[发明专利]一种测试多层薄膜结构热物理性质的无损电测方法

权利要求书

1.一种测试多层薄膜结构热物理性质的无损电测方法，其特征在于，包括以下流程：

S1：实验测试：对微加热器通以交流电流使其产生焦耳热，测得所述微加热器两端的一倍频电压信号、三倍频电压信号，基于3omega法计算实验中微加热器的实际温度变化ΔT_{heater-实验}；

S2：建立热学理论模型，包括以下步骤：

S21、在多层薄膜结构中的任意位置放置至少一个已预先获得电阻-温度特性的微加热器，基于温度和热流连续性假设，求解热扩散方程，然后建立多层薄膜结构内温度及热流量在层内与层间的传递关系；

S22、基于热学模型，结合热散射矩阵，求解微加热器的理论温度变化ΔT_{heater-理论}的解析表达式，所述解析表达式与所述微加热器的加热电流的幅值与频率、各层薄膜厚度、导热系数、以及体积比热关联；将实验测试中所述交流电流、所述三倍频电压信号及所述电阻-温度特性的已知量，以及每一交流电流的频率点下假设的热物理参数，代入所述解析表达式，计算得到理论温度变化ΔT_{heater-理论}；

S3、将所述ΔT_{heater-实验}与所述ΔT_{heater-理论}拟合，寻找满足交流电流每个频率点下ΔT_{heater-理论}和ΔT_{heater-实验}偏差最小的最优热物理参数，提取出各层材料的热物理性质，即导热系数、比热容、界面热阻；

针对在多层薄膜结构中的任意位置放置一个微加热器的结构，所述S21中，建立多层薄膜结构内温度及热流量在层内与层间的传递关系，在一维周期性加热情况下，即热量仅沿y方向传输，且无界面热阻时，其表达式如下：

微处理器位于同一层内情况下：

上式中，下标j为薄膜层数编号，T表示温度，q表示热流量，a、b分别表示各层薄膜上、下界面的温度幅值，d表示薄膜厚度，u、γ是与交流电流的频率ω、导热系数k以及体积比热C相关的量，且γ＝ku；y_j表示第j层薄膜上界面的纵坐标，y表示每层内任意位置的纵坐标，e为自然常数；

微处理器位于相邻层之间，且无热阻、无热流传输情况下：

上式中，分别表示从正、反方向无限靠近第j+1层薄膜上界面的两个位置点的纵坐标；

微处理器位于相邻层之间，且无热阻、有热流传输情况下：

上式中，q₀表示外部热流输入量；

其中u的表达式如下：

一维周期性加热情况下，其中，i表示虚数单位，i²＝-1；α＝k/C表示热扩散系数，是材料导热系数k和体积比热C的比值；

二维周期性加热情况下，即热量沿x、y方向传输，其中，k_xy＝k_x/k_y，k_x为沿x方向的面向导热系数，k_y为沿y方向的法向导热系数；α_y＝k_y/C表示法向热扩散系数，是材料法向导热系数k_y和体积比热C的比值；λ表示积分变量，是横坐标x对应到傅里叶空间的量；

所述S22中，微加热器的理论温度变化ΔT_{heater-理论}的解析表达式如下：

一维周期性加热情况：

上式中，S、F分别表示联系各层薄膜的温度和热流的散射矩阵，均为2×2的矩阵，矩阵内各元素仅仅与所述交流电流的频率ω、各层薄膜导热系数k、体积比热C、厚度d相关，S_1→j(1,2)的下标表示该散射矩阵是联系第1层薄膜到第j层薄膜的，(1,2)表示矩阵的第1行第2列元素；

二维周期性加热情况：

其中，P为焦耳热加热功率，I_1ω为所述交流电流，ω为所述交流电流的频率，R为微加热器的电阻，l、b分别为微加热器的长度、宽度，λ表示积分变量，是横坐标x对应到傅里叶空间的量。