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マイクロ機械構造体の信頼性向上のための単結晶シリコンの破壊特性評価

研究課題

研究課題/領域番号 13J01559
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 機械材料・材料力学
研究機関京都大学

研究代表者

上杉 晃生  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
2,700千円 (直接経費: 2,700千円)
2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2014年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2013年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード単結晶シリコン / 引張試験 / 疲労試験 / MEMS / マイクロ構造 / 結晶異方性 / 高温試験 / 信頼性 / MEMS
研究実績の概要

1.マイクロからナノスケールまでの構造体の破壊特性の評価:
本研究では高温環境で単結晶シリコン微細構造に対して引張試験を行い,構造寸法・周囲温度が破壊強度に及ぼす影響だけではなく,脆性延性遷移温度に対する構造寸法の影響についても評価を行っている.前年度までに開発を行った赤外集光加熱を用いた高温真空引張試験装置を用い,面方位(110)の引張軸方位の異なる試験片の測定に取り組んだ.500 °Cにて高温引張試験を行ったところ,すべりの発生部と試験片の破断部の位置関係に引張軸方位に依存した差異が確認された.<110>方位の試験片ではすべりによって生じたステップの近傍で破壊が始まっており,これは高温下での破壊強度の低下に関係しているものと考えられる.今後,より多様な温度条件の下,引張軸方位だけではなく幅寸法も変更した試験片の高温引張試験を実施する予定である.

2.引張疲労試験:
単結晶シリコンの高サイクル引張疲労特性を短時間で多数計測する手法として,集積化ひずみゲージを用いた並列引張試験方法の開発に取り組んだ.この手法では,並列化による試験片一つ当たりの測定時間の短縮と,測定系の高剛性化による繰返し負荷周波数の向上が期待される.集積したひずみゲージの検証実験では,線形性の良い低ノイズのブリッジ出力電圧が計測され,提案手法の有効性が確認された.また,試験片を5個配列した並列試験の検証実験では各試験片の負荷開始点・破断点がブリッジ出力電圧の変化によって明瞭に示された.測定系の高剛性化によって測定に必要なアクチュエータの変位が低減されており,試作デバイスでは110Hzの引張疲労試験が実現可能である.今後,計測精度向上のための改良を行い,疲労試験を実施する予定である.

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2016 2015 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 3件) 備考 (4件)

  • [雑誌論文] Effect of crystallographic orientation on tensile fractures of (100) and (110) silicon microstructures fabricated from silicon-on-insulator wafers2015

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,菅野公二,土屋智由,田畑修
    • 雑誌名

      Micro and Nano Letters

      巻: 10 号: 12 ページ: 678-682

    • DOI

      10.1049/mnl.2015.0334

    • NAID

      120005712973

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High-temperature tensile testing machine for investigation of brittle-ductile transition behavior of single crystal silicon microstructure2015

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,安富貴浩,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: Vol. 54 号: 6S1 ページ: 06FP04-06FP04

    • DOI

      10.7567/jjap.54.06fp04

    • NAID

      210000145297

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] (110)単結晶シリコン薄膜引張破壊特性に及ぼす表面形態及び結晶方位の影響2013

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生, 平井義和, 菅野公二, 土屋智由, 田畑修
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集A編

      巻: Vol.79 ページ: 1191-1200

    • NAID

      130003374710

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Effect of Crystallographic Orientations on Fractures and Slip Occurrences at 500 °C of (110) Single Crystal Silicon Microstructures2016

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      21st European Conference on Fracture (ECF21)
    • 発表場所
      カターニア(イタリア)
    • 年月日
      2016-06-20
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design Optimization of Integrated Shear Strain Gauge for Single-Crystal-Silicon Parallel Tensile-Testing Device2016

    • 著者名/発表者名
      安田莞司,上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      The 11th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS 2016)
    • 発表場所
      ホテル松島大観荘(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2016-04-17
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Parallel Tensile-Mode Fatigue Testing of Silicon Microstructures with Integrated Piezoresistive Stain Sensors2015

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2015)
    • 発表場所
      富山国際会議場(富山県・富山)
    • 年月日
      2015-11-10
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] (110)単結晶シリコンマイクロ構造の高温引張破壊特性2015

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      日本機械学会 第7回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県・新潟市)
    • 年月日
      2015-10-28
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] ひずみゲージ集積型単結晶シリコンマイクロ構造の並列引張疲労試験2015

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      日本機械学会2015年度年次大会
    • 発表場所
      北海道大学 (北海道・札幌市)
    • 年月日
      2015-09-13
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Size effect on brittle-ductile transition temperature of silicon by means of tensile testing2015

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      The 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2015)
    • 発表場所
      エストリル (ポルトガル)
    • 年月日
      2015-01-19
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Tensile testing in vacuum with concentrated infrared light heating for single crystal silicon mechanical characterization at high temperature2014

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      27th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2014)
    • 発表場所
      ヒルトン福岡シーホーク (福岡県・博多市)
    • 年月日
      2014-11-06
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 単結晶シリコンマイクロ構造の引張応力下における脆性延性遷移2014

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      日本機械学会 第6回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      くにびきメッセ (島根県・松江市)
    • 年月日
      2014-10-20
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 赤外集光加熱を用いた単結晶シリコンマイクロ構造体の真空中高温引張試験2014

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,安富貴浩,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      日本機械学会2014年度年次大会
    • 発表場所
      東京電機大学東京千住キャンパス (東京都・足立区)
    • 年月日
      2014-09-08
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Micro-scale tensile testing of single crystal silicon: the effects of surface damage and crystal orientations on fracture property2014

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生, 平井義和, 土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      2nd Summer School of the German-Japanese University Network HeKKSaGOn
    • 発表場所
      カールスルーエ (ドイツ)
    • 年月日
      2014-09-04
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 単結晶シリコンの高温機械的特性評価に向けた赤外光集光加熱による真空中高温引張試験2014

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      日本実験力学会2014年度年次講演会
    • 発表場所
      兵庫県立大学姫路工学キャンパス (兵庫県・姫路市)
    • 年月日
      2014-08-29
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Brittle-ductile transition of single crystal silicon micro structure under tensile stress below 600 °C2014

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生,安富貴浩,平井義和,土屋智由,田畑修
    • 学会等名
      7th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro/Nano Technologies (APCOT 2014)
    • 発表場所
      テグ (韓国)
    • 年月日
      2014-06-30
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] (100)及び(110)単結晶シリコンにおける引張強度の結晶方位依存性2013

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生, 平井義和, 土屋智由, 田畑修
    • 学会等名
      日本機械学会2013年度年次大会
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2013-09-09
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Fractography Analysis of Tensile Tested (110) Silicon Prepared by Different Surface Mornhology and Crystal Orientations2013

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生, 平井義和, 菅野公二, 土屋智由, 田畑修
    • 学会等名
      ASME 2013 InterPack Conference
    • 発表場所
      サンフランシスコ(アメリカ)
    • 年月日
      2013-07-18
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] EFFECT OF SURFACE MORPHOLOGY AND CRYSTAL ORIEN TATIONS ON FRACTURE STRENGTH OF THIN FILM (110) SI NGLE CRYSTAL SILICON2013

    • 著者名/発表者名
      上杉晃生, 平井義和, 菅野公二, 土屋智由, 田畑修
    • 学会等名
      IEEE Electron Devices Society The 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers 2013)
    • 発表場所
      バルセロナ(スペイン)
    • 年月日
      2013-06-19
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [備考] ひずみゲージ集積型単結晶シリコン並列引張試験(所属研究室ウェブサイトの研究内容に関するWebページ)

    • URL

      http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp/2016/04/paralleltensiletesting/

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [備考] 単結晶シリコンマイクロ構造の高温機械特性(所属研究室ウェブサイトの研究内容に関するWebページ)

    • URL

      http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp/2016/04/htmechpropscs/

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [備考] 単結晶シリコンマイクロ構造の引張強度(所属研究室ウェブサイトの研究内容に関するWebページ)

    • URL

      http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp/2016/04/tensiletestingscs/

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [備考] 京都大学ナノ・マイクロシステム工学研究室ホームページ

    • URL

      http://www.nms.me.kyoto-u.ac.jp

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2014-01-29   更新日: 2024-03-26  

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