一种测量微纳米尺度金属薄膜固液界面热阻的方法

本发明属于界面热阻测量的，具体涉及一种测量微纳米尺度金属薄膜固液界面热阻的方法。

背景技术：

1、随着电子设备的小型化与集成化，器件界面的热流密度急剧增加，这使得界面热传输成为影响整体热性能的主要因素，微纳尺度界面传热特性成为了小尺度器件热管理与热设计中的重要参数，考虑到电子器件的高热流密度，需要采取合适的冷却技术，与空气冷却相比，液体冷却对电子设备越来越重要，在微通道冷却等液冷方法中，由于换热界面两侧材料组分和结构的差异，通过固液界面的热传输会在界面上产生温度的不连续性，固液界面热阻在其中起着很大的阻碍作用，微通道液冷方法中金属-液体界面热特性研究就尤为重要。

2、而在现有的常用界面热阻测量方法中，3ω法与电子束自加热法均用于测量固固界面热阻，测量固液界面热阻时存在无法测量与偏差较大的问题，而固液界面热阻往往只通过分子动力学模拟进行原理探究，无法与实验结合实际测量微纳尺度固液界面热阻数值。

技术实现思路

1、针对微纳尺度固液界面热阻测量困难，成本高，本发明提供一种测量微纳尺度金属薄膜固液界面热阻的方法，测量精度高，简便快捷。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量微纳米尺度金属薄膜固液界面热阻的方法，包括如下步骤：

3、步骤(1)：制备测量样品，测量计算得到金热线薄膜的初始电阻r0，计算得到有水和无水情况下的无水热线薄膜温升δta，含水热线薄膜温升δtw；

4、步骤(2)：通过试验测量得到温度tc下的阻温系数β；

5、步骤(3)：构建含水模型，采用有限元计算石英基底-水界面热阻对热线薄膜温升的影响，计算得到理论石英基底-水界面热阻；

6、步骤(4)：构建无水模型，采用有限元分析得到石英基底-薄膜界面热阻与无水热线薄膜温升的曲线关系，将步骤(1)计算的无水热线薄膜温升δta代入到石英基底-薄膜界面热阻与无水热线薄膜温升的曲线关系中，拟合计算得到石英基底-薄膜界面热阻；

7、步骤(5)：在含水模型中，代入步骤(4)计算的石英基底-薄膜界面热阻与步骤(3)计算得到的理论石英基底-水界面热阻，通过有限元分析得到含水热线薄膜温升与薄膜-水界面热阻的曲线关系，将步骤(1)计算得到的含水热线薄膜温升δtw代入含水热线薄膜温升与薄膜-水界面热阻的曲线关系中，拟合计算得到薄膜-水界面热阻；

8、步骤(6)：基于瞬态热带法解析解验证准确性。

9、进一步的，步骤(1)具体包括如下步骤：

10、采用电子束蒸发在石英基底上沉积长方体纳米尺度金热线薄膜，热线薄膜作为微尺度传感器，热线薄膜宽度为w，厚度为h，长度为l，厚度h比宽度w尺寸小一个数量级，在热线薄膜两端各沉积两个尺寸在厘米级的薄膜电极，采用四线法测量电阻，通入小于1ma的小电流i0，在热线薄膜无温升情况下，得到热线薄膜两端电压u0，得到热线薄膜在室温t0下电阻r0为：

11、

12、热线薄膜电阻与温度变换关系式如下：

13、rt＝r0[1+β(t-t0)]

14、公式中β为阻温系数，rt为薄膜在温度t下的电阻，增大加热电流，无水热线薄膜温度ta为：

15、

16、无水热线薄膜温升δta为：

17、△ta＝ta-t0

18、其中ra为无水情况热线薄膜电阻值；

19、根据阻温关系计算表面覆盖水层的热线薄膜温度tw，rw为覆盖水层的热线薄膜电阻：

20、

21、含水热线薄膜温升δtw为：

22、△tw＝tw-t0。

23、进一步的，步骤(2)具体为：

24、在阻温系数测量系统维持真空环境，在热线薄膜不产生温升情况下，对薄膜电极通入不同大小的恒定直流电流，得到待测热线薄膜两端的电压信号uc，得到不同电流条件下薄膜热源电阻随加热功率的变化规律，采集n个不同的加热功率pc所对应的热线薄膜电阻值rc，绘制加热功率-电阻曲线并拟合，获取热线薄膜在初始温度t0时的初始电阻r0，进而得到温度为tc时的阻温系数β为：

25、

26、进一步的，步骤(3)具体为：

27、利用有限元构建与实验样品相同模型，在设置的石英基底模型上，构建实验等尺寸热线薄膜，在石英基底上覆盖水层，使其包裹住热线金薄膜，模型尺寸满足温度无法渗透水层与石英模型边界，以表示实验中金热线薄膜周围的近无限大石英基底与水层，代入各材料参数，即为含水模型；给热线薄膜施加与实验相同的加热功率，改变基底-水界面热阻大小，在瞬态加热的时间内，金热线薄膜加热液体尚未产生对流传热，导热方程为：

28、

29、热线薄膜的温度受界面热阻的影响为：

30、tw＝q·r+tl

31、其中r为薄膜与液体间的界面热阻，tl为贴近固液接触界面的液体温度，当石英基底-水界面热阻从1.0×10-6k·m2/w至1.0×10-9k·m2/w进行变化时，热线薄膜温升变化只占热线薄膜总温升变化的0.39％，因此，设定石英基底-水界面热阻对热线薄膜温升无影响，采用声子失配模型理论计算得到理论石英基底-水界面热阻。

32、进一步的，步骤(4)具体为：

33、确定石英基底-水界面热阻的影响后，采用有限元构建无水模型，在设置的石英基底模型上，构建实验等尺寸热线薄膜，固体模型表面不覆盖水层，此时界面热阻只有石英-金界面热阻，代入各材料参数，即为无水模型；使用无水模型计算，设置石英基底-薄膜界面热阻从1.0×10-9k·m2/w至1.0×10-7k·m2/w逐步增大，得到薄膜温升与石英基底-薄膜界面热阻关系，得到不同石英基底-薄膜界面热阻与无水热线薄膜温升的曲线关系，将步骤(1)计算的无水热线薄膜温升δta代入到石英基底-薄膜界面热阻与无水热线薄膜温升的曲线关系中，拟合计算得到石英基底-薄膜界面热阻；

34、进一步的，步骤(5)具体为：

35、确定石英-水界面热阻、石英-金界面热阻对热线薄膜温升影响后，在含水模型中，代入步骤(4)计算的石英基底-薄膜界面热阻与步骤(3)计算的理论石英基底-水界面热阻，当薄膜-水界面热阻从1.0×10-9k·m2/w至1.0×10-5k·m2/w逐步增大，通过有限元分析得到含水热线薄膜温升与薄膜-水界面热阻的曲线关系，将步骤(1)计算得到的含水热线薄膜温升δtw代入含水热线薄膜温升与薄膜-水界面热阻的曲线关系中，拟合计算得到薄膜-水界面热阻。

36、进一步的，步骤(6)具体为：

37、瞬态热带法基于瞬时点热源原理进行理论推导，得到薄膜热源及周围介质的温度分布为：

38、

39、其中t0为初始温度，α为介质的热扩散率，q为薄膜热源单位面积上的加热功率，ρ为介质的密度，cp为介质的定压比热容，d和v为热线薄膜宽度和厚度的一半、即w＝2d，h＝2v，瞬态热带法假设薄膜与介质间界面热阻无影响，热线薄膜自身温度与薄膜表面附近的介质温度相等，由于薄膜热源很薄v<<d，薄膜热源表面与中心温度之差可忽略，热线薄膜平均温度ts(t)为：

40、

41、

42、

43、

44、

45、其中k为介质导热系数，p0为热带单位长度上的加热功率，因此当待测热线薄膜周围只存在单边介质时，热线薄膜温度为：

46、

47、瞬态热带法计算热带薄膜周围介质温度为忽略了热源周围界面热阻情况下进行计算，将瞬态热带法解析解与无界面热阻条件下的数值解进行拟合比较。

48、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

49、本发明的方法可直接将热源薄膜沉积在基底材料上，避免了如悬浮热桥测量方法复杂的制备工艺与样品必须悬浮的要求，极大地简化了测量流程；

50、本发明的测量方法相比于其他测量方法，可以通过有限元算法同时得到热源薄膜两侧界面热特性；现有的热测量方法多数是将热源与单一待测材料接触，测量热源界面的单一界面热阻，当热源两侧材料不同时，该方法提供了一种同时测量热源两侧不同界面热阻的方法。