一種基于熱釋電探測(cè)器的薄樣品熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，用于測(cè)量薄樣品的熱導(dǎo)率，屬于薄樣品熱導(dǎo)率測(cè)量裝置及其方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

熱導(dǎo)率又稱為導(dǎo)熱系數(shù)，反應(yīng)的是物質(zhì)的熱傳導(dǎo)的能力，按傅里葉定律，其定義為單位溫度梯度在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的能量。它表征了材料的傳熱性能和溫度均衡性能，在材料、能源、建筑、航空、化工、制冷等工程領(lǐng)域都有著重要的用途，其測(cè)試方法一直以來(lái)也是研究的熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)有測(cè)量方法主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類(lèi)，其中非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法具體有如閃光法、徑向熱流法、固體熱源法等。但這些方法在實(shí)際中仍然存在一些問(wèn)題如徑向熱流法在熱源均勻度、功率波動(dòng)、側(cè)向熱流損失方面沒(méi)有很好的解決，固體熱源法對(duì)于熱源與被測(cè)材料間的被測(cè)熱阻問(wèn)題還有待解決。

廈門(mén)大學(xué)公開(kāi)號(hào)為cn105301044a的發(fā)明專利“一種固體材料熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)量方法”中采用激光閃射法來(lái)測(cè)量多層樣品材料熱導(dǎo)，此方法較為復(fù)雜，成本也很高，需要通過(guò)軟件編程來(lái)求得半溫升時(shí)間，且空氣層的問(wèn)題會(huì)隨著樣品層數(shù)的增加而愈加明顯，從而導(dǎo)致時(shí)間測(cè)量的誤差比較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述不足之處提供了一種基于熱釋電探測(cè)器的薄樣品熱導(dǎo)率測(cè)量裝置及其方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量薄膜樣品的熱導(dǎo)率時(shí)，因需要求得半溫升時(shí)間、空氣層的問(wèn)題會(huì)隨著樣品層數(shù)的增加而愈加明顯，導(dǎo)致時(shí)間測(cè)量的誤差比較大，造成操作復(fù)雜，成本高，以及不能快速、精確地測(cè)量薄膜樣品的熱導(dǎo)率的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于熱釋電探測(cè)器的薄樣品熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于，包括：

信號(hào)發(fā)生器：用于發(fā)生方波脈沖信號(hào)和供電電壓；

紅外脈沖激光器：在信號(hào)發(fā)生器提供的供電電壓下，用于調(diào)制信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的方波脈沖信號(hào)，并輸出方波信號(hào)；

半反半透的分光鏡：用于將紅外脈沖激光器調(diào)制輸出的方波信號(hào)分為兩路功率相同的紅外光信號(hào)；

參考熱釋電傳感器：用于在半反半透的分光鏡分得的一路紅外光信號(hào)的直接照射下，將照射的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓參考信號(hào)，并輸出電壓參考信號(hào)；

測(cè)試熱釋電傳感器：用于在有待測(cè)薄樣品的情況下，將照射的半反半透的分光鏡分得的另一路紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并輸出電壓信號(hào)；

示波器：用于測(cè)量參考熱釋電傳感器輸出的電壓參考信號(hào)和測(cè)試熱釋電傳感器輸出的電壓信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間差。

一種基于熱釋電探測(cè)器的薄樣品熱導(dǎo)率測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)獲取待測(cè)薄樣品，將待測(cè)薄樣品粘附到測(cè)試熱釋電傳感器上；

(2)采用信號(hào)發(fā)生器發(fā)生兩路信號(hào)，兩路信號(hào)為紅外脈沖激光器的供電電壓和方波脈沖信號(hào)；

(3)采用紅外脈沖激光器接收信號(hào)發(fā)生器發(fā)生的驅(qū)動(dòng)電壓和方波脈沖信號(hào)，并調(diào)制信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的方波脈沖信號(hào)，輸出方波信號(hào)；

(4)采用半反半透的分光鏡將方波信號(hào)分為兩路功率相同的紅外光信號(hào)；

(5)采用參考熱釋電傳感器測(cè)試在一路紅外光信號(hào)的直接照射下，將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓參考信號(hào)，并輸出電壓參考信號(hào)；

(6)采用測(cè)試熱釋電傳感器測(cè)試另一路紅外光信號(hào)照射在有待測(cè)薄樣品的情況下，紅外激光先加熱待測(cè)薄樣品，待測(cè)薄樣品升溫后，再加熱測(cè)試熱釋電傳感器，從而獲得電壓信號(hào)，并輸出電壓信號(hào)；

(7)觀察示波器測(cè)量電壓參考信號(hào)和電壓信號(hào)的波形，得到兩路信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間差，從而獲得全升溫時(shí)間差；

(8)根據(jù)全升溫時(shí)間差，計(jì)算待測(cè)材料的熱導(dǎo)率系數(shù)，再通過(guò)熱導(dǎo)率系數(shù)計(jì)算得到熱導(dǎo)率。

進(jìn)一步，所述步驟(1)中的待測(cè)薄樣品是鉭酸鋰晶片。

進(jìn)一步，所述鉭酸鋰晶片的厚度為10μm～100μm。

進(jìn)一步，所述步驟(2)中，信號(hào)發(fā)生器包括通道1和通道2；通道1為3.2v直流信號(hào)，作為紅外脈沖激光器的驅(qū)動(dòng)電壓；通道2為5hz、50％的占空比、5v的方波信號(hào)，作為調(diào)制信號(hào)輸出到紅外脈沖激光器的輸出信號(hào)。

進(jìn)一步，所述驟(3)中，紅外脈沖激光器接收信號(hào)發(fā)生器通道1的直流信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)、通道2的方波脈沖信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)進(jìn)行方波脈沖信號(hào)調(diào)制，并輸出5hz頻率的方波信號(hào)。

進(jìn)一步，所述步驟(7)中，時(shí)間差的公式如下：

tm＝t2-t1；

其中，tm為電壓參考信號(hào)和電壓信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間差，t2為測(cè)試電壓信號(hào)，t1為電參考?jí)盒盘?hào)。

進(jìn)一步，所述步驟(8)中，計(jì)算熱導(dǎo)率系數(shù)和熱導(dǎo)率的公式如下：

k＝k·ρ·cp；

其中，k為熱導(dǎo)率系數(shù)，l為樣品厚度，k為熱導(dǎo)率，ρ為密度，cp為熱容。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明只需獲取單層固體樣品，解決樣品制作復(fù)雜和制作多層樣品進(jìn)行測(cè)量引入空氣層的問(wèn)題；

二、本發(fā)明通過(guò)引入一路參考信號(hào)獲得測(cè)試及參考兩路全升溫時(shí)間，求得全升溫時(shí)間差，從而省去計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)求得精確的半升溫時(shí)間，達(dá)到降低成本的目的，因測(cè)量的時(shí)間越長(zhǎng)，則測(cè)量越精確，對(duì)測(cè)量的硬件要求也越低；

三、本發(fā)明采用熱釋電探測(cè)器作為測(cè)量元件，操作簡(jiǎn)單，能夠快速，成本低，能夠準(zhǔn)確測(cè)量熱導(dǎo)率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明框架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中實(shí)施例的所測(cè)試信號(hào)波形示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種基于熱釋電探測(cè)器的薄樣品熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括：

信號(hào)發(fā)生器1：用于發(fā)生通道1幅值為3.2v的直流信號(hào)作為紅外脈沖激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通道2發(fā)生頻率為5hz、幅值為5v、50％占空比的方波脈沖信號(hào)。

紅外脈沖激光器2：用于調(diào)制信號(hào)發(fā)生器1發(fā)出的方波脈沖信號(hào)，并輸出波長(zhǎng)為980nm、頻率為5hz的紅外脈沖激光；

半反半透的分光鏡3：用于將紅外脈沖激光器2調(diào)制輸出的紅外激光分為兩路功率相同的紅外光信號(hào)；

參考熱釋電傳感器6：用于在半反半透的分光鏡3分得的一路紅外光信號(hào)的直接照射下，將照射的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓參考信號(hào)，并輸出電壓參考信號(hào)；

測(cè)試熱釋電傳感器5：用于在有待測(cè)薄樣品4，即鉭酸鋰晶片的情況下，將照射的半反半透的分光鏡3分得的另一路紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并輸出電壓信號(hào)；

示波器7：通過(guò)示波器得到兩路信號(hào)并在屏幕上展現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)示波器自帶的測(cè)量功能，測(cè)得兩路信號(hào)達(dá)到波峰時(shí)的時(shí)間，獲得兩路信號(hào)全升溫時(shí)間相減后得到全升溫時(shí)間差。

具體測(cè)量方法如下：

一種基于熱釋電探測(cè)器的薄樣品熱導(dǎo)率測(cè)量方法，包括如下步驟：

(1)獲取待測(cè)鉭酸鋰晶片，厚度為50μm，首先我們?cè)跍y(cè)試熱釋電傳感器的敏感材料即鉭酸鋰晶片的表面滴上一滴實(shí)驗(yàn)室用酒精，而后將鉭酸鋰晶片貼合在測(cè)試熱釋電傳感器敏感的表面，若干分鐘后，待酒精揮發(fā)后，即可獲得良好貼合的測(cè)試信號(hào)路。測(cè)試熱釋電傳感器5的表面必須平整，否則測(cè)試時(shí)會(huì)引入空氣的熱導(dǎo)率而產(chǎn)生誤差，待測(cè)薄樣品必須是不透光的，否則激光器的能量直接被測(cè)試熱釋電探測(cè)器吸收，從而影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。

(2)信號(hào)發(fā)生器1發(fā)生一定頻率的方波脈沖信號(hào)的步驟，即設(shè)定信號(hào)發(fā)生器通道1參數(shù)為直流3v作為激光器驅(qū)動(dòng)電壓，通道2為頻率5hz、占空比為50％、幅值為5v的方波脈沖信號(hào)；

(3)紅外脈沖激光器2將方波脈沖信號(hào)調(diào)制為5hz和980nm波長(zhǎng)的紅外激光；

(4)半反半透的分光鏡3將方波信號(hào)分為兩路功率相同的紅外光信號(hào)；

(5)參考熱釋電傳感器6測(cè)試在一路紅外光信號(hào)的直接照射下，將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓參考信號(hào)，并輸出電壓參考信號(hào)，即一路紅外光直接加熱參考熱釋電傳感器6；

(6)測(cè)試熱釋電傳感器5測(cè)試另一路紅外光信號(hào)照射在待測(cè)鉭酸鋰晶片上，即紅外光信號(hào)直接加熱待測(cè)鉭酸鋰晶片使其升溫，待測(cè)鉭酸鋰晶片升溫后引起測(cè)試熱釋電傳感器5敏感材料溫度的變化從而輸出電壓信號(hào)；

測(cè)試工程中必須保證紅外光信號(hào)的軸線與待測(cè)鉭酸鋰晶片、測(cè)試熱釋電傳感器5、參考熱釋電傳感器6軸線重合，以保證紅紅外光信號(hào)可以垂直的加熱鉭酸鋰4、測(cè)試熱釋電傳感器5和參考熱釋電傳感器6。

(7)示波器7用于顯示參考信號(hào)和測(cè)試電壓信號(hào)的波形，等波形穩(wěn)定后，合理的調(diào)節(jié)示波器x軸的時(shí)間格的大小，使兩路信號(hào)的波形在示波器上完整的顯示出來(lái)，而后使用示波器自帶的測(cè)量功能，即調(diào)出光標(biāo)a和光標(biāo)b分別測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)波形達(dá)到峰值的時(shí)間t1和t2，從而獲得全升溫時(shí)間差。示波器7測(cè)量電壓參考信號(hào)和電壓信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間差的公式如下：

tm＝t2-t1；

其中，tm為電壓參考信號(hào)和電壓信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間差即全升溫時(shí)間差，t2為測(cè)試電壓信號(hào)，t1為參考電壓信號(hào)。

由于參考熱釋電傳感器達(dá)到輸出電壓的最大值的時(shí)間比測(cè)試熱釋電傳感器的要短，通過(guò)示波器7將兩路電壓響應(yīng)波形信號(hào)顯示出來(lái)，測(cè)量波形如圖2所示，其中t2＝11.813ms，t1＝11.502ms可得達(dá)最大值時(shí)間差tm＝0.311ms。

(8)根據(jù)時(shí)間差，計(jì)算待測(cè)材料的熱導(dǎo)率系數(shù)，再通過(guò)熱導(dǎo)率系數(shù)計(jì)算得到熱導(dǎo)率的步驟。計(jì)算熱導(dǎo)率系數(shù)和熱導(dǎo)率的公式如下：

k＝k·ρ·cp；

其中，k為熱導(dǎo)率系數(shù)，l為樣品厚度，k為熱導(dǎo)率，ρ為密度，cp為熱容。

通過(guò)上式計(jì)算鉭酸鋰晶片的熱擴(kuò)散系數(shù)為1.34×10^-6m²/s。經(jīng)查鉭酸鋰晶片的密度及體積比熱容為：7.45×10³kg/m³和429j/kg·k，因此根據(jù)公式可得熱導(dǎo)率為4.3w/m·k。與美國(guó)almazoptics公司給出的鉭酸鋰晶片熱導(dǎo)率4.6w/m·k相比，誤差在5％左右，證實(shí)了本測(cè)試裝置及方法的可靠性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。