JPS6239743A - 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機 - Google Patents

薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機

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JPS6239743A
JPS6239743A JP18010985A JP18010985A JPS6239743A JP S6239743 A JPS6239743 A JP S6239743A JP 18010985 A JP18010985 A JP 18010985A JP 18010985 A JP18010985 A JP 18010985A JP S6239743 A JPS6239743 A JP S6239743A
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JP
Japan
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test piece
load
deflection
membrane
measuring
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Pending
Application number
JP18010985A
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English (en)
Inventor
Yuji Tsukamoto
塚本 雄二
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Publication of JPS6239743A publication Critical patent/JPS6239743A/ja
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  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は薄膜の縦弾性係数を測定する曲げ試験機に関す
る。
(従来の技術) 産業上重要となってきている薄膜の機械的性質の1つと
して縦弾性係数を測定する装置がこれまでいくつか考案
さnてきた。例えば、薄膜・・ンドブック(日本学術振
興会薄膜第131委員会編、オーム社刊(1983))
には薄膜の弾性係数を測定する装置が紹介されている。
当該文献の343頁に記載されているような装置は静電
気励振器と、FM発発振器−はリング変調器の車幅検出
器とからなる薄膜の弾性係数測定機で、一般に振動リー
ド法と呼ばれている。
また同文献の345頁には超音波パルス法による薄膜の
弾性係数測定機が示されておシ、薄膜内部での超音波の
伝播速度が弾性係数によって変化する原理に基づいて弾
性係数を測定するものである。
また、さらに同文献の347頁に説明されているような
引張試験法は通常の引張試験機を用い、薄膜について応
力−ひすみ曲線を測定し、応力−ひすみ曲線の弾性変形
領域から縦弾性係数を求めるものでるる。同じく347
頁に記載されているようなバルジ法は小さな穴の上に薄
膜を張り、膜の表裏に圧力差金与え、膜の膨みから薄膜
内に生じている応力とひずみを測定し、応力とひずみの
関係から弾性係数を算出するものである。
(発明が解決しようとする問題点) 従来の薄膜の弾性係数副定愼および方法が抱えている問
題点を以下に列挙する。
撮動リード法による測定技術に関しては1)試験片には
単独膜を用いたほりが縦弾性係数の測定精度は高いが、
単独膜には完全に平らなことが要求される。しかし、単
独膜はしばしば湾曲し、そのような変形は試験片の撮動
状、態に影響して測定精度全低下させる。
2)単独膜が得難い場合には基板の上に薄膜を形成し、
二這宋慣遺の試験片を用いるが、基板にガラスを用いた
場合にはwJfkiと熾(脇側逆のための゛イ極として
基板の裏面にAIなどの金pAをごく薄く蒸着する必要
がある。
3)単独膜、二重梁試験片いずれを用いた場合にも試験
片の一端f固足するが、−廻による薄膜の破壊、応力の
発生に注言金要する。
4)試験片に振動ケ加んなから測定するため弾性余効の
影=yが無視できず、振動リード法では旨い測定精度が
得難い。
超音波パルス法による測定技術に関しては1)試験片が
単独膜に限定されているため、単独膜が作成しえない薄
膜についての測定は不可能である。
2)超音波振動子と薄膜の接着:(かなりの熟練ケ要す
る。
3)超音波振動子と薄膜の接着部に2ける超音波の減衰
が試験片によって異なるため安定した測定精度が得難い
4)バルクせん断によって剛性率Gを、対称ラム波によ
ってボアノン比νをそれぞれ測定し、縦弾性係数Eは薄
膜が等方性材料であると仮定してE=2G(1+ν)か
ら算出するため、薄膜が異方性のある材料では縦弾性係
数は求められない。
引張試験法による測定技術に関しては 1)一般に試験片は単独膜である1 2)薄膜試駆片を引張試験片に固定する際に膜の破壊や
応力集中が生じないように十分な注意と熟練を要する。
3)薄膜の変形itを直接測定することが困難なので、
薄膜を固定しているグリップ部やクロスヘッド部の移動
量を薄膜の変形量とみなしているため、測定された応力
−変位量の関係は信頼性の面で問題がある。
バルジ法による測定技術t′c関しては1)小さな穴の
上に薄膜を作製する方法が確立されておらず、薄膜の材
料によっては試験片の作製が困難な場合もちる。
以上のように従来り測定法にはいくつかの欠点が存在す
る。
本発明の目的は以下の点金可能なC)シめるル(膜の縦
弾性係数測定川曲は試験機を提供することVこある。
1)基板上に形成したIh膜の縦弾性係数の測定が可能
であり、従来の測定法が必要とする試験片作製上の熟練
性や特殊な技術を必要としない。
2)薄膜が1層以上、すなわち多層膜信造の試数片につ
いても1jllJ定できる。
3)従来の引張試験法や振動リード法のような試験h°
の固定を必要としない。
4)試験片を支持する機構が試験片の曲げ変形に影響を
及ぼさない。
5)精密荷重負g機構と試験片のたわみ童の精密測定に
よって、膜厚以100λから数μmまでの薄膜の縦弾性
係数を高精度で求めることができる。
(問題点を解決するための手段) 本発明の薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機は基板上に
少なくとも1層の薄膜が形成されている試験片を用い、
該試験片に荷重を負荷する/ζめの荷重負荷機構と、試
験片支持機構と、試験片のたわみ量を測定する変位計と
を備えたことで特徴とする。
(作用) 本発明の薄4肇弾性係数測定用曲げ試験機の原理は両端
支持はりの曲げ変形にある。両端を支持されたスパン!
のは9の中央に集中?tf11LPが作用する場合、荷
重点におけるは夛のたわみ量γ。はγ。=P18/48
EIで与えられる。ここで、Eははりを構成する材料の
縦弾性係数、■ははりの断面2次面−メントで幅b、厚
さhの長方形断面のはりであれば I = bh’/1
2 である。いま、幅す。
厚さり、基板上に厚さり、O薄膜が形成された試験片を
はりに用いた場合の荷重点に2けるたわみ量γ1は である。th /ll+ =α、基板が薄膜に比較して
十分厚くαn =6 (n層2)であるとして整理する
と、γは で与えられる したがって、基板の縦弾性係数E。
を本発明の峡弾性測定用曲げ試験機を用いて、わらかし
め求めて分けば、たわみt r+を精密に測定すること
により薄膜の縦弾性係数E、を正確に求めることができ
る。
また、はりが基板を含めてn層の構造、すなわち(n−
1)層の薄膜が形成されている場合には、たわみ童rn
−1は で与えられ、El % b、・・・hn−1を本発明の
曲げ試験機を用いてあらかじめ測定しておけば虱を正確
に求めることができる。
(実施例) 第1図は本発明の縦弾性係数測定用曲げ試験機の一実施
例ケ表わす図で、基板上に薄膜を形成した試験片1は精
密支持機構を有する支点2の上に乗せられており、両湘
支持はりを構成している。
ザファイア製のナイフエッヂ3は精密荷重負荷機構を備
えた荷重負荷部分4の一端に固定されており、“試験片
1の中央に荷重を加える。荷重負荷部分4の上方に取°
付けらルたホトニックグローブ5(商品名)は変位計と
して用いられる。ホトニックプローグ5からの光6は荷
重負荷部分4の上端に乗っている@7に反射して再び該
プローグ5に戻シ、プローブ5と碗7との距離の変位、
すなわち荷重の負荷にともなう試験片1のたわみ量を測
定する。
前記荷重負荷部分4は1岬の精度で試験片に荷重を加え
ることができる。また、ホトニックプローブ5は@7と
して金又はパラジウムをスパッタリング又は蒸着により
ガラス板に被覆したものを用いれば、変位量の測定精度
は読取設定値の0.3%で、感度5c最大にした場合に
はたわみ量0.003μmまでの検出が可能である。
本発明に用いられる変位計としては靜電谷量の変化、電
磁誘導の変化、磁界の変化などを利用する変位計も使用
することができるが、変位量測定に際し荷重が加わるた
めに、t1#度が悪くなること、空気中の湿度の影響を
受は易いことの欠点が[F]る。
そこで、本発明の曲げ試験機に最も適している変位計は
以下に説明するホトニックセンサ(藺品名、米国ホトニ
クス社製)である。ホトニックセンサは光ケーブルから
の光を被測定物に反射させ、反射光の強度変化から変位
を検出するもので、被測定物に非接触状態で高精度の測
定ができる。
本発明に用いられる荷重負荷部分には、精密荷重負荷機
構に低摩擦リニアベアリングを用い、精密に秤量した錘
りを荷重負荷部分に乗せることによって5キの精度で試
験片に荷重を加えることができ、厚さ10IIn1以上
の基板ではこの精度で十分である。また、動ひずみ型荷
重変換器を用いることもでさる構造になっており、この
場合の荷電の測定精度はIIIPである。
不発明に用いられる試験片の精密支持機構金有する支点
にはイオンエツチング法によって仕上げたす7アイア製
のナイフエッヂ、そのナイフエッヂの表面ケチフロン、
二硫化モリブデンでa覆したもの、世い摩俸係数の精密
転がり軸受けを用いることができる。また、支Ig間の
距離、jなわちはりのスパンの長妊をQ、 Q l r
+ur+のM度で変えることができる構造になっている
第2図は本発明の曲げ試験機の一実施例をボアブロック
図である。バーノナルコ/ヒュータ8からの制御信号を
デジタル/アナログ変換器9、定電圧tltoおよび電
圧増巾器11を介して動ひずみ型荷重変換器12に加え
ることにより荷重制御を行う。荷重変換器12からの荷
1信号はアナログ信号として直接X−Yレコーダ13の
X41Iに加えられる。試験片のたわみ量はホトニック
プロ−プ5からの光をホトニックセンサ14で検出し、
その変位量の信号はアナログ信号として直接X −Yレ
コーダ13のY軸に加えられる。
50X10X0.3ミリのガラス基板と、そのガラス基
板上に銀を膜厚3μmμm真空法により被膜した試験片
を作製し、ガラス基板と被覆試験片について第2図と第
3図例示した曲げ試験機で縦弾性係数を測定した。この
測定における荷重の測定精度は10+yJ fcわみ量
の測定精度は0.6μm支点間距離40器であった。こ
の測定においてX−Yレコーダ上に描かれた荷重−たわ
み量線図を第3図に示す。荷重とたわみ量との間には極
めて良好な比例関係が成立している。直線の傾きから求
めたガラス基板の縦弾性係数は5.9 X 10’ 、
9/crl、  銀の縦弾性係は8.2 X 1 o8
(7/i)であった。
第1表はガラス基板上に膜厚0.08μmから3μmま
で銀を真空蒸着法により被覆した試験片についての測定
結果であり、縦弾性係数の膜厚依存性を調べたものであ
る。銀の縦弾性係数は82〜83xxOJl/−の範囲
にあった。
第2表はガラス基板上に銀を膜厚3μmμm真空法によ
り被覆した後、スパッタリング法によってコバルトを膜
厚0.1μmから2,1μmまで被覆した試験片につい
ての測定結果であり、コバルトの縦弾性係数は2.2〜
2.4 X 10”9/dテhツfc。
第  1  表 膜厚(μm) 0.080.140.52 1.2 3
.0第2表 膜厚(μm) 0.100.250.48 1.5 2
.1(発明の効果) 実施例に示したように、薄膜の縦弾性係数を高精度で測
定することができ、多層膜構造の試験片についても測定
可能であることが分る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の曲は試験機の一実施例の構造を示す図
、第2図は曲げ試験機のブロック図の例を示す図、第3
図は荷重−たわみ量線図、第1表、第2表は本発明の曲
げ試験機を用いてIIIIJ定した薄膜の縦弾性係数で
ある。 図において1.試験片 2.支点 3.サファイアナイ
フェツジ4.荷重負荷部 5.ホトニックプロー7’ 
 6.光7゜鏡8.パーソナルコンピュータ9、デジタ
ルノアナログ変換器 10.定電圧電源11、電圧増巾
器 12、動ひずみ型荷重動変換器13、X−Yレコー
ダ 14.ホトニックセンサである。 男 1 図 1、試、F&片 ?、支泄、 3、サラアイアナ4フエツチ゛ 4、謂tr須$r部 5、ホトニ、・、クアローア 6、 ffL 7、機 糖2図 5.ホトニ・ソクプローフ゛ 8、パーソナルコンし1−夕 q、テ゛シ゛“タル/アナログ変訣、器、10、定を圧
電S屏 11、電反増幅嘉 12、を力゛ひT′み雪し町V突巾屹I腎13、x−γ
レコータ゛ ld、ホトとツク乞7す 第 3 図 0     123!5 荷重(砧r)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 基板上に少なくとも1層の薄膜が形成されている試験片
    を用い、該試験片に荷重を負荷するための荷重負荷機構
    部と、試験片支持機構と、試験片のたわみ量を測定する
    変位計とを備えたことを特徴とする薄膜の縦弾性係数測
    定用曲げ試験機。
JP18010985A 1985-08-15 1985-08-15 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機 Pending JPS6239743A (ja)

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JP18010985A JPS6239743A (ja) 1985-08-15 1985-08-15 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機

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JP18010985A JPS6239743A (ja) 1985-08-15 1985-08-15 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機

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JPS6239743A true JPS6239743A (ja) 1987-02-20

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ID=16077578

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JP18010985A Pending JPS6239743A (ja) 1985-08-15 1985-08-15 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03225253A (ja) * 1990-01-31 1991-10-04 Keiai Suzuki 微小押込み形の材料物性試験方法および装置
JPH07325029A (ja) * 1994-05-31 1995-12-12 Nec Corp 薄膜物性評価装置
JP2009036600A (ja) * 2007-07-31 2009-02-19 Kurosaki Harima Corp 弾性率測定方法、弾性率測定装置、及びプログラム
CN106769394A (zh) * 2017-01-16 2017-05-31 重庆大学 轴加载下预应力圆形薄膜最大挠度的确定方法

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