專利名稱：具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是關(guān)于一種利用交流加熱和諧波法測量固體材料熱物性參數(shù)(導(dǎo)熱
系數(shù)和熱擴(kuò)散率等)的方法及裝置，特別是應(yīng)用于金屬、陶瓷等導(dǎo)電和非導(dǎo)電固體以及薄 膜熱物性參數(shù)無損測試的裝置。
背景技術(shù)：
近二十年來，基于諧波探測的3 "測量技術(shù)一直被認(rèn)為是測量固體及薄膜熱物性 參數(shù)的一種有效手段。其實現(xiàn)的方法大致是在待測材料表面制備具有一定尺寸和形狀的微 型金屬帶，把該微型金屬帶同時作為加熱器和溫度傳感器，然后根據(jù)熱波頻率與溫度變化 的關(guān)系求得待測材料的熱物性參數(shù)。目前該方法主要被用于測試非導(dǎo)電固體及薄膜的熱物 性參數(shù)。對于導(dǎo)電固體及薄膜，則需要首先在其表面覆蓋一薄層絕緣膜，再在絕緣膜上制備 微型金屬帶。分析該測試方法特點發(fā)現(xiàn)，該方法不能實現(xiàn)待測樣品的無損檢測，并且需要重 復(fù)對單個樣品進(jìn)行絕緣膜(導(dǎo)電固體和薄膜測量時)及微型金屬帶的制備，因此實施工藝 復(fù)雜，成本代價也較高。另外，利用百納米級厚的絕緣膜來實現(xiàn)導(dǎo)電樣品與微型金屬帶間絕 緣的方法不能保證測試結(jié)構(gòu)的成功率。利用上層為柔性覆蓋膜的基于柔性襯底的獨立探頭 可以解決上述問題。柔性襯底及柔性覆蓋膜本身就是絕緣膜，能實現(xiàn)導(dǎo)電樣品熱物性參數(shù) 的測量，也省略了事先在導(dǎo)電樣品上制備絕緣層的工序。另外，柔性襯底和柔性覆蓋膜對微 型金屬帶有保護(hù)作用，構(gòu)成的獨立探頭具有一定的機(jī)械強度，可以重復(fù)使用，這就省略了再 在待測樣品上制備微型金屬帶的工序。

實用新型內(nèi)容本實用新型目的是解決現(xiàn)有基于諧波探測的3co測量技術(shù)在測試時需要重復(fù)制 備微型金屬帶以及絕緣困難等的技術(shù)缺陷，為此，本實用新型提供一種獨立探頭能重復(fù)使 用、保證金屬帶與待測樣品絕緣，可用于金屬、陶瓷等導(dǎo)電和非導(dǎo)電固體以及薄膜的導(dǎo)熱系 數(shù)和熱擴(kuò)散率等多個熱物性參數(shù)同時測試、具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性測試裝置。 為達(dá)成所述目的，本實用新型提供一種具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性 測試裝置，該裝置的技術(shù)方案是含有獨立探頭、第一待測樣品、第二待測樣品、壓力調(diào)整 部、樣品固定臺、數(shù)顯式扭矩扳手、諧波測量單元，其中獨立探頭位于兩塊相同的第一待測 樣品、第二待測樣品之間構(gòu)成三明治式結(jié)構(gòu)，三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品固定臺的凸臺上，并 且三明治式結(jié)構(gòu)與樣品固定臺平行放置；樣品固定臺的底座上設(shè)有一方孔與兩個螺紋孔成 90° ;所述獨立探頭內(nèi)具有微型金屬帶以微弱周期正弦電流加熱，微型金屬帶中間的兩引 線端間的三次諧波電壓接近1/500 1/1000微型金屬帶的基波電壓； 壓力調(diào)整部位于第一待測樣品的上端面上，并且壓力調(diào)整部壓緊第一待測樣品， 三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品固定臺的凸臺上；數(shù)顯式扭矩扳手套接于壓力調(diào)整部的一端，數(shù) 顯式扭矩扳手調(diào)節(jié)壓力調(diào)整部的位移，并且數(shù)顯式扭矩扳手能在調(diào)節(jié)壓力調(diào)整部過程中實時顯示作用于三明治式結(jié)構(gòu)的扭力值；諧波測量單元與獨立探頭電連接，用于諧波法測量 多個扭力值下獨立探頭兩端的基波電壓及三次諧波電壓并計算擬合扭力值與獨立探頭和 第一待測樣品、第二待測樣品間接觸熱阻的關(guān)系。 本實用新型提供一種固體材料熱物性測量裝置，用于測量金屬、陶瓷等導(dǎo)電和非 導(dǎo)電固體以及薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率參數(shù)。 本實用新型的有益效果本實用新型能在很大程度上解決目前基于諧波探測的 測量技術(shù)在測試樣品熱物性參數(shù)時需要在單個樣品上重復(fù)制備微型金屬帶以及絕緣 困難的問題，可以直接將獨立探頭夾在兩樣品間進(jìn)行測試，柔性襯底和柔性覆蓋膜同時充 當(dāng)絕緣層，保證非導(dǎo)電/導(dǎo)電固體及薄膜的無損檢測?；谌嵝砸r底的微型金屬帶厚度在 100 1000nm范圍內(nèi)，寬度在100 500 y m范圍內(nèi)，可以不必考慮金屬膜自身熱容的影響， 柔性襯底及柔性覆蓋膜的厚度在8 25iim范圍內(nèi)，可以保證微型金屬膜與導(dǎo)電樣品間的 絕緣并且具有一定的機(jī)械強度保證探頭在使用時不易損壞。柔性襯底及柔性覆蓋膜具有彈 性，當(dāng)與樣品夾緊時可以大大降低界面的接觸熱阻?；谌嵝砸r底的微型金屬帶中間兩引 線件間距在2 20mm范圍內(nèi)，可以有效消除微型金屬帶端部散熱的影響。與在樣品上制備 微型金屬帶的基于諧波探測的3co測量技術(shù)相比，本實用新型不再需要額外在待測樣品上 制備微型金屬帶以及在導(dǎo)電樣品上制備百納米級厚的絕緣膜；利用該方法可以保證非導(dǎo)電 /導(dǎo)電固體的無損檢測。由于接觸熱阻與獨立探頭與待測樣品間的壓緊程度有關(guān)，而用一個 數(shù)顯式扭矩扳手即可調(diào)節(jié)兩者間的壓緊程度并實時顯示扭力值，因此利用該實驗系統(tǒng)也可 以測量接觸熱阻與壓力的關(guān)系。

圖1是本實用新型的獨立探頭示意圖； 圖2是本實用新型的獨立探頭剖面圖； 圖3是本實用新型的具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性測試裝置樣品固定 臺示意圖； 圖3a是示出圖3中虛線內(nèi)的局部放大圖； 圖4是本實用新型諧波測量單元7的結(jié)構(gòu)示意圖。
主要元件說明 獨立探頭l包括 微型金屬帶11、柔性覆蓋膜12、柔性襯底13、四個引線件141至144和四個引線端 14a至14d ; 第一待測樣品2，第二待測樣品3 ; 壓力調(diào)整部包括一對立柱40、滑塊41和螺桿42 ; 樣品固定臺包括底座51、凸臺52、卡座53、卡座蓋54、方孔55、螺紋孔56和57 ; 數(shù)顯式扭矩扳手6; 諧波測量單元7包括第一運算放大器71、第二運算放大器72、第三運算放大器 73、前置放大器74、信號發(fā)生器75、鎖相放大器76、微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)77、第一低溫 漂電阻Rl、第二低溫漂電阻R2、第三低溫漂電阻R3、第四低溫漂電阻R4、第五低溫漂電阻 R5、第六低溫漂電阻R6、第七低溫漂電阻R7、第八低溫漂電阻R8、可調(diào)電阻R9、第一電流引線端7a、第二電流引線端7d、第一探測電壓引線端7b、第二探測電壓引線端7c。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實用新型技術(shù)方案中所涉及的各個細(xì)節(jié)問題。應(yīng)指出的 是，所描述的實施例僅旨在便于對本實用新型的理解，而對其不起任何限定作用。 本實用新型的一種具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性測試方法，利用具有獨 立探頭的諧波法固體材料熱物性測試裝置實現(xiàn)該方法的步驟如下①把獨立探頭1夾在兩 塊已知熱物性參數(shù)的相同標(biāo)準(zhǔn)樣品之間構(gòu)成測試結(jié)構(gòu)，并放置在樣品固定臺底座的凸臺52 上，移動滑塊41和螺桿42，當(dāng)螺桿42的頂端接觸到上標(biāo)準(zhǔn)樣品的頂面時停止移動滑塊41 并在側(cè)面通過螺栓固定滑塊41 ;②用數(shù)顯式扭矩扳手6扭轉(zhuǎn)螺桿42，在一個扭力點上暫停 并記錄對應(yīng)的扭力值，然后開始用諧波法測量獨立探頭1內(nèi)的微型金屬帶11兩端的基波電 壓及三次諧波電壓，根據(jù)諧波法測試原理擬合標(biāo)準(zhǔn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)值；③繼續(xù)轉(zhuǎn)動數(shù)顯式 扭矩扳手6使扭力值增大，然后重復(fù)步驟②，得到多個扭力值下標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測量 值；④利用得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品多個導(dǎo)熱系數(shù)的測量值，找出與標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的真實值最 接近的測量值，設(shè)此測量值對應(yīng)的扭力值是不影響導(dǎo)熱系數(shù)真實測量的獨立探頭與標(biāo)準(zhǔn)樣 品間的接觸熱阻所對應(yīng)的扭力值，此扭力值為最佳扭力值；⑤從凸臺52上取下測試結(jié)構(gòu)， 把獨立探頭1夾在兩塊相同的待測樣品2、3之間構(gòu)成新的測試結(jié)構(gòu)，仍將其放置在凸臺52 上，執(zhí)行步驟l固定好新的測試結(jié)構(gòu)；⑥用數(shù)顯式扭矩扳手6扭轉(zhuǎn)螺桿42，依次在多個小于 最佳扭力值下停止扭轉(zhuǎn)螺桿42，記錄扭力值并用諧波法測試待測樣品2、3的導(dǎo)熱系數(shù)和熱 擴(kuò)散率值；⑦扭轉(zhuǎn)數(shù)顯式扭矩扳手6直至最佳扭力值，再用諧波法測試待測樣品2、3的導(dǎo)熱 系數(shù)和熱擴(kuò)散率，即完成對待測樣品2、3熱物性參數(shù)的測試；⑧記錄多個小于最佳扭力值 下的導(dǎo)熱系數(shù)測量值及最佳扭力值下的導(dǎo)熱系數(shù)測量值的大小，將小于最佳扭力值下的導(dǎo) 熱系數(shù)測量值與最佳扭力值下的導(dǎo)熱系數(shù)測量值的差別作為待測樣品2、3與獨立探頭1間 存在接觸熱阻，所述待測樣品2、3與獨立探頭1間的接觸熱阻的大小由扭力值的大小實驗 結(jié)果擬合的一個經(jīng)驗式?jīng)Q定，并且在最佳扭力值下待測樣品2、3與獨立探頭1間存在的接 觸熱阻不影響導(dǎo)熱系數(shù)真實測量而可被忽略，通過計算多個小于最佳扭力值下導(dǎo)熱系數(shù)測 量值與最佳扭力值下導(dǎo)熱系數(shù)測量值的差值，再運用接觸熱阻與熱導(dǎo)率差值的關(guān)系式，得 到多個扭力值下待測樣品2、3與獨立探頭1間的接觸熱阻。所述獨立探頭1內(nèi)的微型金屬 帶11采用微弱周期正弦電流加熱。測試時，調(diào)整所述微型金屬帶11的基波電壓，使兩引線 端14b、14c間的三次諧波電壓接近1/500 1/1000基波電壓。 請參考圖1、圖2、圖3和圖4示出的固體材料熱物性測試裝置，圖3示出該裝置， 含有獨立探頭1、第一待測樣品2、第二待測樣品3、壓力調(diào)整部、樣品固定臺、數(shù)顯式扭矩 扳手6、諧波測量單元7(壓力調(diào)整部、樣品固定臺圖中未做標(biāo)記)，其中 請參考圖3a示出獨立探頭1位于兩塊相同的第一待測樣品2、第二待測樣品3之 間構(gòu)成三明治式結(jié)構(gòu)，三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品固定臺，并且三明治式結(jié)構(gòu)與樣品固定臺 平行放置；壓力調(diào)整部位于第一待測樣品2的上端面上，并且壓力調(diào)整部壓緊第一待測樣 品2，三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品固定臺的凸臺52上；數(shù)顯式扭矩扳手6套接于壓力調(diào)整部 的一端，數(shù)顯式扭矩扳手6調(diào)節(jié)壓力調(diào)整部的位移，并且數(shù)顯式扭矩扳手6能在調(diào)節(jié)壓力調(diào) 整部過程中實時顯示作用于三明治式結(jié)構(gòu)的扭力值；諧波測量單元7與獨立探頭1電連接，用諧波法測量多個扭力值下獨立探頭1兩端的基波電壓及三次諧波電壓，根據(jù)諧波法測量 原理計算擬合扭力值與獨立探頭1和第一待測樣品2、第二待測樣品3間接觸熱阻的關(guān)系。 如圖1和圖2示出的獨立探頭1包括微型金屬帶11、柔性覆蓋膜12、柔性襯底13 和四個引線件141 144，微型金屬帶11分別與四個引線件141 144的一端部連接，四個 引線件141 144的另一端有四個引線端14a 14d ;微型金屬帶11和四個引線件141 144位于柔性覆蓋膜12和柔性襯底13之間；引線端14b、14c分別與諧波測量單元7的諧 波探測電壓引線端7b、7c通過導(dǎo)線連接，諧波測量單元7的電流引線端7a、7d通過導(dǎo)線接 入引線端14a、14d周期對微型金屬帶11電加熱。 所述微型金屬帶11和四個引線件141 144由導(dǎo)電金屬通過光刻或氣相沉積工 藝附著在柔性襯底13上形成百納米級厚的四焊盤形狀結(jié)構(gòu)，與柔性襯底13為同種材料 帶膠的柔性覆蓋薄膜12通過熱壓工藝與基于柔性襯底13的微型金屬帶3及四個引線件 141 144形成三明治式結(jié)構(gòu)，柔性襯底13和柔性覆蓋膜12在微型金屬帶11及四個引線 件141 144的底面和頂面形成具有一機(jī)械強度的微型金屬帶11及四個引線件141 144 的絕緣保護(hù)層。 所述導(dǎo)電金屬為箔或鎳；所述柔性襯底為聚酰亞胺或云母。 基于柔性襯底13上的微型金屬帶11厚度在100 1000nm范圍內(nèi)，寬度在100 500 ii m范圍內(nèi)，總長度在10 50mm范圍內(nèi)，四個引線件141 144的每兩個引線端間距在 2 20mm范圍內(nèi)；柔性襯底13及柔性覆蓋膜12的厚度在8 25 y m范圍內(nèi)。 所述樣品固定臺包括一底座51、一凸臺52、一卡座53、一卡座蓋54、一方孔55、 兩螺紋孔56和57 ;其中底座51與凸臺52固定連接或底座51與凸臺52為一體結(jié)構(gòu)。在 底座51兩側(cè)對稱設(shè)有兩個螺紋孔56和57，底座51上設(shè)有一方孔55與與兩個螺紋孔56、 57成90° ;凸臺52位于底座51的中間；卡座53通過方孔與底座51固定連接；卡座蓋54 兩側(cè)對稱設(shè)有兩個螺紋孔56和57，通過兩個螺栓與卡座53固定連接；從引線部件141 144弓|線端14a 14d引出的四根導(dǎo)線穿過卡座53的槽并由卡座蓋54固定；第二待測樣 品的下端面與凸臺52接觸。 請參考圖3a示出，所述壓力調(diào)整部包括一對立柱40、一滑塊41、一螺桿42 ;立柱 40與底座51上的螺紋孔固定連接；兩個立柱40上套設(shè)有一滑塊41，滑塊41的中央與螺桿 42螺紋連接，第一待測樣品2的上端面與螺桿42的壓接端壓接；滑塊41和螺桿42為滑動 連接共同決定螺桿42壓接端的位移，用于實現(xiàn)兩個待測樣品2、3與獨立探頭1間的壓緊； 兩個待測樣品2、3與獨立探頭1間接觸熱阻的大小通過改變螺桿42與第一待測樣品2間 的壓緊程度來調(diào)節(jié)；螺桿42頂端為光滑半球或橢球結(jié)構(gòu)便于調(diào)節(jié)待測樣品2、3和獨立探頭 1受力均勻。所述數(shù)顯式扭矩扳手6或是數(shù)字式扭矩測量儀。 所述的固體材料熱物性測量裝置，用于測量金屬、陶瓷等導(dǎo)電和非導(dǎo)電固體以及 薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率參數(shù)。 圖1 ，圖2，圖3和圖4組成具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性測試裝置；其中 圖3和圖4中的獨立探頭放大結(jié)構(gòu)見圖1及圖2 ;測試時獨立探頭1的具體位置見圖3 ;圖 3中的獨立探頭1的四個引線端14b、14c和14a、14d分別通過導(dǎo)線接圖4的諧波測量單元 7的諧波探測電壓引線端7b、7c和電流引線端7a、7d。 將獨立探頭1夾在兩塊相同的第一待測樣品2和第二待測樣品3之間，并給微型金屬帶ll通入角頻率為"的周期微弱電流，因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量將以2"的頻率對微 型金屬帶11、金屬帶外側(cè)柔性襯底13、柔性覆蓋膜12及第一待測樣品2和第二待測樣品3 加熱，產(chǎn)生頻率不同的溫度波，引起微型金屬帶ll的電阻增加，而微型金屬帶ll增加的電 阻又與角頻率為o的周期電流共同作用產(chǎn)生頻率不同的電壓諧波。根據(jù)電壓諧波與振動 頻率的關(guān)系可以確定固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率等多個熱參數(shù)。利用本實用新型提出 的理論模型和數(shù)據(jù)處理方法可以同時無損測量金屬、陶瓷等導(dǎo)電和非導(dǎo)電固體以及薄膜導(dǎo) 熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率等多個熱物性參數(shù)。 本實用新型采用微弱周期正弦電流加熱基于柔性襯底的微型金屬帶11，因微型金 屬帶11內(nèi)部電流的有效值很小，產(chǎn)生的加熱功率只有幾個毫瓦，在加熱柔性覆蓋膜12、柔 性襯底13、第一待測樣品2和第二待測樣品3的過程中，微型金屬帶11的溫升必須小于 1 2K，同時采用的周期電流的頻率范圍比較大，從幾Hz變化到幾KHz，在上述條件下固體 的溫升和加熱作用深度很小，同時鎖相放大器采用比較小的時間常數(shù)，可以使得固體樣品 比較容易滿足半無限大邊界的假設(shè)條件，進(jìn)而可以使得測量所需的樣品體積很小。由于微 型金屬帶11表面的柔性覆蓋膜12和柔性襯底13有一定的厚度，而且導(dǎo)熱系數(shù)不小(約 0. 8Wm—0 ，因此絕緣層的溫度改變的影響不可忽略，但是可以從實驗數(shù)據(jù)中減去絕緣層的 影響。只要保證在所測量頻率范圍內(nèi)熱波已經(jīng)穿透了柔性覆蓋膜12和柔性襯底13，就能得 到固體樣品的熱物性參數(shù)信息。本實用新型測試的固體的導(dǎo)熱系數(shù)范圍比較寬，固體導(dǎo)熱 系數(shù)在0. 1 50W *m—1 K—1之間，導(dǎo)熱系數(shù)的測量不確定度小于±3. 5%，固體導(dǎo)熱系數(shù)在 50 500W m—1 K—1之間，導(dǎo)熱系數(shù)的測量不確定度小于±2% ，熱擴(kuò)散系數(shù)的測量不確定 度小于±6%。 測試開始前，要對最佳扭力值進(jìn)行校準(zhǔn)，具體步驟如下將獨立探頭1夾在兩塊標(biāo) 準(zhǔn)樣品之間構(gòu)成類似三明治的結(jié)構(gòu)并將其放置在樣品固定臺的凸臺52上，移動滑塊41和 螺桿42，當(dāng)螺桿42的頂端接觸到上標(biāo)準(zhǔn)樣品的頂面時停止移動滑塊41并在側(cè)面通過螺栓 固定滑塊41 ;用數(shù)顯式扭矩扳手6扭轉(zhuǎn)螺桿42，在一個扭力點上暫停并記錄對應(yīng)的扭力值， 然后開始用諧波法測量獨立探頭內(nèi)的微型金屬帶兩端的基波電壓及三次諧波電壓，根據(jù)諧 波法測試原理擬合標(biāo)準(zhǔn)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)值；繼續(xù)轉(zhuǎn)動數(shù)顯式扭矩扳手使扭力值增大，然后 重復(fù)上面步驟，得到多個扭力值下標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測量值；利用得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品多個 導(dǎo)熱系數(shù)的測量值，找出與標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的真實值最接近的測量值，設(shè)此測量值對應(yīng) 的扭力值是不影響導(dǎo)熱系數(shù)真實測量的獨立探頭與標(biāo)準(zhǔn)樣品間的接觸熱阻所對應(yīng)的扭力 值，此扭力值為最佳扭力值；即完成校準(zhǔn)工作。正式測試時，以同樣的方法將獨立探頭1與 第一待測樣品2和第二待測樣品3構(gòu)成的類似三明治結(jié)構(gòu)通過螺桿42的頂端壓緊在凸臺 52上，再用數(shù)顯式扭矩扳手直接扭轉(zhuǎn)螺桿42至最佳扭力值，認(rèn)為此時第一待測樣品2、第二 待測樣品3已經(jīng)與獨立探頭1充分接觸。調(diào)節(jié)串聯(lián)的可調(diào)電阻R9接近或略微大于測量過 程中微型金屬帶11可能達(dá)到的最大電阻。為了防止微型金屬帶11有比較明顯的溫升，調(diào) 節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓，使得可調(diào)電阻R9兩端的電壓接近10mV，微調(diào)可調(diào)電阻，通過鎖 相放大器的差動輸入監(jiān)測，使得電橋平衡，可調(diào)電阻的阻值就等于微型金屬帶的冷態(tài)電阻。 然后開始測試，選擇一系列的頻率值，測量對應(yīng)頻率值下微型金屬帶11兩端的基波電壓及 三次諧波電壓。測量在某一頻率下微型金屬帶ll兩端的三次諧波時，應(yīng)選擇合理的基波電 壓，使得微型金屬帶11兩端的三次諧波接近基波的1/500 1/1000。另外，在數(shù)顯式扭轉(zhuǎn)扭矩扳手達(dá)到最佳扭力值的過程中也可以在多個小于最佳扭力值上停留(此時意味著獨
立探頭與樣品間接觸熱阻不可忽略)，然后用上述方法測量微型金屬帶11兩端的基波電壓
和三次諧波電壓，再根據(jù)諧波法測試原理擬合待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)值；通過計算多個小于
最佳扭力值下導(dǎo)熱系數(shù)測量值與最佳扭力值下導(dǎo)熱系數(shù)測量值的差值，再運用接觸熱阻與
熱導(dǎo)率差值的關(guān)系式，得到多個扭力值下待測樣品與獨立探頭之間的接觸熱阻。 請參見圖4示出本實用新型諧波測量單元7的結(jié)構(gòu)，諧波測量單元7包括第一
運算放大器71、第二運算放大器72、第三運算放大器73、前置放大器74、信號發(fā)生器75、鎖
相放大器76、微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)77、第一低溫漂電阻R1、第二低溫漂電阻R2、第三低
溫漂電阻R3、第四低溫漂電阻R4、第五低溫漂電阻R5、第六低溫漂電阻R6、第七低溫漂電阻
R7、第八低溫漂電阻R8、可調(diào)電阻R9、第一電流引線端7a、第二電流引線端7d、第一探測電
壓引線端7b、第二探測電壓引線端7c。 信號發(fā)生器75輸出角頻率為"的交流電壓信號經(jīng)第一運算放大器71轉(zhuǎn)換為電 流信號，該電流信號用于同時驅(qū)動可調(diào)電阻R9和獨立探頭1的微型金屬帶11，可調(diào)電阻R9 和獨立探頭1的電壓信號分別經(jīng)第二運算放大器72和第三運算放大器73變?yōu)椴顒有盘栐?經(jīng)前置放大器74放大后輸入鎖相放大器76。微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)77控制信號發(fā)生 器75鎖相放大器76及可調(diào)電阻。第一電流引線端7a和第二電流引線端7d分別與獨立探 頭1的引線端14a和14d電連接，第一探測電壓引線端7b和第二探測電壓引線端7c分別 與獨立探頭1的引線端14b和14c電連接。 以上所述，僅為本實用新型中的具體實施方式
，但本實用新型的保護(hù)范圍并不局 限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替 換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的包含范圍之內(nèi)，因此，本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求 書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求一種具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性測試裝置，其特征在于，該裝置含有獨立探頭、第一待測樣品、第二待測樣品、壓力調(diào)整部、樣品固定臺、數(shù)顯式扭矩扳手、諧波測量單元，其中獨立探頭位于兩塊相同的第一待測樣品、第二待測樣品之間構(gòu)成三明治式結(jié)構(gòu)，三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品固定臺的凸臺上，并且三明治式結(jié)構(gòu)與樣品固定臺平行放置；樣品固定臺的底座上設(shè)有一方孔與兩個螺紋孔成90°；所述獨立探頭內(nèi)具有微型金屬帶以微弱周期正弦電流加熱，微型金屬帶的中間兩引線端間的三次諧波電壓接近1/500～1/1000微型金屬帶的基波電壓；壓力調(diào)整部位于第一待測樣品的上端面上，并且壓力調(diào)整部壓緊第一待測樣品，三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品固定臺的凸臺上；數(shù)顯式扭矩扳手套接于壓力調(diào)整部的一端，數(shù)顯式扭矩扳手調(diào)節(jié)壓力調(diào)整部的位移，并且數(shù)顯式扭矩扳手能在調(diào)節(jié)壓力調(diào)整部過程中實時顯示作用于三明治式結(jié)構(gòu)的扭力值；諧波測量單元與獨立探頭電連接，用于諧波法測量多個扭力值下獨立探頭兩端的基波電壓及三次諧波電壓并計算擬合扭力值與獨立探頭和第一待測樣品、第二待測樣品間接觸熱阻的關(guān)系。
2. 如權(quán)利要求1所述的固體材料熱物性測試裝置，其特征在于，所述獨立探頭包括微 型金屬帶、柔性覆蓋膜、柔性襯底和四個引線件，微型金屬帶分別與四個引線件的一端部連 接；微型金屬帶和四個引線件位于柔性覆蓋膜和柔性襯底之間；兩個引線端分別與諧波測 量單元的諧波探測兩個電壓引線端通過導(dǎo)線連接，諧波測量單元的另兩個電流引線端通過 導(dǎo)線接入另兩個引線端周期對微型金屬帶電加熱。
3. 如權(quán)利要求2所述固體材料熱物性測試裝置，其特征在于，所述微型金屬帶和四個 引線件由導(dǎo)電金屬通過光刻或氣相沉積工藝附著在柔性襯底上形成百納米級厚的四焊盤 形狀結(jié)構(gòu)，與柔性襯底為同種材料帶膠的柔性覆蓋薄膜通過熱壓工藝與基于柔性襯底的微 型金屬帶及四個引線件形成三明治式結(jié)構(gòu)，柔性襯底和柔性覆蓋膜在微型金屬帶及四個引 線件的底面和頂面形成具有一機(jī)械強度的微型金屬帶及四個引線件的絕緣保護(hù)層。
4. 如權(quán)利要求3所述固體材料熱物性測試裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬為箔或鎳； 所述柔性襯底為聚酰亞胺或云母。
5. 如權(quán)利要求4所述固體材料熱物性測試裝置，其特征在于，基于柔性襯底上的微型 金屬帶厚度在100 1000nm范圍內(nèi)，寬度在100 500 y m范圍內(nèi)，總長度在10 50mm范 圍內(nèi)，四個引線件的每兩個引線端間距在2 20mm范圍內(nèi)；柔性襯底及柔性覆蓋膜的厚度 在8 25iim范圍內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求1所述固體材料熱物性測試裝置，其特征在于，所述樣品固定臺包括 一底座、一凸臺、一卡座和一卡座蓋，其中底座與凸臺固定連接或底座與凸臺為一體結(jié)構(gòu)； 在底座兩側(cè)對稱設(shè)有兩個螺紋孔，凸臺位于底座的中間；卡座通過方孔與底座固定連接； 卡座蓋兩側(cè)對稱設(shè)有兩個螺紋孔，通過兩個螺栓與卡座固定連接；從引線部件的引線端引 出的四根導(dǎo)線穿過卡座的槽并由卡座蓋固定；第二待測樣品的下端面與凸臺接觸。
7. 如權(quán)利要求1所述固體材料熱物性測試裝置，其特征在于，所述壓力調(diào)整部包括一 對立柱、一滑塊、一螺桿；立柱與底座上的螺紋孔固定連接；兩個立柱上套設(shè)有一滑塊，滑 塊的中央與螺桿螺紋連接，第一待測樣品的上端面與螺桿的壓接端壓接；滑塊和螺桿為滑 動連接共同決定螺桿壓接端的位移，用于實現(xiàn)兩個待測樣品與獨立探頭間的壓緊；兩個待測樣品與獨立探頭間接觸熱阻的大小通過改變螺桿與第一待測樣品間的壓緊程度來調(diào)節(jié)； 螺桿頂端為光滑半球或橢球結(jié)構(gòu)便于調(diào)節(jié)待測樣品和獨立探頭受力均勻。
8. —種如權(quán)利要求1所述的固體材料熱物性測量裝置，用于測量金屬、陶瓷等導(dǎo)電和 非導(dǎo)電固體以及薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率參數(shù)。
專利摘要本實用新型為具有獨立探頭的諧波法固體材料熱物性測試裝置，獨立探頭位于兩塊相同待測樣品之間構(gòu)成三明治式結(jié)構(gòu)，三明治式結(jié)構(gòu)與樣品固定臺平行放置；樣品固定臺的底座上設(shè)有一方孔與兩個螺紋孔成90°；壓力調(diào)整部位于第一待測樣品的上端面上，并且壓力調(diào)整部壓緊第一待測樣品，三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品固定臺的凸臺上；數(shù)顯式扭矩扳手套接于壓力調(diào)整部的一端，數(shù)顯式扭矩扳手調(diào)節(jié)壓力調(diào)整部的位移，并且數(shù)顯式扭矩扳手能顯示作用于三明治式結(jié)構(gòu)的扭力值；諧波測量單元與獨立探頭電連接，測量多個扭力值下獨立探頭兩端的基波電壓及三次諧波電壓并計算擬合扭力值與獨立探頭和第一待測樣品、第二待測樣品間接觸熱阻的關(guān)系。
文檔編號G01N25/20GK201535761SQ200920277780
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者唐大偉, 邱琳, 鄭興華 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所