[发明专利]一种动态测量薄膜热物理参数的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于热物性测量技术领域，具体涉及一种动态测量薄膜热物理参数的装置和方法，能同时测量薄膜材料垂直于薄膜平面方向上热导系数和热扩散系数。

背景技术

随着薄膜材料在工业和科研领域的广泛应用，薄膜材料的各种热物理性能的测量变得尤为重要。材料的热物理性能主要包括导热系数、热扩散系数、比热、热膨胀系数、材料热辐射反射率等。其中热导系数和扩散系数是十分重要的参数，它们分别表征物体传输热量的能力和在加热或冷却过程中各部分温度趋于一致的能力。物体热导系数和热扩散系数之间的关系式为：                                                

                                                                

公式（1）中，λ是热导系数，α是热扩散系数，C_p是比热，ρ是密度。

对于各项异性的薄膜（如超晶格薄膜）而言，则需要测量平行于薄膜方向（横向）和垂直于薄膜方向（纵向）热导系数、热扩散系数等参数才能完整地表征薄膜热物理性质，而薄膜纵向的热物理性质测量比横向困难得多。

测量薄膜纵向热性质的方法有稳态法和非稳态法。

稳态法是在样品达到热稳定后，通过测量流过样品的热量、温度梯度等确定样品的热性质参数。它的特点是测量时间长，且不能直接测量热扩散系数，必须先测量热导再通过（1）式计算热扩散系数。典型的有ASTM D5470-01(2004)标准所确定的稳态纵向热流法，可以测量薄膜的纵向热导率。

而非稳态测量的测量周期短，能直接测量热导率、热扩散系数等热物理性质。主要方法有激光闪光法、周期热流法、3ω法。其中闪光法和周期热流法需要激光器产生周期性的热流，而3ω法需要借助微加工工艺，这些方法中，实现周期性的热流所使用的技术都需要较高的成本。而传统的Angstr?m法也属于非稳态测量，它的优点是可以利用热电模块产生的周期热流作为热波源，但它只能测量块体材料的热物理性质。其主要原理是通过圆棒（待测材料）一端进行周期性加热和制冷，产生热波当圆棒中的热波达到稳定时，同时测量圆棒两点处的热波曲线，分析两点处热波的振幅和相位变化可以得到圆棒材料的热扩散系数。这种方法要求两测量点之间的距离应大于热波的传播波长，圆棒必须有一定的长度，因此不适合于薄膜热扩散系数的测量。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种动态测量薄膜热物理参数的装置和方法，实现同时测量薄膜材料的热导系数和热扩散系数。可以方便、快捷地测量出薄膜的垂直于平面方向上的热导系数和热扩散系数。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种动态测量薄膜热物理参数的装置，本装置主体包括有：热源、热波信号源、一维热导体、数据采集装置和处理装置、隔热材料和散热片；所述热源由上热电模块和直流电源组成，为所述一维热导体产生一个线性的温度梯度；所述热波信号源由下热电模块、功率放大器和信号发生器组成，所述信号发生器产生低频交流信号，经过所述功率放大器放大之后输入所述下热电模块产生交变的热波信号；所述一维热导体由两根完全相同的圆柱体棒组成，待测样品夹于两根所述一维热导体之间；所述隔热材料将所述一维热导体和所述待测样品整体包裹，尽量减小导体棒与外界的热交换；两根所述一维热导体与所述待测样品不接触的两端分别连接两热电模块，所述两热电模块另一端分别连接所述散热片；所述下热电模块产生交变的热波信号自下而上的沿着一根所述一维热导体传播，穿透所述待测样品之后，再进入另一根所述一维热导体；所述数据采集装置和处理装置包括测温线、数据记录仪器和电脑，所述测温线连接在一维热导体的测温点上，实时测量所述一维热导体轴线上的温度，记录在所述一维热导体中传播的热波曲线，通过计算得到所述待测样品的热扩散系数； 

上述隔热材料的热导系数小于0.5 W/mK，包括多孔材料、热反射材料、多层复合材料、真空材料等。

上述热波信号源的所述信号发生器的低频交流信号为电流或电压信号，其波形为正弦、余弦或脉冲等任意波形。 

上述一维热导体可以是金属、半导体、聚合物等材料以传递热波，所述一维热导体的圆柱体棒长度范围为1 cm至10 cm，横截面直径范围为0.1 cm 至5 cm。

上述测温线可以是S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶之一。

上述一维热导体上的测温点的数量至少为2个。