CN102967624A

CN102967624A - 一种Seebeck系数测试装置

Info

Publication number: CN102967624A
Application number: CN2012104736424A
Authority: CN
Inventors: 李亮亮; 周阳
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CN102967624B

Abstract

本发明涉及一种Seebeck系数测试装置，它包括陶瓷底座，陶瓷底座采用由一体成型的长边端和短边端构成的L型结构，长边端内横向间隔埋设有两加热管，两加热管分别与可控硅调压器连接；在陶瓷底座的短边端上，设置有与长边端垂直的两集热铜块，且两集热铜块与两加热管呈对应设置；在两集热铜块之间设置有两热电偶，且两热电偶一端分别与两路铜导线一端焊接成一个结点，该结点与陶瓷底座的长边端上表面之间夹设有试样，两热电偶另一端穿设在陶瓷底座的短边端内，并连接万用表的温度采集通道；两路铜导线另一端穿过陶瓷底座的短边端，依次连接万用表的电压采集通道和计算机，通过万用表将采集到的试样温度和电压信号通过GPIB接口输入至计算机内实时显示并记录。本发明能在半导体测试领域中广泛应用。

Description

一种Seebeck系数测试装置

技术领域

本发明涉及一种半导体测试装置，特别是关于一种能在大气中、真空腔中或密闭气氛中进行测试的Seebeck系数测试装置。

背景技术

Seebeck系数是表征材料热电性能的重要参数，快速、准确测量Seebeck系数对材料热电性能确切的评估极具意义。目前采用静态法测量Seebeck系数的技术已经相当成熟，而且相应商用的Seebeck测量系统，像美国MMR公司的SB100和日本ULVAC公司的ZEM等早已问世。不可否认，静态法理论上能有效的消除由热电偶材质的不均匀性和非平衡接触引起的漂移电压，但是因为其自身的技术特点而具有相当大的局限性。首先，静态法需要严格的控制环境温度和试样上两测试点间的温差；而且同一个环境温度下需要变换多个温差，才能有效消除漂移电压，控温过程繁琐。其次，繁琐费时的控温过程决定了测试温度点的选取极其有限。有限的测温点将不能准确的观测到试样的Seebeck系数在温度范围内的变化趋势，在温度范围内存在试样的Seebeck系数峰值的情况下尤其如此。相比而言，在这一方面准静态法测量Seebeck系数的优势就要突出多了。准静态方法是给试样施加连续增加的热流，测试过程中试样的温度一直上升，且由于施与试样两端热流不相等，两测试点间同时存在一个温差。准静态的测试方法可以快速测量某一温度范围内试样的Seebeck系数，同时获得大量的数据点，准确的反映Seebeck系数的变化趋势和峰值。而且只要配置得当，准静态方法的测试精度可以与静态法相比拟甚至超越。但是对于准静态方法，要获得高的测试精度，必须做到以下几点：1）电压和温度信号必须在同一位置、同时测量。2）测温和测电压探头必须和试样表面有很好的热接触和电接触。3）热电偶的反应时间必须足够短，以能够准确的测量动态变化中的温度。4）高精度的温度和电压信号的采集。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种Seebeck系数测试装置，其结构简单、测试准确、高效，并能有效克服静态测试Seebeck系数设备低效率、数据不完整性等缺陷。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种Seebeck系数测试装置，其特征在于：它包括温差实现系统和信号采集系统，所述温差实现系统包括一陶瓷底座、两加热管、一可控硅调压器和两集热铜块；所述信号采集系统包括两热电偶、铜导线、一万用表和一计算机；所述陶瓷底座采用由一体成型的长边端和短边端构成的L型结构，所述长边端内横向间隔埋设有所述两加热管，所述两加热管分别与所述可控硅调压器连接；在所述陶瓷底座的短边端上，设置有与所述长边端垂直的所述两集热铜块，且所述两集热铜块与所述两加热管呈对应设置；在所述两集热铜块之间设置有所述两热电偶，且所述两热电偶一端分别与两路所述铜导线一端焊接成一个结点，该结点与所述陶瓷底座的长边端上表面之间夹设有试样，所述两热电偶另一端穿设在所述陶瓷底座的短边端内，并连接所述万用表的温度采集通道；两路所述铜导线另一端穿过所述陶瓷底座的短边端，依次连接所述万用表的电压采集通道和计算机，通过所述万用表将采集到的试样温度和电压信号通过GPIB接口输入至所述计算机内实时显示并记录。

所述两热电偶均采用直径为0.255mm的K型热电偶。

所述万用表采用具有六位半精度的34970A万用表。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用陶瓷底座、加热管、可控硅调压器、集热铜块、热电偶、铜导线、万用表和计算机构成的测试装置，克服了现有的测试存在的问题，适用于室温至250°C温度范围内的测试；并大大简化了现有Seebeck系数测试设备的结构，操作极其方便，测试准确、快速，成本低廉。2、本发明将热电偶与铜导线的一端焊接在一起，这样可以有效保证了温度信号与Seebeck电压信号在同一时间、同一位置的获取。3、本发明通过可控硅调压器控制加热管的加热电压，能有效为试样提供持续的温升和适当的温差。4、本发明由于采用两个直径为0.255mm的K型热电偶，该热电偶具有极快的反应速度，能够准确的测量动态变化中的温度。5、本发明采用具有六位半精度的34970A万用表，具有24个通道，能够同时对温度和电压信号进行采集。因此，本发明可以在半导体测试领域中广泛应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的陶瓷底座立体结构示意图；

图3是本发明对LaCo_0.99Cu_0.01O₃样品进行三次重复测试结果与商用设备ZEM--2对该样品测试结果的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种以准静态方法为指导的Seebeck系数测试装置，其包括温差实现系统和信号采集系统两部分，温差实现系统包括一陶瓷底座1、两加热管2和2’、一可控硅调压器3和两集热铜块4、4’；信号采集系统包括两热电偶5和5’、铜导线6、一万用表7和一计算机8。

陶瓷底座1采用由一体成型的长边端9和短边端10构成的L型结构，在L型陶瓷底座1的长边端9内横向间隔埋设有两加热管2和2’，两加热管2和2’分别与可控硅调压器3连接，由可控硅调压器3分别调节两加热管2和2’的加热电压，使它们的加热电压存在一个差值，这样可以保证在试样11持续升温的同时，其两端之间同时存在一个合适的温差。在陶瓷底座1的短边端10上，设置有与长边端9垂直的两集热铜块4、4’，且两集热铜块4、4’与两加热管2和2’呈对应设置，有助于试样11两端温差的形成。在两集热铜块4、4’之间设置有两热电偶5和5’，且两热电偶5和5’一端分别与两路铜导线6一端焊接成一个结点，该结点与陶瓷底座1的长边端9上表面之间夹设有试样11，两热电偶5和5’另一端穿设在陶瓷底座1的短边端10内，并连接万用表7的温度采集通道。两路铜导线6另一端穿过陶瓷底座1的短边端10，依次连接万用表7的电压采集通道和计算机8，通过万用表7将采集到的试样11温度和电压信号通过GPIB接口输入至计算机8内实时显示并记录，进而获得Seebeck系数。

上述实施例中，两热电偶5和5’均采用直径为0.255mm的K型热电偶，其具有极高的反应速度，能够迅速准确的对温度进行实时测量。

上述各实施例中，万用表7采用具有六位半精度的34970A万用表。

综上所述，基于本发明的Seebeck系数测试装置，为保证准静态测试方法的可行性和准确性，其测试方法如下：

（1）准备阶段：将两加热管2、2’加热电压置零，并安放好试样11，使两热电偶5、5’与铜导线6的两个结点均与试样11表面贴合，再将两热电偶5、5’分别接入万用表7上的1、3通道，将铜线6接入万用表7上的2通道；开启计算机8并打开数据采集软件，设定万用表7的1、3通道为温度采集通道，将万用表7的2通道设定为电压采集通道，设定数据采集速率为10s/个，开始采集数据。在当前试样11两端不存在温差的状态下，若热电偶5（或5’）与铜导线6的焊点与试样11表面接触良好，温度采集通道采集的温度值相差应小于0.01°C，电压采集通道采集的电压值应该在±5μV范围内波动。反之则说明接触有问题，需将试样11取下再重新安放，直到测得的温度与电压值满足要求为止。

（2）调试阶段：对于不同成分体系或几何外形的试样11，需要确定两加热管2、2’的加热电压组合以获得合适的温升速率和温差。调节可控硅调压器3，使其中一个加热管2的加热电压高于另一个加热管2’的加热电压，记录下万用表7温度采集通道的温度数据。合适的加热电压应保证试样11的升温速率在0.2～0.3°C/s以下，试样11两端温度差在5～20°C之间，同时最高加热温度能达到250°C度以上。通过记录下的数据就可以判断两加热管2、2’的加热电压组合是否符合要求。若不符合要求，可根据记录的温度数据由可控硅调压器3相应的调整两加热管2、2’的加热电压，最终获得合适的加热电压组合。

（3）测试阶段：调节两加热管2、2’至合适的加热电压组合值，开始采集数据，并观察当万用表7温度采集通道温度平均值超过250°C时，停止数据采集，并立即将两加热管2、2’电压调为零，导出测试数据。

（4）结果处理：将测试导出的数据导入origin中进行处理，得到最终的测试结果。

实施例一：利用本发明的Seebeck系数测试装置对采用溶胶凝胶法制备的LaCo_0.99Cu_0.01O₃样品（外形尺寸为10.5×3×2mm）进行了三次Seebeck系数的测试，其结果如图3所示。由此可见本发明的测试结果很好的反映了试样11Seebeck系数的变化趋势，重复性好，且与目前商用设备ZEM-2测量的结果非常吻合。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种Seebeck系数测试装置，其特征在于：它包括温差实现系统和信号采集系统，所述温差实现系统包括一陶瓷底座、两加热管、一可控硅调压器和两集热铜块；所述信号采集系统包括两热电偶、铜导线、一万用表和一计算机；

所述陶瓷底座采用由一体成型的长边端和短边端构成的L型结构，所述长边端内横向间隔埋设有所述两加热管，所述两加热管分别与所述可控硅调压器连接；在所述陶瓷底座的短边端上，设置有与所述长边端垂直的所述两集热铜块，且所述两集热铜块与所述两加热管呈对应设置；在所述两集热铜块之间设置有所述两热电偶，且所述两热电偶一端分别与两路所述铜导线一端焊接成一个结点，该结点与所述陶瓷底座的长边端上表面之间夹设有试样，所述两热电偶另一端穿设在所述陶瓷底座的短边端内，并连接所述万用表的温度采集通道；两路所述铜导线另一端穿过所述陶瓷底座的短边端，依次连接所述万用表的电压采集通道和计算机，通过所述万用表将采集到的试样温度和电压信号通过GPIB接口输入至所述计算机内实时显示并记录。

2.如权利要求1所述的一种Seebeck系数测试装置，其特征在于：所述两热电偶均采用直径为0.255mm的K型热电偶。

3.如权利要求1或2所述的一种Seebeck系数测试装置，其特征在于：所述万用表采用具有六位半精度的34970A万用表。