CN103940847B - 一种基于热流传感器各向异性薄膜热导率测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于热流传感器各向异性薄膜热导率测试方法及装置，测试平台的内部埋置多个热流传感器，测试平台的上表面上置放待测样品衬底，样品衬底的上表面上置放待测薄膜样品，加热头位于待测薄膜表面处，多个热流传感器在测试平台的水平方向上呈一字型等距离埋置，每个热流传感器的上表面与测试平台的上表面平齐；计算机在同一时刻分别记录多个热流传感器的热流测量值，根据傅里叶公式计算出待测薄膜在水平方向的平均热导率，将待测样品衬底和待测薄膜整体翻转，记录其中一个热流传感器的热流值<i>，</i>根据公式计算出待测薄膜垂直方向上的热导率；可以有效的一次性快速测量薄膜的水平及垂直方向上的热导率。

Description

一种基于热流传感器各向异性薄膜热导率测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于热流传感器（HeatFluxSensor，HFS）的薄膜热导率测试装置及方法，对当前薄膜材料和结构的热导率进行测试。

背景技术

随着微/纳电子技术的发展，薄膜材料和结构已经被广泛的用于电子元器件、太阳能电池、探测器、传感器等领域，热导率作为材料特性主要参数指标之一，它的高低决定着整个器件的散热特性的好坏。目前，体块材料的热导率测试已经有很多种方法，但是由于薄膜结构尺寸(厚度较小)的影响，常规测量装置已经无法满足薄膜热导率测试的要求，薄膜的热导率无法得到快速、准确的测量。同时，现有的薄膜热导率测试方法及装置都很复杂，以3ω法为例，系统必须采用激光器、放大器还有精密的光学系统等复杂设备构成测试系统，否则无法完成对薄膜热导率的测量。中国专利申请号为2010101334868的专利文献提供了一种薄膜热导率测试方法及装置，但是该装置及方法的使用前提是必须保证衬底的热导率要远大于薄膜材料的热导率，但是对于衬底热导率低于薄膜材料热导率的情况无法适应，当薄膜材料（如石墨烯）热导率远高于衬底材料的热导率时，该装置则无法测试。因此，现有的薄膜热导率测试方法及装置存在成本高、系统复杂、操作复杂、测试有局限等问题。

发明内容

本发明的目的是为弥补现有技术的弥补，提出一种基于热流传感器的各向异性薄膜热导率测试方法以及装置，满足不同薄膜材料在水平方向上的热导率测试需求，当衬底热导率远小于薄膜热导率时，可以利用该方法及装置测试薄膜垂直（即厚度）方向上的热导率。

本发明一种基于热流传感器的各向异性薄膜热导率测试装置采用的技术方案是：包括测试平台、测样品衬底，测试平台的内部埋置多个热流传感器，测试平台的上表面上置放待测样品衬底，测样品衬底的上表面上置放待测薄膜样品，加热头位于待测薄膜表面处，每个热流传感器均通过各自的引出线引出并连接计算机。

所述多个热流传感器在测试平台的水平方向上呈一字型等距离埋置，每个热流传感器的上表面与测试平台的上表面平齐。

本发明一种基于热流传感器的各向异性薄膜热导率测试方法采用的技术方案是：先采用加热头对待测薄膜表面进行加热，用计算机在同一时刻分别记录多个热流传感器的热流测量值，根据傅里叶公式计算出待测薄膜在水平方向的平均热导率，再将待测样品衬底和待测薄膜整体翻转，使待测薄膜在下、测样品衬底在上放置在测试平台上，利用加热头对测样品衬底表面加热，用计算机记录其中一个热流传感器的热流值J _m ，最后根据公式计算出待测薄膜垂直方向上的热导率K，为待测样品衬底的热导率，D为待测样品衬底的厚度D，d为待测薄膜的厚度。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明装置将数个热流传感器埋置在测试平台的上表面，利用热流传感器测得的不同位置的热流，进而获得薄膜在水平及垂直方向上的热导率，可以有效的一次性快速测量的薄膜的水平及垂直方向上的热导率。

2、本发明装置采用等间距离埋置方式在上表面埋置数个热流传感器用来测量薄膜在各个方向上的热流值，在计算热流梯度时可以避免测量误差，提高测量精度。热流传感器的间距值可以根据测量对象的要求，进行系列化埋置。因为热流传感器的间距值越小，可测样品的尺寸范围就越大。同时，热流传感器引出线采用USB端口形式，方便与计算机快速链接、读数。

2、本发明装置结构简单，测量可靠，精度高，可以通过改变埋置热流传感器之间的距离进行改变测量样品（薄膜结构或薄膜材料）的尺寸范围，该装置可以一次性快速测量薄膜样品在水平及垂直方向上的热导率，也可以进行二次测量提高垂直方向的热导率的测量精度，对衬底的热导率和薄膜材料的热导率的大小没有要求和限制。

3、本发明装置及方法能够较好地解决了薄膜结构或者薄膜材料热导率难以准确直接测量的问题，同时兼顾了装置结构简单，操作易行可靠的问题。

附图说明

图1是本发明一种基于热流传感器的各向异性薄膜热导率测试装置以及样品的结构示意图；

图2是图1中测试平台2埋置热流传感器的结构剖视图；

图3是图1中测试平台2埋置热流传感器的结构俯视图；

图4是水平方向薄膜热导率测量原理图；

图5是垂直方向薄膜热导率测量原理图。

图中：1.加热头；2.测试平台；3-7.热流传感器；8.待测样品衬底；9.待测薄膜。

具体实施方式

参见图1，本发明一种基于热流传感器的各向异性薄膜热导率测试装置包括加热头1、测试平台2和多个热流传感器（HFS，HeatFluxSensor），图1中示出了五个热流传感器3、4、5、6、7，多个热流传感器均埋置在测试平台2的内部，每个热流传感器均通过各自的引出线从测试平台2的底部引出，引出线采用USB端口形式。在测试平台2的上表面上置放待测样品衬底8，测样品衬底8的上表面上置放待测薄膜9样品。加热头1位于待测薄膜9表面处，在表面加热，加热头1采用电加热方式，利用热敏电阻来实现。

五个热流传感器在测试平台2内部的埋置方式参见图2及图3。五个热流传感器在测试平台2的水平方向上呈一字型等距离埋置，即热流传感器7与6，6与5,5与4，4与3中心之间的水平距离均为Δl。同时在进行埋置时，必须保证每个热流传感器的上表面与测试平台2的上表面平齐，处于同一水平面上。

通过引出线将计算机与测试平台2内部五个热流传感器相连接，并控制加热头1进行加热，然后在同一时刻分别记录五个热流传感器的热流测量值（即为热流），五个热流传感器的测量值分别为J ₁ -J ₅ .待测薄膜9测试前必须利用台阶仪或者其他膜厚测试仪测出薄膜的厚度d。如图4所示，五个热流传感器受到待测薄膜9热源的热流（热梯度）影响，因此可以利用热流传感器获得在不同空间地点的热流值，进而就可以获得薄膜材料的热导率值。

待测薄膜9样品的长度应不小于两个热流传感器中心点之间的距离Δl，待测薄膜9的宽度不小于一个热流传感器本身的宽度（参照图3），以保证最少获得一个热流梯度。

图1所示的本发明一种基于热流传感器的各向异性薄膜热导率测试装置在测试时的具体步骤依次是：

步骤1：以待测样品衬底8在下、待测薄膜9在上的方式放置在测试平台2上。

步骤2：采用加热头1加热，对加热头1通电，利用加热头1对待测薄膜9表面进行加热。

步骤3：利用计算机记录五个热流传感器3、4、5、6、7的热流值分别为J ₁ ,J ₂ ,J ₃ ,J ₄ ,J ₅ 。步骤4：利用测量结果计算水平方向上的热导率。根据公知的傅里叶公式，计算出待测薄膜9在水平方向的平均热导率，为：

。

采用多点计算求平均值的方法，尽可能的降低测量误差。

步骤5：测试待测薄膜9垂直方向上的热导率。测试时，将待测样品衬底8和待测薄膜9整体翻转，即待测薄膜9在下、测样品衬底8在上放置在测试平台2上，参见图5。采用加热头1加热，对加热头1通电，利用加热头1对测样品衬底8表面进行加热。在测试垂直方向的热导率时，仅需要1个热流传感器测量（图5中示出的是采用最中间的热流传感器5测量），所以仅需要记录其中一个热流传感器的热流值J _m 。加热头1加热时，单位时间内穿过待测样品衬底8的热量与厚度成正比，根据待测样品衬底8的厚度D及热导率，可以计算出穿过待测样品衬底8的热流密度，穿过待测样品衬底8的热流到达待测薄膜9即可作为待测薄膜9上表面的输入热流。根据热流传感器测定热流J _m 即为穿越待测薄膜9厚度后的热流值。根据热导率与热流之间的关系，可以获得样品垂直方向上的热导率K为：

，

为待测样品衬底8的热导率，d为待测薄膜9的厚度。

本发明装置在测量水平方向的热导率时，可以不受待测样品衬底8的影响，因为在水平测试时，只需要热流差即可，而在测试垂直方向的热导率时，因为穿过横截面的热流受到待测样品衬底8的影响，因此，必须根据待测样品衬底8在垂直方向上的热导率及厚度计算出穿过待测样品衬底8截面的热流作为薄膜结构的输入热流，然后将其与热流传感器的测量值之差作为薄膜结构厚度方向上两边的热流差，进而求得薄膜结构的垂直热导率K。因此，水平方向的测量值将比垂直方向的热导率值更加准确。

Claims (3)

1.一种基于热流传感器各向异性薄膜热导率测试装置，包括测试平台(2)、待测样品衬底(8)，测试平台(2)的内部埋置多个热流传感器，测试平台(2)的上表面上置放待测样品衬底(8)，待测样品衬底(8)的上表面上置放待测薄膜(9)样品，加热头(1)位于待测薄膜(9)表面处，每个热流传感器均通过各自的引出线引出并连接计算机，其特征是：多个热流传感器在测试平台(2)的水平方向上呈一字型等距离埋置，每个热流传感器的上表面与测试平台(2)的上表面平齐；待测薄膜(9)的水平长度不小于两个热流传感器中心点之间的距离，待测薄膜(9)的宽度不小于一个热流传感器的宽度。

2.一种权利要求1所述测试装置的测试方法，其特征是：先采用加热头(1)对待测薄膜(9)表面进行加热，用计算机在同一时刻分别记录多个热流传感器的热流测量值，根据傅里叶公式计算出待测薄膜(9)在水平方向的平均热导率；再将待测样品衬底(8)和待测薄膜(9)整体翻转，使待测薄膜(9)在下、待测样品衬底(8)在上放置在测试平台(2)上，利用加热头(1)对待测样品衬底(8)表面加热，用计算机记录其中一个热流传感器的热流值J_m；最后根据公式计算出待测薄膜(9)垂直方向上的热导率K，K_c为待测样品衬底(8)的热导率，D为待测样品衬底(8)的厚度，d为待测薄膜(9)的厚度。

3.根据权利要求2所述测试方法，其特征是：测试前先测出待测薄膜(9)的厚度d。