[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

技術領域

本發明屬于熱物性測量技術領域，具體涉及一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置和方法，能同時測量薄膜材料垂直于薄膜平面方向上熱導系數和熱擴散系數。

背景技術

隨著薄膜材料在工業和科研領域的廣泛應用，薄膜材料的各種熱物理性能的測量變得尤為重要。材料的熱物理性能主要包括導熱系數、熱擴散系數、比熱、熱膨脹系數、材料熱輻射反射率等。其中熱導系數和擴散系數是十分重要的參數，它們分別表征物體傳輸熱量的能力和在加熱或冷卻過程中各部分溫度趨于一致的能力。物體熱導系數和熱擴散系數之間的關系式為：????????????????????????????????????????????????

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公式（1）中，λ是熱導系數，α是熱擴散系數，C_p是比熱，ρ是密度。

對于各項異性的薄膜（如超晶格薄膜）而言，則需要測量平行于薄膜方向（橫向）和垂直于薄膜方向（縱向）熱導系數、熱擴散系數等參數才能完整地表征薄膜熱物理性質，而薄膜縱向的熱物理性質測量比橫向困難得多。

測量薄膜縱向熱性質的方法有穩態法和非穩態法。

穩態法是在樣品達到熱穩定后，通過測量流過樣品的熱量、溫度梯度等確定樣品的熱性質參數。它的特點是測量時間長，且不能直接測量熱擴散系數，必須先測量熱導再通過（1）式計算熱擴散系數。典型的有ASTM?D5470-01(2004)標準所確定的穩態縱向熱流法，可以測量薄膜的縱向熱導率。

而非穩態測量的測量周期短，能直接測量熱導率、熱擴散系數等熱物理性質。主要方法有激光閃光法、周期熱流法、3ω法。其中閃光法和周期熱流法需要激光器產生周期性的熱流，而3ω法需要借助微加工工藝，這些方法中，實現周期性的熱流所使用的技術都需要較高的成本。而傳統的Angstr?m法也屬于非穩態測量，它的優點是可以利用熱電模塊產生的周期熱流作為熱波源，但它只能測量塊體材料的熱物理性質。其主要原理是通過圓棒（待測材料）一端進行周期性加熱和制冷，產生熱波當圓棒中的熱波達到穩定時，同時測量圓棒兩點處的熱波曲線，分析兩點處熱波的振幅和相位變化可以得到圓棒材料的熱擴散系數。這種方法要求兩測量點之間的距離應大于熱波的傳播波長，圓棒必須有一定的長度，因此不適合于薄膜熱擴散系數的測量。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提供一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置和方法，實現同時測量薄膜材料的熱導系數和熱擴散系數。可以方便、快捷地測量出薄膜的垂直于平面方向上的熱導系數和熱擴散系數。

為達到上述目的，本發明的技術方案是：

一種動態測量薄膜熱物理參數的裝置，本裝置主體包括有：熱源、熱波信號源、一維熱導體、數據采集裝置和處理裝置、隔熱材料和散熱片；所述熱源由上熱電模塊和直流電源組成，為所述一維熱導體產生一個線性的溫度梯度；所述熱波信號源由下熱電模塊、功率放大器和信號發生器組成，所述信號發生器產生低頻交流信號，經過所述功率放大器放大之后輸入所述下熱電模塊產生交變的熱波信號；所述一維熱導體由兩根完全相同的圓柱體棒組成，待測樣品夾于兩根所述一維熱導體之間；所述隔熱材料將所述一維熱導體和所述待測樣品整體包裹，盡量減小導體棒與外界的熱交換；兩根所述一維熱導體與所述待測樣品不接觸的兩端分別連接兩熱電模塊，所述兩熱電模塊另一端分別連接所述散熱片；所述下熱電模塊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傳播，穿透所述待測樣品之后，再進入另一根所述一維熱導體；所述數據采集裝置和處理裝置包括測溫線、數據記錄儀器和電腦，所述測溫線連接在一維熱導體的測溫點上，實時測量所述一維熱導體軸線上的溫度，記錄在所述一維熱導體中傳播的熱波曲線，通過計算得到所述待測樣品的熱擴散系數；?

上述隔熱材料的熱導系數小于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。

上述熱波信號源的所述信號發生器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。?

上述一維熱導體可以是金屬、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。

上述測溫線可以是S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶之一。

上述一維熱導體上的測溫點的數量至少為2個。