一种微米线热导率和热扩散率测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微米线热导率和热扩散率测量系统及方法，涉及工学热传学技术领域，解决了微米线的热导率和热扩散率测量方法复杂且成本较高的技术问题，其技术方案要点是将加热线既作为温度传感器又作为加热器，通过使用安培力原位修正加热线的偏转，实现与微米线材样品的接触和分离。通过准稳态测量，得到了不同接触条件下的接触热阻，从而消除了接触热阻对热导率的影响。该测量方法在不同接触热阻下测量得到的热物性具有可重复性；且交叉微米线结构克服了引入不同热界面材料的影响，为测量微米线的热物性提供了一种准确和方便的方法，具有广泛的开发和应用前景。具有广泛的开发和应用前景。具有广泛的开发和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种微米线热导率和热扩散率测量系统及方法


[0001]本申请涉及工学传热学
，尤其涉及一种微米线热导率和热扩散率测量系统及方法。

技术介绍

[0002]微/纳米材料已广泛应用于航空航天、微电子器件和能量转换等许多领域。特别是随着半导体产业的发展，对各种微/纳米线的需求越来越大。大功率密度电子器件的性能在很大程度上取决于微/纳米尺度导线的热物理性质。然而，由于高空间的分辨率和接触电阻的存在，准确便捷地测量热物理性质仍然是一项具有挑战性的工作。
[0003]近几十年来，人们发展了几种表征微纳米线热物理性质的方法，包括3ω法、悬架微桥法、电脉冲加热法、稳态电热拉曼法和T形法。在3ω法和电脉冲加热法测量过程中，样品同时作为加热器和温度传感器，通常条件下，待测样品必须导电，且具有稳定的电阻温度关系。而悬架微桥加工成本高，且目前主要用于纳米结构的热电性质测量。如何更方便地测量微米线的热物性参数是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]本申请提供了一种微米线热导率和热扩散率测量系统及方法，其技术目的是在准确评估待测线和加热线之间的接触热阻的基础上，快速方便的对微米线的热导率和热扩散率进行测量。
[0005]本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]一种微米线热导率和热扩散率测量系统，包括真空腔体、矩阵开关、第一运算放大器、第二运算放大器、差分放大器、锁相放大器、万用表、恒流信号源、自动采集模块；所述真空腔体内设有电磁场电源、温控仪和交叉微米线结构，所述交叉微米线结构包括呈十字交叉设置的加热线和待测线，加热线垂直于外部磁场，待测线平行于外部磁场；加热线的两端分别与矩阵开关连接；
[0007]矩阵开关通过变阻箱与第一运算放大器的输入端连接，与第二运算放大器的输入端连接，与锁相放大器的输入端连接，与万用表连接，通过标准电阻与恒流信号源连接；
[0008]第一运算放大器和第二运算放大器的输出端均与差分放大器的输入端连接，差分放大器的输出端与锁相放大器的输入端连接；
[0009]自动采集模块采集锁相放大器、万用表、恒流信号源、电磁场电源和温控仪的信息。
[0010]一种微米线热导率和热扩散率测量方法，该方法包括：
[0011]S1：在3ω法基础上，将待测线与加热线呈十字交叉布置，且使加热线垂直于外部磁场，待测线平行于外部磁场；
[0012]S2：在安培力作用下加热线与待测线产生接触，接触位置即为接触点；
[0013]S3：在加热线上通入直流电，加热线与待测线未接触时利用接触前后加热线温度
的变化，得到加热线的热阻，从而得到加热线的热导率；加热线与待测线接触时获取加热线通入直流电的直流平均温升；
[0014]S4：在加热线上通入交流电，利用加热线的温阻关系特性测得加热线上与温度相关的3倍频电压，对加热线的平均温度振荡进行计算，然后根据频率以及测得的3倍频电压拟合得到接触点的接触热阻和待测线的吸热系数，再结合步骤S3得到的直流平均温升，获得待测线的热导率和热扩散率。
[0015]本申请的有益效果在于：本申请所述的微米线热导率和热扩散率测量系统及方法，没有引入热界面材料，加热线和待测线是干接触，同时引入磁场，能够实现真空条件下两根线的可控接触；不需要往复取放待测线，将待测线和加热线一起放进真空环境中，同时也保证了测试前后实验条件完全一致；采用矩阵开关来切换不同的引脚，实现测量自动化。
附图说明
[0016]图1为本申请所述微米线热导率和热扩散率测量系统的结构示意图；
[0017]图2为交叉微米线结构示意图；
[0018]图3为本申请所述微米线热导率和热扩散率测量方法的流程图。
具体实施方式
[0019]下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0020]如图1所示，本申请所述的微米线热导率和热扩散率测量系统，包括真空腔体、矩阵开关、第一运算放大器、第二运算放大器、差分放大器、锁相放大器、万用表、恒流信号源、自动采集模块；所述真空腔体内设有电磁场电源、温控仪和交叉微米线结构，所述交叉微米线结构包括呈十字交叉设置的加热线和待测线，加热线垂直于外部磁场，待测线平行于外部磁场；加热线的两端分别与矩阵开关连接。矩阵开关通过变阻箱与第一运算放大器的输入端连接，与第二运算放大器的输入端连接，与锁相放大器的输入端连接，与万用表连接，通过标准电阻与恒流信号源连接。第一运算放大器和第二运算放大器的输出端均与差分放大器的输入端连接，差分放大器的输出端与锁相放大器的输入端连接。自动采集模块采集锁相放大器、万用表、恒流信号源、电磁场电源和温控仪的信息。
[0021]实验系统中，抽真空系统为实验提供压强小于1
×
10
‑4Pa的高真空环境，恒流信号源为加热线提供恒流信号，通过运算放大器将加热线和变阻箱两端的电压信号进行差分放大，由锁相放大器采集加热线两端的电压信号。
[0022]交叉微米线结构如图2所示，加热线和待测线以交叉几何形状安装，在这种几何形状中，加热线垂直于外部磁场，而测试线平行于磁场。加热线既可用作温度传感器，也可用作加热器。通过在直流电产生的安培力下使加热线偏转，即使之后磁场关闭，也可以建立稳定的结构。交叉微米线的接触状态精准可控，接触过程中微米线两端始终固定。同时，加热线、待测线长度可调，且与测量系统之间保持绝缘。通过对交叉微米线结构进行准稳态测量，利用加热线的温阻关系特性，拟合得到接触点的接触热阻；再通过对交叉微米线结构进行稳态测量，获得待测线的热导率。
[0023]作为具体实施例地，测量系统底部为圆盘结构，与真空腔内的基座能够配合连接，且装置总体尺寸不得大于Φ25
×
35mm。
[0024]作为具体实施例地，所述恒流信号源的型号为Agilent B2901A，所述万用表的型号为Agilent 3458A。
[0025]作为具体实施例地，所述锁相放大器的型号为SR7265。
[0026]作为具体实施例地，其特征在于，所述矩阵开关的型号为Agilent 34904A。
[0027]如图3所示，本申请所述的微米线热导率和热扩散率测量方法包括：
[0028]S1：在3ω法基础上，将待测线与加热线呈十字交叉布置，且使加热线垂直于外部磁场，待测线平行于外部磁场。
[0029]S2：在安培力作用下加热线与待测线产生接触，接触位置即为接触点。
[0030]S3：在加热线上通入直流电，加热线与待测线未接触时利用接触前后加热线温度的变化，得到加热线的热阻，从而得到加热线的热导率；加热线与待测线接触时获取加热线通入直流电的直流平均温升。
[0031]稳态测量的原理类似于经典的T形法。具体地，当加热线与待测线未接触时，在加热线上通入直流电，此时加热线的平均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微米线热导率和热扩散率测量系统，其特征在于，包括真空腔体、矩阵开关、第一运算放大器、第二运算放大器、差分放大器、锁相放大器、万用表、恒流信号源、自动采集模块；所述真空腔体内设有电磁场电源、温控仪和交叉微米线结构，所述交叉微米线结构包括呈十字交叉设置的加热线和待测线，加热线垂直于外部磁场，待测线平行于外部磁场；加热线的两端分别与矩阵开关连接；矩阵开关通过变阻箱与第一运算放大器的输入端连接，与第二运算放大器的输入端连接，与锁相放大器的输入端连接，与万用表连接，通过标准电阻与恒流信号源连接；第一运算放大器和第二运算放大器的输出端均与差分放大器的输入端连接，差分放大器的输出端与锁相放大器的输入端连接；自动采集模块采集锁相放大器、万用表、恒流信号源、电磁场电源和温控仪的信息。2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述恒流信号源的型号为Agilent B2901A，所述万用表的型号为Agilent 3458A。3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述锁相放大器的型号为SR7265。4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述矩阵开关的型号为Agilent 34904A。5.一种微米线热导率和热扩散率测量方法，该方法通过权利要求1
‑
4任一所述的测量系统实现，其特征在于，该方法包括：S1：在3ω法基础上，将待测线与加热线呈十字交叉布置，且使加热线垂直于外部磁场，待测线平行于外部磁场；S2：在安培力作用下加热线与待测线产生接触，接触位置即为接触点；S3：在加热线上通入直流电，加热线与待测线未接触时利用接触前后加热线温度的变化，得到加热线的热阻，从而得到加热线的热导率；加热线与待测线接触时获取加热线通入直流电的直流平均温升；S4：在加热线上通入交流电，利用加热线的温阻关系特性测得加热线上与温度相关的3倍频电压，对加热线的平均温度振荡进行计算，然后根据频率以及测得的3倍频电压拟合得到接触点的接触热阻和待测线的吸热系数，再结合步骤S3得到的直流平均温升，获得待测线的热导率和热扩散率。6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤S3中，当加热线与待测线未接触时，在加热线上通入直流电，此时加热线的平均温升表示为：其中，I表示直流电，V表示加热线两端的压降；通过式(1)得到加热线的热阻R
h
，根据R
h
＝l
h
/(λ
h
S
h
)，得到加热线的热导率λ
h
；l
h
表示加热线的长度；S
h
表示加热线的横截面积；当加热线与待测线接触时，在加热线上通入直流电，忽略加热线和待测线表面的辐射热损失，此时加热线的直流平均温升表示为：其中，l
s1
、l
s2
分别表示以接触点为界将待测线划分后的两段；l
h1
、l
h2
分别表示以接触点
为界将加热线划分后的两段；l
s
表示待测线的长度；R
s
表示待测线的热阻；R
c
表示加热线和待测线接触点处的接触热阻。7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，根据3ω法的测量原理，在加热线上通入交流电I0cos(ωt)时，加热线的一维导热方程表示为：其中，α
h
表示加热线的热扩散率；ΔT
h
表示温升；x
h
表示以加热线的任一端点为起点且在加热线上的一段长度；I'...

【专利技术属性】
技术研发人员：张荷若，陈浩然，王建立，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：