CN107132246B - 一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置及其方法，属于薄样品热导率测量装置及其方法技术领域，解决测量薄样品的热导率时，操作复杂，测量速度慢，需要求得半温升时间，造成不能准确地测量薄样品的热导率的问题。本发明包括信号发生器、红外脉冲激光器、半反半透的分光镜、测试薄膜样品、测试热释电探测器、参考热释电探测器、示波器。信号发生器产生的信号控制红外脉冲激光器输出所需波形，半反半透的分光镜分为两束光，照射到带有待测材料的测试热释电探测器和参考热释电探测器得到电压响应信号。两路电压信号由于两路热导率的不同导致其响应有先后，通过响应的全升温时间差即可得到热导率，本发明用于测量薄膜样品的热导率。

Description

一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置及其方法

技术领域

一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置，用于测量薄样品的热导率，属于薄样品热导率测量装置及其方法技术领域。

背景技术

热导率又称为导热系数，反应的是物质的热传导的能力，按傅里叶定律，其定义为单位温度梯度在单位时间内经单位导热面所传递的能量。它表征了材料的传热性能和温度均衡性能，在材料、能源、建筑、航空、化工、制冷等工程领域都有着重要的用途，其测试方法一直以来也是研究的热点之一。现有测量方法主要有稳态法和非稳态法两大类，其中非稳态测试方法具体有如闪光法、径向热流法、固体热源法等。但这些方法在实际中仍然存在一些问题如径向热流法在热源均匀度、功率波动、侧向热流损失方面没有很好的解决，固体热源法对于热源与被测材料间的被测热阻问题还有待解决。

厦门大学公开号为CN105301044A的发明专利“一种固体材料热扩散系数测量装置及测量方法”中采用激光闪射法来测量多层样品材料热导，此方法较为复杂，成本也很高，需要通过软件编程来求得半温升时间，且空气层的问题会随着样品层数的增加而愈加明显，从而导致时间测量的误差比较大。

发明内容

本发明针对上述不足之处提供了一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置及其方法，解决现有技术中测量薄膜样品的热导率时，因需要求得半温升时间、空气层的问题会随着样品层数的增加而愈加明显，导致时间测量的误差比较大，造成操作复杂，成本高，以及不能快速、精确地测量薄膜样品的热导率的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置，包括：

信号发生器：用于发生方波脉冲信号和供电电压；

红外脉冲激光器：在信号发生器提供的供电电压下，用于调制信号发生器发出的方波脉冲信号，并输出方波信号；

半反半透的分光镜：用于将红外脉冲激光器调制输出的方波信号分为两路功率相同的红外光信号；

参考热释电传感器：用于在半反半透的分光镜分得的一路红外光信号的直接照射下，将照射的红外光信号转换为电压参考信号，并输出电压参考信号；

测试热释电传感器：用于在有待测薄样品的情况下，将照射的半反半透的分光镜分得的另一路红外光信号转换为电压信号，并输出电压信号；

示波器：用于测量参考热释电传感器输出的电压参考信号和测试热释电传感器输出的电压信号达到最大值时的时间差。

一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，包括如下步骤：

1)获取待测薄样品，将待测薄样品粘附到测试热释电传感器上；

2)采用信号发生器发生两路信号，两路信号为红外脉冲激光器的供电电压和方波脉冲信号；

3)采用红外脉冲激光器接收信号发生器发生的驱动电压和方波脉冲信号，并调制信号发生器发出的方波脉冲信号，输出方波信号；

4)采用半反半透的分光镜将方波信号分为两路功率相同的红外光信号；

5)采用参考热释电传感器(6)测量其所对应的参考支路红外光信号并将其转换为电压参考信号，并输出电压参考信号；

6)采用测试热释电传感器测试另一路红外光信号照射在有待测薄样品的情况下，红外激光先加热待测薄样品，待测薄样品升温后，再加热测试热释电传感器，从而获得电压信号，并输出电压信号；

7)观察示波器测量电压参考信号和电压信号的波形，得到两路信号达到最大值时的时间差，从而获得全升温时间差；

8)根据全升温时间差，计算待测材料的热导率系数，再通过热导率系数计算得到热导率。

进一步，所述步骤(1)中的待测薄样品是钽酸锂晶片。

进一步，所述钽酸锂晶片的厚度为10μm～100μm。

进一步，所述步骤(2)中，信号发生器包括第一通道和第二通道；第一通道为3.2V直流信号，作为红外脉冲激光器的驱动电压；第二通道为5Hz、50％的占空比5V的方波信号，作为调制信号输出到红外脉冲激光器的输出信号。

进一步，所述骤(3)中，红外脉冲激光器接收信号发生器第一通道的直流信号作为驱动、第二通道的方波脉冲信号作为调制信号进行方波脉冲信号调制，并输出5Hz频率的方波信号。

进一步，所述步骤(7)中，时间差的公式如下：

t_m＝t₂-t₁；

其中，t_m为电压参考信号和电压信号达到最大值时的时间差，t₂为测试电压信号，t₁为电参考压信号。

进一步，所述步骤(8)中，计算热导率系数和热导率的公式如下：

k＝K·ρ·c_p；

其中，K为热导率系数，L为样品厚度，k为热导率，ρ为密度，c_p为热容。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

一、本发明只需获取单层固体样品，解决样品制作复杂和制作多层样品进行测量引入空气层的问题；

二、本发明通过引入一路参考信号获得测试及参考两路全升温时间，求得全升温时间差，从而省去计算机采集数据求得精确的半升温时间，达到降低成本的目的，因测量的时间越长，则测量越精确，对测量的硬件要求也越低；

三、本发明采用热释电探测器作为测量元件，操作简单，能够快速，成本低，能够准确测量热导率。

附图说明

图1为本发明框架结构示意图；

图2是本发明中实施例的所测试信号波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置，包括：

信号发生器1：用于发生第一通道幅值为3.2V的直流信号作为红外脉冲激光器的驱动信号，第二通道发生频率为5Hz、幅值为5V、50％占空比的方波脉冲信号。

红外脉冲激光器2：用于调制信号发生器1发出的方波脉冲信号，并输出波长为980nm、频率为5Hz的红外脉冲激光；

半反半透的分光镜3：用于将红外脉冲激光器2调制输出的红外激光分为两路功率相同的红外光信号；

参考热释电传感器6：用于在半反半透的分光镜3分得的一路红外光信号的直接照射下，将照射的红外光信号转换为电压参考信号，并输出电压参考信号；

测试热释电传感器5：用于在有待测薄样品4，即钽酸锂晶片的情况下，将照射的半反半透的分光镜3分得的另一路红外光信号转换为电压信号，并输出电压信号；

示波器7：通过示波器得到两路信号并在屏幕上展现出来，通过示波器自带的测量功能，测得两路信号达到波峰时的时间，获得两路信号全升温时间相减后得到全升温时间差。

具体测量方法如下：

一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，包括如下步骤：

1)获取待测钽酸锂晶片，厚度为50μm，首先我们在测试热释电传感器的敏感材料即钽酸锂晶片的表面滴上一滴实验室用酒精，而后将钽酸锂晶片贴合在测试热释电传感器敏感的表面，若干分钟后，待酒精挥发后，即可获得良好贴合的测试信号路。测试热释电传感器5的表面必须平整，否则测试时会引入空气的热导率而产生误差，待测薄样品必须是不透光的，否则激光器的能量直接被测试热释电探测器吸收，从而影响测试的准确性。

2)信号发生器1发生一定频率的方波脉冲信号的步骤，即设定信号发生器第一通道参数为直流3V作为激光器驱动电压，第二通道为频率5Hz、占空比为50％、幅值为5V的方波脉冲信号；

3)红外脉冲激光器2将方波脉冲信号调制为5Hz和980nm波长的红外激光；

4)半反半透的分光镜3将方波信号分为两路功率相同的红外光信号；

5)参考热释电传感器6测试在一路红外光信号的直接照射下，将红外光信号转换为电压参考信号，并输出电压参考信号，即一路红外光直接加热参考热释电传感器6；

6)测试热释电传感器5测试另一路红外光信号照射在待测钽酸锂晶片上，即红外光信号直接加热待测钽酸锂晶片使其升温，待测钽酸锂晶片升温后引起测试热释电传感器5敏感材料温度的变化从而输出电压信号；

测试工程中必须保证红外光信号的轴线与待测钽酸锂晶片、测试热释电传感器5、参考热释电传感器6轴线重合，以保证红外光信号可以垂直的加热钽酸锂4、测试热释电传感器5和参考热释电传感器6。

7)示波器7用于显示参考信号和测试电压信号的波形，等波形稳定后，合理的调节示波器x轴的时间格的大小，使两路信号的波形在示波器上完整的显示出来，而后使用示波器自带的测量功能，即调出光标A和光标B分别测量两路信号波形达到峰值的时间t₁和t₂，从而获得全升温时间差。示波器7测量电压参考信号和电压信号达到最大值时的时间差的公式如下：

t_m＝t₂-t₁；

其中，t_m为电压参考信号和电压信号达到最大值时的时间差即全升温时间差，t₂为测试电压信号，t₁为参考电压信号。

由于参考热释电传感器达到输出电压的最大值的时间比测试热释电传感器的要短，通过示波器7将两路电压响应波形信号显示出来，测量波形如图2所示，其中t₂＝11.813ms，t₁＝11.502ms可得达最大值时间差t_m＝0.311ms。

8)根据时间差，计算待测材料的热导率系数，再通过热导率系数计算得到热导率的步骤。计算热导率系数和热导率的公式如下：

k＝K·ρ·c_p；

其中，K为热导率系数，L为样品厚度，k为热导率，ρ为密度，c_p为热容。

通过上式计算钽酸锂晶片的热扩散系数为1.34×10^-6m²/s。经查钽酸锂晶片的密度及体积比热容为：7.45×10³kg/m³和429J/kg·K，因此根据公式可得热导率为4.3W/m·K。与美国Almaz Optics公司给出的钽酸锂晶片热导率4.6W/m·K相比，误差在5％左右，证实了本测试装置及方法的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量装置，其特征在于，包括：

信号发生器(1)：用于发生方波脉冲信号和供电电压；

红外脉冲激光器(2)：在信号发生器(1)提供的供电电压下，用于调制信号发生器(1)发出的方波脉冲信号，并输出方波信号；

半反半透的分光镜(3)：用于将红外脉冲激光器(2)调制输出的方波信号分为两路功率相同的红外光信号；

参考热释电传感器(6)：用于在半反半透的分光镜(3)分得的一路红外光信号的直接照射下，将照射的红外光信号转换为电压参考信号，并输出电压参考信号；

测试热释电传感器(5)：用于在有待测薄样品(4)的情况下，将照射的半反半透的分光镜(3)分得的另一路红外光信号转换为电压信号，并输出电压信号；

示波器(7)：用于测量参考热释电传感器(6)输出的电压参考信号和测试热释电传感器(5)输出的电压信号达到最大值时的时间差。

2.一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取待测薄样品(4)，将待测薄样品(4)粘附到测试热释电传感器(5)上；

2)采用信号发生器(1)发生两路信号，两路信号为红外脉冲激光器的供电电压和方波脉冲信号；

3)采用红外脉冲激光器(2)接收信号发生器(1)发生的驱动电压和方波脉冲信号，并调制信号发生器(1)发出的方波脉冲信号，输出方波信号；

4)采用半反半透的分光镜(3)将方波信号分为两路功率相同的红外光信号；

5)采用参考热释电传感器(6)测量其所对应的参考支路红外光信号并将其转换为电压参考信号，并输出电压参考信号；

6)采用测试热释电传感器(5)测试另一路红外光信号照射在有待测薄样品(4)的情况下，红外激光先加热待测薄样品(4)，待测薄样品(4)升温后，再加热测试热释电传感器(5)，从而获得电压信号，并输出电压信号；

7)观察示波器(7)测量电压参考信号和电压信号的波形，得到两路信号达到最大值时的时间差，从而获得全升温时间差；

8)根据全升温时间差，计算待测材料的热导率系数，再通过热导率系数计算得到热导率。

3.根据权利要求2所述的一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，其特征在于：所述步骤1)中的待测薄样品(4)是钽酸锂晶片。

4.根据权利要求3所述的一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，其特征在于：所述钽酸锂晶片的厚度为10μm～100μm。

5.根据权利要求2所述的一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，信号发生器(1)包括第一通道和第二通道；第一通道为3.2V直流信号，作为红外脉冲激光器的驱动电压；第二通道为5Hz、50％的占空比、5V的方波信号，作为调制信号输出到红外脉冲激光器的输出信号。

6.根据权利要求2所述的一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，其特征在于：所述骤3)中，红外脉冲激光器(2)接收信号发生器(1)第一通道的直流信号作为驱动、第二通道的方波脉冲信号作为调制信号进行方波脉冲信号调制，并输出5Hz频率的方波信号。

7.根据权利要求2所述的一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，其特征在于：所述步骤7)中，时间差的公式如下：

t_m＝t₂-t₁；

其中，t_m为电压参考信号和电压信号达到最大值时的时间差，t₂为测试电压信号，t₁为电参考压信号。

8.根据权利要求2所述的一种基于热释电探测器的薄样品热导率测量方法，其特征在于：所述步骤8)中，计算热导率系数和热导率的公式如下：

k＝K·ρ·c_p；

其中，K为热导率系数，L为样品厚度，k为热导率，ρ为密度，c_p为热容。