CN211528262U

CN211528262U - 一种材料导热性能测试系统

Info

Publication number: CN211528262U
Application number: CN201922110167.4U
Authority: CN
Inventors: 邰凯平; 赵洋; 谭军; 康斯清
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2019-11-30
Filing date: 2019-11-30
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2029-11-30

Abstract

本实用新型涉及材料性能表征领域，具体涉及一种材料导热性能测试系统。该系统样品放在样品分析室内的样品台上，真空及控温系统分别通过测试温度环境获得系统和真空获得系统与样品分析室相连，信号接收与控制系统的输入端与测试温度环境获得系统连接，信号接收与控制系统的输出端与数据可视化系统连接。信号接收与控制系统主要是对待测芯片可控地输出测试信号，并同时接收样品的反馈信号，处理后传输给数据可视化系统，数据可视化系统可对获得的数据进行自动化处理并输出可视化的数据图。本实用新型实现了在150K～750K温度范围对块体和薄膜材料的面内及面外的导热性能测试，具有测试材料范围广泛，测试结果准确等优点。

Description

一种材料导热性能测试系统

技术领域

本实用新型涉及材料性能表征领域，具体涉及一种材料导热性能测试系统。

背景技术

材料的导热性能是其重要的物理属性，随着材料维度的降低，其尺度效应出现有别于传统块体材料的“ballistic”传输效应，极大地影响材料的导热属性和使用性能，低维导热材料在微电子系统热管理领域具有深远和重要的影响。

由于低维材料表现出强烈的导热各向异性以及尺度效应，传统的适用于测量块体材料导热性能的测量设备和原理，如瞬态激光闪烁法或是稳态热源法已经完全不适用了，瞬态激光的探测束斑面积甚至大于二维材料尺寸。目前，世界范围内公认的测量低维材料热导率的技术主要有瞬态3ω-频域法和稳态SiN-悬臂法等。

瞬态3ω-频域法是能同时采集分析二维材料、薄膜等低维材料面内及面外导热性能的测量技术。主要利用材料自身的热传导属性对于瞬间一倍频率的热源吸收/释放时产生的三倍频率响应信号，直接计算出材料的热导率，这其中不需要假设任何参数或是测量比热容等其它热物性参数，具有测量精度高、重复性好，可测量热导率值范围广，测试温度范围较宽，对于待测量样品电绝缘性能要求低等优点。

稳态法是基于热导率的基本定义，在近似绝热的环境下利用一维稳态热源信号测量样品的温升响应来计算热导率。其是测量低维材料沿热流方向(面内)的热导率，也是目前测量自支撑(无基底)低维材料的主要/唯一技术方法。不过当把这种方法运用于对二维材料的导热性能的测试上，则需根据材料的特殊性进行自行设计，目前并无针对这些二维材料可以通用的商用导热性能测试仪器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种材料导热性能测试系统，将瞬态3ω频域法和稳态法两种热导率测试原理联用，实现对块体和薄膜材料的面内及面外的、150K～750K温度范围的导热性能测试，并且对于部分样品可以使用两种测试方法进行相互验证。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种材料导热性能测试系统，包括样品分析室、真空及控温系统、信号接收与控制系统和数据可视化系统，具体结构如下：

样品放在样品分析室内的样品台上，真空及控温系统分别通过测试温度环境获得系统和真空获得系统与样品分析室相连，信号接收与控制系统的输入端与测试温度环境获得系统连接，信号接收与控制系统的输出端与数据可视化系统连接。

所述的材料导热性能测试系统，样品分析室为样品测试提供所需要的真空、变温和电路连接的测试环境，其具体的结构包括：真空腔体、真空密封电连接件、150K～750K样品控温装置、样品台，150K～750K样品控温装置位于真空腔体内的上部，150K～750K样品控温装置的顶部露在外面，150K～750K样品控温装置设有加热台和液氮管路，真空腔体内，待测样品放置在样品台的测试芯片上，样品台放置在150K～750K样品控温装置的加热台上，两个真空密封电连接件设置于真空腔体的侧壁上，真空腔体内加热台的引线、150K～750K样品控温装置上的热电偶引线分别经过一个真空密封电连接件引出，加热台的引线连接测试温度环境获得系统的温控仪，150K～750K样品控温装置上的热电偶引线连接信号接收与控制系统。

所述的材料导热性能测试系统，测试温度环境获得系统包括温控仪和液氮冷肼，温控仪的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，温控仪的输出端通过线路经真空密封电连接件与150K～750K样品控温装置的加热台连接；液氮冷肼的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，液氮冷肼的输出端通过液氮管路伸至真空腔体内。

所述的材料导热性能测试系统，温控仪采用PID或位式的温控仪，温控仪的输出端通过RS232通讯模块与数据可视化系统连接。

所述的材料导热性能测试系统，真空获得系统与真空腔体通过波纹管连接。

所述的材料导热性能测试系统，信号接收与控制系统包括直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器和测试电路板，其中：直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器均通过屏蔽线与测试电路板连接，直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器的输出端均通过集线器与数据可视化系统连接，测试电路板通过真空密封电连接件与样品台上的测试芯片连接。

所述的材料导热性能测试系统，直流稳压电源通过导线接入到测试电路板的直流输入端，数字信号发生器通过导线与测试电路板的交流输入端连接。

所述的材料导热性能测试系统，微欧表与测试电路板的输出端连接。

所述的材料导热性能测试系统，两相锁相放大器与测试电路板输出端连接。

本实用新型设计思路如下：

首先，对于材料的导热性能测试，世界范围内公认的测量低维材料热导率的技术主要有瞬态3ω-频域法和稳态SiN-悬臂法。

其次，其中瞬态3ω-频域法主要是针对块体和有基底的薄膜材料，而稳态SiN-悬臂法主要是用于测量无基底薄膜材料的热导率。而二种测试方法所需的测试环境相似，将两者结合可做到对大部分金属、半导体、绝缘体等材料导热性能进行测试。

正是基于以上两点主要设计指导思想，本实用新型成功实现利用上述装置对块体和薄膜材料的面内及面外、150K～750K温度范围的导热性能测试。

本实用新型的优点及有益效果如下：

1、本实用新型提出一套集多种样品制备、全自动、宽温度范围、高精度、可连续测试的完整测试系统。它融合了目前国际上科研人员普遍认可的两种薄膜导热性能测试技术——瞬态3ω-频域法和稳态SiN-悬臂法，可以用一套系统，两种方法对样品进行测量，并进行相互佐证。而且在测量非常薄、外形尺寸较小的样品时，稳态SiN-悬臂法可以填补瞬态3ω-频域法的测量空白区；在测量比较厚、外延生长的样品，或测件温度较高、测量方向为面外方向时，瞬态3ω-频域法又可以弥补稳态SiN-悬臂法的不足。这样即可形成一套完善的测量系统，可测样品种类广泛。

2、本实用新型水冷真空隔热腔体辅以液氮制冷配件，可以实现150K至750K温度区间内的导热性能的测试，此测试温度范围较广，可以满足大部分材料的导热性能进行研究需要。

3、本实用新型采用机械泵和分子泵的组合机组，可获得最高10^-6的真空度，可极大的减少样品的其它热传导方式，提高测试精度。

4、本实用新型在样品腔室加入了气体入口，可对样品进行原位处理后，直接测试，避免暴露空气而造成污染和干扰。

5、本实用新型选择不同测试原理时仅需更换样品台即可，方便快捷。

6、本实用新型的装置所有的配件均与电脑进行连接，可以进行全自动测试，自动化程度较高。

7、本实用新型的装置具有测试范围广泛，测试结果准确的优点，并且对于部分样品可以使用两种测试方法进行相互验证，对材料科学研究具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型所做的实验装置结构图。

图中：1——样品分析室；2——真空及控温系统；3——信号接收与控制系统；4——数据可视化系统；11——真空腔体；12——真空密封电连接件；13——150K～750K样品控温装置；14——样品台；15——加热台；16——液氮管路；21——测试温度环境获得系统；22——真空获得系统；31——直流稳压电源；32——微欧表；33——恒压电源；34——数字信号发生器；35——两相锁相放大器；36——测试电路板；37——集线器。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供的材料导热性能测试系统，主要包括以下系统：样品分析室1、真空及控温系统2、信号接收与控制系统3和数据可视化系统4，具体结构如下：

样品放在样品分析室1内的样品台14上，样品分析室1具有真空密封的功能；真空获得系统22与样品分析室1相连，为样品提供真空的测试环境；测试温度环境获得系统21可以实现对样品台14进行加热、制冷或者保温等操作，从而为样品提供变温测试环境；信号接收与控制系统3与测试温度环境获得系统21相连，进行温度的自动设定和记录；同时信号接收与控制系统3与样品台14通过真空密封电连接件12进行电信号的传输，实现给测试芯片输入电信号，并捕捉、提取、处理样品的反馈信号，之后将获得的数据传输给数据可视化系统4，进行导热性能的计算和输出。数据可视化系统4可对信号接收与控制系统3内的各类仪表进行集中控制，实现自动测试功能。

样品分析室1为样品测试提供所需要的真空、变温和电路连接的测试环境，其具体的结构包括：真空腔体11、真空密封电连接件12、150K～750K样品控温装置13、样品台14，真空获得系统22与真空腔体11使用波纹管等方式连接，给予真空腔体11内一个高真空的测试环境，真空腔体漏气率≤5.0×10^-8Pa·L/s。150K～750K样品控温装置13位于真空腔体11内的上部，150K～750K样品控温装置13的顶部露在外面，150K～750K样品控温装置13设有加热台15和液氮管路16，真空腔体11内，待测样品放置在样品台14的测试芯片上，实现与测试芯片的电路连接，具体连接方式有探针式和焊接金线式两种类型，样品台14放置在150K～750K样品控温装置13的加热台15上，为测试样品提供连续变温的测试环境。两个真空密封电连接件12设置于真空腔体11的侧壁上，真空腔体11内加热台15的引线、150K～750K样品控温装置13上的热电偶引线分别经过一个真空密封电连接件12引出，在确保真空密封的条件下，起到真空腔体11内外的电路和热电偶连接的作用，实现真空腔体11内外的电信号传输。其中，加热台15的引线连接测试温度环境获得系统21的温控仪，150K～750K样品控温装置13上的热电偶引线连接信号接收与控制系统3。

测试温度环境获得系统21包括温控仪和液氮冷肼，温控仪的输入端通过线路与信号接收与控制系统3连接，温控仪的输出端通过线路经真空密封电连接件12与150K～750K样品控温装置13的加热台15连接，用于实现高温的测试环境；液氮冷肼的输入端通过线路与信号接收与控制系统3连接，液氮冷肼的输出端通过液氮管路16伸至真空腔体11内，用于实现获得室温以下的测试环境。温控仪采用PID或位式的温控仪，进行150K～750K的连续温度调节，同时温控仪的输出端安装有RS232通讯模块，可以通过RS232通讯模块与数据可视化系统4进行双向通讯。

真空获得系统22为机械泵和分子泵等真空泵的组合泵组，该组合机组与真空腔体11进行连接，可获得最高10^-6Pa的真空度。

信号接收与控制系统3包括直流稳压电源31、微欧表32、恒压电源33、数字信号发生器34、两相锁相放大器35和测试电路板36，其中：直流稳压电源31、微欧表32、恒压电源33、数字信号发生器34、两相锁相放大器35均通过屏蔽线与测试电路板36连接，直流稳压电源31和数字信号发生器34分别为待测样品提供直流和交流电信号，直流稳压电源31为测试过程提供恒压和恒流的直流信号输入，通过导线接入到测试电路板36的直流输入端；数字信号发生器34为测试过程提供交流变频信号输入，通过导线与测试电路板36的交流输入端连接；恒压电源33为测试电路板36的部分电子元件供电；微欧表32采用四线法对测试芯片电阻变化进行检测，与测试电路板36的输出端连接，微欧表32用于监测待测样品电极的电阻变化情况；两相锁相放大器35则用于捕获测试电路里的倍频交流信号，与测试电路板36输出端连接，提取待测样品电极的反馈交流电信号。测试电路板36可以采用现有技术，通过真空密封电连接件12与样品台14上的测试芯片连接，可用于切换测试电路和处理测试信号。同时，温控仪、液氮冷肼、直流稳压电源31、微欧表32、恒压电源33、数字信号发生器34、两相锁相放大器35的输出端均通过集线器37与数据可视化系统4进行双向通讯，进而实现自动化测试过程。

数据可视化系统4(如：电脑)可以实现对真空及控温系统2、信号接收与控制系统3的集中自动化控制，并且通过连接测试装置的多个传感器，对待测样品所处环境的真空度和温度进行实时监控记录和输出，最后将获得的测试信息进行数据处理，输出测试数据和可视化图表。

以下通过实施例进一步解释或说明本实用新型内容。

实施例1

本实施例中，稳态氮化硅桥悬臂法测试碲化铋/碳纳米管复合薄膜的导热性能的方法如下：

如图1所示，将待测样品芯片放置在样品台14上，通过焊接金线的方式将芯片电路与样品台14连接。启动真空获得系统22对真空腔体11抽真空，直到腔体内气体压力小于10^- ⁴Pa。在数据可视化系统4设置选择稳态法测试原理和设置好需测量样品参数，具体包括样品尺寸、测量温度、升温速率。点击开始，即可进行导热性能的测试。

实施例结果表明，本实用新型提供的装置可以对一些薄膜材料的面内热导率进行精确的测量，尤其对于那些因为样品尺寸太小或透光性高等原因，而无法使用其他商用电脑器进行导热性能测试，可以准确、快速地获得其导热性能。对材料研究人员对薄膜材料的热物性能的研究有极大的促进作用。

实施例2

本实施例中，瞬态3ω频域法测试单晶氧化铝导热性能的方法如下：

将沉积好电极的待测样品放置在样品台14上，通过探针软接触的方式将芯片电路与样品台14连接，启动真空获得系统22对真空腔体11抽真空，直到腔体内气体压力小于10^- ⁴Pa。在数据可视化系统4设置选择瞬态3ω频域法测试原理和设置好需测量样品参数，具体包括样品尺寸、测量温度、升温速率等等。点击开始，即可进行导热性能的测试。

实施例结果表明，本实用新型提供的装置可以对一些块体材料的的面外热导率进行精确的测量，其测量结果与商用其他原理测量的结果基本一致。使用本实用新型装置进行测量，测量温度范围较大且测量结果精确。测量结果对材料研究人员对块体的热物性能的研究有极大的促进作用。

以上对本实用新型所提供的一种材料导热性能测试系统进行详细的介绍。本文中应用具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种材料导热性能测试系统，其特征在于，包括样品分析室、真空及控温系统、信号接收与控制系统和数据可视化系统，具体结构如下：

样品放在样品分析室内的样品台上，真空及控温系统分别通过测试温度环境获得系统和真空获得系统与样品分析室相连，信号接收与控制系统的输入端与测试温度环境获得系统连接，信号接收与控制系统的输出端与数据可视化系统连接；

样品分析室为样品测试提供所需要的真空、变温和电路连接的测试环境，其具体的结构包括：真空腔体、真空密封电连接件、150K~750K样品控温装置、样品台，150K~750K样品控温装置位于真空腔体内的上部，150K~750K样品控温装置的顶部露在外面，150K~750K样品控温装置设有加热台和液氮管路，真空腔体内，待测样品放置在样品台的测试芯片上，样品台放置在150K~750K样品控温装置的加热台上，两个真空密封电连接件设置于真空腔体的侧壁上，真空腔体内加热台的引线、150K~750K样品控温装置上的热电偶引线分别经过一个真空密封电连接件引出，加热台的引线连接测试温度环境获得系统的温控仪，150K~750K样品控温装置上的热电偶引线连接信号接收与控制系统；

测试温度环境获得系统包括温控仪和液氮冷肼，温控仪的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，温控仪的输出端通过线路经真空密封电连接件与150K~750K样品控温装置的加热台连接；液氮冷肼的输入端通过线路与信号接收与控制系统连接，液氮冷肼的输出端通过液氮管路伸至真空腔体内。

2.按照权利要求1所述的材料导热性能测试系统，其特征在于，温控仪采用PID或位式的温控仪，温控仪的输出端通过RS232通讯模块与数据可视化系统连接。

3.按照权利要求1所述的材料导热性能测试系统，其特征在于，真空获得系统与真空腔体通过波纹管连接。

4.按照权利要求1所述的材料导热性能测试系统，其特征在于，信号接收与控制系统包括直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器和测试电路板，其中：直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器均通过屏蔽线与测试电路板连接，直流稳压电源、微欧表、恒压电源、数字信号发生器、两相锁相放大器的输出端均通过集线器与数据可视化系统连接，测试电路板通过真空密封电连接件与样品台上的测试芯片连接。

5.按照权利要求4所述的材料导热性能测试系统，其特征在于，直流稳压电源通过导线接入到测试电路板的直流输入端，数字信号发生器通过导线与测试电路板的交流输入端连接。

6.按照权利要求4所述的材料导热性能测试系统，其特征在于，微欧表与测试电路板的输出端连接。

7.按照权利要求4所述的材料导热性能测试系统，其特征在于，两相锁相放大器与测试电路板输出端连接。