一种利用稳态法测量薄膜导热性能的装置的制作方法

本实用新型涉及材料性能表征领域，具体涉及一种利用稳态法测量薄膜导热性能的装置。

背景技术：

材料的导热性能是其重要的物理属性，并伴随材料的低维化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。

然而，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：瞬态激光闪烁法已经完全不适用，瞬态激光的探测束斑面积甚至大于二维材料尺寸。

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。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电脑器。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，利用上述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，本实验仪器可以准确、快速地获得其导热性能。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，该装置包括样品分析室、真空获得系统、温控系统、信号监测与自动记录系统，具体结构如下：

样品放在样品分析室内的测试芯片上，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；真空获得系统与样品分析室相连，为样品提供真空的测试环境；温控系统与样品分析室内的加热制冷台相连，温控系统实现对测试芯片进行加热、制冷或者保温，为样品提供变温测试环境；信号监测与自动记录系统与温控系统相连，进行温度的自动设定和记录，同时信号监测与自动记录系统还与样品分析室内测试芯片的电路进行连接。

所述的利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，真空获得系统与真空腔体使用波纹管连接，真空计安装于真空腔体的顶部，并通过导线与数据采集卡连接。

所述的利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，在真空腔体内，样品放置在测试芯片上，测试芯片通过样品台与外部测试电路连接；样品台和测试芯片放置在加热制冷台上，密封电连接件设置于真空腔体的侧面，真空腔体内样品台的引线、加热制冷台上的热电偶引线经过密封电连接件引出。

所述的利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，真空获得系统为机械泵或分子泵。

所述的利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，温控系统的输入端通过引线与样品分析室内的加热制冷台相连，温控系统的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连至电脑。

所述的利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，温控系统采用的是PID或位式的温控仪，温控系统的输出端安装有RS232通讯模块，温控系统通过RS232通讯模块与数据采集卡连接。

所述的利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，信号监测与自动控制系统包括电脑、数据采集卡、微欧表、直流稳压电源、电路切换开关，其中：直流稳压电源的引线通过密封电连接件与样品台连接，用于给测试芯片通电；微欧表通过引线连接样品台，在微欧表与样品台连接的引线上设置电路切换开关，用于实时监测测试芯片上的电阻变化；并且，微欧表、直流稳压电源和电路切换开关通过数据采集卡与电脑连接。

本实用新型设计思路如下：

首先，对于材料的导热性能测试，可以参考最典型的傅里叶一维稳态热传导模型，需要在样品上构建这种一维传热的状态。其次，需考虑到对流和热辐射等其他散热方式对测试产生的影响。

正是基于以上两点主要的设计指导思想，本实用新型成功的利用上述装置测量一些薄膜材料的面内热导率，尤其对于一些二维材料，它们因为自身的透光性，或者样品尺寸在微米级等原因而无法使用其他导热性能电脑器，本实用新型都可以准确、快速地获得其导热性能数值。

本实用新型的优点及有益效果如下：

1、本实用新型的装置基于稳态法进行导热性能测试，原理简单，测试误差小并且无论样品是否透光，均对测试的准确性无影响。

2、本实用新型的装置为测试提供真空的测试环境，可以避免对流散热对测试的准确性产生影响。

3、本实用新型的装置采用微型芯片加热测温，可以极大程度的避免热辐射对测试的准确性产生影响，并提供多种尺寸的芯片，可以测试单方向尺寸在1μm～1000μm的样品，可以测尺寸较小的样品。

4、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。

5、本实用新型的装置的温控系统可以实现150K～750K的温度连续调控，测试范围较大，满足测试的需求。

附图说明

图1为本实用新型所做的实验装置结构图。

图2为测试芯片制作流程图。

图3为测试芯片结构图。

图中：1——样品分析室；2——真空获得系统；3——温控系统；4——信号监测与自动记录系统；5——承载样品区域；6——电路连接区域；11——测试芯片；12——样品台；13——真空腔体；14——密封电连接件；15——真空计；16——加热制冷台；41——电脑；42——数据采集卡；43——微欧表；44——直流稳压电源；45——电路切换开关。

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，本实用新型利用稳态法测量薄膜导热性能的装置，该装置主要包括以下系统：样品分析室1、真空获得系统2、温控系统3、信号监测与自动记录系统4，具体结构如下：

样品放在样品分析室1内的测试芯片11上，样品分析室1具有真空密封的功能；真空获得系统2与样品分析室1相连，为样品提供真空的测试环境；温控系统3可以实现对测试芯片11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；信号监测与自动记录系统4与温控系统3相连，进行温度的自动设定和记录，同时其还与样品分析室1内测试芯片11的电路进行连接，实现对测试数据的处理和记录，进一步实现自动测试功能。

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。具体的，真空获得系统2与真空腔体13使用波纹管等方式连接，给予真空腔体13内一个高真空的测试环境。真空计15安装于真空腔体13的顶部，并通过导线与数据采集卡42连接，用来监测真空腔体13内的真空度，并将数值传输给数据采集卡42。密封电连接件14设置于真空腔体13的侧面，真空腔体13内样品台12的引线、加热制冷台16上的热电偶引线经过密封电连接件14引出，在确保真空密封的条件下，起到真空腔体13内外的电路和热电偶连接的作用。真空腔体13内，样品放置在测试芯片11上，测试芯片11通过样品台12与外部测试电路连接。同时，样品台12放置在加热制冷台16上，为测试样品提供连续变温的测试环境。

测试芯片11具有多种不同尺寸，可根据样品的尺寸进行选择，可测试单方向长度在1μm～1000μm的样品；真空获得系统2可以包括机械泵和分子泵等真空泵的组合泵组。

温控系统3的输入端通过引线与样品分析室1内的加热制冷台16相连，温控系统3的输出端连接数据采集卡42的输入端，数据采集卡42的输出端连至电脑41。温控系统3采用的是PID或位式的温控仪，进行150K～750K的连续温度调节，同时可以与信号监测与自动记录系统4进行双向通讯。温控系统3的输出端安装有RS232通讯模块，温控系统3通过RS232通讯模块与数据采集卡42连接，可以使用电脑41进行自动控制。

信号监测与自动控制系统4包括电脑41、数据采集卡42、微欧表43、直流稳压电源44、电路切换开关45，其中：直流稳压电源44的引线通过密封电连接件14与样品台12连接，用于给测试芯片11通电；微欧表43通过引线连接样品台12，在微欧表43与样品台12连接的引线上设置电路切换开关45，用于实时监测测试芯片11上的电阻变化。并且，微欧表43、直流稳压电源44和电路切换开关45都通过数据采集卡42与电脑41连接，电脑41可以实现对以上各个部件的控制，并具有自动设定测试温度，自动记录和处理数据、实时绘制显示测试结果的功能。

使用时，将样品放在样品分析室1内的测试芯片11上，真空获得系统2为样品提供真空的测试环境，温控系统3为测试提供测试变温环境，信号监测与自动记录系统4则是记录处理数据，并实现自动测试功能。

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，测试碳纳米薄膜的导热性能的测试方法如下：

如图1-图2所示，测试芯片11的制作流程包括：单抛Si片→LPCVD沉积Si3N4→光刻沉积电极→光刻刻蚀，可以根据样品尺寸来修改光刻板的尺寸，进而获得不同尺寸的测试芯片。如图3所示，测试芯片11的中心部位为承载样品区域5，测试芯片11的外侧设置电路连接区域6。制作100μm电极间距的测试芯片11后，将待测样品转移到测试芯片11上的承载样品区域5。之后，将测试芯片11放在样品台12上，使用金丝球焊机将测试芯片11电路与样品台12在电路连接区域6连接。之后，打开真空获得系统2，并打开电脑41，设定好需要测试的温度电，按下开始按钮，电脑41会检测真空度低于10^-3Pa后，开始加热或制冷，待样品台12温度到设定温度，开始测试。最后会将测试的结果显示在电脑41的界面，并可以支持数据的导出。

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。

以上对本实用新型所提供的一种利用稳态法测量薄膜导热性能的装置进行详细的介绍。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。