アクチュエータ内蔵マイクロエレメント特性評価試験片の開発と動的環境強度特性評価

内置执行器及动态环境强度特性评价微元特性评价试件研制

• 批准号: 15760059
• 负责人: 田中 和人
• 金额: $ 2.3万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15760059/
• 关键词: マイクロマテリアル; マイクロマシン; ポリシリコン薄膜; 機械的特性; 引張試験; 疲労試験; 非接触ひずみ測定; 有限要素解析; 微小部ひずみ測定

マイクロマシンの実用化は,機械としての信頼性を確保した上ではじめて成り立つものである.とくに,近年では,Si単結晶ウエハなどを用いたバルクマシーニングに加え,ポリシリコン薄膜などの薄膜も構造材料として用いられるようになってきているが,これらの機械的特性あるいは疲労破壊特性については,標準的試験法すら確立されていない.マイクロエレメントの強度特性評価を行う場合に最も困難な点は,試験片のチャッキングである.圧子により荷重を負荷する曲げ試験は,試験片のチャッキングの問題を回避することができるため従来から多く適用されているが,応力勾配が存在すること,試験片と圧子の接触部で破壊することなどの問題がある.一方,微小な荷重を精度よく負荷できる試験機を用いた引張試験を用いて,静電チャックにより試験片を保持し,機械的特性評価も進められつつあるが,静電チャックでは,チャック部分のすべりが生じるため,疲労破壊特性評価には適さない.そこで,本研究では,ポリシリコン薄膜を対象として,接着剤によりチャッキングを行い,繰返し荷重下での疲労試験が可能なマイクロエレメント特性評価試験片を開発し,これを用いた引張試験によりポリシリコン薄膜の機械的特性評価を行った.さらに,乾燥空気中,実験室空気中,水中において疲労試験を実施し,ポリシリコン薄膜は,引張変動荷重下で水の影響を受けて破壊することを明らかにした.また,結晶粒径や結晶方位分布が,ポリシリコン薄膜のヤング率に及ぼす影響を,ボロノイ分割により作成した有限要素モデルを用いて検討した.それぞれの結晶粒に対してランダムに結晶方位を与えた場合は,解析領域内に含まれる粒子数が増加するにつれ,異方性による影響を受けにくくなり,平面ひずみモデルにおいてはヤング率は170GPaあたりに収束するのに対して,3次元モデルでは,ヤング率は160GPa程度になることを示した.

仅在确保作为机器的可靠性时，微型机器的实际应用才有可能。尤其是近年来，除了使用Si单晶晶圆的散装加工外，诸如Polysilicon薄膜等薄膜也已被用作结构材料，但是尚未确定这些机械或疲劳裂缝特性。评估微元素强度特征时，最困难的部分是测试样品的chuck。过去施加了装有凹痕的载荷的弯曲测试，因为它们可以避免样品的碎屑问题，但是存在等问题，例如存在应力梯度并在样品的接触部分和凹痕处断裂。另一方面，使用可以准确加载小载荷的测试仪使用拉伸测试，静电CHUCK持有样品和机械性能。然而，在静电中，卡盘会在卡盘中滑倒，导致疲劳失败。因此，在这项研究中，我们开发了一个微元素表征测试试样，可以在重复载荷下用粘合剂和疲劳测试搅动，并通过拉伸测试评估了多硅薄膜的机械性能。此外，在干空气，实验室空气和水中进行了疲劳测试，并揭示了在拉伸波动载荷下水的影响下多硅薄膜受损。此外，使用Voronoi Division创建的有限元模型研究了晶体晶粒尺寸和晶体取向分布对Young薄膜模量的影响。当给出每个晶粒的随机晶体取向时，随着分析区域内包含的颗粒数量的增加，它的可能性较小，而在平面菌株模型中，它的可能性较小，而在平面菌株模型中，Young的模量在170 GPA左右收敛，而在3D模型中，Young的模量在160 GPA左右。

项目成果

Influences of Stress Waveform and Wet Environment on Fatigue Fracture Behavior of Aramid Single Fiber

应力波形和潮湿环境对芳纶单纤维疲劳断裂行为的影响

• 发表时间: 2004
• 期刊: Composites Science and Technology 64(10-11)
• 作者: 田中和人;田中和人;箕島弘二;箕島弘二;Kazuto Tanaka
• 通讯作者: Kazuto Tanaka

箕島弘二: "薄膜マイクロエレメント機械的特性評価システムの開発"日本材料学会第52期学術講演論文集. 305-306 (2003)

Koji Minoshima：“薄膜微元件力学性能评估系统的开发”日本材料学会第52届学术会议论文集305-306（2003）。

ポリシリコン薄膜微小素子の曲げ負荷による機械的特性評価

弯曲载荷评价多晶硅薄膜微元件的机械性能

• 发表时间: 2004
• 期刊: M&M2004材料力学カンファレンス講演論文集
• 作者: 田中和人;田中和人;箕島弘二
• 通讯作者: 箕島弘二

田中和人: "アラミド単繊維およびアラミド繊維/エポキシ樹脂界面の破壊特性に及ぼす水環境効果"M&M2003材料力学部門講演会講演論文集. 03-11. 763-766 (2003)

Kazuto Tanaka：“水环境对芳纶单纤维和芳纶纤维/环氧树脂界面断裂性能的影响”M&M2003 材料力学分部讲座论文集 03-11 (2003)。

顕微ラマン分光によるアラミド単繊維引抜き過程の繊維応力分布測定とFEM解析

使用显微拉曼光谱测量芳纶单纤维拉丝过程中的纤维应力分布和有限元分析

• 发表时间: 2004
• 期刊: M&M2004材料力学カンファレンス講演論文集
• 作者: 田中和人;田中和人
• 通讯作者: 田中和人