CN114460131B - 一种跨尺度固体导热系数的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨尺度固体导热系数的测量方法及装置，介质薄膜双面金属化处理得到介质探测器，固体样品通过热界面材料与介质探测器热耦合贴紧；采集介质探测器‑热界面材料‑固体样品内因热扰动产生的实测响应电流；建立热传导模型，调整热传导模型中固体样品导热系数和热界面材料厚度，求解得到介质薄膜内的温度分布变化；根据介质薄膜的温度分布变化，计算得到相应的仿真响应电流；将仿真响应电流谱与实测响应电流谱进行对比拟合，当二者的拟合度最佳时将仿真模型中设置的固体样品导热系数作为测量结果。与现有技术相比，本发明将介质探测器前置用于接收激光脉冲，能够对各种材质、厚度的固体样品进行导热系数测量，适用范围广。

Description

一种跨尺度固体导热系数的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及材料的热物性测量技术领域，尤其是涉及一种跨尺度固体导热系数的测量方法及装置。

背景技术

在热物性学的研究中，热物性测试方法和技术的研究具有特别重要的意义。因为它是获得热物性数据和进行热物性研究的基本手段。材料的导热系数是与材料热扩散系数、比热容、质量密度相关的一个具有代表性的热物性参数，是高新技术中一种具有实际应用价值的重要物理性质。在一些情况下，导热系数决定了混合热释电阵列的响应和热光调制器的速度；在聚合物的电子封装应用中，材料的导热性是材料通过热缓冲散热的速率决定因子。

以对三维固体材料导热系数的测试为例，从它两大类的测试——稳态法和非稳态法，目前已派生出数十种不同特点的测试方法。在热测试技术的研究中，随着计算机、红外(包括热像仪)、激光、微电子技术、光声技术等新技术的发展，固体材料导热系数测试的准确度和精度不断提高，测试功能不断扩大，试样尺寸和体积明显减小，促使热测试技术向高速化、自动化、多功能化发展。

公开号为CN112415046A的中国发明专利公开了一种基于介质探测器的薄膜纵向热扩散系数测量系统和方法，将一个参数已知的后置介质探测器与被测薄膜贴合，外接直流电压在后置的介质探测器内形成均匀电场；对被测薄膜施加热扰动，热扰动先经过被测薄膜和介质探测器与薄膜之间的界面后，再传入介质探测器形成热扰动，采集因热扰动而产生的实测响应电流信号，采用数值计算方法计算被测薄膜-介质探测器双层结构产生的理论响应电流信号，通过拟合的方法来测定薄膜热扩散系数。

专利CN112415046A的薄膜热扩散系数测量方法中，采用介质薄膜作为探测器后置于被测样品背面，热脉冲先经过被测样品衰减与色散后，再进入介质探测器。当介质探测器感应到热扰动后产生热响应电流，根据电流的时域特征就能确定被测样品的热扩散系数。但是该方法测量时存在以下局限：在实际测量时，受热脉冲能量及能量吸收率的限制，当被测样品过厚时，被测样品对热脉冲的衰减超过一个极限值，在介质探测器上会因热扰动过小而无法感应出响应电流，因此该方法仅限于薄膜材料的测定，测量对象相对单一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种跨尺度固体导热系数的测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种跨尺度固体导热系数的测量方法，包括以下步骤：

将介质薄膜双面金属化后作为介质探测器，将固体样品通过热界面材料与介质探测器的一个自由面进行热耦合贴紧；

施加激光脉冲作用于介质探测器的另一个自由面，在介质探测器两侧施加直流电压，在介质薄膜内产生均匀分布的电场，通过信号测量电路采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流；

根据介质探测器-热界面材料-固体样品的结构建立热传导模型，所述热传导模型用于计算介质薄膜内的温度分布变化；

以固体样品的导热系数和热界面材料的厚度为未知变量，调整热传导模型中固体样品的导热系数和热界面材料的厚度，求解得到介质薄膜内的温度分布变化，基于温度分布变化计算得到相应的仿真响应电流，将仿真响应电流与实测响应电流傅里叶变换为实测响应电流谱和仿真响应电流谱进行对比拟合；若二者的拟合度满足预设置的收敛条件，则将此时热传导模型中固体样品的导热系数作为测量结果，否则，重复此步骤。

优选的，实测响应电流谱的获取过程如下：

通过信号测量电路采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流，得到时域信号i_exp(t)；时域信号i_exp(t)经过傅里叶变换和失真补偿后得到实测响应电流谱i_exp(ω)。

优选的，在介质探测器两侧施加直流电压后记录多组电流信号，将平均电流信号作为实测响应电流i_exp(t)。

优选的，仿真响应电流谱的计算公式如下：

其中，i_sim(ω)表示仿真响应电流谱，A为介质薄膜的受辐照面积，E为介质薄膜内部的均匀电场，d为介质薄膜的厚度，χ＝(α_ε-α_z)ε_rε₀，α_ε是介电常数的温度系数，α_z是热膨胀系数，ε₀为真空介电常数，ε_r为介质薄膜的相对介电常数，ΔT₂(z，ω)为介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值表达。

优选的，ΔT₂(z，ω)是根据建立的热传导模型计算得到的，所述热传导模型具体为：

将介质探测器-热界面材料-固体样品表示为5层结构，下标i＝1、2、3、4、5分别指代接地电极、介质薄膜、加压电极、热界面材料、固体样品，所述接地电极为介质薄膜接收激光脉冲一侧的金属电极，所述加压电极为介质薄膜靠近固体样品一侧的金属电极，激光脉冲作为热脉冲在介质薄膜厚度方向上的传导符合一维热传导方程，第i层材料的传热方程的频域表达为：

其中，D_i为第i层材料的导热系数，ΔT_i(z，ω)指第i层材料内的温度分布变化，z表示沿介质薄膜厚度方向的空间位置，j为虚数单位，ω为角频率，z_i-1、z_i分别为第i层材料的前后边界面在厚度方向上的空间坐标，且z₀＝0，第i层材料的厚度d_i＝z_i-z_i-1；

温度分布变化在频域上的通解表达式为：

其中，A_i和B_i为待求的常数，f为频率，z＝0处为激光脉冲的入射面，边界条件在频域上的表达为：

其中，f(t)是激光脉冲被吸收后在z＝0处产生的热流密度的时间函数，f(ω)是f(t)的频域表达式。

优选的，基于热传导模型求解得到介质薄膜内的温度分布变化具体为：

将温度分布变化在频域上的通解代入边界条件，得到方程组：

将方程组转写为矩阵方程的形式：

其中，

在矩阵方程中对于每一个固定的频率点f_n，对上式都可解得一组唯一对应的常系数解A_i(f_n)、B_i(f_n)，将A_i和B_i回代到温度分布变化在频域上的通解表达式中，得到介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值表达ΔT₂(z，ω)。

优选的，拟合仿真响应电流与实测响应电流具体为：

获取实测响应电流谱i_exp(ω)和仿真响应电流谱i_sim(ω)，二者之间的误差函数表示为各频率点上两种电流的复差幅乘以比例项之和：

其中，F(x)表示i_exp(ω)和i_sim(ω)之间的误差函数，i_exp(ωl)表示频率点ω_l上实测响应电流谱的幅值，x由设置的固体样品的导热系数和热界面材料的厚度组成的向量，i_sim(ω_l，x)表示变量设置为x时频率点ω_l上仿真响应电流谱的幅值，若F(x)的值小于预设置的阈值，则仿真响应电流与实测响应电流的拟合度达到预设值。

优选的，将实测响应电流谱i_exp(ω)和仿真响应电流谱i_sim(ω)做频域信号归一化后再进行拟合。

优选的，固体样品与介质探测器热耦合贴紧后，静置于高压力下，使得固体样品与介质探测器之间的气泡被排出。

一种跨尺度固体导热系数的测量装置，包括：

介质探测器，所述介质探测器为双面金属化处理的介质薄膜，且固体样品通过热界面材料与介质探测器的一个自由面进行热耦合贴紧；

直流电源，连接至介质探测器，用于在在介质探测器两侧施加直流电压，使得介质薄膜内产生均匀分布的电场；

脉冲光源，用于施加激光脉冲至介质探测器；

信号测量电路，用于采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流；

热传导模型单元，用于根据介质探测器-热界面材料-固体样品的结构建立热传导模型，所述热传导模型用于计算介质薄膜内的温度分布变化；

拟合单元，以固体样品的导热系数和热界面材料的厚度为未知变量，调整热传导模型中固体样品的导热系数和热界面材料的厚度，求解得到介质薄膜内的温度分布变化，基于温度分布变化计算得到相应的仿真响应电流，将仿真响应电流与实测响应电流傅里叶变换为实测响应电流谱和仿真响应电流谱进行对比拟合；

判断单元，判断实测响应电流谱和仿真响应电流谱的拟合度是否满足预设置的收敛条件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)固体样品与介质探测器贴紧，将介质探测器前置接收激光脉冲，热扰动从介质探测器传递到固体样品，从而能够对各种材质、厚度的固体样品进行导热系数测量，适用范围广，被测固体样品的厚度不受限，从亚微米厚度至厘米的尺度范围都可实现高精度测量。

(2)构建多层的热传导模型，考虑了界面热阻的影响，通过热界面材料减小热阻，热传导模型中将金属电极和热界面材料的热传递都考虑在内，拟合过程中同时考虑热界面材料的厚度，获得的测量结果精度更高。

(3)通过构建的热传导模型和拟合方法，可以反向进行介质探测器的导热系数测量，通过一个已知热参数的固体样品先求出介质薄膜的导热系数，再使用介质探测器对待测固体样品进行测量。

附图说明

图1为介质探测器-热界面材料-固体样品的结构示意图；

图2为仿真响应电流与热响应脉冲电流在频域上的拟合结果；

图3为仿真响应电流与热响应脉冲电流在频域上的拟合结果；

附图标记：1、接地电极，2、介质薄膜，3、加压电极，4、热界面材料，5、固体样品，6、信号测量电路，7、激光脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种跨尺度固体导热系数的测量方法，包括以下步骤：

将介质薄膜双面金属化后作为介质探测器，将固体样品通过热界面材料与介质探测器的一个自由面进行热耦合贴紧；

施加激光脉冲作用于介质探测器的另一个自由面，在介质探测器两侧施加直流电压，在介质薄膜内产生均匀分布的电场，通过信号测量电路采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流；

根据介质探测器-热界面材料-固体样品的结构建立热传导模型，热传导模型用于计算介质薄膜内的温度分布变化；

以固体样品的导热系数和热界面材料的厚度为未知变量，调整热传导模型中固体样品的导热系数和热界面材料的厚度，求解得到介质薄膜内的温度分布变化，基于温度分布变化计算得到相应的仿真响应电流，将仿真响应电流与实测响应电流傅里叶变换为实测响应电流谱和仿真响应电流谱进行对比拟合；若二者的拟合度满足预设置的收敛条件，则将此时热传导模型中固体样品的导热系数作为测量结果，否则，重复此步骤。

本发明提出的是一种基于前置介质探测器的测量技术，常见的绝缘介质薄膜即可作为探测器。本发明通过分析介质探测器与被测固体样品之间的热耦合作用对响应电流的影响特征而获取被测样品的导热系数，最大的优点是被测固体样品的厚度不受限，从亚微米厚度至厘米的尺度范围都可实现高精度测量。

实验方案如下：

(1)样品制备

①选择一个已知热参数的介质薄膜2双面金属化后作为介质探测器，介质探测器的结构为金属电极-介质薄膜-金属电极，金属电极作为与外电路的连接和激光光靶。②被测固体样品5的材质不限，可以是绝缘体或导体，其厚度可以是半无限厚或是薄膜。③通过高导热系数的热界面材料4将介质探测器与被测固体样品5进行热耦合，形成复合结构的多层样品，多层样品放置于5000N的液压下静压15分钟，尽量排出介质探测器与被测固体样品5之间可能的气泡，提高介质探测器与被测固体样品5之间的传热效率。

(2)实测响应电流

将多层样品置于屏蔽盒内，并连接外部信号测量电路，在介质探测器两端施加直流电压，在介质薄膜2内形成均匀电场，并从介质探测器一侧对复合结构的多层样品施加激光脉冲7，这样激光热脉冲7先后对介质探测器、热界面材料4、被测固体样品5进行热扰动。

介质探测器近表面会先因热脉冲的作用而瞬时温升，随着热流的传递，逐渐下降。由于热脉冲在介质探测器内部扩散引起了多层样品的非均匀热形变，导致介质薄膜2的电容量也随之变化，从而使金属电极上的感应电荷量改变，在信号测量电路6上产生热响应电流。对于不同的固体样品，在热脉冲作用下，不同导热系数的固体样品5使得介质薄膜2内温度的变化趋势不同，热脉冲传播带动的内部电荷不同，介质薄膜2内部的温度变化产生了携带着固体样品5导热系数信息的位移电流，故不同导热系数的被测固体样品5会对应产生特征存在明显差异的热响应电流。

同一个多层样品测得多组实验数据，测量时保持快速操作，加压后需在较短的时间后完成信号采集，记录下多次平均后的电流信号，得到实测响应电流i_exp(t)。

介质薄膜2内因热扰动而产生的热响应电流在信号测量电路6形成时域信号i_exp(t)；时域信号i_exp(t)经过傅里叶变换后得到实测响应电流谱i_exp(ω)。

为了保证准确度，时域信号i_exp(t)经过傅里叶变换后，根据信号测量电路6的带宽限制，再通过频响校准的方式进行失真补偿，避免测量过程的影响，得到校准后的实测响应电流谱i_exp(ω)。

(3)仿真响应电流

响应电流i(t)的理论表达式为：

其中，A为介质薄膜2的受辐照面积，E为介质薄膜2内部的均匀电场，d为介质薄膜2的厚度，χ＝(α_ε-α_z)ε_rε₀，αε是介电常数的温度系数，α_z是热膨胀系数，ε0为真空介电常数，ε_r为介质薄膜2的相对介电常数，ΔT(z，t)为介质薄膜2内的温度分布变化，z表示沿介质薄膜2厚度方向的空间位置，t表示时间。

据上式可知，复合结构的多层样品的热响应电流特征取决于于介质薄膜内的温度变化，而介质薄膜的温度变化依赖于介质薄膜2参数、激光脉冲7参数、被测固体样品5参数以及热界面材料4参数。在测量过程中，构建热传导模型，将被测固体样品5的导热系数和难以确定的热界面材料4厚度作为未知参数，其它参数作为已知参数带入热传导模型，就可以得到介质薄膜2内的温度变化，进而计算仿真响应电流。

(4)拟合计算

设定固体样品5的导热系数和热界面材料4的厚度，通过热传导模型求解多层样品的温度分布变化，提取介质薄膜内的温度分布变化后，可计算得到仿真响应电流，通过傅里叶变换后获得仿真响应电流谱i_sim(ω)。

获取实测响应电流谱i_exp(ω)和仿真响应电流谱i_sim(ω)，二者之间的误差函数表示为各频率点上两种电流的复差幅乘以比例项之和：

其中，F(x)表示i_exp(ω)和i_sim(ω)之间的误差函数，i_exp(ω_l)表示频率点ω_l上实测响应电流谱的幅值，x是一组数值，表示设置的固体样品的导热系数和热界面材料的厚度，i_sim(ω_l，x)表示变量设置为x时频率点ω_l上仿真响应电流谱的幅值，若F(x)的值小于预设置的阈值，则仿真响应电流与实测响应电流的拟合度达到预设值。

当仿真响应电流与实测响应电流的拟合度满足要求时，拟合过程停止，此时热传导模型中设置的固体样品5导热系数和热界面材料4厚度就是测量结果，否则，重新设定固体样品5的导热系数和热界面材料4的厚度，再次进行计算和拟合。

拟合时，为尽可能减小薄膜材料介电常数温度系数、热膨胀系数等参数的不确定性影响，将实测响应电流谱i_exp(ω)和仿真响应电流谱i_sim(ω)做频域信号归一化后再进行拟合。

考虑到测量过程是通过理论热传导模型计算拟合仿真响应电流。因此，热传导模型的准确性直接决定了测量的精度。复合结构的多层样品的热传导模型如图1所示，多层样品两侧与空气接触，考虑到热脉冲作用时间短，可忽略多层样品表面与空气的等热损失，视作多层样品两个界面始终与外界环境无热交换，处于绝热状态，热传导模型与边界条件为：

将介质探测器-热界面材料-固体样品表示为5层结构，下标i＝1、2、3、4、5分别指代接地电极1、介质薄膜2、加压电极3、热界面材料4、固体样品5，接地电极1为介质薄膜2接收激光脉冲7一侧的金属电极，加压电极3为介质薄膜2靠近固体样品5一侧的金属电极，激光脉冲8作为热脉冲在介质薄膜2厚度方向上的传导符合一维热传导方程，第i层材料的传热方程的频域表达为：

其中，D_i为第i层材料的导热系数，ΔT_i(z，ω)指第i层材料内的温度分布变化，z表示沿介质薄膜2厚度方向的空间位置，j为虚数单位，ω为角频率，z_i-1、z_i分别为第i层材料的前后边界面在厚度方向上的空间坐标，且z₀＝0，z₀处为激光脉冲8的入射面，第i层材料的厚度d_i＝z_i-z_i-1；

温度分布变化在频域上的通解表达式为：

其中，A_i和B_i为待求的常数，f为频率，z＝0处为激光脉冲的入射面。

在激光击打面z＝0处的边界条件是固体样品背面z＝z₅处的边界条件是/>此外，第i层与第i+1层的交界面z＝z_i处，{ΔT_i(z_i，ω)＝ΔT_i+1(z_i，ω)，/>因此温度分布变化与热流密度的边界条件在频域上的表达为：

其中，f(t)是激光脉冲7被吸收后在z＝0处产生的热流密度的时间函数，f(ω)是f(t)的频域表达式。

基于热传导模型求解得到介质薄膜2内的温度分布变化具体为：

将温度分布变化在频域上的通解代入边界条件，得到方程组：

将上述方程组转写为矩阵方程的形式：

其中，R₁＝(1-1)，

在矩阵方程中对于每一个固定的频率点f_n，对上式都可解得一组唯一对应的常系数解A_i(f_n)、B_i(f_n)，将A_i和B_i回代到温度分布变化在频域上的通解表达式中，得到介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值ΔT₂(z，ω)。

由于拟合时，是在频域上对实测响应电流谱i_exp(ω)和仿真响应电流谱i_sim(ω)进行拟合，因此，将响应电流i(t)的计算公式进行转换，热传导模型直接求解频域上的温度分布变化，从而得到仿真响应电流谱i_sim(ω)的计算公式，如下：

其中，i_sim(ω)表示仿真响应电流谱，A为介质薄膜的受辐照面积，E为介质薄膜内部的均匀电场，d为介质薄膜的厚度，χ＝(α_ε-α_z)ε_rε₀，α_ε是介电常数的温度系数，α_z是热膨胀系数，ε₀为真空介电常数，ε_r为介质薄膜的相对介电常数，ΔT₂(z，ω)为介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值表达。

一种跨尺度固体导热系数的测量装置，包括：

介质探测器，介质探测器为双面金属化处理的介质薄膜，且固体样品通过热界面材料与介质探测器的一个自由面进行热耦合贴紧；

直流电源，连接至介质探测器，用于在在介质探测器两侧施加直流电压，使得介质薄膜内产生均匀分布的电场；

脉冲光源，用于施加激光脉冲至介质探测器；

信号测量电路，用于采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流；

热传导模型单元，用于根据介质探测器-热界面材料-固体样品的结构建立热传导模型，热传导模型用于计算介质薄膜2内的温度分布变化；

拟合单元，以固体样品的导热系数和热界面材料的厚度为未知变量，调整热传导模型中固体样品5的导热系数和热界面材料4的厚度，求解得到介质薄膜2内的温度分布变化，基于温度分布变化计算得到相应的仿真响应电流，将仿真响应电流与实测响应电流傅里叶变换为实测响应电流谱和仿真响应电流谱进行对比拟合；

判断单元，判断实测响应电流谱和仿真响应电流谱的拟合度是否满足预设置的收敛条件。

实施例2：

(1)在实验验证中，采用热参数已知的厚度为5.8μm的BOPP作为介质探测器，介质探测器外接电场为50kV/mm。被测固体样品5为30μm的铝箔，使用高导热系数的导热硅油作为热界面材料4，将被测铝箔5与介质探测器背部紧密贴合。这时，介质薄膜2的热参数是已知的参数，未知参数为铝箔导热系数和热界面材料厚度，代入热传导模型，经过多参数拟合程序可得拟合结果如图2所示，图中实验曲线代表实测响应电流，仿真拟合曲线代表仿真响应电流，从而测量得到铝箔的导热系数为207W/(m·K)，与参考值纯铝导热系数217.7W/(m·K)的偏差为5％，偏差原因多为铝箔的纯度。由此，证明了本发明测量结果的准确性。

(2)在实际使用时，介质探测器的导热系数可能是未知的，则可以通过如下方式获取介质探测器的导热系数：

选择5.8μm的BOPP薄膜，双面金属化处理得到介质探测器，BOPP薄膜的导热系数作为未知变量，外接电压50kV/mm。选择一个纯度99.99％的、厚度50μm高纯铜，通过热界面材料4将固体铜箔置于介质探测器背部紧密贴合，铜箔的热参数是已知的。将介质探测器的导热系数和热界面材料的厚度作为未知变量，代入热传导模型，经过多参数拟合程序来求解得到介质探测器的导热系数，可得拟合结果如图3所示，5.8μm厚的BOPP薄膜的导热系数测量值为0.17W/(m·K)，将测量结果进行验证，与商家提供的薄膜导热系数值一致，证明了此方案的可行性以及本发明的准确性。

反向测得介质探测器的导热系数后，就可以继续对待测固体样品的导热系数进行测量。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将介质薄膜双面金属化后作为介质探测器，将固体样品通过热界面材料与介质探测器的一个自由面进行热耦合贴紧；

施加激光脉冲作用于介质探测器的另一个自由面，在介质探测器两侧施加直流电压，在介质薄膜内产生均匀分布的电场，通过信号测量电路采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流；

根据介质探测器-热界面材料-固体样品的结构建立热传导模型，所述热传导模型用于计算介质薄膜内的温度分布变化；

以固体样品的导热系数和热界面材料的厚度为未知变量，调整热传导模型中固体样品的导热系数和热界面材料的厚度，求解得到介质薄膜内的温度分布变化，基于温度分布变化计算得到相应的仿真响应电流，将仿真响应电流与实测响应电流傅里叶变换为实测响应电流谱和仿真响应电流谱进行对比拟合；若二者的拟合度满足预设置的收敛条件，则将此时热传导模型中固体样品的导热系数作为测量结果，否则，重复此步骤；

其中，仿真响应电流谱的计算公式如下：

其中，i_sim(ω)表示仿真响应电流谱，A为介质薄膜的受辐照面积，E为介质薄膜内部的均匀电场，d为介质薄膜的厚度，χ＝(α_ε-α_z)ε_rε₀，α_ε是介电常数的温度系数，α_z是热膨胀系数，ε₀为真空介电常数，ε_r为介质薄膜的相对介电常数，ΔT₂(z,ω)为介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值表达；

ΔT₂(z,ω)是根据建立的热传导模型计算得到的，所述热传导模型具体为：

将介质探测器-热界面材料-固体样品表示为5层结构，下标i＝1、2、3、4、5分别指代接地电极、介质薄膜、加压电极、热界面材料、固体样品，所述接地电极为介质薄膜接收激光脉冲一侧的金属电极，所述加压电极为介质薄膜靠近固体样品一侧的金属电极，激光脉冲作为热脉冲在介质薄膜厚度方向上的传导符合一维热传导方程，第i层材料的传热方程的频域表达为：

其中，D_i为第i层材料的导热系数，ΔT_i(z，ω)指第i层材料内的温度分布变化，z表示沿介质薄膜厚度方向的空间位置，j为虚数单位，ω为角频率，z_i-1、z_i分别为第i层材料的前后边界面在厚度方向上的空间坐标，且z_o＝0，第i层材料的厚度d_i＝z_i-z_i-1；

温度分布变化在频域上的通解表达式为：

其中，A_i和B_i为待求的常数，f为频率，z＝0处为激光脉冲的入射面，边界条件在频域上的表达为：

其中，f(t)是激光脉冲被吸收后在z＝0处产生的热流密度的时间函数，f(ω)是f(t)的频域表达式；

基于热传导模型求解得到介质薄膜内的温度分布变化具体为：

将温度分布变化在频域上的通解代入边界条件，得到方程组：

将方程组转写为矩阵方程的形式：

其中，R₁＝(1 -1)，

在矩阵方程中对于每一个固定的频率点f_n，对上式都可解得一组唯一对应的常系数解A_i(f_n)、B_i(f_n)，将A_i和B_i回代到温度分布变化在频域上的通解表达式中，得到介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值表达ΔT₂(z，ω)。

2.根据权利要求1所述的一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，实测响应电流谱的获取过程如下：

通过信号测量电路采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流，得到时域信号i_exp(t)；时域信号i_exp(t)经过傅里叶变换和失真补偿后得到实测响应电流谱i_exp(ω)。

3.根据权利要求2所述的一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，在介质探测器两侧施加直流电压后记录多组电流信号，将平均电流信号作为实测响应电流i_exp(t)。

4.根据权利要求1所述的一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，拟合仿真响应电流谱与实测响应电流谱具体为：

获取实测响应电流谱i_exp(ω)和仿真响应电流谱i_sim(ω)，二者之间的误差函数表示为各频率点上两种电流的复差幅乘以比例项之和：

其中，F(x)表示i_exp(ω)和i_sim(ω)之间的误差函数，i_exp(ω_l)表示频率点ω_l上实测响应电流谱的幅值，x表示由设置的固体样品的导热系数和热界面材料的厚度组成的向量，i_sim(ω_l，x)表示变量设置为x时频率点ω_l上仿真响应电流谱的幅值，若F(x)的值小于预设置的阈值，则仿真响应电流与实测响应电流的拟合度达到预设值。

5.根据权利要求4所述的一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，将实测响应电流谱i_exp(ω)和仿真响应电流谱i_sim(ω)做频域信号归一化后再进行拟合。

6.根据权利要求1所述的一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，固体样品与介质探测器热耦合贴紧后，静置于高压力下，使得固体样品与介质探测器之间的气泡被排出。

7.一种跨尺度固体导热系数的测量装置，其特征在于，基于如权利要求1-6中任一所述的一种跨尺度固体导热系数的测量方法，包括：

介质探测器，所述介质探测器为双面金属化处理的介质薄膜，且固体样品通过热界面材料与介质探测器的一个自由面进行热耦合贴紧；

直流电源，连接至介质探测器，用于在在介质探测器两侧施加直流电压，使得介质薄膜内产生均匀分布的电场；

脉冲光源，用于施加激光脉冲至介质探测器；

信号测量电路，用于采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流；

热传导模型单元，用于根据介质探测器-热界面材料-固体样品的结构建立热传导模型，所述热传导模型用于计算介质薄膜内的温度分布变化；

拟合单元，以固体样品的导热系数和热界面材料的厚度为未知变量，调整热传导模型中固体样品的导热系数和热界面材料的厚度，求解得到介质薄膜内的温度分布变化，基于温度分布变化计算得到相应的仿真响应电流，将仿真响应电流与实测响应电流傅里叶变换为实测响应电流谱和仿真响应电流谱进行对比拟合；

判断单元，判断实测响应电流谱和仿真响应电流谱的拟合度是否满足预设置的收敛条件。