基于TPS法的薄膜导热系数测量技术研究

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1、基于TPS法的薄膜导热系数测量技术研究ResearchonTechnologyforThermalConductivityMeasurementofThinFilmsBasedonTPSMethod工程领域：仪器仪表工程作者姓名：张乃华指导教师：李艳宁教授企业导师：胡茂银高工天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要薄膜作为一种特殊材料，其厚度极小，与常见的块状材料相比有很大差异，故它的导热系数测量是一个难点。瞬态平面热源（TransientPlaneSource,TPS）法为此提供了可行方案。本课题组在前期的技术积累

2、中，已利用TPS法对块状材料导热系数进行了准确测量。但是，由于薄膜材料的特殊性，TPS法测量其导热系数还存在诸多问题，如TPS法测量薄膜的基本原理并未阐明，薄膜本身的热阻、实际中的接触热阻以及背景材料对测量误差的影响还有待研究，测试系统中薄膜导热系数计算的软件算法也未开发。针对上述问题，本文旨在从原理、仿真模型、软件算法和实验等方面对TPS法测量薄膜导热系数的测量技术进行研究，完成的主要工作有：1、介绍了薄膜导热系数测量的技术背景，明确了薄膜导热系数测量的重要意义，比较了当前的主要测量方法和TPS法的差异，提出了本课题的研究目的

3、并叙述了主要内容。2、结合一维稳态传热模型和TPS法，阐述了薄膜导热系数测量的基本原理，得到了导热系数的计算方法和界面温度差的确定方法，并修正了原理中的系统误差，简化了无量纲时间函数。3、运用基于COMSOLMultiphysics软件的仿真技术，建立了TPS法测量薄膜导热系数的仿真模型，并对有可能的影响因素包括薄膜热阻、接触热阻和背景材料等进行了数值分析，得到了测量准确度提高的方法并为后续实验作指导。4、基于课题组原有的硬件系统，提出了薄膜测量的软件设计方案，并对各个软件模块进行了详细分析。5、采用搭建好的测试系统对单一厚度薄

4、膜和不同厚度薄膜进行了实验。结果表明，TPS法可以较为准确地测量薄膜导热系数，但薄膜本身热阻和实际中接触热阻的存在会使得测量结果产生误差。对于单一厚度薄膜和不同厚度薄膜，可分别用不同方法对误差进行修正，从而提高测量准确度。6、对本文所完成的工作进行总结，并就未解决的问题提出了展望。关键词：瞬态平面热源法，导热系数，薄膜，热阻，仿真模型IABSTRACTThinfilms,asakindofspecialmaterial,theirthicknessareverysmall,andtherearemanydifferencesbe

5、tweenthinfilmsandcommonblockmaterials,soitisachallengetomeasurethermalconductivityofthinfilms.Transientplanesource(TPS)methodprovidesafeasibleschemeforthechallenge.Inourpreviousresearch,theTPSmethodhasbeenusedtomeasurethermalconductivityofbulkmaterialsaccurately.Howe

6、ver,duetotheparticularityofthefilmmaterial,therearestillmanyproblemsinmeasurementofthermalconductivitybyusingtheTPSmethod.Thebasicprincipleformeasuringthermalconductivityofthinfilmshasnotbeenunderstood.Theinfluenceofthethermalresistances,thethermalcontactresistances,

7、andthebackgroundmaterialsonresultsofmeasurementhasnotbeenstudied.Thesoftwarealgorithmsformeasuringthermalconductivityofthinfilmshavenotbeendevelopedyet.Inordertosolvetheseproblems,thisthesisaimstostudythemeasurementofthermalconductivityofthinfilmsbyusingtheTPSmethod.

8、Themaincontentsofthestudyaretheprinciple,simulationmodel,softwarealgorithmsandexperiments.Andthemainworkofthisthesisisasfollows.1.T