3ω Método Omega
3ω técnica de medición – una aproximación a la medición de la conductividad térmica
Un método ampliamente utilizado para medir la conductividad térmica es el método 3ω.
Aunque inicialmente se desarrolló para medir la conductividad térmica de materiales a granel, el método se amplió posteriormente a la caracterización térmica de películas finas de hasta unos pocos nm de grosor.
Además, a continuación se adaptó la técnica 3ω para medir la conductividad térmica en el plano y en el plano transversal de películas anisótropas y membranas independientes.
Esta técnica es actualmente uno de los métodos más populares para caracterización de la conductividad térmica de películas finas.
Montaje experimental (incl. línea metálica para calentar/detectar) para la técnica 3 Omega
En el método 3ω, una fina tira metálica, que está en contacto térmico con la muestra, actúa como calentador y como sensor de temperatura.
Para la medición se utiliza una corriente alterna,
con frecuencia y amplitud de modulación angular que atraviesa la banda, genera una fuente de calor con potencia
dondeRh es la resistencia de la banda en las condiciones experimentales, y provoca un aumento de temperatura en forma de
y, en consecuencia, una oscilación de la resistencia de la franja
a la frecuencia angular 2ω, con es el coeficiente de temperatura de la resistencia de la banda metálica.
En cuanto a la frecuencia, el desplazamiento de fase depende tanto de la geometría del calentador como de los materiales subyacentes.
Midiendo la caída de tensión a través del calentador, según la ley de Ohm, se obtiene una señal de amplitud modulada que tiene un pequeño componente en el tercer armónico 3ω, que se puede extraer con un amplificador lock-in.
Para calcular la conductividad térmica de la muestra, así como la capacidad calorífica específica, hay que resolver la correspondiente ecuación de difusión del calor, que depende del montaje experimental.
Enfoque diferencial 3 Omega con dos mediciones
Un enfoque típico de la conductividad térmica transversal con una película fina sobre un sustrato a granel es el enfoque diferencial con dos mediciones:
La primera sólo sobre el sustrato en blanco, y la segunda incluye la capa de interés.
La capa actúa como una resistencia térmica conectada en serie entre el calentador y el sustrato y garantiza un aumento de las oscilaciones de temperatura, en comparación con la medición sin la película fina.
A partir de este aumento, se puede determinar la conductividad térmica del mediante la ley de Fourier:
siendo w y l el con y la longitud del calentador.
Conductividad térmica en el plano mediante tecnología de medición 3w
Otro montaje experimental para determinar la conductividad térmica en el plano, así como la capacidad calorífica específica, es un calentador alineado en el centro de una membrana o sustrato suspendido, respectivamente. En este caso, el comportamiento térmico de la parte suspendida puede evaluarse mediante la siguiente correlación:
Con G=2λdlb^(-1), es la constante térmica de tiempo, b la anchura y l la longitud de la membrana y D es la difusividad térmica.
Chip de medición integrado para medir la conductividad térmica en el plano de películas finas mediante el método 3 Omega
¿Qué propiedades se determinarán?
La técnica de medición 3ω es una técnica de medición electrotérmica para determinar la conductividad térmica, difusividad térmica y capacidad calorífica específica del material a granel (es decir, sólido o líquido) y de capas finas utilizando como calentador una banda metálica accionada por corriente alterna.
El calentador metálico aplicado a la muestra se calienta periódicamente.
A continuación se miden las oscilaciones de temperatura así producidas.
La conductividad térmica y la difusividad térmica de la muestra pueden determinarse a partir de su dependencia de la frecuencia.
