SDTR熱反射廣域熱物性綜合測試系統 AU-TRSD103

面(mian)內熱導(dao)率測試系統(tong) AU-TRSD103簡介：

面內熱(re)(re)導率測試系統 AU-TRSD103 基于“泵(beng)浦-探測"原理，結合(he)了(le)頻(pin)域熱(re)(re)反射、空間域熱(re)(re)反射、穩態溫(wen)升法(fa)、方(fang)脈沖(chong)熱(re)(re)源(yuan)法(fa)的優點，具(ju)有強大(da)的熱(re)(re)物性綜合(he)測試能力，能夠測量(liang)從薄膜到(dao)塊體材(cai)料(liao)的熱(re)導率、比熱(re)容和(he)界面(mian)熱(re)阻。系統自動(dong)化程(cheng)度高，操作簡便，特別利于大(da)批量(liang)快(kuai)速測量(liang)。

• 可測參(can)數多

• 可測范圍廣

• 測量精度高

• 操作簡便(bian)

• 支持定制(zhi)

• 終身技術支持(chi)

SDTR熱反射廣域熱物性綜合測試系統 AU-TRSD103基本原理：

基(ji)于光學的交(jiao)流(liu)量(liang)熱(re)法

• 樣品(pin)表面(mian)鍍100 nm厚的金(jin)屬膜做溫(wen)度傳感層(ceng)；

• 經(jing)調制的泵浦光周(zhou)期性(xing)加熱樣品；

• 探(tan)測光(guang)測量距離泵浦光(guang)不同位(wei)置處的溫度響應的幅值與相(xiang)位(wei)；

• 由相(xiang)位差信(xin)號和歸(gui)一(yi)化幅值(zhi)信(xin)號同(tong)時擬(ni)合樣品面內(nei)熱導率和光斑尺寸；

• 熱(re)導率測量誤差≤ 5%，光(guang)斑尺寸測量誤差≤ 2%。

100 nm Ti/silica：

面內熱導率測試系統 AU-TRSD103亮點(dian)

1. 泵浦(pu)與探測(ce)光(guang)均采用連續激光(guang)，極大(da)地降低了系統成本；

2. 無需修正(zheng)泵(beng)浦(pu)光的參考相位，使得操作(zuo)更簡單(dan)，測量(liang)更可(ke)靠；

3. 采用平衡探(tan)測器(qi)，極大減小了(le)低頻(pin)噪音(yin)，加快了(le)數據采集(ji)速度，完成一個樣品的測量僅需(xu)≤ 2分鐘(zhong)；

4. 數據分析方法能同時(shi)擬合光(guang)斑尺寸，降低了(le)光(guang)斑尺寸誤差(cha)對測(ce)量結(jie)果的影響；

5. 數據分析方法使得測量(liang)信號僅對(dui)待測樣品(pin)的面內熱導(dao)率和比熱容敏感(gan)，而無(wu)需準確知道金屬傳感(gan)層的參數或樣品(pin)的縱向熱導(dao)率，因(yin)此極大提(ti)高(gao)了測量(liang)精度；

6. 可測(ce)的面內(nei)熱導率(lv)范圍不(bu)受限制；

7. 采(cai)用微(wei)米(mi)級的(de)光斑尺(chi)寸(cun)，因此可測(ce)徑向尺(chi)寸(cun)為(wei)亞毫(hao)米(mi)級別的(de)小尺(chi)寸(cun)樣(yang)品。

面內熱導率測試系統 AU-TRSD103應用領(ling)域：

①材料(liao)研究與開發

②能源領域

③電(dian)子器件(jian)研究

……

標配系統測量能力(li)：

1. 無(wu)需知道樣品的(de)縱向(xiang)熱(re)導率，可獨立測(ce)量樣品的(de)面內各向(xiang)異性熱(re)導率張量，面內熱(re)導率測(ce)量范圍0.5 ? 5000 W/(m·K)，測(ce)量誤差≤ 5%；

2. 無需知道樣品(pin)的(de)比熱(re)容，可獨(du)立(li)測量樣品(pin)的(de)平均熱(re)導率(lv)，測量范(fan)圍0.05 ? 5000 W/(m·K)，測量誤差(cha)≤10%；

3. 對各向同(tong)性樣品，可同(tong)時測(ce)量(liang)其熱(re)導(dao)率與(yu)體(ti)積(ji)比熱(re)容，熱(re)導(dao)率測(ce)量(liang)范圍0.05 ? 5000 W/(m·K)， 比熱(re)容測(ce)量(liang)范圍0.1 ? 10 MJ/(m3·K)，測(ce)量(liang)誤差≤ 10%；

4. 可測(ce)薄膜樣品(pin)從100 nm到無限厚(hou)；

5. 可(ke)測(ce)小(xiao)尺(chi)寸樣品(pin)，徑(jing)向直徑(jing)≥ 0.05 mm；

6. 要(yao)求樣品表(biao)面粗(cu)糙度≤ 15 nm。

升級系統額外測量能力(li)：

7. 熱(re)導率和比(bi)熱(re)容(rong)的成(cheng)像，分辨率達1 μm；

8. 界面熱阻測量

系統(tong)基本情況：

1. 系統占光學桌面(mian)積60 cm X 60 cm，封裝(zhuang)于黑匣(xia)中，防(fang)塵又安全。

2. 自動化實驗測量，全程(cheng)軟件操作，無需開箱進行復雜的手(shou)動調節。

3. 雙色(se)泵浦-探測(ce)(ce)系統，標配(pei)的探測(ce)(ce)光波(bo)長為(wei)785 nm。

4. 泵(beng)浦光調制頻率的標配范圍為DC-5 MHz，可升級到50 MHz或150 MHz。

5. 采(cai)用平(ping)衡(heng)光電探測器提高(gao)信噪比，加快數據(ju)采集速度。

6. 自動校(xiao)準泵浦相位（僅頻域熱反(fan)射法需要(yao)）和(he)探測光的噪音。

7. ccd顯微成像系統清楚觀察(cha)樣品表面和光斑位(wei)置。

系統配置：

電源需求：110/220 VAC, 50/60 Hz, 15 Amp

激光波長(chang)：泵浦638 nm，探測785 nm（標(biao)配，可根據用戶需求選配）

激光功率：泵浦(pu)100 mW，探測20 mW（標配，可根(gen)據(ju)用戶需求選配）

調制頻率(lv)范圍：標配DC-5 kHz，可升級到5 MHz、50 MHz或(huo)200 MHz

顯(xian)微(wei)鏡(jing)頭(tou)：標配10x，對應激光光斑1/e2直徑約～15μm，可增配50x，20x，5x，2x鏡(jing)頭(tou)及(ji)自動切換模塊

樣品聚焦：標(biao)配(pei)手動調節，可增配(pei)PID反饋調節自動聚焦模塊

測溫范圍(wei)：標配室(shi)溫，可增配80-500 K、300-1200 K、4-300 K等不同溫區的(de)變溫模塊

熱物(wu)性掃描：標配(pei)無，可選配(pei)，掃描范(fan)圍(wei)200μm×200μm，步進分辨(bian)率1 nm

顯(xian)微(wei)成像：標配，可觀察樣品表面(mian)狀況及激光光斑位置

軟件：全(quan)自動數據測量(liang)與分析處理、數據導(dao)出、報告(gao)生成(cheng)

測量要求(qiu)：

首先要確定樣品的(de)(de)金屬(shu)傳(chuan)感層(ceng)(ceng)的(de)(de)金屬(shu)材(cai)(cai)料(liao)在SDTR的(de)(de)探測(ce)光束的(de)(de)波(bo)長處有較高(gao)的(de)(de)熱反(fan)射(she)系(xi)數，對于常見的(de)(de)金屬(shu)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)熱反(fan)射(she)系(xi)數見下(xia)圖(b)；同時還要考慮傳(chuan)感層(ceng)(ceng)的(de)(de)金屬(shu)材(cai)(cai)料(liao)對SDTR泵浦光有較高(gao)的(de)(de)吸(xi)收(shou)系(xi)數(a)。

圖：常見(jian)金(jin)屬材料對光(guang)的吸收系(xi)數(shu)(a)和熱反射系(xi)數(shu)(b)

對于(yu)SDTR的(de)(de)(de)(de)樣(yang)品還要保證表面(mian)光(guang)(guang)滑均勻(yun)，這樣(yang)不(bu)僅方便照射至樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)探(tan)測光(guang)(guang)束能(neng)(neng)更好地(di)被反射至探(tan)測器中，還能(neng)(neng)使在SDTR同一(yi)次測試掃描(miao)的(de)(de)(de)(de)空間(jian)范圍內不(bu)會(hui)因(yin)表面(mian)粗糙(cao)度的(de)(de)(de)(de)不(bu)均勻(yun)而帶來較大(da)的(de)(de)(de)(de)數據誤差，至少保證在一(yi)次的(de)(de)(de)(de)SDTR測試的(de)(de)(de)(de)掃描(miao)空間(jian)范圍內的(de)(de)(de)(de)粗糙(cao)度是均勻(yun)的(de)(de)(de)(de)；這也限(xian)制了樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)理(li)論尺(chi)寸下(xia)限(xian)，該范圍的(de)(de)(de)(de)大(da)小跟聚焦在樣(yang)品處(chu)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)斑大(da)小相關，例如泵浦(pu)和(he)探(tan)測光(guang)(guang)斑直(zhi)徑若為(wei)10μm，則該范圍約為(wei)直(zhi)徑100μm的(de)(de)(de)(de)圓形(xing)區域(yu)，但(dan)為(wei)了方便樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)放置實際測試樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)大(da)小可(ke)根(gen)據需求可(ke)更大(da)，但(dan)不(bu)能(neng)(neng)小于(yu)該尺(chi)寸下(xia)限(xian)。

此外對(dui)于樣(yang)品(pin)(pin)(pin)的(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)也有(you)要(yao)求，如(ru)(ru)果(guo)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)具有(you)比樣(yang)品(pin)(pin)(pin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)高(gao)(gao)很多(duo)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)，熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)將在(zai)(zai)傳(chuan)(chuan)(chuan)播到樣(yang)品(pin)(pin)(pin)之前就(jiu)在(zai)(zai)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)面(mian)(mian)內(nei)(nei)熱(re)(re)(re)(re)(re)傳(chuan)(chuan)(chuan)導(dao)(dao)，而不(bu)是樣(yang)品(pin)(pin)(pin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。在(zai)(zai)這種(zhong)情況下(xia)，相位對(dui)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)面(mian)(mian)內(nei)(nei)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)敏感(gan)度(du)會增(zeng)加，而對(dui)樣(yang)品(pin)(pin)(pin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)面(mian)(mian)內(nei)(nei)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)敏感(gan)度(du)將降低。所以(yi)不(bu)利于面(mian)(mian)內(nei)(nei)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)，會導(dao)(dao)致測(ce)(ce)量(liang)結果(guo)與實際的(de)(de)有(you)較大的(de)(de)差(cha)異。如(ru)(ru)果(guo)要(yao)保(bao)證(zheng)對(dui)樣(yang)品(pin)(pin)(pin)的(de)(de)面(mian)(mian)內(nei)(nei)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)較高(gao)(gao)的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)精度(du)（或者較高(gao)(gao)的(de)(de)敏感(gan)性(xing)），則(ze)建(jian)議金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)不(bu)高(gao)(gao)于樣(yang)品(pin)(pin)(pin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)10倍，這限(xian)制了(le)對(dui)于某一種(zhong)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)作為傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)時(shi)能測(ce)(ce)得的(de)(de)樣(yang)品(pin)(pin)(pin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)下(xia)限(xian)，比如(ru)(ru)以(yi)Al膜(240W/(K·m))作為傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)時(shi)測(ce)(ce)試樣(yang)品(pin)(pin)(pin)的(de)(de)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)建(jian)議不(bu)低于24W/(K·m)；如(ru)(ru)果(guo)要(yao)測(ce)(ce)試熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)低于該(gai)值(zhi)的(de)(de)樣(yang)品(pin)(pin)(pin)建(jian)議更換較低熱(re)(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，并且盡可能保(bao)證(zheng)其他對(dui)于樣(yang)品(pin)(pin)(pin)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)要(yao)求(例如(ru)(ru)較高(gao)(gao)的(de)(de)探測(ce)(ce)光波長熱(re)(re)(re)(re)(re)反(fan)射系數(shu)和泵浦光波長的(de)(de)吸收(shou)系數(shu)、粗糙(cao)度(du))。

應用案例：

光學交(jiao)流量熱法測量面(mian)內熱導率

可(ke)測(ce)熱導率范(fan)圍1~2000 W/(m·K)，誤差均(jun)小于5%

以藍(lan)寶石、單晶硅為例：

• 測(ce)得藍(lan)寶石熱導率為= 38 ± 1.49 W/(m·K)，誤差(cha)為3.9%

• 測得單晶硅熱導率為= 147 ± 4.88 W/(m·K)，誤(wu)差為3.3%

光學(xue)交流量熱法測量面內各向異性熱導率張(zhang)量

面內(nei)各向異(yi)性材料(liao)

以石(shi)英晶體為(wei)例：

• 光(guang)學交(jiao)流量(liang)熱(re)法不要求激光(guang)光(guang)斑有嚴格的圓(yuan)度即(ji)能準確(que)測量(liang)面內(nei)熱(re)導率張量(liang)，相較于(yu)文獻中較新的光(guang)斑偏移(yi)頻域(yu)熱(re)反射法(BO-FDTR)*測量(liang)更準確(que)可靠。

*L. Tang and C. Dames, Int. J. Heat Mass Transfer 164, 120600 (2021).

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