光线来“看穿”样本。TEM的工作过程与幻灯机非常类似。幻灯机将光束照射(透射)幻灯片，在光线透过幻灯片时，其会受到幻灯片上结构和物体的影响，这些效果导致只有部分光线穿透过幻灯片的某些部分。然后，投射过的光线投影到一观察屏幕上，形成幻灯片的放大图像。TEM的工作基本上是基于同样的方式，区别仅在于TEM是将电子束(而不是光线)透射过样本(样本相当于幻灯片投影系统中的幻灯片)。透射过的任何电子束通常都被投影到一荧光屏上，以便于用户的观察。下文将结合图1对普通TEM的技术原理作进一步的介绍。

如图1中的示例性构造所示，TEM 100包括一电子源101，其可包括一电子枪，用于产生同频的电子流102。利用会聚透镜103和104将电子流102聚焦成细而窄的相干电子束。第一会聚透镜103一般受TEM上“光点尺寸旋钮”(图中未示出)的控制，“光点尺寸”(即照射试样的最终光斑的总体尺寸范围)主要由该透镜103确定。第二透镜104通常由TEM的“亮度或强度旋钮”(图中未示出)进行控制，其实际上改变的光斑在试样上的尺寸(例如将电子束从一个散布的宽光斑改变为尖细束)。电子束102受到会聚光阑105(通常可由用户选定)的局限，大斜角的电子(例如远离光轴114的电子)被摒除掉。电子束102撞击到试样(或样本)106上，部分电子透射过该试样。电子束102中的透过部分被物镜107聚焦成为图像。

可设置可选的目标金属光阑和区域选定金属光阑(标号分别为108和109)来对电子束进行限制。物镜光阑108通过阻挡掉大斜角的衍射电子而提高对比度，区域选定光阑109使用户能利用原子在试样106中的有序排列来检查电子的周期性衍射。电子束沿着透镜的队列向下传播，穿透过中间透镜和投影透镜110、111、112，且在沿该路径传播过程中不断扩大。电子图像轰击到荧光屏113上，并产生出光线，使得用户能看到该图像。一般来讲，图像上的暗黑区域代表试样106上那些只透过很少电子的区域(即试样106上较厚或密度较大的区域)，图像上的明亮区域代表着试样106上能透过更多电子的区域(即试样106上较薄或密度较小的区域)。

从图1的示意图还可看出，TEM通常包括一试样室115，试样106被放置到该试样室中以进行成像。举例来讲，一个可与试样室115分离开的试样保持器包括一载台，试样106被放置到该载台上。因而，可将试样106放置到试样保持器的载台上，然后再将试样保持器插入到试样室115中。试样室115包括一规定的接口，其用于接纳该试样保持器。例如，目前市场上销售的TEM的试样室一般包括一接口，该接口用于接受标准的TEM试样保持器，这种试样保持器的厚度为3mm，宽度为9mm，长度为9厘米，其用于承载直径通常约为3mm的薄型试样。

下面参见图2，图中表示了SEM的示例性构造。图2包括一高标准的原理框图200a和一示意性的视图200b，其中的200b表示了SEM的标准构造。如图所示，SEM 200包括一电子源201，其可包括一电子枪，用于产生出单频的电子流202。利用下文将要描述的SEM部件，利用对正控制203，以对准所产生的电子流202的方向。

电子流202被第一会聚透镜205会聚，该透镜通常受SEM上“粗探电流旋钮”(图中未示出)的控制。透镜205既被用来形成电子束，也被用来限制电子束中的电流量。该透镜与会聚光阑206相配合而摒除了电子束中的大斜角电子。电子束受到会聚光阑206(该光阑一般不能由用户进行选择)的敛缩，去除了某些大斜角的电子。第二会聚透镜207将电子流202形成为薄窄、致密、相干的电子束，该透镜一般受SEM上“精探电流旋钮”(图中未示出)的控制。

一个可由用户选择的物镜光阑208进一步地去除了电子束中的大角度电子。然后，一组线圈209使电子束以网格点阵的形式进行“扫描”或“扫掠”，电子束在每个点上的停留时间是由扫描速度确定的(通常在微秒的范围内)。最后一个透镜—物镜210将扫描电子束聚焦在试样(或样本)211的所需部位上。当电子束轰击到试样211上时(并停留几微妙时间)，试样内部会产生相互作用，此反应能被各种仪器检测出来。举例来讲，如示意图200b所示，二次电子和/或反向散射电子216被检测器和放大器217检测到，且进行了放大。在电子束移动到下一个驻留点之前，这些仪器(例如探测器和放大器217)基本上已计算出相互作用的次数，并在显示器218(例如为阴极射线管CRT)上显示一个像素，该像素的亮度是由所计算出的相互作用数目决定的(即反应越强，像素亮度越高)。重复进行上述的过程，直到完成网格扫描为止，然后还可重新进行扫描。例如整幅图案在每秒内可被扫描30次。因而，显示器218上所形成的图像可包括几千个像点(或像素)，这些像素的亮度对应于试样211的形貌而发生变化。

从原理框图200a可进一步地看出，SEM通常包括一试样室214，试样211被放置到该试样室中以进行成像。举例来讲，一个可与试样室214分离开的试样保持器包括一载台213，试样211被放置到该载台上。因而，可将试样211放置到一试样保持器的载台213上，然后再将试样保持器插入到试样室214中。试样室214包括一规定的接口215，其用于接纳该试样保持器。用于SEM的规定接口215一般不同于TEM试样保持器的规定接口，其中，TEM的接口例如是上文参照图1所述的、用于TEM 100的试样室115的接口。举例来讲，SEM试样室一般带有这样一个接口，如果需要的话，该接口可将较大的试样容纳在试样室内部的允许空间内，该空间的尺寸例如为15cm×15cm×6cm。通常情况下，在SEM中设置了机动的载台212，以便于使载台213可在试样室214中移动。另外，在试样211被插入到试样室214中之后，一般使用气动的阻气阀204来在SEM中形成真空，原因在于空气分子可能会使所产生的电子束偏离其预定的路径。

下面参见图3A-3B，图中表示了本发明优选实施方式的一种示例性构造。也就是说，图3A-3B表示了根据一种优选实施方式的操作系统的至少一个部分，该操作系统包括一试样保持器300。图3A所示的试样保持器300的示例性构造包括一第一部分301和一第二部分302。

第一部分301包括一个用于接纳待研究试样(或样本)的载台，该载台例如是可从图4B更为清楚地看到的载台430。优选地是，第一部分301还包括至少一个操作机构，其能可控地工作，以便于对布置在载台上的试样执行操作。最为优选地是，第一部分301包括多个操作机构，例如，从图4B可更为清楚地看出，在一种示例性的构造中，设置了四组操作机构(分别为410A、410B、410C和410D)。

在图3A-3B所示的示例性构造中，第二部分302被可拆分地联接到第一部分301上。举例来讲，在图3A中，第一、第二部分被联接到一起，但在图3B中，二者却是分开的。在一优选实施方式中，第一部分301和第二部分302为试样保持器300形成了一个适应性的接口，使得该试样保持器能与多种不同类型的显微镜进行联接。例如，第二部分302优选地是借助于联接装置303(其在文中被称为“适配”装置，原因在于其允许试样保持器300的接口能与多种不同的显微镜接口相符合)与第一部分301可拆卸地紧固联接起来。例如，如图3B中的实例所示，部分302可被旋拧到部分301的端部上。当然，在备选的实施方式，也可采用各种其它类型的机械联接装置。除了提供机械联接(例如螺纹联接)之外，联接装置303还实现了电的联接。例如，联接装置303可带有一多针电连接器，其使得第一部分301能与一控制系统实现通讯联系(例如电路连接)，其中的控制系统用于控制第一部分301中所设置的操作机构的工作(下文将对此作进一步的描述)，或者该多针电连接器能实现与第二部分302的电连接，部分302反过来再与该用于控制部分301中操作机构工作的控制系统执行通讯联系。

在图3A-3B所示的实例中，当第二部分302与第一部分301联接起来时，第一部分301的长度为第一长度，试样保持器300具有第二长度。因而，在该实例中，试样保持器300的长度是可调节的(例如通过将部分301和302联接起来或分开进行调节)，由此使得试样保持器300能与多种不同类型的显微镜接口相适配。举例来讲，市场上销售的TEM具有这样的试样室：其所需要的试样保持器要比与SEM试样室配套使用的保持器更长。因而，如下文将要更为详细的描述的那样，在某些实施方式中，部分301和302可被联接到一起，以使得试样保持器300能与TEM的试样室相配接，也可将部分301与部分302分开，以使得部分301能与SEM试样室相配接。因此，在该示例性的构造中，第一部分301一旦与第二部分302拆开之后，就成为了一个具有完整功能的独立单元。因此，在该示例性的实施方式中，部分301提供了与第一种类型的显微镜(例如SEM显微镜，其试样室的接口可接纳第一长度的试样保持器)进行联接的第一接口，且第二部分302可被联接到第一部分301上，以形成与第二种类型的显微镜(例如TEM显微镜，其试样室的接口可接纳第二长度的试样保持器)进行联接的第二接口。

在该示例性的构造中，第一部分301的长度l₁约为10cm，第二部分302的长度l₂约为24cm。因而，试样保持器300的总长度L₁(当第一部分301与第二部分302联接起来时)约为34cm。另外，试样保持器300的直径优选为适于与市场上销售的TEM试样室的标准规格尺寸相配接。如下文将要进一步描述的那样，在此构造中，部分301具有用于与SEM试样室进行配接的合适长度l₁，而当两部分联接到一起时，部分301和302的总长度L₁适于与TEM试样室进行配接。当然，在一些备选的实施方式中，试样保持器300(及其各个部分301和302)的各种长度和尺寸可不同于上述的示例性构造，以便于使该试样保持器300能与一种或多种所需类型的显微镜相配接，且这些备选实施方式也将被涵盖在本发明的范围内。

这样，试样保持器300优选地包括一种适应性的接口。尽管图3A-3B中示例性构造的可调节接口是通过联接或拆分试样保持器300的各个部分来实现调整的，但在备选实施方式中，也可采用其它的技术来提供备选形式的可调节接口。例如，试样保持器300可包括一个部分(例如第二部分302)，其能可控地膨胀和收缩(在一维或多维空间上，例如宽度[或直径]和长度)，从而能根据多种不同的显微镜接口进行调节(或适应改动)。

在至少一种实施方式的工作过程中，用户可将一试样放置到试样保持器300的载台430(见图4B)上，然后可将试样保持器300联接到多种不同类型显微镜中的一种上。而后，在试样被显微镜成像时，可利用试样保持器300的操作机构对该试样进行操作。如图4A-4B中的实例所示，在某些情况下，试样保持器300可被联接到光学显微镜400上，并可采用外部操作机构(即位于试样保持器300外部的操作机构)—例如操作机构402来对试样保持器300中的操作机构执行初始定位。例如，如图4A所示，试样保持器300可被联接到一平台401上，该平台401上联接有一外部操作机构402。从图4B可更为详细地看出，外部操作机构402可包括一末端执行器403，其例如是一抓持器，该抓持器可被控制着与试样保持器300的内部操作机构相接合，并对该内部操作机构进行布置。

例如，在图4B所示的实例中，试样保持器300包括四组操作机构410A、410B、410C和410D(文中被统称为操作机构410)。外部操作机构402可使用末端执行器403对内部操作机构410执行较为粗略的调节。例如，可将一个试样布置在试样保持器300的载台430上，在通过光学显微镜400观察操作机构410的同时，用户可对外部操作机构402执行控制，以使得末端执行器403与一个或多个内部操作机构410相接合，从而相对于试样对这些内部操作机构执行较为粗略的定位调整。每个操作机构410都可包括一末端执行器，该末端执行器例如是探针、抓持器等，可使用调节机构402来将这些末端执行器相对于试样调节到初始位置。尽管调节机构402能使操作机构402在一个或多个方向(优选为三维空间)上产生较大的位移，但其对这些操作机构410的定位精度却无法与下文将要描述的、试样保持器300中的致动器相比。例如，调节机构402能按照约30纳米的清晰度向操作机构410提供较大的运动行程(例如几个毫米)。因而，该调节机构402可被用来按照约30纳米以内的精度对操作机构410的末端执行器进行初始定位，以将其移动到所需的位置。

在一优选实施方式中，一个或多个内部操作机构410包括一致动机构，用于对这些内部操作机构410的末端执行器作更为细微/精确的定位。举例来讲，在图4B所示的示例性构造中，操作机构410A、410B以及410C分别与压电管420A、420B和420C联接起来，以使得压电管420A、420B和420C可向对应的操作机构施加运动，从而对它们执行精确定位。因而，在图4B所示的示例性构造中，操作机构410A、410B和410C能可控地运动(借助于压电管420A、420B、以及420C)，而操作机构410D则是固定不动的。当然，在备选的实施方式中，操作机构410D也可与致动机构进行联接，从而也成为可移动的。

优选地是，压电管420A、420B以及420C包括四倍电极压电管，其能使操作机构(例如其末端执行器)在自由空间内按照纳米级的分辨率(或更高的分辨率，例如亚纳米的精度)精确地运动，该运动的范围为几个微米。作为备选，如果只需要操作机构在某一方向上实现这种细微的平动，则可采用这些公知的致动器，它们例如可以是压电堆层、双压电晶片元件、或简单的压电片。另外，还可为一个或多个操作机构设置蠕动型压电选择致动器，且优选地是，这样的压电转动致动器能在360度的转角内连续地工作，且运动时的转角步进分辨率小于0.02度。在本技术领域内，上述的压电管420A、420B和420C是公知的，因而下文将不对此作更为详细的描述。应当指出的是：尽管在图4B所示的示例性构造中，采用的是压电管，但在某些备选实施方式中，也可使用任何合适的其它致动机构，这些致动机构包括(但不限于)热力微型致动器、静电致动器、压电蠕动型微致动器、双压电晶片微致动器、梳状驱动微机电系统(MEMS)致动器以及存储器阵列微致动器。当然，在某些实施方式中，为了与特定类型显微镜(例如TEM)进行配接而设定的尺寸限制条件可能会限制致动机构的类型，所限定的致动机构适于被设置在试样保持器300中(例如可将适用的致动机构限定为微米尺度的致动机构)。

应当能认识到：通过将为操作机构410所设的高精度致动器设置在试样保持器300、且不在该试样保持器300中设置大行程的粗调致动器，就能在试样保持器300中设置多个操作机构410。也就是说，通过使用试样保持器300之外(或独立于试样保持器)的调节机构402，就能在试样保持器300中设置多个操作机构410以及用于对这些操作机构410执行控制的高精度致动器，其中，调节机构402用于对操作机构410执行粗调，以完成该操作机构的初始定位。因而，甚至在较小的试样保持器中，也能设置多个操作机构410，这些操作机构都带有高精度的致动器，这些致动器能相互独立地工作，以便于控制各自对应的操作机构的运动，其中，较小的试样保持器例如是用于与市场上销售的TEM的试样室相配接的试样保持器，此类试样保持器非常小。

如上文简要描述的那样，现有技术中已出现了带有操作机构的可拆分试样保持器，它们能可拆卸地联接到TEM上。这样的可拆分试样保持器被限制为其中只带有一个操作机构(例如末端执行器)。另外，由于现有技术中的此类可拆分试样保持器既带有粗调机构、也带有高精度调节机构，粗/精调机构都能向操作机构的末端执行器施加运动，所以，在这样的构造设计中，保持器中只能容纳下一套操作机构。也就是说，由于目前市销TEM中插入试样保持器的试样室的尺寸较为有限，所以，现有技术中这种可拆分试样保持器只带有一个能对试样执行操作的操作机构。一般情况下，希望能具有多个操作机构，以便于能对被研究试样执行所需型式的操作。通过将粗调操作机构的致动器设置在试样保持器300之外，就能在试样保持器300中设置多个致动机构—甚至在试样保持器300较小的情况下，例如对于与市销TEM的试样室相配接的试样保持器，其尺寸就非常小。

在某些实施方式中，试样保持器300包括一可调的接口，该接口使得试样保持器300能与多种不同类型的显微镜接口相兼容。在某些实施方式中，试样保持器300能与至少一种显微镜(例如TEM和/或SEM)可拆分地进行联接，且在其中结合有多个操作机构，这些操作机构能可控地进行工作，以便于对由该显微镜进行研究的试样执行操作。在一优选实施方式中，试样保持器300既包括可调的接口、也包括多个操作机构，可调的接口使得该保持器能与多种不同类型的显微镜接口(例如TEM接口或SEM接口)选择性地进行联接，结合到其中的多个操作机构能可控地工作，以便于对由显微镜进行研究的试样执行操作。当然，在某些实施方式中，试样保持器300可被设计成具有可调的接口，但却无须带有多个操作机构，而且，在某些实施方式中，试样保持器300中可结合有多个操作机构，但却无须设置可调的显微镜接口。

因而，在某些实施方式中，试样保持器300包括一可调的接口，该接口使得试样保持器300能与多种不同类型的显微镜接口相兼容。如上文参照图1-2进行描述的那样，TEM和SEM一般具有一个试样室，该试样室具有用于接纳试样保持器的接口，而TEM和SEM的试样室接口通常是不同的。图5表示了本发明的一种优选实施方式，其与一TEM100相联接。如图所示，包括一试样载台430以及至少一个操作机构410的第一部分301被插入到TEM100的试样室115中。在该实例中，试样保持器300上联接着第二部分302，从而能符合试样室115的规格(例如其具有合适的长度以将位于载台430上的试样呈送进去，以便于由TEM100执行成像)。因而，试样保持器一旦被插入到试样室115中之后，就可利用TEM100对布置在试样载台430上的试样进行成像、和/或对操作机构410进行控制以操作该试样。

从图5所示的实例还可看出，试样保持器300可与一控制系统501保持通讯联接。控制系统501优选地是基于处理器的装置，例如是个人计算机，其作用在于产生控制信号，这些信号将被发送给致动器420A、420B和420C，以便于对它们的工作进行控制，进而向操作机构施加所需的运动。这些控制信号例如可由控制系统501响应于用户的输入信息(例如由用户输入的、请求操作机构执行某种特定操作的指令)而产生。例如，如图5中的示例性构造所示，试样保持器300的一个端部301可与部分302实现机械和电路连接，且另一端部302可与控制系统501进行通讯联接(例如电路连接)。举例来讲，可使用多针电连接器将控制系统501与部分302联系起来，以便于向部分302发送控制信号，由此来控制试样保持器300中操作机构410的工作。

图6表示了一种优选实施方式，该实施方式中，保持器与一SEM相联接。如图所示，包括一试样载台430以及至少一个操作机构410的第一部分301被插入到SEM的试样室214中。在该实例中，试样保持器300上未联接第二部分302，从而能符合试样室214的规格(例如其具有合适的长度，以使得试样保持器300能按照合适的方式进入到该试样室中，从而能对位于载台430上的试样执行成像)。因而，试样保持器一旦被插入到试样室214中之后，就可利用SEM对布置在试样载台430上的试样进行成像和/或对操作机构410进行控制以操作该试样。

从图6所示的实例还可看出，试样保持器300可与一平台401进行联接，且其上联接着试样保持器300的这一平台401可被送入到SEM的试样室214中。也就是说，平台401有助于试样保持器300与SEM的试样室214正确地进行配接。应当认识到：也可如图4A所示那样，将试样保持器300联接到这样的平台401上，且可在该平台401上联接一外部调节机构402，用于在初始时对试样保持器的操作机构410进行调整。在某些实施方式中，该外部调节机构402可拆卸地联接到平台401上，以使得该调节机构能被从平台401上拆下，并将该平台401插入到SEM的试样室中。该平台401的尺寸类似于常规SEM试样保持器的尺寸，因而有助于在SEM试样室214中正确地对正试样保持器300，以便于利用该SEM对放置在试样载台430上的试样正确地执行成像。当然，在某些实施方式中，该平台401可被保留在SEM的试样室中，可通过平台的接口601将试样保持器300与该平台联接起来，以便于对试样执行成像和/或操作，试样保持器300可与该平台接口601分离开，以将试样保持器300从SEM的试样室214中取出(与这样的情况相反：每次要将试样送入到SEM中和从SEM中取出时，都需要将平台401插入到SEM试样室214中或从试样室中撤出)。另外，在某些设计形式中，试样保持器300可被直接呈送给SEM的试样室214，而无须使用该平台401，且这样的结构设计也将被涵盖在本发明的范围内。

从图6所示的实例还可看出，试样保持器300可与一控制系统501保持通讯联接。上文已对该控制系统501作了简要的描述。举例来讲，如图6中的示例性构造所示，试样保持器300的一个部分301的一端可与控制系统501连接(例如电连接)。因而，当第二部分302与第一部分301脱离开时，第一部分301自身就具有与控制系统501保持通讯联接的合适接口。举例来讲，可使用多针电连接器将控制系统501与部分301联系起来，以便于向部分301发送控制信号，由此来控制试样保持器300中操作机构410的工作。

因而，在本发明的某些实施方式中，设置了一种试样保持器300，其包括至少一个操作机构和一可调节的接口，该接口使得该试样保持器300能选择性地与多种不同类型的显微镜进行联接。也就是说，在某些实施方式中，试样保持器300包括至少一个用于对试样执行操作的操作机构以及一适于与多种不同类型显微镜接口相兼容的接口。更具体来讲，在至少一种实施方式中，试样保持器300可选择性地与TEM或SEM进行联接。

优选地是，试样保持器300按照某种方式可拆分地联接着显微镜，从而不会对该显微镜的正常工作(例如成像功能)造成影响。如果需要的话，试样保持器300可只被用来对试样执行成像，而无需采用用于对试样执行操作的操作机构410。作为备选方案，如果只希望对试样执行成像，则也可互换地使用普通的试样保持器。也就是说，试样保持器300优选地被设计成这样：其能与显微镜的普通试样保持器互换地使用，原因在于该试样保持器300优选地并不需要与显微镜结合为一体或者不需要对显微镜作其它的改动，对显微镜的改动将干扰显微镜的正常功用。因而，某些实施方式提供了一种移动式的试样保持器300，其中集成有操作机构410，该试样保持器300能可拆卸地联接到显微镜上，以便于在需要时具有操作试样的能力(下文将对这些操作功能作进一步的描述)。

因而，图7表示了本发明至少一种实施方式的示例性框图，其中，试样保持器300包括操作机构410和用于与显微镜配接的接口300A。优选地是，上文已简要描述的控制系统501与操作机构401实现通讯联接。例如，可采用控制系统501对致动机构420A、420B和420C的工作进行控制，以精确地定位操作机构(或末端执行器)410。也就是说，可利用该控制系统501对操作机构410进行控制，以便于对被研究试样实施操作。例如，试样保持器300可被联接到显微镜—例如图7中的显微镜701或702上，控制系统501被用来对致动器420A、420B和420C实施控制，以便于精确地移动其中的一个或多个操作机构(或末端执行器)410，进而对由显微镜进行成像的试样执行操作。

如上所述，试样保持器300的接口300A优选为适于使试样保持器300能与多种不同类型的显微镜接口相符合。举例来讲，接口300A可被改变为与第一类显微镜701的接口701A相一致，从而可将试样保持器300联接到该显微镜701上，以对布置在试样保持器300上的试样执行成像和/或操作。另外，接口300A还适于与第二类显微镜702上不同的接口702A相一致，从而可将试样保持器300联接到该显微镜702上，以对布置在试样保持器300上的试样执行成像和/或操作。如上文参照图5-6所述的那样，在某些实施方式中，显微镜701例如是TEM，显微镜702是SEM，可调节的接口300A使试样保持器300能选择性地联接显微镜701或702。

下面参照图8，图示的工作流程说明了本发明某些实施方式是如何进行工作的。更具体来讲，图8表示了一种根据本发明某些实施方式的、示例性的工作流程，该工作流程用于利用显微镜对试样进行研究。如图所示，在工作模块801中，用户选择所需类型的显微镜。也就是说，工作模块801包括这样的操作：用户在多种不同类型的显微镜中选择所需类型的显微镜。这些多种类型显微镜上用于接纳试样保持器的接口可以是不同的种类。在工作模块802中，用户对试样保持器进行调节，以与显微镜的接口相一致。也就是说，工作模块802包括这样的操作：用户对试样保持器的接口进行调节，以与所需类型显微镜的接口相一致。如上所述，试样保持器的接口优选为可调的，以便于与多种不同类型的显微镜接口相兼容，其中的显微镜接口用于接纳试样保持器。

在工作模块803中，用户将一个试样布置到试样保持器上。而后，在工作模块804中，试样保持器与所需类型的显微镜配接起来，以使得试样能被所需类型的显微镜执行成像。因而，在工作模块805中，可使用所需类型的显微镜对布置在试样保持器上的试样执行成像。另外，在工作模块806中，结合到试样保持器中的操作机构可被用来对试样执行操作(例如试样保持器300中的操作机构410)。

在本发明的某些实施方式中，试样保持器300能可拆分地联接到显微镜上，并带有多个操作机构。下面参见图9，图中所示的工作流程表示了本发明的某些实施方式是如何进行工作的。在工作模块901中，一试样被布置到试样保持器300的试样载台430上，该试样保持器包括多个操作机构410。在工作模块902中，使用一独立于试样保持器300的调节机构(例如图4A中的调节机构402)对操作机构410执行粗调，以便于将各操作机构的末端执行器布置到初始位置上。在工作模块903中，试样保持器300与显微镜进行配接，从而可利用显微镜对布置在试样载台430上的试样执行成像。在某些实施方式中，试样保持器300的接口是可调的，由此使试样保持器能与多种不同类型的显微镜接口相兼容(例如与TEM的试样室和SEM的试样室相兼容)，在其它的实施方式中，试样保持器300的接口可以不是可调的(例如可以是固定的)。而后，在工作模块904中，(例如借助于控制系统501)采用试样保持器300的内部致动器(例如致动器420A、420B和420C)对至少一操作机构的末端执行器执行精确定位，使其位于所需的位置上。

如上所述，在本发明的某些实施方式中，试样保持器300包括一适应性的接口，该接口使得试样保持器300能与多种不同类型的显微镜接口实现联接。但是，在某些其它的实施方式中，试样保持器300也可不带有这样的适应性接口。在本发明的某些实施方式中，试样保持器300能可拆分地联接到显微镜上，并包括多个操作机构。优选地是，通过设置在试样保持器300中的、对应的致动器可独立地驱动每一这种操作机构。在一优选实施方式中，如同在上文参照图3A-3B和图4A-4B所述的试样保持器300的示例性构造中，该试样保持器300既包括一可调的接口，其中也结合有多个操作机构，其中的接口能与多种不同类型的显微镜(例如TEM或SEM)接口选择性地进行联接，而操作机构能可控地进行工作，以便于对由该显微镜进行研究的试样执行操作。

尽管在试样保持器300的这种示例性构造中，操作机构410被表示为探针(例如在图4B中)，但应当指出的是：除了探针之外，还可设计各种其它类型的操作机构，或者用其它类型的操作机构取代探针。例如，可使用抓持器、玻璃纤维、皮下注射针头、软管、以及纳米尺度的钩体来取代试样保持器300中的一个或多个操作机构410，从而能对被研究试样执行多种不同类型的操作。另外，在某些实施方式中，这样的操作机构410可以是互换的。例如，在试样保持器300中，探针可与抓持器(或其它类型的操作机构)进行互换，以使得用户能有选择地为试样保持器300配置所需类型的操作机构，由此可对被研究试样执行所需的操作。例如，可在各个压电管420A-420C上联接一种同样的适配器，且在试样保持器300中，任何能与该通用适配器的接口相兼容的操作机构都能互换地使用。

如上所述，优选地是，试样保持器300中设置了多个操作机构。更为优选地是，在该试样保持器300中设置了至少一个操作机构。具有多个操作机构的设计实现了对被研究试样执行各种测量的目的。本发明的某些实施方式实现了多种测量，这些测量在常规情况下是无法进行的，原因在于常规情况下显微镜的操作系统不具有足够数目的操作机构。

例如，如采用导电性的尖锐探针(例如经过蚀刻的导电性W、Pt、Au质探针)作为末端执行器，则通过在试样表面上定位两个探针(即利用两探针将试样保持在自由空间中，并采用一个或多个其它的探针对试样执行测量)，就能对放置在试样载台430表面上的或悬浮在自由空间中的试样的纳米级断面执行导电率测量。如在试样保持器300中设置四个操作器模块，则甚至可对纳米级的被研究试样执行四探针开尔文(Kelvin)导电性测量。四探针导电率测量的一个优点在于能消除接触电阻的影响，而对于探针与试样之间形成的接合关系而言，接触电阻是固有的，这样就能精确地测量试样的导电性，而这对于两探针或三探针导电性测量技术是无法实现的。如采用其它类型的末端执行器—例如力效应探针，则还能实现对作用力的测量或完成力/电组合测量，而这样的测量甚至可达到纳米的尺度。本领域技术人员可以领会：本发明的实施方式能实现各种其它类型的测量和/或试样所要求的各种特性。

另外，本发明某些实施方式的操作系统也可被用来对微米和/或纳米级的物体执行组装工作。例如，可将多个试样布置在载台430上，在某些应用状况下，操作机构410可被用来将这些试样组装成为所需的结构。另外，本领域普通技术人员也能认识到此类操作系统的其它各种应用。

尽管上文对本发明及其优点作了详细的描述，但应当理解：在不悖离本发明设计思想和保护范围的前提下，可对文中的内容作多种形式的改动、替换和变动，本发明的范围由所附的权利要求书限定。另外，本申请的范围并不受文中有关过程、机构、制造方式、材料组成、装置、方法或步骤的具体实施方式的限制。本领域技术人员从本发明的公开内容能容易地领会到：根据本发明，可采用其它目前存在的、或日后发展出的过程、机构、制造方式、材料组成、装置、方法或步骤，只要这些要素能与文中的对应实施方式实现基本相同的功能或达到基本相同的效果即可。因此，所附的权利要求书将把这些过程、机构、制造方式、材料组成、装置、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (64)

1.一种操作系统，其包括：

试样保持器，其具有一接口，该接口是可调节的，以便于与多种不同的显微镜接口相符合；以及

至少一操作机构，其可操作地对试样执行操作。

2.根据权利要求1所述的操作系统，其特征在于：所述至少一操作机构包括一末端执行器以及一工作可控的致动器，其中的致动器用于向所述末端执行器施加运动。

3.根据权利要求2所述的操作系统，其特征在于：所述末端执行器包括从一集合组中选出的至少一种执行器，所述集合组包括：探针、抓持器、玻璃纤维、皮下注射针头、钩体以及软管。

4.根据权利要求2所述的操作系统，其特征在于：所述致动器包括一压电管。

5.根据权利要求2所述的操作系统，其特征在于：所述致动器可控地工作，以便于至少以纳米级的精度施加所述运动。

6.根据权利要求1所述的操作系统，其特征在于：所述至少一操作机构包括多个操作机构。

7.根据权利要求6所述的操作系统，其特征在于：所述多个操作机构中的数个操作机构都包括一末端执行器和一致动器，其中的致动器可控地工作，以便对其操作机构的对应末端执行器施加运动。

8.根据权利要求7所述的操作系统，其特征在于：所述数个操作机构中每一操作机构的所述致动器都包括一压电管。

9.根据权利要求7所述的操作系统，其特征在于：所述致动器可控地工作，以便于至少以纳米级的精度施加所述运动。

10.根据权利要求7所述的操作系统，其特征在于：所述多种不同的显微镜接口包括透射式电子显微镜(TEM)接口。

11.根据权利要求1所述的操作系统，其特征在于：所述多种不同的显微镜接口包括扫描电子显微镜(SEM)接口和透射式电子显微镜(TEM)接口。

12.根据权利要求1所述的操作系统，其特征在于：所述试样保持器包括一用于接纳试样的载台，其中，所述接口适于按照一定的方式与所述多种不同显微镜接口的其中一种配接，其中的配接方式使得利用与所述试样保持器相联接的显微镜能对试样执行成像。

13.根据权利要求1所述的操作系统，其特征在于：所述接口适于按照一定的方式与所述多种不同显微镜接口的其中一种实现配接，其中的配接方式不会影响与试样保持器联接的显微镜的其它工作部件。

14.根据权利要求1所述的操作系统，其特征在于：所述试样保持器包括所述至少一个操作机构，且其中所述接口使得所述操作系统可拆卸地与所述多种不同类型的显微镜接口进行联接。

15.根据权利要求14所述的操作系统，其特征在于：所述多种不同的显微镜接口包括多种不同的显微镜试样室。

16.根据权利要求1所述的操作系统，其特征在于：所述多种不同的显微镜接口包括用于接纳待成像试样的接口。

17.一种利用显微镜对试样进行研究的方法，所述方法包括步骤：

从多种不同类型的显微镜中选择所需类型的显微镜，所述多种不同类型显微镜的每一种显微镜都具有不同类型的接口，用于接纳一试样保持器；

对试样保持器的接口进行调节，以与所需类型显微镜的接口相符合，其中，所述试样保持器的接口是可调的，以便于与所述多种不同类型的显微镜接口相兼容，其中的显微镜接口用于接纳一试样保持器；

在所述试样保持器上布置一试样；以及

将所述试样保持器与所述所需类型的显微镜进行配接，以使得所述试样能被所述所需类型的显微镜进行成像。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述试样保持器包括至少一个操作机构。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述至少一个操作机构包括一末端执行器和一用于向所述末端执行器施加运动的致动器。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于还包括步骤：利用所述至少一操作机构对所述试样执行操作。

21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述试样保持器包括多个操作机构。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述多个操作机构中的数个操纵机构都包括一末端执行器和用于向所述末端执行器施加运动的致动器。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于还包括步骤：利用所述至少一操作机构对所述试样执行操作。

24.根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包括步骤：利用所述所需类型的显微镜对所述试样执行成像。

25.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述多个不同类型的显微镜至少包括透射式电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)。

26.一种移动式的试样保持器，其用于保持一个试样，以便于将试样呈送给一显微镜，所述移动式试样保持器包括：

一用于接纳试样的载台；

多个操作机构，用于对所接纳的试样执行操作，其中，所述多个操作机构中的数个操纵机构都包括一末端执行器和用于向所述末端执行器施加运动的致动器；以及

一个用于与显微镜可拆卸地进行联接的接口。

27.根据权利要求26所述的移动式试样保持器，其特征在于：所述末端执行器包括从一集合组中选出的至少一种执行器，所述集合组包括：探针、抓持器、玻璃纤维、皮下注射针头、钩体以及软管。

28.根据权利要求26所述的移动式试样保持器，其特征在于：所述致动器包括一压电管。

29.根据权利要求26所述的移动式试样保持器，其包括：至少四个所述操作机构。

30.根据权利要求26所述的移动式试样保持器，其特征在于：所述接口适于与多种不同类型的显微镜接口相符合。

31.根据权利要求30所述的移动式试样保持器，其特征在于：所述接口适于至少与透射式电子显微镜(TEM)接口和扫描式电子显微镜(SEM)接口相符合。

32.根据权利要求30所述的移动式试样保持器，其包括：

至少两个部分，两部分可拆卸地相互联接起来，其中，当所述至少两个部分被相互联接起来时，所述移动式试样保持器与第一类型的显微镜接口相符合，当所述至少两个部分被分离开时，所述移动式试样保持器的所述至少两部分之一与第二类型的显微镜接口相符合。

33.根据权利要求32所述的移动式试样保持器，其特征在于：所述第一类型的显微镜接口包括一透射式电子显微镜(TEM)接口，所述第二类型的显微镜接口包括一扫描式电子显微镜(SEM)接口。

34.一种系统，其包括：

一试样保持器，其包括一用于接纳试样的试样载台；

一接口，其用于将试样保持器与一显微镜联接起来，以使得试样载台上接纳的试样能被显微镜成像；以及

多个操作装置，这些装置可控地工作，以便于对被接纳的试样执行操作，其中，所述多个操作装置中的数个装置都包括一末端执行器以及一致动器装置，致动器装置可操作地向其对应的末端执行器施加精确的运动。

35.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：在所接纳的试样被一个与所述试样保持器配接的显微镜成像的同时，所述多个操作机构可控地工作，以对所接纳试样操作。

36.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：所述末端执行器包括从一集合组中选出的至少一种执行器，所述集合组包括：探针、抓持器、玻璃纤维、皮下注射针头、钩体以及软管。

37.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：可操作地施加精确运动的所述致动器包括一压电管。

38.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：可操作地施加精确运动的所述致动器至少能以纳米级的精度施加所述运动。

39.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：所述致动器可操作地在三维方向上施加所述精确运动。

40.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：所述显微镜包括透射式电子显微镜(TEM)。

41.根据权利要求34所述的系统，其特征在于：用于将试样保持器与显微镜联接起来的所述接口包括一种可调节的接口，可对该接口进行调整以与多种不同的显微镜接口兼容。

42.根据权利要求41所述的系统，其特征在于：所述接口是可调节的，以便于至少与透射式电子显微镜(TEM)接口和扫描式电子显微镜(SEM)接口相符合。

43.根据权利要求34所述的系统，其特征在于还包括：

一调节机构，其位于所述试样保持器的外部，其能可控地用于接合所述多个操作机构中的一个或多个操作机构，并能粗略地调节所述多个操作机构中的一个或多个操作机构。

44.根据权利要求43所述的系统，其特征在于：在利用光学显微镜对所述一个或多个操作机构进行成像的同时，所述调节机构可操作地对所述一个或多个操作机构执行所述的粗调。

45.根据权利要求43所述的系统，其特征在于：所述试样保持器包括一接口，其用于与一平台进行联接，其中的平台包括所述调节机构。

46.根据权利要求45所述的系统，其特征在于：相对于一光学显微镜对所述平台进行布置，以便于当所述试样保持器与所述平台配接时，所述的一个或多个操作机构能被所述光学显微镜成像。

47.根据权利要求43所述的系统，其特征在于：所述调节机构可操作地按照约30纳米的精度对所述多个操作机构中的一个或多个操作机构执行粗调。

48.根据权利要求43所述的系统，其特征在于：所述调节机构可操作地提供至少两毫米的运动行程。

49.一种系统，其包括：

一试样保持器，其包括一用于接纳试样的试样载台；

一接口，其用于将试样保持器与一显微镜联接起来，以使得试样载台上接纳的试样能被显微镜成像；以及

多个操作装置，这些装置用于对被接纳的所述试样执行操作，其中，所述多个操作装置中的每一装置都包括一末端执行器，且这些操作装置中的数个装置各具有一致动装置，用于向其对应的末端执行器施加精确的运动，以使其从一初始位置向所需位置移动；以及

一调节装置，其独立于所述试样保持器，其中，所述调节装置用于对所述多个操作机构中的至少之一执行粗调，以便于将所述至少一操作机构的末端执行器定位在所述初始位置上。

50.根据权利要求49所述的系统，其特征在于：在所接纳的试样被一个与所述试样保持器配接的显微镜执行成像的同时，所述多个操作机构可控地工作，用于对所接纳的试样执行操作。

51.根据权利要求49所述的系统，其特征在于：所述致动装置包括一压电管。

52.根据权利要求49所述的系统，其特征在于：用于施加精确运动的所述致动装置可操作地能至少以纳米级的精度施加所述运动。

53.根据权利要求49所述的系统，其特征在于：所述致动装置可操作地在三维方向上施加所述精确的运动。

54.根据权利要求49所述的系统，其特征在于：所述显微镜包括透射式电子显微镜(TEM)。

55.根据权利要求49所述的系统，其特征在于：用于将试样保持器与一显微镜联接起来的所述接口包括一种可调节的接口，可对该接口进行调整以与多种不同的显微镜接口兼容。

56.根据权利要求55所述的系统，其特征在于：所述接口是可调节的，以便于至少与透射式电子显微镜(TEM)接口和扫描式电子显微镜(SEM)接口相符合。

57.一种对由显微镜进行研究的试样执行操作的方法，所述方法包括步骤：

将一试样设置在一试样保持器的试样载台上，试样保持器还包括多个操作机构，其中，每一所述操作机构都包括一末端执行器，且所述多个操作装置中的数个装置各具有一致动装置，该致动装置可操作地向其对应的末端执行器施加精确运动；

利用一调节装置对所述多个操作机构中的至少之一执行粗调，以便于将所述至少一操作机构的末端执行器布置在一初始位置上，其中的调节机构独立于所述试样保持器；

将所述试样保持器与一显微镜进行配接，以使得所述试样能被所述显微镜执行成像；以及

利用所述操作机构中的所述数个操作机构的至少第一操作机构的致动器对所述至少第一操纵机构的末端执行器的运动执行精确定位，从而将末端执行器移动到理想位置。

58.根据权利要求57所述的方法，其还包括步骤：将所述试样保持器与一平台联接起来，该平台包括所述的调节机构。

59.根据权利要求57所述的方法，其特征在于：相对于一光学显微镜对所述调节机构进行布置，从而当使用所述调节机构执行所述粗调时，所述至少一操作机构的末端执行器可被所述光学显微镜成像。

60.根据权利要求57所述的方法，其还包括步骤：

在所述至少一操作机构的末端执行器被显微镜成像时，使用所述调节机构。

61.根据权利要求57所述的方法，其特征在于：所述致动器包括一压电管。

62.根据权利要求57所述的方法，其还包括步骤：

对所述试样保持器的接口进行调整，以使其符合于所述显微镜的接口。

63.根据权利要求57所述的方法，其特征在于：所述精确运动包括至少为纳米级精度的运动。

64.根据权利要求57所述的方法，其特征在于：所述的理想位置包括一个用于对所述试样执行操作的位置。

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