3 Metodo Omega
3 Metodo Omega – un approccio alla misurazione della conduttività termica
Un approccio molto utilizzato per misurare la conducibilità termica è il metodo 3ω. Sebbene il metodo sia stato originariamente sviluppato per misurare la conducibilità termica dei materiali solidi, il principio di base è stato successivamente applicato anche alla caratterizzazione termica dei film sottili. caratterizzazione termica di film sottili fino a fino a pochi nm di spessore.
Inoltre, il metodo 3ω è stato esteso anche alla misurazione di film anisotropi e membrane indipendenti per consentire una caratterizzazione dipendente dalla direzione, ovvero la misurazione della conducibilità termica nel piano e perpendicolare ad esso. In generale, si può affermare che questa tecnica è attualmente uno dei metodi più popolari e utilizzati per caratterizzare le proprietà di trasporto termico dei film sottili.
Configurazione sperimentale (comprese le strisce metalliche lineari per il riscaldamento/la misurazione della temperatura) per la tecnica a 3 omega[/caption]
Nel metodo 3ω, una sottile striscia di metallo a contatto termico con il campione funge sia da riscaldatore che da sensore di temperatura. Per la misurazione, una corrente alternata I(t) 
con la frequenza angolare ω e l’ampiezza I0 viene impressa nel riscaldatore, generando una potenza di riscaldamento P(t) tramite il riscaldamento Joul,
che a sua volta modula la temperatura del riscaldatore sotto forma di
e di conseguenza un’oscillazione della resistenza del riscaldatoreRh
alla frequenza angolare 2ω. Qui β è il coefficiente di temperatura della resistenza della striscia metallica.
In relazione alla frequenza, la posizione di fase φ dipende ora sia dalla geometria dell’elemento riscaldante che dalle proprietà fisiche dei materiali sottostanti.
Quindi, se si misura la caduta di tensione attraverso il riscaldatore, si ottiene (secondo la legge di Ohm U = R x I) un segnale di tensione modulato in ampiezza che ha una piccola componente dell’oscillazione della terza armonica 3ω, che può essere estratta con un amplificatore lock-in e che contiene le informazioni sui materiali sottostanti.
Per il calcolo della conducibilità termica del campione, così come il calcolo della capacità termica specifica è necessario risolvere solo l’equazione di diffusione del calore, che dipende dalla configurazione sperimentale.
Approccio differenziale 3 Omega con due misure
Un approccio ampiamente utilizzato basato sul metodo 3ω per la caratterizzazione di un film sottile su un substrato sfuso è il cosiddetto approccio differenziale 3 Omega con due misurazioni.
La prima misurazione avviene sul substrato nudo e la seconda include lo strato da misurare.
La pellicola agisce come una resistenza termica aggiuntiva collegata in serie tra il riscaldatore e il substrato. In questo modo garantisce un aumento dell’ampiezza dell’oscillazione della temperatura rispetto alla misurazione senza film sottile.
La conducibilità termica dello strato può essere determinata da questo aumento utilizzando la legge di Fourier:
dove w e l indicano la larghezza e la lunghezza del riscaldatore.
Conducibilità termica nel piano grazie alla tecnologia di misurazione a 3w
Un’altra configurazione di test mostra la determinazione della conduttività termica nel piano utilizzando la tecnologia di misurazione 3w. In questo caso, un elemento riscaldante è centrato su una membrana o su un substrato indipendente. In questo caso, il comportamento termico della membrana può essere descritto con la seguente equazione:
Dove G=2λdlb^(-1) è la costante di tempo termica, b è la larghezza, l è la lunghezza e D è la diffusività termica della membrana.
Chip di misura integrato per la misurazione della conducibilità termica in piano su strati sottili con il metodo a 3 omega
Quali proprietà vengono determinate?
Il metodo di misurazione 3ω è un metodo di misurazione elettrotermico per determinare la conducibilità termica, la diffusività termica e la capacità termica specifica di materiali solidi (solidi o liquidi) e di strati sottili, utilizzando una striscia metallica alimentata a corrente alternata come elemento riscaldante.
Il riscaldatore metallico applicato direttamente al campione viene alimentato periodicamente e le oscillazioni di temperatura risultanti del riscaldatore e del campione vengono lette direttamente con lo stesso elemento del metodo. Le proprietà di trasporto termico del campione possono essere determinate dalla loro dipendenza dalla frequenza.