DE3000984A1 - Mikrohaertepruefer - Google Patents
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Description
Mikrohärteprüfer
Die Erfindung betrifft einen Mikrohärteprüfer mit einem bei Belastung in eine Probe eindringenden Eindringkörper,
z.B. eine Spitze oder dergleichen, wobei zur
Belastung des Eindringkörpers eine elektrische Einrichtung vorgesehen ist, und die Auflagekraft des Eindringkörpers
zwecks Messung derselben in elektrische Signale umsetzbar
ist. Die derzeit realisierten Mikrohärteprüfer ermöglichen wohl prinzipiell die Messung der Mikrohärte einer Probe,
Jedoch können mit den bis jetzt angewandten Kons trukt ions Prinzipien Auflagedrucke unter 1 χ 10~Τίnicht erreicht
werden.
Belastung des Eindringkörpers eine elektrische Einrichtung vorgesehen ist, und die Auflagekraft des Eindringkörpers
zwecks Messung derselben in elektrische Signale umsetzbar
ist. Die derzeit realisierten Mikrohärteprüfer ermöglichen wohl prinzipiell die Messung der Mikrohärte einer Probe,
Jedoch können mit den bis jetzt angewandten Kons trukt ions Prinzipien Auflagedrucke unter 1 χ 10~Τίnicht erreicht
werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die
Schaffung eines Mikrohärteprüfers für Prüflasten im Bereich von ca. 5x10~5 bis 1x10** N. Dieser Härteprüfer soll
insbesondere für den Einbau in handelsübliche Rasterelektronenmikroskope konzipiert sein, soll sich bei diesen
Schaffung eines Mikrohärteprüfers für Prüflasten im Bereich von ca. 5x10~5 bis 1x10** N. Dieser Härteprüfer soll
insbesondere für den Einbau in handelsübliche Rasterelektronenmikroskope konzipiert sein, soll sich bei diesen
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ohne Montage zusätzlicher Stelltriebe bedienen lassen und
soll die Beobachtung der Eindringspitze während des Versuches und die Untersuchung des Eindruckes unter voller
Ausnützung der Möglichkeiten des Mikroskops ermöglichen.
Das vorgeschlagene Prüfgerät soll wegen seiner präzisen Justierbarkeit, der äußerst geringen Auflagedrucke und der
daraus resultierenden geringen Eindringtiefe der Eindringspitze
vor allem zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von dünnen Schichten, von Pulverkörnern sowie
von feinstrukturierten Pestkörperoberflächen geeignet sein. Sein Aufbau soll konstruktiv einfach und betriebssicher
sein* Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß der Eindringkörper an einem auf einem Montageteil angeordneten Arm befestigt ist, wobei auf dem Arm zumindest
ein Dehnungsmeßstreifen oder eine Mikrokraftmeßdose zur Messung der Auflagekraft des Eindringkörpers befestigt ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auch die in den
Unteransprüchen gekennzeichneten Vorteile näher erläutert werdent
Es zeigen:
Fig. 1 Ein von außen mittels Stelltrieben zu bedienender
Probentisch eines Rasterelektronenmirkoskops; die Bewegungsmöglichkeiten des Tisches x,y,a,ß sind
durch Pfeile angedeutet.
Fig. 2 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit
Fig. 2 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit
Federarm und Dehnungsmeßstreifen. Fig. 3 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit
Federarm und Mikrokraftmeßdose·
Fig. h Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit
geführtem Federarm und Dehnungsmeßstreifen. Fig. 5 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit
geführtem Federarm und Mikrokraftmeßdose. Fig. 6 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit
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U-förmig abgebogenem Federarm und Dehnungsmeßstreifen,
Fig. 7 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit U-förmig abgebogenem Federarm und Mikrokraftmeß-
Fig. 7 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit U-förmig abgebogenem Federarm und Mikrokraftmeß-
dose.
Fig. 8 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch, mit
Fig. 8 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch, mit
Parallelfedernarm und Dehnungsmeßstreifen. Fig. 9 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit
Parallelfedernarm und Mikrokraftmeßdose·
Fig. 10 Mikrohärteprüfer montiert auf dem Probentisch mit schwenkbar gelagertem Arm.
Die Bewegungsmöglichkeiten des Tisches 2 sind durch Pfeile x,y,a,ß in Fig. 1 angedeutet. Der Tischrahmen
ist um den Winkel ß kippbar, der Probentisch 2 in x- und y-Richtung verschiebbar. Die Probenbühne 3 selbst ist um
3600 (Winkel α) drehbar. Auf ihr wird der Probenträger k
mit der Probe befestigt.
Bine Trag- bzw. Grundplatte 5 (Fig. 2) des Härteprüfers
wird auf dem Probentisch 2 befestigt und auf ihr ist die Mikrohärteprüfeinrichtung über eine Rutschkupplung
drehbar um einen Bolzen 6 gelagert. Zur Einstellung der gewünschten Gleitreibung zwischen der Grundplatte 5 und dem
Montageteil 7 dient eine Stellmutter 8 mit einer Druckfeder 9· Am oberen Ende des Montageteiles 7 ist leicht
lösbar eine Blattfeder 11 mit zumindest einem, besser jedoch zwei aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen 12, einem Eindringkörper
13, z,B. eine Diamantspitze, und einem Eisenkern
15 befestigt. Weiters befinden sich auf dem Montageteil 7
eine abgeschirmte Spule 14 (bzw. ein Piezomotor) und ein
Anschlagbolzen 17. Am verdrehbaren Probenträger k ist ein Verstellbolzen l6 montiert.
Die Probe wird in üblicher Weise auf dem Probenträger 4 befestigt, ins Mikroskop eingeschleust und die
gewünschte Probenstelle mit den x-, y-Stelltrieben in die
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Bildmitte gebracht. Zur Positionierung des Eindringkörpers 13 über die gewünschte Probenstelle werden der Anschlagbolzen
17 und der Verstellbolzen 16 durch Drehen der Probenbühne
3 um α zur Berührung gebracht; bei weiterer Drehung um α wird dadurch die Mikrohärteprüfeinrichtung auf der
Grundplatte 5 bewegt und es kann somit der Bindringkörper 13 in Bildmitte gebracht werden. Nach Rückstellung des
α-Triebes in die ursprüngliche Position stehen nun der Bindringkörper 13 und die gewünschte Probenstelle überβin«
ander und in Bildmitte. BdLn Verkippen um den Winkel B laßt einen geeigneten Blickwinkel auf die Probe einstellen.
Mit Hilfe des regelbaren Spulenstromes in der Spule I^
wird aufgrund der Bewegung des Eisenkernes im Magnetfeld der Spule Ik (bzw. mit Hilfe einer variablen Spannung am
Piezomotor) der Eindringkörper I3 an die Probenoberfläche
angenähert und schließlich aufgesetzt. Die erstmalige Durchbiegung der Feder 11 tritt unmittelbar nach dem Aufsetzen
der Prüfspitze ein. Diese Biegung wird mit dem Dehnungsmeßstreifen registriert und liefert somit den
Nullpunkt der Prüflast. Das vom Dehnungsmeßstreifen
gelieferte elektrische Signal ist ebenso ein Maß für die im weiteren elektromagnetisch (oder piezoelektrisch) aufgebrachte
Prüflast, die zu einer weiteren Durchbiegung der Feder 11 führt. Nach erfolgtem Eindruck wird der Spulenstrom
bzw. die Spannung verringert, der Eindringkörper hebt sich von der Probenoberfläche ab und der Eindruck
kann ohne weitere Justierung untersucht, vermessen und
dokumentiert werden. Aufgrund der Bewegungsmöglichkeiten der Probe gegenüber dem Eindringkörper 13 durch die x-, y-
und α-Triebe kann jeder beliebige Punkt einer ca. 1,5 cm großen Probenoberfläche zur Härtemessung ausgewählt
werden. An sich besteht auch die aufwendigere Möglichkeit der Anordnung weiterer eigener Stelltriebe für die Verstellung
bzw. Verschwenkung des Eindringkörpers in bezug auf die Probe, bzw. die Verwendung der vorhandenen x-,y-Triebe.
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Nach, einer einmaligen Adaptierung des Probentisch.es
2 bedarf der Einbau des Mikrohärteprüfers nur
weniger Minuten: Der Montageteil 5 wird z.B. entweder mit Schrauben oder durch eine spezielle Führung am Probentisch.
2 befestigt und die elektrischen Verbindungen für Spulenstrom bzw· Spannung und die Signalleitungen der
Dehnungsmeßstreifen 12 werden durch Steckkupplungen über
eine Vakuumdurchführung hergestellt. Eine Vorjustierung des
Eindringkörpers 13 ist nicht nötig«
Der Probenwechsel ist ohne Schwierigkeiten durchführbar, da der Abstand zwiysehen Probenoberfläche und
Eindringspitze 13 in der Ruhelage der Feder 11 (stromlose
Spule) ca. 3 - k mm betragen kann.
Die Kalibrierung der elektrischen Prüflastanzeige
mittels des Dehnungsmeßstreifens auf einer Biegefeder kann z.B. mit einem Gewichtssatz oder auf einer Mikrowaage
-5 mit einer Genauigkeit von ca. +_ 5 x 10 N durchgeführt
werden, eine Änderung des Meßbereiches erfolgt durch Auswechseln der Blattfeder 11. Für sehr große Meßbereichsänderungen können auch die Spule lh und/oder der Eisenkern
15 (oder der Piezomotor) ausgewechselt werden. Der Eindringkörper 13 kann je nach Prüfart als Pyramide, Kegel,
Kugel oder Schneide ausgebildet werden. Durch eine Schraubverbindung ist er am Blattfederende befestigt und daher
leicht auswechselbar.
Fig. h zeigt einen Mikrohärteprüfer, bei dem die
Feder zur Vermeidung eines Ausweichens des Eindringkörpers 13 aufgrund der Federdurchbiegung während des Eindringens
zu beiden Seiten des Probenträgers h gelagert ist. Auf dem Montageteil 7* ist eine weitere Spule lh· mit einem
weiteren an der Feder 11· befestigten Kern 15' (bzw. ein
weiterer Piezomotor) vorgesehen. Zwei weitere Dehnungsmeßstreifen 12' dienen zur Verbesserung der Meßgenauigkeit.
Die Signale der Dehnungsmeßstreifen 12' können getrennt
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oder gemeinsam (Serianschaltung) mit denen des Dehnungsmeßstreifens
12 ausgewertet werden. Die Anordnung ist insgesamt um den Bolzen 6 der Rutschkupplung verschwenkbar,
um den Eindringkörper, wie eingangs beschrieben, mittels des α-Triebes, bzw. des x-, y-Triebes, bzw. zusätzlicher
x-, y-Triebe, über der Probenoberfläche verstellen zu können.
In Fig. 6 ist die Feder 18 am Ende U-förmig abgebogen und trägt am abgebogenen Schenkel den Eindringkörper
13· Durch entsprechende Materialauswahl bzw. Längen und Steifigkeiten kann wiederum das Auswandern des Eindringkörpers
ausgeschaltet werden. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Feder 18 mittels Spule Ik und Bisenkern 15
oder eines piezoelektrischen Motors der Probe angenähert werden. Es sind vorteilhafterweise wieder zwei gegenüberliegende
Dehnungsmeßstreifen 12 vorgesehen, deren Signale in einer Brückenschaltung ausgewertet werden.
Fig. 10 zeigt einen Mikrohärteprüfer mit einem
starren, gelenkig gelagerten Arm 21, an dessen Ende eine Mikrokraftmeßdose 20 befestigt ist, welche die Eindringspitze
13 trägt und die der Auflagekraft entsprechende elektrische Signale abgibt. Der starre Arm 21 kann wiederum
mittels einer Spule Ik und eines Kernes 15 oder eines
Piezomotors der Probenoberfläche angenähert werden. Dasselbe
Prinzip der Kraftmessung mittels einer Mikrokraftmeßdose kann auch bei einem Mikrohärteprüfer der eingangs beschriebenen
Varianten mit Federarm anstelle des Dehnungsmeßstreifens angewandt werden (Fig. 3, Fig. 5, Fig. 7). Der
Eindringkörper kann an der Feder bzw. der Mikrokraftmeßdose angeschraubt, geklebt oder anderswie befestigt sein.
Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführung des Federarms durch Verwendung von zwei parallelen, nach Art
eines Parallelogrammlenkers verbundenen Federn ZZ,2J1
wodurch wiederum das Auswandern der Eindringspitze 13
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während des Eindringens verhindert wird. Die Kraftaufbringung
kann durch einen Elektromagnet lh (oder einen
Piezomotor), die Kraftmessung durch Dehnungsmeßstreifen oder durch eine Kraftmeßdose 20 (Fig. 9) erfolgen.
-7-
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/M
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Claims (1)
- •'ΊΟ TZLoutt ?L*-'tziiη i_tntfέ-r-p fit/spe-fa ts s. ch '<Dipl.»Ing· Hubert AschingerDr, Herwig BangertDr, Ekkehard Kubas taDr, Elmar TscheggDr, Alfred WagendristelPatentansprücheil) Mikrohärteprüfer mit einem bei Belastung in eine Probe eindringenden Eindringkörper (l3)» z.B. einer Spitze oder dergleichen, wobei zur Belastung des Eindringkörpers (13) eine elektrische Einrichtung vorgesehen ist, und die Auflagekraft des Eindringkörpers zwecks Messung derselben in elektrische Signale umsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindringkörper (13) an einem auf einem Montageteil (7»7*) angeordneten Arm (11;11·; I8j21;22,23) befestigt ist, wobei auf dem Arm (11;11·{ 18;21;22,23) zunächst ein Dehnungsmeßstreifen (12;12·) oder eine Mikrokraftmeßdose (20) zur Messung der Auflagekraft des Eindringkörpers (13) befestigt ist.2. Mikrohärteprüfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm eine im Montageteil (7;7*) eingespannte Feder (ll) ist (Fig. 2,3).3. Mikrohärteprüfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nichteingespannte Ende der Feder (11·) am Montageteil (7·) geführt ist (Fig. **,5).4. Mikrohärteprüfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Eindringkörper (13) tragende Ende der Feder (l8) U-förmig zurückgebogen ist (Fig. 6,7).5* Mikrohärteprüfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm aus zwei parallelen, nach der-1-030031/085SArt eines Parallelogrammlenkers verbundenen, am Montageteil (7) befestigten Federn (22,23) besteht (Fig. 8,9).6. Mikrohärteprüfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm ein am Montageteil (7) schwenkbar gelagerter Hebel (21) ist (Fig. IO).7. Mikrohärteprüfer nach einem der Ansprüche 2, 3, h oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Auflagekraft zumindest zwei Dehnungsmeßstreifen (l2;12*) vorgesehen sind, welche auf der Feder paarweise, einander gegenüberliegend, angeordnet sind (Fig. 2,4,6,8).8. Mikrohärteprüfer nach einem der Ansprüche1 bis 7f dadurch gekennzeichnet, daß der Montageteil (7»7') auf einem am Probentisch (2) eines Elektronenmikroskops, der eine Verschiebung in x- und y-Richtung, eine Rotation und eine Verkippung der Probe ermöglicht (Fig. l), befestigbaren Träger, z.B. einer Tragplatte (5), verschwenkbar gelagert ist.9. Mikrohärteprüfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Montageteil (7;7') mittels einer Kupplung, insbesondere einer Rutschkupplung, auf der Tragplatte (5) befestigt ist.10. Mikrohärteprüfer nach Anspxuch 9» dadurch gekennzeichnet, daß auf dem verschwenkbaren Montageteil (7;7') ©in Anschlagbolzen (l7) «nd an der Probenbühne (3) oder dem Probenträger (k) ein Verstellbolzen (l6) vorgesehen ist, wobei bei Verdrehung der Probenbühne (3) bzw. des Probenträgers (k) der Verstellbolzen (l6) in Anlage an den Anschlagbolzen (17) gebracht wird und bei weiterer Verdrehung der Probenbühne (3) bzw. des Probenträgers (k) der Verstellbolzen (l6) den Anschlagbolzen (17) und somit den am Montageteil (7;7') befestigten Mikrohärteprüfer verschwenkt.11. Mikrohärteprüfer nach Anspruch S1 dadurch-2-030031/06 5 5gekennzeichnet, daß der Verstellbolasen (l6) am Probentisch (2) angeordnet ist und aufgrund einer Verschiebung in x.- oder y-Richtung den Anschlagholzen (l?) verstellt»12· Mikrohärteprüfer nach einem der Ansprüche1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Einrieb.· tung eine auf den Arm einwirkende elektromagnetische Spule oder ein Piezomotor vorgesehen ist»13. Mikrohärteprüfer nach einem der Anspruch® 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Feder oder dem Arm ein Eisenkern befestigt ist, der in eine, s.B. auf dem Montagewinkel angeordnete Spule ragt und bei StromfluB durch die Spule in diese hineinziehbar ist.lh, Mikrohärteprüfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Feder oder dem starren Arm ein z.B. am Montagewinkel befestigter piezoelektrischer Motor angreift, der bei Spannungsänderung aufgrund seiner Kontraktion den Eindringkörper der Probenoberfläche annähert.15· Mikrohärtepriifer nach einem der Ansprüche 1 bis lht dadurch gekennzeichnet, daß eine den Stromdurchfluß durch die Spule bzw. die Spannung am Piezomotor regelnde Einrichtung, z.B. eine regelbare Stromquelle bzw. eine regelbare Spannungsquelle, vorgesehen ist..16. Mikrohärteprüfer nach einem der Ansprüche 1 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Spule zum Anziehen des Eisenkernes in eine Spule zur Grob- und eine Spule zur Feineinstellung des Stromflusses bzw. der Belastung unterteilt ist.-3-030031/0655
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GB (1) | GB2042185B (de) |
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