CN101413972A - 薄膜温差电材料电阻率测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜温差电材料电阻率测试系统及方法。采用全新的基于双电测四探针原理测试薄膜温差电材料电阻率的薄膜温差电材料电阻率测试仪，它由测试卡具和控制及测试电路系统构成。待测薄膜温差电材料试样放置在测试卡具内，测试卡具通过探针导线与控制及测试电路系统相连。控制及测试电路系统通过探针导线向测试卡具内的四个探针中的两个给出脉冲电流信号，并采集另外二个探针间的电压响应信号，同时将脉冲电流信号和电压响应信号输入微型计算机，在微型计算机的显示屏上实时显示出所测位置处薄膜温差电材料的电阻率。大大降低了探针间距以及探针尖横向游移对电阻率测试结果的影响，即使被测试片较小使探针位于试样边界附近时也不影响测试精度。

Description

薄膜温差电材料电阻率测试系统及方法

技术领域

本发明涉及温差电材料领域，特别涉及一种薄膜温差电材料电阻率测试系统及方法。

背景技术

温差电材料是一种能实现热能与电能之间相互转换的功能材料，其在温差发电、制冷和传感器等方面具有广阔应用。电阻率是评价温差电材料性能的重要参数。

薄膜材料的电阻率测试通常采用四探针法。常规的四探针电阻率测量仪是针对导体或者半导体材料而设计的。对薄膜温差电材料而言，由于电阻率测试过程在薄膜试样内部流过的电流产生的帕尔帖效应，严重影响电阻率的测试精度，常规的四探针电阻率测量仪不适用于薄膜温差电材料。此外，常规的四探针电阻率测量仪要求使用的探针探头应当等距，对探针的游移率要求严格。材料的几何尺寸与探针间距相比应满足无穷大条件。如果测量样品的几何尺寸与探针间距相比为有限尺寸时，则必须对测量结果进行修正，而且对样品的边缘位置进行测量时的修正系数不同，严重影响测试精度。此外，常规的四探针电阻率测量仪的测量结果还受探针间距和探针游移率的影响。

本发明提出了一种全新的基于双电测四探针原理以及双向脉冲电流信号测试薄膜温差电材料电阻率的薄膜温差电材料电阻率测试仪，

发明内容

本发明提出了一种全新的基于双电测四探针原理测试薄膜温差电材料电阻率的薄膜温差电材料电阻率测试仪，它由测试卡具和控制及测试电路系统二部分构成。待测薄膜温差电材料试样放置在测试卡具内，测试卡具通过探针导线与控制及测试电路系统相连。控制及测试电路系统通过探针导线向测试卡具内的四个探针中的两个给出脉冲电流信号，并采集另外二个探针间的电压响应信号，同时将脉冲电流信号和电压响应信号输入微型计算机，通过微型计算机内的数据处理软件对数据进行处理，在微型计算机的显示屏上实时显示出所测位置处薄膜温差电材料的电阻率。

如图1所示，测试卡具由一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4、待测试样9、探针支撑架10、滑块11、导轨12、导轨支撑13、基座14、固定螺钉15组成。一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4分别固定在探针支撑架10上，并通过探针支撑架10与滑块11相连。借助于滑块11在导轨12上的滑动，带动一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4的上、下运动。待测试样9放置在基座14之上，在探针支撑架10落下时，其表面与一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4紧密接触，以尽量减少探针与薄膜温差电材料之间的接触电阻。导轨支撑13通过固定螺钉15将导轨12固定在基座14上。

控制及测试电路系统如图3所示，由一号探针导线5、二号探针导线6、三号探针导线7、四号探针导线8、控制及数据采集装置16、数据传输线17、微型计算机18组成。控制及数据采集装置16由A/D转换器、单片机、串口转换、电源、进行信号传输及信号处理的电子电路、按钮开关等构成。控制及数据采集装置分别通过一号探针导线5、二号探针导线6、三号探针导线7、四号探针导线8中的二个向与其相连的测试卡具内的二个探针给出双向脉冲电流信号如图2所示，并通过另外二个导线由与其相连的测试卡具内的二个探针采集电压响应信号，同时将脉冲电流信号和电压响应信号通过数据传输线17输入微型计算机18，通过微型计算机18内的数据处理软件对数据进行处理，并在微型计算机18的显示屏上实时显示出所测位置处薄膜温差电材料的电阻率。

本发明技术依据双电测四探针法的原理测试薄膜温差电材料的电阻率。双电测四探针法对同一待测试样的同一位置电阻率的测试过程分两次进行，第一次测量时先在一号探针1和二号探针2两探针上施加脉冲电流信号I₁₂，采集三号探针3和四号探针4两个探针间的电压相应信号V₃₄；第二次测量时在一号探针1和四号探针4两探针上施加脉冲电流信号I₁₄，采集二号探针2和三号探针3两个探针间的电压相应信号V₂₃，测试时控制由控制及测试电路系统给出的双向脉冲电流信号I₁₂＝I₁₄＝I(图3)，则薄膜温差电材料在探针所在位置处的电阻率可由下式计算：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{In}2}\frac{V_{23}{f}_4(W/S)+V_{34}{f}_5(W/S)}{I}\·f_2\left(\frac{V_{34}{f}_5(W/S)}{V_{23}{f}_4(W/S)}\right)\·W$

式中：f₅(W/S)是对V₃₄(I₁₂)的厚度修正系数，f₄(W/S)是对V₂₃(I₁₄时)的厚度修正系数，f₂为辅助函数，W为薄膜温差电材料试样的厚度，S为相邻探针之间的距离，I为脉冲电流的幅值。本发明依据这一原理设计了程序框图，如图4所示，并编制出数据处理软件输入计算机18。测试过程需数如下：开始时，首先打开微型计算机18以及控制及数据采集装置16的开关，打开微型计算机18屏幕上的测试界面开始测试，点击测试界面上的“调试”对话框，将输入测试卡具的双向脉冲电流调到一合适数值，之后点击界面上的“开关量输出”对话框，停止给出脉冲电流信号；将控制及数据采集装置16上的开关拨到采集一位置，点击测试界面上的“采集一”对话框，则在一号探针1和二号探针2之间通过双向脉冲电流信号，同时采集三号探针3和四号探针4之间的电压相应信号，点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲电流信号输出，采集一完成；将控制及数据采集装置16上的开关拨到采集二位置，点击测试界面上的“采集二”对话框，在一号探针1和四号探针4之间通过双向脉冲电流信号，同时采集二号探针2和三号探针3之间的电压相应信号，点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲信号的输出，采集二完成；点击测试界面上的“输入试样厚度”对话框，输入薄膜温差电试样的厚度，点击测试界面上的“计算”按钮，显示屏上随即给出薄膜温差电试样的电阻率数值。

本发明提出的薄膜温差电材料电阻率测试仪特别适用于薄膜温差电材料的电阻率测试仪。这种新的薄膜温差电材料电阻率测试仪的测试过程通过采用正、反相脉冲电流，消除了帕尔帖效应对电阻率测试结果的影响，此外，这种新的薄膜温差电材料电阻率测试仪基于双电测四探针电阻率测试原理，大大降低了探针间距以及探针尖横向游移对电阻率测试结果的影响，即使被测试片较小使探针位于试样边界附近时也不影响测试精度。因而，本发明提出的薄膜温差电材料电阻率测试仪较之传统的四探针电阻率测试仪，具有很高的测试精度。

附图说明

附图1测试卡具结构示意图；

附图2脉冲电流信号；

附图3测试卡具与控制及测试电路系统连接示意图；

附图4安装在微型计算机18上的数据处理软件程序框图；

附图中：1、一号探针；2、二号探针；3、三号探针；4、四号探针；5、一号探针导线；6、二号探针导线；7、三号探针导线；8、四号探针导线；9、待测试样；10、探针支撑架；11、滑块；12、导轨；13、导轨支撑；14、基座；15、固定螺钉；16、控制及数据采集装置；17、数据传输线；18、微型计算机

具体实施方式

下面结合附图进一步说明测试N型Bi2Te3温差电材料薄膜的电阻率：

如图1所示：测试卡具是由一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4、待测试样9、探针支撑架10、滑块11、导轨12、导轨支撑13、基座14、固定螺钉15组成；一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4分别固定在探针支撑架10上，并通过探针支撑架10与滑块11相连；通过滑块11在导轨12上的滑动，带动一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4的上、下运动；待测试样9放置在基座14之上，在探针支撑架10落下时，其表面与一号探针1、二号探针2、三号探针3、四号探针4紧密接触；导轨支撑13通过固定螺钉15将导轨12固定在基座14上；测试卡具通过一号探针导线5、二号探针导线6、三号探针导线7、四号探针导线8与控制及测试电路系统相连。

如图3所示的控制及测试电路系统是由一号探针导线5、二号探针导线6、三号探针导线7、四号探针导线8、控制及数据采集装置16、数据传输线17、微型计算机18组成；控制及数据采集装置16由A/D转换器、单片机、串口转换、电源、进行信号传输及信号处理的电子电路；控制及数据采集装置分别通过一号探针导线5、二号探针导线6、三号探针导线7、四号探针导线8中的二个向与其相连的测试卡具内的二个探针给出双向脉冲电流信号，并通过另外二个导线由与其相连的测试卡具内的二个探针采集电压响应信号，同时将脉冲电流信号和电压响应信号通过数据传输线17输入微型计算机18，通过微型计算机18内的数据处理软件对数据进行处理，并在微型计算机18的显示屏上实时显示出所测位置处薄膜温差电材料的电阻率。

对同一待测试样的同一位置电阻率的测试过程分两次进行，第一次测量时由控制及测试电路系统先在一号探针1和二号探针2两探针上施加双向脉冲电流信号I₁₂，并采集三号探针3和四号探针4两个探针间的电压相应信号V₃₄；第二次测量时由控制及测试电路系统在一号探针1和四号探针4两探针上施加双向脉冲电流信号I₁₄，同时采集二号探针2和三号探针3两个探针间的电压相应信号V₂₃，测试时控制由控制及测试电路系统给出的脉冲电流信号I₁₂＝I₁₄＝I，经微型计算机内的测试软件对采集数据进行处理，在微型计算机的测试界面给出薄膜温差电材料在探针所在位置处的电阻率。

采用如图4所述的测试方法，测试过程开始时，首先打开微型计算机18以及控制及数据采集装置16的开关，打开微型计算机18上的测试界面开始测试，点击测试界面上的“调试”对话框，将输入测试卡具的脉冲电流调到一合适数值，之后点击界面上的“开关量输出”对话框，停止给出脉冲电流信号；将控制及数据采集装置16上的开关拨到采集一位置，点击测试界面上的“采集一”对话框，则在一号探针1和二号探针2之间通过脉冲电流信号，同时采集三号探针3和四号探针4之间的电压相应信号，点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲电流信号输出，采集一完成；将控制及数据采集装置16上的开关拨到采集二位置，点击测试界面上的“采集二”对话框，在一号探针1和四号探针4之间通过脉冲电流信号，同时采集二号探针2和三号探针3之间的电压相应信号，点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲信号的输出，采集二完成；点击测试界面上的“输入试样厚度”对话框，输入薄膜温差电试样的厚度，点击测试界面上的“计算”按钮，显示器上随即给出薄膜温差电试样的电阻率。

操作步骤如下：

1)启动微型计算机18，点击薄膜温差电材料电阻率测试软件图标，打开测试界面；

2)打开控制及数据采集装置16的开关；

3)将探针支撑架10上移，将待测试样9放在位于四个探针之下的基座14上后，下移探针支撑架10，并使四个探针与待测试样9的表面紧密接触；

4)点击测试界面上的“调试”对话框，将输入测试卡具的脉冲电流信号的幅值调到50毫安左右；

5)将控制及数据采集装置16上的开关拨到“采集一”位置，点击测试界面上的“采集一”对话框，这时在一号探针1和二号探针2之间通过双向脉冲电流信号，同时采集三号探针3和四号探针4之间的电压相应信号；

6)点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲电流信号输出，采集一完成；

7)将仪器上的开关拨到“采集二”位置，点击“采集二”对话框，这时在一号探针1和四号探针4之间通过双向脉冲电流信号，同时采集二号探针2和三号探针3之间的电压相应信号；

8)点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲信号的输出，采集二完成；

9)点击测试界面上的“输入试样厚度”对话框，输入薄膜温差电试样的厚度，点击测试界面上的“计算”按钮，显示器上给薄膜温差电试样的电阻率。

测试结果，N型Bi2Te3温差电材料薄膜的电阻率为1.5×10^-5Ω·m。

Claims (5)

1、一种薄膜温差电材料电阻率测试系统，其特征是采用双电测四探针测试薄膜温差电材料的电阻率的测试卡具和控制及测试电路系统组成。

2、如权利要求1所述薄膜温差电材料电阻率测试系统，其特征是所述的测试卡具是由一号探针(1)、二号探针(2)、三号探针(3)、四号探针(4)、待测试样(9)、探针支撑架(10)、滑块(11)、导轨(12)、导轨支撑(13)、基座(14)、固定螺钉(15)组成；一号探针、二号探针、三号探针、四号探针分别固定在探针支撑架(10)上，并通过探针支撑架与滑块(11)相连；通过滑块在导轨(12)上的滑动，带动一号探针、二号探针、三号探针、四号探针的上、下运动；待测试样(9)放置在基座(14)之上，在探针支撑架落下时，其表面与一号探针、二号探针、三号探针、四号探针紧密接触；导轨支撑(13)通过固定螺钉(15)将导轨(12)固定在基座(14)上；测试卡具通过一号探针导线(5)、二号探针导线(6)、三号探针导线(7)、四号探针导线(8)与控制及测试电路系统相连。

3、如权利要求1所述的薄膜温差电材料电阻率测试系统，其特征是所述的控制及测试电路系统是由一号探针导线(5)、二号探针导线(6)、三号探针导线(7)、四号探针导线(8)、控制及数据采集装置(16)、数据传输线(17)、微型计算机(18)组成；控制及数据采集装置(16)由A/D转换器、单片机、串口转换、电源、进行信号传输及信号处理的电子电路；控制及数据采集装置分别通过一号探针导线、二号探针导线、三号探针导线、四号探针导线中的二个向与其相连的测试卡具内的二个探针给出双向脉冲电流信号，并通过另外二个导线由与其相连的测试卡具内的二个探针采集电压响应信号，同时将脉冲电流信号和电压响应信号通过数据传输线(17)输入微型计算机(18)，通过微型计算机内的数据处理软件对数据进行处理，并在微型计算机的显示屏上实时显示出所测位置处薄膜温差电材料的电阻率。

4、权利要求1所述的薄膜温差电材料电阻率测试系统测试方法，其特征是所述的双电测四探针测试薄膜温差电材料的电阻率是：对同一待测试样的同一位置电阻率的测试过程分两次进行，第一次测量时由控制及测试电路系统先在一号探针和二号探针两探针上施加双向脉冲电流信号I₁₂，并采集三号探针和四号探针两个探针间的电压相应信号V₃₄；第二次测量时由控制及测试电路系统在一号探针和四号探针两探针上施加双向脉冲电流信号I₁₄，同时采集二号探针和三号探针两个探针间的电压相应信号V₂₃，测试时控制由控制及测试电路系统给出的脉冲电流信号I₁₂＝I₁₄＝I，经微型计算机内的测试软件对采集数据进行处理，在微型计算机的测试界面给出薄膜温差电材料在探针所在位置处的电阻率。

5、如权利要求4的薄膜温差电材料电阻率测试系统的测试方法，其特征是其测试过程开始时，首先打开微型计算机以及控制及数据采集装置的开关，打开微型计算机上的测试界面开始测试，点击测试界面上的“调试”对话框，将输入测试卡具的脉冲电流调到一合适数值，之后点击界面上的“开关量输出”对话框，停止给出脉冲电流信号；将控制及数据采集装置上的开关拨到采集一位置，点击测试界面上的“采集一”对话框，则在一号探针和二号探针之间通过脉冲电流信号，同时采集三号探针和四号探针之间的电压相应信号，点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲电流信号输出，采集一完成；将控制及数据采集装置上的开关拨到采集二位置，点击测试界面上的“采集二”对话框，在一号探针和四号探针之间通过脉冲电流信号，同时采集二号探针和三号探针之间的电压相应信号，点击测试界面上的“开关量输出”对话框停止脉冲信号的输出，采集二完成；点击测试界面上的“输入试样厚度”对话框，输入薄膜温差电试样的厚度，点击测试界面上的“计算”按钮，显示器上随即给出薄膜温差电试样的电阻率。

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