マイクロマシン用シリコン微小材料の疲労特性に関する研究

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マイクロマシンの微小機構は通常の機械部品と比較して高速高サイクルの負荷が作用する.マイクロマシンの実用化信頼性向上に欠かせない疲労特性については未知の領域である.本研究では微小素材(シリコン単結晶)の高速高サイクル疲労試験が可能な微小材料疲労試験機の開発を目的とする.試験機の構成として,マイクロマシンの使用条件を想定した数十から数百HZオーダの繰返し速度が容易に得られる変位制御付ピエゾトランスレータをアクチュエータとして使用している.負荷方式は変位制御による4点曲げであり,繰返し変位制御信号をコントローラを通してアクチュエータに与える.負荷部分の仕様としては,粗動【+-】5mm,繰返し変位ストローク60μm,位置決め分解能0.1μmである.試験片のたわみ計測はフィゾ-干渉計の原理による.4点曲げ負荷用治具が干渉計機能を兼ねており,光学ガラスを用いて構成されている.LEDの単色光を顕微鏡光学系により試験片に同軸照射することにより,干渉縞を発生させ,干渉縞次数を顕微鏡で観察する.これより縞次数あたりλ/2(0.33μm)の分解能が得られる.シリコンウエハからダイシングソ-により切出した試験片を用いて,支点距離3mmにおいて静的4点曲げ試験を行った.最大たわみ2μmを与え,発生した干渉縞を解析した結果,たわみ曲線の理論値と測定結果は良く一致した.これより,たわみ計測が可能なこと,試験片の取付等のアライメントも良好であることを確認した.また,引張試験において理想的な弾性挙動を示すとされているシリコン単結晶は微小試験片による曲げ変形においても同様の挙動を示すことを明らかにした.