(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111462747.5 (22)申请日 2021.11.29 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 张金英　李德芳　李卓　王欣　 杨苏辉　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 代理人 王松 (51)Int.Cl. G01N 25/20(2006.01) G06F 17/10(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种微纳薄膜热导 率的快速测量方法 (57)摘要 本发明涉及一种微纳薄膜热导率的快速测 量方法， 属于微纳薄膜领域和热测量领域。 本发 明使用非接触式激光稳态测量方法和加速匹配 算法相结合， 可以实现厚度在微纳米尺度的薄膜 热导率的快速测量； 首先将微纳薄膜 安装在样品 固定装置中， 然后使用光源加热微纳薄膜样品的 表面使其温度上升， 待其温度稳定不变后， 使用 测温装置测量微纳薄膜表面加热区的稳定温度， 随后记录温度数值并导入仿真模型中使用加速 匹配算法中进行计算， 最后根据计算结果可得到 被测薄膜的热导率值； 本发明方法无需对测试薄 膜进行额外的微纳加工， 不会破坏薄膜的结构和 完整性， 测试装置可重复使用， 可 以实现多种不 同类型的微纳薄膜的热导 率测试。 权利要求书1页 说明书7页 附图2页 CN 114295667 A 2022.04.08 CN 114295667 A 1.一种微纳薄膜热导 率的快速测量方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： 步骤一、 加热固定好的微纳薄膜， 待其温度稳定不变后， 测量微纳薄膜表面的稳定温 度； 步骤二、 薄膜的热导 率和温度之间的关系如下： 其中， ρ 为薄膜的密度， d为薄膜的厚度， cp为常压热容， T为薄膜实际温度， Q为薄膜吸收 的可见光功率密度， k为薄膜的导热系数， σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数， 其值为5.67 ×10‑8W/ (m2·K4)， ε为薄膜发射率， h为薄膜的对流换热系数， Tamb为环境温度， t为时间， 为热流方 向； 由于被测薄膜测量的是 稳态温度， 上式简化 为： 通过式(2)即得到热导 率与温度的关系式； 步骤三、 快速计算热导 率的算法； ①为薄膜设置一个热导 率初始值 k0， ②代入仿真软件中使用式(2)进行计算， 得到一个仿真温度值Tsim； ③将所述仿真温度值Tsim与实测温度值Tmea用式(3)进行比较： ④若差值ΔT小于1％， 则此时仿真使用的热导率k值即为测试得到的微纳薄膜的热导 率值； 否则， 将热导 率值带入式(4)进行计算： 使用公式(4)计算出新的热导率ki+1， 重复步骤 ②到④， 直至最后得到的差值ΔT小于 1％时循环结束， 此时得到的热导 率值即为测试 得到的微纳薄膜的热导 率值。 2.如权利要求1所述一种微纳 薄膜热导率的快速测量方法， 其特征在于： 步骤一所述测 量微纳薄膜 表面的稳定温度采用非接触式方法测量。 3.实现如权利要求1所述方法的装置， 其特征在于： 包括： 样品固定装置、 加热光源和测 温装置； 通过样品固定装置将待测薄膜固定安装， 再通过加热光源对待测薄膜进 行加热， 并 通过测温装置进行温度测量。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114295667 A 2一种微纳薄膜热导率的快速测量方 法 技术领域 [0001]本发明涉及 一种微纳薄膜热导率的快速测量方法， 属于微纳薄膜领域和热测量领 域。 背景技术 [0002]随着各类电子器件不断朝着微型化、 高集成度方向发展， 微纳米尺度的功能薄膜 在器件制备中变得越来越关键。 微纳薄膜的热导率直接决定了它的散热性能， 因此在器件 的设计和生产中， 选择 热导率性能最佳的微纳薄膜非常重要。 [0003]微纳尺度的薄膜由于其厚度或晶粒尺寸很小， 传热性能会存在尺度效应， 因此相 同材料的微纳薄膜的热导率会与其块体形态的热导率不一样。 目前用于测量薄膜热导率的 方法主要分为两种： 接触式测量和非接触式测 量。 接触式测量的加热装置和测试装置需要 制备相应的结构植入样品表面或者嵌入样品内部， 这种 方法只适合测量特定的薄膜， 对不 同类型的薄膜进 行热导率测试还需额外制备特定的加热结构或者测试结构， 因此无法适用 于多种薄膜热导率的高效测量。 非接触式测量的方法相较于接触式测量有许多好处： 首先， 加热装置和测 量装置无需接触薄膜， 因此无需对测试薄膜进行额外的加工和制备， 薄膜在 测试过程中可以保证结构完整； 其次， 非接触式的测 量装置可以适用于多种薄膜的热导率 测量， 因此测试装置可以重复利用。 非接触式测量装置一般使用激光进 行加热和测试。 目前 常用的非接触式测量方法包括： 闪光法(Par ker等人提出)、 光热反射法(Kading等人提出)、 交流量热法(Hatta等人提出)。 上述方法主要通过将传热过程视为一个一 维传热模 型， 或者 通过简化计算公式和模型求解得出热导率的数值， 并不 都适用于厚度在微纳米级别的薄膜 进行热导率的测量。 [0004]对于实验室研究阶段的薄膜样品来说， 厚度在微纳 米级别的薄膜的研制成本较高 且十分容易损坏 。 当薄膜上制备了特定的微纳结构时， 其 成品率会随之降低， 而制备成本会 进一步提高。 使用现有的接触式测量方法去测量这种微纳薄膜的热导率时将会导致薄膜损 坏， 从而造成较大的成本损失和样品浪费。 因此， 一个不破坏微纳薄膜的结构同时又可以准 确测量其热导率的方法亟需被提出去弥补现有薄膜热导 率测量方法的空缺。 发明内容 [0005]本发明的目的是为了解决在不破坏微纳薄膜的前提下快速测量其热导率的问题， 提供一种微纳薄膜热导率的快速测量方法， 该方法使用非接触式激光稳态测量方法和加速 匹配算法相结合， 可以实现对微纳薄膜热导率的快速、 准确测量。 本发 明可以应用于多种薄 膜材料的热导率测量， 不仅可以对无衬底的微纳薄膜的热导率进行测量， 也可以对衬底的 热导率已知的微纳薄膜进行 热导率测量。 [0006]本发明的目的是通过 下述技术方案实现的。 [0007]一种微纳薄膜热导率的快速测量方法， 其中测试装置包括： 加热光源、 测温装置、 样品固定装置。 将微纳薄膜安装在样品固定装置中， 使用加热光源给微纳薄膜样品的表面说　明　书 1/7 页 3 CN 114295667 A 3