[發明專利]一種用于各向異性材料不同晶向導熱系數比檢測的裝置與方法

在審

• 申請號: 202110336842.4
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113155893A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 馮士維;胡朝旭;李軒;魯曉莊
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種用于各向異性材料不同晶向導熱系數比檢測的方法，其特征在于，包括以下步驟：

設計集成加熱和測溫一體的二極管單陣列芯片，流片四塊高精度測溫芯片，用于溫度檢測；

將熱源芯片置于各向異性材料表面，在材料表面兩個不同的晶向上分別放置雙測溫探頭用于檢測該方向上的熱流；

給熱源芯片施加一個呈正弦變化的熱流脈沖，通過對熱源施加電學調制的周期性熱源，熱量依次流經不同晶向上的雙測溫芯片，分別記錄四測溫芯片熱流流過的時間和溫度；

記錄各晶向雙測溫芯片之間的固定距離，當熱量分別經過雙測溫芯片時，由于存在固定距離，傳熱產生延遲，檢測通過雙測溫芯片正弦峰值的時間差,根據固定距離和時間差即可測量出熱量傳輸速度；

根據熱傳輸速度和熱導率之間的關系，得出不同晶向之間的導熱系數比，據此判斷出各向異性材料面內的導熱性能。

2.根據權利要求1所述的一種用于各向異性材料不同晶向導熱系數比檢測方法，其特征在于，實現該方法的實驗裝置包括：4×4矩陣的二極管串聯而成的陣列熱源芯片，多二極管串聯成一維線陣的測溫芯片和信號發生器；所述的熱源芯片和測溫芯片采用GaN肖特基結工藝，在SiC襯底材料上外延GaN層作為有源區。

3.根據權利要求1所述的一種用于各向異性材料不同晶向導熱系數比檢測方法，其特征在于，基于高靈敏度熱源芯片和測溫芯片實現對各向異性材料面內的導熱系數差異進行有效測試和表征的步驟之前包括步驟：

設計集加熱和測溫一體的二極管陣列芯片，該芯片采用GaN肖特基結工藝；同時，設計四片相同的測溫芯片，該芯片由多二極管串聯成一維線陣，分別用于新型半導體各向異性材料兩不同晶向上的溫度檢測；首先將熱源芯片置于各向異性薄層材料表面，在熱源兩個不同的晶向上分別放置兩測溫芯片用于檢測不同方向上的熱流；通過信號發生器給熱源芯片施加一個呈正弦變化且電學可調制的周期性熱源；因此，熱量經過一段時間后依次流經不同晶向上的雙測溫芯片，流經四測溫芯片的熱流同樣呈正弦變化；事先精確測量出兩不同晶向位置上雙測溫芯片之間的固定距離，由于雙測溫芯片之間存在固定距離，當熱量分別經過雙測溫芯片時會產生延遲，彼此達到第一個正弦峰值時具有一定的時間差,根據延遲時間和固定距離測量出不同晶向上熱量傳輸速度；因為不同晶向上具有不同的熱導率，其差異主要體現在熱傳輸速度，根據熱傳輸速度和導熱系數之間的關系得出不同晶向之間的導熱系數比，據此可判斷出各向異性材料面內的導熱性能。

4.根據權利要求1所述的一種用于各向異性材料不同晶向導熱系數比檢測方法，其特征在于，具體測試方法包括以下步驟：

步驟一：設計集成加熱和測溫一體的二極管陣列芯片，該芯片由多二極管串聯成一維線陣，流片該測溫芯片四塊分別用于兩不同晶向上的溫度檢測；

步驟二：設計熱源芯片，該芯片由4×4矩陣的二極管串聯而成；首先將熱源芯片置于各向異性材料表面，在熱源兩個不同的晶向上分別放置雙集成加熱和測溫一體的探頭用于檢測不同方向上的熱流；

步驟三：給熱源芯片施加一個呈正弦變化的熱流脈沖，通過信號發生器對熱源施加電學調制可調的周期性熱源，根據傅里葉導熱定律，熱量依次流經不同晶向上的雙測溫芯片，此時可分別記錄四測溫芯片熱流流過的時間和溫度，同樣呈正弦變化；

步驟四：記錄兩個不同晶向位置上雙測溫芯片之間的距離固定距離d₀，當熱量分別經過雙測溫芯片時，由于雙測溫芯片之間存在d₀距離，因此傳熱會產生延遲，彼此達到第一個正弦峰值時具有一定的時間差Δt,根據延遲時間Δt和固定距離d₀可測量出不同晶向上熱量傳輸速度；

步驟五：根據熱傳輸速度和導熱系數之間的關系，λ＝kcvL，λ為導熱系數，k為一固定值，c為材料的熱容，v為熱傳輸速度，L為平均自由程；根據熱傳輸速度的不同即可得出不同晶向之間的導熱系數比，據此判斷出各向異性材料面內的導熱性能。