Određivanje toplotne difuzivnosti i toplotnog kontaktnog otpora tankih čvrstih slojeva na podlozi laserskom impulsnom metodom

Abstract

Cilj ovog rada je poboljšanje, razvoj i primena impulsne eksperimentalne metode za određivanje toplotne difuzivnosti i toplotnog kontaktnog otpora tankih slojeva na podlozi. Da bi se ostvario taj zadatak, rad je usmeren ka tri sledeća pravca: I) Teorijska istraživanja koja uključuju analitičko i numeričko rešavanje sistema parcijalnih diferencijalnih jednačina provođenja toplote kondukcijom uz odgovarajuće početne i granične uslove. II) Teorijska istraživanja koja podrazumevaju metode i procedure estimacije parametara primenjivih u datim teorijskim i eksperimentalnim uslovima. III) Eksperimentalna istraživanja koja obuhvataju poboljšanja i razvoj uslova za merenje i akviziciju eksperimentalnih podataka. U toku prve etape istraživanja, izvedeni su i testirani različiti teorijski modeli koji opisuju jedno- i dvodimenzionalnu kondukciju toplote kroz dvoslojni sistem čvrstih materijala sa opštim i posebnim početnim i graničnim uslovima. U drugoj etapi, u svrhu analize mogućnosti parametarske estimacije nepoznatih fizičkih veličina kao što su toplotna difuzivnost tankih slojeva i uz prisustvo konačnih neodređenosti poznatih parametara sistema, razvijene su dve numeričke procedure: direktna, koja koristi originalne parametre sistema i optimalna, koja manipuliše sa grupom modifikovanih parametra. Najzad, treća etapa podrazumeva eksperimentalna istraživanja, tj. razvoj i primenu dve kompleksne aparature, jedne za merenje signala kod jednodimenzionalnih, a druge kod dvodimenzionalnih sistema provođenja toplote na različitim uzorcima sa tankim slojevima.

The purpose of this work is to improve, develop, and apply the pulse method for the measurements of thermal diffusivity and thermal contact resistance of thin layers deposited on substrate. To carry out this mission, the work is directed toward three following axes: I) Theoretical studies, which include analytical and numerical considerations of partial differential equations of heat conduction for corresponding initial and boundary conditions. II) Theoretical studies, which consist of methods and procedures of parameter estimation, appropriate for general and particular problem. III) Experimental studies, which imply use and development of the experimental setup, as well as the performance of different experiments. During the first phase, one established several models that corresponded to one- and two-dimensional heat conduction through a two-layered system, implying general and particular initial and boundary conditions. In the second phase, for a study of the estimation possibilities of unknown parameters, as it has been the thermal diffusivity of thin layer, one applied and developed two different estimation procedures: first, a direct procedure, which implied the treatment of original parameters, and second, an optimal procedure that dealt with modified parameters. Both of procedures took into the account the finite uncertainties of known parameters. Finally, in the last phase, one studied experimental problems appropriate to existing experimental setup and to measurement itself, then established another setup for two-dimensional measurements, and, finally, applied devices, procedures, and theoretical models obtained from the first two phases, to real different samples with thin layers.