一种薄膜材料热导率的测量方法技术

本发明专利技术涉及一种薄膜材料热导率的测量方法。利用点状脉冲加热装置对待测样品进行加热，同时利用热成像仪对其加热区域进行温度测量，然后将其空间温度分布结果导入通用计算软件中进行非线性曲面拟合，得出一维时间空间温度分布函数u＝f(x，t)，其中，u是关于空间(x)和时间(t)的二元函数，℃；x为测量点距热源中心的距离，单位为mm；t为加热时间,s；最后将方程代入一维热传导方程

A method for measuring the thermal conductivity of thin film materials

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜材料热导率的测量方法
本专利技术涉及薄膜材料，更具体涉及到一种基于点状脉冲加热和热成像仪的薄膜热导率测量方法。
技术介绍
随着微纳器件向高速、低功耗、高集成度发展，微纳尺度条件下热传导问题尤为重要。薄膜材料在微纳器件制造中不可或缺，薄膜材料的热导率直接影响器件的散热性能，进而对其可靠性以及运行速度也会有较大的影响。因此，热导率是一个非常重要的热物性参数,无论是散热还是绝热,薄膜热导率的测试都具有重要意义。目前，薄膜热导率测量已有多种分类方法，以加热方式分类有电加热以及激光加热，电加热法通常需在待测薄膜表面镀金属电极，激光加热通过激光聚焦样品表面引起样品表面的升温；以加热装置以及测温装置跟待测薄膜的距离可以分为接触式以及非接触式测量，接触式测量一般需考虑界面热导。电加热法主要包括3ω法和微桥法，由于两种测试方法都需在表面镀一层金属电极，测量结果会受界面热阻的影响。并且，微桥法通过热电偶和热电阻接触式测温，也会受其测温精度的影响。同样，激光反射法制样中金属层会引入额外的界面热阻，同时镀金属层会使薄膜产生缺陷阻碍了声子和电子的扩散，方程中需要在时域和频域进行大量复杂的数据处理。以上的测量方法中，需要沉积金属热电极进行测量，过程复杂并会对材料产生破坏，主要的测试对象为非导体薄膜，适用性受到限制。因此，需要一种操作简单便捷非接触式且适用范围广的热导率测试方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种薄膜热导率测量方法，主要包括利用点状脉冲加热装置对待测样品进行加热，同时利用热成像仪对其圆点加热区域进行温度测量，然后将其空间温度分布结果导入“通用计算软件”中进行非线性曲面拟合，得出一维时间空间温度分布函数u＝f(x，t)，最后将方程代入一维热传导方程中进行热导率求解。一种薄膜材料热导率的测量方法，其特征在于：通过采用点状脉冲加热装置加热待测试样，可以进一步确保温度在样品中以半球形对称均匀分布。进而利用热成像仪对加热表面进行温度分布的测量。然后将空间温度分布结果导入“通用计算软件”中进行非线性曲面拟合，得出一维时间空间温度分布函数u＝f(x，t)。其中，u是关于空间(x)和时间(t)的二元函数，℃；x为测量点距热源中心的距离，mm；t为加热时间,s。最后将u＝f(x，t)代入一维热导方程进行求解。其中，k为热导率，c、ρ分别为密度和比热(已知参数)。进一步的，所述的加热方式采用点状脉冲加热装置，包括激光脉冲、电子束脉冲。进一步的，“通用计算软件”包括但不限于MATLAB。进一步的，所述的可测试样品主要针对薄膜样品，但不只限于薄膜样品。并且不限材料种类。进一步的，所述的点状脉冲的面积要小于待测样品的加热表面积。数据点选取方法：首先保证选取温度点大于本底温度(ub)，这也是其它变量数据点选择的前提。热导率求解的关键点在于：1.(数据点采集)利用热像仪能实时获得空间温度分布。2.利用选取的数据点拟合出温度分布函数u。本专利技术与现有技术相比，其优点为：(1)通过点状脉冲加热和热成像仪进行温度测量，其过程都无需镀金属电极以及无需与样品接触，减少了界面热阻对测试结果精确度的影响，且对样品无损伤；(2)温度测量结果可以直接导入“通用计算软”件中进行非线性曲面拟合，可直接得出一维时间空间温度分布函数u＝f(x，t)；(3)对样品种类、厚度和有无衬底无特别要求。附图说明图1是本专利技术基于热像仪的薄膜热导率测量方法流程图。图2是热像仪所测量的空间温度分布示意图。具体实施方式包括以下步骤：步骤1，利用点状脉冲加热装置对待测薄膜材料表面施加点状脉冲热流加载；步骤2，利用热成像技术对待测薄膜材料表面点状加热区域进行温度分布测量。进一步的，步骤1中待测薄膜样品：首先，可以为有衬底材料和无衬底材料的样品。其次，薄膜材料可以是导体，也可以是非导体。进一步的，步骤1中点状脉冲加热装置可以为激光脉冲或电子束脉冲加热。脉冲束斑为规则圆点，温度分布符合半球形对称均匀分布。进一步的，步骤2中要求热成像仪的焦点中心与激光脉冲或电子束点状脉冲中心重合，要求热成像仪的成像区域为样品加热区域。沿中心点向外可以读取连续的时间空间温度分布。进一步的，将空间温度分布图中数据点导入MATLAB中，进行非线性曲面拟合得出一维空间温度分布函数u＝f(x，t)。其中数据点选取方法t∈[0，50],u∈[ub，u0]，其中，ub为本底温度，u0为加热点处温度；为温度大于本底温度时所对应的位置。进一步的，热导率求解过程：首先，将非线性曲面拟合得出的一维空间温度分布函数u＝f(x，t)代入一维热导方程进行微分方程解析。其次，选取t∈[0，50]中的几组值作为定解条件带入。最后，求的热导率k值。实施例1.对半导体GaN薄膜进行热导率分析，其中GaN薄膜的厚度为30μm，直径为50mm，衬底为Si材料。利用电子束脉冲进行热量加载，并用热像仪进行时间为30s温度测量。然后将t∈[5，20]，x∈[0，15],u∈[78，425]的三维数据点代入MATLAB中进行非线性曲面拟合，计算得到GaN薄膜材料的热导率为123.6W/m·K.实施例2.对金属W薄膜进行热导率分析，其中W薄膜的厚度为45μm，直径为40mm，衬底为Si材料。利用电子束脉冲进行热量加载，并用热像仪进行时间为20s温度测量。然后将t∈[5，15]，x∈[0，2],u∈[98，498]的三维数据点代入MATLAB中进行非线性曲面拟合，计算得到W薄膜材料的热导率为149W/m·K。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄膜热导率的测量方法，其特征在于，利用点状脉冲加热装置对待测样品进行加热，同时利用热成像仪对其加热区域进行温度测量，然后将其空间温度分布结果导入计算软件中进行非线性曲面拟合，得出一维时间空间温度分布函数u＝f(x，t)，其中，u是关于空间(x)和时间(t)的二元函数，℃；x为测量点距热源中心的距离，单位为mm；t为加热时间,单位为s；/n最后将方程代入一维热传导方程

【技术特征摘要】
1.一种薄膜热导率的测量方法，其特征在于，利用点状脉冲加热装置对待测样品进行加热，同时利用热成像仪对其加热区域进行温度测量，然后将其空间温度分布结果导入计算软件中进行非线性曲面拟合，得出一维时间空间温度分布函数u＝f(x，t)，其中，u是关于空间(x)和时间(t)的二元函数，℃；x为测量点距热源中心的距离，单位为mm；t为加热时间,单位为s；
最后将方程代入一维热传导方程中进行热导率求解；其中，k为热导率，c、ρ分别为密度和比热。


2.根据权利要求1所述的一种薄膜材料热导率的测量方法，其特征在于：
点状脉冲加热装置包括激光脉冲或电子束脉冲。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王波，肖善曲，祁超，吕广宏，程龙，马玉田，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11