（控制理论与控制工程专业论文）激光光热法界面热阻测量系统研制.pdf

武汉理= 人学硕士学位论文 摘要 在航空航天领域，固体界面热阻是航天器热控技术中普遍存在和必须解决 的分析计算与设计制造问题。在超导技术领域，制冷机直接冷却系统在高温超 导技术中得到广泛应用，由于传热机理的变化，在固体接触导热中，界面热阻 及其最佳热耦合机理成为直接冷却的关键技术和科学问题。在电子技术领域， 大功率集成电路芯片的散热设计，其界面传热也直接影响芯片性能指标和可靠 性。这也是对固体界面热阻的研究的意义之所在。 本文侧重于从对界面热阻的测量方法入手，提出一种新的测量界面热阻的 方法，即激光光热法测量界面热阻，并在此基础上设计了一套测量界面热阻的 实验装置。因为在对界面热阻研究的过程中，大部分都是建立在对热阻测量的 实验基础之上的，实验数据的准确性、可靠性直接影咐了对界面热阻的研究工 作。由于传统的测量方法在实际的测量过程中存在测量误差和一些不足，也影 响了对界面热阻的研究。因此，需要寻找新的方法来解决此问题。本论文主要 研究内容如下： 首先，简要介绍了本课题研究的目的和意义，固体界面热阻的产生机理、 定义以及各影响因素。以及固体界面热阻测量方法的国内外研究现状。 其次，以实验研究固体界面热阻为例介绍了传统测量界面热阻的方法与装 置，并详细分析了用以上测量方法和实验装置来测量界面热阻存在几点不足。 提出了激光动态法测量界面热阻的新方法。 然后，简单介绍了光电检测系统中微弱信号检测原理，以及基于同步相关 检测原理的典型锁相放大器的原理和组成，并提出了设计一双锁相放大器来实 现本测量方法的主要参数相位差的测量。主要介绍了固体界面热阻测量系统的 设计，主要包括双锁相放大器检测电路、单片机数据采集电路与软件以及基于 l a b v i e w 的数据处理软件设计。 接着，介绍了利用此装置进行测量的步骤，并对测量结果进行了数据分析。 验证了陔测量方法和测量装置的合理性和可行性，对界面热阻的研究具有一定 的意义。 最后，对本文所做的工作进行了简短的总结。提出了需要继续完善的地方， 以作为后续研究工作的参考。 关键词：激光光热法，界面热阻，测量，双锁相放大器，单片机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a b v i e w t h e n ，w ec a r r yo ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c hu s i n gt h em e a s u r i n gd e v i c e ，a n dh a s c a r r i e do nt h ed a t aa n a l y s i st ot h em e a s u r i n gr e s u l t v e r i f i c a t i n gt h er a t i o n a l i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h em e a s u r i n gm e t h o da n dd e v i c e ，a n dj t h a sac e r t a i nm e a n i n gf o r r e s e a r c ho ft h et h e r m a lb o u n d a r yr e s i s t a n c e a ti a s t ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r yo ft h ew o r ki nt h ec o u r s eo fs y s t e m d e v e l o p m e n t ，p o i n t so u tw h a tt h es y s t e mn e e d st o b ei m p r o v e d ，a n do f f e r st h e r e f e r c n c ef o rf o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n tw o r k k e yw o r d s ：l a s e rp h o t o t h e r m a lm e t h o d ，t h e r m a lb o u n d a r yr e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t d u a lp h a s el o c k i na m p l i f i e r ，s c m i i 独创性声明 y8 6 1 1 8 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人， 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：囤堂国日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 f 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：凰堕鱼导师签名：缝日期：! 垒些竺 武汉理- l = 人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的意义 1 f 1 课题的来源 本论文的课题来源于国家自然科学基金资助项目华中科技大学制冷与 低温研究所的“激光光热法界面热阻测量研究”。 华中科技大学制冷与低温研究所以前对固体界面热阻的测量和研究主要采 用传统的测量方法和测量实验装置。传统的界面热阻测量方法主要是根据界面 热阻的定义测量两个参数，即界面温降t 和界面的热流密度q ，但在实际的测 量过程中由于测量误差和测量的不方便，影响了对界面热阻的测量和研究。因 此需要寻找一种新的测量方法来解决此问题。 1 1 2 研究的意义 本课题研究的意义也在于对固体界面热阻研究的重要性和必要性。对固体 界面热阻研究的背景主要是基于高温超导技术中的直接冷却低温系统设计与应 用、航天器( 如卫星和宇宙飞船) 热控制技术和大功率集成电路芯片的散热设 计。 在超导技术领域，自从1 9 1 1 年o n n e s 首先发现汞在4 2 k 附近超导现象以来， 超导研究取得了很大进展。进入2 1 世纪。超导及超导应用研究正处于一个新的 发展阶段。目前，世界上核磁共振医学成像仪( m r l l 已超过5 0 0 0 台。日本新能 源开发机构认为发展超导电力技术是在2 1 世纪国家竞争中保持尖端优势的关键 所在。人们预测，到2 0 1 0 年，新兴的超导产业将发展到超过1 0 0 0 亿美元的市 场。我国国家科技部于2 0 0 0 年1 月2 6 同发布了“超导电力科技技术基础研究” 列为能源领域的重要研究方向【1 j 。 在高温超导领域的应用主要是低温冷却系统，传统的超导设备采用复杂的 液氦、液氮和固氮冷却系统。高温超导技术的进展和低温制冷机性能的改善， 使高温超导系统用制冷机直接冷却成为可能。2 0 0 1 年，英国低温公司制造的制 冷机直接冷却超导磁体系统在4 k 下可以获得1 5 t 的强磁场，该系统由超导磁 体、低温容器、低温制冷机等组成【2 j 。制冷机直接冷却使超导系统摆脱了储存液 武汉理t 大学硕士学位论文 氦等庞大复杂的低温设备，具有体积小、安全、长时间不须加注液氦或液氮、 使用方便、经济性好、效率高等优点。直接冷却技术的应用将已有的液氦与固 体冷却的模式，转移到固体( 超导器件) 和固体( 制冷机冷端) 的导热为主的 传热模式。由于传热机理的变化，在固体接触导热中，界面热阻及其最佳热耦 合机理成为直接冷却的关键技术和科学问题1 3 1 【4 j 。 制冷机直接冷却系统最具潜力的应用在于超导储能( s m e s ) 。超导储能可提 高系统的稳定储备和响应的容许输电容量，同时还具有提高功率因素，稳定电网 周波，控制电压波动，保证重要用户不问断供电等多种功能，从而大大提高电力系 统的供电品质。美国超导公司( a s c ) 已经开发出两种不同电力电子线路的小型 s m e s 装置。华中科技大学、西北有色金属研究院等在我国高科技发展计划支持 下，开始研制制冷机赢接冷却高温超导磁储能系统的中小型s m e s 系统，开拓高温 超导应用直接冷却的新途径1 2 1 1 6 1 。 另外，虽然制冷机直接冷却改变了传统冷却方式，但在高温超导制冷机直接 冷却系统中，制冷机冷头与电绝缘垫片之间，电绝缘垫片与电流引线之间都存 在界面热阻。超导系统直接冷却的实现，必须解决由电流引线、高热导电绝缘 碘片和制冷机冷头形成冷链的热效率。尽管采用h t s 二元电流引线降低了沿电 流引线的漏热，但由于在冷链的接触界面存在接触热阻，当电流通过接触界面 时就会产生大量的焦耳热。在工程应用中，由于低温界面热阻引起的焦耳热几 乎占总漏热的1 3 l 2 ，而且也是超导电流引线发生失导的主要根源之- - 1 ” 4 1 5 1 。 在航空、航天领域，航天器热控制就是控制航天器内外的热交换过程，使其 热平衡温度处于要求范围内的技术，又称航天器温度控制。航天器的热控制是 以传热学和工程热力学的基本理论为基础的，是航天技术的重要组成部分。用 于热控制的各种材料和设备组成航天器热控制系统。航天器是在十分严酷的温 度条件下工作的，例如返回式航天器要经历2 0 0 以下到1 0 0 0 0 以上的环境 温度变化i ”。航天器的结构、仪器设备和所载生物都无法承受这样剧烈的温度变 化。人造地球卫星上有些红外遥感器还需要有超低温工作环境；广播卫星的大 功率行波管要求强化散热；一些航天器的电子设备舱要求均匀而恒定的温度环 境；航天飞机则需要解决多次重复使用的防热问题。在航天器热控技术中，航 天器内部各部件、构件、高功率密度器件之间的热量传递主要是通过接触导热 方式来完成的。因此，固体接触界面热阻是航天器热控技术中普遍存在，而又 是必须解决的分析计算与制造实施问题。它直接关系到热控组件的性能及航天 武汉理工人学硕士学位论文 器热控制的精度与可靠性。由于它的复杂性与1 i 确定性，给热控部件导热理论 分析和热控设计带来困难和重要影响p i 。 在电子技术领域，美国的一份研究报告表明，包括计算机在内电子产品故障 的5 5 源于产品的工作温度不合理，超过了其他所有故障的总和州。电子产品 的热输运问题有芯片内部的大规模或超大规模集成电路与其基片之间的传热问 题和芯片外壳的散热设计( 大多数芯片把芯片外壳作为热沉，也有的芯片把其 输出引脚作为热流输出通道) ，但问题的根本都是界面传热问题。现在计算机普 遍采用在计算机中央处理器( c p u ) g b 壳上安装散热器和风扇解决c p u 的散热 问题，c p u 外壳和散热器之间界面热阻直接影响散热效率。 另外，低温界面热阻的研究属于基础课题的研究，这些具体的研究工作， 对深入学科前沿，开拓超导电气。低温一体化，促进超导走向应用有非常重要的 意义，对空间卫星最佳热藕合技术，大规模集成电路与强激光冷却技术等高新 领域的发展具有重要的科学意义和重大的应用前景：而且对带动低温物理、低温 工程、能源工程、电气工程及材料科学等相关学科的发展都有积极的贡献与重 要的影响f 9 】。 综上所述，对固体界面热阻的研究是高温超导、航天器热控制、半导体元 器件和计算机散热设计等领域所关注解决的基本科学问题。 但目前对界面热阻的测量和研究主要还是采用传统的测量方法和测量实验 装置。由于传统的方法存在一定的测量误差和不便，影响了对界面热阻的研究。 本课题就是基于这一个大背景，在前人大量研究工作的基础上，提出了一种比 较新型的测量方法激光光热法来测量界面热阻。 1 2 固体界面热阻的产生与定义 自前苏联科学家k a p i t z a 研究低温下液氦和固体表面间的热阻以来，人们对 固体表面问的接触热阻进行了广泛的研究【1 0 l1 1 7 l 。对接触热阻产生的机理，传统 的观点认为，由于两接触表面的实际接触面积只占名义接触面积的0 0 1 o 1 ，这种接触状况引起热流的收缩，从而产生接触热阻。 实际的研究表明，即使两固体界面接触压力达1 0 m p a ，实际接触面积仅占 名义面积的1 2 。图1 1 为热流在界面上的微观示意图【”j 。当热流通过界 面时，在接触界面处发生不完全接触，造成热流收缩，从而使得界面处存在一 武汉理- l = 犬学硕十学位论文 个较大的温差t ，这样形成t 界面热阻( t h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e ) 。 图1 - 1 热流在界面上的微观示意图 假设两个相接的金属柱体，每个柱体除两端面外侧面绝热，加在端面上的 热流密度为q ，则界面热阻定义为 也一箩= 等 ，) a 式中，a 为名义接触面积；o 为通过a 的总热流：q 为通过a 的热流密度； r 为交界面的温差。 界面热导h 。定义为界面热阻t 的倒数 垃；( i - 2 ) 对界面热阻的测量研究主要是研究各因素对界面热阻的影响，同样在对界 面热阻测量方法探讨和测量装置构建中也要考虑到影响界面传热的各因素。因 此了解影响界面传热的因素是有必要的。影响界面传热的因素很多，但最本质 因素是由于表面的粗糙度而引起的不完全接触，衡量其大小的关键是得出实际 接触面积与名义接触面积的比值。因此，影响这一比值的所有因素都会影响界 面热阻的大小。两固体材料接触时，影响其界面传热的因素有【5 】 1 4 1 【1 8 】： ( 1 ) 接触界面几何形貌：表面粗糙度，接触粗糙体的形状等。其中表面粗 糙度的大小，直接影响到相互接触的两固体表面间的接触状况，表面的粗糙程 度越大，热流收缩越大，界面热阻也越大。 ( 2 ) 载荷情况：接触压力，加载历史。载荷的大小，将影响到接触界面处 相互接触的两微凸起的变形程度，载荷越大，变形程度越大，实际接触面积也 越大，从而使得界面热阻越小。 ( 3 ) 固体材料的机械特性：材料的机械特性如弹性模量、硬度等因素的大小， 4 武汉理f 人学硕士学位论文 直接关系到发生形变后实际接触面积的大小，从而影响接触热阻的大小。 ( 4 ) 温度条件：接触表面平均温度，热流密度的大小及方向等。温度对热 阻的影响：在其它条件一定的情况下，温度越高，界面热阻越小。 1 3 固体界面热阻测量方法的国内外发展与研究现状 关于固体界面热阻研究，已有几十年的历史，国内外研究都较多，也取得 了许多研究成果。总体来说对界面热阻的研究经历了这样一个过程，研究的对 象从液体与固体表面之间的热阻到固体与固体表面之间的热阻，研究思想从宏 观到微观，从把接触界面看成是二维几何面到三维几何面的发展过程，研究的 测量方法从采用基于界面热阻定义的测量方法和测量实验装置到激光光热法的 提出。本文主要从界面热阻的测量方法和装置方面来介绍一下目前国内外发展 与研究现状。 目前国内对界面热阻测量主要采用的实验数学模型是界面热阻的定义，即 式( 卜1 ) ，在测量过程中测量两个参数，即界面温降t 和界面的热流密度c j 。 在具体的研究过程中会根据研究对象和条件的不同测量的实验装置会有所不 同，主要不同在于加热源的选取和参数计算方法。 一般的实验装置都采用电加热的方式，t 的计算方法如下：在样品上布置 多个热电偶测出各点的温度值，然后对测量数据进行线性回归，然后把回归值 外推到界面处，得到界面处的温降t 。参数t 计算方法基本上都采用了这种 方法，实验装置中配有一套温度测控系统。文献1 3 】【1 1 1 采用此法。 热流密度q 的计算方法如下： q q 4 ( 卜3 ) 上式中a 为接触面积；0 为通过a 的热流量；热流量的计算目前有两种方 法，第一通过测量输入功率俩计算，由于采用电加热，近似热流量q = u i ， 文献【1 9 采用此法。第二通过测量热流计上的温度梯度并由已知的热导率进行计 算。公式如下： a = k a ( 卜4 ) 上式中k 为温度梯度d 叫d x ，a 为所用热流计材料的热导率，一般为不锈钢。 文献1 1 2 i 采用此法。 这两种方法在热流量的测量方面都认为加热器的加热量等于通过界面的热 武汉理1 夫学硕士学位论文 流量，而忽略了实验过程中辐射漏热和对流换热带来的热损失，这给测量结果 带来较大误差。虽然很多人在建立实验装置时采取了很多措施来减d , n 量误差， 但还不能达到较好的效果。后来有人在热流密度的计算方法上做了改进，提出 了双热流计的测量方法i ”l 1 4 1 。具体实现方法：在样品上、下各靠置一个热流计， 上、下热流计的热流量分别为： q 1 = 。k l q 2 = a 2 k 2 ( 1 5 ) 然后通过求平均值来得到通过样品的热流量，这种方法在一定程度上减小了测 量的误差。 近几年，有些研究人员开始以激光为加热源研究激光辐照下的界面热阻， 但不是基于界面热阻的定义，采用了其它的计算方法和数学方法来测量，并且 应用存在很大的局限性。如王伟平 1 5 】等人系统地开展了激光辐照下双层板界面 的接触热阻问题，主要通过激光输入参数和最终温度测试结果采用数值模拟反 推接触热阻，获得了较好的实验结果。赵剑衡也曾采用类似的实验方法测试过 接触热阻，认为在激光辐照下，两板会发生分离，阻碍了热传导进行，从而影 响到接触热阻的测定1 1 6 】。 寻找一种新的方法来测量界面热阻一直是研究人员努力的方向，目前国外 有人提出了采用根据激光通过固体耦合界面热传播特性来测量的方法，但在 国内还末报道过。本文提出用此种方法来测量界面热阻，并构建一套实验测 量装置。 1 4 论文研究内容和方法 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 在对常用界面热阻的测量方法和测量装置研究与分析的基础上，提出 了激光光热法测量界面热阻的新方法，并给出了整个系统的测量原理和系统的 总体硬件框图。 ( 2 ) 在对锁相放大器工作原理研究基础上，设计了双相锁相放大器检测电 路。 ( 3 ) 对单片机数据采集电路设计和基于l a b v i e w 的数据处理软件设计。 ( 4 ) 介绍了利用该测量系统装置进行了测量的具体步骤，并对测量结果进 行了数据分析。 6 武汉理工大学硕t 学位论文 第2 章固体界面热阻测量方法介绍 2 1 传统测量方法与测量装置分析 测量界面热阻的装置一般根据实验研究的不同会有所不同，但测量方法主 要采用以下这种方法。根据界面热阻定义测量两个参数，界面温降t 和界面的 热流密度q 。本文以实验研究高温超导体b i 2 2 2 2 3 与氮化铝( a i n ) 之间的界面热 阻为例介绍传统界面热阻测量方法与测量装置。 影响界面热阻的因素很多，其数值虽然可以通过理论进行预测，但最基本 的还是通过实验手段进行测量。温降t 是通过对测量样品1 和样品2 上若干测 点的温度测量，并把测量数值进行线性回归，然后把回归值外推到界面处得到 的：热流密度q 可以通过测量输入功率进行计算，也可以通过测量热流计上的 温度梯度并由已知的热导率进行计算得到。界面熟阻r b 为界面的温降t 与通 过界面的热流密度q 的比值，即 咒一( 2 - 1 ) 式中，r b 为界面热阻，n 2e k w ；t 为界面温降，k ；q 为通过界面的 热流密度，缈m2 。其中，界面热导，i c 为界面热阻r 的倒数九2 y r 。， w ( m2 k ) 。 b i 2 2 2 3 与a i n 之间的界面热阻测量实验装置如图2 1 所示瞄j 。其中b i 2 2 2 3 样品( 7 ) 和a 1 n 样品( 6 ) 在接触压力作用下形成界面层( 2 ) 。调节加力螺丝( 1 0 ) 改变 弹簧n ) 的伸缩量，可以调节接触压力的大小。加热器( 8 ) 产生的热流通过界面层 ( 2 ) 时，由于界面层热阻的存在，将产生温降。辐射屏( 9 ) 固定在样品架( 5 ) 上，在 辐射屏( 9 ) 上焊接支n i c r - c u f e 热电偶，用低温温控仪对辐射屏( 9 ) 进行控温， 以减小辐射屏( 9 ) 和样品之间的辐射换热。样品架( 5 ) 通过6 个螺丝与g m 制冷 机( 1 4 ) 的二级冷头( 4 ) 相连接。热电偶引线在制冷机的一级冷头上绕两圈后引出， 并且在制冷机的一级冷头上安装另外一个辐射屏( 1 2 ) ，以减小辐射漏热。为减小 武汉理工大学硕士学位论文 对流换热，保证样品的一维导热条件，真空罩( 1 3 ) 内的真空度均优于 5 0 x 1 0 - 4 p a ，系统的粗真空用热偶规管( 1 1 ) 测量，高真空用电离规管( 1 8 ) 测量。 测量数据用数据采集系统( 1 7 ) 进行采集，并与计算机( 1 6 ) 相连。 传真空夏 1 弹簧2 界面层3 n i c r - c u f e 电偶4 二级冷头5 样品架6 a i n 样品 7 b i 2 2 2 3 样品8 加热器9 二级辐射屏1 0 加力螺丝1 1 ，1 8 真空规管1 2 一级 辐射屏1 3 真空罩1 4 高真空阀1 5 g m 制冷机1 6 计算机1 7 数据采集系统 图2 - 1 实验装置示意图 b i 2 2 2 3 与a i n 接触界面处温降示意图如图2 2 所示，计算公式如式( 2 - 1 ) 。 上t ， 卫h i 一一。 田12 网4 1 4 l 3 2 3 i r r 图2 - 2 接触界面处温降示意图 武汉理工大学硕士学位论文 用以上测量方法和实验装置束测量界面热阻存在以下不足。 首先，分析一下温降t 的计算过程，一般是在样品上布置多个热电偶测出 各点的温度值，然后作出r x 图，由图2 2 的方法将直线延伸到界面处即可 分别推出上、下样品在接触界面处温度t 1 、t 2 ，两者的差值为温差t 。不难 看出，每次测量要记录和处理的数据很多，如果要测量不同条件下的界面热阻， 要测量记录的数据会更多。另外，由于材料的热导率与温度有关，或者实验环 境的真空度不够高，存在试件与周围环境的散热损失，也就是有一定辐射和对 流换热的影响，样品的一维温度分布不可能是一条直线，也就是各点的温度在t x 图上不为一条直线，用此种方法进行计算也会产生一定的误差。在以前对 界面热阻的试验研究中，很多人一般都会采用数学的方法，对测量的试验数据 用线性回归方法进行合理的处理后再进行研究工作，但这还是不能很好解决因 上述原因产生的误差，也影响了对界面热阻的研究。如上面实验研究高温超导 体b i 2 2 2 2 3 与氮化铝f a l 之间的界面热阻时l ”，由于b i 2 2 2 2 3 在8 0 1 1 0 k 之间 发生相变，热导率变化显著，呈现出很明显的变化，用一般线性回归的方法进 行计算将会产生较大的误差。为减小误差，文章虽然提出了一种新的参数辩识 方法对实验数据进行处理，但误差仍然存在这也给数据处理的数学方法提出了 很高的要求。 然后，热流密度值q 的不确定性。热流密度计算方法一般有两种，第一通 过测量输入功率进行计算，第二通过测量热流计上的温度梯度弗由已知的热导 率进行计算。这两种方法在热流量的测量方丽都认为加热器的加热量等于通过 界面的热流量，而忽略了热损失的存在。即使用相同的处理办法，两种方法得 到的热流密度值也不相同。这给测量结果带来较大误差。 其次，测量界面热阻的实验装置中很重要的一点就是加热源和漏热的问题， 传统装置一般采用电加热，也就是直流加热或交流加热；为了减小辐射漏热和 减小对流换热，保证样品的一维导热条件，要安装辐射屏。虽然采取了这些措 施，但在测量实验过程中从开始加热直至热稳定的时间较长，并很难在全部测 试周期内维持系统的热稳定，实验中样品达到热平衡的要求是同一支热电偶的 热电势在相邻2 0 分钟内的热电势之差值小于2 uv ，这给测量带来很大的不便， 通常测量一组数据要等很长时间，并且实验数据的准确性也受到影响。 从以上分析可以看出，用定义法测量界面热阻时，参数t 和q 的计算方法 和处理方法都有一定的局限性，受实验装置的影响很大。现在虽然可以通过对 武汉理工大学硕十学位论文 试验数据采用参数辩识的方法进行合理的处理和分析后再进行研究工作，但还 是不能很好解决因上述原因产生的误差，也影响了对界面热阻的研究。从测量 方法和原理上加以改进也是解决问题的一个方向。 2 2 激光光热法的提出 2 2 1 激光及激光光热效应的相关知识 近二十年来，激光束由于具有高亮度、准直性、方向性等特点，在许多方 面获得了广泛的应用，如激光割切、加工、扫描、激光雷达、激光位移计、激 光干涉等。在机械工业上激光的运用主要有加工与测量两大类。作为测量用途 的激光，其输出功率一般较加工用途的激光低，而价格较廉，种类也较多。测 量用途的激光除了常见的二极管激光与氦氖激光外，在一些特殊的场合中，也 可见到一些较高功率的激光，作为大面积或长距离的测量之用。 比起其它的光源，激光具有无可比拟的优点，因为它具有： ( 1 ) 单色性 激光具有很窄的频谱，一般光源除发出可见光外，还包括紫外线、红外线， 频谱相当宽。在窄的频宽范围内还可以得到更窄的频宽，如激光可使用棱镜来 选择单一波长的输出。使用固定式的干涉仪来选择单一频率的输出。 ( 2 ) 方向性好、光束平行性 激光由激励系统提供能量给活性工作介质以产生光子，这些光子在激光共 振腔内来回振荡数十次至数百次，最后穿出激光共振腔，形成激光束，如果光 束前进方向稍有不平行，即可能消失在激光共振腔之中，因此激光束具有很好 的方向性及光束平行。 ( 3 ) 高强度：因此激光可以用来加工。 ( 4 ) 能量集中，容易控制，便于调制。 激光光热效应是当一束一定波长、一定频率的激光入射到试样后，试样由于 吸收能量雨部分转变为热能，在试样的另一端检测到光会发生一定程度的变化， 通过检测入射激光与探测光之间的变化，来对试样的特性进行研究。目前这种 方法已被广泛应用于很多领域，特别是在材料领域。用激光光热效应来直接测 量纳米材料热扩散率、测量材料初始应力等【2 0 2 ”。将此种方法应用于对界面 热阻的测量还未报道过。 武汉理1 ：大学硕士学位论文 2 2 2 激光光热法测量原理 激光动态法测量界面热阻的原理：在热传播特性的实验中，使一定波长、 位相的加热激光通过铜与透明氮化铝的接触耦合界面，激光产生的热波在铜 一氮化铝样品中传播，相对的另一端面上正对点的温度随激光的加热而波 动。为测量热波动的参数，可用另一束测量激光在相对的被测端面点上截取 温度波动信息，将该信息导入锁相放大器后经比较可得到加热激光与测量端 面上温度波的相差。热波动经过样品的传播形成的相位延迟( 相差) ，反映 了热传播的特性，以下实验数学模型可以通过分析推导得出，接触热导( 热 阻) h 与相差存在下面的定量关系： ht 扫丽 1 一t a n ( 妒一z ) 】 【t + 藤卜一 ( 2 2 ) 以上实验中激光器均采用小功率半导体激光器。实验系统原理图如图2 3 所 不 1 一样品组，2 一加热激光器，3 一激光驱动电源，4 一锁相放大器， 5 一光电转换器，6 一测量激光器 图2 - 3 实验系统原理图 f 面对以上测量界面热阻方法作一下分析，并与传统的测量方法作了对 武汉理工大学硕十学何论文 照比较( 此方法在2 1 节已经作了详细的分析) 。此方法是根据热波在样品中传 播的热传播的特性建立的实验数学模型，如( 2 2 ) 式所示，式中k 筘、( t 心x 、 t p c ) ，三个式子中k 、p 、c 分别表示空气、样品i 、样品2 三种不同介质的 热导率、密度和比热容，都为常数；r 为激光的调制频率( 已知) ：在测量中只需 测量加热激光与测量端面上温度波的相差即可计算出一定条件下的界面热 阻，不需要测量和处理很多数据。另外，传统的测量方法实验数学模型是基于 界面热阻的定义的，实验中采用电加热，加热器产生的热流通过界面层时，由 于界面层热阻的存在，来产生温降，两个参数的测量都受辐射漏热和对流换热 的影响很大，为了减小此因素带来的影响，实验中要采取很多措施这样给实验 带来很大的不便，并且一般都要对实验数据进行处理；此测量方法由于计算模 型的不同，实验中采用小功率半导体激光器，只要维持样品环境温度即可， 并且也不需要等很长时间来等样品达到热平衡，测量方便。 2 3 本章小结 本章以实验研究高温超导体b i 2 2 2 2 3 与氮化铝( a l n ) 之间的界面热阻为例介 绍传统测量界面热阻的方法与装置。并详细分析了用以上测量方法和实验装置 来测量界面热阻存在几点不足。在简单介绍了激光及激光光热效应的相关知识 后，提出了激光动态法测量界面热阻的方法，即当激光在两接触固体样品中 传播时，在热波动经过样品的传播时会形成相位延迟( 相差) ，并且相差与 接触热导( 热阻) h 存在一定的定量关系，本实验装置是基于此实验数学模 型搭建的。 1 2 武汉理上人学硕十学位论文 第3 章固体界面热阻测量系统总体设计与测量原理 3 1 测量系统的总体结构 本系统设计是建立在激光光熟法测量界面热阻的原理之上的，测量系统的总 体硬件框图如图3 - 1 所示，整个期4 量系统主要由以下几部分组成；加热激光器 系统、光学系统、光电探测器、锁相放大器检测电路、单片机数据采集电路和 上位机处理界面( 各部分具体的设计将在第4 章分别作详细的介绍) 。 图3 一l 测量系统的总体硬件框图 图中l l 和l 2 ，l 3 和l 4 为两组聚焦透镜。样品组为透明氮化铝与铜，样品1 为氮化铝，样品2 为铜。 本实验装置其它配套装置采用了华工低温实验室以前做实验的已有装置， 样品温度监测系统，用柬监测样品温度；制冷设各系统和压力装置等。它与激 光测量装置的配合如图3 - 2 所示。 对所采用的配套装置只作简单介绍，g m 制冷机型号：g - m 1 0 1 ，2 0 k ，5 w ： 考虑传感器的安装、漏热、焦耳热等问题，样品温度测温传感器采用自制的 n i c r c t j + 0 1 3 f e 热电偶( n i c r 丝和c u f e 丝盼直径均为中o 2 m u ) ，并且热电 偶都进行了实验室标定。安装热电偶时，先用中o 2m 的在样品上紧绕一圈， 然后把热电偶焊接到铜丝上，并用尼龙丝进行固定。绝缘封闭腔用来维持腔内 然后把热电偶焊接到铜丝上，并用尼龙丝进行固定。绝缘封闭腔用来维持腔内 的恒温环境。 武汉理工大学硕士学位论文 l 压力装置2 样品3 样品架4 g m 制冷机5 温度测量6 屏蔽线 7 测量激光器系统8 聚焦透镜9 绝缘封闭腔 图3 2 激光测量装置与配套装置的配合图 3 2 微弱信号检测原理 目前，在实际的光电检测系统中，被检测的光辐射信号往往很弱，甚至受 背景辐射噪声或其他干扰的影响，以至有用信号被深埋在噪声中，光电探测器 输出信号功率相对于噪声功率的比值即信噪比很小。如何将深埋在噪声中的有 用信号提取出来，单靠提高光电探测器的性能是不能达到目的的，这就需要借 助一些特殊的微弱信号一检测的理论技术和方法阱l 。 在激光光热法界面热阻测量系统中，加热激光经过聚焦镜聚焦汇集在样品1 表面的一点，再经过接触耦合界面后从样品2 透射出，透射光的光信号非常微 弱，背景噪声或干扰的影响也很大，微弱信号常常会淹没在众多的噪声中而难 以检测到，使得通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比很小。这时， 除了要求放大器不产生附加的噪声污染外，还要设法将淹没信号的噪声尽量地 减小，以便从噪声中将信号( 或信号所携带的信息) 提取出来。这就需要借助一 些特殊的微弱信号一检测的方法1 2 4 1 。本课题研究了用锁相放大技术来解决这 一问题。 各种微弱信号检测法，都是建立在研究噪声的规律( 如噪声幅度、频率、相 位等) 和分析信号特点( 如信号频谱、相干性等) 的基础上的。然后利用电子学、 武汉理丁大学硕士学位论文 信息论和其它物理、数学方法，来对被噪声覆盖的弱信号进行提取、测量。实 际测量中，常常使用锁相检测技术把这样微弱的信号“捕捉”到。锁相检测的 实质就是窄带滤波，用一个以被测信号频率为通带中心、带宽极窄的滤波器对 带有噪声的输入进行滤波，这样，绝大部分噪声就被滤去，大大提高了信噪比。 锁相检测技术是基于相关接收原理渊的弱信号检测技术。 3 2 1 相关检测的原理 相关接收是应用信号周期性和噪声随机性的特点。通过自相关或互相关运 算来达到去除噪声l i l 的的一种技术1 ，包括自相关接收和互相关接收两种接收 方式。由于互相关接收比自相关接收抗干扰性能要好，锁相检测的锁相放大器 采用了互相关接收技术。下面就介绍互相关检测技术。如果待测信号的重复周 期或频率已知，就可在接收端发出一同样频率的不含噪声的“干净”的本地信 号作为参考信号，将本地信号与混有噪声的输入信号进行相关运算，就可从噪 声中提取出与本地信号相同频率的有用信号，如图3 3 ( a ) 所示。顺便指出，自 相关与互相关的区别在于，自相关接收时本地信号直接取白于输入信号，只是 在时间上有个延迟，如图3 - 3 ( b ) 所示。 e ) e ) 秉法器 积分器 ( a ) 秉法器 积分器 图3 3 互相关( a ) 和自相关( b ) 框图 设含噪声的输入信号为 ，1 0 ) ts 1 如) + n 0 ) 其中r i ( t ) 是噪声。本地信号为 ，2 t ) = s ：( f ) 则它们的互相关函数为 ( b ) ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 武汉理丁_ = 大学硕士学位论文 r ，：- ) 。烛寺正，l g ) ，2 ( f 一咖 一烛陆n 慨班+ 瓤梆：枷】 - r s l s 2 扛) + r 。：b ) 一凡 ( r ) ( 3 3 ) 由式( 3 - 3 ) 可看出：互相关接收只有信号与本地信号相关输出，去掉了噪声 项，因此它的输出信噪比高。但是，此种情况只有在计算相关函数求平均值的 时间比较长时，r , , s 2 ( ) 才趋于零，才有可能得到较高的信噪比。 3 2 2 锁相放大器的原理 为减小噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信 号的信噪比。但由于实际信号频率不恒定，带通滤波器的带宽不能做得太窄，q 值不能太大，因此其抑制噪声能力有限。锁相放大器是利用同步相干检测原理 而设计出的一种检测仪，它采用互相关接收技术，被测信号与参考信号理论上 应要求是完全同步的，它不存在频率稳定性问题，所以可以把它看作一个跟踪 滤波器。锁相放大器原理图瞄l 如图3 - 4 所示，它可分为三部分，即主信号通道、 参考信号通道和相关器。 图3 4 锁相放大器原理图 ( 1 ) 主信号通道 信号通道位于相敏检波器之前，由低噪声前臀放大器、各种功能的有源滤 武汉理工大学硕士学位论文 波器和交流放大器等组成。其作用是将弱信号放大到足以推动相敏检波器工作 的电平，并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声的功能，从而扩大锁相放大器的动 态范围。 信号通道应是低噪声、高增益的。前置放大器是锁相放大器的第一级，由 于被测信号很弱，是毫伏或微伏量级，甚至更小，为此前置放大器必须具备低 噪声、高增益的特点。 信号通道中的有源滤波器可根据干扰和噪声的不同类型分别选用带通、高 通、低遥和带阻滤波器或它们的组合。其作用是提高相敏检波器前信号的信噪 比，增大锁相放大器的动态范围。 如果滤波器前的放大倍数还不够，为了提高灵敏度，在相敏检波器之前还需 插入交流放大器。 ( 2 ) 参考信号通道 互相关接收除被测信号外，还有一个参考信号。参考通道主要由触发电路、 相移电路、方波形成电路以及驱动电路等组成。参考触发信号可在仪器内部发 生，也可从外部输入，大部分产品都由外部输入。输入波形可以是正弦波、方 波、三角波、脉冲波等周期信号。锁相放大器的参考通道输出是和被测信号同 步的对称方波，用以驱动相敏检波器的场效应管开关。 触发电路，也称过零触发电路。它将各种波形的信号变换成同步脉冲，然 后触发下一级电路。 相移电路是参考通道的主要部件。其功能是改变参考通道输出方波的相位， 要求在3 6 0 。范围内可调，从而使得相敏检波器前的主信号和参考信号之间的相 位差为0 或2 kn 。大部分锁相放大器的相移部分由一个0 。l o o 。的连续可调 相移器和相移量按级( 9 0 。，1 8 0 。，2 7 0 。) 跳变的固定相移器组成。 方波发生电路把相移器送来的信号波形变成占空比为】：l 的同步方波，再 由驱动级把此信号变成一对相位相反、幅度一定的对称方波，用以驱动相敏检 波器中的场效应管开关。 ( 3 ) 相敏检波器( p h a s es e n s i t i v ed e t e c t o r ，简称p s d ) 相敏检波器( p s d ) 即为相关器，它用柬完成被测信号与参考信号互相关运算 的电路。它必须具有动念范围大、漂移小、时间常数可调、线性好、增益稳定 和频率范围宽等特性。p s d 包括乘法器和积分器两部分。 现在假设p s d 的主信号和参考信号是分别为k 和一，频率分别为正和f ， 武汉理工大学硕士学位论文 相位分剐为0 ，和q 。 kt t kc o s ( 2 耐：t + 口，) ( 3 4 ) 一- s f + 8 ，) ( 3 5 ) 则p s d 的乘法器之后输出为 一c o s ( 2 矾f + 吃) 础( 2 矾f + 良) = 必c o s b ( 丘一，) + 以一p ，】+ 必c o s 胁( f + ，r l + 0 ，+ 日，1 9 5 。符合系统的需要。 4 3 光电探测器的选择 光探测器是光电转换的一个基本组成部分，它对整个系统性能的实现也至 关重要，由于接收到的光信号很弱，所以光探测器必须满足高性能的要求。另 外，光探测器是光路和电路的衔接点，完成光电转换的功能，由于它提供前置 武汉理工大学硕士学位论文 放大器的输入信号。因此它的性能和抗干扰能力对检测信号的影响十分明显。 一般对光探测器要求如下 ( 1 ) 线性好，按比例地将光信号转换为电信号； ( 2 ) 灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； ( 3 ) 响应频带宽、响应速度快，动态特性好； ( 4 ) 光谱的响应范围要包含所使用光源的波长，最好中心波长尽可能接近光 源的波长。 ( 5 ) 性能稳定噪声小、适合的物理尺寸、合理价格和比较长的使用寿命等。 光电探测器的种类很多，其中最适合激光撵测的探测器是光电二极管。 光电二极管、光电倍增管，它们都是利用光电导效应：即当光照射在某些半 导体材料表面时，若入射光的能量足够大，就能使材料的电子逸出表面，向外 发射电子，这种现象叫外光电效应或电子发射效应。这种器件的响应速度较快， 一般只需要几个纳秒。但电子逸出需要较大的光予能量，一般只适宜于近红外 辐射或可见光范围内使用。 光电探测器采用t h o f l a b s 公司的近红外波段、长波长类型的i n g a a sp i n 光电二极管，型号为k g a l 0 。具有低噪声和优良的频率响应等特性，光电探测 器特性参数如表4 3 所示。 表4 - 3 光电探测器特性参数 梦数符号典型僵单位 光敏面有效酝积s 。 08删2 中心波长 屯 1 6m 光滑晌应f 稠 工 8 扩一1 8 0 0 m n“m 光电灵敏度 j 09蛐戳 暗电流l2 5 r t a 截止凝率fc1 5毗z 等效噪声功率 n e p2 x 1 0 。 矿，勇i 工作温度范围l 2 5 武汉理t 大学硕士学位论文 光谱响应特性如图4 - 4 ，可见其在1 5 1 6 pm 具有良好的响应。 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 o 3 0 2 0 1 、 1 i l l ， f k 图4 - 4p i n 光谱响应曲线 在使用过程中采用了两项抗干扰措施：一是没有对光探测器加载偏置电压， 其目的是不增加暗电流；二是在光探测器与前置放大器输入脚之间用屏蔽线连 接以防止外界干扰从前置放大级引入。 4 锁相放大器电路的设计 根据锁相放大器基于微弱信号的相关检测原理，以及本文要实现的功能即 检测出温度波动信号的相位差，这里设计了双相锁相放大器。具体的锁相放大 器电路的原理框图如图4 5 所示，它主要由主信号通道、参考通道和相关器电 路三部分组成。 一p 匦砸悃。 斗l j 删： 啼0 呻圃豳悯 参考通道l + 悻日移如卜_ 相关器电路 图4 - 5 锁相放大器电路的原理框图 信号输出l 信号输出2 一芝司一心蝌咄辎水 武汉理工大学硕十学位论文 4 4 1 主信号通道设计 主信号通道是锁相放大器的前端。由于被检测信号一般比较微弱，而伴随 的噪声却很大。信号过小易产生误差，甚至无法进行相关检测。因此在进行相 关检测前需要对信号加以放大和对噪声进行预处理，把微弱信号放大到足以推 动相关器工作的电平，扩大仪器的动态范围和避免噪声过大超过动态范围而过 载。主信号通道电路的原理框图如图4 - 6 所示，它主要由前置放大器、滤波电 路与后级放大电路组成。 图4 - 6 主信号通道电路的原理框图 在本系统中，由于光电二极管输出的电信号很小，因此需要较高的放大倍 数。整个放大滤波电路由两级组成，其中第一级( 前置放大器) 为电流电压转换 器，第二级为交流电压放大器。为了消除高频噪声，还在第一级和第二级之间 设计了低通滤波电路。微弱信号的放大中信号很容易被噪声等淹没。因此尽量 将最大增益放在第一级，即转换级。 4 4 2 1 前置放大电路的设计 在光电检测系统中，探测器的输出端与前置放大器相连，前置放大器的任 务是放大光电探测器所输出的微弱电信号；并使光电探测器偏置和与光电探测 器阻抗匹配。所以前置放大电路的设计与选择是光探测系统的一个重要环节。 一般对前置放大电路的要求有：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带 宽和负载能力以及良好的线性和抗干扰能力。 在具体的设计中要注意二点：要保证信号的可靠放大，这关系到系统的后 继处理过程；要根据输入信号的噪声特性来设计，因为传送过来的微弱电信号 中，有用信号淹没在噪声信号中。因此对于给定的光探测器，主要从以下几方 面考虑设计原则： 第一，由于系统探测的是微弱的光电流信号，因此前置放大电路的增益要足 武汉理工大学硕十学位论文 够高。采用p i n 光电二极管探测光信号，将其转换为电流。采用商阻负载将有 利于获得大的电压信号，故希望采用高阻抗放大器。 第二，p i n 管探测到的光信号，是经过电流调