[發明專利]一種基于熱流傳感器各向異性薄膜熱導率測試方法及裝置

有效

• 申請號: 201410149625.4
• 申請日: 2014-04-15
• 公開（公告）號: CN103940847A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 張立強;楊平;袁曉明;秦芳;劉東靜;鄧林;葛道晗
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及一種基于熱流傳感器（Heat?Flux?Sensor，?HFS）的薄膜熱導率測試裝置及方法，對當前薄膜材料和結構的熱導率進行測試。

背景技術

隨著微/納電子技術的發展，薄膜材料和結構已經被廣泛的用于電子元器件、太陽能電池、探測器、傳感器等領域，熱導率作為材料特性主要參數指標之一，它的高低決定著整個器件的散熱特性的好壞。目前，體塊材料的熱導率測試已經有很多種方法，但是由于薄膜結構尺寸(厚度較小)的影響，常規測量裝置已經無法滿足薄膜熱導率測試的要求，薄膜的熱導率無法得到快速、準確的測量。同時，現有的薄膜熱導率測試方法及裝置都很復雜，以3ω法為例，系統必須采用激光器、放大器還有精密的光學系統等復雜設備構成測試系統，否則無法完成對薄膜熱導率的測量。中國專利申請號為2010101334868的專利文獻提供了一種薄膜熱導率測試方法及裝置，但是該裝置及方法的使用前提是必須保證襯底的熱導率要遠大于薄膜材料的熱導率，但是對于襯底熱導率低于薄膜材料熱導率的情況無法適應，當薄膜材料（如石墨烯）熱導率遠高于襯底材料的熱導率時，該裝置則無法測試。因此，現有的薄膜熱導率測試方法及裝置存在成本高、系統復雜、操作復雜、測試有局限等問題。

發明內容

本發明的目的是為彌補現有技術的彌補，提出一種基于熱流傳感器的各向異性薄膜熱導率測試方法以及裝置，滿足不同薄膜材料在水平方向上的熱導率測試需求，當襯底熱導率遠小于薄膜熱導率時，可以利用該方法及裝置測試薄膜垂直（即厚度）方向上的熱導率。

本發明一種基于熱流傳感器的各向異性薄膜熱導率測試裝置采用的技術方案是：包括測試平臺、測樣品襯底，測試平臺的內部埋置多個熱流傳感器，測試平臺的上表面上置放待測樣品襯底，測樣品襯底的上表面上置放待測薄膜樣品，加熱頭位于待測薄膜表面處，每個熱流傳感器均通過各自的引出線引出并連接計算機。

所述多個熱流傳感器在測試平臺的水平方向上呈一字型等距離埋置，每個熱流傳感器的上表面與測試平臺的上表面平齊。

本發明一種基于熱流傳感器的各向異性薄膜熱導率測試方法采用的技術方案是：先采用加熱頭對待測薄膜表面進行加熱，用計算機在同一時刻分別記錄多個熱流傳感器的熱流測量值，根據傅里葉公式計算出待測薄膜在水平方向的平均熱導率，再將待測樣品襯底和待測薄膜整體翻轉，使待測薄膜在下、測樣品襯底在上放置在測試平臺上，利用加熱頭對測樣品襯底表面加熱，用計算機記錄其中一個熱流傳感器的熱流值J_m，最后根據公式????????????????????????????????????????????????計算出待測薄膜垂直方向上的熱導率K，為待測樣品襯底的熱導率，D為待測樣品襯底的厚度D，d為待測薄膜的厚度。

本發明采用上述技術方案后具有的有益效果是：

1、本發明裝置將數個熱流傳感器埋置在測試平臺的上表面，利用熱流傳感器測得的不同位置的熱流，進而獲得薄膜在水平及垂直方向上的熱導率，可以有效的一次性快速測量的薄膜的水平及垂直方向上的熱導率。

2、本發明裝置采用等間距離埋置方式在上表面埋置數個熱流傳感器用來測量薄膜在各個方向上的熱流值，在計算熱流梯度時可以避免測量誤差，提高測量精度。熱流傳感器的間距值可以根據測量對象的要求，進行系列化埋置。因為熱流傳感器的間距值越小，可測樣品的尺寸范圍就越大。同時，熱流傳感器引出線采用USB端口形式，方便與計算機快速鏈接、讀數。?

2、本發明裝置結構簡單，測量可靠，精度高，可以通過改變埋置熱流傳感器之間的距離進行改變測量樣品（薄膜結構或薄膜材料）的尺寸范圍，該裝置可以一次性快速測量薄膜樣品在水平及垂直方向上的熱導率，也可以進行二次測量提高垂直方向的熱導率的測量精度，對襯底的熱導率和薄膜材料的熱導率的大小沒有要求和限制。

3、本發明裝置及方法能夠較好地解決了薄膜結構或者薄膜材料熱導率難以準確直接測量的問題，同時兼顧了裝置結構簡單，操作易行可靠的問題。

附圖說明

圖1是本發明一種基于熱流傳感器的各向異性薄膜熱導率測試裝置以及樣品的結構示意圖；

圖2是圖1中測試平臺2埋置熱流傳感器的結構剖視圖；

圖3是圖1中測試平臺2埋置熱流傳感器的結構俯視圖；

圖4是水平方向薄膜熱導率測量原理圖；

圖5是垂直方向薄膜熱導率測量原理圖。