サブミクロンサイズの超微小試験片用汎用材料試験装置の開発

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12555186
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 肥後 矢吉 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (30016802)
• 研究分担者: 石山 千恵美 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (00311663) ; 下条 雅幸 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (00242313) ; 高島 和希 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教授 (60163193) ; 宮下 輝雄 日本軽金属株式会社, 技術開発本部, グループ技術センター長
• キーワード: 次世代型超アイクロマシン / 汎用微小材料試験装置 / サブミクロンサイズ / MEMS(Micro Electro Mechanical System)

研究概要

次世代型超マイクロマシンあるいはMEMS(Micro Electro Mechanical System)等の超高密度集積デバイスは幅広い分野での応用が期待されているが、このようなマシンに使用される部品のサイズは、最小でミクロン以下のサブミクロンオーダーとなる。そこで、申請者らは、現在までに50μm程度のサイズの試験片に対して繰り返し負荷が与えられる材料試験機を世界に先駆けて開発してきたが、この試験機ではサブミクロンサイズ以下の試験片に対しては対応が困難であり、サブミクロンサイズの試験片に対する新たな汎用材料試験機の開発が必要とされる。
そこで本研究では、サブミクロンサイズの金属材料に対して繰返し負荷を直接与えることができる汎用材料試験装置を開発し、寸法をサブミクロンまで小さくしたときの材料の強度・破壊靭性から耐久性までを、一連に評価できる材料評価法を確立することを目的としている。
本年度は、サブミクロンサイズの前段階として、ミクロンサイズの超微小寸法試験片の加工法の確立とその試験片に対する汎用材料試験装置の開発を行った。試料は、結晶異方性がなく耐食性にも優れているために超マイクロマシン用材料として期待される、アモルファス合金の薄膜を用いた。収束イオンビーム加工機用いて、片持ち梁型の曲げ試験片として、ミクロンサイズの試験片を切り出した。試験片の加工と同時に、このサイズの試験片に対して繰返し負荷が可能な試験機の開発を進めた。試験機の原型としては、現有の微小材料試験機(試験片の寸法は30μm程度)を利用して、これに以下の改良を加えた。まず、アクチュエータとして、磁歪素子を使用し、最小5nmの分解能で変位を制御した。また、試験片の負荷位置を制御するためのX-Yステージ用に、0.1μmの位置精度を保証するために電源部を改良し、さらに荷重分解能を向上させるために、微小荷重測定装置を高精度なものに射れかえることによって荷重分解能10μNで荷重の計測を行うことが可能となった。
以上の開発を施した試験装置を用いて、超微小サイズ試験片を作成し所要の精度が得られることを確認した。

研究成果

• [文献書誌] R.Tarumi,A.Ogura,M.Shimojo,K.Takashima,Y.Higo: "Molecular dynamics simulation of crystallization in an amorphous metal during shear deformation"Jpn.J.Appl.Phys.. 39・6B. L611-L613 (2000)
• [文献書誌] M.Shimojo,T.Inamura,T.H.Myeong,K.Takashima,Y.Higo: "Formation of Nano-Sized Martensite Particles in Stainless Steels"Metall.Mater.Trans.A. (in press).
• [文献書誌] K.Takashima,Y.Higo,S.Sugiura,M.Shimojo: "Fatigue crack growth behavior of micro-sized specimens prepared from an electroless plated Ni-P amorphous alloy thin film"Mater.Trans.JIM. (in press). (2000)
• [文献書誌] Y.Higo,K.Takashima,M.Shimojo,S.Sugiura,M.V.Swain: "New equipment for evaluating performance of microelements on MEMS"Proc.3rd Int.Conf.and Poster Exhibition Micro Materials (MicroMat 2000). 997-1000 (2000)
• [文献書誌] A.Ogura,Y.Ichikawa,M.Shimojo,K.Takashima,Y.Higo,M.V.Swain: "Fatigue life and crack growth properties of micro-sized Ni-P amorphous alloy specimens"Proc.3rd Int.Conf.and Poster Exhibition Micro Materials (MicroMat 2000). 574-577 (2000)
• [文献書誌] K.Takashima,S.Maekawa,Y.Ichikawa,M.Shimojo,Y.Higo,S.Sugiura,M.V.Swain: "Fracture and fatigue behavior of micro-sized amophous alloy specimens"Proc.3rd Int.Conf.and Poster Exhibition Micro Materials (MicroMat 2000). 32-35 (2000)