DE3000984A1

DE3000984A1 - Mikrohaertepruefer

Info

Publication number: DE3000984A1
Application number: DE19803000984
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl Ing Aschinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-01-18
Filing date: 1980-01-12
Publication date: 1980-07-31
Also published as: AT359315B; FR2447025A1; GB2042185B; FR2447025B3; ATA36179A; GB2042185A; US4304123A

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.

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

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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

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-

dose.
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.

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Leerseite

Claims

•'ΊΟ TZLoutt ?L*-'tziiη i_tntfέ-r-p fit/spe-fa ts s. ch '<

Dipl.»Ing· Hubert Aschinger

Dr, Herwig Bangert

Dr, Ekkehard Kubas ta

Dr, Elmar Tschegg

Dr, Alfred Wagendristel

Patentansprüche

il) 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

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Art 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 Ansprüche

1 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

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gekennzeichnet, 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 Ansprüche

1 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 lh_t 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.

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