CN110530927A - 一种热电材料塞贝克系数测试装置及方法 - Google Patents

一种热电材料塞贝克系数测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热电材料塞贝克系数测试装置及方法，属于半导体测试技术领域。为克服传统测试方法中操作复杂，测试精度低的不足，本发明将被测样品置于加热器和散热器之间，利用镍铬‑镍硅差分热电偶直接测量样品两端的温差。将被测样品的塞贝克电压与镍铬‑镍硅差分热电偶的塞贝克电压进行比较，通过调节电压平衡回路中的可变电阻的滑臂，使电位差计指示为零，利用电压平衡的原理，可求出被测样品的塞贝克系数。本发明通过巧妙的电路设计，实现了只需对一个测试参量进行统计，提高了效率，并且不干扰被测样品的塞贝克系数，提高了精确度。本发明可用于铠装热电偶、热流密度传感器等的塞贝克系数测量，在测量大量样品时更有优势。

Description

一种热电材料塞贝克系数测试装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体测试技术领域，具体说是一种热电材料塞贝克系数测试装置及方法。
背景技术
随着航空航天事业的发展，热电材料的应用也越来越受到重视。利用热电材料的塞贝克效应可以实现热能和电能的转化。连接两种不同类型的导体或半导体材料，当端点处存在温差时，材料两端会产生电动势，该现象称为塞贝克效应。在热电材料性能参数测试方面，塞贝克系数的精确测试和表征是最为重要的内容之一。
材料的塞贝克系数ɑsr可以表示为：
式中，ΔT为材料两端的温差，Vsr为在该温差产生的塞贝克电压。
在测试材料的塞贝克系数时，首先需要在样品的两端产生一个温差，由两对热电偶同时测出温度，得出温差，由测电压探针测出电压。对于绝大多数半导体热电材料，温差ΔT通常可以选择在5～10K范围，这样能够基本上满足温差ΔT尽可能小的条件，同时又能得到一个足够大、易于被测出的塞贝克电压Vsr。
然而，塞贝克系数测试原理看似简单，但是在传统的测试方法中存在操作复杂，测试精度低等问题。因为传统的测试方法不仅需要采用热电偶测试温度差，而且要同时测试该温差产生的塞贝克电压，另外接触热阻也会给测试带来较大的误差。
除了航空航天所用的热电电池之外，在热电发电装置、热电式热流密度传感器、温差制冷器等零部件或设备中，也需要对其电极材料的塞贝克系数的进行测试和标定。特别是随着工业自动化、智能化的普及，热电材料在生活中的广泛应用，催生了巨大的测试需求。传统的塞贝克系数测试装置在测试大量样品的情况下效率低下。因此，除了满足测试精确，操作方便的要求外，还需要满足能够对对大量样品进行快速测试的要求。
发明内容
针对传统塞贝克系数测试方法中操作复杂、测试精度低的不足，结合大量测试塞贝克系数的实际需求，本发明提供了一种热电材料塞贝克系数测试装置及方法，以提高测试精度和测试效率。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种热电材料塞贝克系数测试装置，包括：基体1、支架2、陶瓷板3、散热器4、升降机构5、加热器7、压板8、自动压紧装置9、铜导线Ⅰ10、差分热电偶11、高温端电阻12、可变电阻13、电位差计14、低温端电阻15、逆向开关16；
所述基体1的一侧与支架2的底部一侧连接，压板8的一侧与支架2的顶部一侧连接；所述压板8的下方安装若干自动压紧装置9，自动压紧装置9的下方安装加热器7；所述基体1的上方安装散热器4；
所述加热器7和散热器4之间连接有铜导线Ⅰ10，铜导线Ⅰ10从上到下依次设有高温端电阻12、可变电阻13、低温端电阻15；所述可变电阻13的滑臂与电位差计14的一端连接，所述电位差计14的另一端有铜导线Ⅱ17和铜导线Ⅲ18引出，所述低温端电阻15的下端有铜导线Ⅳ19引出；
所述差分热电偶11一侧的两个接触点分别与加热器7和散热器4有良好的热接触，同时又保持良好的电绝缘，另一侧的两个接触点与逆向开关16连接；利用所述差分热电偶11，可直接测量被测样品6两端的温差；
所述逆向开关16一侧的两个电触点分别与所述差分热电偶11另一侧的两个接触点连接，逆向开关16另一侧的两个电触点分别与铜导线Ⅱ17和铜导线Ⅳ19连接，或与铜导线Ⅳ19和铜导线Ⅲ18连接。
在上述技术方案的基础上，所述支架2的侧边设有升降机构5，用于调节支架2的高度，使压板8压紧被测样品6，防止滑动。
在上述技术方案的基础上，所述基体1与散热器4之间、自动压紧装置9与加热器7之间均设有陶瓷板3，用于绝缘保护。
在上述技术方案的基础上，所述自动压紧装置9包括按压板20和弧形支撑板21，所述按压板20一侧的两端设有相对的凹槽，所述弧形支撑板21的两端卡入所述凹槽中；通过调节施加压力的大小，以调节加热器7、被测样品6和散热器4之间的压紧程度；所述弧形支撑板21为厚度可变的弧段，从中间向两侧厚度逐渐增加；所述弧形支撑板21沿长度方向上设置有若干开槽。
在上述技术方案的基础上，所述差分热电偶11包括镍铬合金丝Ⅰ111、镍硅合金丝112和镍铬合金丝Ⅱ113；所述镍铬合金丝Ⅰ111的一端和所述镍硅合金丝112的一端连接，且与所述加热器7有良好的热接触，同时又保持良好的电绝缘，形成高温端热电偶；所述镍铬合金丝Ⅱ113的一端和所述镍硅合金丝112的另一端连接并嵌入到散热器4内部，且与所述散热器4有良好的热接触，同时又保持良好的电绝缘，形成低温端热电偶；所述镍铬合金丝Ⅰ111的另一端、镍铬合金丝Ⅱ113的另一端分别与逆向开关16一侧的两个电触点连接。
在上述技术方案的基础上，所述加热器7的材料为金属铜，所述散热器4的材料为金属铜，且温度均保持恒定。
在上述技术方案的基础上，所述铜导线Ⅰ10与加热器7和散热器4之间均为电接触。
一种热电材料塞贝克系数测试方法，应用所述的热电材料塞贝克系数测试装置，具体测试方法为：
测试时只要调节所述可变电阻13的滑臂，使所述电位差计14指示为零，确定出此时可变电阻13的滑臂所对应的部分电阻值xR2，根据xR2即可求出被测样品6相对于差分热电偶11的塞贝克系数，即：
式中，ɑsr为被测样品的塞贝克系数，ɑ0为所述差分热电偶11的温差电动势率，R1为所述低温端电阻15的电阻值，R2为所述可变电阻13两固定端的总电阻值，R3为所述高温端电阻12的电阻值。
在上述技术方案的基础上，通过调节逆向开关16的电触点位置，实现P型热电材料和N型热电材料塞贝克系数的测试；
当所述镍铬合金丝Ⅰ111通过逆向开关16与所述电位差计14的引出铜导线Ⅱ17形成接触，所述镍铬合金丝Ⅱ113通过逆向开关16与所述低温端电阻15下端的引出铜导线Ⅳ19形成接触时，测量的为N型热电材料塞贝克系数；
当所述镍铬合金丝Ⅰ111通过逆向开关16与所述低温端电阻15下端的引出铜导线Ⅳ19形成接触，所述镍铬合金丝Ⅱ113通过逆向开关16与所述电位差计14的引出铜导线Ⅲ18形成接触时，测量的为P型热电材料塞贝克系数。
本发明所述的热电材料塞贝克系数测试装置及方法，具有以下有益效果：
传统方法至少需要测试高温端温度、低温端温度和塞贝克电压三个参量，且加热器和散热器的温度需要精确地控制，使之能够为被测样品提供一个恒定的温差。然而，要确定一个恒定的温差，实际上并不容易。本发明所述装置在使用时，将被测样品置于加热器和散热器之间，在被测样品的两端产生一个温差；通过利用塞贝克系数已知的差分热电偶，实现了只需要对一个被测试参数进行测量，大大减少了测试的参量，提高了测试效率。
电位差计是根据被测电压和已知电压相互平衡的原理制成的高精度测试仪器，与电压表相比的主要优点是测试时不需从被测对象中支取电流，因而不影响待测电路，不干扰被测试的数值，测试的电动势结果准确可靠。因此本发明具有测试精度高的优点，极大地提高了精确度和灵敏度。
温度的改变会使物体发生微小的变形，本发明通过压板和自主设计的自动压紧装置压紧被测样品，可实现根据不同的温度自动调节压紧力的大小，有效地避免了被测样品或差分热电偶的滑动。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明的结构示意图；
图2本发明的立体结构示意图；
图3本发明所述自动压紧装置9的示意图；
图4本发明测试塞贝克系数的原理图；
图5本发明所述差分热电偶11测温差的原理图；
图6传统技术中测试塞贝克系数的原理图。
图中：1—基体，2—支架，3—陶瓷板，4—散热器，5—升降机构，6—被测样品，7—加热器，8—压板，9—自动压紧装置，10—铜导线Ⅰ，11—差分热电偶，111—镍铬合金丝Ⅰ，112—镍硅合金丝，113镍铬合金丝Ⅱ，12—高温端电阻，13—可变电阻，14—电位差计，15—低温端电阻，16—逆向开关，17—铜导线Ⅱ，18—铜导线Ⅲ，19—铜导线Ⅳ，20—按压板，21—弧形支撑板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1～5所示，本发明所述的热电材料塞贝克系数测试装置，包括：基体1、支架2、陶瓷板3、散热器4、升降机构5、加热器7、压板8、自动压紧装置9、铜导线Ⅰ10、差分热电偶11、高温端电阻12、可变电阻13、电位差计14、低温端电阻15、逆向开关16；
所述基体1的一侧与支架2的底部一侧连接，压板8的一侧与支架2的顶部一侧连接；所述压板8的下方安装若干自动压紧装置9，通过自动压紧装置9能够根据不同的温度自动调节压紧力的大小，自动压紧装置9的下方安装加热器7；所述基体1的上方安装散热器4；
所述加热器7和散热器4之间连接有铜导线Ⅰ10，铜导线Ⅰ10从上到下依次设有高温端电阻12、可变电阻13、低温端电阻15；所述可变电阻13的滑臂与电位差计14的一端连接，所述电位差计14的另一端有铜导线Ⅱ17和铜导线Ⅲ18引出，所述低温端电阻15的下端有铜导线Ⅳ19引出；
所述差分热电偶11一侧的两个接触点分别与加热器7和散热器4有良好的热接触，同时又保持良好的电绝缘，另一侧的两个接触点与逆向开关16连接；利用所述差分热电偶11，可直接测量被测样品6两端的温差；
所述高温端电阻12和所述低温端电阻15通过铜导线与所述可变电阻13的两固定端相接，同时，所述高温端电阻12和所述低温端电阻15通过铜导线与所述加热器7和所述散热器4相接，形成串联回路。
所述逆向开关16一侧的两个电触点分别与所述差分热电偶11另一侧的两个接触点连接，逆向开关16另一侧的两个电触点分别与铜导线Ⅱ17和铜导线Ⅳ19连接，或与铜导线Ⅳ19和铜导线Ⅲ18连接。
在上述技术方案的基础上，所述支架2的侧边设有升降机构5，用于调节支架2的高度，使压板8压紧被测样品6，防止滑动。
在上述技术方案的基础上，所述基体1与散热器4之间、自动压紧装置9与加热器7之间均设有陶瓷板3，用于绝缘保护。
在上述技术方案的基础上，所述自动压紧装置9包括按压板20和弧形支撑板21，所述按压板20一侧的两端设有相对的凹槽，所述弧形支撑板21的两端卡入所述凹槽中；通过调节施加压力的大小，以调节加热器(7)、被测样品(6)和散热器(4)之间的压紧程度；所述弧形支撑板21为厚度可变的弧段，从中间向两侧厚度逐渐增加；所述弧形支撑板21沿长度方向上设置有若干开槽。
在上述技术方案的基础上，所述差分热电偶11包括镍铬合金丝Ⅰ111、镍硅合金丝112和镍铬合金丝Ⅱ113；所述镍铬合金丝Ⅰ111的一端和所述镍硅合金丝112的一端连接，且与所述加热器7有良好的热接触，同时又保持良好的电绝缘，形成高温端热电偶；所述镍铬合金丝Ⅱ113的一端和所述镍硅合金丝112的另一端连接并嵌入到散热器4内部，且与所述散热器4有良好的热接触，同时又保持良好的电绝缘，形成低温端热电偶；所述镍铬合金丝Ⅰ111的另一端、镍铬合金丝Ⅱ113的另一端分别与逆向开关16一侧的两个电触点连接。
在上述技术方案的基础上，所述加热器7的材料为金属铜，所述散热器4的材料为金属铜，且温度均保持恒定。
在上述技术方案的基础上，所述铜导线Ⅰ10与加热器7和散热器4之间均为电接触。
基于上述的热电材料塞贝克系数测试装置，本发明提供了一种热电材料塞贝克系数测试方法，具体测试方法为：
测试时只要调节所述可变电阻13的滑臂，使所述电位差计14指示为零，确定出此时可变电阻13的滑臂所对应的部分电阻值xR2，根据xR2即可求出被测样品6相对于差分热电偶11的塞贝克系数，即：
式中，ɑsr为被测样品的塞贝克系数，ɑ0为所述差分热电偶11的温差电动势率，R1为所述低温端电阻15的电阻值，R2为所述可变电阻13两固定端的总电阻值，R3为所述高温端电阻12的电阻值。
通过调节逆向开关16的电触点位置，可以实现P型热电材料和N型热电材料塞贝克系数的测试。
当所述镍铬合金丝Ⅰ111通过逆向开关16与所述电位差计14的引出铜导线Ⅱ17形成接触，所述镍铬合金丝Ⅱ113通过逆向开关16与所述低温端电阻15下端的引出铜导线Ⅳ19形成接触时，测量的为N型热电材料塞贝克系数。
当所述镍铬合金丝Ⅰ111通过逆向开关16与所述低温端电阻15下端的引出铜导线Ⅳ19形成接触，所述镍铬合金丝Ⅱ113通过逆向开关16与所述电位差计14的引出铜导线Ⅲ18形成接触时，测量的为P型热电材料塞贝克系数。
本发明将被测样品6置于加热器7和散热器4之间，利用镍铬-镍硅差分热电偶11直接测量被测样品6两端的温差；利用电压平衡的原理，将被测样品6的塞贝克电压与镍铬-镍硅差分热电偶11的塞贝克电压进行比较，通过调节电压平衡回路中的可变电阻13的滑臂，使电位差计14指示为零，可求出被测样品6的塞贝克系数。本发明通过巧妙的电路设计，实现了只需对一个参数进行测量，减少了测试参量，提高了效率，并且不干扰被测量的数值，精确度得到了提高；本发明可用于铠装热电偶、热流密度传感器等器件的塞贝克系数的测量，在测量大量样品时更有优势。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，包括：基体(1)、支架(2)、散热器(4)、升降机构(5)、加热器(7)、压板(8)、自动压紧装置(9)、铜导线Ⅰ(10)、差分热电偶(11)、高温端电阻(12)、可变电阻(13)、电位差计(14)、低温端电阻(15)、逆向开关(16)；
所述基体(1)的一侧与支架(2)的底部一侧连接，压板(8)的一侧与支架(2)的顶部一侧连接；所述压板(8)的下方安装若干自动压紧装置(9)，自动压紧装置(9)的下方安装加热器(7)；所述基体(1)的上方安装散热器(4)；
所述加热器(7)和散热器(4)之间连接有铜导线Ⅰ(10)，铜导线Ⅰ(10)从上到下依次设有高温端电阻(12)、可变电阻(13)、低温端电阻(15)；所述可变电阻(13)的滑臂与电位差计(14)的一端连接，所述电位差计(14)的另一端有铜导线Ⅱ(17)和铜导线Ⅲ(18)引出，所述低温端电阻(15)的下端有铜导线Ⅳ(19)引出；
所述差分热电偶(11)一侧的两个接触点分别与加热器(7)和散热器(4)热接触，同时又保持电绝缘，另一侧的两个接触点与逆向开关(16)连接；
所述逆向开关(16)一侧的两个电触点分别与所述差分热电偶(11)另一侧的两个接触点连接，逆向开关(16)另一侧的两个电触点分别与铜导线Ⅱ(17)和铜导线Ⅳ(19)连接，或与铜导线Ⅳ(19)和铜导线Ⅲ(18)连接。
2.如权利要求1所述的热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，所述支架(2)的侧边设有升降机构(5)，用于调节支架(2)的高度，使压板(8)压紧被测样品(6)，防止滑动。
3.如权利要求1所述的热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，所述基体(1)与散热器(4)之间、自动压紧装置(9)与加热器(7)之间均设有陶瓷板(3)，用于绝缘保护。
4.如权利要求1所述的热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，所述自动压紧装置(9)包括按压板(20)和弧形支撑板(21)，所述按压板(20)一侧的两端设有相对的凹槽，所述弧形支撑板(21)的两端卡入所述凹槽中，通过调节施加压力的大小，以调节加热器(7)、被测样品(6)和散热器(4)之间的压紧程度；所述弧形支撑板(21)从中间向两侧厚度逐渐增加；所述弧形支撑板(21)沿长度方向上设置有若干开槽。
5.如权利要求1所述的热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，所述差分热电偶(11)包括镍铬合金丝Ⅰ(111)、镍硅合金丝(112)和镍铬合金丝Ⅱ(113)；所述镍铬合金丝Ⅰ(111)的一端和所述镍硅合金丝(112)的一端连接，且与所述加热器(7)热接触，同时又保持电绝缘，形成高温端热电偶；所述镍铬合金丝Ⅱ(113)的一端和所述镍硅合金丝(112)的另一端连接并嵌入到散热器(4)内部，且与所述散热器(4)热接触，同时又保持电绝缘，形成低温端热电偶；所述镍铬合金丝Ⅰ(111)的另一端、镍铬合金丝Ⅱ(113)的另一端分别与逆向开关(16)一侧的两个电触点连接。
6.如权利要求5所述的热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，所述加热器(7)的材料为金属铜，所述散热器(4)的材料为金属铜，且温度均保持恒定。
7.如权利要求1所述的热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，所述铜导线Ⅰ(10)与加热器(7)和散热器(4)之间均为电接触。
8.一种热电材料塞贝克系数测试方法，应用权利要求1～7任一权利要求所述的热电材料塞贝克系数测试装置，其特征在于，具体测试方法为：
测试时调节所述可变电阻(13)的滑臂，使所述电位差计(14)指示为零，确定出此时可变电阻(13)的滑臂所对应的部分电阻值xR2，根据xR2求出被测样品(6)相对于差分热电偶(11)的塞贝克系数，即：
式中，ɑsr为被测样品(6)的塞贝克系数，ɑ0为所述差分热电偶(11)的温差电动势率，R1为所述低温端电阻(15)的电阻值，R2为所述可变电阻(13)两固定端的总电阻值，R3为所述高温端电阻(12)的电阻值。
9.如权利要求8所述的热电材料塞贝克系数测试方法，其特征在于，通过调节逆向开关(16)的电触点位置，实现P型热电材料和N型热电材料的塞贝克系数的测试；
当所述镍铬合金丝Ⅰ(111)通过逆向开关(16)与所述电位差计(14)的引出铜导线Ⅱ(17)形成接触，所述镍铬合金丝Ⅱ(113)通过逆向开关(16)与所述低温端电阻(15)下端的引出铜导线Ⅳ(19)形成接触时，测量的为N型热电材料塞贝克系数；
当所述镍铬合金丝Ⅰ(111)通过逆向开关(16)与所述低温端电阻(15)下端的引出铜导线Ⅳ(19)形成接触，所述镍铬合金丝Ⅱ(113)通过逆向开关(16)与所述电位差计(14)的引出铜导线Ⅲ(18)形成接触时，测量的为P型热电材料塞贝克系数。
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