[发明专利]同时测量薄膜面内热导率与红外发射率的装置与方法

权利要求书

1.同时测量薄膜面内热导率与红外发射率方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、加热光生成装置产生稳定的加热光场照射到真空腔内的被测薄膜表面，并形成稳态温度分布和稳态红外辐射场；被测薄膜样品厚度方向的尺寸远小于面内方向尺寸，达到稳态时，则认为薄膜厚度方向温度梯度为零；所述加热光场具有较大的长宽比，此时，在长度中心位置，沿长度方向的温度梯度近似为零；

步骤二、被测薄膜沿宽度方向，即轴方向的温度由稳态一维热传导方程计算得到：

其中，T(x)为薄膜表面温度、T₀为环境温度(即薄膜边缘温度)、k为薄膜的面内热导率、d为薄膜厚度、ρ为薄膜密度、C_p为定压比热、ε为薄膜的发射率、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数、x为距离坐标；

步骤三、当薄膜表面温度与环境温度相比变化不大于10k，一维热传导方程的辐射项近似为σε(T(x)⁴-T₀⁴)≈4εσT₀³(T(x)-T₀) (2)

则热传导方程改写为：

在宽度方向，即x轴方向，被测薄膜加热光场边缘具有恒定的温度梯度

其中，q为x＝0处的热流；而在被测薄膜边缘，温度为由温度传感器测量得到的已知温度，且当被测薄膜在宽度方向，即x方向的尺寸大于面内扩散距离时，薄膜边缘处的温度梯度近似为零：

根据式(1)、(4)和(5)，得到被测薄膜表面沿宽度方向，即x轴方向温度分布的解析解：

其中，中间变量

当被测薄膜表面形成稳态温度分布时，红外辐射场采集装置采集得到的等效黑体辐射场满足：

其中，E_rad(x)为红外辐射强度分布，T_in为测温热像仪发射率设置为1时采集得到的等效黑体温度分布；

当已知环境温度T₀和薄膜厚度d时，采用式(7)对红外热像仪采集的辐射场进行拟合，即得到x＝0处的热流q，薄膜的面内热导率k及热像仪探测波段的红外发射率ε。

2.如权利要求1所述的同时测量薄膜面内热导率与红外发射率方法，其特征在于：根据面内热导率k及热像仪探测波段的红外发射率ε，同时结合式(6)即可得到被测薄膜样品表面的实际温度分布。

3.如权利要求1所述的同时测量薄膜面内热导率与红外发射率方法，其特征在于：所述被测薄膜样品厚度不超过50微米。

4.如权利要求1所述的同时测量薄膜面内热导率与红外发射率方法，其特征在于：所述加热光场的长宽比不小于2。

5.如权利要求1所述的同时测量薄膜面内热导率与红外发射率方法，其特征在于：所述真空腔中的真空度不大于1×10^-3Pa。

6.实现如权利要求1、2、3、4或5所述方法的装置，其特征在于：包括：加热光生成装置、被测样品真空腔装置、红外辐射场采集装置和上位机；

所述加热光生成装置包括：加热图形生成装置和加热图形成像光学系统；根据被测样品特性，加热图形生成装置生成具有指定光强空间分布和光谱的加热光场，所生成的加热光场经加热图形成像光学系统清晰成像至待测薄膜表面；加热光场在待测薄膜表面的形状、强度及光谱由加热图形生成装置控制并调整，加热光场的尺寸及投影距离由加热图形成像光学系统的具体参数决定；

被测样品真空腔装置包括：加热光窗口、样品支撑结构、温度传感器、电气接口、红外窗口、真空口及真空阀门；加热光生成装置产生的加热光场经加热光窗口成像至被测薄膜表面；样品支撑结构用于固定被测薄膜，被测薄膜采用自支撑结构，仅边缘处与支撑结构接触连接；被测薄膜的边缘温度由经过标定的温度传感器精确测量，温度信号通过真空腔的电气接口由信号线传输至腔外温度探测设备；薄膜表面的红外辐射经过红外窗口出射，并被红外辐射场采集装置采集；真空腔通过真空口由真空波纹管与真空机组相连，为被测薄膜样品提供测试所需的高真空环境；真空阀门用于控制被测样品真空腔的抽气速率；

红外辐射场采集装置包括：红外显微光学系统和测温热像仪；红外显微光学系统用于收集薄膜表面产生的红外辐射，并成像至红外热像仪光敏面；通过红外热像仪的直接采集，可获得被测薄膜表面的辐射场空间分布；所采集的数据经过传输进入上位机的数据处理系统进行存储和后续计算。