Thermal conductivity measurement using the 3-omega technique: applications to power harvesting microsystems

• Main Author: de Koninck, David Andrew
• Other Authors: Luc Fréchette (Internal/Cosupervisor2)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2008
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=22039

The optimal design of power generating microsystems requires accurate knowledge of the thermal properties of their constituent materials at the appropriate length scale. The goal of this thesis was to build an apparatus for measuring the thermal conductivity of thermally-insulating dielectric materials using the so-called 3-omega technique. This technique utilizes a microfabricated metal line deposited on the specimen to act as a resistive heater. When an alternating current (AC) voltage signal is used to excite the heater at a frequency ω, the periodic heating generates oscillations in the electrical resistance of the metal line at a frequency of 2ω. In turn, this leads to a third harmonic (3ω) in the voltage signal, which is used to infer the magnitude of the temperature oscillations. The frequency dependence of these oscillations can be analyzed to obtain the thermal properties of the specimen. The device consisted of a voltage source, a custom-built analog circuit and sample mount, a lock-in amplifier. The sample was placed within a vacuum chamber and evacuated using a made-to-order vacuum system. Personalised LabVIEW and MATLAB programs were created for autonomous data acquisition and analysis. The 3ω technique is simple, quick and accurate; tests using a standard fused quartz specimen (k = 1.38+/-0.04 W/m•K) yielded a measured thermal conductivity of 1.47+/-0.16 W/m•K. Subsequently, the technique was used to measure the thermal conductivity of Lead Zirconate Titanate (PZT-5A4E), which is a piezoelectric ceramic of interest for integration with microfabricated vibration energy harvesters. This material was found to exhibit a low thermal conductivity of 1.38+/-0.10 W/m•K. === Le design optimal de microsystèmes pour la génération d'énergie demande une connaissance précise des propriétés thermiques des matériaux utilisés, à la bonne échelle. Le but de ce projet fut de créer un instrument pour mesurer la conductivité thermique des matériaux fonctionnels pour ces microsystèmes en utilisant la méthode 3-oméga. Cette méthode se sert d'une ligne métallique déposée en surface qui agit comme élément chauffant. Quand le filament métallique est alimenté par un courant alternatif (CA) à une fréquence ω, la puissance dissipée par effet Joule génère une oscillation sinusoïdale dans la résistance électrique à une fréquence 2ω. Cette résistance électrique sinusoïdale à son tour crée une harmonique de rang 3 (3ω) dans la tension électrique de l'élément chauffant. Cette harmonique est utilisée pour déduire l'amplitude des oscillations de température dans le spécimen. La variation de ces oscillations thermiques en fonction de la fréquence d'excitation nous permet d'obtenir la conductivité thermique de l'échantillon. L'instrument consiste d'une source de tension, un « lock-in amplifier », un circuit analogique et une monture à échantillon personnalisés. L'échantillon fut placé dans une chambre à vide et évacué à l'aide d'un système à vide fait sur mesure. Des programmes LabVIEW et MATLAB fut écrits pour réaliser l'acquisition et l'analyse de donnés automatisées. La méthode 3ω est facile à réaliser et donne des résultats précis : des tests avec des échantillons de quartz amorphe (k = 1.38+/-0.04 W/m•K) ont donné une conductivité thermique de 1.47+/-0.16 W/m•K. Le quartz amorphe fut utilisé comme référence pour valider l'instrument. Par la suite, l'appareil fut utilisé pour caractériser une céramique PZT (Titano-Zirconate de Plomb), un matériau piézoélectrique souvent utilisé dans la fabrication de microgénérateurs pour la récupération d'énergie vibratoire. Un