JP2006105744A - Nano-wire tension test device and testing method using device - Google Patents

Nano-wire tension test device and testing method using device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nano-wire tension test device and a testing method using this device, suitable for a tension test of a nano-dimension material. <P>SOLUTION: This nano-wire tension test device has base parts 5 and 6, a specimen fixing part 2 having first and second fixing parts 21 and 22, a first support part 23 and a towing object part 24 for fixing a specimen, a displacement amplifying part 4 having a measuring cantilever 41, and an actuator part 3 having a towing part 36, first and second towing attraction generating parts 32 and 34, a second support part 31 and a contact part 35. The first fixing part 21, the second towing attraction generating part 34, and the first and second support parts 32 and 34 are fixed to the base parts 5 an 6. An interval between the towing object part 24 and the towing part 36 is set larger than an interval between the contact part 35 and the measuring cantilever 41. The actuator part 3 pushes the measuring cantilever 41 by DC voltage impressed on first and second electrodes 38 and 39, and tows the towing object part 24. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ナノメートル(nm)オーダの寸法の材料の単軸引張試験を行うナノワイヤ引張試験デバイス及びそれを用いた試験方法に関する。   The present invention relates to a nanowire tensile test device for performing a uniaxial tensile test of a material having a dimension on the order of nanometers (nm) and a test method using the same.

ナノテクノロジの発達により、カーボンナノチューブを始めとするナノメートルオーダーの寸法(以下、ナノ寸法と記す)の材料を利用した超小型センサやナノマシンの実現が期待されている。ナノ寸法の構造体の設計においては、ナノ寸法の材料の機械的・電気的特性を評価することが必要である。例えば、ナノ寸法の線状材料(以下、ナノワイヤと記す)の引張特性を試験によって測定、評価することが必要である。   With the development of nanotechnology, it is expected to realize ultra-small sensors and nanomachines using materials of nanometer order dimensions (hereinafter referred to as nanodimensions) including carbon nanotubes. In designing nano-sized structures, it is necessary to evaluate the mechanical and electrical properties of nano-sized materials. For example, it is necessary to measure and evaluate the tensile properties of nano-sized linear materials (hereinafter referred to as nanowires) by tests.

一般に、引張試験は、試験対象物(以下、試験片と記す)を2箇所で把持し、把持した部分の間隔を広げる方向に力を加えることによって行われる。例えば、微小な試験片に対する引張試験装置が下記特許文献1、2に開示されている。特許文献1には、試験片(ゴム、樹脂、繊維)に測定マークを付し、試験片に引張力を加えながら、測定マークの変位を2台のカメラで撮像する引張試験装置が開示されている。また、特許文献2には、半導体装置のボンディングワイヤ(例えば、半導体ペレットとリードとを接続するワイヤ)を対象とする引張試験装置が開示されている。   Generally, a tensile test is performed by gripping a test object (hereinafter referred to as a test piece) at two locations and applying a force in a direction that widens the distance between the gripped portions. For example, Patent Documents 1 and 2 below disclose a tensile test apparatus for a minute test piece. Patent Document 1 discloses a tensile test apparatus that attaches a measurement mark to a test piece (rubber, resin, fiber), and images the displacement of the measurement mark with two cameras while applying a tensile force to the test piece. Yes. Patent Document 2 discloses a tensile test apparatus for bonding wires of semiconductor devices (for example, wires connecting semiconductor pellets and leads).

また、試験片を引張る手段として、所定の間隔を空けて2つの櫛形のアクチュエータを配置し、これらに直流電圧を印加して発生する静電引力を使用する方法が知られている。この場合、印加した電圧を直接使用して試験片に加わった力を評価している。
特開平6−138009号公報 特開平5−72088号公報
Further, as a means for pulling the test piece, a method is known in which two comb-shaped actuators are arranged at a predetermined interval, and electrostatic attraction generated by applying a DC voltage thereto is used. In this case, the applied voltage is directly used to evaluate the force applied to the test piece.
JP-A-6-138209 JP-A-5-72088

しかし、ナノ寸法の材料に対して引張試験を行うことは、非常に困難であった。上記特許文献1、2に開示されている試験装置は、何れもナノ寸法の材料を試験することはできない。特許文献2に開示されている装置は半導体のボンディングワイヤを試験対象とするが、その直径はμmのオーダー、例えば20μm〜50μmであり、それよりも1桁〜2桁以上も細いナノワイヤに適用することはできない。   However, it was very difficult to perform a tensile test on nano-sized materials. None of the test apparatuses disclosed in Patent Documents 1 and 2 can test nano-sized materials. The device disclosed in Patent Document 2 targets a semiconductor bonding wire, but its diameter is on the order of μm, for example, 20 μm to 50 μm, and is applied to nanowires that are one or two orders of magnitude thinner than that. It is not possible.

また、ナノワイヤの引張試験においては、材料の伸長量が非常に微小であり、上記特許文献1に開示されているような試験片の変位を直接測定する方法では、変位量の測定が非常に困難である。   Further, in the tensile test of nanowires, the amount of elongation of the material is very small, and it is very difficult to measure the amount of displacement by the method of directly measuring the displacement of the test piece as disclosed in Patent Document 1 above. It is.

また、試験装置の寸法を小さくし、静電引力を用いてナノ寸法の材料に対して引張試験を行うことも可能ではあるが、単に寸法を小さくしただけでは、測定準備段階の僅かな振動や周囲の気流によって、ナノワイヤの端部を取り付けた部材が移動してしまい、このために試験片が損傷されてしまう問題がある。   It is also possible to reduce the size of the test device and perform a tensile test on nano-sized materials using electrostatic attraction, but simply reducing the size will cause slight vibrations in the measurement preparation stage. There is a problem that the member attached with the end of the nanowire moves due to the surrounding air current, and the test piece is damaged due to this.

また、静電引力を用いた試験方法は環境、例えば、周囲の湿度などによって影響を受け易いので、同じ装置を用い、且つ同じ電圧を印加しても、生じる静電引力が異なる場合があり、印加する電圧を直接使用して試験結果を評価することが不適切となる場合がある。   In addition, since the test method using electrostatic attraction is easily affected by the environment, for example, ambient humidity, the generated electrostatic attraction may be different even when the same device is used and the same voltage is applied. It may be inappropriate to evaluate the test results using the applied voltage directly.

本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、ナノ寸法の材料の引張試験に適したナノワイヤ引張試験デバイス及びそれを用いた試験方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a nanowire tensile test device suitable for a tensile test of a nano-sized material and a test method using the same, in order to solve the above-described problems.

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。   The object of the present invention is achieved by the following means.

即ち、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイス(1)は、基部と、試験片の一端を固定する第1固定部、該試験片の他端を固定する第2固定部、該第2固定部に固定された第1支持部、及び該第1支持部に固定された被牽引部を有する試験片固定部と、測定用カンチレバーを有する変位増幅部と、前記被牽引部と第1間隔を設けて配置された牽引部、第1牽引力発生部、該第1牽引力発生部と所定の間隔を設けて対向させて配置された第2牽引力発生部、第2支持部、及び前記変位増幅部と接し得る接触部を有するアクチュエータ部とを備え、前記第1固定部及び第2牽引力発生部が、前記基部に固定され、前記第1支持部及び第2支持部が、各々弾性変形可能に前記基部に固定され、前記第1間隔が、前記接触部及び前記変位増幅部の間の距離よりも大きく、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に発生する静電引力によって、前記接触部が前記変位増幅部に力を加え、前記接触部の変位量よりも大きく、前記測定用カンチレバーの自由端を変位させ、前記電圧が増大した場合、前記牽引部が前記被牽引部に接し、前記牽引部が前記被牽引部を牽引することを特徴としている。   That is, the nanowire tensile test device (1) according to the present invention includes a base, a first fixing portion that fixes one end of the test piece, a second fixing portion that fixes the other end of the test piece, and the second fixing portion. A fixed first support portion, a test piece fixing portion having a towed portion fixed to the first support portion, a displacement amplifying portion having a measurement cantilever, and a first interval from the towed portion. It can be in contact with the arranged traction unit, the first traction force generation unit, the second traction force generation unit, the second support unit, and the displacement amplification unit that are arranged to face the first traction force generation unit with a predetermined interval. An actuator part having a contact part, wherein the first fixing part and the second traction force generating part are fixed to the base part, and the first supporting part and the second supporting part are fixed to the base part so as to be elastically deformable. The first interval is between the contact portion and the displacement amplifying portion. When a DC voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit that is greater than the distance, electrostatic attraction generated between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit When the contact portion applies a force to the displacement amplifying portion and is larger than the displacement amount of the contact portion to displace the free end of the measurement cantilever, and the voltage increases, the towing portion is applied to the towed portion. In contact with each other, the tow portion pulls the to-be-towed portion.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイス(2)は、上記のナノワイヤ引張試験デバイス(1)において、前記測定用カンチレバーの一端が、弾性変形可能に前記基部に固定され、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用カンチレバーに力を加え、前記測定用カンチレバーの前記自由端と前記接触部が前記測定用カンチレバーに接する第1位置との間の距離が、前記測定用カンチレバーの固定端と該第1位置との間の距離の約10倍以上、約200倍以下であることを特徴としている。   The nanowire tensile test device (2) according to the present invention is the nanowire tensile test device (1), wherein one end of the measurement cantilever is fixed to the base so as to be elastically deformable, and the first traction force generating unit When a DC voltage is applied between the second traction force generating unit, the contact unit applies a force to the measurement cantilever, and the free end of the measurement cantilever and the contact unit are in contact with the measurement cantilever. The distance between the first position and the first position is about 10 to 200 times the distance between the fixed end of the measurement cantilever and the first position.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイス(3)は、上記のナノワイヤ引張試験デバイス(1)において、前記変位増幅部が、前記測定用カンチレバーが固定され、両端が弾性変形可能に前記基部に固定された測定用梁を備え、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用梁のほぼ中央に力を加え、前記測定用カンチレバーが、前記測定用梁の中央から、前記測定用梁の長さの1/4の位置に固定されていることを特徴としている。   Further, the nanowire tensile test device (3) according to the present invention is the nanowire tensile test device (1), wherein the displacement amplification unit is fixed to the base so that the measurement cantilever is fixed and both ends are elastically deformable. When a direct current voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact portion applies a force to substantially the center of the measurement beam, and the measurement beam is provided. The cantilever is fixed from the center of the measurement beam to a position that is 1/4 of the length of the measurement beam.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイス(4)は、上記のナノワイヤ引張試験デバイス(1)〜(3)の何れかにおいて、前記第1支持部のバネ定数が、前記第2支持部のバネ定数よりも大きいことを特徴としている。   Moreover, the nanowire tensile test device (4) according to the present invention is the nanowire tensile test device (1) to (3), wherein the spring constant of the first support portion is the spring of the second support portion. It is characterized by being larger than a constant.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイス(5)は、上記のナノワイヤ引張試験デバイス(1)〜(4)の何れかにおいて、前記第1支持部が梁であり、前記第2固定部及び前記被牽引部が、前記第1支持部の中央の位置に固定され、前記第2支持部が、一端が前記基部に固定された偶数本の梁であり、前記被牽引部及び前記アクチュエータ部が、前記被牽引部が牽引される方向に沿った対称軸を持つ線対称な形状であり、各々の前記対称軸が一致することを特徴としている。   Moreover, the nanowire tensile test device (5) according to the present invention is the nanowire tensile test device (1) to (4), wherein the first support portion is a beam, and the second fixing portion and the nanowire tensile test device (5) The towed part is fixed at a central position of the first support part, the second support part is an even number of beams having one end fixed to the base part, and the towed part and the actuator part are It has a line-symmetric shape having a symmetry axis along a direction in which the to-be-towed portion is pulled, and the respective symmetry axes coincide with each other.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験方法(1)は、基部と、試験片の一端を固定する第1固定部、該試験片の他端を固定する第2固定部、該第2固定部に固定された第1支持部、及び該第1支持部に固定された被牽引部を有する試験片固定部と、測定用カンチレバーを有する変位増幅部と、前記被牽引部と第1間隔を設けて配置された牽引部、第1牽引力発生部、該第1牽引力発生部と所定の間隔を設けて対向させて配置された第2牽引力発生部、第2支持部、及び前記変位増幅部と接し得る接触部を有するアクチュエータ部とを備え、前記第1固定部及び第2牽引力発生部が、前記基部に固定され、前記第1支持部及び第2支持部が、各々弾性変形可能に前記基部に固定され、前記第1間隔が、前記接触部及び前記変位増幅部の間の距離よりも大きく、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に発生する静電引力によって、前記接触部が前記変位増幅部に力を加え、前記接触部の変位量よりも大きく、前記測定用カンチレバーの自由端を変位させ、前記電圧が増大した場合、前記牽引部が前記被牽引部に接し、前記牽引部が前記被牽引部を牽引するナノワイヤ引張試験デバイスを用いるナノワイヤ引張試験方法であって、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に所定の直流電圧を印加する第1ステップと、前記測定用カンチレバーの自由端の変位量を測定する第2ステップとを含み、前記試験片が破断するまで、前記電圧を増大させて前記第1及び第2ステップを繰り返し、前記試験片が破断した後は、前記電圧を減少させて前記第1及び第2ステップを繰り返すことを特徴としている。   The nanowire tensile test method (1) according to the present invention includes a base, a first fixing portion that fixes one end of the test piece, a second fixing portion that fixes the other end of the test piece, and the second fixing portion. A fixed first support portion, a test piece fixing portion having a towed portion fixed to the first support portion, a displacement amplifying portion having a measurement cantilever, and a first interval from the towed portion. It can be in contact with the arranged traction unit, the first traction force generation unit, the second traction force generation unit, the second support unit, and the displacement amplification unit that are arranged to face the first traction force generation unit with a predetermined interval. An actuator part having a contact part, wherein the first fixing part and the second traction force generating part are fixed to the base part, and the first supporting part and the second supporting part are fixed to the base part so as to be elastically deformable. The first interval is a distance between the contact portion and the displacement amplifying portion. Larger than the first traction force generation unit and the second traction force generation unit when a DC voltage is applied, the electrostatic attraction generated between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, When the contact portion applies a force to the displacement amplifying portion and displaces the free end of the measurement cantilever larger than the displacement amount of the contact portion, and the voltage increases, the traction portion contacts the towed portion. A nanowire tensile test method using a nanowire tensile test device in which the traction unit pulls the to-be-pulled portion, wherein a first DC voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit. And a second step of measuring a displacement amount of a free end of the measuring cantilever, and the voltage is increased until the test piece is broken, and the first and second steps are repeated. After serial specimen was broken is characterized in that by decreasing the voltage repeating said first and second step.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験方法(2)は、上記のナノワイヤ引張試験方法(1)において、前記測定用カンチレバーの一端が、弾性変形可能に前記基部に固定され、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用カンチレバーに力を加え、前記測定用カンチレバーの前記自由端と前記接触部が前記測定用カンチレバーに接する第1位置との間の距離が、前記測定用カンチレバーの固定端と該第1位置との間の距離の約10倍以上、約200倍以下であり、前記変位増幅部の変位増幅率αと、前記試験片が破断する前に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp1と、前記試験片が破断した後に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp2と、前記測定用カンチレバーのバネ定数γと、前記第2支持部のバネ定数γとを用いて、電圧Vを印加したときに前記試験片に加わる荷重Pを P=(γ+γ)×(Δamp2−Δamp1)/α で求め、前記試験片の伸長量を、印加した前記電圧に対する前記自由端の変位量を示したグラフに現われる屈曲点における前記自由端の変位量を基準として求めることを特徴としている。 The nanowire tensile test method (2) according to the present invention is the nanowire tensile test method (1), wherein one end of the measurement cantilever is fixed to the base so as to be elastically deformable, and the first traction force generation unit When a DC voltage is applied between the second traction force generating unit, the contact unit applies a force to the measurement cantilever, and the free end of the measurement cantilever and the contact unit are in contact with the measurement cantilever. The distance between the first position and the first position is about 10 times or more and about 200 times or less the distance between the fixed end of the measurement cantilever, and the displacement amplification factor α of the displacement amplification unit; A displacement amount Δ amp1 of the free end measured by applying a voltage V before the test piece breaks, and a displacement amount Δ amp2 of the free end measured by applying a voltage V after the test piece breaks ,in front By using the spring constant gamma m of the measuring cantilever, and a spring constant gamma 1 of the second supporting portion, = load P S applied to the test piece at the time of applying a voltage V P S (γ m + γ 1) X ( Δamp2− Δamp1 ) / α, and the amount of elongation of the test piece is based on the amount of displacement of the free end at the bending point appearing in the graph showing the amount of displacement of the free end with respect to the applied voltage. It is characterized by seeking.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験方法(3)は、上記のナノワイヤ引張試験方法(1)において、前記変位増幅部が、前記測定用カンチレバーが固定され、両端が弾性変形可能に前記基部に固定された測定用梁を備え、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用梁のほぼ中央に力を加え、前記測定用カンチレバーが、前記測定用梁の中央から、前記測定用梁の長さの1/4の位置に固定されており、前記変位増幅部の変位増幅率αと、前記試験片が破断する前に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp1と、前記試験片が破断した後に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp2と、前記測定用梁のバネ定数γと、前記第2支持部のバネ定数γとを用いて、前記電圧Vを印加したときに前記試験片に加わる荷重Pを P=(γ+γ)×(Δamp2−Δamp1)/α で求め、試験片の伸長量を、印加した前記電圧に対する前記自由端の変位量を示したグラフに現われる屈曲点における前記自由端の変位量を基準として求めることを特徴としている。 Further, the nanowire tensile test method (3) according to the present invention is the nanowire tensile test method (1), wherein the displacement amplifying part is fixed to the base part so that the measurement cantilever is fixed and both ends are elastically deformable. When a direct current voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact portion applies a force to substantially the center of the measurement beam, and the measurement beam is provided. A cantilever is fixed from the center of the measurement beam to a position that is 1/4 of the length of the measurement beam, and the displacement amplification factor α of the displacement amplification unit and the voltage before the test piece breaks. A displacement amount Δ amp1 of the free end measured by applying V, a displacement amount Δ amp2 of the free end measured by applying a voltage V after the test piece broke, and a spring constant γ of the measuring beam m and the spring constant γ of the second support part With 1 and the voltage load P S P S = (γ m + γ 1) applied to the specimen when applied to V × (Δ amp2 -Δ amp1) / calculated in alpha, elongation of the specimen Is obtained with reference to the amount of displacement of the free end at the bending point appearing in the graph showing the amount of displacement of the free end with respect to the applied voltage.

本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイスによれば、試験片の一端が、比較的質量の大きいアクチュエータ部と分離された、比較的質量の小さい被牽引部及び第1支持部に固定されているので、試験準備中の振動や周囲の気流の変化によって試験片が損傷を受ける可能性が軽減され、試験準備段階での取り使いが容易になる。   According to the nanowire tensile test device according to the present invention, one end of the test piece is fixed to the pulled portion and the first support portion having a relatively small mass separated from the actuator portion having a relatively large mass. The possibility of damage to the test piece due to vibration during test preparation and changes in the surrounding airflow is reduced, making it easier to use in the test preparation stage.

また、測定用カンチレバーを使用することにより、変位量を増大することができ、試験片の伸長量を高精度に測定することが容易になる。   Further, by using the measuring cantilever, the amount of displacement can be increased, and the amount of extension of the test piece can be easily measured with high accuracy.

また、測定用カンチレバーを備えた測定用梁の中央を、アクチュエータ部の接触部が力を加える構造にすることによって、アクチュエータ部に牽引方向と異なる方向の力が加わることが無く、高精度の測定が可能となる。   In addition, the center of the measuring beam equipped with a measuring cantilever has a structure in which the contact part of the actuator part applies force, so that a force in a direction different from the pulling direction is not applied to the actuator part, and high-precision measurement is performed. Is possible.

また、ナノワイヤ引張試験デバイスを構成する各部を線対称な形状とすることによって、高精度の測定が可能となる。   Moreover, highly accurate measurement is attained by making each part which comprises a nanowire tensile test device into a line symmetrical shape.

また、第1支持部のバネ定数を、第2支持部のバネ定数よりも大きくすることによって、測定結果のグラフ上の屈曲点の判別が容易となる。これによって、試験片の伸張量をより容易に求めることができる。   In addition, by making the spring constant of the first support portion larger than the spring constant of the second support portion, it becomes easy to determine the bending point on the graph of the measurement result. Thereby, the extension amount of the test piece can be obtained more easily.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験方法によれば、印加した電圧を使用せずに、試験片の破断前後の変位量から試験片に加わる張力を求めることができ、測定結果のグラフ上の屈曲点以降における試験片破断前後の変位量の差によって、試験片の伸長量を求めることができる。   Further, according to the nanowire tensile test method according to the present invention, the tension applied to the test piece can be obtained from the amount of displacement before and after the fracture of the test piece without using the applied voltage, and the bending of the measurement result on the graph The amount of elongation of the test piece can be determined from the difference in displacement before and after the test piece breaks after the point.

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るナノワイヤ引張試験デバイスの概略を示す斜視図である。図1に示したように、本ナノワイヤ引張試験デバイス1は、上側基部5及び下側基部6から構成されている基部と、試験片固定部2と、アクチュエータ部3と、変位増幅部4とから構成されている。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a nanowire tensile test device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the nanowire tensile test device 1 includes a base composed of an upper base 5 and a lower base 6, a test piece fixing part 2, an actuator part 3, and a displacement amplifying part 4. It is configured.

試験片固定部2は、試験片Sの一端を固定する第1固定部21と、他端を固定する第2固定部22と、両端が上側基部5に固定されている第1支持部23(図1では、梁として形成されている)と、第1支持部23のほぼ中央に固定されている被牽引部24とを備えている。図2は、第1固定部21及び第2固定部22付近を示す拡大図である。上側基部5と下側基部6とは、第1支持部23及び被牽引部24と対向する下側基部6の領域を除いて、相互に面で固定されている。即ち、第1支持部23及び被牽引部24と下側基部6との間には、微小間隔(例えば、約1μm)が設けられている。   The test piece fixing portion 2 includes a first fixing portion 21 that fixes one end of the test piece S, a second fixing portion 22 that fixes the other end, and a first support portion 23 (both ends are fixed to the upper base portion 5). In FIG. 1, it is formed as a beam) and a to-be-towed portion 24 fixed substantially at the center of the first support portion 23. FIG. 2 is an enlarged view showing the vicinity of the first fixing portion 21 and the second fixing portion 22. The upper base portion 5 and the lower base portion 6 are fixed to each other on the surface except for the region of the lower base portion 6 that faces the first support portion 23 and the pulled portion 24. That is, a minute gap (for example, about 1 μm) is provided between the first support part 23 and the to-be-towed part 24 and the lower base part 6.

アクチュエータ部3は、第2支持部(図1では、4本の支持用梁)31によって上側基部5に固定され、複数の櫛形の第1牽引力発生部32を備えたアクチュエータ本体33と、複数の櫛形の第2牽引力発生部34を備えた3つの電極部37とを備えている。ここで、3つの電極部37は下側基部6に固定されているが、4本のカンチレバー21及びアクチュエータ本体33と下側基部6との間には、微小間隔(例えば、約1μm)が設けられている。また、アクチュエータ本体33の変位増幅部4側は、突出した形状(以下、この部分を接触部35と記す)に形成されており、試験片固定部2側は、被牽引部24と微小な間隙(以下、オフセットギャップと記す)を有してほぼ嵌合する形状(以下、この部分を牽引部36と記す)に形成されている。図3は、牽引部36の付近を示す拡大平面図である。また、上側基部5及び3つの電極部37の表面には、それぞれ第1電極38及び第2電極39が形成されている。   The actuator part 3 is fixed to the upper base part 5 by a second support part (four support beams in FIG. 1) 31, and includes an actuator main body 33 having a plurality of comb-shaped first traction force generating parts 32, And three electrode portions 37 each having a comb-shaped second traction force generating portion 34. Here, the three electrode portions 37 are fixed to the lower base portion 6, but a minute gap (for example, about 1 μm) is provided between the four cantilevers 21 and the actuator body 33 and the lower base portion 6. It has been. The displacement amplifying portion 4 side of the actuator body 33 is formed in a protruding shape (hereinafter, this portion is referred to as a contact portion 35), and the test piece fixing portion 2 side is connected to the towed portion 24 and a minute gap. (Hereinafter, referred to as an offset gap) and has a substantially fitting shape (hereinafter, this portion is referred to as a pulling portion 36). FIG. 3 is an enlarged plan view showing the vicinity of the pulling portion 36. A first electrode 38 and a second electrode 39 are formed on the surfaces of the upper base portion 5 and the three electrode portions 37, respectively.

変位増幅部4は、上側基部5に一端が固定され、他端が自由端Tである測定用カンチレバー41と、測定用カンチレバー41の自由端Tの近傍に配置された目盛部42とを備えている。ここで、測定用カンチレバー41と下側基部6との間には、微小間隔(例えば、約1μm)が設けられている。また、アクチュエータ本体33と測定用カンチレバー41との間には、微小な間隙(以下、先端ギャップと記す)が設けられている。この先端ギャップの間隔gは、オフセットギャップの間隔gよりも小さい(g<g)。図4は、アクチュエータ本体33の接触部35付近を示す拡大平面図であり、図5は、測定用カンチレバー41の自由端T付近を示す拡大図である。 The displacement amplifying unit 4 includes a measuring cantilever 41 having one end fixed to the upper base 5 and the other end being a free end T, and a scale portion 42 disposed in the vicinity of the free end T of the measuring cantilever 41. Yes. Here, a minute gap (for example, about 1 μm) is provided between the measurement cantilever 41 and the lower base 6. A small gap (hereinafter referred to as a tip gap) is provided between the actuator body 33 and the measurement cantilever 41. The tip gap interval g 2 is smaller than the offset gap interval g 1 (g 2 <g 1 ). 4 is an enlarged plan view showing the vicinity of the contact portion 35 of the actuator main body 33, and FIG. 5 is an enlarged view showing the vicinity of the free end T of the measurement cantilever 41. As shown in FIG.

図1では、省略されているが、図3、4から分かるように、アクチュエータ本体33及び被牽引部24には、複数の穴が形成されている。これは、後述する半導体プロセスを用いた製造法において、それぞれを下側基部6から効率的に分離するためのものであり、不可欠なものではない。   Although omitted in FIG. 1, as can be seen from FIGS. 3 and 4, a plurality of holes are formed in the actuator body 33 and the pulled part 24. This is for efficiently separating each from the lower base 6 in a manufacturing method using a semiconductor process described later, and is not indispensable.

本ナノワイヤ引張試験デバイスの動作の詳細は後述することとし、ここでは動作の概要を説明する。第1電極38及び第2電極39の間に所定の直流電圧を印加することによって、それぞれの対向している第1牽引力発生部32と第2牽引力発生部34との間に静電引力が生じる。これによって、アクチュエータ本体33が図1に示した矢印Aの方向に平行移動し、牽引部36が被牽引部24を矢印Aの方向に牽引し、よって試験片Sに張力を加えることができる。一方、接触部35は、測定用カンチレバー41に力を加える。その結果、測定用カンチレバー41の自由端Tが、接触部35の接する部分の変位よりも大きく変位するので、微小な変位を容易に検知することができる。従って、測定用カンチレバー41の自由端Tの変位量から、試験片Sに加わる張力及びその伸長量を求めることが可能となる。   Details of the operation of the nanowire tensile test device will be described later, and an outline of the operation will be described here. By applying a predetermined DC voltage between the first electrode 38 and the second electrode 39, an electrostatic attractive force is generated between the first traction force generation unit 32 and the second traction force generation unit 34 facing each other. . As a result, the actuator body 33 is translated in the direction of the arrow A shown in FIG. 1, and the traction part 36 pulls the to-be-towed part 24 in the direction of the arrow A, so that tension can be applied to the test piece S. On the other hand, the contact portion 35 applies a force to the measurement cantilever 41. As a result, since the free end T of the measurement cantilever 41 is displaced larger than the displacement of the portion in contact with the contact portion 35, a minute displacement can be easily detected. Therefore, the tension applied to the test piece S and the amount of extension thereof can be obtained from the amount of displacement of the free end T of the measurement cantilever 41.

次に、製造方法の一例を簡単に説明する。本ナノワイヤ引張試験デバイスは、例えば、SOIウエハを用い、これに対して半導体プロセスを適用して製造することができる。即ち、SOIウエハ(例えば、活性層の厚さが約35μm)の上にCrを蒸着し、各部形成用マスクパターンを形成し、反応性イオンエッチング(Deep−RIE)によるドライエッチングを実施する。その後、HFによる犠牲層エッチングを行い、アクチュエータ本体33、4本の支持用梁31、被牽引部24、梁23及び測定用カンチレバー41をシリコン基盤(下側基部6)から分離する。最後に、選択的蒸着法を用いて、Au薄膜の電極(第1及び第2電極38、39)を上側基部5及び電極部37に形成する。これらの工程によって、アクチュエータ本体33、4本の支持用梁31、被牽引部24、梁23及び測定用カンチレバー41が、上側基部5と一体になったナノワイヤ引張試験デバイス1を形成することができる。また、試験片Sとして、例えばカーボンナノワイヤを対象とする場合、FIB−CVD法によって第1及び第2固定部21、22上に両端部が位置するように試験片Sを形成すればよい。これらの工程は半導体プロセスにおいて周知であるので、ここでは詳細説明を省略する。   Next, an example of a manufacturing method will be briefly described. The nanowire tensile test device can be manufactured by using, for example, an SOI wafer and applying a semiconductor process thereto. That is, Cr is vapor-deposited on an SOI wafer (for example, the thickness of the active layer is about 35 μm), a mask pattern for forming each part is formed, and dry etching is performed by reactive ion etching (Deep-RIE). Thereafter, sacrificial layer etching with HF is performed to separate the actuator main body 33, the four support beams 31, the pulled portion 24, the beam 23, and the measurement cantilever 41 from the silicon substrate (lower base portion 6). Finally, an Au thin film electrode (first and second electrodes 38, 39) is formed on the upper base 5 and the electrode part 37 by selective vapor deposition. Through these steps, the nanowire tensile test device 1 in which the actuator body 33, the four support beams 31, the to-be-towed portion 24, the beam 23, and the measurement cantilever 41 are integrated with the upper base portion 5 can be formed. . Moreover, when carbon nanowire is used as the test piece S, for example, the test piece S may be formed by FIB-CVD so that both ends are positioned on the first and second fixing portions 21 and 22. Since these steps are well known in the semiconductor process, detailed description is omitted here.

次に、本ナノワイヤ引張試験デバイス1を用いた引張試験方法を説明する。その中で、本ナノワイヤ引張試験デバイス1の動作に関しても詳細に説明する。   Next, a tensile test method using the nanowire tensile test device 1 will be described. Among them, the operation of the nanowire tensile test device 1 will be described in detail.

図6は、本ナノワイヤ引張試験デバイス1を用いた引張試験方法を説明するための図である。本試験方法では、図6に示したように、本ナノワイヤ引張試験デバイス1と、本ナノワイヤ引張試験デバイス1の電極に直流電圧を印加する電源7と、測定用カンチレバー41の自由端Tを撮像するための実体又は光学顕微鏡8及びCCDカメラ9と、CCDカメラ9で撮像した画像のディジタルデータを記録するコンピュータ10とを使用する。図6では、実施には実体又は光学顕微鏡8の試料台に載置されている本ナノワイヤ引張試験デバイス1を拡大して示している。
(第1段階)
先ず、電源7からナノワイヤ引張試験デバイス1の第1電極38及び第2電極39(図1参照)の間に、電圧値を徐々に増大させながら、直流電圧を印加する。これによって、対向している櫛形の第1牽引力発生部32と第2牽引力発生部34との間に静電引力が生じ、アクチュエータ本体33が図1に示した矢印Aの方向に平行移動する。接触部35は、矢印Aの方向に移動するが、この段階では測定用カンチレバー41に接触していない。また、オフセットギャップの間隔gが先端ギャップの間隔gよりも大きいので、牽引部36も被牽引部24に接触していない。図7は、第1及び第2電極38、39の間に印加する電圧V(横軸)と、測定用カンチレバー41の自由端Tの変位量Δamp(縦軸)との関係を示すグラフである。この第1段階では、図7に示したように、電圧Vを増大させても変位量Δamp=0である。この第1段階では、電圧Vによって生じる静電引力が、4本の支持用梁31の変位による復元力と釣り合っている。
FIG. 6 is a diagram for explaining a tensile test method using the nanowire tensile test device 1. In this test method, as shown in FIG. 6, the nanowire tensile test device 1, the power source 7 that applies a DC voltage to the electrodes of the nanowire tensile test device 1, and the free end T of the measurement cantilever 41 are imaged. For this purpose, an optical microscope 8 and a CCD camera 9 and a computer 10 for recording digital data of an image captured by the CCD camera 9 are used. In FIG. 6, the nanowire tensile test device 1 placed on the sample stage of the entity or the optical microscope 8 is shown in an enlarged manner.
(First stage)
First, a DC voltage is applied from the power source 7 between the first electrode 38 and the second electrode 39 (see FIG. 1) of the nanowire tensile test device 1 while gradually increasing the voltage value. As a result, an electrostatic attractive force is generated between the opposing comb-shaped first traction force generation unit 32 and the second traction force generation unit 34, and the actuator body 33 is translated in the direction of arrow A shown in FIG. The contact portion 35 moves in the direction of arrow A, but is not in contact with the measurement cantilever 41 at this stage. Further, since the offset gap interval g 1 is larger than the tip gap interval g 2 , the traction portion 36 is not in contact with the to-be-driven portion 24. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the voltage V (horizontal axis) applied between the first and second electrodes 38 and 39 and the displacement amount Δ amp (vertical axis) of the free end T of the measurement cantilever 41. is there. In this first stage, as shown in FIG. 7, even when the voltage V is increased, the displacement amount Δ amp = 0. In this first stage, the electrostatic attractive force generated by the voltage V is balanced with the restoring force due to the displacement of the four support beams 31.

尚、自由端Tの変位量Δampは、電圧Vを増大させる毎に、自由端T近傍をCCDカメラ9で撮像し、コンピュータ10に取り込まれた画像上で、自由端と目盛部42の位置関係から求める。
(第2段階)
第1段階の後、電圧Vを増大させて行くと、接触部35が測定用カンチレバー41に接触する。その後、さらに電圧Vを増大させると、接触部35が測定用カンチレバー41に力を加え、測定用カンチレバー41が変形する。尚、オフセットギャップの間隔gが先端ギャップの間隔gよりも大きいので、この第2段階でも、牽引部36は被牽引部24に接触していない。従って、この第2段階では、電圧Vによって生じる静電引力が、測定用カンチレバー41の変位による復元力及び4本の支持用梁31の変位による復元力の合力と釣り合っている。尚、静電引力が電圧Vの2乗に比例するので、第2段階のグラフは、図7に示したように2次曲線になる。
The displacement amount Δ amp of the free end T is obtained by imaging the vicinity of the free end T with the CCD camera 9 every time the voltage V is increased, and the positions of the free end and the scale portion 42 on the image captured by the computer 10. Seek from relationship.
(Second stage)
When the voltage V is increased after the first stage, the contact portion 35 comes into contact with the measurement cantilever 41. Thereafter, when the voltage V is further increased, the contact portion 35 applies a force to the measurement cantilever 41 and the measurement cantilever 41 is deformed. Since the offset gap interval g 1 is larger than the tip gap interval g 2 , the towing unit 36 is not in contact with the to-be-towed unit 24 even in the second stage. Therefore, in this second stage, the electrostatic attraction generated by the voltage V is balanced with the restoring force due to the displacement of the measuring cantilever 41 and the resultant force due to the displacement of the four supporting beams 31. Since the electrostatic attractive force is proportional to the square of the voltage V, the second stage graph is a quadratic curve as shown in FIG.

図8は、測定用カンチレバー41の変形の様子を示す図である。図8に示したように、測定用カンチレバー41の固定端と接触部35が接する部分との間の距離Lm1に比べて、自由端と接触部35が接する部分との間の距離Lm2が大きくなるように設計されているので、自由端Tの変位量Δampは、接触部35が接触する部分の変位量Δよりも大きくなる。自由端Tの変位量Δampは、接触部35が接触する部分の変位量Δから式1で求められる。
Δamp≒Δ×{1+1.5×(Lm2/Lm1)} ・・・(式1)
例えば、Lm2とLm1との比Lm2/Lm1が約60であれば、ΔampはΔの約91倍になる。Lm2/Lm1が大きくなるほど変位の増幅率も大きくなるが、Lm1が小さ過ぎるのは好ましくないことや、測定用カンチレバー41の材質を考慮して、Lm2、Lm1を適宜決定することができる。例えば、Lm2/Lm1は約10以上、約200以下であることが望ましい。
FIG. 8 is a diagram showing how the measurement cantilever 41 is deformed. As shown in FIG. 8, the distance L m2 between the free end and the portion in contact with the contact portion 35 is smaller than the distance L m1 between the fixed end of the measurement cantilever 41 and the portion in contact with the contact portion 35. Since it is designed to be large, the displacement amount Δ amp of the free end T is larger than the displacement amount Δ m of the portion in contact with the contact portion 35. The displacement amount Δ amp of the free end T can be obtained from Equation 1 from the displacement amount Δ m of the portion with which the contact portion 35 contacts.
Δ amp ≒ Δ m × {1 + 1.5 × (L m2 / L m1)} ··· ( Equation 1)
For example, if the ratio L m2 / L m1 about 60 of L m @ 2 and L m1, delta # 038 is about 91 times the delta m. As L m2 / L m1 increases, the displacement amplification factor also increases. However, it is not preferable that L m1 is too small, and L m2 and L m1 are appropriately determined in consideration of the material of the measurement cantilever 41. Can do. For example, L m2 / L m1 is preferably about 10 or more and about 200 or less.

例えば、試験片Sの長さが約5μmであり、張力によって10%伸長した場合、試験片Sの変位量は約0.5μmである。これは、測定用カンチレバー41において、接触部35が接する位置での変位量Δとして表われる。これに対して、Lm2/Lm1=66に設計されていれば、測定用カンチレバー41の自由端Tの変位量Δampは、Δの約100倍になるので、試験片Sの変位量である約0.5μmを、測定用カンチレバー41の自由端を観測することによって約50μmに増幅することができる。これは、実体又は光学顕微鏡8及びCCDカメラ9によって直接観測することができる変位量である。
(第3段階)
第2段階の後、さらに電圧Vを増大させて行くと、牽引部36が被牽引部24に接触する。その後は、電圧Vを増大させると、被牽引部24が牽引部36によって矢印Aの方向に引かれ、梁23及び試験片Sに張力が加わる。この第3段階では、電圧Vによって生じる静電引力が、測定用カンチレバー41の変位による復元力、4本の支持用梁31の変位による復元力、梁23の変位による復元力、及び試験片Sの引張応力の合力と釣り合っている。
For example, when the length of the test piece S is about 5 μm and is stretched by 10% due to the tension, the displacement amount of the test piece S is about 0.5 μm. This is because, in measuring cantilever 41, appearing as a displacement amount delta m at the position where the contact portion 35 is in contact. On the other hand, if L m2 / L m1 = 66 is designed, the displacement amount Δ amp of the free end T of the measurement cantilever 41 is about 100 times Δ m , so the displacement amount of the test piece S About 0.5 μm can be amplified to about 50 μm by observing the free end of the measurement cantilever 41. This is the amount of displacement that can be directly observed by the entity or the optical microscope 8 and the CCD camera 9.
(3rd stage)
When the voltage V is further increased after the second stage, the towing unit 36 comes into contact with the to-be-towed unit 24. Thereafter, when the voltage V is increased, the towed portion 24 is pulled in the direction of arrow A by the towing portion 36, and tension is applied to the beam 23 and the test piece S. In this third stage, the electrostatic attractive force generated by the voltage V is the restoring force due to the displacement of the measuring cantilever 41, the restoring force due to the displacement of the four support beams 31, the restoring force due to the displacement of the beam 23, and the test piece S. Is balanced with the resultant tensile stress.

図7に示した第2段階後の2次曲線が、この第3段階に対応する。ここで、静電引力に対抗する力には、第2段階と比較して、梁23の変位による復元力及び試験片Sの引張り応力が加わっている。従って、第2段階から第3段階に移る点、即ち、オフセットギャップgが0になり牽引部36と被牽引部24とが接した時点を、図7に示したように、グラフ上の屈曲点として判別することができる。従って、この屈曲点以降における試験片破断前後の変位量の差によって、試験片Sの伸長量を求めることができる。グラフ上でこの屈曲点の判別をより容易にするには、梁23のバネ定数が、4本の支持用梁31のバネ定数よりも大きくなるように、例えば、梁23及び支持用梁31に同じ材料を使用する場合、梁23が4本の支持用梁31よりも太くなるようにしておけばよい。 The quadratic curve after the second stage shown in FIG. 7 corresponds to the third stage. Here, as compared with the second stage, the restoring force due to the displacement of the beam 23 and the tensile stress of the test piece S are added to the force that opposes the electrostatic attractive force. Therefore, the point moving from the second stage to the third stage, i.e., the time when the offset gap g 1 are in contact and the towed unit 24 and the traction unit 36 becomes 0, as shown in FIG. 7, bent on the graph It can be determined as a point. Therefore, the extension amount of the test piece S can be obtained from the difference in the displacement amount before and after the test piece breaks after the bending point. In order to make it easier to discriminate the bending point on the graph, for example, the beam 23 and the support beam 31 are arranged so that the spring constant of the beam 23 is larger than the spring constants of the four support beams 31. When the same material is used, the beam 23 may be thicker than the four support beams 31.

さらに、電圧Vを増大させて行くと、やがて試験片Sが破断する。このとき、試験片Sによる引張応力が無くなるので、その時の静電引力に対して、変位量は増大する。その後、電圧Vを増大させ、又は減少させると、破線で示したように変化する。   Furthermore, when the voltage V is increased, the test piece S eventually breaks. At this time, since the tensile stress due to the test piece S disappears, the amount of displacement increases with respect to the electrostatic attractive force at that time. Thereafter, when the voltage V is increased or decreased, the voltage V changes as indicated by a broken line.

試験片の破断前(図7の点B〜Cの間)では、力の釣り合いから式2が成り立つ。
F(V)=P+(γ+γ)×Δamp1/α+γ ・・・(式2)
ここで、Fは静電引力、Pは試験片Sの引張応力、γは4本の支持用梁31のバネ定数、γは梁23のバネ定数、γは測定用カンチレバー41のバネ定数、Δamp1は測定用カンチレバー41の自由端Tの変位量、gはオフセットギャップの間隔である。また、αは測定用カンチレバー41による変位量の増幅率であり、例えば、Lm2/Lm1=60であれば、上記したようにαは約91である。
Before the test piece breaks (between points B to C in FIG. 7), Formula 2 is established from the balance of forces.
F (V) = P S + (γ m + γ 1) × Δ amp1 / α + γ 2 g 1 ··· ( Equation 2)
Here, F is the electrostatic attraction, P S is the tensile stress of the test piece S, gamma 1 are four spring constant of the supporting beams 31, gamma 2 is a spring constant of the beam 23, gamma m is the measurement cantilever 41 The spring constant, Δ amp1 is the amount of displacement of the free end T of the measurement cantilever 41, and g 1 is the interval of the offset gap. Α is an amplification factor of the displacement amount by the measurement cantilever 41. For example, when L m2 / L m1 = 60, α is approximately 91 as described above.

同様に、試験片の破断後(図7の点B〜Dの間)では、力の釣り合いから式3が成立する。
F(V)=(γ+γ)×Δamp2/α+γ ・・・(式3)
ここで、Δamp2が試験片Sが破断した後の測定用カンチレバー41の自由端Tの変位量であること以外、各係数は式2と同じである。
Similarly, after the test piece is ruptured (between points B to D in FIG. 7), Equation 3 is established from the balance of forces.
F (V) = (γ m + γ 1 ) × Δ amp 2 / α + γ 2 g 1 (formula 3)
Here, each coefficient is the same as Equation 2 except that Δ amp2 is the amount of displacement of the free end T of the measurement cantilever 41 after the test piece S is broken.

式2及び式3から、式4が導出される。
=(γ+γ)×(Δamp2−Δamp1)/α ・・(式4)
ここで、それぞれのバネ定数は、測定用カンチレバー41、梁23の材質、形状から求めることができる。即ち、Eをヤング率、Iを測定用カンチレバー41の断面2次モーメント、I、N及びLをそれぞれ支持用梁31の断面2次モーメント、数及び長さとすれば、γ=3EI/(Lm1 、γ=12EI/(L である。
From Equation 2 and Equation 3, Equation 4 is derived.
P S = (γ m + γ 1 ) × (Δ amp 2 −Δ amp 1 ) / α (Expression 4)
Here, each spring constant can be obtained from the material and shape of the measurement cantilever 41 and the beam 23. That is, if E is the Young's modulus, I m is the secondary moment of the cross section of the measuring cantilever 41, and I 1 , N 1 and L 1 are the secondary moments of the cross section, the number and the length of the supporting beam 31, respectively, γ m = 3EI m / (L m1 ) 3 , γ 1 = 12EI 1 N 1 / (L 1 ) 3

式3は静電引力Fを含んでおらず、バネ定数は計算で求めることができるので、変位量を測定すれば、試験片Sの引張応力Pを求めることができる。従って、測定に使用した電圧Vを使用することなく、試験片Sの引張応力Pを求めることができる。 Formula 3 contains no electrostatic attraction F, the spring constant can be determined by calculation, by measuring the amount of displacement can be obtained tensile stress P S of the specimen S. Therefore, without using the voltage V used in the measurement, it is possible to obtain the tensile stress P S of the specimen S.

以上では、測定用カンチレバー41が接触部35によって直接に力を受け、自由端Tが変位する場合を説明したが、測定用カンチレバー41の自由端Tが接触部35によって間接的に変位するように構成してもよい。図8に示したように、測定用カンチレバー41は、接触部35によって力を受けて変形するが、このとき受ける力は変位が小さい間は測定用カンチレバー41の表面にほぼ垂直に加わる。しかし、接触部35の変位量が大きくなると、接触部35が加える力の方向が測定用カンチレバー41の表面に垂直ではなくなり、その結果、接触部35は僅かではあるが、接触部35が加える力に垂直な方向に変位する。これは、測定精度低下の原因になり得る。図1に示した構成に替えて、両端が上側基部5に固定された梁を備え、測定用カンチレバーの自由端が接触部35によって間接的に変位するような構成とすることで、この測定精度低下の原因をなくすことができる。図9にその一例を示す。   Although the case where the measurement cantilever 41 is directly subjected to the force by the contact portion 35 and the free end T is displaced has been described above, the free end T of the measurement cantilever 41 is indirectly displaced by the contact portion 35. It may be configured. As shown in FIG. 8, the measuring cantilever 41 is deformed by receiving a force by the contact portion 35, and the force received at this time is applied almost perpendicularly to the surface of the measuring cantilever 41 while the displacement is small. However, when the displacement amount of the contact portion 35 increases, the direction of the force applied by the contact portion 35 is not perpendicular to the surface of the measurement cantilever 41. As a result, the contact portion 35 is slight but the force applied by the contact portion 35 Displacement in a direction perpendicular to This can cause a reduction in measurement accuracy. In place of the configuration shown in FIG. 1, the measurement accuracy can be obtained by providing a beam whose both ends are fixed to the upper base 5 and the free end of the measurement cantilever is indirectly displaced by the contact portion 35. The cause of the decrease can be eliminated. An example is shown in FIG.

図9に示した梁(以下、測定用梁43と記す)は、接触部35が測定用梁43の中央に接触し得るように配置されている。また、測定用梁43の全長をLとして、測定用カンチレバー41aが、それぞれ中心から1/4の位置に、測定用梁43にほぼ直角に、相互に平行になるように固定されている。測定用梁43は、中央部が接触部35によって押されると、破線で示したように変形する。その結果、測定用カンチレバー41aの自由端も図示したように変位する。従って、この自由端の変位量、例えば、両自由端の間隔を、上記の説明と同様に、CCDカメラ9を用いて測定すれば、接触部35の変位量を増幅して測定することができる。この場合、一端のみが固定された測定用カンチレバー41を使用した場合(図1参照)と異なり、接触部35は、接触部35が加える力に垂直な方向の力を受けることがない。また、測定用梁43の中心から1/4の位置に測定用カンチレバー41aが取り付けられている場合、測定用梁43が変形しても、測定用カンチレバー41aが取り付けられている表面位置での応力が0になるので、測定用カンチレバー41aは、その近傍の梁の表面に対して垂直な状態を維持する。従って、接触部35の変位量をリニアに増幅することができる。尚、測定用カンチレバー41aは、測定用梁43に直角に固定されていなくても、また相互に平行でなくてもよい。   The beam shown in FIG. 9 (hereinafter referred to as measurement beam 43) is arranged so that the contact portion 35 can contact the center of the measurement beam 43. Further, with the total length of the measurement beam 43 being L, the measurement cantilever 41a is fixed at a position of ¼ from the center so as to be substantially perpendicular to the measurement beam 43 and parallel to each other. When the central portion is pushed by the contact portion 35, the measuring beam 43 is deformed as indicated by a broken line. As a result, the free end of the measuring cantilever 41a is also displaced as shown. Therefore, if the amount of displacement of the free end, for example, the distance between the two free ends is measured using the CCD camera 9 as described above, the amount of displacement of the contact portion 35 can be amplified and measured. . In this case, unlike the case where the measurement cantilever 41 having only one end fixed is used (see FIG. 1), the contact portion 35 does not receive a force in a direction perpendicular to the force applied by the contact portion 35. Further, when the measurement cantilever 41a is attached at a position ¼ from the center of the measurement beam 43, the stress at the surface position where the measurement cantilever 41a is attached even if the measurement beam 43 is deformed. Therefore, the measuring cantilever 41a maintains a state perpendicular to the surface of the beam in the vicinity thereof. Accordingly, the displacement amount of the contact portion 35 can be linearly amplified. Note that the measurement cantilever 41a may not be fixed to the measurement beam 43 at a right angle, or may not be parallel to each other.

また、測定用カンチレバー41aが、測定用梁43の中心から1/4の位置に取り付けられていない場合でも、接触部35の変位量、取り付け位置に応じて測定用カンチレバー41aの自由端の位置が決まるので、接触部35の変位量と自由端の変位量との非線形性を考慮すれば、自由端の変位量から接触部35の変位量を求めることができる。また、図9では、測定用梁43が2本の測定用カンチレバー41aを備えた場合を示しているが、測定用カンチレバー41aが比較的軽量であって測定用梁43の変形が対象性を損なうことがなければ、何れか一方の測定用カンチレバー41aのみを備え、その自由端の変位量を測定してもよい。   Even when the measurement cantilever 41a is not attached to a position ¼ from the center of the measurement beam 43, the position of the free end of the measurement cantilever 41a depends on the displacement amount and attachment position of the contact portion 35. Therefore, if the nonlinearity between the displacement amount of the contact portion 35 and the displacement amount of the free end is taken into consideration, the displacement amount of the contact portion 35 can be obtained from the displacement amount of the free end. FIG. 9 shows the case where the measurement beam 43 includes two measurement cantilevers 41a. However, the measurement cantilever 41a is relatively light and the deformation of the measurement beam 43 impairs the objectivity. Otherwise, only one of the measurement cantilevers 41a may be provided, and the amount of displacement of the free end thereof may be measured.

以上のナノワイヤ引張試験デバイスでは、図1に示したように、梁23、被牽引部24、支持用梁31、アクチュエータ本体33、牽引部36、測定用カンチレバー41が、上側基部5と一体に形成されている場合を説明したが、これに限定されない。本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイスは、上記したように、基部、試験片固定部2、アクチュエータ部3、及び変位増幅部4を備えて構成され、試験片固定部2とアクチュエータ部3との間、及びアクチュエータ部3と変位増幅部4との間にそれぞれ微小な間隙が設けられ、試験片固定部2とアクチュエータ部3との間の間隙の距離gが、アクチュエータ部3と変位増幅部4との間の間隙の距離gよりも大きければよい(g>g)。例えば、試験片固定部2、アクチュエータ部3、及び変位増幅部4の3つに分割されて形成された後、図1に示した位置関係にそれらが結合されて形成されたナノワイヤ引張試験デバイスであってもよい。尚、ここでg=0、即ち、少なくとも図9の場合において、第1及び第2電極39に直流電圧を印加していない状態で接触部35が測定用カンチレバー41に接触していてもよい。 In the above nanowire tensile test device, as shown in FIG. 1, the beam 23, the towed portion 24, the support beam 31, the actuator body 33, the towing portion 36, and the measurement cantilever 41 are formed integrally with the upper base portion 5. However, the present invention is not limited to this. As described above, the nanowire tensile test device according to the present invention includes the base, the test piece fixing part 2, the actuator part 3, and the displacement amplifying part 4, and is provided between the test piece fixing part 2 and the actuator part 3. In addition, a minute gap is provided between the actuator unit 3 and the displacement amplifying unit 4, and a distance g 1 between the test piece fixing unit 2 and the actuator unit 3 is set to be the actuator unit 3 and the displacement amplifying unit 4. It is only necessary to be larger than the distance g 2 between the gaps (g 1 > g 2 ). For example, in the nanowire tensile test device formed by dividing the test piece fixing portion 2, the actuator portion 3, and the displacement amplifying portion 4 into three parts and then connecting them to the positional relationship shown in FIG. There may be. Here, g 2 = 0, that is, at least in the case of FIG. 9, the contact portion 35 may be in contact with the measurement cantilever 41 in a state where no DC voltage is applied to the first and second electrodes 39. .

また、被牽引部24及び牽引部36の形状は、図1の形状に限定されず、牽引部36が静電引力によって変位した場合に、被牽引部24を所定の方向に牽引するように形成されていればよい。また、静電引力を生じる第1及び第2牽引力発生部32、34の数、その形状(櫛の数、櫛の寸法・形状など)、電極部37の数などは、静電引力によって所望の張力を試験片に加えることができればよく、上記で説明したものに限定されない。さらに、静電引力を生じる第1及び第2牽引力発生部32、34は櫛形でなくてもよく、2つの部材が対向して配置され、所望の静電引力を生じることができる形状であればよい。使用する材料、電極に印加する直流電圧の大きさ、アクチュエータ本体33の形状及び寸法などに応じて、静電引力を生じる部分の形状を適宜設計すればよい。また、支持用梁31の本数は4本に限定されず、アクチュエータ本体33を安定して支持できる本数であればよい。   Further, the shapes of the towed portion 24 and the towed portion 36 are not limited to the shapes in FIG. 1 and are formed so as to pull the towed portion 24 in a predetermined direction when the towed portion 36 is displaced by electrostatic attraction. It only has to be done. Further, the number of first and second traction force generating units 32 and 34 that generate electrostatic attraction, the shape thereof (the number of combs, the size and shape of the combs), the number of electrode units 37, and the like are determined by electrostatic attraction. The tension is not limited to those described above as long as tension can be applied to the test piece. Furthermore, the first and second traction force generating units 32 and 34 that generate electrostatic attractive force do not have to be comb-shaped as long as two members are arranged to face each other and can generate a desired electrostatic attractive force. Good. What is necessary is just to design suitably the shape of the part which produces an electrostatic attraction according to the material to be used, the magnitude | size of the DC voltage applied to an electrode, the shape and dimension of the actuator main body 33, etc. Further, the number of support beams 31 is not limited to four, and may be any number that can stably support the actuator body 33.

また、アクチュエータ部3の接触部35は、凸形状でなくてもよい。アクチュエータ部3は、測定用カンチレバー41又は測定用梁43と接触する部分が平坦であり、測定用カンチレバー41又は測定用梁43が、接触部35と接する部分に凸部を備えていてもよい。   Moreover, the contact part 35 of the actuator part 3 may not be convex. The actuator unit 3 may have a flat portion in contact with the measurement cantilever 41 or the measurement beam 43, and the measurement cantilever 41 or measurement beam 43 may include a convex portion in a portion in contact with the contact portion 35.

このように、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイスを構成する各部の形状、寸法は適宜変更することができるが、少なくとも、試験片固定部2及びアクチュエータ部3を構成する各部の平面形状がそれぞれ線対称な形状であり、それらが、各々の対象軸が同じになり、その対称軸が静電引力によってアクチュエータ部3が変位する方向に沿うように配置されていることが望ましい。   As described above, the shape and size of each part constituting the nanowire tensile test device according to the present invention can be changed as appropriate, but at least the planar shape of each part constituting the test piece fixing part 2 and the actuator part 3 is a line. It is desirable that they have a symmetrical shape, and are arranged so that each target axis is the same, and the axis of symmetry is along the direction in which the actuator unit 3 is displaced by electrostatic attraction.

また、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイスは、半導体プロセス以外の製造方法で製造されてもよく、各部の材質はシリコンでなくともよい。   The nanowire tensile test device according to the present invention may be manufactured by a manufacturing method other than the semiconductor process, and the material of each part may not be silicon.

また、測定用カンチレバーの自由端の変位量の測定は、実体又は光学顕微鏡及びCCDカメラを使用する方法に限定されず、別の方法を用いてもよい。例えば、測定用カンチレバーの表面に一定の角度でレーザー光を照射し、その反射角度を測定する方法を用いることもできる。   Further, the measurement of the amount of displacement of the free end of the measuring cantilever is not limited to a method using a substance or an optical microscope and a CCD camera, and another method may be used. For example, a method of irradiating the surface of the measuring cantilever with laser light at a certain angle and measuring the reflection angle can be used.

以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。   Examples are shown below to further clarify the features of the present invention.

実際にSOIウエハを使用して、上記した半導体プロセスでナノワイヤ引張試験デバイスを製造した。製造したナノワイヤ引張試験デバイスの形状は、大きさが縦約10mm×横約10mm、オフセットギャップの間隔gが約4μm、先端ギャップの間隔gが約3μm、目盛部42の長さが約50μm、測定用カンチレバー41の固定端から接触部35が接する位置までの距離が約50μm、測定用カンチレバー41の自由端から接触部35が接する位置までの距離が約3000μm、第1及び第2牽引力発生部34(櫛形部)の高さが約35μm、その幅が約4μm、櫛歯の間隔が約3μmである。また、第1支持部23(梁)、アクチュエータ本体33及び測定用カンチレバー41と下側基部6との間隔は約1μmである。このナノワイヤ引張試験デバイスに、長さ約5μm、直径約100nmのカーボンナノワイヤをFIB−CVD法で取り付け、引張試験を行った。図10は、その結果得られたグラフである。 Actually, using a SOI wafer, a nanowire tensile test device was manufactured by the semiconductor process described above. The shape of the manufactured nanowire tensile test device is about 10 mm long × about 10 mm wide, the offset gap interval g 1 is about 4 μm, the tip gap interval g 2 is about 3 μm, and the length of the scale portion 42 is about 50 μm. The distance from the fixed end of the measurement cantilever 41 to the position where the contact portion 35 contacts is about 50 μm, the distance from the free end of the measurement cantilever 41 to the position where the contact portion 35 contacts is about 3000 μm, and the first and second traction forces are generated. The height of the portion 34 (comb portion) is about 35 μm, the width is about 4 μm, and the interval between the comb teeth is about 3 μm. Further, the distance between the first support portion 23 (beam), the actuator main body 33 and the measurement cantilever 41 and the lower base portion 6 is about 1 μm. A carbon nanowire having a length of about 5 μm and a diameter of about 100 nm was attached to the nanowire tensile test device by the FIB-CVD method, and a tensile test was performed. FIG. 10 is a graph obtained as a result.

図10から分かるように、第2段階と第3段階との間に屈曲点が観測され、第3段階の途中でカーボンナノワイヤが破断し、その前後で変位量が階段状に変化している。試験片の破断後、各電圧値における変位量が破断前の変位量よりも大きくなっている。   As can be seen from FIG. 10, a bending point is observed between the second stage and the third stage, the carbon nanowire breaks in the middle of the third stage, and the amount of displacement changes stepwise before and after that. After the test piece is broken, the displacement amount at each voltage value is larger than the displacement amount before the breakage.

図11は、図10に示した引張試験データから求めた、試験片の荷重−変位曲線(縦軸が荷重、横軸が変位量)を示すグラフである。また、図12は、同じ引張試験データから求めた応力−ひずみ曲線を示すグラフである。図12から、長さ約5μm、直径約100nmのカーボンナノワイヤの破断応力が約6.5GPa、破断ひずみが約7.7%であることが分かる。このように、本発明に係るナノワイヤ引張試験デバイスは、ナノ寸法の材料に対する高精度の単軸引張試験を行うことができる。   FIG. 11 is a graph showing a load-displacement curve (the vertical axis is the load and the horizontal axis is the displacement amount) of the test piece obtained from the tensile test data shown in FIG. FIG. 12 is a graph showing a stress-strain curve obtained from the same tensile test data. FIG. 12 shows that the breaking stress of the carbon nanowire having a length of about 5 μm and a diameter of about 100 nm is about 6.5 GPa and the breaking strain is about 7.7%. As described above, the nanowire tensile test device according to the present invention can perform a highly accurate uniaxial tensile test on a nano-sized material.

本発明の実施の形態に係るナノワイヤ引張試験デバイスの概略を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an outline of a nanowire tensile test device according to an embodiment of the present invention. 図1に示したナノワイヤ引張試験デバイスの試験片部付近の拡大図である。It is an enlarged view near the test piece part of the nanowire tensile test device shown in FIG. 図1に示したナノワイヤ引張試験デバイスの牽引部付近の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of a pulling portion of the nanowire tensile test device shown in FIG. 1. 図1に示したナノワイヤ引張試験デバイスの接触部付近の拡大図である。It is an enlarged view of the contact part vicinity of the nanowire tensile test device shown in FIG. 図1に示したナノワイヤ引張試験デバイスの測定用カンチレバーの自由端付近の拡大図である。It is an enlarged view near the free end of the measurement cantilever of the nanowire tensile test device shown in FIG. 図1に示したナノワイヤ引張試験デバイスを用いた引張試験方法を説明する図である。It is a figure explaining the tensile test method using the nanowire tensile test device shown in FIG. 第1及び第2電極の間に印加する電圧V(横軸)と測定カンチレバーの自由端の変位量Δamp(縦軸)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the voltage V (horizontal axis) applied between the 1st and 2nd electrode and displacement amount (DELTA) amp (vertical axis) of the free end of a measurement cantilever. 測定用カンチレバーの変形の様子を示す平面図である。It is a top view which shows the mode of a deformation | transformation of the measurement cantilever. 図1に示した測定用カンチレバーの代わりに使用する両端固定の梁を示す平面図である。It is a top view which shows the beam of both ends fixation used instead of the measurement cantilever shown in FIG. 引張試験データの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the tension test data. 図10に示した引張試験データから求めた、試験片の荷重−変位曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the load-displacement curve of the test piece calculated | required from the tensile test data shown in FIG. 図10に示した引張試験データから求めた応力−ひずみ曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the stress-strain curve calculated | required from the tensile test data shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 ナノワイヤ引張試験デバイス
2 試験片固定部
3 アクチュエータ部
4 変位増幅部
5 上側基部
6 下側基部
7 電源
8 実体又は光学顕微鏡
9 CCDカメラ
10 コンピュータ
21 第1固定部
22 第2固定部
23 第1支持部(梁)
24 被牽引部
31 第2支持部(支持用梁)
32 第1牽引力発生部
33 アクチュエータ本体
34 第2牽引力発生部
35 接触部
36 牽引部
37 電極部
38 第1電極
39 第2電極
41、41a 測定用カンチレバー
42 目盛部
43 測定用梁
S 試験片
T 自由端
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nanowire tensile test device 2 Test piece fixing | fixed part 3 Actuator part 4 Displacement amplification part 5 Upper base 6 Lower base 7 Power supply 8 Substance or optical microscope 9 CCD camera 10 Computer 21 1st fixing | fixed part 22 2nd fixing | fixed part 23 1st support Part (beam)
24 towed part 31 2nd support part (beam for support)
32 First traction force generating section 33 Actuator body 34 Second traction force generating section 35 Contact section 36 Pull section 37 Electrode section 38 First electrode 39 Second electrodes 41 and 41a Measuring cantilever 42 Scale section 43 Measuring beam S Test piece T Free end

Claims (8)

基部と、
試験片の一端を固定する第1固定部、該試験片の他端を固定する第2固定部、該第2固定部に固定された第1支持部、及び該第1支持部に固定された被牽引部を有する試験片固定部と、
測定用カンチレバーを有する変位増幅部と、
前記被牽引部と第1間隔を設けて配置された牽引部、第1牽引力発生部、該第1牽引力発生部と所定の間隔を設けて対向させて配置された第2牽引力発生部、第2支持部、及び前記変位増幅部と接し得る接触部を有するアクチュエータ部とを備え、
前記第1固定部及び第2牽引力発生部が、前記基部に固定され、
前記第1支持部及び第2支持部が、各々弾性変形可能に前記基部に固定され、
前記第1間隔が、前記接触部及び前記変位増幅部の間の距離よりも大きく、
前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に発生する静電引力によって、前記接触部が前記変位増幅部に力を加え、前記接触部の変位量よりも大きく、前記測定用カンチレバーの自由端を変位させ、
前記電圧が増大した場合、前記牽引部が前記被牽引部に接し、前記牽引部が前記被牽引部を牽引することを特徴とするナノワイヤ引張試験デバイス。
The base,
A first fixing part for fixing one end of the test piece, a second fixing part for fixing the other end of the test piece, a first support part fixed to the second fixing part, and fixed to the first support part A specimen fixing part having a towed part;
A displacement amplifying unit having a measuring cantilever;
A traction section disposed with a first interval from the to-be-towed section, a first traction force generation section, a second traction force generation section disposed opposite to the first traction force generation section with a predetermined distance, and a second A support portion, and an actuator portion having a contact portion that can come into contact with the displacement amplification portion,
The first fixing portion and the second traction force generating portion are fixed to the base portion;
The first support part and the second support part are each fixed to the base part so as to be elastically deformable,
The first interval is larger than a distance between the contact portion and the displacement amplification portion;
When a direct-current voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact portion is caused by the electrostatic attraction generated between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit. Applying a force to the displacement amplifying part, larger than the amount of displacement of the contact part, displacing the free end of the measuring cantilever,
The nanowire tensile test device, wherein when the voltage increases, the pulling unit comes into contact with the pulled unit, and the pulling unit pulls the pulled unit.
前記測定用カンチレバーの一端が、弾性変形可能に前記基部に固定され、
前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用カンチレバーに力を加え、
前記測定用カンチレバーの前記自由端と前記接触部が前記測定用カンチレバーに接する第1位置との間の距離が、前記測定用カンチレバーの固定端と該第1位置との間の距離の約10倍以上、約200倍以下であることを特徴とする請求項1に記載のナノワイヤ引張試験デバイス。
One end of the measurement cantilever is fixed to the base so as to be elastically deformable,
When a DC voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact unit applies a force to the measurement cantilever,
The distance between the free end of the measurement cantilever and the first position where the contact portion contacts the measurement cantilever is approximately 10 times the distance between the fixed end of the measurement cantilever and the first position. The nanowire tensile test device according to claim 1, wherein the nanowire tensile test device is about 200 times or less.
前記変位増幅部が、前記測定用カンチレバーが固定され、両端が弾性変形可能に前記基部に固定された測定用梁を備え、
前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用梁のほぼ中央に力を加え、
前記測定用カンチレバーが、前記測定用梁の中央から、前記測定用梁の長さの1/4の位置に固定されていることを特徴とする請求項1に記載のナノワイヤ引張試験デバイス。
The displacement amplifying unit includes a measuring beam to which the measuring cantilever is fixed and both ends are fixed to the base so as to be elastically deformable.
When a DC voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact unit applies a force to substantially the center of the measurement beam,
2. The nanowire tensile test device according to claim 1, wherein the measurement cantilever is fixed at a position that is ¼ of the length of the measurement beam from the center of the measurement beam.
前記第1支持部のバネ定数が、前記第2支持部のバネ定数よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3の何れかの項に記載のナノワイヤ引張試験デバイス。   The nanowire tensile test device according to any one of claims 1 to 3, wherein a spring constant of the first support part is larger than a spring constant of the second support part. 前記第1支持部が梁であり、
前記第2固定部及び前記被牽引部が、前記第1支持部の中央の位置に固定され、
前記第2支持部が、一端が前記基部に固定された偶数本の梁であり、
前記被牽引部及び前記アクチュエータ部が、前記被牽引部が牽引される方向に沿った対称軸を持つ線対称な形状であり、
各々の前記対称軸が一致することを特徴とする請求項1〜4の何れかの項に記載のナノワイヤ引張試験デバイス。
The first support is a beam;
The second fixing part and the towed part are fixed at a central position of the first support part;
The second support part is an even number of beams, one end of which is fixed to the base part;
The towed portion and the actuator portion have a line-symmetric shape having a symmetry axis along a direction in which the towed portion is pulled,
5. The nanowire tensile test device according to claim 1, wherein the respective symmetry axes coincide with each other.
基部と、
試験片の一端を固定する第1固定部、該試験片の他端を固定する第2固定部、該第2固定部に固定された第1支持部、及び該第1支持部に固定された被牽引部を有する試験片固定部と、
測定用カンチレバーを有する変位増幅部と、
前記被牽引部と第1間隔を設けて配置された牽引部、第1牽引力発生部、該第1牽引力発生部と所定の間隔を設けて対向させて配置された第2牽引力発生部、第2支持部、及び前記変位増幅部と接し得る接触部を有するアクチュエータ部とを備え、
前記第1固定部及び第2牽引力発生部が、前記基部に固定され、
前記第1支持部及び第2支持部が、各々弾性変形可能に前記基部に固定され、
前記第1間隔が、前記接触部及び前記変位増幅部の間の距離よりも大きく、
前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に発生する静電引力によって、前記接触部が前記変位増幅部に力を加え、前記接触部の変位量よりも大きく、前記測定用カンチレバーの自由端を変位させ、
前記電圧が増大した場合、前記牽引部が前記被牽引部に接し、前記牽引部が前記被牽引部を牽引するナノワイヤ引張試験デバイスを用いるナノワイヤ引張試験方法であって、
前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に所定の直流電圧を印加する第1ステップと、
前記測定用カンチレバーの自由端の変位量を測定する第2ステップとを含み、
前記試験片が破断するまで、前記電圧を増大させて前記第1及び第2ステップを繰り返し、
前記試験片が破断した後は、前記電圧を減少させて前記第1及び第2ステップを繰り返すことを特徴とするナノワイヤ引張試験方法。
The base,
A first fixing part for fixing one end of the test piece, a second fixing part for fixing the other end of the test piece, a first support part fixed to the second fixing part, and fixed to the first support part A specimen fixing part having a towed part;
A displacement amplifying unit having a measuring cantilever;
A traction section disposed with a first interval from the to-be-towed section, a first traction force generation section, a second traction force generation section disposed opposite to the first traction force generation section with a predetermined distance, and a second A support portion, and an actuator portion having a contact portion that can come into contact with the displacement amplification portion,
The first fixing portion and the second traction force generating portion are fixed to the base portion;
The first support part and the second support part are each fixed to the base part so as to be elastically deformable,
The first interval is larger than a distance between the contact portion and the displacement amplification portion;
When a direct-current voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact portion is caused by the electrostatic attraction generated between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit. Applying a force to the displacement amplifying part, larger than the amount of displacement of the contact part, displacing the free end of the measuring cantilever,
When the voltage increases, a nanowire tensile test method using a nanowire tensile test device in which the pulling unit is in contact with the pulled unit and the pulling unit pulls the pulled unit,
A first step of applying a predetermined DC voltage between the first traction force generator and the second traction force generator;
A second step of measuring a displacement amount of the free end of the measuring cantilever,
Increase the voltage and repeat the first and second steps until the specimen breaks,
After the test piece is broken, the voltage is decreased and the first and second steps are repeated.
前記測定用カンチレバーの一端が、弾性変形可能に前記基部に固定され、
前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用カンチレバーに力を加え、
前記測定用カンチレバーの前記自由端と前記接触部が前記測定用カンチレバーに接する第1位置との間の距離が、前記測定用カンチレバーの固定端と該第1位置との間の距離の約10倍以上、約200倍以下であり、
前記変位増幅部の変位増幅率αと、前記試験片が破断する前に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp1と、前記試験片が破断した後に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp2と、前記測定用カンチレバーのバネ定数γと、前記第2支持部のバネ定数γとを用いて、電圧Vを印加したときに前記試験片に加わる荷重Pを P=(γ+γ)×(Δamp2−Δamp1)/α で求め、
前記試験片の伸長量を、印加した前記電圧に対する前記自由端の変位量を示したグラフに現われる屈曲点における前記自由端の変位量を基準として求めることを特徴とする請求項6に記載のナノワイヤ引張試験方法。
One end of the measurement cantilever is fixed to the base so as to be elastically deformable,
When a DC voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact unit applies a force to the measurement cantilever,
The distance between the free end of the measurement cantilever and the first position where the contact portion contacts the measurement cantilever is approximately 10 times the distance between the fixed end of the measurement cantilever and the first position. Above, about 200 times or less,
The displacement amplification factor α of the displacement amplification part, the displacement Δamp1 of the free end measured by applying the voltage V before the test piece breaks, and the voltage V after the test piece breaks Using the measured displacement amount Δ amp2 of the free end, the spring constant γ m of the measurement cantilever, and the spring constant γ 1 of the second support portion, the voltage V is applied to the test piece. a load P S calculated by P S = (γ m + γ 1) × (Δ amp2 -Δ amp1) / α,
The nanowire according to claim 6, wherein the amount of elongation of the test piece is obtained based on the amount of displacement of the free end at a bending point appearing in a graph showing the amount of displacement of the free end with respect to the applied voltage. Tensile test method.
前記変位増幅部が、前記測定用カンチレバーが固定され、両端が弾性変形可能に前記基部に固定された測定用梁を備え、
前記第1牽引力発生部及び第2牽引力発生部の間に直流電圧が印加された場合、前記接触部が前記測定用梁のほぼ中央に力を加え、
前記測定用カンチレバーが、前記測定用梁の中央から、前記測定用梁の長さの1/4の位置に固定されており、
前記変位増幅部の変位増幅率αと、前記試験片が破断する前に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp1と、前記試験片が破断した後に電圧Vを印加して測定した前記自由端の変位量Δamp2と、前記測定用梁のバネ定数γと、前記第2支持部のバネ定数γとを用いて、前記電圧Vを印加したときに前記試験片に加わる荷重Pを P=(γ+γ)×(Δamp2−Δamp1)/α で求め、
試験片の伸長量を、印加した前記電圧に対する前記自由端の変位量を示したグラフに現われる屈曲点における前記自由端の変位量を基準として求めることを特徴とする請求項6に記載のナノワイヤ引張試験方法。
The displacement amplifying unit includes a measuring beam to which the measuring cantilever is fixed and both ends are fixed to the base so as to be elastically deformable.
When a DC voltage is applied between the first traction force generation unit and the second traction force generation unit, the contact unit applies a force to substantially the center of the measurement beam,
The measurement cantilever is fixed at a position that is 1/4 of the length of the measurement beam from the center of the measurement beam,
The displacement amplification factor α of the displacement amplification part, the displacement Δamp1 of the free end measured by applying the voltage V before the test piece breaks, and the voltage V after the test piece breaks Using the measured displacement amount Δ amp2 of the free end, the spring constant γ m of the measurement beam, and the spring constant γ 1 of the second support part, the voltage V is applied to the test piece. a load P S applied determined by P S = (γ m + γ 1) × (Δ amp2 -Δ amp1) / α,
7. The nanowire tension according to claim 6, wherein the amount of elongation of the test piece is obtained based on the amount of displacement of the free end at a bending point appearing in a graph showing the amount of displacement of the free end with respect to the applied voltage. Test method.
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