同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法及系统，属于热物性测量技术领域，先利用预设的满足预设准则的激光光斑尺寸和调制频率对待测样品进行TDTR测量，得到测量信号，然后将待测样品的初始参数值输入传热模型，得到模拟信号，不断对初始参数值进行调整，直至模拟信号和测量信号的偏差小于预设值，此时以初始参数值作为待测样品的测量参数值，测量信号和模拟信号均包括负延迟时间段

【技术实现步骤摘要】
同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及热物性测量
，特别是涉及一种利用时域热反射技术同时测定亚毫米级样品热导率、比热容及界面热阻的测量方法及系统。

技术介绍

[0002]时域热反射技术(TDTR)是一种发展成熟、功能强大的热物性测量技术，被广泛用于测量薄膜及块体材料的热导率和界面热阻。TDTR测量基于泵浦
‑
探测技术，用一束经调制的飞秒激光脉冲束对样品进行周期性加热，另一束经延迟的激光脉冲束通过热反射原理探测样品表面的温度响应，光电探测器将反射探测光携带的光信号转化为电信号，再由锁相放大器提取其相位和幅值，通过传热模型对实验测量信号进行最佳拟合即可准确获得待测样品的热物性。常规的TDTR测量需要已知样品的比热容才能测定样品的热导率和界面热阻，测量误差通常为10％。
[0003]基于此，亟需一种能够同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法及系统，通过TDTR单次测量即能同时测定样品的热导率、比热容及界面热阻，极大的扩展了TDTR技术的测量能力。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法，所述测量方法包括：
[0007]利用预设的激光光斑尺寸和调制频率对待测样品进行TDTR测量，得到测量信号；所述测量信号包括负延迟时间段的测量得到的相位信号和正延迟时间段的测量得到的相位信号；
[0008]将所述待测样品的初始参数值输入传热模型，得到模拟信号；判断所述模拟信号和所述测量信号的偏差是否小于预设值；若是，则以所述初始参数值作为所述待测样品的测量参数值；若否，则对所述初始参数值进行调整，得到调整后参数值，并以所述调整后参数值作为下一次循环的初始参数值，返回“将所述待测样品的初始参数值输入传热模型”的步骤；所述参数值包括热导率、比热容及界面热阻的取值；所述模拟信号包括负延迟时间段的模拟得到的相位信号和正延迟时间段的模拟得到的相位信号。
[0009]一种同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量系统，所述测量系统包括：
[0010]测量模块，用于利用预设的激光光斑尺寸和调制频率对待测样品进行TDTR测量，得到测量信号；所述测量信号包括负延迟时间段的测量得到的相位信号和正延迟时间段的测量得到的相位信号；
[0011]模拟模块，用于将所述待测样品的初始参数值输入传热模型，得到模拟信号；判断所述模拟信号和所述测量信号的偏差是否小于预设值；若是，则以所述初始参数值作为所述待测样品的测量参数值；若否，则对所述初始参数值进行调整，得到调整后参数值，并以
所述调整后参数值作为下一次循环的初始参数值，返回“将所述待测样品的初始参数值输入传热模型”的步骤；所述参数值包括热导率、比热容及界面热阻的取值；所述模拟信号包括负延迟时间段的模拟得到的相位信号和正延迟时间段的模拟得到的相位信号。
[0012]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0013]本专利技术用于提供一种同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法及系统，先利用预设的激光光斑尺寸和调制频率对待测样品进行TDTR测量，得到测量信号，然后将待测样品的初始参数值输入传热模型，得到模拟信号，不断对初始参数值进行调整，直至模拟信号和测量信号的偏差小于预设值，此时以初始参数值作为待测样品的测量参数值，通过TDTR单次测量即能同时测定样品的热导率、比热容及界面热阻，极大的扩展了TDTR技术的测量能力。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本专利技术实施例1所提供的测量方法的方法流程图；
[0016]图2为本专利技术实施例1所提供的测量方法的原理框图；
[0017]图3为本专利技术实施例1所提供的100nmAl/Si样品的TDTR相位信号在不同延迟时间对Si基底材料的比热容和纵向热导率的敏感性系数的比值随激光光斑半径和热穿透深度的变化示意图；
[0018]图4为本专利技术实施例1所提供的TDTR系统的结构框图；
[0019]图5为本专利技术实施例1所提供的单晶硅样品的测量信号、敏感性分析、对单晶硅样品的热导率、比热容及界面热阻的测量结果进行误差分析的示意图；
[0020]图6为本专利技术实施例2所提供的测量系统的系统框图。
具体实施方式
[0021]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0022]本专利技术的目的是提供一种同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法及系统，通过TDTR单次测量即能同时测定样品的热导率、比热容及界面热阻，极大的扩展了TDTR技术的测量能力。
[0023]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0024]实施例1：
[0025]TDTR的泵浦光调制频率通常局限在0.5～12MHz范围。在～10MHz的高频范围，TDTR测量的相位信号主要受样品的纵向热逸散率(k
z
为样品的纵向热导率，C为样
品的体积比热容)影响，而在～1MHz的低频范围，TDTR测量的相位信号同时还受样品的面向热扩散率(α
r
＝k
r
/C，k
r
为样品的面向热导率)影响。因此，针对各向同性材料k
r
＝k
z
，现有技术提出了变频率TDTR法，通过同时拟合不同频率下测量的相位信号即可同时确定其热导率和比热容。然而，变频率TDTR法要求TDTR测量的热导率不能依赖调制频率，但实际上，TDTR在测量很多样品(比如半导体合金和二维层状材料)时，所测到的热导率均依赖于调制频率，从而极大地限制了变频率TDTR法的应用。
[0026]还有现有技术提出TDTR两步拟合法，当使用合适的调制频率和激光光斑尺寸对各向同性材料进行测量时，在0.1～8ns延迟时间内的归一化幅值信号对样品的热导率和比热容的敏感性基本相同，而相位信号对样品的热导率和比热容的敏感性有所差异。因此，先拟合0.1～8ns延迟时间内的归一化幅值信号可得到各向同性样品的热逸散率，再拟合相位信号分别得到样品的热导率和比热容。该TDTR两步拟合法在理论上可行，实际操作中却有困难，因为它对实验装置的完美性提出了极高的要求。TDTR实验中激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时测定热导率、比热容及界面热阻的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：利用预设的激光光斑尺寸和调制频率对待测样品进行TDTR测量，得到测量信号；所述测量信号包括负延迟时间段的测量得到的相位信号和正延迟时间段的测量得到的相位信号；将所述待测样品的初始参数值输入传热模型，得到模拟信号；判断所述模拟信号和所述测量信号的偏差是否小于预设值；若是，则以所述初始参数值作为所述待测样品的测量参数值；若否，则对所述初始参数值进行调整，得到调整后参数值，并以所述调整后参数值作为下一次循环的初始参数值，返回“将所述待测样品的初始参数值输入传热模型”的步骤；所述参数值包括热导率、比热容及界面热阻的取值；所述模拟信号包括负延迟时间段的模拟得到的相位信号和正延迟时间段的模拟得到的相位信号。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述预设的激光光斑尺寸和调制频率满足预设准则；所述预设准则为：3d
p
≤w0≤15d
p
；其中，d
p
为热穿透深度，其由调制频率确定；w0为激光光斑半径。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述热穿透深度的计算公式为：其中，k为待测样品的热导率；f为调制频率；C为待测样品的体积比热容。4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对待测样品进行TDTR测量具体包括：利用TDTR系统对待测样品进行TDTR测量；所述TDTR系统包括：泵浦光传输部件、探测光传输部件和探测部件；所述泵浦光传输部件用于产生预设的调制频率的泵浦光，并传输至所述待测样品，对所述待测样品进行周期性加热；所述探测光传输部件用于产生探测光，并传输至所述待测样品，探测所述待测样品表面的温度响应，产生响应光；所述探测部件用于接收所述响应光，提取所述待测样品的热响应信号；所述测量信号即根据所述热响应信号得到。5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，根据所述热响...

【专利技术属性】
技术研发人员：江普庆，杨荣贵，张铭真，宋尚智，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：