CN109187628A - 基于3ω法测量微/纳米薄材料间接触热阻的测试方法 - Google Patents

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冼耀琪
翟四平
袁朋
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Abstract

本发明公开了一种基于3ω法测量微/纳米薄材料间接触热阻的测试方法，涉及接触热阻测试技术领域。所述的测试方法是基于3ω法分别测量两个特定测量结构下的温差，然后通过作差计算得到两种薄材料之间的界面温差，最后根据接触热阻的定义式求解，所述的第一测量结构：从下往上依次为基底、第一待测样品、加热测温用金属薄片；所述的第二测量结构：从下往上依次为基底、第一样品、第二待测样品、第二样品、加热测温用金属薄片。由于测量结构上的特点，第一测量结构的温差结构与第二测量结构的温差结构部分相同，通过作差可以消去相同的温差成分，求得两样品的界面温差，本方法可快速测量厚度为微纳米级的薄层材料间接触热阻，而且原理与实施方式更为简单。

Description

基于3ω法测量微/纳米薄材料间接触热阻的测试方法
技术领域
本发明属于接触热阻测量技术领域，特别是涉及一种基于3ω法测量微/纳米薄材料间接触热阻的测试方法。
背景技术
接触热阻形成的机理复杂，其影响因素众多，包括材料自身热物性、温度、接触压力、材料的弹塑性、热流方向、表面硬度、表面形貌等。对于接触界面热传递，研究人员尝试从宏观到微观层面去研究其机理并已提出多种理论模型。但现存的大多理论模型都有其自身的局限性，且仅在一定条件下成立。同时，为验证理论模型的准确性，研究者们也研发出众多实验表征技术来测量热界面材料的接触热导(接触热阻的倒数)。在工程实践上，利用实验表征的方法可有效、快速地获得接触热阻值，因此开发适用不同条件下的接触热阻实验表征技术具有重要的意义。
根据实验热流是否随时间变化，接触热阻的测量一般可分为稳态法和瞬态法。目前最普遍使用的是稳态法，因其测量原理简单，测量精度也相对较高。但稳态法是一种侵入式的测量方法，测量所需时间较长且对样品尺寸有一定的限制。鉴于稳态法的局限性和薄膜材料的发展，具有响应快、非接触、能测薄材料等特点的瞬态测量技术应运而生。但多数瞬态测量方法的原理复杂，实验配置成本昂贵，且对测量条件要求苛刻等缺点导致其测量误差很难符合工程实际需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于微/纳米薄膜材料间接触热阻测量的方法，其测量原理基于3ω谐波探测技术，具有简单、快速、可拓展性强的特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于3ω法测量微/纳米薄材料间接触热阻的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，将第一待测样品置于基底材料上，并在第一待测样品的表面设置用于3ω法测量的加热测温金属薄片，形成的结构称为第一待测结构；
步骤2，将第二待测样品置于第二样品和第一样品之间，并在第二样品另一表面设置用于3ω法测量的加热测温金属薄片，在第一样品另一表面设置基底材料，形成的结构称为第二待测结构，其中，第一样品与第二样品厚度均为第一待测样品厚度的一半，且第一样品与第二样品材质与第一待测样品相同。
步骤3，利用引线将第一待测结构和第二待测结构上的加热测温金属薄片分别与3ω谐波探测电路系统相连；
步骤4，对第一待测结构上的加热测温金属薄片施加加热电压，产生热波，并用3ω谐波探测电路系统获取所述加热测温金属薄片的基波电压V1ω以及三次谐波电压V3ω，然后根据3ω法测试原理计算出第一待测结构的总温差Ta；
步骤5，对第二待测结构上的加热测温金属薄片施加加热电压，产生热波，并用3ω谐波探测电路系统获取所述加热测温金属薄片的基波电压V1ω’以及三次谐波电压V3ω’，然后根据3ω法测试原理计算出第二待测结构的总温差Tb；
步骤6，将第二待测结构测得的总温差Tb与第一待测结构测得的总温差Ta作差，得到第一待测样品与第二待测样品的界面温差Ti；
步骤7，根据接触热阻的公式，可求得两待测样品的接触热阻。
进一步的，所述的基底材料为具有导热系数低特性的材料。
进一步的，所述的基底材料为硅和二氧化硅任意一种。
进一步的，所述的基底材料、第一待测样品、第二待测样品的平面尺寸即长宽一致。
进一步的，设第二待测样品厚度为B，第一待测样品厚度为A，则：B<0.1*A。
更进一步的，第一待测样品厚度小于10微米。
进一步的，用于3ω法测量的加热测温金属薄片的材料为铂金。
进一步的，第一待测样品，第二待测样品材质根据实验而定，可以任意，若实验选择的第一待测样品的材质是金属材料，则需要在第一待测样品的表面设置加热测温金属薄片前先沉积一层绝缘薄膜。
本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明的方法可用于待测样品的几何尺寸在微/纳米尺度下的接触热阻测量，克服了传统稳态热流法的几何限制条件和测量时间长的条件，而且原理与实施方式上比瞬态接触热阻测量方法简单。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明方法的实施流程图。
图2是本发明所述的第一待测结构的示意图。
图3是本发明所述的第二待测结构的示意图。
图4是本发明所述的第二待测结构的右视图。
图5是本发明加热测温金属薄片探测电路系统的示意图。
1-第一基底材料，2-第一待测样品，3-第一加热测温金属薄片，4-第二基底材料，5-第二待测样品，6-第一样品，9-第二样品，7-第二加热测温金属薄片，8-3ω谐波探测电路系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
结合图1，一种基于3ω法测量微/纳米薄材料间接触热阻的测试方法，实施该方法的步骤如下：
步骤1：选择承载待测样品的第一基底材料1和第二基底材料4，其中，第一基底材料1和第二基底材料4应选用同种材料，且尺寸大小完全相同；
步骤2：将第一待测样品2放置于第一基底材料1上，并在第一基底材料1上设置第一加热测温金属薄片3，形成的结构称为第一待测结构，其结构如图2所示；
步骤3：将厚度为第一待测样品一半的第一样品6放置于第二基底材料4之上，在第一样品6上再放置第二待测样品5，然后继续在第二待测样品5上放置厚度为第一待测样品一半的第二样品9，最后在第二样品9上设置第二加热测温金属薄片7，即第一样品6和第二样品9厚度均为第一待测样品2厚度的一半，且第一样品6与第二样品9材质与第一待测样品2相同，形成的结构称为第二待测结构，其结构如图3、图4所示；
步骤4：利用引线将第一待测结构和第二待测结构的第一加热测温金属薄片3和第二加热测温金属薄片7分别与3ω谐波探测电路系统8相连；
步骤5：对第一待测结构上的第一加热测温金属薄片3(其中，加热测温金属薄片为本领域常规结构，其制备和工艺都跟常规3ω法相同)施加加热电压，产生热波，并用3ω谐波探测电路系统8获取第一加热测温金属薄片3的基波电压V1ω以及三次谐波电压V3ω，然后根据3ω法测试原理计算出第一待测结构的总温差Ta；
步骤6：对第二待测结构上的第二加热测温金属薄片7施加加热电压，产生热波，并用3ω谐波探测电路系统8获取第二加热测温金属薄片7的基波电压V1ω’以及三次谐波电压V3ω’，然后根据3ω法测试原理计算出第二待测结构的总温差Tb；
步骤7：将第二待测结构测得的总温差Tb减去第一待测结构测得的总温差Ta得到第一待测样品2与第二待测样品5的界面温差Ti；
步骤8：根据接触热阻的定义式Rc＝A·Ti/Q，可求得两待测样品的接触热阻。
结合图2～图5，上述步骤7～步骤9中的温差测量原理为：
由3ω法可知加热测温金属薄片测得总温差
式中Rl为加热测温金属薄片在常态下的电阻，dR为标定过程中电阻的变化，dT为标定过程中温度的变化。
对于第一待测结构(图2)测得的温差Ta应由第一待测样品2上的温差T2、第一待测样品2与第一基底材料1的温差T1,2与第一基底材料1的温差T1组成：Ta＝T2+T1,2+T1
对于第二待测结构(图3、图4)测得的温差Tb应由第二样品9、第一样品6的温差T9，T6、第一待测样品2与第二待测样品5的界面温差2Ti、第二待测样品5的温差T5、第一样品6与第二基底材料4的温差T6,4以及基第二基底材料4上的温差T4组成：
Tb＝T9+2Ti+T6+T5+T4+T6，4
由于结构上与材料上的相同，存在以下关系：
T2＝T9+T6；
T1，2＝76，4；
T1＝T4；
测量第二待测结构的总温差减去测量第一待测结构的总温差得到：
Tb-Ta＝T5+2Ti
设第二待测样品厚度为B，第一待测样品厚度为A，则：B<0.1*A，第二待测样品5的温差T5忽略不算，则
Tb-Ta≈2Ti
因此根据接触热阻的定义式Rc＝A·Ti/Q，可求出接触热阻Rc＝A·(Ta-Tb)/2Q，其中A为样品的面积，Q为加热测温金属薄片产生的热流量，公式中的电压、温度、热流等参量均可由加热测温金属薄片所连接的数据采集与处理电路系统获得。

Claims (9)

1.一种基于3ω法测量微/纳米薄材料间接触热阻的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将第一待测样品（2）置于基底材料上，并在第一待测样品（2）表面设置用于3ω法测量的加热测温金属薄片，形成的结构称为第一待测结构；
步骤2，将第二待测样品（5）置于与第一待测样品（2）材质相同、厚度为第一待测样品（2）厚度一半的两个样品之间，并在其中一个样品一表面设置用于3ω法测量的加热测温金属薄片，在另一个样品一表面设置基底材料，形成的结构称为第二待测结构；
步骤3，利用引线将第一待测结构和第二待测结构上的加热测温金属薄片分别与3ω谐波探测电路系统相连；
步骤4，对第一待测结构上的加热测温金属薄片施加加热电压，产生热波，并用3ω谐波探测电路系统获取所述加热测温金属薄片的基波电压V1ω以及三次谐波电压V3ω，然后根据3ω法测试原理计算出第一待测结构的总温差Ta；
步骤5，对第二待测结构上的加热测温金属薄片施加加热电压，产生热波，并用3ω谐波探测电路系统获取所述加热测温金属薄片的基波电压V1ω’以及三次谐波电压V3ω’，然后根据3ω法测试原理计算出第二待测结构的总温差Tb；
步骤6，将第二待测结构测得的总温差Tb与第一待测结构测得的总温差Ta作差，得到第一待测样品与第二待测样品的界面温差Ti；
步骤7，根据接触热阻的公式，可求得两待测样品的接触热阻。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的基底材料为具有导热系数低特性的材料。
3.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，所述的基底材料为硅和二氧化硅任意一种。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述的基底材料、第一待测样品、第二待测样品的平面尺寸一致。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，用于3ω法测量的加热测温金属薄片的材料为铂金。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，若第一待测样品材质为金属材料时，则需要在第一待测样品与加热测温金属薄片之间设置绝缘薄膜。
7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，设第二待测样品厚度为B，第一待测样品厚度为A，则：B<0.1*A。
8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，第一待测样品厚度小于10微米。
9.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，接触热阻的公式为Rc=A·Ti/Q，其中，Rc为接触热阻，A为样品的面积，Q为加热测温金属薄片产生的热流量。
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