[发明专利]一种跨尺度固体导热系数的测量方法及装置

权利要求书

1.一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将介质薄膜双面金属化后作为介质探测器，将固体样品通过热界面材料与介质探测器的一个自由面进行热耦合贴紧；

施加激光脉冲作用于介质探测器的另一个自由面，在介质探测器两侧施加直流电压，在介质薄膜内产生均匀分布的电场，通过信号测量电路采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流；

根据介质探测器-热界面材料-固体样品的结构建立热传导模型，所述热传导模型用于计算介质薄膜内的温度分布变化；

以固体样品的导热系数和热界面材料的厚度为未知变量，调整热传导模型中固体样品的导热系数和热界面材料的厚度，求解得到介质薄膜内的温度分布变化，基于温度分布变化计算得到相应的仿真响应电流，将仿真响应电流与实测响应电流傅里叶变换为实测响应电流谱和仿真响应电流谱进行对比拟合；若二者的拟合度满足预设置的收敛条件，则将此时热传导模型中固体样品的导热系数作为测量结果，否则，重复此步骤；

其中，仿真响应电流谱的计算公式如下：

其中，i_sim(ω)表示仿真响应电流谱，A为介质薄膜的受辐照面积，E为介质薄膜内部的均匀电场，d为介质薄膜的厚度，χ＝(α_ε-α_z)ε_rε₀，α_ε是介电常数的温度系数，α_z是热膨胀系数，ε₀为真空介电常数，ε_r为介质薄膜的相对介电常数，ΔT₂(z,ω)为介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值表达；

ΔT₂(z,ω)是根据建立的热传导模型计算得到的，所述热传导模型具体为：

将介质探测器-热界面材料-固体样品表示为5层结构，下标i＝1、2、3、4、5分别指代接地电极、介质薄膜、加压电极、热界面材料、固体样品，所述接地电极为介质薄膜接收激光脉冲一侧的金属电极，所述加压电极为介质薄膜靠近固体样品一侧的金属电极，激光脉冲作为热脉冲在介质薄膜厚度方向上的传导符合一维热传导方程，第i层材料的传热方程的频域表达为：

其中，D_i为第i层材料的导热系数，ΔT_i(z，ω)指第i层材料内的温度分布变化，z表示沿介质薄膜厚度方向的空间位置，j为虚数单位，ω为角频率，z_i-1、z_i分别为第i层材料的前后边界面在厚度方向上的空间坐标，且z_o＝0，第i层材料的厚度d_i＝z_i-z_i-1；

温度分布变化在频域上的通解表达式为：

其中，A_i和B_i为待求的常数，f为频率，z＝0处为激光脉冲的入射面，边界条件在频域上的表达为：

其中，f(t)是激光脉冲被吸收后在z＝0处产生的热流密度的时间函数，f(ω)是f(t)的频域表达式；

基于热传导模型求解得到介质薄膜内的温度分布变化具体为：

将温度分布变化在频域上的通解代入边界条件，得到方程组：

将方程组转写为矩阵方程的形式：

其中，R₁＝(1 -1)，

在矩阵方程中对于每一个固定的频率点f_n，对上式都可解得一组唯一对应的常系数解A_i(f_n)、B_i(f_n)，将A_i和B_i回代到温度分布变化在频域上的通解表达式中，得到介质薄膜内的温度分布变化在频域上的数值表达ΔT₂(z，ω)。

2.根据权利要求1所述的一种跨尺度固体导热系数的测量方法，其特征在于，实测响应电流谱的获取过程如下：

通过信号测量电路采集介质薄膜内因热扰动而产生的实测响应电流，得到时域信号i_exp(t)；时域信号i_exp(t)经过傅里叶变换和失真补偿后得到实测响应电流谱i_exp(ω)。