CN103512914A

CN103512914A - 塞贝克系数测量系统

Info

Publication number: CN103512914A
Application number: CN201210213904.3A
Authority: CN
Inventors: 崔大付; 蔡浩原; 李亚亭; 陈兴; 张璐璐; 孙建海; 任艳飞
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN103512914B

Abstract

本发明提供了一种赛贝克系数测量系统，包括：测试样品平台，用于放置待测样品，并在待测样品两端建立预设的温度差，包括：温差加热台，包括温差加热台本体、热端加热柱和冷端加热柱，其中，热端加热柱和冷端加热柱位于温差加热台本体上，两者之间彼此绝热，分别具有各自的加热系统；热端样品放置台和冷端样品放置台，分别位于热端加热柱和冷端加热柱的上方，用于放置待测样品的热端和冷端；信号采集和处理系统，用来计算贝塞尔系数；温度控制系统，用来控制待测样品两端的温度差。本发明的赛贝克系数测量系统可以实现样品的正负温差测量。

Description

塞贝克系数测量系统

技术领域

本发明涉及电子行业测量技术领域，尤其涉及一种赛贝克系数测量系统。

背景技术

热电材料具有尺寸小、质量轻、无机械部分、无噪声等普通机械制冷或发电手段难以媲美的优点。热电材料的表征是无量纲优值系数ZT＝S²σ/κ，其中，S为塞贝克(Seebeck)系数，σ为电导率，κ为热导率。它的直观意义是制冷吸收能量与耗能之比。一种优良的热电材料应该具有大的塞贝克系数，大的电导率和小的热导率。

有机导体或者半导体热电材料是一种非常有前途的热电材料。某些有机材料具有非常大的塞贝克系数(＞1mV/K)，同时它的热导率又比较小。然而，目前为止，对于有机热电材料的塞贝克系数的精确测量仍然是一个非常困难的问题，原因在于有机热电材料的电阻率往往非常高，达到10¹³Ω/cm，如果将其制作成为薄膜样品，其电阻将达到10¹⁴Ω/cm。尽管最终要成为实用化的热电材料，可以通过掺杂等方式将电导率升高，但是能够精确测量纯的有机热电材料的热电特性是开展这一材料研究的关键。

图1为现有技术中测试塞贝克系数的示意图。如图1所示，其中A为待测样品，B为导线组成的电压测量回路，在总回路中有：

S_B-S_A＝ΔV/ΔT (1)

ΔV＝V₄-V₁ (2)

ΔT＝T₃-T₂ (3)

其中分别是材料A和材料B的绝对塞贝克系数，ΔV是4端和1端之间的电压，ΔT是指3端和2端之间的温差。由于S_A一般都远远小于S_B，则：

S_B≈ΔV/ΔT (4)

日本的Masakazu Nakamura等人于2010年提出了一种评估高阻值有机热电材料的系统，如图2所示。该系统是基于一个真空薄膜溅射系统改造而成。有机材料被溅射到一个长方形玻璃基底上，形成有机薄膜。一个由液氮冷却的恒温台为玻璃基底提供一个恒定的温度，在玻璃基底的一端具有一个温差加热器，为玻璃基底的一端加热，从而在玻璃基底的两端形成温差。在玻璃基底的两端镀有金电极，金电极上引出电压测量和温度测量引线，由差分放大电路对塞贝克电压和温差进行测量，从而计算出材料的塞贝克系数。

然而，申请人发现现有技术赛贝尔系数测量系统存在如下缺陷：(1)由于该系统只在样品的一端具有加热子，因此只能实现样品的正温差测量，无法进行样品的正负温差测量；(2)该系统的塞贝克电压测量方案没有对被测样品进行电压保护，导致对高阻值样品进行测试时，需要很长的时间(＞60分钟)才能达到电压的稳定。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种赛贝克系数测量系统，以实现样品的正负温差测量。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种赛贝克系数测量系统，包括：测试样品平台，用于放置待测样品，并在待测样品两端建立预设的温度差，包括：温差加热台，包括温差加热台本体、热端加热柱和冷端加热柱，其中，热端加热柱和冷端加热柱位于温差加热台本体上，两者之间彼此绝热，分别具有各自的加热系统；热端样品放置台和冷端样品放置台，分别位于热端加热柱和冷端加热柱的上方，用于放置待测样品的热端和冷端；信号采集和处理系统，与测试样品平台中热端样品放置台和冷端样品放置台的外引线相连接，用来采集和处理待测样品两端的温度及形成的塞贝克电压，计算贝塞尔系数；温度控制系统，分别连接于测试样品平台中热端加热柱和冷端加热柱的加热系统，用来控制待测样品两端的温度差。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明赛贝克系数测量系统具有以下有益效果：

(1)本发明中，通过设计对称的加热子、测温子和恒温台，本发明可以对高阻样品施加正负温差，并实现在正负温差条件下的塞贝克电压的测定，从而实现塞贝克系数的测量；

(2)本发明中，通过设计完整的保护电压结构和电磁屏蔽罩，大大的减小了分布电容和漏电流对于微弱电压测量的影响，减小了塞贝克电压的稳定时间，提高了系统检测的响应速度。目前已能实现阻值为10¹¹Ω样品的塞贝克系数的测定。

附图说明

图1为现有技术中测试塞贝克系数的示意图；

图2为现有技术塞贝克系数测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例赛贝克系数测量系统的结构示意图；

图4为本发明实施例赛贝克系数测量系统中测试样品平台的结构示意图；

图5为本发明实施例赛贝克系数测量系统测试样品平台中漏电流保护夹层的结构示意图；

图6为本发明实施例赛贝克系数测量系统测试样品平台中温差加热台的结构示意图；

图7为本发明实施例赛贝克系数测量系统测试样品平台中恒温台的结构示意图；

图8为本发明实施例赛贝克系数测量系统中信号采集和处理系统105与测试样品平台101的连接示意图；

图9为由本发明实施例赛贝克系数测量系统测量获得的塞贝克电压与温差的曲线；

图10为显示了利用本发明赛贝克系数测量系统测量计算得到的某种高电阻有机半导体材料(R＞10¹¹Ω)的塞贝克系数S。

【主要元件符号说明】

100-赛贝克系数测量系统；

101-测试样品放置平台； 102-金属腔；

103-真空排气管路； 104-电气连接接口；

105-信号采集和处理系统； 106-温度控制系统；

107-真空系统； 108-计算机；

201-热端样品放置台； 202-冷端样品放置台；

203，204-漏电流保护夹层； 205-温差加热台；

206-恒温台； 207-冷源；

301、302、303-漏电流保护夹层圆盘；

401-温差加热台底座； 402-热端加热柱；

403-样品热端加热丝； 404-冷端加热柱；

405-样品冷端加热丝；

501-加热丝； 502-温度传感器；

601，602-电压绝緣导热保护电路； 603-前置放大电路；

604-模数转换电路； 605-计算单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种赛贝克系数测量系统。图3为本发明实施例赛贝克系数测量系统的结构示意图。如图3所示，本实施例赛贝克系数测量系统100包括：测试样品放置平台101、信号采集和处理系统105及温度控制系统106，其中，测试样品平台101，用于放置待测样品，在样品两端建立设定的温度差，包括：温差加热台，包括温差加热台本体、热端加热柱和冷端加热柱，其中，热端加热柱和冷端加热柱位于温差加热台本体上，分别具有各自的加热系统，两者之间彼此绝热；热端样品放置台和冷端样品放置台，分别位于热端加热柱和冷端加热柱的上方，用于放置样品的热端和冷端。信号采集和处理系统105，连接于测试样品平台中热端样品放置台和冷端样品放置台的外引线上，用来采集和处理待测样品两端的温度及形成的塞贝克电压。温度控制系统106，分别连接于测试样品平台中热端加热柱和冷端加热柱的加热系统，用来控制待测样品两端的温度差。

如图3所示，测试样品平台101放置在一个密闭的金属腔102内，金属腔102需要良好的接地，实现对内部系统良好的电磁屏蔽。测试样品平台101通过电气连接接口104与信号采集和处理系统105以及温度控制系统106相连。金属腔102其实为一真空腔室，其通过真空排气管路103与真空系统107连接。真空系统107可以采用隔膜泵、升华泵、扩散泵、分子泵等真空泵来实现。计算机108上面运行控制软件，分别与信号采集和处理系统105、温度控制系统106和真空系统107相连接。

图4为本发明实施例赛贝克系数测量系统中测试样品平台的结构示意图。如图4所示，在本发明优选的实施例中，测试样品平台自上而下依次包括：两个样品放置台(201，202)，两个漏电流保护夹层(203，204)，温差加热台205，恒温台206和冷源207。以下对各部件进行详细介绍：

如图4所示，样品放置台有两个，分别称为热端样品放置台201和冷端样品放置台202。这两个样品放置台安装于漏电流保护夹层的顶端，并形成良好的热接触。样品放置台上具有样品夹持装置，可以固定样品，确保样品与样品放置台形成良好的热接触和欧姆接触。样品放置台安装有温度传感器，可以精确测量样品放置台的温度。以上所述的良好热接触可以通过在两个接触的端面涂覆导热胶的方式实现。

图5为本发明实施例赛贝克系数测量系统测试样品平台中漏电流保护夹层的结构示意图。如图5所示，在夹层的上部，是采用一种绝緣度高(阻值＞10¹⁵Ω)且高导热的材料制成的圆盘301，在夹层的中部，是采用金属导体制成的导电圆盘302，在夹层的下部，是采用一种绝緣度高(阻值＞10¹⁵Ω)且高导热的材料制成的圆盘303。这三个圆盘组装在一起，通过在导电圆盘302上施加与样品放置台相等的电势，可以保证在样品放置台和温差加热台之间没有漏电流通路，保证高电阻测量的精确度。优选的，高阻值且高导热材料选用宝石片，金属薄层采用无氧铜材料加工而成。

图8为本发明实施例赛贝克系数测量系统中信号采集和处理系统105与测试样品平台101的连接示意图。如图8所示，信号采集和处理系统105中的电压绝緣保护电路601，602将样品放置台两端的电势反馈到漏电流保护夹层203，204，使得这两个漏电流保护夹层分别与样品两端的电势保持相等，从而杜绝了漏电流的产生，保证了测试的高阻性能。

图6为本发明实施例赛贝克系数测量系统测试样品平台中温差加热台的结构示意图。如图6所示，它由温差加热台底座401，往上延伸出两个对称的热端加热柱402和冷端加热柱404。优选的，这两个样品加热柱的横截面为圆形。在热端加热柱402和冷端加热柱404的侧面，紧密缠绕了样品热端加热丝403和样品冷端加热丝405，用于对两个样品加热柱分别加热。当然，本领域技术人员应当理解，也可以选用其它结构方式和加热元件对两个样品加热柱分别加热。

图7为本发明实施例赛贝克系数测量系统测试样品平台中恒温台的结构示意图。如图7所示，在恒温台的底部，设计有螺旋形的沟槽，中间放置有加热丝501，可以对恒温台进行加热。在恒温台的侧面，钻有一个圆形的孔，可以放置温度传感器502。优选的，这种螺旋形的沟槽可以是阿基米德螺线的形状或其他形状，实现对恒温台的均匀加热。恒温台的材料可以选择具有高导热系数的材料，例如铜、金、银、铝等。

恒温台206的下端面与冷源207的上端面形成良好的热接触，其上端面与温差加热台205形成良好的热接触。恒温台206和冷源207的结构部件可以选择具有高导热系数的材料。例如无氧铜、金、银等。综合性能和成本的考虑，优选无氧铜作为恒温台206和冷源207的结构部件。冷源207可以采用液氦、液氮、水冷或者半导体制冷器件来实现。

本实施例中，温度控制系统，由冷源、温度传感器和加热器构成，用于控制恒温台的温度和样品加热柱的温度以及实现大的测试温度范围；所述的温度控制系统实现对恒温台温度的精确控制和样品两端温差的建立，包含至少2个温度控制回路。

(1)第一个温度控制回路是恒温台温控回路，恒温台加热器、温度传感器和冷源构成温度反馈控制回路，实现恒温台温度的精确控制。

(2)第二个温度控制回路是温差控制回路。样品加热柱的加热器、样品放置台的温度传感器和恒温台构成温度反馈控制回路，实现样品两端温差的精确控制。

如图8所示，在信号采集和处理系统105中，电压信号前置放大电路603通过导线连接到样品放置台的两端，采集并放大样品两端的塞贝克电压；经前置放大电路放大的电压信号输入至模数转换电路604，将电压信号转换成为数字信号，由计算单元605对数字信号进行处理，结合测量获取的待测样品两端的温差，计算塞贝克系数。

利用本发明塞贝克系数测量系统进行赛贝尔系数测量包括以下步骤：

步骤S11，将待测样品放置到样品放置台101中，可以在样品的两端涂上导电银浆，保证样品的两端与样品放置台101的良好的欧姆接触，并起到固定样品的作用。

步骤S12，开启真空系统，抽取金属腔102内的气体，直至真空度达到1×10^-3mbar以下。

步骤S13，开启冷源207，保持在设定的低温或高温范围内；开启恒温台的温控回路，使得恒温台的温度稳定在某一个温度设定点Ts。

步骤S14，开启热端加热丝的温控回路，给热端加热丝施加恒定的加热功率P_hot，由于恒温台保持一个恒定的温度，在整个系统建立热平衡后，在待测样品的两端会建立一个固定的温差ΔT，同时记录样品两端电压变化值ΔV，利用公式(1)就可以计算得到塞贝克系数。

步骤S15，如果需要，还可以改变不同的加热功率P_hot，从而获得不同的温差ΔT，获得不同温差下的塞贝克电压值ΔV，计算系统在某一个温度设定点处的线性。

图9为由本发明实施例赛贝克系数测量系统测量获得的塞贝克电压与温差的曲线。如图9所示，由塞贝克电压和温差曲线，利用公式(4)可以计算出不同温差条件下的塞贝克系数。

图10为显示了利用本发明提出的系数和方法计算得到的某种高电阻有机半导体材料(R＞10¹¹Ω)的塞贝克系数S。如图10所示，横轴代表样品两端的温差，纵轴代表相应的塞贝克电压，菱形的点代表在不同温差条件下的测试数据点，直线(系列1)代表对数据点进行线性拟合得到的拟合直线。从线性相关系数R²达到0.998以上，可以看出本系统能够胜任高阻样品的塞贝克系数的测量。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种赛贝克系数测量系统，包括：

测试样品平台，用于放置待测样品，并在所述待测样品两端建立预设的温度差，包括：

温差加热台，包括温差加热台本体、热端加热柱和冷端加热柱，其中，所述热端加热柱和所述冷端加热柱位于所述温差加热台本体上，两者之间彼此绝热，分别具有各自的加热系统；

热端样品放置台和冷端样品放置台，分别位于所述热端加热柱和冷端加热柱的上方，用于放置所述待测样品的热端和冷端；

信号采集和处理系统，与所述测试样品平台中热端样品放置台和冷端样品放置台的外引线相连接，用来采集和处理待测样品两端的温度及形成的塞贝克电压，计算贝塞尔系数；

温度控制系统，分别连接于所述测试样品平台中热端加热柱和冷端加热柱的加热系统，用来控制待测样品两端的温度差。

2.根据权利要求1所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述测试样品平台置于密闭的金属腔内，该金属腔接地；

处于密闭的金属腔内的测试样品平台通过电气连接接口与所述信号采集和处理系统、温度控制系统相连接。

3.根据权利要求2所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述金属腔通过真空排气管路与真空系统相连。

4.根据权利要求1所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述测试样品平台还包括：

热端漏电保护夹层，位于所述热端样品放置台和热端加热柱之间，用于防止所述热端样品放置台和热端加热柱之间漏电；

冷端漏电保护夹层，位于所述冷端样品放置台和冷端加热柱之间，用于防止所述冷端样品放置台和冷端加热柱之间漏电。

5.根据权利要求4所述的赛贝克系数测量系统，其中，

所述热端漏电保护夹层和冷端漏电保护夹层均自上而下包括：第一圆盘，由绝缘导热材料构成；第二圆盘，由金属材料构成；第三圆盘，由绝缘导热材料构成；

所述信号采集和处理系统包括：

热端电压绝缘保护电路，用于将从所述热端样品放置台采集的电势反馈至所述热端漏电保护夹层的第二圆盘，保持两者的电势相同；

冷端电压绝缘保护电路，用于将从所述冷端样品放置台采集的电势反馈至所述冷端漏电保护夹层的第二圆盘，保持两者的电势相同。

6.根据权利要求1所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述测试样品平台还包括：

冷源，用于提供低温；

恒温台，其下端面与所述冷源形成热接触，其上端面与所述温差加热台形成热接触，用于为所述温差加热台提供预设的恒定温度。

7.根据权利要求6所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述恒温台包括：

结构部件；

温度传感器，设置于所述结构部件内，用于测量所述结构部件的温度；

温度控制回路，用于根据所述温度传感器测量的结构部件的温度，对结构部件进行加热，使其保持在预设的恒定温度。

8.根据权利要求6所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述冷源通过以下方式其中之一实现：液氦、液氮、水冷或者半导体制冷。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述热端加热柱和冷端加热柱各自的加热系统为缠绕于所述热端加热柱和冷端加热柱侧面的加热丝。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的赛贝克系数测量系统，其中，所述信号采集和处理系统包括：

热端温度传感器和冷端温度传感器，分别位于热端样品放置台和冷端样品放置台，用于测量样品两端的温度；

电压信号前置放大电路，其连接至热端样品放置台和冷端样品放置台，用于获得待测样品两端的电压并进行放大；

模数转换电路，与所述电压信号前置放大电路相连接，用于将待测样品两端的电压分别转换为数字信号；

计算单元，与所述模数转换电路相连接，用于根据样品两端的温度和数字信号形式的样品两端的电压，计算样品的赛贝克系数。