Термозонд для измерения теплопродности твердых тел
Союз Советски к
Социалистические республик
7082О8
+ (К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22)Заявлено 01.12.76 (21) g<3<075/g..;;. .2;, (51)М. Кл.
Я 01 и 25/18 с присоединением заявки №
Гоеудерствеииый комитет (23) Приоритет по делен иэооретений и открытий
Опубликовано 05.01.80. Бюллетень ¹ 1
Дата опубликования описания08 О(80 (53) УДК 536.6 (088,8) (72) Авторы изобретения
Т. Д. Оситпнская, А. Г. Гонтарь и А. С. Вишневский
Институт св ерхтвердых материалов АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) ТЕРМОЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Изобретение относится к устройствам для определения теплопроводности твердых тел преимушественно неправильной reo— метрической формы, например алмазных кристаллов.
Известны различные устройства длч определения теплопроводности твердых тел, однако все они предназначены для образцов сравнительно больших размеров правильной геометрической формы и неприменимы для образцов малых размеров (1 мм), имеюших к тому же неправильную форму. Измерение теплопроводности особенно осложняется, если образцы малых размеров неправильной формы имеют очень высокую теплопроводность, как например алмазы, теплопроьодность которых превышает теплопроводность наилучших проводников тепла меди и серебра (1).
Высокая теплопроводность алмазов позволяет использовать их в качестве теплоотводов в полупроводниковых приборах, работаюших при больших плотностях тока (лавинно-пролетных дподах,.диодах Ганы, лазерах . При этом возникает необходимость отоора алмазных кристаллов с максимальной теплопроводностью для теплоотводов, размеры которых не превышают 1-1,5 мм. Алмазные теплоотводы позволяют повысить эффективность работы указанных приборов на 15 — 20",oо.
Известно устройство для измерения теплопроводности алмазных кристаллов длиной не менее 10 мм, включаюшое нагреватель и холодильник, между которыми зажимается образец с закреплештыми на некотором расстоянии от его концов датчиками температуры. Теплопроводность образца определяется путем измерения величины теплового потока тт, разности температур по длине образца ьТ и расстояния ЬХ, на котором эта разность температур возникает, при известной плошади поперечного сечения образца 5 по в формуле (3 а,тс (1 )
ЬТ
7О8208
4 л термозонда с образцом, имеющий низкое . термическое сопротивление и малую плошадь известной величины. При этом возникает термическое сопротивление стягивания, которое не зависит от формы и размеров образцов, а определяется только ре- величиной его теплопроводности и радиусом плошади контакта. Теплопроводность и- определяется из соотношения (3) Недостатками описанного устройства являются: невозможность измерения теп проводности твердых тел неправильной формы с размерами менее 10 мм, слож ность крепления датчиков температуры образцу.
Известно также устройство для изме ния теплопроводности алмазов (2) мето дом продольного теплового потока, велич на которого определяется тепломером. (о
Образец в виде прямоугольного стерж) ня прижимается ко дну измерительной
l ячейки тепломером, представляющим собой длинный медный стержень с плоской пятой на конце. Корпус измерительной ячейки 15 охлаждается жидким азотом. Тепломер центрируется внутри ячейки эбонитовой втулкой и зажимается в1 нтом. На тепломере размещены нагреватель, являющийся источником измеряемого теплового по- 20 тока„и дифференциальная термопара. Образец длиной 4,8 мм имеет два расположенных на расстоянии 2 мм друг от друга глухих отверстия, внутри которых закреплены клеем спаи дифференциальной термопары. Тепломер предварительно калибруют для получения его эффективной теплопроводности во всем диапазоне измеряемых температур. Теплопроводность образца определяется по формуле
ЖлЕм
Л=— (2)
AhF где, -эффективная теплопроводность теплом ера; А — коэффициент, учитывающий форму и размеры образца; ):м!gQ- 55 соотношение измеряемых ЭЙС термопар " тепломера и образца.
Это устройство имеет те же недостатки, что и описанное ранее; кроме того, при высверливании отверстий нарушает- ся целостность исследуемого образца.
Наиболее близким к предложенному является устройство, представляющее собой термозопц (31.
HB корпусе термозонда укреплены нагреватель, создающий тепловой поток, дополнительный нагреватель для компенсации потерь тепла, термопара для контроля компенсации и измерения разности температур. Термозонд заканчивается ал- 5О мазным наконечником, имеющим сферическое закругление, так что при достаточном усилии прижима тепловой поток попадает в образец через малую круговую площадь с известным радиусом.
Теплопроводность определяют путем ввода в образец потока тепла с постоянной скоростью через термический контакт где Я вЂ” скорость ввода тепла или вводимая мощность — радиус плошади ввода тепла;
ЬТ вЂ” разность температур в зоне ввода тепла (Т ) и на противоположпой стороне образца (Т )
Оля надежного измерения теплопроводности подобным термозондом необходи>ло точное измерение разности температурЬТ
Измерение Т g не вызывает затруднений, а измерение Т в oIIIIcaHkloM устройстве непосредственно осуществить невозможно. Возникает необходимость калибровки устройства на кристаллах с известной теплопроводностью с целью определения составляющих перепада температур ЬТ.
Калибровка по кристаллам с очень высокой теплопроводностью осложняется отсутствием алмазных эталонов, т. е. крлсталлов с точно известной величиной Д.
Это вызывает необходимость проведения дополнительного цикла измерений Л этих материалов известными методами и устройствами на образцах больших размеров правильной геометрической формы.
Если таковые отсутствуют, то калибровка невозможна.
Е1ель изобретения — повышение точности и упрощение измерений.
Укаэанная цель достигается тем, что наконечник выполнен из полупроводникового алмаза и снабжен электрическими контактами.
На фиг, 1 показан предложенный термоаонд в разрезе; на фиг. 2 — зависимость сопротивления полупроводникового алмаза от температуры.
Термозонд состоит из корпуса 1, основного нагревателя 2, создающего тепловой поток, вводимый в образец, компенсирующего нагревателя 3, дифференциальной термопары 4- для контроля компенсации потерь тепла основного нагревателя >наконечника 5 из полупроводникового ал5 708 маза, имеющего сферическое закругление и электрические контакты 6 и 7 с проводниками 8,9, термопары 10.
Теплопроводность измеряется следу!о= щим образом. При приложении давления
Р постоянный поток тепла, создаваемый нагревателем 2, вводится в исследуемый алмазный образец 11 через малую площадь контакта полупроводникового алмазного наконечника 5 с поверхностью об- !0 разца. Две противоположные грани алмазного наконечника имеют контакты 6 и 7, к которым присоединены золотые проволочки диаметром ЭО мкм (тонкис провод-! с ники использу1отся для уменьшения тепловых потерь) . Эти проводники подключаются к измерителю электрического сопротивления алмазного наконечника. Темпсратура Т в зоне контакта опредсллетсл по величи!1е электричсского сопротивлсш1л из его зави-имости от температуры (фпг.
2) Температурный коэффициент OOIIpOTIIB—
ЛЕНИя дЛя л!с3бай! тЕМПЕратурЫ ОПрсдЕЛяЕтся как В (4)
TÒ" М
2=,; 633 т (5) где Т вЂ” исходная темпсратура, à — ко—
)Р печная температура 1 и Ь . эл"ктрическос сопротивление алмазного наконечника co-! El ответственно при температурах Т и Т .
Удельное сопротивление образца paBIIO р =.— (6)
Так как электропроводность полупровод5 никовых алмазов обусловлена наличием акцепторной примеси (например, атомов бора), получить полупроводниковые алллазы можно либо путем синтеза, либо легированием обычных природных алмазов при о высоких давлениях и температурах. Велпчина удельного электрического сопротив— ления таких алмазов определяется уровнем легирования. Нля сильнолегирсвапного алмаза с удельным сопротивлснчем p 1,0 Ом. см абсолютное значение с при комнатной температуре составляет при- 1 мерно 0,5% град., для алмазов с удельным сопротивлением более 1,0 Ом см с1. может достигать 4;о град . и более.
Из фиг. 2 видно, что величина сс. может иметь разные значения в различных температурных диапазонах. В общем случае харак- тер температурной зависимости определлетсл температурпой зависимостью удельного сопроти13.-!с.!Ия полупроводникового алмаза.
Исп01п зованис полупроводн31кового ал маза !3 тсрмозопде позволяет существенпо упростить процесс определения теплопроводпостп, исключив предварительную ккшб!30!3ку и увеличив точность измерения ЬТ Кроме того, не требуется креп.;.:ения тсрмопар к алмазу. йопосппггельпое преимущество предлагаемого термозонда заключается в том, что полупроводниковый алмаз можно использоE3:Iòü EL3K самостолте3!ьи1.1й источник тепла. Это возможно при пропускан1п1 через полупро130д Пковый алмаз достаточно бо:!ьшого электрического тока, который а спо за счет выделения
1,жОулсва тспГ!а. Hpсд13арителы10 полученная зависимость темпсратуры нагрева этого алмаза от подводимой мощности позволлст одно!3ремсппо определять количество тепла, вводимого в образец, и темпсратуру в зоне контакта.
Тсрмозопд с пакопеппгком из полуIIp0I30IIEI! IKOD0I 0 ал 1аза ПОЗ130Ллст ПОвь1 сить точность ис3.;!!3!3спи1! па 7-8",oî и вдвое со1срат! ть время измерений.
Формула изобретения
Термозопд для пзмерепия тсплопроводности твсрдь!х тел преимущественно неправильной формы, например алмазов, L включа!О!Ип!1 корпус в виде стержня, нагреватель и алмазный накопсчп1пс со сферическим закруглением, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью повышения точности и у!1роп1лшя измерений, паконечIIIII< в !Полпе пз пОлуп1)ОВОДIпп!ОВОГО алмаза и спаб3!ссп электрическими контактаИстоьпп!Ки информации, принят!,!е Во вп11маппс при экспертизе
<.Вегюа!1 Ч., И е el.rna6 солйцсО—
М1ОВБ о soE33e Й е ес г с Бойй сй, Р,а и е333Рега игера, Рг0с R0 Soo. А, È5,208,Рр 90- 07.
А
2. Липский! Q. Б. и др, Устройство для измерспил тсп toElpoE3013EIîñòè алмазов.
Сб. "Ллмазь! и свсвхтвсрд1.!с матсриалы
N., 1975 о .1 с. 32 2Д
3. Патент СЦ!. М ДГ>1 1786, кл. 7»-15.
7082 8
Фиг. 1
2 3 4 5 Ю 7
fgg/т(к - )
Фиг. 2
Составитель В. Вертоградский
Редактор Т. Орловская Техред М. Петко Корректор Н. Задерновская
Заказ 8475/37 Тираж 1019 Подписное
ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
