JP4448932B2 - 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 - Google Patents
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Description
(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g1が先端ギャップの間隔g2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。
(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g1が先端ギャップの間隔g2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。
Δamp≒Δm×{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Δm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。
(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。
F(V)=PS+(γm+γ1)×Δamp1/α+γ2g1 ・・・(式2)
ここで、Fは静電引力、PSは試験片Sの引張応力、γ1は4本の支持用梁31のバネ定数、γ2は梁23のバネ定数、γm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、g1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。
F(V)=(γm+γ1)×Δamp2/α+γ2g1 ・・・(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。
PS=(γm+γ1)×(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、Imを測定用カンチレバー41の断面2次モーメント、I1、N1及びL1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、γm=3EIm/(Lm1)3 、γ1=12EI1N1/(L1)3 である。
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
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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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γmと、前記第2支持部のバネ定数γ1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PSを PS=(γm+γ1)×(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。 - 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γmと、前記第2支持部のバネ定数γ1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PSを PS=(γm+γ1)×(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。
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