[发明专利]一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测的装置与方法

权利要求书

1.一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

设计集成加热和测温一体的二极管单阵列芯片，流片四块高精度测温芯片，用于温度检测；

将热源芯片置于各向异性材料表面，在材料表面两个不同的晶向上分别放置双测温探头用于检测该方向上的热流；

给热源芯片施加一个呈正弦变化的热流脉冲，通过对热源施加电学调制的周期性热源，热量依次流经不同晶向上的双测温芯片，分别记录四测温芯片热流流过的时间和温度；

记录各晶向双测温芯片之间的固定距离，当热量分别经过双测温芯片时，由于存在固定距离，传热产生延迟，检测通过双测温芯片正弦峰值的时间差,根据固定距离和时间差即可测量出热量传输速度；

根据热传输速度和热导率之间的关系，得出不同晶向之间的导热系数比，据此判断出各向异性材料面内的导热性能。

2.根据权利要求1所述的一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测方法，其特征在于，实现该方法的实验装置包括：4×4矩阵的二极管串联而成的阵列热源芯片，多二极管串联成一维线阵的测温芯片和信号发生器；所述的热源芯片和测温芯片采用GaN肖特基结工艺，在SiC衬底材料上外延GaN层作为有源区。

3.根据权利要求1所述的一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测方法，其特征在于，基于高灵敏度热源芯片和测温芯片实现对各向异性材料面内的导热系数差异进行有效测试和表征的步骤之前包括步骤：

设计集加热和测温一体的二极管阵列芯片，该芯片采用GaN肖特基结工艺；同时，设计四片相同的测温芯片，该芯片由多二极管串联成一维线阵，分别用于新型半导体各向异性材料两不同晶向上的温度检测；首先将热源芯片置于各向异性薄层材料表面，在热源两个不同的晶向上分别放置两测温芯片用于检测不同方向上的热流；通过信号发生器给热源芯片施加一个呈正弦变化且电学可调制的周期性热源；因此，热量经过一段时间后依次流经不同晶向上的双测温芯片，流经四测温芯片的热流同样呈正弦变化；事先精确测量出两不同晶向位置上双测温芯片之间的固定距离，由于双测温芯片之间存在固定距离，当热量分别经过双测温芯片时会产生延迟，彼此达到第一个正弦峰值时具有一定的时间差,根据延迟时间和固定距离测量出不同晶向上热量传输速度；因为不同晶向上具有不同的热导率，其差异主要体现在热传输速度，根据热传输速度和导热系数之间的关系得出不同晶向之间的导热系数比，据此可判断出各向异性材料面内的导热性能。

4.根据权利要求1所述的一种用于各向异性材料不同晶向导热系数比检测方法，其特征在于，具体测试方法包括以下步骤：

步骤一：设计集成加热和测温一体的二极管阵列芯片，该芯片由多二极管串联成一维线阵，流片该测温芯片四块分别用于两不同晶向上的温度检测；

步骤二：设计热源芯片，该芯片由4×4矩阵的二极管串联而成；首先将热源芯片置于各向异性材料表面，在热源两个不同的晶向上分别放置双集成加热和测温一体的探头用于检测不同方向上的热流；

步骤三：给热源芯片施加一个呈正弦变化的热流脉冲，通过信号发生器对热源施加电学调制可调的周期性热源，根据傅里叶导热定律，热量依次流经不同晶向上的双测温芯片，此时可分别记录四测温芯片热流流过的时间和温度，同样呈正弦变化；

步骤四：记录两个不同晶向位置上双测温芯片之间的距离固定距离d₀，当热量分别经过双测温芯片时，由于双测温芯片之间存在d₀距离，因此传热会产生延迟，彼此达到第一个正弦峰值时具有一定的时间差Δt,根据延迟时间Δt和固定距离d₀可测量出不同晶向上热量传输速度；

步骤五：根据热传输速度和导热系数之间的关系，λ＝kcvL，λ为导热系数，k为一固定值，c为材料的热容，v为热传输速度，L为平均自由程；根据热传输速度的不同即可得出不同晶向之间的导热系数比，据此判断出各向异性材料面内的导热性能。