JP4344850B2 - Micro material testing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ材料の機械的性質、例えばその力学的特性を高精度に測定するマイクロ材料試験装置に関するものである。 The present invention relates to a micromaterial testing apparatus that measures the mechanical properties of a micromaterial, for example, its mechanical characteristics with high accuracy.
半導体加工技術の進歩により、マイクロマシン等に用いられる電子デバイスの高集積化、高性能化が進んでいるが、これに伴ってこれらマイクロデバイスの信頼性を向上するためには、その力学特性を高精度に測定評価することが重要である。又これらデバイスの保護膜や機能性薄膜として構成されるシリコン系マイクロ材料の力学特性を評価するには、そのデバイスの性質を微小寸法下で測定し、これによるデータを設計に適用する必要がある。しかし、このシリコン系マイクロ材料、例えば半導体シリコン系薄膜やダイヤモンドライクカーボン薄膜等は、寸法構成が極めて小さく、その力学特性を高精度に評価することは極めて難しい。 Advances in semiconductor processing technology have led to higher integration and higher performance of electronic devices used in micromachines, etc. In order to improve the reliability of these microdevices, the mechanical characteristics have been increased. It is important to measure and evaluate accurately. In addition, in order to evaluate the mechanical properties of silicon-based micromaterials configured as protective films and functional thin films for these devices, it is necessary to measure the properties of the devices under micro dimensions and apply the data obtained in the design to the design. . However, this silicon-based micromaterial, such as a semiconductor silicon-based thin film or a diamond-like carbon thin film, has an extremely small dimensional configuration, and it is extremely difficult to evaluate its mechanical characteristics with high accuracy.
従来、マイクロ材料の力学特性を所謂引張り試験法により測定するマイクロ材料試験装置が提唱されている(特許文献1参照)。図11は、従来例に係るマイクロ材料試験装置80を示す概略斜視図である。図に示すように、マイクロ材料試験装置80は、力学特性を測定すべき試験片81が固着され、該試験片81に引張り又は圧縮荷重を負荷する引張り試験機構82と、荷重が負荷されることで前記試験片81に生じる微小な歪を測定するための走査型プローブ顕微鏡83と、を具備してなるものである。
Conventionally, a micromaterial testing apparatus that measures the mechanical properties of a micromaterial by a so-called tensile test method has been proposed (see Patent Document 1). FIG. 11 is a schematic perspective view showing a
図12は、前記引張り試験機構82を示す概略平面図である。図に示すように、引張り試験機構82は、試験片81を保持するためのチャック部84と、該チャック部84を介して試験片81に引張り荷重や圧縮荷重を負荷する圧電素子アクチュエータ85a,85bと、試験片81への引張り荷重の大きさを検出するロードセル86とを備えている。ここで、圧電素子アクチュエータ85aはチャック部84に超微動を与える微動用アクチュエータ、圧電素子アクチュエータ85bはチャック部84を大きく移動させる粗動用アクチュエータであって、試験片81の力学特性又は測定目的に応じて使い分けるものとなっている。一方、前記走査型プローブ顕微鏡83は、図11に示すように、所謂原子間力顕微鏡であって、先端に探針87が突設されたカンチレバー88を備えてなり、探針87を試験片81の表面に渡って走査し、該探針87と試験片81との間に生じる原子間力を検出することにより試験片81の表面の形状を精密に測定するものである。
FIG. 12 is a schematic plan view showing the
試験片81の測定に際しては、まず、試験片81をチャック部84に取り付け、圧電素子アクチュエータ85a,85bを操作してチャック部84を移動させることにより、試験片81に引張り荷重を負荷する。ここで、試験片81の表面には、微小な格子状のラインパターン89が形成されており、試験片81に引張り荷重を負荷することでこのラインパターン89が変化するものとなっている。このラインパターン89の変化を走査型プローブ顕微鏡83を用いて観察し、これにより試験片81に生じた縦歪及び横歪を計測する。以上より、引張り荷重、縦歪、及び横歪を用いて試験片81のヤング率及びポアソン比を算出することができる。
When measuring the
しかし、従来のマイクロ材料試験装置80では、試験片81に加えられる荷重の大きさを検出するためにロードセル86が用いられているが、このロードセル86は、歪ゲージの電気抵抗が歪に応じて変化することを利用したものであり、その検出感度は1.0グラムオーダ程度しかない。ここで、試験片81の微小な縦歪及び横歪が、走査型プローブ顕微鏡83を用いた観察によりナノメートルオーダで測定されることを考慮すれば、試験片81の力学特性をより高精度に測定するためには、試験片81に加える荷重の大きさをより高精度に検出することが必要とされる。
However, in the conventional
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、マイクロ材料の力学特性を引張り試験法により測定するマイクロ材料試験装置において、試験片に加える荷重の大きさをより高精度に検出可能とすることにより、試験片の力学特性をより高精度に測定可能とする手段を提供する。 The present invention has been made in view of such problems, and in a micromaterial testing apparatus that measures the mechanical properties of micromaterials by a tensile test method, the magnitude of a load applied to a test piece can be detected with higher accuracy. Thus, a means is provided that enables the mechanical properties of the test piece to be measured with higher accuracy.
上記目的を達成するための請求項1の発明は、測定すべき試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、該荷重負荷手段によって負荷される荷重の大きさを検出する荷重検出手段と、を具備してなるマイクロ材料試験装置において、前記荷重負荷手段が、前記試験片の両端部をそれぞれ保持する一対のブロック体と、該各ブロック体を離間又は近接させることで前記試験片に荷重を負荷する荷重負荷部材と、前記各ブロック体のうち一方のブロック体を移動不能に支持する支持部材と、を具備し、前記荷重検出手段が、前記一方のブロック体に生じた歪を検出するカンチレバー機構である。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2の発明は、前記カンチレバー機構は、先端部を前記一方のブロック体の荷重負荷方向端縁に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記カンチレバー本体の基端部に他端が前記支持部材にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるものである。 According to a second aspect of the present invention, the cantilever mechanism includes a cantilever main body disposed with a tip portion in contact with or close to a load-loading direction edge of the one block body, and one end at the base end of the cantilever main body. Piezoelectric element actuators each having an end attached to the support member, a displacement detection unit that detects the amount of bending of the cantilever body, and a servo that controls the voltage applied to the piezoelectric element actuator so as to cancel the bending of the cantilever body Part.
請求項3の発明は、前記カンチレバー機構は、前記一方のブロック体に取り付けられた剛体と、基端部を前記支持部材に固定され先端部を前記剛体に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記一方のブロック体に他端が前記剛体にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるものである。 According to a third aspect of the present invention, the cantilever mechanism includes a rigid body attached to the one block body, and a cantilever main body arranged with a proximal end fixed to the support member and a distal end in contact with or close to the rigid body. A piezoelectric element actuator having one end attached to the one block body and the other end attached to the rigid body, a displacement detector for detecting the amount of bending of the cantilever body, and the piezoelectric so as to cancel the bending of the cantilever body. And a servo unit that controls a voltage applied to the element actuator.
請求項4の発明は、前記荷重負荷手段が前記試験片に対して繰り返し荷重を負荷することによって、前記試験片の疲労強度を測定するものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the fatigue strength of the test piece is measured by the load applying means repeatedly applying a load to the test piece.
本発明に係るマイクロ材料試験装置によれば、測定すべき試験片に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、該荷重負荷手段によって負荷される荷重の大きさを検出する荷重検出手段と、を具備してなるマイクロ材料試験装置において、前記荷重負荷手段が、前記試験片の両端部をそれぞれ保持する一対のブロック体と、該各ブロック体を離間又は近接させることで前記試験片に荷重を負荷する荷重負荷部材と、前記各ブロック体のうち一方のブロック体を移動不能に支持する支持部材と、を具備し、前記荷重検出手段が、前記一方のブロック体に生じた歪を検出するカンチレバー機構なので、試験片に負荷された荷重の大きさを高精度に検出することができ、試験片の力学特性であるヤング率やポアソン比を高精度に測定することができる。 According to the micromaterial testing apparatus according to the present invention, the load loading means for applying a tensile or compressive load to the test piece to be measured, and the load detection means for detecting the magnitude of the load applied by the load loading means. In the micromaterial testing apparatus comprising: a pair of block bodies that respectively hold both end portions of the test piece; and the test piece by separating or approaching the block bodies. A load-loading member that applies a load; and a support member that immovably supports one of the block bodies, and the load detection unit detects strain generated in the one block body. Because it is a cantilever mechanism, the magnitude of the load applied to the specimen can be detected with high accuracy, and the Young's modulus and Poisson's ratio, which are the mechanical properties of the specimen, can be measured with high accuracy. Door can be.
また、本マイクロ材料試験装置によれば、前記カンチレバー機構は、先端部を前記一方のブロック体の荷重負荷方向端縁に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記カンチレバー本体の基端部に他端が前記支持部材にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるので、圧電素子アクチュエータに電圧が印加されて伸縮することにより、カンチレバー本体の位置調整が行われて該カンチレバー本体の撓みが打ち消される。この時、打ち消しに要した電圧を、サーボ部の微小変位出力として測定することにより、カンチレバー本体の撓み量を電圧に変換して検出することができる。このように、印加する電圧当たりの変化量が非常に小さく高分解能な圧電素子を用いてカンチレバー本体の撓み量を測定したことにより、試験片に負荷した荷重の大きさをより高精度に検出することができる。従って、試験片の力学特性をより高精度に測定することができる。 Further, according to the micromaterial testing apparatus, the cantilever mechanism includes a cantilever main body arranged with a tip portion in contact with or close to a load-loading direction edge of the one block body, and one end being a base of the cantilever main body. A piezoelectric element actuator having the other end attached to the support member, a displacement detection unit that detects the amount of bending of the cantilever body, and a voltage applied to the piezoelectric element actuator so as to cancel the bending of the cantilever body And a servo unit that controls the movement of the cantilever body by applying a voltage to the piezoelectric element actuator to expand and contract, thereby canceling the bending of the cantilever body. At this time, the amount of deflection of the cantilever body can be converted into a voltage and detected by measuring the voltage required for cancellation as a minute displacement output of the servo section. In this way, the amount of load applied to the test piece is detected with higher accuracy by measuring the amount of deflection of the cantilever body using a piezoelectric element with a very small change amount per applied voltage and high resolution. be able to. Therefore, the mechanical properties of the test piece can be measured with higher accuracy.
また、本マイクロ材料試験装置によれば、前記カンチレバー機構は、前記一方のブロック体に取り付けられた剛体と、基端部を前記支持部材に固定され先端部を前記剛体に接触又は近接させて配置されたカンチレバー本体と、一端が前記一方のブロック体に他端が前記剛体にそれぞれ取り付けられた圧電素子アクチュエータと、前記カンチレバー本体の撓み量を検出する変位検出部と、前記カンチレバー本体の撓みを打ち消すように前記圧電素子アクチュエータに印加する電圧を制御するサーボ部と、を具備してなるので、圧電素子アクチュエータに電圧が印加されて伸縮することにより、カンチレバー本体の撓みを打ち消すように剛体の位置調整が行われる。この時、打ち消しに要した電圧を、サーボ部の微小変位出力として測定することにより、カンチレバー本体の撓み量を電圧に変換して検出することができる。このように、印加する電圧当たりの変化量が非常に小さく高分解能な圧電素子を用いてカンチレバー本体の撓み量を測定したことにより、試験片に負荷した荷重の大きさをより高精度に検出することができる。従って、試験片の力学特性をより高精度に測定することができる。 Further, according to the micromaterial testing apparatus, the cantilever mechanism is arranged such that the rigid body attached to the one block body, the base end portion is fixed to the support member, and the distal end portion is in contact with or close to the rigid body. A cantilever body, a piezoelectric element actuator having one end attached to the one block body and the other end attached to the rigid body, a displacement detection unit for detecting a deflection amount of the cantilever body, and canceling the deflection of the cantilever body And a servo unit for controlling the voltage applied to the piezoelectric element actuator, so that the position of the rigid body can be adjusted so as to cancel the bending of the cantilever body by applying a voltage to the piezoelectric element actuator to expand and contract. Is done. At this time, the amount of deflection of the cantilever body can be converted into a voltage and detected by measuring the voltage required for cancellation as a minute displacement output of the servo section. In this way, the amount of load applied to the test piece is detected with higher accuracy by measuring the amount of deflection of the cantilever body using a piezoelectric element with a very small change amount per applied voltage and high resolution. be able to. Therefore, the mechanical properties of the test piece can be measured with higher accuracy.
また、本マイクロ材料試験装置によれば、前記荷重負荷手段が前記試験片に対して繰り返し荷重を負荷することにより、試験片の疲労強度を測定することができる。 Further, according to the present micromaterial testing apparatus, the fatigue strength of the test piece can be measured by the load loading means repeatedly applying a load to the test piece.
以下、本発明の実施例1に係るマイクロ材料試験装置について図面に基づいて説明する。図1は、本マイクロ材料試験装置1を示す概略斜視図である。図に示すように、マイクロ材料試験装置1は、測定すべき試験片2が載置される試料台3と、該試料台3上の試験片2に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する引張り試験手段(荷重負荷手段)4と、該引張り試験手段4によって負荷される荷重の大きさを検出する微小荷重検出手段(荷重検出手段)5と、荷重が負荷された時に試験片2に生じる微小歪を測定するための走査型プローブ顕微鏡6と、を具備してなるものである。
Hereinafter, a micromaterial testing apparatus according to
図2乃至図4は、前記引張り試験手段4の構成を示す図であり、図2は概略平面図、図3は図2におけるA−A断面を示す概略縦断面図、図4は図2におけるB−B断面を示す概略縦断面図である。図2に示すように、引張り試験手段4は、測定すべき試験片2が固定されて前記試料台3上に載置される一対のブロック体7と、該一対のブロック体7に対して引張り又は圧縮荷重を負荷する一対の荷重負荷用アクチュエータ(荷重負荷部材)8と、一対のブロック体のうち一方を移動不能に支持する支持部材9と、ブロック体7の移動距離を検出する移動距離検出センサ10と、を備えてなるものである。
2 to 4 are views showing the structure of the tensile test means 4. FIG. 2 is a schematic plan view, FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view showing the AA cross section in FIG. 2, and FIG. It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows a BB cross section. As shown in FIG. 2, the tensile test means 4 includes a pair of
ブロック体7は、図2及び図3に示すように、略直方体の一端部に平面視が略T字型の段落ち部11が形成されてなるベースブロック12と、該ベースブロック12の段落ち部11の上面に載置されたTブロック13とからなるものである。ベースブロック12には、その幅方向両端部に一対の横溝14が形成されると共に、一方の横溝14の端部から他方の横溝14の端部に向かって縦溝15が形成されている。横溝14は、前記荷重負荷用アクチュエータ8を収容するためのものであり、ベースブロック12の長辺に平行するようにそれぞれ形成されている。また、縦溝15は、ベースブロック12の中央部へ向かって逆コの字型に曲折して形成された曲折部15aと、該曲折部15aの両端からベースブロック12の短辺に平行するように形成された直線部15bとを有している。一方、Tブロック13は、その横断面形状がベースブロック12の段落ち部11の平面形状より若干小さいT字型であって、その高さ寸法が段落ち部11の高さ寸法と略等しいものである。このTブロック13は、図3に示すように、段落ち部11の上面に、ベースブロック12と所定間隔の隙間16を空けて載置されている。この時、Tブロック13の高さ寸法が段落ち部11の高さ寸法と等しいため、Tブロック13の上面とベースブロック12の上面とは略面一となっている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
試験片2は、例えば半導体シリコン系薄膜等のマイクロ薄膜材料であって、図2に示すように、本実施例では縦50μm×横100μm×厚さ5μmの薄膜の中央部に幅狭のブリッジ部17を形成している。このブリッジ部17には、微小な格子状のラインパターン18が設けられており、このラインパターン18の変化を前記走査型プローブ顕微鏡6で観察することにより、試験片2に生じた微小な歪を測定することが可能となっている。尚、図に詳細は示さないが、このラインパターン18に替えて、ブリッジ部17に、所定間隔をあけて2個のマークを設け、荷重負荷時における各マーク間の距離の変化を走査型プローブ顕微鏡6で観察することにより、試験片2の微小歪を測定することも可能である。
The
この試験片2は、図2に示すように、その一端部がベースブロック12に、他端部がTブロック13にそれぞれ取り付けられている。より詳細に説明するに、図4に示すように、Tブロック13の端部には、周囲より段落ちした取付段部19が形成される一方、ベースブロック12における前記曲折部15aを挟んだ両側にも、周囲より段落ちした取付段部20,21がそれぞれ形成されている。試験片2は、前記縦溝15の曲折部15a及び前記隙間16を跨ぐようにして、横溝14と平行して配置され、その一端部が取付段部19の上面に、他端部が取付段部21の上面にそれぞれ載置されている。この試験片2の両端部には、該試験片2の上面に当接するようにして鉤形の押圧部材22がそれぞれ配設されており、該各押圧部材22は、ネジ等の固定具23によりベースブロック12及びTブロック13にそれぞれ固定されている。これにより、固定具23を締め付けることで該固定具23によって試験片2は下方に押圧されて位置固定されるので、荷重負荷時に試験片2が位置ズレしないものとなっている。このようにして、試験片2は、ベースブロック12及びTブロック13の厚み方向略中央部に配置され、その両端部がベースブロック12及びTブロック13にそれぞれ固定されている。
As shown in FIG. 2, the
荷重負荷用アクチュエータ8は、図に詳細は示さないが、チューブ状に積層された圧電変換素子に電極が設けられてなり、所謂圧電効果により、電圧が印加されることで伸縮するものである。この荷重負荷用アクチュエータ8は、図2及び図3に示すように、横溝14の内部に配置され、その一端部が横溝14の側壁に、他端部がTブロック13の側壁に接着剤等でそれぞれ固定されている。これにより、該荷重負荷用アクチュエータ8に電圧が印加されて伸縮すると、ベースブロック12とTブロック13には、荷重負荷用アクチュエータ8の軸方向に沿って逆向きの力がそれぞれ作用する。この時、ベースブロック12は、その一端部が支持部材9によって移動不能に支持されているので、Tブロック13がベースブロック12から遠ざかる方向又は近づく方向へ移動し、試験片2に対して引張り又は圧縮荷重が負荷されるものとなっている。また、荷重負荷用アクチュエータ8は、図3に示すように、その頂部がベースブロック12の上面及びTブロック13の上面と同一平面上に位置するように配置されている。このように、荷重負荷用アクチュエータ8をベースブロック12の内部に埋め込むようにして配設したことにより、ベースブロック12及びTブロック13の厚み方向略中央部に配置された試験片2に対して、引張り又は圧縮荷重のみが負荷され、試験片2を上下方向に撓ませる荷重が負荷されにくくなっている。
Although not shown in detail in the drawing, the load-
尚、荷重負荷手段は、本実施例の引張り試験手段4に限られず、例えば、図に詳細は示さないが、2個のブロック部材で試験片2を両側から挟むと共に、一方のブロック部材における試験片2とは逆側の端部に圧電素子アクチュエータを当接させて配置し、該圧電素子アクチュエータに電圧を印加して伸縮させることにより、試験片2に対して圧縮力を負荷する構成としてもよい。
The load loading means is not limited to the tensile test means 4 of this embodiment. For example, although not shown in detail in the drawing, the
前記微小荷重検出手段5は、引張り試験手段4によって試験片2に負荷された荷重の大きさを検出するものであり、図5は、微小荷重検出手段5の構成を示す図である。図に示すように、微小荷重検出手段5は、ベースブロック12に生じた微小な歪を検出するカンチレバー機構24として構成されている。該カンチレバー機構24は、先端部に突設された探針25をベースブロック12に接触させて配置されたカンチレバー本体26と、該カンチレバー本体26に生じる撓みを打ち消すための打消し用アクチュエータ(圧電素子アクチュエータ)27と、カンチレバー本体26の撓み量を検出して変位信号を発する変位検出部28と、変位信号を増幅するアンプ29と、増幅された変位信号に基づいて打消し用アクチュエータ27に印加する電圧をフィードバック制御するサーボ部30と、初期状態におけるベースブロック12の位置調整を行うためのゼロ点調整用マイクロメータ31と、を具備してなるものである。
The minute load detection means 5 detects the magnitude of the load applied to the
カンチレバー本体26は、荷重が負荷されることでベースブロック12に生じる微小な歪を検知するためのものであり、図5に示すように、その先端部に先鋭な形状の探針25が設けられている。このカンチレバー本体26は、その基端部が打消し用アクチュエータ27に取り付けられて片持ち支持されると共に、先端部の探針25をベースブロック12の荷重負荷方向端縁32に接触させて配置されている。これにより、荷重が負荷されてベースブロック12に歪が生じた時に、該ベースブロック12に押圧されてカンチレバー本体26には微小な撓みが生じるものとなっている。尚、本実施例ではカンチレバー本体26の探針25をベースブロック12に接触させているが、探針25をベースブロック12の荷重負荷方向端縁32に近接させて配置し、探針25とベースブロック12との間に作用する原子間力の変化によりカンチレバー本体26に撓みが生じることを利用してもよい。
The cantilever
打消し用アクチュエータ27は、カンチレバー本体26に生じる撓みを打ち消すためのものである。該打消し用アクチュエータ27は、前記荷重負荷用アクチュエータ8と同様の構成・機能を有するものであり、図5に示すように、荷重負荷方向と平行して配置され、その一端部が支持部材9に固定されると共に、他端部にカンチレバー本体26が取り付けられている。この打消し用アクチュエータ27に電圧を印加して伸縮させることにより、カンチレバー本体26の位置を1ナノメートル以下から数マイクロメートルの範囲で調整してその撓み量を制御することが可能となっている。図6は、打消し用アクチュエータ27の動作の一例を示す概略平面図である。図6(a)に示すように、例えば、ベースブロック12に荷重が負荷されて歪が生じた場合、該ベースブロック12に探針25を接触させて配置されたカンチレバー本体26にはdxだけの撓みが生じる。この時、図6(b)に示すように、打消し用アクチュエータ27は前記サーボ部30の制御を受けてdxだけ縮み、カンチレバー本体26がベースブロック12から遠ざかる方向に移動することにより、該カンチレバー本体26の撓みが打ち消されるものとなっている。
The canceling
変位検出部28は、カンチレバー本体26の撓み量を検出するものである。この変位検出部28は、図7に示すように、カンチレバー本体26の表面に貼設された圧電抵抗薄膜33、抵抗R1、抵抗R2、可変抵抗R3、及び電源34によって所謂ウイーンブリッジを構成してなるものである。圧電抵抗薄膜33は、圧電変換素子からなる薄膜状の部材であって、所謂ピエゾ抵抗効果により、応力を受けることで抵抗率が変化するものである。この圧電性抵抗薄膜33をカンチレバー本体26に貼設することで、カンチレバー本体26に撓みが生じるとその撓み量に比例して圧電性抵抗薄膜33の抵抗値が変化するものとなっている。ここで、カンチレバー本体26の撓み量が0の状態、すなわち試験片2に負荷される荷重が0の状態において、変位電圧が0となるように可変抵抗R3の抵抗値を調整しておく。これにより、カンチレバー本体26の撓み量を圧電性抵抗薄膜33の抵抗変化として検出することが可能となっている。
The
図8は、他の実施例に係る変位検出部35の構成を示す図である。図に示すように、変位検出部35は、カンチレバー本体26を振動させる励振用圧電体36と、カンチレバー本体26に取り付けられた圧電性薄膜37と、該圧電性薄膜37から発せられる変位信号を増幅するアンプ38と、変位信号の周波数を測定する周波数検波部39と、を具備してなるものである。励振用圧電体36は、圧電変換素子からなる板状の部材であって、所謂逆圧電効果により、電圧が印加されることで振動するものである。この励振用圧電体36がカンチレバー本体26の基端部に取り付けられている。また、圧電性薄膜37は、圧電変換素子からなる薄膜状の部材であって、所謂圧電効果により、応力を受けることで電圧が発生するものである。この変位検出部35では、図8に示すように、励振用圧電体36、圧電性薄膜37、及びアンプ38によって発振回路Cが構成されている。ここで、カンチレバー本体26に撓みが生じると、圧電性薄膜37から変位信号が発せられ、この変位信号がアンプ38によって増幅されて励振用圧電体36に加えられることにより、励振用圧電体36がディレイ発振するものとなっている。一方、圧電性薄膜37から発せられた変位信号は、周波数検波部39によりその周波数が測定されるものとなっている。ここで、カンチレバー本体26に撓みが生じると、その撓み量に応じて変位信号の周波数が変化するので、カンチレバー本体26の撓み量を変位信号の周波数変化として検出することが可能となっている。
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a
サーボ部30は、カンチレバー本体26の撓み量に基づいて、打消し用アクチュエータ27に印加する電圧をフィードバック制御するものである。即ち、サーボ部30は、図5に示すように、前記変位検出部28,35から発せられた変位信号に基づいて、カンチレバー本体26の撓みを打ち消すように、打消し用アクチュエータ27に印加する電圧を制御する。この時、打ち消しに要した電圧をサーボ部30の変位出力として検出することにより、カンチレバー本体26の撓み量を電圧に変換してナノメートルオーダで測定することができる。このカンチレバー本体26の撓み量とカンチレバー本体26のバネ定数から、試験片2に負荷された荷重の大きさを算出することができ、荷重の大きさをより高精度に測定することが可能となっている。
The
ゼロ点調整用マイクロメータ31は、試験片2に荷重を負荷する前である初期状態において、カンチレバー本体26の撓み量が0となるようにベースブロック12の位置調整を行うためのものである。該ゼロ点調整用マイクロメータ31は、図5に示すように、ベースブロック12に当接して配置された支持部材9に設けられ、その操作により、ベースブロック12の位置を荷重負荷方向に沿って微調整することが可能となっている。このように、初期状態におけるベースブロック12の位置調整を行うのは、圧電変換素子の有するヒステリシス特性を補正するためである。即ち、打消し用アクチュエータ27は圧電変換素子からなり、この圧電変換素子はヒステリシス特性、即ち、印加電圧の昇圧時と降圧時とで素子の変位特性が異なる性質を有している。このため、カンチレバー本体26には、初期状態において位置ズレが生じる場合がある。本実施例では、この位置ズレを補正して、初期状態においてカンチレバー本体26の撓み量が0となるようにベースブロック12の位置調整を行うものとしている。
The zero
前記走査型プローブ顕微鏡6は、所謂原子間力顕微鏡であって、図1に示すように、基端部が片持ち支持され先端部に探針40が突設されてなるカンチレバー41と、探針40をXYZ軸方向に精密走査するスキャナ42とを具備してなるものである。この走査型プローブ顕微鏡6では、探針40が、スキャナ42によって試験片2表面をXY軸方向に走査され、この間、探針40と試験片2との間に作用する原子間力が一定となるようにZ軸方向への走査が制御される。この時、XY軸方向の位置に対応したZ軸方向のフィードバック量をスキャナ42の出力電圧として検出し、これを演算装置を介して3次元画像として画面上に出力することにより、試験片2表面の形状を超精密に測定することが可能となっている。この走査型プローブ顕微鏡6を用い、ここでは詳細な説明は省略するが、試験片2の表面に設けられたラインパターン18の変化を観察することにより試験片2に生じた微小な歪を測定する。この結果に加え、前記微小荷重検出手段5による測定結果、即ち試験片2に負荷した荷重の大きさから、試験片2の力学特性であるヤング率やポアソン比を算出することが可能となっている。図9は、荷重検出手段5によって検出された荷重の大きさPを縦軸に、走査型プローブ顕微鏡6で測定した試験片2の歪量εを横軸にとって両者の関係をグラフにしたものであり、この曲線の勾配dP/dεを求めることにより、試験片2のヤング率を求めることができる。
The
次に、本発明の実施例2に係るマイクロ材料試験装置について図面に基づいて説明する。図10は、本実施例に係るマイクロ材料試験装置50を示す概略平面図である。図に示すように、本マイクロ材料試験装置50も、前記マイクロ材料試験装置1と同様に、引張り試験手段(荷重負荷手段)51と微小荷重検出手段(荷重検出手段)52とを備えてなるものであり、微小荷重検出手段52がカンチレバー機構53として構成されている。該カンチレバー機構53は、ブロック体54の一端部に取り付けられた剛体55と、該剛体55の微小な変位を検知するためのカンチレバー本体56と、該カンチレバー本体56に生じる撓みを打ち消すための打消し用アクチュエータ(圧電素子アクチュエータ)57と、カンチレバー本体56の撓み量を検出して変位信号を発する変位検出部28,35と、変位信号を増幅するアンプ29と、増幅された変位信号に基づいて打消し用アクチュエータ57に印加する電圧をフィードバック制御するサーボ部30と、初期状態におけるベースブロック12の位置調整を行うためのゼロ点調整用マイクロメータ31と、を具備してなるものである。尚、図10において図5と同じ構成については同じ符号を付し、ここでは詳細な説明は省略する。
Next, a micromaterial testing apparatus according to Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a schematic plan view showing the
より詳細に説明するに、図10に示すように、棒状に形成された剛体55は、荷重負荷方向と直交して配置され、その中央部に設けられた取付部58においてブロック体54に取り付けられている。また、カンチレバー本体56は、基端部を前記支持部材9に固定されると共に、先端部に突設された探針59を剛体55に接触させて配置されている。また、一対の打消し用アクチュエータ57が、荷重負荷方向と平行して配置され、一端部をブロック体54の端部に形成された取付溝61の側壁に、他端部を剛体55の一端部に固定してそれぞれ設けられている。
More specifically, as shown in FIG. 10, the rod-shaped
このように構成されるマイクロ材料試験装置50では、ブロック体54に荷重が負荷されると、該ブロック体54に歪が生じることで剛体55が微小に変位し、該剛体55に押圧されてカンチレバー本体56には撓みが生じるものとなっている。このカンチレバー本体56の撓み量が変位検出部28,35によって検出され、変位検出部28,35から発せられた変位信号がアンプ29によって増幅される。サーボ部30は、この増幅された変位信号に基づいて、カンチレバー本体56の撓みを打ち消すように、各打消し用アクチュエータ57に印加する電圧をフィードバック制御するものとなっている。ここで、本実施例の場合、各打消し用アクチュエータ57に電圧が印加されて伸縮することにより、剛体55の両端部に打消し用アクチュエータ57の軸方向への力がそれぞれ作用し、剛体55の位置が微調整される。これにより、カンチレバー本体56と剛体55との間の距離を調整して、カンチレバー本体56に生じた撓みを打ち消すものとなっている。このようにして、カンチレバー本体56の撓み量が一定に制御され、その打ち消しに要した電圧をサーボ部30の変位出力として検出することにより、カンチレバー本体56の撓み量を検出することが可能となっている。
In the
以上述べたように、マイクロ材料試験装置1,50によれば、試験片2に負荷する微小な荷重の大きさをカンチレバー本体26,56を用いて測定するものとし、該カンチレバー本体26,56の撓み量を検出するため、印加する電圧当たりの変化量が非常に小さく高分解能な圧電変換素子を用いて撓み量を電圧に変換して検出している。これにより、カンチレバー本体26,56の撓み量をナノメートルオーダで測定することができ、試験片2に負荷された荷重の大きさ、更には試験片2の力学特性であるヤング率やポアソン比をより高精度に測定することが可能となっている。また、実施例1及び2では、試験片2の力学特性の一例としてヤング率やポアソン比を求めたが、これに限られず、試験片2の疲労強度を求めることも可能である。この場合、荷重負荷手段4として、試験片2に対して引張り荷重を繰り返し負荷できるものを使用し、この荷重負荷手段4によって負荷される荷重の大きさを荷重検出手段5で測定すればよい。
As described above, according to the
1,50 マイクロ材料試験装置
2 試験片
4,51 引張り試験手段(荷重負荷手段)
5,52 微小荷重検出手段(荷重検出手段)
7,54 ブロック体
8 荷重負荷用アクチュエータ(荷重負荷部材)
9 支持部材
12 ベースブロック(一方のブロック体)
24,53 カンチレバー機構
26,56 カンチレバー本体
32,60 荷重負荷方向端縁
27,57 打消し用アクチュエータ(圧電素子アクチュエータ)
28,35 変位検出部
30 サーボ部
55 剛体
1,50
5,52 Minute load detection means (load detection means)
7, 54
9
24, 53
28, 35
Claims (4)
前記荷重負荷手段が、前記試験片の両端部をそれぞれ保持する一対のブロック体と、該各ブロック体を離間又は近接させることで前記試験片に荷重を負荷する荷重負荷部材と、前記各ブロック体のうち一方のブロック体を移動不能に支持する支持部材と、を具備し、
前記荷重検出手段が、前記一方のブロック体に生じた歪を検出するカンチレバー機構であることを特徴とするマイクロ材料試験装置。 In a micromaterial testing apparatus comprising: a load loading means for applying a tensile or compressive load to a test piece to be measured; and a load detection means for detecting the magnitude of a load applied by the load loading means. ,
The load loading means includes a pair of block bodies that respectively hold both end portions of the test piece, a load load member that loads the test piece by separating or approaching the block bodies, and the block bodies. A support member that immovably supports one of the block bodies,
The micro-material testing apparatus, wherein the load detecting means is a cantilever mechanism that detects strain generated in the one block body.
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