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ZHN - Universelles Nanomechanisches Prüfsystem
Die umfassende mechanische Charakterisierung dünner Schichten oder kleiner Oberflächenbereiche mit der notwendigen Kraft- und Wegauflösung – das ist das Anwendungsfeld des Universellen Nanomechanischen Testers ZHN.
Härte und Elastizitätsmodul gemäß DIN EN ISO 14577
Härteverlauf mit einem Berkovich-Eindringkörper
Die Messungen erfolgen üblicherweise mit einem Berkovich-Indenter unter Kraftsteuerung. Es sind sehr schnelle Messungen möglich, beispielsweise mit 10 s Belastung, 5 s Haltezeit und 4 s Entlastung.
Insgesamt können mehr als 60 Größen ausgegeben werden.
Vickershärte
Übersicht über die relative Abweichung der Vickershärte
Die Vickershärte kann aus der Eindringhärte berechnet werden. Ein umfangreicher Vergleich der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) mit 20 Materialien zwischen der konventionellen Vickershärte und der mit InspectorX Algorithmen berechneten, aus HIT umgewerteten Vickershärte ergab eine mittlere Differenz von < 10 % im Gegensatz zu 25 – 30 % bei anderen Software-Paketen.
[T. Chudoba, M. Griepentrog, International Journal of Materials Research 96 (2005) 11 1242 – 1246]
Tiefenabhängige Messungen mit QCSM-Modul
Schematische Darstellung des Ablaufes der QCSM-Methode
Die „Quasi Continuous Stiffness Measurement-Methode” ist ein von ASMEC neu entwickeltes Modul, das es ermöglicht, die Kontaktsteifigkeit der Probe nicht nur mit Hilfe der Entlastungskurve für eine Tiefe zu bestimmen, sondern für viele Punkte während des Eindringvorgangs. Dadurch können Härte und Elastizitätsmodul tiefenabhängig an ein und demselben Probenort ermittelt werden. Zusätzlich wird die Empfindlichkeit der Messung bei kleinen Kräften erhöht, sodass sich Steifigkeitswerte bereits für sehr geringe Kräfte und Eindringtiefen ermitteln lassen. Mit dem QCSM-Modul wird die Lastzunahme für kurze Zeit (1 – 4 s) gestoppt und der Piezospannung eine sinusförmige Schwingung überlagert. Im Gegensatz zu anderen Methoden wird die Amplitude für Kraft oder Weg nicht direkt vorgegeben. Mit einem Lock-In-Filter werden Amplitude und Phase der Schwingungen bestimmt.
Spannungs-Dehnungs-Kurven-Berechnung mit Neuronalen Netzen
In Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Karlsruhe wurde eine Methode entwickelt, die es gestattet, aus Eindrücken von Kugelindentern die komplette Spannungs-Dehnungs-Kurve von Metallen zu ermitteln. Sie beruht auf der Nutzung neuronaler Netze zur Parameteridentifikation und berücksichtigt auch die kinematische Verfestigung.
Ermittlung von Höhenprofilen
Scan senkrecht zu einem Ritztest mit Kontaktkraft 100 µN
Scans der Oberfläche können sowohl mit der Lateralkrafteinheit (LFU) in X-Richtung mit nm-Auflösung als auch ohne LFU mit den XY-Tischen mit μm-Auflösung durchgeführt werden. Dabei werden Rauheitswerte wie Ra, Rq oder Rt bestimmt.
Mikro-Verschleißtests
Verschleißtests mit einer Diamantkugel (55 μm Radius) auf einer DLC-Schicht. Linke Reihe 1000 mN, rechte Reihe 1500 mN Last. Amplitude 50 μm, Messzeit 1800 s.
Oszillierende Verschleißtests mit Amplituden bis 140 μm können durchgeführt werden.
Scratch und Mikro-Scratch-Tests
Ritztest einer Schicht auf Silizium, Fmax 500 mN
Die Tests werden typischerweise mit kugelförmigen Spitzen zwischen 5 und 10 μm Radius durchgeführt. Damit befindet sich das Spannungsmaximum meist in der Schicht und nicht im Substrat. Es sind mehrfache Scans der Oberfläche möglich. Durch die geringe Scratchlänge werden der Verschleiß der Spitze und der Einfluss von Oberflächenrauheiten reduziert.
... und noch mehr Anwendungen mit dem ZHN
Der Universelle Nanomechanische Tester ZHN ist eine Weiterentwicklung der bewährten Nanoindenter-Technik von ASMEC. Er kombiniert erstmals zwei Messköpfe in normaler Richtung (Nanoindenter-Prinzip) und lateraler Richtung (Scratchtester-Prinzip), die beide völlig unabhängig voneinander mit Nanometer-Auflösung arbeiten. Damit lassen sich erstmals laterale Kraft-Verschiebungs-Kurven messen, aus denen mehr Materialparameter gewonnen werden können als bisher (siehe Anwendungsbeispiele). Dies beinhaltet die Messung der lateralen Steifigkeit und rein elastischer lateraler Deformationen der Probe.
Durch den 2-säuligen Lastrahmen mit Zentralspindel-Antrieb und Präzisionsführung ist eine steifere Rahmenkonstruktion gewährleistet. Zudem ist die Eindringkörperachse genau in der Bewegungsachse angeordnet. Es es tritt kein Kippmoment auf, und Abbe’sche Messfehler sind ausgeschlossen. Die Gerätsteife ist mit mehr als 106 N/m so hoch, dass sie nicht mehr korrigiert werden muss, was die Kalibrierung der Flächenfunktion wesentlich erleichtert.
Im Gegensatz zu den Geräten anderer Hersteller arbeiten die beiden Messköpfe sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung, sodass auch mit einer Schwingung überlagerten Eindringprüfung wie auch zyklische Ermüdungsprüfungen umsetzbar sind.
Das ZHN basiert auf zwei Patenten für die Konstruktion der Messköpfe:
Prinzip des NFU
Prinzip des LFU
Vorteile und Merkmale der Optik
Verschiedene Optionen der Optik
Weisslichtinterferometer im ZHN eingebunden
Standardmäßig ist das Tandem-Mikroskop mit einem 50x-Objektiv im Lieferumfang des ZHN enthalten. Optional kann ein 50x-Objektiv mit vergrößertem Arbeitsabstand angeboten werden. Des Weiteren gibt es die Möglichkeit als 2. Objektiv ein 5x-Objektiv oder ein Weißlichtinterferometer einzubinden.
Beschreibung |
Artikelnummer |
|---|---|
Long Distance-Objektiv 50x für Tandem-Mikroskop zu ZHN
|
1016479 |
Objektiv 5x als zweites Objektiv zu Tandem-Messmikroskop
|
1011431 |
Weißlichtinterferometer SmartWLI
Komponenten:
|
1023953 |
Atomic Force Microscope (AFM)
Nanoindentation und Rasterkraftmikroskopie (AFM) können in einem einzigen System gekoppelt werden, um eine umfassende und (halb) automatisierte Analyse zu ermöglichen. In einem ersten Schritt misst das Atomkraftmikroskop die Oberflächenrauigkeit und hilft so, die minimale Eindringtiefe zu definieren. Dann wird die Probe unter dem Nanoindenter positioniert, um eine mechanische Analyse an der gleichen Stelle durchzuführen. In einem letzten Schritt kann diese Stelle wieder unter das AFM bewegt werden, um stressinduzierte Eigenschaften wie Materialaufwürfe, Einsinkungen oder Risse um die Vertiefung zu charakterisieren und zu verstehen. Diese Effekte können dann einen Einfluss auf die für Härte und Elastizitätsmodul erhaltenen Werte haben.
Beschreibung |
Artikelnummer |
|---|---|
Rasterkraftmikroskop NaniteAFM C1000 für Standard Messmodi: Static Force (Contact), Dynamic Force, Force Modulation, Spreading Resistance, Phase Contrast, Magnetic Force, Electrostatic Force inklusive:
|
1025985 |
Alle Typen von Eindringkörpern sind verfügbar: Vickers, Berkovich, Cube Corner, Kugeln, Stempel oder Keile.
Alle Typen von Eindringkörpern sind verfügbar: Vickers, Berkovich, Cube Corner, Kugeln, Stempel oder Keile.
Wählen Sie aus zwischen verschiedenen Typen von Probenhaltern, u.a. Klemm-, Folien- und Flüssigkeits-Probenhalter
Wählen Sie aus zwischen verschiedenen Typen von Probenhaltern, u.a. Klemm-, Folien- und Flüssigkeits-Probenhalter
Nachfolgend sehen Sie die technischen Daten des Basisgerätes mit utnerschiedlichen Objektive, wie sowohl die Daten der Messköpfe, wie z.B. die digitale Auflösung der Kraftmessung.
Basisgerät mit 50x-Objektiv
Beschreibung |
Wert |
|
|---|---|---|
Artikel-Nr. |
1011428 |
|
Maße (H x B x T) |
790 x 640 x 390 |
mm |
Gewicht |
ca. 105 |
kg |
Elektrische Spannung |
230 |
V |
Optik |
||
Tandem-Mikroskop mit zwei Videokameras |
1280 x 1024 Pixel, USB 3.0-Verbindung |
|
Objektiv |
50 x[1] |
|
Arbeitsabstand |
0,38 / 10,6 [2] |
mm |
Beleuchtung |
grüne LED, max. Leistung 1 W |
|
Optische Vergrößerung auf 23'' (Kamera 1/Kamera 2) |
1000 x / 3350 x |
|
Bildfeld (Kamera 1/Kamera 2) |
324 x 259 μm / 96 x 77 μm |
|
Pixelauflösung klein/groß (Kamera 1/Kamera 2) |
254 nm / 76 nm |
|
Tischsystem |
||
X-Tisch Verfahrweg |
100 mm, Schrittweite 50 nm |
|
Y-Tisch Verfahrweg |
200 mm, Schrittweite 50 nm |
|
Z-Tisch Verfahrweg |
70 mm, Schrittweite 10 nm |
|
Maximale Probengröße (X x Y x Z) |
80 x 80 x 60 |
mm |
Maximale Länge eines Scratch-Tests |
25[3] |
mm |
Basisgerät mit 5x-Objektiv
Beschreibung |
Wert |
|
|---|---|---|
Artikel-Nr. |
1011428 |
|
Maße (H x B x T) |
790 x 640 x 390 |
mm |
Gewicht |
ca. 105 |
kg |
Elektrische Spannung |
230 |
V |
Optik |
||
Tandem-Mikroskop mit zwei Videokameras |
1280 x 1024 Pixel, USB 3.0-Verbindung |
|
Objektiv |
5 x[1] |
|
Arbeitsabstand |
10,6 |
mm |
Beleuchtung |
grüne LED, max. Leistung 1 W |
|
Optische Vergrößerung auf 23'' (Kamera 1/Kamera 2) |
100 x / 335 x |
|
Bildfeld (Kamera 1/Kamera 2) |
3,2 x 2,6 mm / 0,97 x 0,7 mm |
|
Pixelauflösung klein/groß (Kamera 1/Kamera 2) |
2540 nm / 760 nm |
|
Tischsystem |
||
X-Tisch Verfahrweg |
100 mm, Schrittweite 50 nm |
|
Y-Tisch Verfahrweg |
200 mm, Schrittweite 50 nm |
|
Z-Tisch Verfahrweg |
70 mm, Schrittweite 10 nm |
|
Maximale Probengröße (X x Y x Z) |
80 x 80 x 60 |
mm |
Maximale Länge eines Scratch-Tests |
25[2] |
mm |
Technische Daten des Normalmesskopfes
Artikelnummer |
1050945 |
1016415 |
1016416 |
|
|---|---|---|---|---|
Prüfkraft, max. (Fmax), normal[1] |
ca. 20 |
ca. 2 |
ca. 0,2 |
N |
Prüfkraft, min. (Fmin), normal[1] |
ca. 2 |
ca. 0,2 |
ca. 0,05 |
mN |
Digitale Auflösung Kraftmesssung |
≤ 0,2 |
≤ 0,02 |
≤ 0,002 |
μN |
Grundrauschen Kraftmessung |
≤ 20[2] |
≤ 2[3] |
≤ 0,2[3] |
μN |
Weg, max. |
ca. 200[1] |
ca. 200[1] |
ca. 200[1] |
μm |
Digitale Auflösung Wegmessung |
≤ 0,002 |
≤ 0,002 |
≤ 0,002 |
nm |
Grundrauschen Wegmessung (1 σ at 8 Hz) |
≤ 0,4 |
≤ 0,3 |
≤ 0,3 |
nm |
Grundrauschen Wegmessung (1 σ at closed loop module) |
≤ 0,2 |
≤ 0,2 |
||
Dynamik-Modul [4] |
||||
Schwingfrequenz, max. |
300 |
300 |
300 |
Hz |
Frequenz, max. zur Steife-Auswertung |
75 |
75 |
25 |
Hz |
Datenerfassungsrate |
40 |
40 |
40 |
kHz |
Kraftamplitude, max. der Schwingung |
> 100 |
> 100 |
> 100 |
mN |
Technische Daten des Lateralmesskopfes
Beschreibung |
Wert |
|
|---|---|---|
Artikel-Nr. |
1021148 |
|
Prüfkraft, max. (Fmax), lateral[1] |
ca. 2 |
N |
Digitale Auflösung Kraftmessung |
≤ 0,02 |
μN |
Grundrauschen Kraftmessung |
≤ 6 |
μN |
Weg, max.[1] |
ca. 75 |
μm |
Digitale Auflösung Wegmessung |
≤ 0,002 |
nm |
Grundrauschen Wegmessung |
≤ 0,5 |
nm |
Es werden zwei Heizungskreisläufe verwendet: Eine Heizplatte ist unter der Probe angeordnet, und ein Heizzylinder sitzt in einem Deckel über der Probe. Ein verlängerter Macor-Stab mit der Indenter-Spitze am Ende reicht in den Deckel hinein und wird zusammen mit dem Luftvolumen oberhalb der Probe aufgeheizt. In den Heizelementen sind PT100-Temperatursensoren integriert.
Nach dem Versuch kann man den oberen Deckel entfernen. Eine visuelle Inspektion der Probenoberfläche lässt sich dann mittels eines langreichweitigen Objektives durchführen, ohne an Positioniergenauigkeit zu verlieren. Probe und Heizplatte werden von unten gegen einen Anschlag gedrückt. Zur Fixierung der Probe ist kein Klebstoff nötig.
Beschreibung |
Wert |
|
|---|---|---|
Artikel-Nr. |
1045659 |
|
Temperatur, max. |
400 |
°C |
Heizrate, max. |
100 |
K/min |
Temperaturstabilität |
≤ 1 |
K |
Probenmaße, max. |
15 x 15 x 5 |
mm |
Probenmaße, min. |
5 x 5 x 2 |
mm |
Messbereich, max. |
4 x 4 |
mm |
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