一种基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量二维薄膜各向异性导热系数的系统，具体涉及的是基于一种基于3ω和虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统与方法。
【背景技术】
[0002]对于微纳米材料、微电子微机电系统(MEMS)、热电材料等而言，热导率是一个非常重要的热物性参数，无论是散热还是绝热，薄膜热导率的测试都具有重要意义。因为薄膜厚度很小，对声子散射，使得薄膜材料的表观热导率与块体材料相比可能会有很大的差别。
[0003]石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体是构建零维富勒烯一维碳纳米管三维体相石墨等的基本结构单元具有很多奇异的电子及力学性能，因此吸引了物理，化学，材料等领域研究者的高度关注。石墨烯是各向异性导热材料，它的热学性质对工业设计有着重要作用。
[0004]3ω法在薄膜热导率的测试方法中占有非常重要的地位，但该方法需要较复杂的数学处理，数学模型的建立、边界条件的确定、加热频率的选择及数学方程求解过程中如何合理地简化处理都是该方法的难点。
[0005]近些年，随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展，传统的仪器正向软件化、数字化和虚拟化方向发展。虚拟仪器(Virtual—instruments, VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)最先提出的，与传统仪器一样，它可以分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件相结合，在系统内共享软硬件资源。基于虚拟仪器在数据采集、分析、存储方面的优点。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题是如何提供一种高效准确且易于实现的对石墨烯导热系数进行测量的系统与方法，其中整个测量系统与方法包括石墨烯导热系数测量模块、脉冲信号采集处理模块、数据分析处理模块。系统采用虚拟仪器互相关检测技术，实现了对导热系数的有效测量，构成一个编程灵活方便、简洁高效、抑制噪声和恢复提取有用信号能力强、测量准确度及分辨率高、性能稳定的个性化的自动测量系统与方法，具有实时显示、自动分析筛选和判断、存储回放功能。
[0007]本发明技术方案如下:一种基于3ω和虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，包括石墨烯导热系数测量硬件模块、脉冲信号处理模块和虚拟仪器数据分析处理软件模块；石墨烯导热系数测量硬件模块包括交流恒流源、参考信号源、金属膜、前置放大器、数据采集卡和计算机；虚拟仪器数据分析处理软件模块包括虚拟仪器数字滤波模块、虚拟仪器互相关模块和波形数据处理及显示模块。
[0008]石墨烯导热系数测量模块包括在被测样品上制备2个宽度不同的微型加热膜，同时用做测温器，分别测量平面方向和垂直于平面方向的导热系数，虚拟仪器控制的交流恒流源产生一定频率ω的交流电到加热膜，分别产生两个频率为3 ω的脉冲电压信号。
[0009]脉冲信号采集处理模块包括将电压信号通过低噪声前置放大器放大后通过数据采集卡的第一和第二模拟输入通道采集至计算机，参考信号源产生的参考电压信号输出频率应当和虚拟仪器控制的交流恒流源电流输出频率相同，将参考电压信号通过第三输入通道采集至计算机。
[0010]数据分析处理模块是由采用虚拟仪器编写的程序组成，该模块首先对低噪声前置放大器的两个输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行带通滤波，然后对带通滤波后的低噪声前置放大器的两个输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行互相关检测和修正，最终提取出信号，通过计算机强大的计算功能解确定的传热方程得到该金属膜的温度变化。通过程序控制改变通电电流频率ω，金属膜的温度变化幅值也将发生改变，以温度波动振幅为纵坐标，ω为横坐标，则所得到的曲线的斜率与样品的热导率相对应，得到平面方向导热系数图像和垂直于平面方向导热系数图像。
[0011]上述基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统中:所述加热膜采用磁控溅射工艺在石墨烯表面沉积厚度为5 nm的金属Ti以增强加热膜的附着强度，再沉积一层厚度为180rim的Au膜，然后采用紫外曝光工艺制作出加热膜的形状。最后利用光刻法得到宽度分别为8 μ m和40 μ m、长度为I 800 μ m的2个4焊盘微型Au加热/测温膜,加热膜的4个焊盘通过直径为30 μ m的AlSi丝采用压焊工艺与外围电路连接。
[0012]所述交流恒流源主要技术指标:1)输出量程:1mA?100mA ；2)频率范围:10Hz ?1KHz 可调；3)恒流源精度:± I % ;4)档位:lmA、5mA、10mA、50mA、100mA、500mA、100mA七档可调；输出频率ω由虚拟仪器程序控制。
[0013]所述低噪声放大器采样两级放大，放大倍数Kl或Κ2为I倍、10倍或100倍可调，整个放大倍数K=Kl XΚ2为I倍、10倍、100倍、1000倍或10000倍可调；放大倍数由虚拟仪器调控。
[0014]所述参考信号源主要技术指标:1)输出电平:0?10mV可调；2)频率范围:10Hz?1KHz可调；3)波形:正弦波；4)输出阻抗:50 Ω。
[0015]所述前置低噪声放大器选用运放电路中的0Ρ07集成块。
[0016]所述数据采集卡参数:1/0通道数:模拟输入4路，模拟输出4路；模拟输入采样率:lMS/s ;模拟输入分辨率:16位。
[0017]本发明测试方法包括如下测试步骤。
[0018]步骤一:装入软件在计算机内安装用虚拟仪器语言开发应用的上位机控制软件和测试软件。
[0019]步骤二:加热和测温用的金属膜设置于被测石墨烯表面，交流恒流源产生频率为ω的交流电到加热膜，形成频率3ω的输出信号，电压信号经前置放大器放大后通过数据采集卡的模拟输入通道采集至计算机，参考信号源产生频率为ω的电压的参考电压信号并通过数据采集卡的模拟输入通道采集至计算机。
[0020]步骤三:虚拟仪器数字滤波模块首先对前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行带通滤波，然后由虚拟仪器互相关模块对带通滤波后前置放大器输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行互相关检测和修正，得到测量结果信号，将测量信号代入已知的传热方程中得到加热膜的温度变化，然后改变交流恒流源频率使加热膜温度幅值改变，最后由波形数据处理及显示模块以温度波动振幅为纵坐标，ω为横坐标，得到斜率与样品的热导率相对应的曲线，即导热系数图像。
[0021]步骤四:信息显示与回放:对得到的导热系数曲线和表格的形式实时显示在PC机终端上，将瞬态波形进行缩放显示，将储存的LVM格式波形文件和电子表格格式文件重新读取然后显示在PC机端。
[0022]本发明利用虚拟仪器技术，实现基于虚拟仪器图形编程软件对微弱电压信号进行处理实现锁相放大器的功能及进行3 ω法中电流频率的控制，进行绝热方程计算和图形化显示。相关分析是时域信号分析和处理的常用方法，具有抑制噪声和恢复提取有用信号能力强，测量准确度及分辨率高等优点。基于虚拟仪器的相关测量系统与方法具有良好的专用性、相通性和可移植性，它充分利用了计算机的强大功能计算出石墨烯导热系数，通过虚拟仪器直接将导热系数图像直观的表示出来，其图形化用户界面开发功能和灵活的特点使得软件编程灵活方便、简洁高效、性能稳定，具有实时显示、存储、回放等功能，是一套个性化的自动测量系统与方法，由于目前的3ω法中使用的锁相放大器价格昂贵，采用虚拟仪器可以节约成本，计算机可视化图像也使得结果分析与观察更加方便。这些特点使得本发明所设计的基于虚拟仪器开发平台的石墨烯各向异性导热系数的测量系统与方法具有一定的实用价值。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的系统框图。
[0024]图2为本发明石墨烯导热系数测量模块框图。
【具体实施方式】
[0025]参见图1、图2，石墨烯导热系数测量模块包括在被测样品上制备2个宽度不同的微型加热膜，