一种材料导热性能测试系统技术方案

本实用新型专利技术涉及材料性能表征领域，具体涉及一种材料导热性能测试系统。该系统样品放在样品分析室内的样品台上，真空及控温系统分别通过测试温度环境获得系统和真空获得系统与样品分析室相连，信号接收与控制系统的输入端与测试温度环境获得系统连接，信号接收与控制系统的输出端与数据可视化系统连接。信号接收与控制系统主要是对待测芯片可控地输出测试信号，并同时接收样品的反馈信号，处理后传输给数据可视化系统，数据可视化系统可对获得的数据进行自动化处理并输出可视化的数据图。本实用新型专利技术实现了在150K～750K温度范围对块体和薄膜材料的面内及面外的导热性能测试，具有测试材料范围广泛，测试结果准确等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种材料导热性能测试系统
本技术涉及材料性能表征领域，具体涉及一种材料导热性能测试系统。
技术介绍
材料的导热性能是其重要的物理属性，随着材料维度的降低，其尺度效应出现有别于传统块体材料的“ballistic”传输效应，极大地影响材料的导热属性和使用性能，低维导热材料在微电子系统热管理领域具有深远和重要的影响。由于低维材料表现出强烈的导热各向异性以及尺度效应，传统的适用于测量块体材料导热性能的测量设备和原理，如瞬态激光闪烁法或是稳态热源法已经完全不适用了，瞬态激光的探测束斑面积甚至大于二维材料尺寸。目前，世界范围内公认的测量低维材料热导率的技术主要有瞬态3ω-频域法和稳态SiN-悬臂法等。瞬态3ω-频域法是能同时采集分析二维材料、薄膜等低维材料面内及面外导热性能的测量技术。主要利用材料自身的热传导属性对于瞬间一倍频率的热源吸收/释放时产生的三倍频率响应信号，直接计算出材料的热导率，这其中不需要假设任何参数或是测量比热容等其它热物性参数，具有测量精度高、重复性好，可测量热导率值范围广，测试温度范围较宽，对于待测量样品电绝缘性能要求低等优点。稳态法是基于热导率的基本定义，在近似绝热的环境下利用一维稳态热源信号测量样品的温升响应来计算热导率。其是测量低维材料沿热流方向(面内)的热导率，也是目前测量自支撑(无基底)低维材料的主要/唯一技术方法。不过当把这种方法运用于对二维材料的导热性能的测试上，则需根据材料的特殊性进行自行设计，目前并无针对这些二维材料可以通用的商用导热性能测试仪器。技术内容本技术的目的是提供一种材料导热性能测试系统，将瞬态3ω频域法和稳态法两种热导率测试原理联用，实现对块体和薄膜材料的面内及面外的、150K～750K温度范围的导热性能测试，并且对于部分样品可以使用两种测试方法进行相互验证。为了实现上述目的，本技术的技术方案如下：一种材料导热性能测试系统，包括样品分析室、真空及控温系统、信号接收与控制系统和数据可视化系统，具体结构如下：样品放在样品分析室内的样品台上，真空及控温系统分别通过测试温度环境获得系统和真空获得系统与样品分析室相连，信号接收与控制系统的输入端与测试温度环境获得系统连接，信号接收与控制系统的输出端与数据可视化系统连接。所述的材料导热性能测试系统，样品分析室为样品测试提供所需要的真空、变温和电路连接的测试环境，其具体的结构包括：真空腔体、真空密封电连接件、150K～750K样品控温装置、样品台，150K～750K样品控温装置位于真空腔体内的上部，150K～750K样品控温装置的顶部露在外面，150K～750K样品控温装置设有加热台和液氮管路，真空腔体内，待测样品放置在样品台的测试芯片上，样品台放置在150K～750K样品控温装置的加热台上，两个真空密封电连接件设置于真空腔体的侧壁上，真空腔体内加热台的引线、150K～750K样品控温装置上的热电偶引线分别经过一个真空密封电连接件引出，加热台的引线连接测试温度环境获得系统的温控仪，150K～750K样品控温装置上的热电偶引线连接信号接收与控制系统。所述的材料导热性能测试系统，测试温度环境获得系统包括温控仪和液氮冷肼，温控仪的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，温控仪的输出端通过线路经真空密封电连接件与150K～750K样品控温装置的加热台连接；液氮冷肼的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，液氮冷肼的输出端通过液氮管路伸至真空腔体内。所述的材料导热性能测试系统，温控仪采用PID或位式的温控仪，温控仪的输出端通过RS232通讯模块与数据可视化系统连接。所述的材料导热性能测试系统，真空获得系统与真空腔体通过波纹管连接。所述的材料导热性能测试系统，信号接收与控制系统包括直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器和测试电路板，其中：直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器均通过屏蔽线与测试电路板连接，直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器的输出端均通过集线器与数据可视化系统连接，测试电路板通过真空密封电连接件与样品台上的测试芯片连接。所述的材料导热性能测试系统，直流稳压电源通过导线接入到测试电路板的直流输入端，数字信号发生器通过导线与测试电路板的交流输入端连接。所述的材料导热性能测试系统，微欧表与测试电路板的输出端连接。所述的材料导热性能测试系统，两相锁相放大器与测试电路板输出端连接。本技术设计思路如下：首先，对于材料的导热性能测试，世界范围内公认的测量低维材料热导率的技术主要有瞬态3ω-频域法和稳态SiN-悬臂法。其次，其中瞬态3ω-频域法主要是针对块体和有基底的薄膜材料，而稳态SiN-悬臂法主要是用于测量无基底薄膜材料的热导率。而二种测试方法所需的测试环境相似，将两者结合可做到对大部分金属、半导体、绝缘体等材料导热性能进行测试。正是基于以上两点主要设计指导思想，本技术成功实现利用上述装置对块体和薄膜材料的面内及面外、150K～750K温度范围的导热性能测试。本技术的优点及有益效果如下：1、本技术提出一套集多种样品制备、全自动、宽温度范围、高精度、可连续测试的完整测试系统。它融合了目前国际上科研人员普遍认可的两种薄膜导热性能测试技术——瞬态3ω-频域法和稳态SiN-悬臂法，可以用一套系统，两种方法对样品进行测量，并进行相互佐证。而且在测量非常薄、外形尺寸较小的样品时，稳态SiN-悬臂法可以填补瞬态3ω-频域法的测量空白区；在测量比较厚、外延生长的样品，或测件温度较高、测量方向为面外方向时，瞬态3ω-频域法又可以弥补稳态SiN-悬臂法的不足。这样即可形成一套完善的测量系统，可测样品种类广泛。2、本技术水冷真空隔热腔体辅以液氮制冷配件，可以实现150K至750K温度区间内的导热性能的测试，此测试温度范围较广，可以满足大部分材料的导热性能进行研究需要。3、本技术采用机械泵和分子泵的组合机组，可获得最高10-6的真空度，可极大的减少样品的其它热传导方式，提高测试精度。4、本技术在样品腔室加入了气体入口，可对样品进行原位处理后，直接测试，避免暴露空气而造成污染和干扰。5、本技术选择不同测试原理时仅需更换样品台即可，方便快捷。6、本技术的装置所有的配件均与电脑进行连接，可以进行全自动测试，自动化程度较高。7、本技术的装置具有测试范围广泛，测试结果准确的优点，并且对于部分样品可以使用两种测试方法进行相互验证，对材料科学研究具有十分重要的意义。附图说明图1为本技术所做的实验装置结构图。图中：1——样品分析室；2——真空及控温系统；3——信号接收与控制系统；4——数据可视化系统；11——真空腔体；12——真空密封电连接件；13——150K～750K样品控温装置；14——样品台；15——加热台；16——液氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种材料导热性能测试系统，其特征在于，包括样品分析室、真空及控温系统、信号接收与控制系统和数据可视化系统，具体结构如下：/n样品放在样品分析室内的样品台上，真空及控温系统分别通过测试温度环境获得系统和真空获得系统与样品分析室相连，信号接收与控制系统的输入端与测试温度环境获得系统连接，信号接收与控制系统的输出端与数据可视化系统连接；/n样品分析室为样品测试提供所需要的真空、变温和电路连接的测试环境，其具体的结构包括：真空腔体、真空密封电连接件、150K~750K样品控温装置、样品台，150K~750K样品控温装置位于真空腔体内的上部，150K~750K样品控温装置的顶部露在外面，150K~750K样品控温装置设有加热台和液氮管路，真空腔体内，待测样品放置在样品台的测试芯片上，样品台放置在150K~750K样品控温装置的加热台上，两个真空密封电连接件设置于真空腔体的侧壁上，真空腔体内加热台的引线、150K~750K样品控温装置上的热电偶引线分别经过一个真空密封电连接件引出，加热台的引线连接测试温度环境获得系统的温控仪，150K~750K样品控温装置上的热电偶引线连接信号接收与控制系统；/n测试温度环境获得系统包括温控仪和液氮冷肼，温控仪的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，温控仪的输出端通过线路经真空密封电连接件与150K~750K样品控温装置的加热台连接；液氮冷肼的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，液氮冷肼的输出端通过液氮管路伸至真空腔体内。/n...

【技术特征摘要】
1.一种材料导热性能测试系统，其特征在于，包括样品分析室、真空及控温系统、信号接收与控制系统和数据可视化系统，具体结构如下：
样品放在样品分析室内的样品台上，真空及控温系统分别通过测试温度环境获得系统和真空获得系统与样品分析室相连，信号接收与控制系统的输入端与测试温度环境获得系统连接，信号接收与控制系统的输出端与数据可视化系统连接；
样品分析室为样品测试提供所需要的真空、变温和电路连接的测试环境，其具体的结构包括：真空腔体、真空密封电连接件、150K~750K样品控温装置、样品台，150K~750K样品控温装置位于真空腔体内的上部，150K~750K样品控温装置的顶部露在外面，150K~750K样品控温装置设有加热台和液氮管路，真空腔体内，待测样品放置在样品台的测试芯片上，样品台放置在150K~750K样品控温装置的加热台上，两个真空密封电连接件设置于真空腔体的侧壁上，真空腔体内加热台的引线、150K~750K样品控温装置上的热电偶引线分别经过一个真空密封电连接件引出，加热台的引线连接测试温度环境获得系统的温控仪，150K~750K样品控温装置上的热电偶引线连接信号接收与控制系统；
测试温度环境获得系统包括温控仪和液氮冷肼，温控仪的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，温控仪的输出端通过线路经真空密封电连接件与150K~750K样品控温装置的加热台连接；液氮冷肼的输入端通过线路...

【专利技术属性】
技术研发人员：邰凯平，赵洋，谭军，康斯清，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：新型
国别省市：辽宁;21