CN115406927A - 一种测量良导热体薄膜材料热导率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量良导热体薄膜材料热导率的测量装置与方法，包括在同一平面内平行布置的尺寸、材质和电阻均相同第一线加热器和第二线加热器、在两条线加热器中间位置的第一温度传感器；在第一线加热器和第二线加热器外部设有第二温度传感器和第三温度传感器对称布置、用于固定所述线加热器和温度传感器的隔热底座、与隔热底座相连接的隔热挡板、保护膜和隔热底座将所述线加热器及温度传感器紧密夹持在中间，设有隔热压板与隔热底座边缘平齐，并布置在保护薄膜之上；还提供了一种基于所述装置测量良导热体薄膜材料热导率的稳态方法。本发明提出的装置和方法能测定良导热体薄膜材料的热导率。

Description

一种测量良导热体薄膜材料热导率的装置及方法

技术领域

本发明涉及固体材料热物理性质的测定，特别针对于测量良导热体薄膜材料热导率如金属薄膜、石墨薄膜及合金薄膜测定装置和方法。

背景技术

发展中的超大规模集成电路、大功率LED照明、主动式雷达等高功率密度器件对于散热管理都有非常苛刻要求，在实际应用中，往往需要采用良导热材料制成的薄膜箔片或薄板将热量传递到器件周边更大的范围，以充分提高散热能力。除几何形状和尺寸外，对散热影响最关键因素是薄膜材料的热导率。由于缺乏成熟的计算方法，固体材料的热导率通常都采用实验方法获得。由于制备薄膜的材料往往是各向异性的如石墨，因此直接测定薄膜延展方向上的热导率最能反映其实际热传导性能。

受限于薄膜的厚度以及良导热材料的性质，现存的很多方法都难以实现或难以测得准确的数据。根据热传导理论，测量热导率λ的关键是要对试件加热激励，然后测量出被测对象的动态温度响应或平衡温度响应，再根据初始条件和边界条件下热传导方程的理论解或数值解计算出被测试件的热导率。为保证温度测量精度，需要在试件上建立起较大的温差，而对于良导热材料，则需要较大的加热功率密度或增加热流方向的材料厚度，对于微米级厚度的良导热薄膜而言，通常是很难实现的。已知的激光脉冲热源法及3ω方法可以测量良导热薄膜材料热导率的测量，但其系统复杂，造价高，对样品制备也有特殊要求。

现有技术公开的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，包括夹在电绝缘保护膜之间的环形电加热器和温度传感器，所述温度传感器一端固定在所述环形电加热器中心，所述环形电加热器和温度传感器均设置有引出线电极。能基于热传导理论测量热导率和热扩散系数，但仍有不足是，对测量良导热性薄膜材料不够方便，设置圆环加热激励中心这样的测量装置比较复杂。上述圆环加热激励中心点测温、及夹在电绝缘保护膜之间的温度传感器，需要平面的加热器，且加热器与传感器要安装在一起，不但制造工艺比较复杂，而且容易导致附加的测量误差。

发明内容

本发明目的是，根据超大规模集成电路、大功率LED照明、主动式雷达等高功率密度器件对于散热管理的苛刻需求，促进了相关的散热材料的发展，本发明提出一种满足对良导热材料热导率测量技术的新需求，尤其是提出一种对良导热体薄膜材料热导率的测量方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明技术方案：一种测量良导热性薄膜材料热导率的测量装置，包括在同一平面内平行布置的尺寸、材质和电阻均相同第一线加热器1和第二线加热器2、在两条线加热器中间位置的第一温度传感器3；在第一线加热器1和第二线加热器2外部设有第二温度传感器4和第三温度传感器5分别与第一温度传感器3对称布置、用于固定所述线加热器和温度传感器的隔热底座 8、与隔热底座相连接的隔热挡板9、保护膜10和隔热底座8将所述线加热器及温度传感器紧密夹持在中间，设有隔热压板13与隔热底座8边缘平齐，并布置在保护薄膜10之上；第一线加热器1、第二线加热器2、第一温度传感器、第二温度传感器4和第三温度传感器5的引出线从隔热底座8边缘引出；被测薄膜试件14 (面积应该大到第二温度传感器4和第三温度传感器5布置的位置)置于保护膜 10之上、隔热压板13和隔热挡板9之间，隔热盖板15置于被测薄膜试件14之上、隔热压板13和隔热挡板9之间。

设有PCB印刷电路板7与隔热底座8和隔热压板13固定在一起，用于连接引出所述线第一线加热器1、第二线加热器、第一温度传感器3、第二温度传感器、第三温度传感器5的引出线均通过印制在PCB印刷电路板7上的导线6连接；所述第一线加热器1和第二线加热器2经导线6串联，由可调稳压电源16供电，回路中的电流由电流检测仪17测量，第一温度传感器3、第二温度传感器4和第三温度传感器5用温度检测仪检测，所述可调稳压电源16一端与第一线加热器1的第一引出线11相连接，一端与电流检测仪17相连接，电流检测仪17的另一端与第二线加热器1的第二引出线22相连接。

基于上述测量装置的测量良导热体薄膜材料热导率的稳态方法，包括如下步骤：线加热器第一次通电加热稳态后记第一温度传感器3位置测出的温度为T_C、第二温度传感器4位置测出的温度为T_S1、第三温度传感器5位置测出的温度为T_S2、平均温度T_S＝(T_S1+T_S2)/2，第一温度传感器3与两侧线加热器的距离为H，第二温度传感器4和第三温度传感器5与该侧线加热器的距离均为L；两个线加热器的电阻均为R，通过的电流为I，发热功率为P_W＝I²R；被测试件14在线加热器延伸方向的宽度为W、厚度为b；

·调整可调稳压电源16的输出电压，使测得的被测试件14中间位置的温度 T_C和两侧温度传感器平均温度T_S的差ΔT＝T_C-T_S在5℃～10℃之间，并保持该输出电压不变；

·观测ΔT的变化，当ΔT的数值稳定后，记录一段时间内的电压、电流I和ΔT_max，并分别计算该时间段内的平均温差

平均加热电流

和平均功率

·根据

计算出被测试件14的热导率。

被测试件的热导率按照公式

的数值达到稳定的时间与被测材料的性质和尺寸有关，典型的稳定时间为 30～60分钟。

需要记录一段时间内的电压电流I和ΔT_max用来计算平均温差

平均加热电流

和平均功率

典型记录时间间隔为30秒钟，典型时间跨度为20分钟。

有益效果：根据本项发明提出的测量良导热性薄膜材料热导率的装置结构易于实现，算法简单，测试和计算成本低。

采用本项发明提出的测量良导热性薄膜材料热导率的原理和装置，对于环境条件不敏感，因而可以放宽对工作环境的要求。

附图说明

图1是本发明的测量良导热性薄膜材料热导率的装置和测量系统示意图。

图2是本发明的线加热器、温度传感器和PCB接口板的位置关系图。

图3是图2的装配图；

图4是本发明的实施例解释图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。该装置包括在同一平面内平行布置的尺寸、材质和电阻均相同第一线加热器1和第二线加热器2、在两条线加热器中间位置一般是几何中心的位置的第一温度传感器3、关于第一温度传感器3对称布置的第二温度传感器4和第三温度传感器5、用于固定所述线加热器和温度传感器的隔热底座8、与底座相连接的隔热挡板9、保护膜10和隔热底座8将所述线加热器及温度传感器紧密夹持在中间、隔热压板13与隔热底座8边缘平齐并布置在保护薄膜10之上、PCB印刷电路板7与隔热底座8和隔热压板13固定在一起，用于连接引出所述线第一线加热器1的第一引出线11和第二引出线12第二线加热器2 的第一引出线21和第二引出线22、第一温度3的第一引出线31和第二引出线32、第二温度传感器4的第一引出线41和第二引出线42、第三温度传感器5的第一引出线51和第二引出线52，其中第一线加热器1的第二引出线12与第二线加热器 2的第二引出线21通过印制在PCB印刷电路板7上的导线6连接。

所述第一线加热器1和第二线加热器2经导线6串联，由可调稳压电源16供电，回路中的电流由电流检测仪17测量，第一温度传感器3、第二温度传感器4 和第三温度传感器5用温度检测仪检测，可以分别用第一温度检测仪18、第二温度检测仪19和第三温度检测仪20测量。所述可调稳压电源16一端与第一线加热器1的第一引出线11相连接，一端与电流检测仪17相连接，电流检测仪17的另一端与第二线加热器1的第二引出线22相连接。

被测薄膜试件14置于保护膜10之上、隔热压板13和隔热挡板9之间，隔热盖板15置于被测薄膜试件14之上、隔热压板13和隔热挡板9之间。所述第一线加热器1和第二线加热器2经导线6串联，由可调稳压电源16供电，回路中的电流由电流检测仪17测量，第一温度传感器3、第二温度传感器4和第三温度传感器5分别用第一温度检测仪18、第二温度检测仪19和第三温度检测仪20测量。所述可调稳压电源16一端与第一线加热器1的第一引出线11相连接，一端与电流检测仪17相连接，电流检测仪17的另一端与第二线加热器1的第二引出线22 相连接。

本发明的测试原理阐述如下：对于宽度为W、厚度为b、截面周长为P，总长度为2H+2L的薄膜试件14，置于由隔热盖板15和隔热8底座之间、两侧面分别用隔热压板13和隔热挡板9封闭。在第一线加热器1和第二线加热器2通电加热后，第一温度传感器3、第二温度传感器4和第三温度传感器5的温度均会升高，经过一段时间后会达到稳定状态。假设热线折算到试件上的单位体积发热功率为q_V，试件通过保温材料向环境散热。设环境温度为T_∞，通过保温材料向环境散热的折算对流传热系数为h。由于被测试件是良导热体，厚度很薄，且由于周边保温材料的热导率很低，可以保证试件被热线加热时，宽度和厚度方向的温度是接近均匀，因而可以按照一维导热问题来处理。忽略端部散热，考虑到对称性，根据热传导理论，该试件上的无因次过余温度

可以用以下微分方程和边界条件描述

其中，

δ(x)是Dirac-δ函数。

上式的解是

定义

在m＝0附近泰勒展开，可以得到，

当m＜0.05，n≥5时，

与精确解之间的偏差小于0.2％，因此取，

根据能量平衡关系，热线的总功率应等于通过外围保温材料的散热量

因此有，

据此导出

或

其中T_c和T_n分别为两线加热器中间点的温度以及热线另一侧与热线相距为L处的温度。

本发明是基于以上原理的针对高导热性固体材料的稳态测量方法，该方法包括如下步骤和计算公式：

(1)调整可调稳压电源16的输出电压，使测得的被测试件14中间位置的温度T_C和两侧温度传感器平均温度T_S的差ΔT＝T_C-T_S在5℃～10℃之间，并保持该输出电压不变；

(2)观测ΔT的变化，当ΔT的数值稳定后达到稳定的时间与被测材料有关，典型的时间为30～60分钟，记录一段时间内的电压V、电流I和ΔT_max，并分别计算该时间段内的平均温差

和平均加热电流

和平均功率

典型记录时间间隔为30秒钟，典型时间跨度为20分钟。

(3)根据

计算出被测试件14的热导率。

其中，第一温度传感器3位置测出的温度为T_C、第二温度传感器4位置测出的温度为T_S1、第三温度传感器5位置测出的温度为T_S2、平均温度 T_S＝(T_S1+T_S2)/2，第一温度传感器3与两侧线加热器的距离为H，第二温度传感器4和第三温度传感器5与该侧线加热器的距离均为L；两个线加热器的电阻均为R，通过的电流为I，发热功率为P_W＝I²R；被测试件14在线加热器延伸方向的宽度为W、厚度为b。实际测量中，公式4中的T_n用 T_S＝(T_S1+T_S2)/2代入。

典型的实施方案之一如下所述。第一线加热器1和第二线加热器2、及其相应的引出线11、12、21和22均采用漆包康铜丝制成，典型线径为0.025mm～0.1mm，电阻在5.0Ω～10.0Ω之间；第一温度传感器3、第二温度传感器4和第三温度传感器5及其相应的引出线31、32、41、42、51和52均采用超细K型热电偶丝制成，典型线径为0.05mm～0.1mm；隔热底座8、与底座相连接的隔热挡板9、隔热压板13和隔热盖板15均采用聚氨酯泡沫保温板制成，典型厚度为10mm～20mm；保护膜10采用聚酰亚胺薄膜制成，典型厚度为0.025mm～0.05mm；被测良热导体试件14预制成矩形薄膜或薄板形状，典型厚度为0.02mm～1.0mm、长度为100mm～ 150mm、宽度为30mm～40mm之间；PCB印刷电路板7采用玻纤基覆铜板照相蚀刻制成，典型厚度为1.2mm～2.0mm；采用Rainworm公司的CE0130010T程控直流电源将可调稳压电源16和电流检测仪17集成在一起，实现供电和电流检测功能；温度检测仪18、19和20采用永鹏公司的YP5008G-510多路温度巡检仪实现。

典型的实施方案之二如下所述。第一线加热器1和第二线加热器2、及其相应的引出线11、12、21和22均采用漆包锰铜丝制成，典型线径为0.025mm～0.1mm，电阻在5.0Ω～10.0Ω之间；第一温度传感器3、第二温度传感器4和第三温度传感器5采用微型NTC热敏电阻，相应的引出线31、32、41、42、51和52均采用铜镀银导线制成，典型线径为0.3mm～0.5mm；隔热底座8、与底座相连接的隔热挡板9、隔热压板13和隔热盖板15均采用酚醛泡沫保温板制成，典型厚度为10mm～ 20mm；保护膜10采用人工或天然云母片制成，典型厚度为0.025mm～0.05mm；PCB 印刷电路板7采用玻纤基覆铜板照相蚀刻制成，典型厚度为1.2mm～2.0mm；可调稳压电源16采用Rainworm公司的CE0130010T程控直流电源；电流检测仪17用泓格公司具有RS-485接口的M-4017总线模块实现；用域信公司具有RS-485总线接口的PK9018N NTC热敏电阻温度采集模块实现温度检测仪18、19和20的功能；采用昆仑通态的MCGS7062触控显示人机界面，通过RS-485总线接口将M-4017总线模块和PK9018N NTC热敏电阻温度采集模块通信，构成基于人机界面的自动测量系统。

典型的实施方案之三如下所述。第一线加热器1和第二线加热器2、及其相应的引出线11、12、21和22均采用漆包康铜丝制成或采用康铜等发热材料制备的薄膜条，典型线径为0.025mm～0.1mm，电阻在5.0Ω～10.0Ω之间；第一温度传感器3、第二温度传感器4和第三温度传感器5及其相应的引出线31、32、41、42、51和52均采用超细K型热电偶丝制成，典型线径为0.05mm～0.1mm；隔热底座8、与底座相连接的隔热挡板9、隔热压板13和隔热盖板15均采用聚氨酯泡沫保温板制成，典型厚度为10mm～20mm；保护膜10采用聚酰亚胺薄膜制成，典型厚度为0.025mm～0.05mm；被测良热导体试件14预制成矩形薄膜或薄板形状，典型厚度为0.02mm～1.0mm、长度为100mm～150mm、宽度为30mm～40mm之间；PCB印刷电路板7采用玻纤基覆铜板照相蚀刻制成，典型厚度为1.2mm～2.0mm；采用单片机如ST的STM32L151C8T6A为核心构成测控系统，将可调压直流电源16、电流检测仪17和温度检测仪18、19和20的功能集成到一起。此时可以采用市售的开关电源供电如鸿海电源，辅以可调三端压线性电源芯片如LM337，通过单片机的控制DA转换芯片如TLC5615的输出电压调整三端可调压电源芯片的输出电压向第一线加热器1和第二线加热器2供电，采用AD转换芯片如AD7705检测串联在加热器供电回路中的取样电阻两端的电压进行电流检测，采用ADI的热电偶信号放大芯片如AD8495并采用ADI的AD转换芯片如AD7793可测量出热电偶的温度信号，辅以STM32L151C8T6A的通信功能与具有串行接口液晶触控显示器，如迪文科技的DMG80480T043_A5WTR作为人机界面实现电流和温度的定时采集、计算和显示。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (6)

1.一种测量良导热体薄膜材料热导率的测量装置，其特征在于：包括在同一平面内平行布置的尺寸、材质和电阻均相同第一线加热器和第二线加热器、在两条线加热器中间位置的第一温度传感器；在第一线加热器和第二线加热器外部设有第二温度传感器和第三温度传感器对称布置、用于固定所述线加热器和温度传感器的隔热底座、与隔热底座相连接的隔热挡板、保护膜和隔热底座将所述线加热器及温度传感器紧密夹持在中间，设有隔热压板与隔热底座边缘平齐，并布置在保护薄膜之上；第一线加热器、第二线加热器第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的引出线从隔热底座边缘引出；被测薄膜试件置于保护膜之上、隔热压板和隔热挡板之间，隔热盖板置于被测薄膜试件之上、隔热压板和隔热挡板之间。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：设有PCB印刷电路板与隔热底座和隔热压板固定在一起，用于连接引出所述线第一线加热器、第二线加热器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器的引出线均通过印制在PCB印刷电路板上的导线连接；所述第一线加热器和第二线加热器经导线串联，由可调稳压电源供电，回路中的电流由电流检测仪测量，第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器用温度检测仪检测，所述可调稳压电源一端与第一线加热器的第一引出线相连接，一端与电流检测仪相连接，电流检测仪的另一端与第二线加热器的第二引出线相连接。

3.根据权利要求1或2之一所述测量装置的测量良导热体薄膜材料热导率的稳态方法，包括如下步骤：线加热器第一次通电加热稳态后记第一温度传感器位置测出的温度为T_C、第二温度传感器4位置测出的温度为T_S1、第三温度传感器位置测出的温度为T_S2、平均温度T_S＝(T_S1+T_S2)/2，第一温度传感器与两侧线加热器的距离为H，第二温度传感器和第三温度传感器与该侧线加热器的距离均为L；两个线加热器的电阻均为R，通过的电流为I，发热功率为P_W＝I²R；被测试件在线加热器延伸方向的宽度为W、厚度为b；

·调整给线加热器供能的可调稳压电源的输出电压，使测得的被测试件中间位置的温度T_C和两侧温度传感器平均温度T_S的差ΔT＝T_C-T_S在5℃～10℃之间，并保持该输出电压不变；

·观测ΔT的变化，当ΔT的数值稳定后，记录一段时间内的可调稳压电源电压电流I和ΔT_max，并分别计算该时间段内的平均温差

平均加热电流

和平均功率

·根据

计算出被测试件14的热导率。

4.根据权利要求3所述的良导热体薄膜材料热导率的稳态方法，其特征在于：被测试件的热导率按照公式

计算。

5.根据权利要求3所述的良导热体薄膜材料热导率的稳态方法，其特征在于：

的数值达到稳定的时间与被测材料的性质和尺寸有关，典型的稳定时间为30～60分钟。

6.根据权利要求3到4所述所述的测量高导热性固体材料热导率的方法，其特征在于：需要记录一段时间内的电压电流I和ΔT_max用来计算平均温差

平均加热电流

和平均功率

典型记录时间间隔为30秒钟，典型时间跨度为20分钟。

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