本发明专利技术公开了一种测试薄膜热导率的新方法。通过样品上两个金属加热薄膜对有膜区域与无膜区域的同时加热，通过调整串联在电路中的精密可调电阻箱，使两个金属加热薄膜具有相同的加热功率密度。当两个金属加热薄膜具有相同的功率密度，形状相同，尺寸高度相近，作用在同一个较小的样品上时，可以认为两个金属加热薄膜的温升差，即为待测薄膜样品两个侧面的温差。通过高精度高速数据采集卡采集两个已知精密参考电阻和两个金属加热薄膜的电压信号，处理后得到两个金属薄膜的加热功率和温度变化，即待测薄膜的传热功率密度和薄膜两侧的温差，结合薄膜厚度，计算得到薄膜膜厚方向热导率。该方法原理简单，设备和测试成本较低，精度较高，数据处理容易。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于薄膜热物性测试
，具体涉及一种薄膜热导率的测试装置及方 法。
技术介绍
随着微纳米材料、微电子微机电系统(MEMS)、超大规模集成电路技术的快速发展， 对于微纳米薄膜材料和器件的散热和热管理更高的要求，因此发展微纳米薄膜材料和器件 的热物性测量方法具有十分重要的意义。热导率是最基本最重要的材料热物性参数之一， 目前块体材料已有多种成熟的热导率测量方法。由于薄膜在厚度方向尺寸极小，而热导率 的测量要涉及到热量传递及监测，而在很小的空间内实现对热量传递的监测往往较为困 难。目前虽然有一些薄膜热导率测试方法的研究报道，但测试过程和装置大都非常复杂和 昂贵。根据加热、探测装置与样品的位置关系，现有的薄膜热导率测试方法可分为接触式 与非接触式两类接触式测试中以3ω法(①David G. Cahill. Rev. Sci. Instrum，1990， 61(2) :802 ；② J. Alvarez-Quintana, J. Rodr‘ Iguez-Viejo, Sensors and ActuatorsA, 2008,142 232)为代表，必须使用锁相放大器检测微弱的3 ω信号，测试原理和数据处理复 杂，仪器设备昂贵；非接触式测试方法不需要在样品上进行微加工布线，采用激光加热和测 试，由于涉及到激光加热和信号的提取及处理，需要激光信号发生器和精密、复杂的光路系 统(① Kading 0. W, Appl. Phys. Lett.，1994，65 (13) 1629 ；② W. F. Bu，Thin SolidFilms, 2008，516 8359)。总体来看，现有薄膜热导率的测试方法存在系统复杂、设备昂贵、数据处理困难、 使用不便等诸多实际问题，因此研究发展新型测试方法十分必要。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种测试薄膜热导率的方法。当衬底的热导率远大于薄膜热 导率时，可以用该方法对薄膜的热导率进行测试。该方法在样品上通过微加工沉积两个金 属加热薄膜，无需昂贵的设备，测试原理及数据处理简单，精确度高。一种用于测试薄膜热导率的测试装置，包括衬底、待测薄膜、金属加热薄膜R3、金 属加热薄膜R4、第一变阻箱、第二变阻箱以及定值电阻Rl和定值电阻R2，所述待测薄膜沉 积在衬底上，两片金属加热薄膜R3和R4为相同的金属加热薄膜，它们分别沉积于所述衬底 上的有待测薄膜的区域和无待测薄膜的区域，所述第一变阻箱、定值电阻R1及金属加热薄膜民串联组成一条支路,第二变阻箱、 定值电阻R2和金属加热薄膜R4串联组成另一支路，两条支路并联，由同一可调直流电源供H1^ O进一步地，所述测试装置还包括数据采集元件，用于采集金属加热薄膜R3和R4、 以及两个定值电阻Rl和R2两端的电压信号。进一步地，所述的数据采集元件为数据采集卡。一种利用上述技术方案所述的测试装置测试薄膜热导率的方法，包括如下步骤(1)由所述直流电源输出初始电压U0 ；(2)采集RpRyR3和R4两端的电压，并据此求得所述金属加热薄膜R3和R4的加热功率，再结合所述金属加热薄膜R3和R4的加热面积，得到它们的加热功率密度，并相应调节 两支路上的变阻箱的阻值，使所述两金属加热薄膜有相同的加热功率密度，记为Pc/S，并将 该功率密度对应的两加热薄膜的温度记为相对温升的零点Ttl ；(3)增大直流电源电压，并相应重新调整变阻箱阻值，使两金属加热薄膜加热功率 密度再次相等，记为P/S，同时，采集此时礼、R2> R3和R4两端的电压，并计算出金属加热薄 膜R3和R4的电阻值，从而得到两金属加热薄膜R3和R4电阻值的改变量，根据上述改变量及 金属加热薄膜的电阻温度系数α，得到两金属加热薄膜R3和R4的相对温升ΔΤ/和ΔT1", 两金属加热薄膜的相对温升差记为ΔΙ\ = Δ T1' -ΔΤ/’；(4)不断增大直流电源电压并多次重复步骤(3)的过程，从而得到多个薄膜加热 功率密度及对应的两加热薄膜相对温升差；(5)用步骤(3)和步骤(4)所测得的各组加热功率密度与对应的相对温升差数据 进行线性拟合，得到拟合斜率k ；(6)由薄膜热导率一维传导公式即求得所述待测薄膜的热导率为λ = d/k，其中 d为所述待测薄膜厚度。本专利技术要求衬底热导率要远大于待测薄膜样品的热导率。本专利技术采用了一系列 新的、简捷的设计解决了衬底上薄膜样品热导率的测量。采用高精度数据采集卡采集金属 加热薄膜的电压信号，由该电压信号可以同时得到金属加热薄膜的功率和温度信息。多通 道的数据采集卡可以同时采集两条金属加热薄膜的电压信号，进而可以同时得到两条金属 加热薄膜的功率和温度信息，通过求差及一维热传导模型处理就可以得到薄膜样品的热导 率。本专利技术使用简单的样品布线及电路设计实现了对样品温度信号及功率信号的提取，经 简单的数据处理就可以得到薄膜的热导率，操作方便，数据处理简单易行，设备价格低廉。 本专利技术是高热导率衬底上薄膜样品热导率的一种测试方法。附图说明图1为本专利技术测试电路图；图2为样品布线结构剖视图；图3为硅衬底上SiO2薄膜热导率测试拟合曲线图；图4为本方法与求差3 ω法测试薄膜热导率对比图。具体实施例方式下面结合附图和实例对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术测量装置包括测试电路、样品和数据采集三个部分。如图1和2所示，样品包括衬底和待测薄膜，所述待测薄膜沉积在衬底的部分区域 上形成待测薄膜区域，衬底上其他部分为无待测薄膜的无待测薄膜区域。在待测薄膜区域 与无待测薄膜区域利用微加工工艺分别制作金属加热薄膜R3和金属加热薄膜R4,两金属加 热薄膜材质、外形、尺寸和制作工艺相同，性能保持较高的一致性。测试电路为一个由两条支路组成的并联电路，一条支路由第一精密变阻箱1、精密 电阻R1及待测薄膜区域的金属加热薄膜R3串联组成，另一支路由第二精密变阻箱、精密电 阻R2和无待测薄膜区域的金属加热薄膜R4串联组成。其中精密电阻R1和R2的阻值误差小 于1%。，其电阻温度系数不大于lOppm。两条支路并联由同一可调直流电源供电。数据采集部分由高精度数据采集卡和微机组成。如图1所示，采集的RpRyRyR4 的电压信号输入到高精度数据卡，经过采集卡处理，再通过USB数据线将数据输入到微机 的USB接口，由采集卡的配套软件进行数据的采集。具体进行测试步骤1、测试前，精密变阻箱调零，直流电源电压调零；2、打开电源，调节直流电源，使其输出一个较小电压Utl ；3、用高精度数据采集卡采集R1、R2、R3、R4的电压信号，经计算可得到金属加热薄膜 R3和R4的加热功率，再结合两金属加热薄膜的加热面积，得到两金属加热薄膜R3和R4的加 热功率密度，比较金属加热薄膜1、2的加热功率密度，并相应调节精密变阻箱1或2的阻 值，最终使两金属加热薄膜有相同的加热功率密度，记为Po/S，并将该功率密度时两加热薄 膜的温度记为相对温升的零点Ttl ；4、适当增大直流电源电压，并相应重新调整变阻箱阻值，使两金属加热薄膜加热 功率密度相同，记为Pl/S。同时，由采集到的电压信号，计算出金属加热薄膜民和R4的电阻 值，从而得到两金属加热薄膜R3和礼电阻值的改变量，根据上述改变量及各金属加热薄膜 的电阻温度系数α，得到两金属加热薄膜本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于测试薄膜热导率的测试装置，包括衬底、待测薄膜、金属加热薄膜Ｒ↓［３］、金属加热薄膜Ｒ↓［４］、第一变阻箱（１）、第二变阻箱（２）以及定值电阻Ｒ↓［１］和定值电阻Ｒ↓［２］，所述待测薄膜沉积在衬底上，两片金属加热薄膜Ｒ↓［３］和Ｒ↓［４］为相同的金属加热薄膜，它们分别沉积于所述衬底上的有待测薄膜的区域和无待测薄膜的区域， 所述第一变阻箱（１）、定值电阻Ｒ↓［１］及金属加热薄膜Ｒ↓［３］串联组成一条支路，第二变阻箱（２）、定值电阻Ｒ↓［２］和金属加热薄膜Ｒ４串联组成另一支路，两条支路并联，由同一可调直流电源供电。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张建生，杨君友，张晖，肖承京，冯双龙，朱虎，朱云峰，朱文，彭江英，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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