[发明专利]具有独立探头的谐波法固体材料热物性测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明是关于一种利用交流加热和谐波法测量固体材料热物性参数(导热系数和热扩散率等)的方法及装置，特别是应用于金属、陶瓷等导电和非导电固体以及薄膜热物性参数无损测试的方法及装置。

背景技术

近二十年来，基于谐波探测的3ω测量技术一直被认为是测量固体及薄膜热物性参数的一种有效手段。其实现的方法大致是在待测材料表面制备具有一定尺寸和形状的微型金属带，把该微型金属带同时作为加热器和温度传感器，然后根据热波频率与温度变化的关系求得待测材料的热物性参数。目前该方法主要被用于测试非导电固体及薄膜的热物性参数。对于导电固体及薄膜，则需要首先在其表面覆盖一薄层绝缘膜，再在绝缘膜上制备微型金属带。分析该测试方法特点发现，该方法不能实现待测样品的无损检测，并且需要重复对单个样品进行绝缘膜(导电固体和薄膜测量时)及微型金属带的制备，因此实施工艺复杂，成本代价也较高。另外，利用百纳米级厚的绝缘膜来实现导电样品与微型金属带间绝缘的方法不能保证测试结构的成功率。利用上层为柔性覆盖膜的基于柔性衬底的独立探头可以解决上述问题。柔性衬底及柔性覆盖膜本身就是绝缘膜，能实现导电样品热物性参数的测量，也省略了事先在导电样品上制备绝缘层的工序。另外，柔性衬底和柔性覆盖膜对微型金属带有保护作用，构成的独立探头具有一定的机械强度，可以重复使用，这就省略了再在待测样品上制备微型金属带的工序。

发明内容

本发明目的是解决现有基于谐波探测的3ω测量技术在测试时需要重复制备微型金属带以及绝缘困难等的技术缺陷，为此，本发明提供一种独立探头能重复使用、保证金属带与待测样品绝缘，可用于金属、陶瓷等导电和非导电固体以及薄膜的导热系数和热扩散率等多个热物性参数同时测试、具有独立探头的谐波法固体材料热物性测试方法及装置。

为达成所述目的，本发明的第一方面，提供一种具有独立探头的谐波法固体材料热物性测试方法，利用具有独立探头的谐波法固体材料热物性测试装置实现该方法，该方法的技术方案是：

步骤1：把独立探头夹在两块已知热物性参数的相同标准样品之间构成测试结构，并放置在样品固定台底座的上面，移动滑块和螺杆，当螺杆的顶端接触到上标准样品的顶面时停止移动滑块并在侧面通过螺栓固定滑块；

步骤2：用扭矩测量部扭转螺杆，在一个扭力点上暂停并记录对应的扭力值，然后开始用谐波法测量独立探头内的微型金属带两端的基波电压及三次谐波电压，根据谐波法测试原理拟合标准样品的导热系数值；

步骤3：继续转动扭矩测量部使扭力值增大，然后重复步骤2，得到多个扭力值下标准样品导热系数的测量值；

步骤4：利用得到的标准样品多个导热系数的测量值，找出与标准样品导热系数的真实值最接近的测量值，设此测量值对应的扭力值是不影响导热系数真实测量的独立探头与标准样品间的接触热阻所对应的扭力值，此扭力值为最佳扭力值；

步骤5：从凸台上取下测试结构，把独立探头夹在两块相同的待测样品之间构成新的测试结构，仍将其放置在凸台上，执行步骤1固定好新的测试结构；

步骤6：用扭矩测量部扭转螺杆，依次在多个小于最佳扭力值下停止扭转螺杆，记录扭力值并用谐波法测试待测样品的导热系数和热扩散率值；

步骤7：扭转扭矩测量部直至最佳扭力值，再用谐波法测试待测样品的导热系数和热扩散率，即完成对待测样品热物性参数的测试；

步骤8：记录多个小于最佳扭力值下的导热系数测量值及最佳扭力值下的导热系数测量值的大小，将小于最佳扭力值下的导热系数测量值与最佳扭力值下的导热系数测量值的差别作为待测样品与独立探头间存在接触热阻，所述待测样品与独立探头间的接触热阻的大小由扭力值的大小实验结果拟合的一个经验式决定，并且在最佳扭力值下待测样品与独立探头间存在的接触热阻不影响导热系数真实测量而可被忽略，通过计算多个小于最佳扭力值下导热系数测量值与最佳扭力值下导热系数测量值的差值，再运用接触热阻与热导率差值的关系式，得到多个扭力值下待测样品与独立探头间的接触热阻。