CN207611003U - 一种薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置，该系统主要由四部分组成，第一部分是测试样品温度的设备——红外热像仪；第二部分是真空腔，真空腔内部包括两块半圆形铜电极，一个底板，四根金属支撑杆，四个螺母，四个螺杆，一个复合真空计，十个陶瓷连接件，两根导线；第三部分是二级真空泵，包括一个扩散泵和一个分子泵；第四部分是直流电源。本实用新型是基于傅里叶一维稳态热传导的基本原理设计的，具有操作简便，测试过程时间短，测试精度高等特点。

Description

一种薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置，属于测量技术领域。

背景技术

随着现代科技的不断进步，电子器件逐渐向智能化和小型化发展，其内部芯片的高度集成造成功率密度急剧升高，产生的热量也相应增加，如果不即时把这些热量排出，会大大降低电子器件的寿命和可靠性。因此，散热材料的导热能力已经成为制约电子器件发展的关键因素之一。热导率，又称导热系数，是表征材料导热能力最重要的一个参数，能够准确的测试材料的热导率是研究散热材料的基础。

目前三维宏观材料热导率的测试方法及装置已经比较成熟，如基于激光闪射法的激光导热仪和基于平面热流法的Hot Disk等。但是，平面热流法适合热导率在500W/m.K以下的样品，闪光法只能测试片状材料的轴向热导率。所以，对于高导热的薄膜和片状材料的平面热导率，这些常规装置并不适用。

近年来，对于高导热薄膜、片状材料的平面热导率以及纤维样品，开发了一种非接触式的稳态热导率测试方法，利用激光将样品加热，探测样品上温度分布，从而得到材料的热导率。但是该类方法涉及到激光信号的发射和提取，需要精密的设备和复杂的光路，且激光的聚焦易重影，对测试结果有很大的影响。所以需要一种新的测试薄膜或者薄片平面热导率的装置。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于稳态法和通过电流使样品自加热从而测试热导率的系统，用通电自加热代替激光加热，可以很好的解决激光作为加热源的弊端。本实用新型所采取的技术方案如下：

一种薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置，所述装置包括控制柜、红外热像仪、真空腔、二级真空泵和直流电源；所述真空腔设置于控制柜的柜体上表面上，所述真空腔包括真空腔体，所述真空腔体的上表面设有放气阀，真空腔体侧壁外表面上设有4个插头组件、复合真空计探测器和两个冷却水预留口；所述真空腔体内部设有与真空腔体内壁连接的上盖板；所述上盖板上设有放气阀，并且在所述上盖板中心位置设有圆形窗口，所述圆形窗口上覆盖有多光谱硫化锌玻璃；所述真空腔体底部设有金属支撑杆；所述金属支撑杆顶端支撑一个水平的底板；所述底板上固定安装两块半圆形铜电极；每块所述铜电极通过与底板之间通过五个陶瓷连接件隔开，其中，陶瓷连接件为陶瓷平和陶瓷凸；所述两块半圆形铜电极均位于所述上盖板下方；在所述真空腔体的顶部设有顶盖；所述二级真空泵设置于控制柜内部；所述二级真空泵包括分子泵和机械泵；所述真空泵通过插板阀与所述真空腔体底部相连；所述直流电源通过导线分别与所述铜电极相连。

进一步地，所述插头组件采用8芯插头组件；所述上盖板的四周边沿与所述真空腔体的内壁通过315X5.7胶圈密封连接；

进一步地，所述真空腔中的四根金属支撑杆是圆柱体且上半部分外表面设有螺纹并配合螺母托住底板，通过控制螺母的位置控制底板的高度；所述底板与所述真空腔体底部的距离范围为120～140mm。

进一步地，所述的电极采用纯铜材料，且两电极平行摆放，中间的距离为70mm。

进一步地，所述顶盖上设有放气阀并且在顶盖中心位置设有顶盖窗口；所述顶盖窗口与所述上盖板上设置的圆形窗口的位置相对应，并且在所述顶盖窗口上设有多光谱硫化锌玻璃；所述红外热像仪的镜头对准所述顶盖窗口的位置。

进一步地，所述多光谱硫化锌玻璃的厚度为15mm。

进一步地，所述多光谱硫化锌玻璃表面镀有增透膜，以增加红外线的透过率。

进一步地，所述二级真空泵可以使真空腔的真空度达到10^-4Pa；所述二级真空泵中还包括分子泵电源、温度及泵控制器和复合真空计控制器；所述分子泵源的电源信号输出端与分子泵电源信号输入端相连；所述温度及泵控制器的控制信号输出端分别与所述分子泵和控制泵的控制信号输入端相连；所述复合真空计控制器的控制信号输出端与所述复合真空计探测器的控制信号输入端相连。

进一步地，所述控制柜底部设有滚轮。

本实用新型有益效果：

一、本实用新型采用通电样品自加热的方式，可以很好的避免激光加热的弊端，设备简单，测试过程操作简便，测试精度高；

二、本实用新型在测试过程中，真空腔的真空度保持在10^-4Pa的高真空环境，因此可以忽略热对流的影响，使求解计算简单化；

三、本实用新型可以通过改变电流的大小，得到一系列的温度数据，这种方式可以排除环境因素的影响，所以测量精度比较高。

附图说明

图1是真空腔剖视结构示意图；

图2是图1真空腔B-B切线方向剖视结构示意图；

图3是真空腔内部空间示意图；

图4是真空腔内部和接口的俯视图；

图5是真空腔上盖俯视图；

图6是真空腔和真空泵的侧面剖视图；

图7是整个测试系统的简化示意图；

图8是本实用新型测试热导率的原理示意图；

图9是具体实施方式中得到的数据，a)测试试样在不同功率下温差和功率的拟合曲线b) 测试试样在测量过程中的红外热相图 c)测试试样在一维方向的温度分布

附图标记说明：1-真空腔、2-支撑杆、3-底板、4-陶瓷平、5-陶瓷凸、6-电极、7-螺杆、8-315X5.7 胶圈、9-上盖板、10-105X5.3胶圈、11-多光谱硫化锌玻璃、12-聚四氟乙烯垫片、13-窗盖板、 14-KF16放气阀、15-顶盖、16-8芯插头组件、17-复合真空计探测器、18-冷却水预留口、19- 分子泵电源、20-温度及泵控制器、21-复合真空计控制器、22-插板阀、23-插板阀手柄、24- 分子泵、25-控制柜、26-机械泵、27-红外热像仪、28-直流电源、29-被测试样、30-导线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型不受实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。

实施例1：

如图1-9所示，一种薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置，所述装置包括控制柜、红外热像仪、真空腔、二级真空泵和直流电源；所述真空腔设置于控制柜的柜体上表面上，所述真空腔包括真空腔体，所述真空腔体的上表面设有放气阀，真空腔体侧壁外表面上设有4个插头组件、复合真空计探测器和两个冷却水预留口；所述真空腔体内部设有与真空腔体内壁连接的上盖板；所述上盖板上设有放气阀，并且在所述上盖板中心位置设有圆形窗口，所述圆形窗口上覆盖有多光谱硫化锌玻璃，并且在多光谱硫化锌玻璃上还设有窗盖板，用于固定多光谱硫化锌玻璃，所述窗盖板的边缘通过螺丝和105X5.3胶圈固定于上盖板上；所述真空腔体底部设有金属支撑杆；所述金属支撑杆顶端支撑一个水平的底板；所述底板上固定安装两块半圆形铜电极；每块所述铜电极通过与底板之间通过五个陶瓷连接件隔开，其中，陶瓷连接件为陶瓷平和陶瓷凸；所述两块半圆形铜电极均位于所述上盖板下方；在所述真空腔体的顶部设有顶盖；所述二级真空泵设置于控制柜内部；所述二级真空泵包括分子泵和机械泵；所述真空泵通过插板阀与所述真空腔体底部相连；所述直流电源通过导线分别与所述铜电极相连。所述二级真空泵中还包括分子泵电源、温度及泵控制器和复合真空计控制器；所述分子泵源的电源信号输出端与分子泵电源信号输入端相连；所述温度及泵控制器的控制信号输出端分别与所述分子泵和控制泵的控制信号输入端相连；所述复合真空计控制器的控制信号输出端与所述复合真空计探测器的控制信号输入端相连。所述二级真空泵可以使真空腔的真空度达到10^-4Pa。

其中，所述插头组件采用8芯插头组件；所述上盖板的四周边沿与所述真空腔体的内壁通过315X5.7胶圈密封连接；所述真空腔中的四根金属支撑杆是圆柱体且上半部分外表面设有螺纹并配合螺母托住底板，通过控制螺母的位置控制底板的高度；所述底板与所述真空腔体底部的距离范围为120～140mm。所述的电极采用纯铜材料，且两电极平行摆放，中间的距离为70mm。

在所述顶盖上设有放气阀并且在顶盖中心位置设有顶盖窗口；所述顶盖窗口与所述上盖板上设置的圆形窗口的位置相对应，并且在所述顶盖窗口上设有多光谱硫化锌玻璃；所述红外热像仪的镜头对准所述顶盖窗口的位置。本实施例中，所述多光谱硫化锌玻璃的厚度为 15mm。所述多光谱硫化锌玻璃表面镀有增透膜，以增加红外线的透过率。

同时，在所述控制柜侧壁外边面与插板阀相对应的位置设有插板阀手柄，用于调整插板阀；所述控制柜底部设有滚轮，用于方便所述薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置的移动和运输。并且，本实施例中的所有放气阀均采用KF16放气阀，能够实现更快速精准的放气，保证所述测试装置的运行稳定性。

本实施例中的测试装置在测试过程中采用的直流电源是数字源表，该数字源表通过所述铜电极上的两根导线给测试装置提供直流电流或直流电压。所述真空腔中的底板是圆角矩形结构，通过四根金属支撑杆托起，底部靠螺母固定，并且底板的高度可以调控，可调高度范围为120～140mm。

两块铜电极是半圆柱体结构，两块电极是一对，分别放在底板两端，两块铜电极的距离是70mm，每个铜电极由四个螺杆固定，用陶瓷件将铜电极和底板隔开起到绝缘的目的，测试时将样品两端分别连接在两个铜电极上，使电流从被测试样流过。铜电极连接导线，导线从真空腔上的其中两个8芯插头导出，另外两个8芯插头用于备用。真空腔上盖是扁的圆柱体结构，正中心是一个圆形窗口，该窗口采用可以透过红外线和可见光的多光谱硫化锌玻璃，以便红外热像仪可以通过该窗口测试真空腔体内部测试试样的温度。红外热像仪的镜头正对多光谱硫化锌玻璃，测试内部被测试样的温度，如图6所示。数字源表提供系统直流电，将铜电极引出的导线分别接到数字源表的“FORCE HIGH”、“FORCE LOW”端，导线不分正负极。

通过实用新型提出的测试装置进行测试后，被测试样上的温度分布呈抛物线型，且线性拟合后直线性非常好，说明该测试系统测试过程及结果(图8)和热导率测试原理(图7)是高度符合的。测试时间短，每一次通电后，只需要几秒或几十秒，被测试样上的温度就可以达到热平衡，对大量样品的测量提供了条件。从实施例也可以看出，本测试系统操作简便，计算简单，准确度高。

虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种薄膜或薄片材料平面热导率的测试装置，其特征在于，所述装置包括控制柜、红外热像仪、真空腔、二级真空泵和直流电源；所述真空腔设置于控制柜的柜体上表面上，所述真空腔包括真空腔体，所述真空腔体的上表面设有放气阀，真空腔体侧壁外表面上设有4个插头组件、复合真空计探测器和两个冷却水预留口；所述真空腔体内部设有与真空腔体内壁连接的上盖板；所述上盖板上设有放气阀，并且在所述上盖板中心位置设有圆形窗口，所述圆形窗口上覆盖有多光谱硫化锌玻璃；所述真空腔体底部设有金属支撑杆；所述金属支撑杆顶端支撑一个水平的底板；所述底板上固定安装两块半圆形铜电极；每块所述铜电极通过与底板之间通过五个陶瓷连接件隔开；所述两块半圆形铜电极均位于所述上盖板下方；在所述真空腔体的顶部设有顶盖；所述二级真空泵设置于控制柜内部；所述二级真空泵包括分子泵和机械泵；所述真空泵通过插板阀与所述真空腔体底部相连；所述直流电源通过导线分别与所述铜电极相连。

2.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述插头组件采用8芯插头组件；所述上盖板的四周边沿与所述真空腔体的内壁通过315X5.7胶圈密封连接。

3.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述真空腔中的四根金属支撑杆是圆柱体且上半部分外表面设有螺纹并配合螺母托住底板，通过控制螺母的位置控制底板的高度；所述底板与所述真空腔体底部的距离范围为120～140mm。

4.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述的电极采用纯铜材料，且两电极平行摆放，中间的距离为70mm。

5.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述顶盖上设有放气阀并且在顶盖中心位置设有顶盖窗口；所述顶盖窗口与所述上盖板上设置的圆形窗口的位置相对应，并且在所述顶盖窗口上设有多光谱硫化锌玻璃；所述红外热像仪的镜头对准所述顶盖窗口的位置。

6.根据权利要求1或5所述测试装置，其特征在于，所述多光谱硫化锌玻璃的厚度为15mm。

7.根据权利要求1或5所述测试装置，其特征在于，所述多光谱硫化锌玻璃表面镀有增透膜，以增加红外线的透过率。

8.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述二级真空泵的可以使真空腔的真空度达到10^-4Pa；所述二级真空泵中还包括分子泵电源、温度及泵控制器和复合真空计控制器；所述分子泵电源的电源信号输出端与分子泵电源信号输入端相连；所述温度及泵控制器的控制信号输出端分别与所述分子泵和控制泵的控制信号输入端相连；所述复合真空计控制器的控制信号输出端与所述复合真空计探测器的控制信号输入端相连。

9.根据权利要求1所述测试装置，其特征在于，所述控制柜底部设有滚轮。