Способ измерения теплоемкости материалов

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в нагреве исследуемого материала радиационным излучением, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений яри исследовании тонких пленок диэлектрических материалов, исследуемьй материал наносят на изоляционную подложку с токопроводящим трафаретом гребенчатого конденсатора, нагревание исследуемого материала производят модулированным потоком радиационного излучения, снимают зависимость величины электрического сигнала конденсатора от частоты модуляции, по которой определяют тепловую постоянную времени преобразователя , а теплоемкость материала рассчитывают по формуле . а 4е дбтт, i где - коэффициент поглощения ис (Л С следуемого материала; (э - постоянная Стефана-Больцмана; А - площадь активного элемента; Т - температура окружающей среды; Т - тепловая постоянная времени преобразователя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР по делАМ изоБРетений и откРытий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0= Е„46Т, (21) 3732974/24-25 (22) .09.01.84 (46) 23.12.85. Бюл. Ф 47 (71) Ужгородский государственный университет (72) Н.N. Братасюк, З.З. Балог, Н.И. Довгошей и В.В. Сагарда (53) 536.24(088.8) (56) Качан Д.Н. Исследование термодинамических свойств веществ методами адиабатической калориметрии. - M.: Изд-во ИВТАИ, 1982, с. 6-79.

Авторское свидетельство СССР

В 930087, кл. С 01 N 25/20, 1980. (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в нагреве исследуемого материала радиационным излучением, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерений при исследовании тонких пленок диэлектрических материалов, исследуеSU» 120 178 А мый материал наносят на изоляционную подложку с токопроводящим трафаретом гребенчатого конденсатора, нагревание исследуемого материала производят модулированным потоком радиационного излучения, снимают зависимость величины электрического сигнала конденсатора от частоты модуляции, по которой определяют тепловую постоянную времени преобразователя, а теплоемкость материала рассчитывают по формуле где — коэффициент поглощения ис1 следуемого материала; v — постоянная Стефана-Больц> мана;

А — площадь активного элемента;

Т вЂ” температура окружающей среды — тепловая постоянная времени преобразователя.

1200178

Изобретение относится к исследо- . ваниям теплофизических свойств веществ и предназначено для измерения теплоемкости преимущественно тонкопленочных диэлектрических материалов.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения теплоемкости при исследовании тонких пле,нок диэлектрических материалов °

На фиг. 1 схематически изображен вариант конструкции емкостного преобразователя, реализующего данный способ исследования теплоемкости; на фиг. 2 — частотная характеристика емкостного преобразователя, по которой определяется тепловая постоянная.

На теплоизоляционную подложку 1 нанесен токопроводящий слой 2, конфигурация которого представляет гребенчатый конденсатор. Внутренняя по периметру часть конденсатора заполнена слоем 3 исследуемого материала, служащим активным элементом преобразователя.

Геометрические параметры изготовляемых гребенчатых конденсаторов, определяющие начальную емкость,.за- . даются, в основном, диэлектрическими свойствами и толщиной исследуемого материала и частично измерительной схемой включения конденсатора.

Чувствительность измерительной схемы, мощность и спектральный состав теплового излучения, которым облучается преобразователь, выбирают экспериментально из условия надежной регистрации выходного электрического сигнала в зависимости от частоты модуляции теплового потока.

При радиационном облучении лучистая энергия дИ поглощается непосредственно исследуемым материалом и температура его повьппается Hà дТ, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости дЕ и емкости конденсатора ДС в целом — на выходе измерительной схемы, в которую включен емкостный преобразователь, получают изменение выходного напряжения

DU, т.е. преобразования лучистой энергии в электрический сигнал происходит в последовательности дИ- дТ- дЕ - д С™4U, что позволяет выразить коэффициент преобразования (вольт-ваттную чувствительность) в общем виде

40 дС дЕ. дс дЕ дт дФ/ ()

4U

В формуле (1) множитель — опре5 дС деляет чувствительность измерительной схемы включения конденсатора, дС вЂ”,зависит от конкретной конструкдЯ ции измерительного конденсатора и в условиях опыта остается постоянным. дЯ

Множитель определяет темперадТ турную зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого материа40 дС дЯ ла. Учитывая, что —, — и—

4С 4Я дТ являются постоянными величинами для конкретной конструкции измеритель20 ного конденсатора, выражение (1) сводится к виду

4Т (2) R

У 1 4гг) и (4) 45

Так как при ы =0 S= т R=S<,уравнение (4) может быть представлено в виде о (5) (1,, гг) is

В режиме радиационного теплообмена активного элемента приемника с окружающей средой тепловое сопротивление равно

Я ) (ь) .И бай

25 Известно, что температурная чувствительность приемника может быть описана выражением

4Т Р

4 g (1+„„ъ„-г) fé (3)

ЗО где ы — циклическая частота модуля-. ции лучистого потока; — тепловая постоянная времени приемника;

R — - тепловое сопротивление, 35 зависящее от вида теплообмена приемника с окружающей средой.

С учетом формулы (3) формула (2)

40 для определения чувствительности емкостного преобразования принимает вид з 1200178 4 где f„ — коэффициент поглощения ис- в зависимости от частоты модуляции следуемого материала; облучения и по полученным экспери6 — постоянная Стефана-Больцмана; ментальным данным строяr частотную

А — площадь активного элемента характеристику. Тепловую постоянприемника; ную времени определяют по формуле

Т вЂ” температура окружающей среды.

Отсюда теплоемкость активного элеъ г J

2 >t мента может быть определена из выражения где f — частота модуляции, соответствующая 0,707 от максимального уровня выходного сигнала (фиг. 2).

По формуле (7) рассчитывается теплоемкость исследуемого материала. I а 7У7Ф

Ъ

-Ъ ь ф

Ъ

4 ест фиа. Г

Составитель В. Зайченко

Редактор И. Николайчук Техред И.Асталош Корректор М. Самборская

Заказ 7859/49 Тираж 89б Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Таким образом, измерение теплоемкости тонких пленок диэлектрических материалов по данному способу 15 производится в следующей последовательности. На трафарет гребенчатого конденсатора через шаблон с известной площадью наносят слой исследуемого материала, получая емкост- 20 ный преобразователь лучистой энергии, в котором активным элементом (непосредственно участвующим в теплообмене) является нанесенный слой. Емкостный преобразователь по- 25 мещают в криостат и подключают к измерительному прибору. В режиме радиационного теплообмена активного элемента с окружающей средой измеряют выходной электрический сигнал gp

Использование предлагаемого способа в сравнении с известными обеспечивает уменьшение погрешности измерения теплоемкости тонкопленочных материалов, поскольку отпадает необходимость абсолютного измерения мощности лучистого потока и малы изменения температуры тонкой пленки, а также позволяет проводить измерение температурной зависимости теплоемкости исследуемых материалов и определять теплоемкость тонкопленочных защитных покрытий, полученных в едином технологическом цикле с микросхемами.