本文介紹了空間域熱反射法SDTR的光學(xué)交流量熱法的原理讳癌。
空間域熱反射SDTR基于的光學(xué)交流量熱法
進(jìn)入微尺度以后材料的熱物性與宏觀尺度相比發(fā)生了很大的變化晌坤，分析和測(cè)量微尺度下材料的熱物性參數(shù)對(duì)微尺度傳熱理論分析和研究微器件的熱傳導(dǎo)能力及散熱速度具有重要的意義。交流量熱法是測(cè)量薄膜熱擴(kuò)散率的有效方法之一旦袋，適合測(cè)量半導(dǎo)體骤菠、金屬、非金屬等多種薄膜材料疤孕。
圖1：交流量熱法的測(cè)量原理圖[1]
交流量熱法的測(cè)量原理如圖1所示商乎。當(dāng)一定頻率和一定脈沖寬度的激光加熱樣品時(shí)樣品表面上會(huì)呈現(xiàn)出同頻的交變溫度波祭阀。在一定距離上該溫度波的衰減和相位滯后與樣品的熱物性有關(guān)鹉戚。根據(jù)已知一定距離上不同兩點(diǎn)間的溫度波可以通過溫度波的幅度衰減或相移計(jì)算出樣品的熱擴(kuò)散率专控。當(dāng)樣品厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)垂直樣品方向上沒有溫度梯度可看成一維傳熱抹凳。
根據(jù)交流量熱法的公式(1)可得出樣品的溫度變化與距激光加熱點(diǎn)間的距離x的關(guān)系，其中
伦腐，式中a是樣品水平方向上的熱擴(kuò)散率赢底，x是激光加熱點(diǎn)到傳感器的距離，c是樣品體積比熱容柏蘑，f是激光頻率，h是樣品厚度辩越，Q是吸收的熱流，p是樣品密度黔攒。由(1)式可以得到樣品熱擴(kuò)散率與溫度變化的關(guān)系。依據(jù)式中幅度的變化稱為幅度法督惰；依據(jù)相位的變化稱為相位法不傅。由于幅度法測(cè)量薄膜的熱擴(kuò)散率依賴薄膜吸收的熱量會(huì)產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差所以可采用相位法。
相位法測(cè)量樣品熱擴(kuò)散率是根據(jù)熱源與傳感器之間的相位差和距離之間的關(guān)系赏胚，并進(jìn)行差值化處理：
访娶，其中
為激光熱源與探測(cè)器之間的距離，令
觉阅，即可通過計(jì)算相位
相對(duì)
的斜率m崖疤，因其中
，所以可寫出：
通過(2)式子可知典勇，在給定熱源的加熱頻率即激光頻率f下，通過測(cè)量薄膜樣品上的不同空間位置處的同頻熱場(chǎng)波動(dòng)相位即可計(jì)算得出樣品的橫向熱擴(kuò)散率a割笙。
但對(duì)于尺寸微米級(jí)的薄膜樣品权烧，由于受樣品尺寸要求的限制而不能用傳統(tǒng)的熱探測(cè)器或熱源測(cè)量，因此熱探測(cè)和熱源都通過微米尺寸的激光光斑實(shí)現(xiàn)伤溉，采用一束調(diào)制的連續(xù)波激光對(duì)樣品進(jìn)行周期性加熱，另一束連續(xù)波激光基于熱反射原理對(duì)樣品表面距離加熱激光不同位置處的溫度響應(yīng)(如熱波的相位
)進(jìn)行探測(cè)乱顾；實(shí)驗(yàn)中通過鎖相放大器采集頻率f下的熱反射率信號(hào)而實(shí)現(xiàn)熱探測(cè)的目的板祝。
SDTR測(cè)量法即可測(cè)量薄膜也可測(cè)量塊體材料，也可測(cè)量徑向尺寸數(shù)十微米以上的小尺寸樣品糯耍，與TDTR所需要的脈沖激光器相比SDTR采用的是連續(xù)激光測(cè)量扔字，且內(nèi)部系統(tǒng)較TDTR更穩(wěn)定温技，極大降低了硬件及維護(hù)成本革为，且SDTR可極為方便地測(cè)量樣品面內(nèi)的各向異性熱導(dǎo)率或熱擴(kuò)散率，但SDTR需要選擇合適的激光波長(zhǎng)和金屬溫度傳感層舵鳞，以保證獲得較高的熱反射系數(shù)和測(cè)量準(zhǔn)確性[2]震檩。
面內(nèi)熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng) AU-TRSD103 基于“泵浦-探測(cè)”原理，結(jié)合了頻域熱反射蜓堕、空間域熱反射抛虏、穩(wěn)態(tài)溫升法、方脈沖熱源法的優(yōu)點(diǎn)套才，具有強(qiáng)大的熱物性綜合測(cè)試能力迂猴，能夠測(cè)量從薄膜到塊體材料的熱導(dǎo)率、比熱容和界面熱阻背伴。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高峰髓，操作簡(jiǎn)便携兵，特別利于大批量快速測(cè)量。
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相關(guān)文獻(xiàn)：
[1] 陳海軍,馬靈芝,唐禎安.交流量熱法測(cè)量SiO2薄膜的熱擴(kuò)散率[J].功能材料, 2002, 33(5):3.DOI:CNKI:SUN:GNCL.0.2002-05-029.
[2] Jiang P , Wang D , Xiang Z ,et al.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 191:122849-.DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122849.
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