Mikroskooppisten kohteiden lämpötilamittaukset itt t Maksim Shpak
Planckin laki I BB ( λ T ) = 2hc λ, 5 2 1 hc λ e λkt 11 I ( λ, T ) = ε ( λ, T ) I ( λ T ) m BB, 0 < ε <1
Pyrometri Mitataan lämpösäteilyä yhdellä tai useammalla aallonpituudella tai laajalla kaistalla Usein infrapuna-alueella,,jotta päästään mataliin lämpötiloihin Huoneen lämpötilassa mustan kappaleen säteilyn huippu on noin 10 µm:ssä Emissiivisyyden tuntemattomuus on virhelähde Riippuu materiaalista, pinnan karheudesta, mittauskulmasta ja myös lämpötilasta Kuvantavalla optiikalla ja matriisidetektorilla saadaan lämpökamera
Mikrometriluokan lämpömittaukset Spatiaaliset t lämpöjakaumat Mikrokomponenttien lämpökarakterisointi Lämpötila Lämpöjohtavuus Lämpökapasiteetti Integroitujen piirien luotettavuusanalyysi Kuumat pisteet (hot spots)
Yleiset menetelmät mikroskaalassa Termoparianturi i 30 µm Scanning thermal microscopy 100 nm IR lämpökuvaus 3-10 µm Heijastuskertoimen mittaus 1 µm Micro-Raman thermometryt 1 µm
Termoparianturit Kontaktimenetelmä t Laaja lämpötila-alue Pienimmillään i illää 30 µm Kohdistus ja hyvän kontaktin muodostaminen voi olla hankalaa Lämpö karkaa kohteesta anturiin
Scanning thermal microscopy Perustuu Atomic Force Microscopy menetelmään Lämpö siirtyy kärkeen ja se havaitaan kärjessä olevella anturilla Termopari tai ohutkalvovastusanturi Pahaimillaan alle 100 nm resoluutio
IR lämpökuvaus Ei kontaktia kti kohteeseen Lämpökamera mikroskooppioptiikalla Mikroskooppioptiikan k i resoluutio diffraktio-rajoitettu it tt 3-10 µm Emissiivisyys ongelmana
Heijastuskertoimen mittaus Mitataan t laserin heijastusta t Heijastuskerroin on riippuvainen lämpötilasta Suhteellinen muutos on noin 10-4 -10-6 astetta tt kohti Nopea, resoluutiota rajoittaa laserin aallonpituus Kalibrointi i hankalaa, etenkin jos kohteessa esiintyy eri materiaaleja
Micro-Raman thermometry Ramansironta on kimmoton sironta, sironneen fotonin aallonpituus on joko pienempi tai korkeampi kuin saapuneen Tapahtuu kun molekyyli siirtyy energiatilasta toiseen Paljon heikompaa kuin Rayleigh sironta, noin 0.1ppm Raman sironnan todennäköisyys riippuu lämpötilasta Mitataan lasersäteen heijastusta ja suodatetaan alkuperäinen aallonpituus
Polaradiometry Polaradiometry = polarization + radiometry Kun näyte on läpinäkymätön: ε + ρ = 1 Tietyssä kulmasa heijastunut t säde on polarisoitunut it t Emissiivisyydessä effekti on komplementaarinen Heijastetaan mustan kappaleen säteilyä näytteestä, ja mitataan heijastuneen ja emittoidun säteilyn summa Referenssilähteen lämpötila säädetään kunnes s ja p komponentit ovat yhtäsuureita Suoraan lämpötila ilman esitietoa näytteestä!
Mikrosilta Pii-silta, ilt koko k noin 400 x 25 x 4 µm Hehkuu kun virta menee läpi Lämpenee jopa sulamispisteen i saakka ennen kuin hajoaa
Mikrosilta Mitataan t säteilyn spektri näkyvällä ällä ja lähi-infrapuna i alueilla ja sovitetaan tulos Planckin lakiin Mittauslaite:
Mikrosilta Absoluuttitason saaminen hankalaa, kalibrointi i on suhteellinen Määritellään lämpötila spektrin muodosta Ei voi olettaa, että mikrosilta on harmaa kappale! Mistä emissiivisyys? Mitataan emissiivisyys bulkkinäytteestä tunnetussa lämpötilassa
Mikrosilta ja bulkkinäyte Mikrosilta Bulkkinäyte SiO 2 400 nm SiO 2 400 nm Si++ 4 µm Si++ 4 µm SiO 2 400 nm SiO 2 200 nm 15 µm Si 380 µm Si 365 µm
Emissiivisyyden mittaus
Mitattu radianssi @ 1100 ºC
Mitattu emissiivisyys
Emissiivisyysmalli Emissiivisyys ii i on yhtäsuuri kuin absorptio Absorbtion, transmittanssin ja heijastuksen summa on 1 ε ( λ) =1 τ ( λ) ρ( λ) Transmittanssi ja heijastus voidaan mallintaa taitekertoimien avulla käyttäen Fresnel yhtälöitä Koska kerrokset ovat osittain läpinäkyviä, tarvitaan kompleksiset taitekertoimet
Taitekertoimet SiO 2 reaaliosa riippumaton lämpötilasta, t imaginääriosa lähellä nollaa (ei absorboi) Si++ reaaliosan arvot saadaan kirjallisuudesta (extrapoloidaan), imaginääriosan arvoja ei käytännössä löydy korkealle lämpötilalle ja piin seostusasteelle Imaginääriosa jää sovitusparametrina malliin Si substraatti on niin paksu, että absorboi kaiken. Vain p reaaliosa merkittävä
Ohutkalvomalli 1 2n a tab = n + n a b t 21 r 12 t 12 r 21 n 1 r ab = n + n b a n b n a t 32 r 23 t 23 r 32 n 2 n 3 θ =0
Ohutkalvomalli 2 t = 123 i t12t23e 1 r r e 21 23 β 2 2iβ 2 r 123 r 123 = r 12 + 2 β t i 2 12t21r23e d 2 2iβ2 r21r23e 1 2 = π λ ( n ik ) β 2 d 2 2 + ik 2 t 123
Ohutkalvomalli 3 Step 1: 2: t 321 r 123 t 12 21 123 r 321 t 32 43 r 23 34 n 1 n 2 t 23 34 r 32 43 n 34
Ohutkalvomalli 3 t 654321 r 123456 n1 Step 5: t 123456 r 654321 t 123456 n 6 2 ε = 1 r t 123456 123456 2
Mallinnettu emissiivisyys
Taitekertoimen imaginääriosa Extinction coefficient i Muuttuu voimakkaasti yli 600 ºC lämpötiloissa, kun lämpötilageneroidut varauksen kuljettajat j alkavat dominoimaan
Emissiivisyysmalli mikrosillale Malli muutettu tt vastaamaan sillan rakennetta Käytetään määritettyä taitekerrointa, mutta lämpötila tuntematon
Mikrosillan mallinnus @ 940 ºC
Vertailu kontaktimittaukseen Mitattu tt lämpötila syöttötehon funktiona
Vertailu kontaktimittaukseen Normalisoitu it resistanssi i lämpötilan funktiona Saavuttaa piikin tietyssä lämpötilassa
The End