[發明專利]一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置和方法

有效

• 申請號: 201110177375.1
• 申請日: 2011-06-29
• 公開（公告）號: CN102253082A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 胡志宇;曾志剛;沈超;沈斌杰
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

1.一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置，其特征在于，本裝置主體包括有：熱源、熱波信號源、一維熱導體（11）、數據采集裝置和處理裝置、隔熱材料和散熱片；所述熱源由熱電模塊（10）和直流電源（15）組成，為所述一維熱導體（11）產生一個線性的溫度梯度；所述熱波信號源由熱電模塊（13）、功率放大器（18）和信號發生器（19）組成，所述信號發生器（19）產生低頻交流信號，經過所述功率放大器（18）放大之后輸入所述熱電模塊（13）產生交變的熱波信號；所述一維熱導體（11）由兩根完全相同的圓柱體棒組成，待測樣品（12）夾于兩根所述一維熱導體（11）之間；所述隔熱材料（20）將所述一維熱導體（11）和所述待測樣品（12）整體包裹，盡量減小導體棒與外界的熱交換；兩根所述一維熱導體（11）與所述待測樣品（12）不接觸的兩端分別連接所述熱電模塊（10）和熱電模塊（13），所述熱電模塊（10）另一端連接所述散熱片（9），所述熱電模塊（13）另一端連接所述散熱片（14）；所述熱電模塊（13）產生交變的熱波信號自下而上的沿著一根所述一維熱導體（11）傳播，穿透所述待測樣品（12）之后，再進入另一根所述一維熱導體（11）；所述數據采集裝置和處理裝置包括測溫線（1-8）、數據記錄儀器（16）和電腦（17），所述測溫線連接在一維熱導體（11）的測溫點上，實時測量所述一維熱導體（11）軸線上的溫度，記錄在所述一維熱導體（11）中傳播的熱波曲線，通過計算得到所述待測樣品（12）的熱擴散系數。

2.根據權利要求1所述的一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置，其特征在于，所述隔熱材料（20）的熱導系數小于0.5?W/mK，包括多孔材料、熱反射材料、多層復合材料、真空材料等。

3.根據權利要求1所述的一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置，其特征在于，所述熱波信號源的所述信號發生器（19）的低頻交流信號為電流或電壓信號，其波形為正弦、余弦或脈沖等任意波形。

4.根據權利要求1所述的一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置，其特征在于，所述一維熱導體（11）可以是金屬、半導體、聚合物等材料以傳遞熱波，所述一維熱導體（11）的圓柱體棒長度范圍為1?cm至10?cm，橫截面直徑范圍為0.1?cm?至5?cm。

5.根據權利要求1所述的一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置，其特征在于，所述測溫線（1-8）可以是S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶之一。

6.根據權利要求1所述的一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置，其特征在于，所述一維熱導體（11）上的測溫點的數量至少為2個。

7.一種動態測量薄膜熱物理參數的方法，使用如權利要求1所述的動態測量薄膜熱物理參數的裝置，其特征在于，本方法具體實施步驟為：

1）制備若干個不同厚度的所述待測樣品（12），裁剪成與所述一維熱導體（11）的圓柱體棒橫截面相同的形狀；

2）把所述待測樣品（12）放入兩根所述一維熱導體（11）的圓柱體棒之間，對準所述待測樣品（12）的圓心和兩根圓柱體棒軸心，使其在同一豎直線；

3）在所述一維熱導體（11）的圓柱體棒和所述待測樣品（12）的側面包裹一層所述隔熱材料（20）；

4）通過調節所述信號發生器（19）輸出信號的頻率和幅度，調節輸入熱波信號的頻率和幅度，使熱波信號的頻率在1mHz至50mHz的范圍之內，幅度的峰值在15攝氏度之內；

5）調節所述直流電源（15）的電壓，使頂部的所述熱電模塊（10）輸出的溫度與所述一維熱導體（11）底部的溫度相差50攝氏度以內；

6）打開所述數據采集裝置和處理裝置進行數據采集，記錄所述測溫線（1-8）測得的溫度曲線，并對采集的數據進行處理；

7）對不同厚度的所述待測樣品（12）分別進行2）至6）步驟的測量，計算得到不同樣品薄膜的熱導系數和熱擴散系數。

8.根據權利要求7所述的一種動態測量薄膜熱物理參數的方法，其特征在于，對整個所述一維熱導體（11）同時施加溫度梯度和溫度脈沖。