[發(fā)明專利]一種連續(xù)碳化硅薄膜熱導率的測量裝置及其測量方法

有效

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• 申請日: 2018-06-26
• 公開（公告）號: CN108802098B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發(fā)明（設計）人: 姚榮遷;鄭藝濃;褚福臨;廖亮;黃祖晴;陳增;鐘磊;韓宇宸
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

1.一種連續(xù)碳化硅薄膜熱導率的測量裝置，其特征在于設有熱源裝置、電子式萬能拉力試驗機、溫度測量裝置和計算機；

所述熱源裝置由信號源和高熱導螺旋電阻絲組成，所述信號源與高熱導螺旋電阻絲相連，所述高熱導螺旋電阻絲與連續(xù)碳化硅薄膜樣品直接接觸，信號源發(fā)出的正弦波交流電信號經(jīng)高熱導螺旋電阻絲對連續(xù)碳化硅薄膜樣品進行加熱，并使熱量在薄膜的二維方向上傳導；

所述電子式萬能拉力試驗機帶有夾具并通過計算機的程序控制夾具的移動距離；

所述溫度測量裝置設有非接觸式紅外測溫儀探頭和鎖相放大器；所述非接觸式紅外測溫儀探頭固定于電子式萬能拉力試驗機夾具上并隨夾具移動逐點測量樣品溫度信號；所述鎖相放大器用于采集雙通道高信噪比的周期波形信號并能夠對周期波形信號進行處理后輸出；

所述計算機控制電子式萬能拉力試驗機夾具的移動距離并能夠處理鎖相放大器采集到的信號，進行相應的數(shù)據(jù)分析；

所述熱源裝置為能夠以一定頻率波動的熱源裝置；所述高熱導螺旋電阻絲為單圈電阻絲并與連續(xù)碳化硅薄膜樣品直接接觸。

2.如權利要求1所述一種連續(xù)碳化硅薄膜熱導率的測量裝置，其特征在于所述信號源產(chǎn)生角頻率范圍為10～30Hz的正弦波交流電信號。

3.連續(xù)碳化硅薄膜熱導率的測量方法，其特征在于采用如權利要求1和2所述連續(xù)碳化硅薄膜熱導率的測量裝置之一，所述測量方法包括以下步驟：

1)將連續(xù)碳化硅薄膜樣品的下端用樣品夾持裝置緊貼高熱導螺旋電阻絲固定；

2)打開計算機控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)信號源產(chǎn)生角頻率為ω₀的正弦波交流電信號，所述角頻率為10～30Hz，所述正弦波交流電信號I＝sin(ω₀t)，t為信號開始計時的時長，所述正弦波交流電信號在高熱導螺旋電阻絲的中心能夠產(chǎn)生一定熱量，該熱量與電流關系如下：

Q＝I²Rt＝sin²(ω₀t)·Rt；

3)由于高熱導螺旋電阻絲與樣品直接接觸，假定高熱導螺旋電阻絲產(chǎn)生的熱量全部傳遞到薄膜樣品上，以該熱源位置設為原點，熱量會從原點沿著薄膜樣品的二維方向進行熱傳遞，使得在薄膜樣品的二維方向上的各個點逐漸被加熱；每個測試點的熱量由原點傳遞，保持與原點相同的頻率，測試點處熱量信號與原點處熱源信號形成相位差φ(r)，不同測試點與原點的相位差不同，每個點的熱量表示為：

其中，為沿樣品長度方向的熱波相位差，r為測試點距原點的距離，A為熱損耗，表明隨著距離r的增加，越遠的點所獲得的熱量越少；

4)用固定于電子式萬能拉力試驗機夾具上的紅外測溫儀測試薄膜其他點位的熱信號，將原點的相位設為0，將測試點測得的信號輸入雙通道鎖相放大器，用計算機處理信號并進行數(shù)據(jù)分析，得出該測試點與原點處的熱波相位差設定電子式萬能拉力試驗機按固定距離逐級移動，距離為10～100μm，每移動一次后利用紅外測溫儀測定該點的溫度信號，即獲得多個測試點與原點的熱波相位差；第一個測試點應距離原點5cm以上，以確保原點處的螺旋電阻絲產(chǎn)生的熱量不會對測試點的熱量產(chǎn)生干擾；

5)以測量點到原點的距離r為橫坐標，以相位差為縱坐標對所得數(shù)據(jù)作圖并進行線性擬合，得出直線斜率λ，根據(jù)公式計算得出樣品的熱導率，其中，k為樣品導熱系數(shù)，ω₀為熱源信號角頻率，ρ為樣品密度，c_p為薄膜材料的恒壓熱容，具體推導如下：

則

其中，μ為熱擴散長度，α為樣品熱擴散系數(shù)。