[发明专利]一种连续碳化硅薄膜热导率的测量装置及其测量方法

权利要求书

1.一种连续碳化硅薄膜热导率的测量装置，其特征在于设有热源装置、电子式万能拉力试验机、温度测量装置和计算机；

所述热源装置由信号源和高热导螺旋电阻丝组成，所述信号源与高热导螺旋电阻丝相连，所述高热导螺旋电阻丝与连续碳化硅薄膜样品直接接触，信号源发出的正弦波交流电信号经高热导螺旋电阻丝对连续碳化硅薄膜样品进行加热，并使热量在薄膜的二维方向上传导；

所述电子式万能拉力试验机带有夹具并通过计算机的程序控制夹具的移动距离；

所述温度测量装置设有非接触式红外测温仪探头和锁相放大器；所述非接触式红外测温仪探头固定于电子式万能拉力试验机夹具上并随夹具移动逐点测量样品温度信号；所述锁相放大器用于采集双通道高信噪比的周期波形信号并能够对周期波形信号进行处理后输出；

所述计算机控制电子式万能拉力试验机夹具的移动距离并能够处理锁相放大器采集到的信号，进行相应的数据分析；

所述热源装置为能够以一定频率波动的热源装置；所述高热导螺旋电阻丝为单圈电阻丝并与连续碳化硅薄膜样品直接接触。

2.如权利要求1所述一种连续碳化硅薄膜热导率的测量装置，其特征在于所述信号源产生角频率范围为10～30Hz的正弦波交流电信号。

3.连续碳化硅薄膜热导率的测量方法，其特征在于采用如权利要求1和2所述连续碳化硅薄膜热导率的测量装置之一，所述测量方法包括以下步骤：

1)将连续碳化硅薄膜样品的下端用样品夹持装置紧贴高热导螺旋电阻丝固定；

2)打开计算机控制系统，调节信号源产生角频率为ω₀的正弦波交流电信号，所述角频率为10～30Hz，所述正弦波交流电信号I＝sin(ω₀t)，t为信号开始计时的时长，所述正弦波交流电信号在高热导螺旋电阻丝的中心能够产生一定热量，该热量与电流关系如下：

Q＝I²Rt＝sin²(ω₀t)·Rt；

3)由于高热导螺旋电阻丝与样品直接接触，假定高热导螺旋电阻丝产生的热量全部传递到薄膜样品上，以该热源位置设为原点，热量会从原点沿着薄膜样品的二维方向进行热传递，使得在薄膜样品的二维方向上的各个点逐渐被加热；每个测试点的热量由原点传递，保持与原点相同的频率，测试点处热量信号与原点处热源信号形成相位差φ(r)，不同测试点与原点的相位差不同，每个点的热量表示为：

其中，为沿样品长度方向的热波相位差，r为测试点距原点的距离，A为热损耗，表明随着距离r的增加，越远的点所获得的热量越少；

4)用固定于电子式万能拉力试验机夹具上的红外测温仪测试薄膜其他点位的热信号，将原点的相位设为0，将测试点测得的信号输入双通道锁相放大器，用计算机处理信号并进行数据分析，得出该测试点与原点处的热波相位差设定电子式万能拉力试验机按固定距离逐级移动，距离为10～100μm，每移动一次后利用红外测温仪测定该点的温度信号，即获得多个测试点与原点的热波相位差；第一个测试点应距离原点5cm以上，以确保原点处的螺旋电阻丝产生的热量不会对测试点的热量产生干扰；

5)以测量点到原点的距离r为横坐标，以相位差为纵坐标对所得数据作图并进行线性拟合，得出直线斜率λ，根据公式计算得出样品的热导率，其中，k为样品导热系数，ω₀为热源信号角频率，ρ为样品密度，c_p为薄膜材料的恒压热容，具体推导如下：

则

其中，μ为热扩散长度，α为样品热扩散系数。