顕微領域力学試験 ナノインデンテーション

ナノインデンテーションとは

ナノインデンテーションとは、平らな試料表面にピラミッド型の圧子を押込み、ナノオーダーの高精度で変位、加重を制御することで試料の硬度を計測する手法で、取得データから、極小領域での試料の硬度、弾性率等の機械特性を導出することができます。ナノインデンターは上記の試験を行うための試験機で、電子顕微鏡に装着して使用することで材料のクリープ試験や破壊試験、疲労特性や複雑な組成挙動の研究にも活用が期待されます。圧子の形状や動作を変えることで、圧縮、引張り、引掻き等様々な試験にも使用できます。

インデンテーション(押込)試験の例

インデンテーション(押込)

圧縮試験の例

圧縮

スクラッチ(引掻き)

スクラッチ(引掻き)

ナノインデンテーション Tensile

テンシル(引伸し)

特徴

MEMSベースのナノインデンターは、20年以上にわたる技術革新を活用して、高い解像度、再現性、動的応答を特徴としています。また、豊富に用意されたインデンター圧子をオプションとして用意しており、様々な研究分野への応用を実現しています。



ナノインデンテーション 特徴
  • 高精度な荷重・変位制御
  • 測定部を観察しながらのリアルタイム (In-situ) 試験、データ取得
  • 圧縮、押込み、引張り、引掻き、疲労など多彩な試験
  • 高荷重試験、長時間試験でも安定した測定
  • 電圧印加、加熱しながらの応力試験

用途

極めて高い感度、分解能、および再現性の高さを有しながら、検出素子の小型化を実現。冶金、薄膜、マイクロシステムテクノロジーなどの各分野向けのアプリケーションがございます。



ナノインデンテーション 用途
  • 鉄・金属
  • 薄膜
  • セラミックス
  • ナノファイバー・ナノチューブ
  • 面内および面外のMEMS剛性試験
  • マイクロファイバー
  • マイクロアッセンブリ

用途例

MEMS・NEMSテスト

■面内および面外MEMS剛性試験
MEMSチップ上の吊り構造の機械的剛性を正確に定量化するために、面内および面外の圧縮試験を行います。 ナノインデンターを用いて、吊り下げられた各構造に垂直に力を加え、結果として生じる変形を記録してゆきます。 力と変形のデータから、MEMS構造の剛性、バネの直線性、ヒステリシス、再現性を定量化します。 面内試験中は微小ギャップ内で力を加える必要があります。この場合は、オプションである横方向の微小センシングプローブを使用します。接触チップは狭いギャップ内に配置されており、水平方向の力を加えることができる形状となっております。

■MEMS構造の疲労試験
稼働構造を有するMEMS構造体の寿命と故障を評価するため、インデンターを疲労試験機として使用できます。
この場合は、吊り構造に対して繰り返し荷重(力制御)を適応します。結果として生じる、力対変形のデータを継続的に監視することで、亀裂の開始や伝播など材料の変化を検出できます。

マイクロ引張試験

■マイクロファイバーは、複合材料、フィルター、組織工学、創傷包帯、繊維製品など各業界において非常に有望視されている素材です。そのため、機械的挙動(剛性、弾性変形範囲、極限強度、靭性等)についての定量的な性能を把握することは重要です。

■シリカ繊維のマイクロスケール引張試験
ナノインデンターを使用することで、サンプル調製と引張試験の両方を実行できます。FemtoTools Software Suiteの「引張試験」機能を使用して、ファイバーはまっすぐになるまで引っ張られてから、さらに引き伸ばされます。剛性、伸び、最大降伏強度、最大伸びを測定可能。弛緩挙動は、繊維を伸ばし、位置を一定に保ちながら力を測定することにより分析されます。多数のロードおよびアンロードのサイクル後の剛性と繊維の伸びの変化を測定するために、周期的なテストを行います。

In-Situ(その場試験) SEM材料試験

■FT-NMT04は、超高荷重および変位分解能とその場SEM観察を組み合わせることにより、特定のサブミクロンスケールの微細構造特性の機械的特性を測定し、パイルアップ、スリップバンド、および亀裂の形成を直接視覚化することができます。標準的なナノインデンテーションは、除荷の開始時に測定データを取得しますが、連続剛性測定(CSM)を使用すると、硬さと弾性率の両方を圧子の侵入深さの関数として記録できます。

■高い荷重と変位の分解能を有するFT-NMT04を使用したCSMナノインデンテーションにより、浅い侵入深さと可塑性の開始からバルク材料への機械的応答の進化を定量化できます。高調波周波数範囲(最大500Hz)と高速データ取得レートの組み合わせにより、材料の粘弾性および粘塑性挙動の前例のない定量的動的機械分析が可能になります。

マイクロハンドリング・組み立て

■3Dマイクロパーツの組み立て
標準的な微細加工プロセスは平面加工に限定されており、複雑な3次元構造の作成はできません。また、異なる材料の、特定の組み合わせのみが可能であり、微細加工デバイスおよびシステムの機能は制限が加わります。真の3次元ハイブリッド微小電気機械システム(MEMS)の開発には、マイクロアセンブリが必要です。

■生物医学用途では、軟磁性の電気めっきニッケル構造を3次元形状に組み立てる必要があります。この組立作業には、FT-MTA02マイクロメカニカル試験および組立ステーションが最適です。ハンドリングプロセスの信頼性を向上させるために、グリップ力のクローズドループコントロールを使用します。組み立てられた部品はシリコンベースのマイクロセンサーと組み合わされます。

システム構成例

ナノインデンテーション 用途
  • FT-S MICROFORCEセンシングプローブ(+/- 200 µN 〜 +/- 200’000 µN 等各種レンジ)
  • ナノ引張試験チップ
  • 各種ステージ
  • In-Situ SEMサンプルヒーター

製品ラインナップ

主な仕様

 

単体機 FT-MTA03

SEM装着機 NMT-03※取扱終了

SEM装着機 NMT-04
稼働軸数 5 3 3
動作方式 ピエゾ素子によるスティックスリップ ピエゾ素子によるスティックスリップ ピエゾ素子によるスティックスリップ
XYZ作動範囲 - 12 mm x 21 mm x 12 mm 21 mm x 12 mm x 12 mm
最小増分モーション

20nm

1nm 1nm
作動範囲 20nm 25nm 25nm
最大の力範囲 ± 200 mN( FT-S200’000 Microforce Sensing Probe仕様時) ± 200 mN( FT-S200’000 Microforce Sensing Probe仕様時)

± 200 mN( FT-S200’000 Microforce Sensing Probe仕様時)

本体寸法 440mm×430mm×460mm 100mm×35mm×71mm 120mm×44mm×72mm

よくある質問

  • ■圧子の種類はどのようなものがあるの?
  • ■インデンターの装着にあたって改造は必要?
  • ■加熱、冷却しながらのインデントに対応した機種は?
など、よくある質問をまとめています。下記のボタンよりご覧ください。

関連製品のご紹介