JPS6239743A - 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機 - Google Patents
薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機Info
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- JPS6239743A JPS6239743A JP18010985A JP18010985A JPS6239743A JP S6239743 A JPS6239743 A JP S6239743A JP 18010985 A JP18010985 A JP 18010985A JP 18010985 A JP18010985 A JP 18010985A JP S6239743 A JPS6239743 A JP S6239743A
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- JP
- Japan
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- test piece
- load
- deflection
- membrane
- measuring
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- Pending
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- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は薄膜の縦弾性係数を測定する曲げ試験機に関す
る。
る。
(従来の技術)
産業上重要となってきている薄膜の機械的性質の1つと
して縦弾性係数を測定する装置がこれまでいくつか考案
さnてきた。例えば、薄膜・・ンドブック(日本学術振
興会薄膜第131委員会編、オーム社刊(1983))
には薄膜の弾性係数を測定する装置が紹介されている。
して縦弾性係数を測定する装置がこれまでいくつか考案
さnてきた。例えば、薄膜・・ンドブック(日本学術振
興会薄膜第131委員会編、オーム社刊(1983))
には薄膜の弾性係数を測定する装置が紹介されている。
当該文献の343頁に記載されているような装置は静電
気励振器と、FM発発振器−はリング変調器の車幅検出
器とからなる薄膜の弾性係数測定機で、一般に振動リー
ド法と呼ばれている。
気励振器と、FM発発振器−はリング変調器の車幅検出
器とからなる薄膜の弾性係数測定機で、一般に振動リー
ド法と呼ばれている。
また同文献の345頁には超音波パルス法による薄膜の
弾性係数測定機が示されておシ、薄膜内部での超音波の
伝播速度が弾性係数によって変化する原理に基づいて弾
性係数を測定するものである。
弾性係数測定機が示されておシ、薄膜内部での超音波の
伝播速度が弾性係数によって変化する原理に基づいて弾
性係数を測定するものである。
また、さらに同文献の347頁に説明されているような
引張試験法は通常の引張試験機を用い、薄膜について応
力−ひすみ曲線を測定し、応力−ひすみ曲線の弾性変形
領域から縦弾性係数を求めるものでるる。同じく347
頁に記載されているようなバルジ法は小さな穴の上に薄
膜を張り、膜の表裏に圧力差金与え、膜の膨みから薄膜
内に生じている応力とひずみを測定し、応力とひずみの
関係から弾性係数を算出するものである。
引張試験法は通常の引張試験機を用い、薄膜について応
力−ひすみ曲線を測定し、応力−ひすみ曲線の弾性変形
領域から縦弾性係数を求めるものでるる。同じく347
頁に記載されているようなバルジ法は小さな穴の上に薄
膜を張り、膜の表裏に圧力差金与え、膜の膨みから薄膜
内に生じている応力とひずみを測定し、応力とひずみの
関係から弾性係数を算出するものである。
(発明が解決しようとする問題点)
従来の薄膜の弾性係数副定愼および方法が抱えている問
題点を以下に列挙する。
題点を以下に列挙する。
撮動リード法による測定技術に関しては1)試験片には
単独膜を用いたほりが縦弾性係数の測定精度は高いが、
単独膜には完全に平らなことが要求される。しかし、単
独膜はしばしば湾曲し、そのような変形は試験片の撮動
状、態に影響して測定精度全低下させる。
単独膜を用いたほりが縦弾性係数の測定精度は高いが、
単独膜には完全に平らなことが要求される。しかし、単
独膜はしばしば湾曲し、そのような変形は試験片の撮動
状、態に影響して測定精度全低下させる。
2)単独膜が得難い場合には基板の上に薄膜を形成し、
二這宋慣遺の試験片を用いるが、基板にガラスを用いた
場合にはwJfkiと熾(脇側逆のための゛イ極として
基板の裏面にAIなどの金pAをごく薄く蒸着する必要
がある。
二這宋慣遺の試験片を用いるが、基板にガラスを用いた
場合にはwJfkiと熾(脇側逆のための゛イ極として
基板の裏面にAIなどの金pAをごく薄く蒸着する必要
がある。
3)単独膜、二重梁試験片いずれを用いた場合にも試験
片の一端f固足するが、−廻による薄膜の破壊、応力の
発生に注言金要する。
片の一端f固足するが、−廻による薄膜の破壊、応力の
発生に注言金要する。
4)試験片に振動ケ加んなから測定するため弾性余効の
影=yが無視できず、振動リード法では旨い測定精度が
得難い。
影=yが無視できず、振動リード法では旨い測定精度が
得難い。
超音波パルス法による測定技術に関しては1)試験片が
単独膜に限定されているため、単独膜が作成しえない薄
膜についての測定は不可能である。
単独膜に限定されているため、単独膜が作成しえない薄
膜についての測定は不可能である。
2)超音波振動子と薄膜の接着:(かなりの熟練ケ要す
る。
る。
3)超音波振動子と薄膜の接着部に2ける超音波の減衰
が試験片によって異なるため安定した測定精度が得難い
。
が試験片によって異なるため安定した測定精度が得難い
。
4)バルクせん断によって剛性率Gを、対称ラム波によ
ってボアノン比νをそれぞれ測定し、縦弾性係数Eは薄
膜が等方性材料であると仮定してE=2G(1+ν)か
ら算出するため、薄膜が異方性のある材料では縦弾性係
数は求められない。
ってボアノン比νをそれぞれ測定し、縦弾性係数Eは薄
膜が等方性材料であると仮定してE=2G(1+ν)か
ら算出するため、薄膜が異方性のある材料では縦弾性係
数は求められない。
引張試験法による測定技術に関しては
1)一般に試験片は単独膜である1
2)薄膜試駆片を引張試験片に固定する際に膜の破壊や
応力集中が生じないように十分な注意と熟練を要する。
応力集中が生じないように十分な注意と熟練を要する。
3)薄膜の変形itを直接測定することが困難なので、
薄膜を固定しているグリップ部やクロスヘッド部の移動
量を薄膜の変形量とみなしているため、測定された応力
−変位量の関係は信頼性の面で問題がある。
薄膜を固定しているグリップ部やクロスヘッド部の移動
量を薄膜の変形量とみなしているため、測定された応力
−変位量の関係は信頼性の面で問題がある。
バルジ法による測定技術t′c関しては1)小さな穴の
上に薄膜を作製する方法が確立されておらず、薄膜の材
料によっては試験片の作製が困難な場合もちる。
上に薄膜を作製する方法が確立されておらず、薄膜の材
料によっては試験片の作製が困難な場合もちる。
以上のように従来り測定法にはいくつかの欠点が存在す
る。
る。
本発明の目的は以下の点金可能なC)シめるル(膜の縦
弾性係数測定川曲は試験機を提供することVこある。
弾性係数測定川曲は試験機を提供することVこある。
1)基板上に形成したIh膜の縦弾性係数の測定が可能
であり、従来の測定法が必要とする試験片作製上の熟練
性や特殊な技術を必要としない。
であり、従来の測定法が必要とする試験片作製上の熟練
性や特殊な技術を必要としない。
2)薄膜が1層以上、すなわち多層膜信造の試数片につ
いても1jllJ定できる。
いても1jllJ定できる。
3)従来の引張試験法や振動リード法のような試験h°
の固定を必要としない。
の固定を必要としない。
4)試験片を支持する機構が試験片の曲げ変形に影響を
及ぼさない。
及ぼさない。
5)精密荷重負g機構と試験片のたわみ童の精密測定に
よって、膜厚以100λから数μmまでの薄膜の縦弾性
係数を高精度で求めることができる。
よって、膜厚以100λから数μmまでの薄膜の縦弾性
係数を高精度で求めることができる。
(問題点を解決するための手段)
本発明の薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機は基板上に
少なくとも1層の薄膜が形成されている試験片を用い、
該試験片に荷重を負荷する/ζめの荷重負荷機構と、試
験片支持機構と、試験片のたわみ量を測定する変位計と
を備えたことで特徴とする。
少なくとも1層の薄膜が形成されている試験片を用い、
該試験片に荷重を負荷する/ζめの荷重負荷機構と、試
験片支持機構と、試験片のたわみ量を測定する変位計と
を備えたことで特徴とする。
(作用)
本発明の薄4肇弾性係数測定用曲げ試験機の原理は両端
支持はりの曲げ変形にある。両端を支持されたスパン!
のは9の中央に集中?tf11LPが作用する場合、荷
重点におけるは夛のたわみ量γ。はγ。=P18/48
EIで与えられる。ここで、Eははりを構成する材料の
縦弾性係数、■ははりの断面2次面−メントで幅b、厚
さhの長方形断面のはりであれば I = bh’/1
2 である。いま、幅す。
支持はりの曲げ変形にある。両端を支持されたスパン!
のは9の中央に集中?tf11LPが作用する場合、荷
重点におけるは夛のたわみ量γ。はγ。=P18/48
EIで与えられる。ここで、Eははりを構成する材料の
縦弾性係数、■ははりの断面2次面−メントで幅b、厚
さhの長方形断面のはりであれば I = bh’/1
2 である。いま、幅す。
厚さり、基板上に厚さり、O薄膜が形成された試験片を
はりに用いた場合の荷重点に2けるたわみ量γ1は である。th /ll+ =α、基板が薄膜に比較して
十分厚くαn =6 (n層2)であるとして整理する
と、γは で与えられる したがって、基板の縦弾性係数E。
はりに用いた場合の荷重点に2けるたわみ量γ1は である。th /ll+ =α、基板が薄膜に比較して
十分厚くαn =6 (n層2)であるとして整理する
と、γは で与えられる したがって、基板の縦弾性係数E。
を本発明の峡弾性測定用曲げ試験機を用いて、わらかし
め求めて分けば、たわみt r+を精密に測定すること
により薄膜の縦弾性係数E、を正確に求めることができ
る。
め求めて分けば、たわみt r+を精密に測定すること
により薄膜の縦弾性係数E、を正確に求めることができ
る。
また、はりが基板を含めてn層の構造、すなわち(n−
1)層の薄膜が形成されている場合には、たわみ童rn
−1は で与えられ、El % b、・・・hn−1を本発明の
曲げ試験機を用いてあらかじめ測定しておけば虱を正確
に求めることができる。
1)層の薄膜が形成されている場合には、たわみ童rn
−1は で与えられ、El % b、・・・hn−1を本発明の
曲げ試験機を用いてあらかじめ測定しておけば虱を正確
に求めることができる。
(実施例)
第1図は本発明の縦弾性係数測定用曲げ試験機の一実施
例ケ表わす図で、基板上に薄膜を形成した試験片1は精
密支持機構を有する支点2の上に乗せられており、両湘
支持はりを構成している。
例ケ表わす図で、基板上に薄膜を形成した試験片1は精
密支持機構を有する支点2の上に乗せられており、両湘
支持はりを構成している。
ザファイア製のナイフエッヂ3は精密荷重負荷機構を備
えた荷重負荷部分4の一端に固定されており、“試験片
1の中央に荷重を加える。荷重負荷部分4の上方に取°
付けらルたホトニックグローブ5(商品名)は変位計と
して用いられる。ホトニックプローグ5からの光6は荷
重負荷部分4の上端に乗っている@7に反射して再び該
プローグ5に戻シ、プローブ5と碗7との距離の変位、
すなわち荷重の負荷にともなう試験片1のたわみ量を測
定する。
えた荷重負荷部分4の一端に固定されており、“試験片
1の中央に荷重を加える。荷重負荷部分4の上方に取°
付けらルたホトニックグローブ5(商品名)は変位計と
して用いられる。ホトニックプローグ5からの光6は荷
重負荷部分4の上端に乗っている@7に反射して再び該
プローグ5に戻シ、プローブ5と碗7との距離の変位、
すなわち荷重の負荷にともなう試験片1のたわみ量を測
定する。
前記荷重負荷部分4は1岬の精度で試験片に荷重を加え
ることができる。また、ホトニックプローブ5は@7と
して金又はパラジウムをスパッタリング又は蒸着により
ガラス板に被覆したものを用いれば、変位量の測定精度
は読取設定値の0.3%で、感度5c最大にした場合に
はたわみ量0.003μmまでの検出が可能である。
ることができる。また、ホトニックプローブ5は@7と
して金又はパラジウムをスパッタリング又は蒸着により
ガラス板に被覆したものを用いれば、変位量の測定精度
は読取設定値の0.3%で、感度5c最大にした場合に
はたわみ量0.003μmまでの検出が可能である。
本発明に用いられる変位計としては靜電谷量の変化、電
磁誘導の変化、磁界の変化などを利用する変位計も使用
することができるが、変位量測定に際し荷重が加わるた
めに、t1#度が悪くなること、空気中の湿度の影響を
受は易いことの欠点が[F]る。
磁誘導の変化、磁界の変化などを利用する変位計も使用
することができるが、変位量測定に際し荷重が加わるた
めに、t1#度が悪くなること、空気中の湿度の影響を
受は易いことの欠点が[F]る。
そこで、本発明の曲げ試験機に最も適している変位計は
以下に説明するホトニックセンサ(藺品名、米国ホトニ
クス社製)である。ホトニックセンサは光ケーブルから
の光を被測定物に反射させ、反射光の強度変化から変位
を検出するもので、被測定物に非接触状態で高精度の測
定ができる。
以下に説明するホトニックセンサ(藺品名、米国ホトニ
クス社製)である。ホトニックセンサは光ケーブルから
の光を被測定物に反射させ、反射光の強度変化から変位
を検出するもので、被測定物に非接触状態で高精度の測
定ができる。
本発明に用いられる荷重負荷部分には、精密荷重負荷機
構に低摩擦リニアベアリングを用い、精密に秤量した錘
りを荷重負荷部分に乗せることによって5キの精度で試
験片に荷重を加えることができ、厚さ10IIn1以上
の基板ではこの精度で十分である。また、動ひずみ型荷
重変換器を用いることもでさる構造になっており、この
場合の荷電の測定精度はIIIPである。
構に低摩擦リニアベアリングを用い、精密に秤量した錘
りを荷重負荷部分に乗せることによって5キの精度で試
験片に荷重を加えることができ、厚さ10IIn1以上
の基板ではこの精度で十分である。また、動ひずみ型荷
重変換器を用いることもでさる構造になっており、この
場合の荷電の測定精度はIIIPである。
不発明に用いられる試験片の精密支持機構金有する支点
にはイオンエツチング法によって仕上げたす7アイア製
のナイフエッヂ、そのナイフエッヂの表面ケチフロン、
二硫化モリブデンでa覆したもの、世い摩俸係数の精密
転がり軸受けを用いることができる。また、支Ig間の
距離、jなわちはりのスパンの長妊をQ、 Q l r
+ur+のM度で変えることができる構造になっている
。
にはイオンエツチング法によって仕上げたす7アイア製
のナイフエッヂ、そのナイフエッヂの表面ケチフロン、
二硫化モリブデンでa覆したもの、世い摩俸係数の精密
転がり軸受けを用いることができる。また、支Ig間の
距離、jなわちはりのスパンの長妊をQ、 Q l r
+ur+のM度で変えることができる構造になっている
。
第2図は本発明の曲げ試験機の一実施例をボアブロック
図である。バーノナルコ/ヒュータ8からの制御信号を
デジタル/アナログ変換器9、定電圧tltoおよび電
圧増巾器11を介して動ひずみ型荷重変換器12に加え
ることにより荷重制御を行う。荷重変換器12からの荷
1信号はアナログ信号として直接X−Yレコーダ13の
X41Iに加えられる。試験片のたわみ量はホトニック
プロ−プ5からの光をホトニックセンサ14で検出し、
その変位量の信号はアナログ信号として直接X −Yレ
コーダ13のY軸に加えられる。
図である。バーノナルコ/ヒュータ8からの制御信号を
デジタル/アナログ変換器9、定電圧tltoおよび電
圧増巾器11を介して動ひずみ型荷重変換器12に加え
ることにより荷重制御を行う。荷重変換器12からの荷
1信号はアナログ信号として直接X−Yレコーダ13の
X41Iに加えられる。試験片のたわみ量はホトニック
プロ−プ5からの光をホトニックセンサ14で検出し、
その変位量の信号はアナログ信号として直接X −Yレ
コーダ13のY軸に加えられる。
50X10X0.3ミリのガラス基板と、そのガラス基
板上に銀を膜厚3μmμm真空法により被膜した試験片
を作製し、ガラス基板と被覆試験片について第2図と第
3図例示した曲げ試験機で縦弾性係数を測定した。この
測定における荷重の測定精度は10+yJ fcわみ量
の測定精度は0.6μm支点間距離40器であった。こ
の測定においてX−Yレコーダ上に描かれた荷重−たわ
み量線図を第3図に示す。荷重とたわみ量との間には極
めて良好な比例関係が成立している。直線の傾きから求
めたガラス基板の縦弾性係数は5.9 X 10’ 、
9/crl、 銀の縦弾性係は8.2 X 1 o8
(7/i)であった。
板上に銀を膜厚3μmμm真空法により被膜した試験片
を作製し、ガラス基板と被覆試験片について第2図と第
3図例示した曲げ試験機で縦弾性係数を測定した。この
測定における荷重の測定精度は10+yJ fcわみ量
の測定精度は0.6μm支点間距離40器であった。こ
の測定においてX−Yレコーダ上に描かれた荷重−たわ
み量線図を第3図に示す。荷重とたわみ量との間には極
めて良好な比例関係が成立している。直線の傾きから求
めたガラス基板の縦弾性係数は5.9 X 10’ 、
9/crl、 銀の縦弾性係は8.2 X 1 o8
(7/i)であった。
第1表はガラス基板上に膜厚0.08μmから3μmま
で銀を真空蒸着法により被覆した試験片についての測定
結果であり、縦弾性係数の膜厚依存性を調べたものであ
る。銀の縦弾性係数は82〜83xxOJl/−の範囲
にあった。
で銀を真空蒸着法により被覆した試験片についての測定
結果であり、縦弾性係数の膜厚依存性を調べたものであ
る。銀の縦弾性係数は82〜83xxOJl/−の範囲
にあった。
第2表はガラス基板上に銀を膜厚3μmμm真空法によ
り被覆した後、スパッタリング法によってコバルトを膜
厚0.1μmから2,1μmまで被覆した試験片につい
ての測定結果であり、コバルトの縦弾性係数は2.2〜
2.4 X 10”9/dテhツfc。
り被覆した後、スパッタリング法によってコバルトを膜
厚0.1μmから2,1μmまで被覆した試験片につい
ての測定結果であり、コバルトの縦弾性係数は2.2〜
2.4 X 10”9/dテhツfc。
第 1 表
膜厚(μm) 0.080.140.52 1.2 3
.0第2表 膜厚(μm) 0.100.250.48 1.5 2
.1(発明の効果) 実施例に示したように、薄膜の縦弾性係数を高精度で測
定することができ、多層膜構造の試験片についても測定
可能であることが分る。
.0第2表 膜厚(μm) 0.100.250.48 1.5 2
.1(発明の効果) 実施例に示したように、薄膜の縦弾性係数を高精度で測
定することができ、多層膜構造の試験片についても測定
可能であることが分る。
第1図は本発明の曲は試験機の一実施例の構造を示す図
、第2図は曲げ試験機のブロック図の例を示す図、第3
図は荷重−たわみ量線図、第1表、第2表は本発明の曲
げ試験機を用いてIIIIJ定した薄膜の縦弾性係数で
ある。 図において1.試験片 2.支点 3.サファイアナイ
フェツジ4.荷重負荷部 5.ホトニックプロー7’
6.光7゜鏡8.パーソナルコンピュータ9、デジタ
ルノアナログ変換器 10.定電圧電源11、電圧増巾
器 12、動ひずみ型荷重動変換器13、X−Yレコー
ダ 14.ホトニックセンサである。 男 1 図 1、試、F&片 ?、支泄、 3、サラアイアナ4フエツチ゛ 4、謂tr須$r部 5、ホトニ、・、クアローア 6、 ffL 7、機 糖2図 5.ホトニ・ソクプローフ゛ 8、パーソナルコンし1−夕 q、テ゛シ゛“タル/アナログ変訣、器、10、定を圧
電S屏 11、電反増幅嘉 12、を力゛ひT′み雪し町V突巾屹I腎13、x−γ
レコータ゛ ld、ホトとツク乞7す 第 3 図 0 123!5 荷重(砧r)
、第2図は曲げ試験機のブロック図の例を示す図、第3
図は荷重−たわみ量線図、第1表、第2表は本発明の曲
げ試験機を用いてIIIIJ定した薄膜の縦弾性係数で
ある。 図において1.試験片 2.支点 3.サファイアナイ
フェツジ4.荷重負荷部 5.ホトニックプロー7’
6.光7゜鏡8.パーソナルコンピュータ9、デジタ
ルノアナログ変換器 10.定電圧電源11、電圧増巾
器 12、動ひずみ型荷重動変換器13、X−Yレコー
ダ 14.ホトニックセンサである。 男 1 図 1、試、F&片 ?、支泄、 3、サラアイアナ4フエツチ゛ 4、謂tr須$r部 5、ホトニ、・、クアローア 6、 ffL 7、機 糖2図 5.ホトニ・ソクプローフ゛ 8、パーソナルコンし1−夕 q、テ゛シ゛“タル/アナログ変訣、器、10、定を圧
電S屏 11、電反増幅嘉 12、を力゛ひT′み雪し町V突巾屹I腎13、x−γ
レコータ゛ ld、ホトとツク乞7す 第 3 図 0 123!5 荷重(砧r)
Claims (1)
- 基板上に少なくとも1層の薄膜が形成されている試験片
を用い、該試験片に荷重を負荷するための荷重負荷機構
部と、試験片支持機構と、試験片のたわみ量を測定する
変位計とを備えたことを特徴とする薄膜の縦弾性係数測
定用曲げ試験機。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18010985A JPS6239743A (ja) | 1985-08-15 | 1985-08-15 | 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18010985A JPS6239743A (ja) | 1985-08-15 | 1985-08-15 | 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6239743A true JPS6239743A (ja) | 1987-02-20 |
Family
ID=16077578
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18010985A Pending JPS6239743A (ja) | 1985-08-15 | 1985-08-15 | 薄膜の縦弾性係数測定用曲げ試験機 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6239743A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03225253A (ja) * | 1990-01-31 | 1991-10-04 | Keiai Suzuki | 微小押込み形の材料物性試験方法および装置 |
JPH07325029A (ja) * | 1994-05-31 | 1995-12-12 | Nec Corp | 薄膜物性評価装置 |
JP2009036600A (ja) * | 2007-07-31 | 2009-02-19 | Kurosaki Harima Corp | 弾性率測定方法、弾性率測定装置、及びプログラム |
CN106769394A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-05-31 | 重庆大学 | 轴加载下预应力圆形薄膜最大挠度的确定方法 |
-
1985
- 1985-08-15 JP JP18010985A patent/JPS6239743A/ja active Pending
Cited By (5)
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---|---|---|---|---|
JPH03225253A (ja) * | 1990-01-31 | 1991-10-04 | Keiai Suzuki | 微小押込み形の材料物性試験方法および装置 |
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