DE112007002614T5

DE112007002614T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen eines Artikels

Info

Publication number: DE112007002614T5
Application number: DE112007002614T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Tsukuba-shi Watanabe
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-09-03
Also published as: JP2008116285A; WO2008053735A1; JP4953061B2

Abstract

Erwärmungsverfahren, das umfasst:
schnelles Erhöhen der Temperatur eines elektrisch leitenden Materials auf eine vorgegebene Temperatur durch Steuern der Gate-Spannung eines Transistors, der zum Steuern des Stroms verwendet wird, der durch das Material fließt;
Starten der Regelung der Gate-Spannung, um die Temperatur des Materials auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, nachdem die Temperatur des Materials die vorgegebene Temperatur erreicht hat;
Fortsetzen der Regelung, bis die Temperatur des Materials in einem Temperaturamplitudenbereich stabil wird, in dem es möglich ist, die Temperatur als im Wesentlichen auf der vorgegebenen Temperatur konstant gehalten zu betrachten;
Anhalten der Regelung zu dem Zeitpunkt, wenn die Temperatur konstant auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird;
nach dem Anhalten der Regelung, Konstanthalten der Gate-Spannung auf einem Durchschnittswert von Gate-Spannungs-Werten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, um die Temperatur des Materials konstant auf der vorgegebenen Temperatur zu halten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die jeweils ein Muster mit guter Wiederholbarkeit und hoher Effizienz auf einer vorgegebenen konstanten Temperatur halten können, nachdem das Muster schnell auf die vorgegebene Temperatur erwärmt worden ist, und sie bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die das vorgenannte Verfahren bzw. die vorgenannte Vorrichtung verwenden.
Technischer Hintergrund
Zum Analysieren der Wärmeübertragung in einer Vorrichtung, die Wärme erzeugt, oder einer Vorrichtung, die bei hohen Temperaturen verwendet wird, sind Werte thermophysikalischer Eigenschaften (spezifische Wärmekapazität, hemisphärische Gesamtemissivität, Wärmeleitfähigkeit und thermisches Diffusionsvermögen) hinsichtlich der Wärmeübertragung und der Wärmeansammlung von Materialien, die bei der Vorrichtung verwendet werden, erforderlich. Um eine derartige Vorrichtung mit einem neu entwickelten Material oder einem Material, für das eine Sammlung verlässlicher Literaturwerte noch nicht verfügbar ist, zu bauen, ist es erforderlich, die Werte thermophysikalischer Eigenschaften durch Experimente zu erhalten. Im Allgemeinen werden die vier thermophysikalischen Eigenschaften jeweils durch verschiedene Vorrichtungen gemessen. Daher besteht das Problem, dass die Kosten zum Messen all der Werte ziemlich hoch sind und das Messen zeitaufwendig ist, weil jede Analyse mit den verschiedenen Vorrichtungen unabhängig voneinander Kosten verursacht und Zeit beansprucht. Des Weiteren kann in Fällen, in denen Werte thermophysikalischer Eigenschaften bei hohen Temperaturen über 1000°C gemessen werden, ein Muster qualitativ verändert werden oder eine Vorrichtung aufgrund der Bedingungen hoher Temperatur, der das Muster bei jeder Messung der thermophysikalischen Eigenschaften ausgesetzt ist, zu Schaden kommen.
In den 1970-er Jahren entwickelten Cezairliyan et al. ein Verfahren, bei dem die spezifische Wärmekapazität und die hemisphärische Gesamtemissivität eines elektrisch leitenden Materials bei einer Temperatur über 1000°C mittels einer einzigen Vorrichtung schnell gemessen wurden. Das Merkmal dieses Verfahrens ist die Art und Weise, in der ein Muster erwärmt wird. Gemäß diesem Verfahren werden elektrische Ladungen, die in einer Batterie oder in einem Kondensator mit großer Kapazität gespeichert sind, an ein elektrisch leitendes Muster angelegt, wodurch die Temperatur des Musters innerhalb von 0,2 Sekunden mittels Joulescher Wärme, die von einem gepulsten hohen Strom, der durch das Muster fließt, erzeugt wird, auf 3000°C oder mehr erhöht werden kann.
Bei diesem Verfahren werden die Temperatur des Musters und der elektrische Widerstand in dem Muster während der schnellen resistiven Selbsterwärmung und während des nachfolgenden Abkühlens des Musters gemessen. Dann werden die spezifische Wärmekapazität und die hemisphärische Gesamtemissivität mittels eines Wärmebilanzverhältnisses zwischen der Jouleschen Wärme, der Wärmekapazität und der von dem Muster abgestrahlten Wärme berechnet. Dieses Verfahren wird nur für elektrisch leitende Materialien verwendet. Trotzdem war dies ein bemerkenswertes Verfahren, das verwendet werden kann, um thermophysikalische Eigenschaften bei Temperaturen über 2000°C schnell zu messen, die vorher sehr schwierig zu messen gewesen waren, und mit dem Messfehler aufgrund der Qualitätsveränderung eines Musters und der Verschlechterung der Vorrichtung minimiert und die Messkosten beträchtlich reduziert werden können.
Dieses Verfahren kann jedoch nicht die Wärmeleitfähigkeit und das thermische Diffusionsvermögen messen, die bei der Analyse von Wärmeübertragung erforderlich sind. Somit sollten diese thermophysikalischen Eigenschaften zusätzlich mit anderen Verfahren gemessen werden. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Righini et al. aus Italien ein Verfahren, bei dem die zeitliche Veränderung der Temperaturverteilung eines Musters während der schnellen resistiven Selbsterwärmung des Musters gemessen wird, um gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit zu messen. Da jedoch die Wärmeleitfähigkeit basierend auf einer Annahme berechnet wird, die nicht immer offensichtlich ist, wurde dieses Verfahren nicht allgemein verwendet.
Grundsätzlich wird die Wärmeleitfähigkeit als Produkt der spezifischen Wärmekapazität, der Dichte und des thermischen Diffusionsvermögens definiert. In den meisten Fällen wird, da die Temperaturabhängigkeit der Dichte eines Festkörpers im Vergleich zu der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit oder der spezifischen Wärmekapazität sehr gering ist, die Wärmeleitfähigkeit bei hoher Temperatur im Allgemeinen auf der Grundlage der Dichte bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur gemessenem thermischem Diffusionsvermögen und spezifischer Wärmekapazität berechnet. Zur Zeit wird das thermische Diffusionsvermögen eines Festkörpers im Allgemeinen mittels eines Flash-Verfahrens gemessen.
Die obere Grenztemperatur, bei der das Flash-Verfahren anwendbar ist, liegt jedoch bei ca. 2700°C, weil die Temperatur des Musters im Allgemeinen mittels eines Widerstandsofens gesteuert wird. Des Weiteren haben die Qualitätsveränderung eines Musters oder die Verschlechterung einer Messvorrichtung, wie oben beschrieben, einen negativen Einfluss auf die Messung.
Die folgende Patentliteratur 1 offenbart (i) ein Messverfahren für mehrere thermophysikalische Eigenschaften und (ii) eine Vorrichtung, die das Verfahren durchführen kann, wobei beide die vorgenannten Probleme lösen und gleichzeitig die spezifische Wärmekapazität, die hemisphärische Gesamtemissivität, die Wärmeleitfähigkeit und das thermische Diffusionsvermögen eines Musters bei hohen Temperaturen, bei denen herkömmliche Messverfahren nicht durchgeführt werden können, messen können.
5 zeigt eine Vorrichtung, die das Messverfahren für mehrere thermophysikalische Eigenschaften durchführen kann. Ein Kondensator 32 gemäß 5 ist ein Element zum Speichern einer elektrischen Ladung, die zur Erwärmung eines Musters verwendet wird. Wenn ein Stromschalter 33, der ein Feldeffekttransistor ist, von einem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 42, der als Controller dient, eingeschaltet wird, liefert der Kondensator 32 einen Heizstrom an ein Muster 35, das elektrisch leitend ist und die Form einer flachen Platte von einer Stärke von 1 mm oder weniger aufweist, um Joulesche Erwärmung anzuwenden, damit die Selbsterwärmung des Musters 35 eingeleitet wird.
Ein durch die Verstärkung einer Potentialdifferenz über einen Standardwiderstand 34 durch einen Signalanpassungsverstärker 40 erhaltenes Spannungssignal wird in dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 42 aufgezeichnet, so dass der durch das Muster 35 fließende Heizstrom gemessen wird. Des Weiteren wird ein Spannungssignal, das einer Potentialdifferenz über dem Muster 35 entspricht, das mit Hilfe eines Signalanpassungsverstärkers 41 verstärkt wurde, von dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 42 aufgezeichnet. Aus dem Produkt des Stroms und der Spannung wird die bei der Erwärmung des Musters 35 erforderliche elektrische Energie berechnet, und die in dem Muster pro Zeiteinheit auftretende Joulesche Wärme wird kontinuierlich gemessen.
Die Temperatur des auf die vorstehende Art und Weise erwärmten Musters 35 wird durch ein Strahlungsthermometer 37 gemessen, das eine Silizium-Photodiode mit einer Zeitauflösung von ca. zehn Mikrosekunden als Detektor verwendet, und ein Signal aus dem Strahlungsthermometer 37 wird in dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 42 aufgezeichnet. Die beim Umwandeln der von dem Strahlungsthermometer 37 gemessenen Strahlungstemperatur in die entsprechende echte Temperatur erforderliche normale Spektralemissivität wird kontinuierlich mittels eines Hochgeschwindigkeits-Ellipsometers 39 gemessen, das so ausgelegt ist, dass es schnell Stokes Parameter bestimmt, die eine Polarisierungsbedingung des Lichts aufgrund der Abwesenheit mechanischer beweglicher Teile repräsentieren.
Der Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 42 überwacht ein Temperatursignal des Strahlungsthermometers 37 und hält die Temperatur des Musters 35 durch eine Regelung des Stroms, der durch das Muster 35 fließt, auf einer vorgegebenen Temperatur, indem die Gate-Spannung eines Feldeffekttransistors, der als Stromschalter 33 verwendet wird, angepasst wird.
Die Regelung des Mustererwärmungsstroms wird gestoppt, nachdem die Regelung für einen bestimmten Zeitraum fortgesetzt worden ist. Dann wird für kurze Zeit die Gate-Spannung auf dem am Ende des Zeitraums, in dem die Regelung durchgeführt wird, bestimmten Wert gehalten. In dem kurzen Zeitraum, in dem die Gate-Spannung auf dem schließlich bestimmten Wert gehalten wird, gibt ein YAG Laser 36 einen Laserimpuls auf die Oberfläche des Musters 35 ab, deren Temperatur von dem Strahlungsthermometer 37 gemessen wird. Das Abgeben des Laserimpulses wird im Ansprechen auf ein Triggersignal durchgeführt, das von dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 42 gesendet wird. Die Temperaturveränderung der Oberfläche des Musters 35, die von dem Strahlungsthermometer 37 nach der Abgabe des Laserimpulses gemessen wird, wird in ein eindimensionales Wärmediffusionsmodell eingefügt, um das thermische Diffusionsver mögen zu berechnen. In dieser Vorrichtung wird die Strahlungstemperatur des Musters mit einem Abtastintervall von zehn Mikrosekunden gemessen. Daher ist das Strahlungsthermometer mit der Silizium-Photodiode als Lichtintensitäts-Detektionselement ausgestattet, weil die Silizium-Photodiode schnell ansprechen kann. Des Weiteren wird, um den durch den Wärmeaustausch zwischen dem Muster und Gas verursachten Wärmeverlust zu reduzieren, das Muster unter Vakuum von 1 mPa oder weniger gemessen.
Bei einer anderen Technik wird Licht von einer Lichtquelle 38 des Hochgeschwindigkeits-Ellipsometers auf die Oberfläche des Musters 35 projiziert, und reflektiertes Licht wird von einem Detektor 39 des Hochgeschwindigkeits-Ellipsometers detektiert, und ein Signal des detektierten reflektierten Lichts wird in dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 42 aufgezeichnet, wodurch die Spektralemissivität der Oberfläche des Musters gemessen wird.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur 1
Veröffentlichung der Japanischen Patentanmeldung, Tokukai, Nr. 2005-249427 A
Nicht-Patentliteratur 1
A. Cezairliyan, J. McClure, C. W. Beckett: J. Res. National Bureau of Standards, Band 75C-1 (1971), S. 7–18
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei der von den vorliegenden Erfindern früher vorgeschlagenen Messtechnik von thermophysikalischen Eigenschaften wird die Temperaturveränderung des Musters, die durch Laserimpulsstrahlung verursacht wird, wie beispielsweise in 6 gezeigt ist, gemessen. 6 zeigt Folgendes: In einem Schritt 1 (0 < t < 480 ms) wird Strom bei Zimmertemperatur durch das Muster geschickt, so dass die Temperatur des Musters bis zu einer vorgegebenen Temperatur erhöht und dann durch die Regelung der Gate-Spannung des Feldeffekttransistors auf der vorgegebenen Tem peratur gehalten wird. In Schritt 2 (t = 480 ms) wird die in Schritt 1 durchgeführte Regelung angehalten. In Schritt 3 (480 < t < 800 ms) wird die Gate-Spannung auf dem zuletzt während der Regelung bestimmten Wert gehalten. In Schritt 4 (t = 480,55 ms) wird ein Laserimpuls auf das Muster abgestrahlt, und die Veränderung der Temperatur des Musters, die durch die Strahlung des Laserimpulses verursacht wird, wird gemessen. Schließlich wird in Schritt 5 (t > 800 ms) die Gate-Spannung auf Null reduziert, und die Temperatur des Musters wird schnell wieder auf Zimmertemperatur reduziert.
Erfahrungsgemäß hat sich herausgestellt, dass das in 6 gezeigte erwünschte Temperaturprofil zur genauen Analyse durch die herkömmliche Technik realisiert werden kann oder nicht, so dass eine gute Wiederholbarkeit der konstanten Mustertemperatur nicht gewährleistet werden kann. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem das Erwärmen des Musters auf der Grundlage der herkömmlichen Technik misslungen ist. Die 7(a) und 7(b) zeigen zwei fehlgeschlagene Beispiele von Erwärmungsexperimenten, die nacheinander für dasselbe Tantal-Muster unter denselben Erwärmungsbedingungen durchgeführt wurden. Bei beiden Experimenten war die vorgegebene Temperatur 2.100 K, und die Dauer, während der die Regelung der Gate-Spannung fortgesetzt wurde, wurde auf 300 ms eingestellt. 7(a) zeigt, dass die Temperatur des Musters nicht konstant auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wurde, sondern nach Halten der Gate-Spannung auf dem schließlich von der Regelung in Schritt 3 abgeleiteten Wert anstieg. Andererseits zeigt 7(b), dass die Temperatur des Musters nicht konstant auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wurde, sondern nach Halten der Gate-Spannung auf dem schließlich von der Regelung in Schritt 3 abgeleiteten Wert allmählich abfiel.
Es wurde durch verschiedene Experimente festgestellt, dass das vorstehend genannte Misslingen bei der Erwärmung des Musters hauptsächlich durch eine ziemlich große Veränderung der Gate-Spannung des Feldeffekttransistors während der Durchführung der Regelung der Gate-Spannung in Schritt 1 zum Halten der Temperatur des Musters auf der vorgegebenen Temperatur bei der resistiven Selbsterwärmung verursacht wird. 8(b) zeigt eine Veränderung der Gate-Spannung des Feldeffekttransistors im Zeitablauf während des in 8(a), die (b) von 7 entspricht, gezeigten Erwärmungsexperiments. 8(b) zeigt, dass eine große Differenz zwischen den Gate-Spannungs-Werten in dem Zeitraum, in dem das Muster schnell erwärmt wird (t < ca. 100 ms; t = 0 ist der Beginn des Erwärmens des Musters) und in dem Zeitraum, in dem die Mustertemperatur durch die Regelung in die vorgegebene Temperatur konvergiert (t > ca. 100 ms), besteht.
8(b) zeigt, dass, nachdem das Muster nach dem schnellen Erwärmen die vorgegebene Temperatur erreicht hat, die auf einem konstanten Pegel zu halten ist, die Gate-Spannung Vg drastisch von 6 V, was ein gesättigter Drain-Spannungs-Wert der Gate-Spannung des bei der Messung verwendeten Feldeffekttransistors ist, auf ca. 2,7 V abgefallen ist. Dies zeigt auch, dass in dem Zeitraum, in dem die Mustertemperatur in die vorgegebene Temperatur konvergiert, nachdem die Temperatur die vorgegebene Temperatur erreicht hat, es erforderlich ist, den Wert von Vg in einem dynamischen Bereich zu halten, der viel geringer ist, als der gesättigte Spannungswert. Nach der herkömmlichen Technik wird jedoch die Regelung von Vg bereits während des schnellen Erwärmen des Musters durchgeführt, so dass der vorgegebene dynamische Bereich von Vg für die Regelung den gesättigten Drain-Spannungs-Wert von Vg umfassen muss, der zu groß ist, damit die Mustertemperatur auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird, nachdem die Temperatur die vorgegebene Temperatur erreicht hat. Des Weiteren muss, um die schnelle Erwärmung durchzuführen, die proportionale Konstante P des PID-Steuerungsalgorithmus, der als Regelung von Vg angenommen wird, ausreichend groß sein. Durch den großen Schwankungsbereich von Vg und das große P schwankt der Wert von Vg entsprechend der pro Zeiteinheit auftretenden Jouleschen Wärme bei der auf der herkömmlichen Technik basierenden Messung stark. Die herkömmliche Technik macht von der Tatsache Gebrauch, dass die in dem Muster auftretende Joulesche Wärme aufgrund des schließlich abgeleiteten Werts, auf dem Vg nach dem Anhalten der Regelung gehalten wird, den durch Strahlung oder Wärmeübertragung von dem Muster bei vorgegebener Temperatur verursachten Wärmeverlust aufhebt, wodurch die Temperatur des Musters für einen kurzen Zeitraum auf der konstanten Temperatur gehalten wird, auch während der Wert von Vg nach Anhalten der Regelung von Vg auf dem schließlich abgeleiteten Wert gehalten wird. Falls jedoch Vg während des Zeitraums der Regelung stark schwankt, entspricht der schließlich abgeleitete Wert von Vg häufig nicht der vorgegebenen Temperatur des Musters. Wenn eine solch ungeeignete Erwärmung des Musters durchgeführt wird, kann die Analyse der thermophysikalischen Eigenschaften, die erfordert, dass das Muster zu Beginn der Messung sich in einem stabilen Zustand befindet, nicht genau durchgeführt werden.
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Erwärmungsverfahren und eine Erwärmungsvorrichtung bereitzustellen, die jeweils elektrische Erwärmung für ein Material (d. h. ein Muster oder ähnliches, das zu erwärmen ist) bereitstellen, während Regelung einer Gate-Spannung eines Transistors, beispielsweise eines Feldeffekttransistors oder ähnlichem, durchgeführt wird, so dass die Temperatur des Materials eine vorgegebene Temperatur erreicht, und die Regelung anhalten, nachdem die Temperatur des Materials ausreichend auf der vorgegebenen Temperatur gehalten worden ist, und die Temperatur des Materials nur durch anschließendes Halten der Gate-Spannung auf der vorgegebenen Temperatur halten. Das Erwärmungsverfahren und die Erwärmungsvorrichtung sind so verbessert, dass das Material mit guter Wiederholbarkeit auf der vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann, indem die Gate-Spannung nach dem Anhalten der Regelung gehalten wird.
Lösung für das Problem
Um das vorgenannte Problem zu lösen, umfasst ein erfindungsgemäßes Erwärmungsverfahren: schnelles Erhöhen der Temperatur eines elektrisch leitenden Materials auf eine vorgegebene Temperatur durch Steuern der Gate-Spannung eines Transistors, der zum Steuern des Stroms verwendet wird, der durch das Material fließt; Starten der Regelung der Gate-Spannung, um die Temperatur des Materials auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, nachdem die Temperatur des Materials die vorgegebene Temperatur erreicht hat; Fortsetzen der Regelung, bis die Temperatur des Materials in einem Temperaturamplitudenbereich stabil wird, in dem es möglich ist, die Temperatur als im Wesentlichen auf der vorgegebenen Temperatur gehalten zu betrachten; Anhalten der Regelung, zu dem Zeitpunkt, wenn die Temperatur auf der vorgegebenen Temperatur konstant gehalten wird; nach dem Anhalten der Regelung Konstanthalten der Gate-Spannung auf einem Durchschnittswert von Gate-Spannungs-Werten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, um die Temperatur des Materials konstant auf der vorgegebenen Temperatur zu halten.
Das Merkmal eines weiteren erfindungsgemäßen Erwärmungsverfahrens ist, dass die Gate-Spannung in einem vorgegebenen Bereich begrenzt ist, während die Regelung der Gate-Spannung durchgeführt wird.
Das Merkmal eines weiteren erfindungsgemäßen Erwärmungsverfahrens ist, dass das Muster ein zu erwärmendes elektrisch leitendes Material ist, dessen thermophysikalische Eigenschaften gemessen werden sollen; dass das Muster mit Licht erwärmt wird, unmittelbar nachdem die Gate-Spannung auf dem Durchschnittswert gehalten wird; und dass eine resultierende Temperaturveränderung des Musters gemessen wird, um die thermophysikalischen Eigenschaften zu bestimmen.
Eine erfindungsgemäße Erwärmungsvorrichtung weist auf: eine elektrische Erwärmungsvorrichtung zum Erwärmen eines elektrisch leitenden Materials durch Leiten von Strom durch dieses Material; einen Transistor, der in einem Kreislauf vorgesehen ist, um den Strom an das Material zu liefern; eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Materials; und eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur zum Empfangen eines Signals, das die von der Temperaturmesseinrichtung gemessene Temperatur angibt, und zum Steuern der Gate-Spannung des Transistors, so dass die Temperatur des Materials auf die vorgegebene Temperatur erhöht wird, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur zunächst die Gate-Spannung steuert, um das Material schnell zu erwärmen, und nachdem das Muster die vorgegebene Temperatur erreicht hat, die Regelung der Gate-Spannung durchführt, so dass die Temperatur des Materials auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird, und die Regelung anhält, wenn die Temperatur auf der vorgegebenen Temperatur konstant wird, und dann die Gate-Spannung auf einem Durchschnittswert von Gate-Spannungs-Werten hält, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, um die Temperatur des Materials auch nach dem Anhalten der Regelung konstant auf der vorgegebenen Temperatur zu halten.
Das Merkmal einer weiteren erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung ist, dass die Gate-Spannung in einem vorgegebenen Bereich begrenzt ist, während die Regelung der Gate-Spannung durchgeführt wird.
Das Merkmal einer weiteren erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung ist, dass das Muster das zu erwärmende elektrisch leitende Material ist, dessen thermophysikalische Eigenschaften gemessen werden sollen; und dass das Muster mit Licht unmittelbar nach dem Konstanthalten der Gate-Spannung auf dem Durchschnittswert erwärmt wird, und dass die resultierende Veränderung der Temperatur des Musters gemessen wird, um die thermophysikalischen Eigenschaften zu bestimmen.
Eine weitere erfindungsgemäße Erwärmungsvorrichtung wird als Erwärmungselement zum präzisen und schnellen Erwärmen der Temperatur verschiedener Arten von Materialien verwendet.
Eine weitere erfindungsgemäße Erwärmungsvorrichtung wird als Erwärmungsvorrichtung zum Wärmebehandeln eines Metalls oder einer Legierung verwendet, indem Strom direkt durch das Metall oder die Legierung geleitet wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Da die vorliegende Erfindung in der vorstehenden Art und Weise ausgelegt ist, kann die vorliegende Erfindung den stabilen Zustand eines elektrisch leitenden Materials bei einer vorgegebenen Temperatur mit guter Wiederholbarkeit herstellen, einfach indem das Material über resistive Selbsterwärmung auf die vorgegebene Temperatur erwärmt wird, die Regelung der Gate-Spannung eines Transistors, beispielsweise eines Feldeffekttransistors, durchgeführt wird, nachdem die Temperatur die vorgegebene Temperatur erreicht hat, und dann die Gate-Spannung nach Anhalten der Regelung der Gate-Spannung konstant gehalten wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1
1 zeigt Experiment-Daten, die zeigen, wie sich die Strahlungstemperatur eines Musters im Zeitverlauf ändert, während es mit einer Erwärmungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung erwärmt wird.
2
2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines elektrischen optischen Hybrid-Impuls-Erwärmungssystems zeigt, das die Erwärmungstechnik der vorliegenden Erfindung verwendet.
3
3 zeigt Experiment-Daten, die zeigen, wie sich die Gate-Spannung im Zeitverlauf ändert, insbesondere während der Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung und einer herkömmlichen Technik.
4
4 zeigt Experiment-Daten, die zeigen, wie sich die Strahlungstemperatur eines Musters im Zeitverlauf ändert, während es mit einer herkömmlichen Erwärmungstechnik oder einer Erwärmungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung erwärmt wird.
5
5 ist ein Diagramm, das eine herkömmliche Vorrichtung zum Messen der thermophysikalischen Eigenschaften zeigt, die früher von den vorliegenden Erfindern vorgeschlagen wurde.
6
6 zeigt Experiment-Daten, die zeigen, wie sich die Strahlungstemperatur eines Musters im Zeitverlauf ändert, während es mit der herkömmlichen Vorrichtung erwärmt wird.
7
7 zeigt Experiment-Daten, die fehlgeschlagene Beispiele zeigen, bei denen ein Muster mit der herkömmlichen Vorrichtung erwärmt wurde.
8
8 zeigt Experiment-Daten zum Erläutern des Fehlerfaktors beim Erwärmen des Musters mittels der herkömmlichen Technik.
Beschreibung von Ausführungsformen
Um die vorgenannten Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Erwärmungsverfahren bereit, das umfasst: schnelles Erhöhen der Temperatur eines elektrisch leitenden Materials auf eine vorgegebene Temperatur durch Steuern der Gate-Spannung eines Transistors, der zum Steuern des Stroms verwendet wird, der durch das Material fließt; Starten der Regelung der Gate-Spannung, um die Temperatur des Materials auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, nachdem die Temperatur des Materials die vorgegebene Temperatur erreicht hat; Fortsetzen der Regelung, bis die Temperatur des Materials in einem Temperaturamplitudenbereich stabil wird, in dem es möglich ist, die Temperatur als im Wesentlichen auf der vorgegebenen Temperatur gehalten zu betrachten; Anhalten der Regelung zu dem Zeitpunkt, wenn die Temperatur auf der vorgegebenen Temperatur konstant gehalten wird; nach dem Anhalten der Regelung, Konstanthalten der Gate-Spannung auf einem Durchschnittswert von Gate-Spannungs-Werten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, um die Temperatur des Materials konstant auf der vorgegebenen Temperatur zu halten.
Beispiel 1
Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt, wie sich die Temperatur eines Musters im Zeitverlauf verändert, wenn die Erwärmung gemäß einer Erwärmungstechnik der vorliegenden Erfindung gesteuert wird. Diese Figur entspricht 6, die zeigt, wie sich die Temperatur eines Musters durch die herkömmliche Erwärmungstechnik verändert. Ein Erwärmungssystem, das die vorliegende Erfindung ausführt, ist ähnlich dem in 5 gezeigten Erwärmungssystem, das in einer Anmeldung beschrieben wird, die früher von den vorliegenden Erfindern eingereicht worden ist. Als System wird ein elektrisches optisches Hybrid-Impuls-Erwärmungssystem 1, das in 2 gezeigt ist, verwendet.
Ein in 2 gezeigter Kondensator 2 speichert elektrische Ladung zum Erwärmen des Musters. Ein Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12, der ein Computer ist, der als Steuerungsvorrichtung dient, liefert ein Steuerungsspannungssignal an eine Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors 3, um einem Muster 5, das eine flache Form hat, einen Heizstrom zuzuführen, so dass das Muster 5 mit einer darin erzeugten Jouleschen Wärme durch Hindurchleiten des Stroms selbsterwärmt wird.
Ein Spannungssignal, das der Potentialdifferenz über einem Standard-Widerstand 4 entspricht, wird dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 zugeführt, mit den durch das Muster 5 fließenden Heizstrom mittels des Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computers 12 zu bestimmen. Des Weiteren wird ein Spannungssignal, das der Potentialdifferenz über dem Muster 5 entspricht, dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 zugeführt, um die Spannung, die an dem Muster 5 anliegt, mittels des Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computers 12 zu messen. Der so ermittelte Heizstrom und die so ermittelte Spannung werden multipliziert, um die beim Erwärmen des Musters 5 benötigte elektrische Energie zu ermitteln, wodurch Joulesche Wärme, die pro Zeiteinheit in dem Muster auftritt, kontinuierlich gemessen wird.
Die Temperatur des Musters 5, das auf die vorgenannte Weise erwärmt wird, wird von einem Strahlungsthermometer 7 gemessen, dessen Detektionselement eine Silizium-Photodiode mit einer Zeitauflösung von ca. zehn Mikrosekunden ist, und ein Signal von dem Strahlungsthermometer 7 wird dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 zugeführt. Die normale Spektralemissivität, die zum Umwandeln der von dem Strahlungsthermometer 7 gemessenen Strahlungstemperatur in die echte Temperatur benötigt wird, wird kontinuierlich gemessen, indem ein monochromatisches Ellipsometer vom DOAP-Typ verwendet wird, das keinen mechanischen Antriebsabschnitt aufweist und schnell einen Stokes-Parameter bestimmen kann, der die Polarisierungsbedingung von Licht wegen der Abwesenheit mechanischer beweglicher Teile angibt.
Der Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 überwacht ein Temperatursignal des Strahlungsthermometers 7 und stellt die Gate-Spannung ein, die an den Feldeffekttransistor 3 zu liefern ist, wodurch die Temperatur des Musters die vorgegebene Temperatur erreicht, und es wird dann auf der vorgegebenen Temperatur gehalten. Nachdem die Regelung der Gate-Spannung die Temperatur des Musters 5 auf der vorgegebenen Temperatur ausreichend konstant gemacht hat, wird die Regelung der Gate-Spannung gestoppt, und dann wird die Gate-Spannung auf dem Durchschnittswert aus den mehreren Gate-Spannungs-Werten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, gehalten.
Während die Gate-Spannung auf dem Durchschnittswert konstant gehalten wird, wird die Temperatur des Musters 5 für eine Weile auf der vorgegebenen Temperatur gehalten. Während dieses Zeitraums gibt ein Impulslaser 6 einen optischen Impuls auf die hintere Oberfläche des Musters 5, deren Temperatur von dem Strahlungsthermometer 7 gemessen wird, gemäß einem Auslösesignal aus dem Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 ab. Gleichzeitig wird die Dauer, während der der Laserimpuls abgegeben wird, mittels eines Photodetektors 13 ermittelt, der einen Teil des von einem Strahlteiler 10 reflektierten Laserstrahls detektiert, und mittels des Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computers 12, der die Dauer aus einem Signal von dem Photodetektor 13 bestimmt.
Das Strahlungsthermometer 7 überwacht die Veränderung der Oberflächentemperatur des Musters 5 im Zeitverlauf nach der Bestrahlung mit dem optischen Impuls, der Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 bestimmt das thermische Diffusionsvermögen des Musters 5, indem er die Veränderung der Oberflächentemperatur im Zeitverlauf nach der Bestrahlung mit dem optischen Impuls in ein eindimensionales Wärmediffusionsmodell einfügt. In dieser Vorrichtung wird die Strahlungstemperatur des Musters 5 mit einem Intervall von zehn Mikrosekunden mittels einer schnell ansprechenden Silizium-Photodiode als Lichtintensitäts-Detektionselement des Strahlungsthermometers gemessen. Des Weiteren wird, um den durch den Wärmeaustausch zwischen dem Muster und Gas verursachten Wärmeverlust zu reduzieren, die Messung unter Vakuum von 1 mPa oder geringer durchgeführt.
Laser von einem Halbleiter-Laser 8, der die Lichtquelle des Hochgeschwindigkeits-Ellipsometers 9 ist, wird auf die Oberfläche des Musters 5 gestrahlt und davon reflektiert, und wird dann auf das Hochgeschwindigkeits-Ellipsometer 9 fokussiert, das ein Signal des reflektierten Lichts an den Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 liefert. Der Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 ermittelt dann die Spektralemissivität der Oberfläche des Musters aus dem Signal. Es wird angemerkt, dass die nachfolgende Messung der thermophysikalischen Eigenschaften in der früher eingereichten Anmeldung detailliert erörtert ist und mit der vorliegenden Anmeldung weniger direkt assoziiert ist, so dass deren Beschreibung hier weggelassen wurde.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die vorstehende Vorrichtung verwendet, um ein Muster wie in 1 gezeigt zu erwärmen. In Schritt 1 wird, um ein in 1 gezeigtes Erwärmungsexperiment zu starten, ein Muster schnell erwärmt. Schritt 1 entspricht dem Zeitbereich, bis die Temperatur des Musters auf eine vorgegebene Temperatur von 2.100 K erwärmt worden ist. Dann startet die Regelung der Gate-Spannung unmittelbar nachdem die Temperatur des Musters die vorgegebene Temperatur erreicht hat. Die Regelung hält die Temperatur des. Musters auf der vorgegebenen Temperatur. Diese Regelungs-Periode entspricht dem Zeitbereich von Schritt 2 in 1. Anders als bei der herkömmlichen Technik reicht die Temperatur des Musters nahe an die vorgegebene Temperatur heran, bevor die Regelung startet. Dies bedeutet, dass der dynamische Bereich der von der Regelung abgeleiteten Gate-Spannung nicht einen so großen Wert beinhalten muss, wie er für die schnelle Erwärmung benötigt wird. Daher kann der dynamische Bereich der von der Regelung abgeleiteten Gate-Spannung so passend vorgegeben werden, dass die Temperatur schnell auf der vorgegebenen Temperatur konstant werden kann. Bei dem hier beschriebenen Experiment wurde die Gate-Spannung für die Dauer der Regelung auf einen Bereich von 2,8 V bis 2,9 V begrenzt, so dass sowohl die Schwankungen der Mustertemperatur als auch die Gate-Spannung in dem Zeitbereich von Schritt 2 reduziert wurden.
Nach dem folgenden Schritt 3 wird die Regelung der Gate-Spannung angehalten. Der Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 berechnet den Durchschnittswert von 20 Gate-Spannungs-Werten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, und hält die Gate-Spannung konstant auf dem Durchschnittswert in dem Zeitbereich zwischen dem Beginn von Schritt 4 nach dem Anhalten der Regelung der Gate-Spannung und dem Ende von Schritt 6. Bei diesem Experiment wurden 20 Gate-Spannungs-Werte, die zur Berechnung des Durchschnittswerts verwendet wurden, in Zeitintervallen von 2 ms abgeleitet, und dieser Zeitbereich entspricht Schritt 3, d. h. die letzten 2 ms unmittelbar bevor Schritt 2 endete.
Nach dem Ende der Regelung berechnet der Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer 12 den Durchschnittswert von 20 Gate-Spannungs- Werten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, und hält die Gate-Spannung konstant auf dem Durchschnittswert in einem Zeitbereich zwischen dem Beginn von Schritt 4 und dem Ende von Schritt 6. Schritt 4 entspricht dem Zeitbereich zwischen dem Beginn des Haltens der Gate-Spannung auf dem Durchschnittswert und dem Beginn (Schritt 5 in der Figur) der Bestrahlung mit dem Impuls-Laser. Die Länge des Zeitbereichs entsprechend Schritt 4 betrug bei diesem Experiment 20 ms. Bei diesem Experiment wurde jedoch der Impuls-Laser nicht abgestrahlt, um den stabilen Zustand der Mustertemperatur nach dem Anhalten der Regelung der Gate-Spannung zu untermauern. In Schritt 6, der dem Zeitraum nach der Bestrahlung mit dem Laserimpuls entspricht, wird die Veränderung der Temperatur, die durch die Bestrahlung mit dem Impuls-Laser hervorgerufen wurde, gemessen, um verschiedene physikalische Daten wie in der früher eingereichten Anmeldung beschrieben zu bestimmen. In Schritt 6 werden Daten erhalten, die zur Berechnung des thermischen Diffusionsvermögens erforderlich sind. Schließlich wird, nachdem die Messoperation programmgemäß beendet ist, die Gate-Spannung auf Null reduziert, um die Temperatur des Musters schnell wieder auf Zimmertemperatur zurück zu bringen.
Das Ergebnis der vorgenannten Steuerung ist, dass der stabile Zustand der Temperatur durch einfaches Konstanthalten der Gate-Spannung mit guter Wiederholbarkeit realisiert werden kann. Des Weiteren benötigt die Regelung der Gate-Spannung relativ wenig Zeit, um die Temperatur konstant zu halten. Außerdem sind sowohl die Temperaturschwankungen während der Durchführung der Regelung der Gate-Spannung als auch die Mustertemperaturüberschreitung am Ende des schnellen Erwärmen sehr gering. Diese Wirkungen ermöglichen effiziente und genaue Messungen von thermophysikalischen Eigenschaften.
Um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu untermauern, zeigen 3 und 4 jeweils Vergleiche von experimentellen Ergebnissen, die durch die herkömmliche und die vorliegende Technik erhalten wurden, und die nacheinander für dasselbe Tantal-Muster durchgeführt wurden. 3(a) zeigt ein Beispiel der Veränderungen der Gate-Spannung im Zeitverlauf, während das Muster mit der in 8 gezeigten herkömmlichen Erwärmungstechnik erwärmt wurde. Diese Figur zeigt, dass die Gate-Spannung in einem ziemlich großen Bereich von 2,7 bis 6 V variierte. Im Gegensatz dazu kann die von der vorliegenden Erfindung durchgeführte Gate-Spannungs-Steuerung auf einen engen Bereich von 2,8 V bis 2,9 V begrenzt werden, wie in 3(b) gezeigt ist. Dies zeigt, dass der dynamische Bereich der Gate-Spannung für die Dauer der Regelung durch Verwenden der vorliegenden Erfindung eingeengt werden kann. Durch Steuern der Gate-Spannung des Feldeffekttransistors auf diese Weise kann der stabile Zustand der Temperatur mit guter Wiederholbarkeit realisiert werden, indem einfach die Gate-Spannung konstant gehalten wird, und die Regelung der Gate-Spannung benötigt relativ wenig Zeit, um die Temperatur konstant zu halten. Dies ermöglicht es, die Messdauer zu reduzieren, was eine genaue Analyse erlaubt, und das Risiko der Verunreinigung des Musters sowie die Messkosten werden reduziert.
4 zeigt die entsprechenden Veränderungen der Strahlungstemperatur eines Musters im Zeitverlauf, während das Muster (a) durch eine herkömmliche Erwärmungstechnik und (b) eine Erwärmungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung erwärmt wird, was 3(a) und 3(b) entspricht. 4(a) zeigt an, dass sich die Mustertemperatur im Zeitverlauf in Schritt 3 nach dem Anhalten der Regelung des Feldeffekttransistors in Schritt 2 bei der Messung nach der herkömmlichen Technik veränderte. Bei der erfindungsgemäß durchgeführten Messung war, wie in 3(b) und 4(b) gezeigt ist, der dynamische Bereich der Gate-Spannung für die Dauer (Schritt 2) der Regelung so eng, dass die Mustertemperatur nach dem Anhalten der Regelung ausreichend stabil war. Der Durchschnitt von mehreren zehn Werten der Gate-Spannung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung wurde als der Wert verwendet, auf dem die Gate-Spannung nach dem Anhalten der Regelung gehalten wurde. Dies trägt auch dazu bei, die Mustertemperatur auch nach dem Anhalten der Regelung der Gate-Spannung ganz stabil auf der vorgegebenen Temperatur zu halten. Dies ermöglicht es, die Genauigkeit beim Messen des thermischen Diffusionsvermögens und der hemisphärischen Gesamtemissivität zu verbessern.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Erwärmungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft verwendet werden zum Erwärmen eines elektrisch leitenden Musters bei der Messung thermophysikalischer Eigenschaften, z. B. spezifische Wärmekapazität, hemisphärische Gesamtemissivität, Wärmeleitfähigkeit, thermisches Diffusionsvermögen bei hoher Temperatur. Bei Testvorrichtungen oder verschiedenen Arten von elektrischen Heizvorrichtungen zum Erwärmen eines elektrisch leitenden Materials kann das Erwärmungsverfahren auch verwendet werden, um eine Temperaturheizvorrichtung bereitzustellen, die einen präzisen und schnellen Erwärmungsprozess durch sofortiges Aufbringen einer vorgegebenen Heizenergie benötigt.
Des Weiteren ist die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Wärmebehandlungen von Metallen ebenso effektiv, weil die Temperatur des Gegenstands präzise und schnell auf eine vorgegebene Temperatur gebracht und dann für eine vorgegebene Dauer auf der vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Erwärmungsverfahren zum Konstanthalten der Temperatur eines elektrisch leitenden Materials auf einer vorgegebenen Temperatur mit guter Wiederholbarkeit durch einfaches Konstanthalten der Gate-Spannung eines zum Steuern der Materialtemperatur verwendeten Transistors auch nach dem Anhalten der Regelung der Gate-Spannung bereit. Die Gate-Spannung ist so eingestellt, dass sie das Material schnell auf die vorgegebene Temperatur erwärmt. Die Regelung der Gate-Spannung wird gestartet, nachdem die Temperatur die vorgegebene Temperatur erreicht hat, um die Temperatur auf der vorgegebenen Temperatur zu halten. Die Regelung wird fortgesetzt, bis angenommen werden kann, dass die Temperatur durch die Regelung auf der vorgegebenen Temperatur ausreichend stabil ist. Die Gate-Spannung wird auf dem Durchschnittswert aus mehreren Gate-Spannungs-Werten konstant gehalten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden. Wenn dieses Erwärmungsverfahren bei Messungen von thermophysikalischen Eigenschaften eines Materials angewendet wird, wird auch eine optische Erwärmung durchgeführt, während die Gate-Spannung konstant auf dem Durchschnittswert gehalten wird, um die thermophysikalischen Eigenschaften durch Messen der Temperaturveränderung und der Jouleschen Wärme zu bestimmen.

1: Elektrisches optisches Hybrid-Impuls-Erwärmungssystem
2: Kondensator
3: Feldeffekttransistor
4: Standard-Widerstand
5: Muster
6: Impuls-Laser-Einheit
7: Strahlungsthermometer
8: Halbleiter-Laser
9: Hochgeschwindigkeits-Ellipsometer
10: Strahlteiler
11: Spannungsmesssonde
12: Vorrichtungssteuerungs- und Datenaufzeichnungs-Computer
13: Photodetektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-249427 A [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- A. Cezairliyan, J. McClure, C. W. Beckett: J. Res. National Bureau of Standards, Band 75C-1 (1971), S. 7–18 [0016]

Claims

Erwärmungsverfahren, das umfasst: schnelles Erhöhen der Temperatur eines elektrisch leitenden Materials auf eine vorgegebene Temperatur durch Steuern der Gate-Spannung eines Transistors, der zum Steuern des Stroms verwendet wird, der durch das Material fließt; Starten der Regelung der Gate-Spannung, um die Temperatur des Materials auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, nachdem die Temperatur des Materials die vorgegebene Temperatur erreicht hat; Fortsetzen der Regelung, bis die Temperatur des Materials in einem Temperaturamplitudenbereich stabil wird, in dem es möglich ist, die Temperatur als im Wesentlichen auf der vorgegebenen Temperatur konstant gehalten zu betrachten; Anhalten der Regelung zu dem Zeitpunkt, wenn die Temperatur konstant auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird; nach dem Anhalten der Regelung, Konstanthalten der Gate-Spannung auf einem Durchschnittswert von Gate-Spannungs-Werten, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, um die Temperatur des Materials konstant auf der vorgegebenen Temperatur zu halten.
Erwärmungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Gate-Spannung auf einen vorgegebenen Bereich während der Durchführung der Regelung der Gate-Spannung begrenzt ist.
Verfahren zum Messen der thermophysikalischen Eigenschaften eines Musters, das mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 erwärmt wird, wobei: das Muster ein elektrisch leitendes Material ist; das Muster unmittelbar nach Halten der Gate-Spannung auf den Durchschnittswert mit Licht erwärmt wird; und die resultierende Temperaturveränderung des Musters gemessen wird, um die thermophysikalischen Eigenschaften zu bestimmen.
Erwärmungsvorrichtung, die aufweist: eine Einrichtung zum elektrischen Erwärmen zum Erwärmen eines elektrisch leitenden Materials durch Leiten von Strom durch das Material hindurch; einen Transistor, der in einem Kreislauf vorgesehen ist, um Strom an das Material zu liefern; eine Temperaturmesseinrichtung, um die Temperatur des Materials zu messen; und eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur zum Empfangen eines Signals, das die von der Temperaturmesseinrichtung gemessene Temperatur angibt, und zum Steuern der Gate-Spannung des Transistors, um die Temperatur des Materials auf die vorgegebene Temperatur zu erhöhen, wobei die Einrichtung zum Steuern der Temperatur zunächst die Gate-Spannung steuert, um das Material schnell zu erwärmen, und nachdem das Muster die vorgegebene Temperatur erreicht hat, die Regelung der Gate-Spannung durchführt, um die Temperatur des Materials auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, und die Regelung zu dem Zeitpunkt, wenn die Temperatur auf der vorgegebenen Temperatur konstant wird, anhält, und dann die Gate-Spannung auf dem Durchschnittswert von Gate-Spannungen, die von der Regelung unmittelbar vor dem Anhalten der Regelung abgeleitet wurden, hält, um die Temperatur des Materials auch nach dem Anhalten der Regelung auf der vorgegebenen Temperatur konstant zu halten.
Erwärmungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Gate-Spannung während der Durchführung der Regelung der Gate-Spannung auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt ist.
Vorrichtung zum Messen von thermophysikalischen Eigenschaften eines Musters, das mittels einer Erwärmungsvorrichtung nach Anspruch 4 erwärmt wird, wobei: das Muster das elektrisch leitende Material ist; und das Muster unmittelbar nach Konstanthalten der Gate-Spannung auf dem Durchschnittswert mit Licht erwärmt wird, und die resultierende Temperaturveränderung des Musters gemessen wird, um die thermophysikalischen Eigenschaften zu bestimmen.
Erwärmungsvorrichtung nach Anspruch 4, die als Heizelement zum präzisen und schnellen Erwärmen der Temperatur verschiedener Arten von Materialien verwendet wird.
Erwärmungsvorrichtung nach Anspruch 4, die als Erwärmungsvorrichtung zum Wärmebehandeln eines Metalls oder einer Legierung verwendet wird durch direktes Leiten von Strom durch das Metall oder die Legierung.