如今测量导热系数方法与仪器有许多种。

使用Fourier方程所描述的稳态条件的仪器主要适用于测量中低导热系数材料。

使用动态（瞬时）方法的仪器，如热线法或激光散射法，用于测量中高导热系数材料。

一、稳态方法1、热流法如图1所示，将厚度一定的方形样品（例如长宽各30cm，厚10cm）插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。

使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流。

测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。

图2示出了一种新型的热流法导热仪（HFM 436系列）。

样品的厚度可达到10cm，长与宽可达30或60cm。

测量温度为-20℃到100℃之间（取决于不同的型号）。

这种仪器能测量导热系数在0.005到0.5W/m·K之间的材料，通常用于确定玻璃纤维绝热体或绝热板的导热系数与k因子。

该仪器的优点是易于操作，测量结果精确，测量速度快（仅为同类产品的四分之一），但是温度与测量范围有限。

2、保护热流法对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流法导热仪。

其测量原理几乎与普通的热流法导热仪相同。

不同之处是测量单元被保护加热器所包围，因此测量温度范围和导热系数范围更宽。

3、保护热板法热板法或保护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。

保护热板法的测量原理如图3所示。

热源位于同一材料的两块样品中间。

使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流，并使加热器的能量被测试样品完全吸收。

测量过程中，精确设定输入到热板上的能量。

通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。

热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。

辅助加热器后是散热器，散热器和辅助加热器接触良好，确保热量的移除与改善控制。

测量加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度，应用Fourier方程便能够算出材料的导热系数。

相比热流法，保护热板法的优点是温度范围宽（-180到650℃）与量程广（最高可达2W/m·K）。

此外，保护热板法使用的是绝对法——无需对测量单元进行标定。

4、悬膜法在大部分实验中，薄膜往往沉积在衬底上，衬底势必对载流子的输运造成影响，进而影响输运性质。

有研究者认为，金属薄膜的热导率可通过测量其电导率，再利用Wiedemann-Franz定律来确定。

这一处理方法对微米尺度金属薄膜基本适用，但是对于纳米尺度金属薄膜，需要对热导率和电导率分别进行测试。

基于以上考虑，Zhang和Xie等人研发出悬膜测试技术，对自由悬架的金属纳米膜的热学和电学性能进行了实验研究。

Zhang 等人利用微制造技术，在硅基片上制备按测试需求设计的自由悬架金属纳米薄膜及附属结构。

利用扫描电镜（SEM）测量纳米膜的长度和宽度，厚度由椭圆偏振仪测定。

Zhang等人制备了多个纳米膜样品，用于不同的测试实验。

利用四点法测量纳米膜的电阻，其测试电路示于图1- 14。

测量时，硅片及其上的纳米膜置于可以精确设定温度的恒温槽内，根据所测得的不同温度下的电阻R结合纳米膜的几何参数计算出不同温度下的电导率σ。

热学性能测量采用电学性能相同的回路。

初始时，纳米膜及其连接部分均处于平衡温度T；测量时，在纳米膜内通以电流，由产生的焦耳热达到均匀加热的目的，同时该纳米膜本身也充当电阻温度计。

通过测量电流I和电压V，可以计算出在加热功率q（q =IV）下，纳米膜的电阻R（R= V/I）。

纳米膜通以电流时，处于一维传热状态，物理模型可用图 1- 15表示，纳米膜的热导率可由下式求得。

k=q∆T v∗l12wd5、微桥法Zhang和Grigoropoulos采用微桥法测量自由悬架h-SiN薄膜的热导率。

微桥结构如图 1-16所示，用微加热器加热单层无衬底薄膜，且用微热敏电阻测量温度变化，从而测得薄膜材料的热导率。

以恒定的直流加热电流通过微加热器，产生稳态热流，热流沿薄膜向四周扩散并在薄膜和硅热沉接触处很快降为零，则薄膜边缘的温度为环境温度T。

由一维热传导方程可求出,薄膜的热导率为：k=QT s−T0(L−X)式中:Ts为传感器处温度，L为薄膜边缘位置，X为传感器位置。

该方法简单直接,但要求避免辐射散热的影响,并且加热器、热敏电阻和硅热沉也应与薄膜有很好的接触。

加热丝通以周期电流，微桥法同时可以用来测量薄膜的热扩散率。

因此利用微桥法测量薄膜材料热导率有以下几方面优点：首先，利用一个实验装置可以进行两种测量，即通以稳恒电流或通以周期电流；再者，可以通过一次实验，同时确定热导率和热扩散率。

6、双热偶法Goldsmid设计了测量非晶态硅薄膜热导率的方法, 如图1- 17所示，衬底的表面一半淀积硅薄膜，另一半则裸露。

分别在薄膜表面和裸露衬底表面各淀积一金属带状铋（Bi）条，并在铋条中点处,垂直相交地淀积一带状金属锑( Sb ) ,形成两对热电偶，在图中虚线方框内镀上增强吸收层。

假设衬底的热阻为Rsub，热电偶节点的热阻为RT 。

分别把半径为rc的圆盘状激光全部照射在与衬底相接触和与待测样品相接触的热电偶节点上，两节点温度发生的变化值的比例和热阻的比例相等,待测薄膜层的热导率可用下式表示：k=dR T+IR sub(U T−1)其中d为薄膜厚度，UT 为温升比,Rsub为衬底热阻,RT为热偶节点热阻, rc为探针半径,ksub 为衬底材料热导率,dT为热电偶节点厚度，kT为热电偶材料的热导率。

Rsub和RT分别表示为:R sub=(πr c)/(4k sub)R T=d T/k T双热电偶法的优点是不需要测量样品吸收的热量，但必须估计热电偶边界热传导的效果。

7、双桥法Swartz 和Pohl 设计了可测定低温下金属镀层和介电衬底间界面热阻的技术。

Cahill将该技术用来测量薄膜层的热导率。

其结构如图1- 18示，在薄膜样品表面淀积两条宽度为1μm的长条带状金属丝,其间距为1μm，金属丝既作为加热元件，同时又是电阻温度计。

当电流通过其中一条金属丝时，该丝温度升高，热流将在薄膜层内扩散，影响薄膜层内的温度分布。

两金属丝可以用来测量与之接触的A 和C 处的温度TA 和TC，根据半无限大边界导热模型可以求得B处温度TB。

待测薄膜材料的有效热导率可表示为：k eff=Qdwl(T A−T B)其中keff为有效热导率，d为薄膜厚度，w为金属丝宽度，l为丝长度。

Brotzen、Goodson等研究者采用类似的技术测量测量了SiO2薄膜层的热导率, 对于0.3 μm和0.03μm 厚的薄膜,测量相对误差分别小于12 %和20 %,可见,测量很薄的薄膜,此技术值得注意。

二、动态（瞬时）方法动态测量法是最近几十年内开发的导热系数测量方法，用于研究中、高导热系数材料，或在高温度条件下进行测量。

动态法的特点是精确性高、测量范围宽（最高能达到2000℃）、样品制备简单。

1、热线法热线法是在样品（通常为大的块状样品）中插入一根热线。

测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。

测量热线本身或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。

测量热线的温升有多种方法。

其中交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升。

平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升。

热阻法是利用热线（多为铂丝）电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。

一般来说，交叉线法适用于导热系数低于2W/m·K的样品，热阻法与平行线法适用于导热系数更高的材料，其测量上线分别为15 W/m·K与20W/m·K。

2、激光闪射法激光闪射法直接测量材料的热扩散性能。

在已知样品比热与密度的情况下，便可以得到样品的导热系数。

激光闪射法的特点是，测量范围宽（0.1~2000W/m·K）测量温度广（-110~2000℃），并适用于各种形态的样品（固体、液体、粉末、薄膜等）。

此外，激光闪射法还能够用比较法直接测量样品的比热；但推荐使用差示扫描量热仪，该方法的比热测量精确度更高。

密度随温度的改变可使用膨胀仪进行测试4。

应用激光闪射法时，样品在炉体中被加热到所需的测试温度。

随后，由激光器产生的一束短促激光脉冲对样品的前表面进行加热。

热量在样品中扩散，使样品背部的温度上升。

用红外探测器测量温度随时间上升的关系。

3、3ω法3ω方法最早用于测量各向同性低热导率绝缘体材料的热导率的测量,后来这种方法成功地应用于沉积在良热导体衬底上的薄膜热导率的测量。

3ω方法的测量结构如图1.3所示。

在良热导体衬底(如Si)上生长一层厚度),薄膜上面制成如图1.3b所示形状的金属桥,其宽为d的绝缘待测薄膜(如SiO2度为b且满足b>>d,长度为l。

金属桥同时作热源和测温装置。

cosωt时,电流在金属桥上产生的焦耳热功在I+、I-两电极上通交流电I=I率为:P(t)=1I02R(1+cos2ωt)（1.3）2则有频率为2ω的热波向下扩散，其波长为：|q−1|=(D/2ω)1/2 ,其中,D 为衬底的热扩散率。

在用3ω方法测量热导率时,一般取波长|q−1|的值在10−3~10−5的范围。

只有当薄膜的厚度d<<|q−1|时,薄膜才能被忽略,可以认为温度波完全扩散到衬底中。

加热器阻值与温度成正比且满足:R(t)=R0[1+a∆Tcos(2ωt−ϕ)](1.4)那么电极V+、V-两端的电压为:V(t)=I(t)R(t)=I0R0cosωt+12I0R0a∆Tcos(ωt−ϕ)+12I0R0a∆Tcos(3ωt−ϕ)(1.5)可见,金属桥两端电压由频率为ω和3ω的分量组成,金属条上温度变化△T 与3ω频率的电压V3ω的关系如下:ΔT=2V3ωI0R0a(1.6)其中,温度系数a=1R dR dT 。

因为b>>d,而且厚度d很小,热流在薄膜介质的传导可视为一维传热,薄膜上下表面的温度差ΔT d与频率无关:ΔT d=Pdklb(1.7)衬底与介质层交界处的温度:ΔT m=Plπk m [12ln k mC m(b2)2+η−12ln(2ω)]=ΔT−ΔT d(1.8)其中, η是与材料有关的常数, k m和C m分别为衬底材料的热导率和热容,P 为加热器功率。

最后,用锁相放大的方法将频率为3ω的电压V3ω。

提取出来,由式(1.8)可求出被测薄膜样品的热导率k。

作为交流测量技术的3ω方法是测量纵向热导率有效的方法之一,当被测膜厚小于10μm时, 3ω方法是测量薄膜热导率纵向热导率很有用的方法,即使厚度为100Å数量级薄膜的热导率也能用这种方法来测量。

其优点是由于它对辐射损失不敏感,能有效地降低黑体辐射引起的误差;而且测量所用的时间短;适用温度范围宽,可在室温或更高的温度下进行测量；但这种方法要求穿透深度d Q要小于薄膜层的厚度d,而d Q与频率ω成反比,故薄膜厚度很小时,需要很高的频率,这是一种准稳态方法,一般可用来测厚度大于10μm的薄膜或块状固体材料。