CN112285452A - 一种测量电学参数低温特性的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本说明书一个或多个实施例公开了一种测量电学参数低温特性的装置和方法，主要包括：使用半导体制冷片冷端对测量腔室进行制冷，并通过温度传感器和控制器对测量腔室温度进行闭环控制，通过空气作为媒质对待测电学元件进行热交换以实现低温环境。待测电学元件通过吊架置入测量腔室，既能保证待测电学元件与电连接端子的电连接可靠性、待测电学元件与测量腔室的电绝缘性，又能避免待测电学元件与测量腔室内壁直接接触建立冷桥对测量结果造成影响。测量腔室外壁有绝热层保障恒温环境，半导体制冷片热端的热量通过散热器散出。从而，提升低温测量的效率和准确性，以及安全性。而且，价格低、小巧、噪音小、无振动、使用简单、易维护、无耗材、功耗小。

Description

一种测量电学参数低温特性的装置和方法

技术领域

本文件涉及测试装置技术领域，尤其涉及一种测量电学参数低温特性的装置和方法。

背景技术

目前在很多领域都需要测试装置，尤其是器件制造或科研领域，需要频繁使用各类测试装置对元器件的多种特性进行测试。

当涉及到对元器件的电学参数低温特性进行测量时，一般会采用以下几种测试方法：

方法一、液氦或液氮制冷

将待测元件置于工作物质中，使其处于低温状态，这种方法可将温度降至-196℃(液氮)或-268℃(液氦)。缺点是：无法有效控制温度，且工作物质是耗材，存在成本高、保存和使用复杂、使用程序繁琐等缺点。

方法二、低温氦气或低温氮气制冷

将低温气体吹向待测元件以达到降温目的。低温氦气或低温氮气的获得方法是液氦或液氮蒸发产生的低温气体。缺点是有耗材，成本高、保存和使用复杂、使用程序繁琐，且可能存在制冷不均造成温度梯度。

方法三、液浴法

将待测元件浸泡在低温液体中，使其处于低温状态。这种方法使用的工作物质一般为油、乙醇等凝固点较低的物质，其缺点有：1、测量过程中需要将待测元件浸泡在液体中，但是对于电学测量，乙醇等物质是易燃易爆的化学品，不宜使用，2测量电学参数的过程中液体有被电解的可能，3需要考虑液体对电学参数测量结果的影响。

方法四、压缩机制冷

该方法的缺点是体积大、能耗高、噪音大、振动大。电学元件一般体积都比较小，并不需要如此大的制冷量。

由此，现有技术中缺乏一种适宜电学元件进行低温环境测量的装置。

发明内容

本说明书一个或多个实施例的目的是提供一种测量电学参数低温特性的装置和方法，以提升电学元件在低温环境进行测量的效率、安全以及准确性。

为解决上述技术问题，本说明书一个或多个实施例是这样实现的：

第一方面，提出了一种测量电学参数低温特性的装置，包括：

测量腔室，位于所述测量腔室底部的半导体制冷片，与所述半导体制冷片连接的散热器，分别设置在所述测量腔室侧壁和上盖的至少两个温度传感器，以及控制器、吊架和外部测量装置；其中，

所述测量腔室的本体外壁包裹有绝热层，所述测量腔室的上盖与所述吊架连接，所述吊架用于悬吊待测电学元件；所述上盖和所述吊架设置有共同的第一通孔，所述外部测量装置的测量导线通过所述第一通孔探出形成电连接端子；

所述半导体制冷片直接作为所述测量腔室的底面，其中，所述半导体制冷片的冷端面向所述测量腔室，所述半导体制冷片的热端背向所述测量腔室，并且，所述热端与所述散热器连接；所述控制器的一端与所述半导体制冷片连接，另一端与所述至少两个温度传感器连接；

在所述待测电学元件通过所述电连接端子与所述外部测量装置连接之后，将所述待测电学元件悬吊放置入所述测量腔室；通过所述半导体制冷片对所述测量腔室进行降温，同时，降温过程中产生的热量由所述半导体制冷片的冷端转移至热端，并由所述散热器散出；设置在测量腔室侧壁的温度传感器以及设置在测量腔室上盖的温度传感器分别检测所述测量腔室的温度，并传输给所述控制器；所述控制器基于预置温度算法和接收到的至少两个温度取值确定测量腔室的温度，并对所述半导体制冷片进行制冷温度的自动控制，以使得所述测量腔室达到所需目标温度；在所述目标温度到达时，所述控制器控制所述半导体制冷片自动保持当前测量腔室的温度，并开启所述外部测量装置对处于目标温度下的所述待测电学元件进行测量。

可选地，所述半导体制冷片为利用帕尔贴效应构成的制冷元件，且呈片状结构；其中，片状结构的一面为冷端，另一面为热端；在工作后，所述冷端的温度逐渐降低以实现制冷，所述热端的温度逐渐升高。

可选地，所述半导体制冷片的冷端和热端均设置有导热硅脂层。

可选地，所述散热器的换热面与所述半导体制冷片的热端连接；所述散热器的非换热面设置有进水口和出水口，通过水流进出所述散热器将热量散出。

可选地，所述吊架具体包括：外框架、夹持端子；或者，所述吊架具体包括：外框架以及作为夹持端子使用的所述电连接端子。

可选地，所述测量腔室的侧壁有第二通孔，设置在测量腔室侧壁的温度传感器的导线通过所述第二通孔与所述测量腔室外的控制器连接，其中，温度传感器和所述测量腔室间有用于绝热的塑料管相隔。

可选地，设置在测量腔室上盖的温度传感器的导线通过所述第一通孔与所述测量腔室外的控制器连接，其中，温度传感器和测量腔室间有用于绝热的塑料管相隔。

可选地，在与所述第二通孔相对的侧壁上还设置有第三通孔，设置在测量腔室侧壁的另一温度传感器与所述第二通孔处的温度传感器相对；所述另一温度传感器通过所述第三通孔与所述测量腔室外的控制器连接，其中，温度传感器和测量腔室间有用于绝热的塑料管相隔。

可选地，所述控制器与所述外部测量装置连接，以便于在根据所述至少两个温度传感器104a和104b的检测结果确定测量腔室达目标温度时，触发所述控制器控制所述外部测量装置进行电学参数低温特性的自动测量。

第二方面，提出了一种使用所述的装置进行电学参数低温特性测量方法，包括：

将待测电学元件悬吊于吊架之后，放置入测量腔室；

启动所述半导体制冷片对所述测量腔室进行降温，位于所述测量腔室内部的至少两个温度传感器检测测量腔室的温度，并将检测到的结果发送至控制器，以便于控制器基于预置温度算法和接收到的至少两个温度取值确定测量腔室的温度，并根据设置的目标温度对半导体制冷片进行温度控制；

同时，散热器将由所述半导体制冷片的冷端传递至热端的热量散出；

在检测所述测量腔室的温度达到目标温度时，所述控制器控制所述半导体制冷片自动保持当前测量腔室的温度，并开启所述外部测量装置对处于目标温度下的所述待测电学元件进行测量。

由以上本说明书一个或多个实施例提供的技术方案可见，使用半导体制冷片冷端对测量腔室进行制冷，并通过温度传感器和控制器，使用预置温度算法对测量腔室温度进行精准确定，以便于进行闭环控制，通过空气作为媒质对待测元件进行热交换以实现低温环境。待测电学元件通过内置吊架置入测量腔室，既能保证待测电学元件与电连接端子的电连接可靠性、待测电学元件与测量腔室的电绝缘性，又能避免待测电学元件与测量腔室内壁直接接触建立冷桥对测量结果产生影响。此外，测量腔室外有绝热外壁以保障恒温环境。半导体制冷片热端的热量通过与其热连接的散热器带走。而且，该装置在不同位置设置至少两个温度传感器，能有效规避制冷不均造成的温度梯度所导致的低温测量不准确。从而，提升低温测量的效率和准确性，以及安全性。而且，该装置具有价格低、整体小巧、噪音小、无振动、使用简单、易维护、无耗材、功耗小等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对一个或多个实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本说明书实施例提供的一种测量电学参数低温特性的装置的侧视剖面结构示意图。

图2是本说明书实施例提供的对测量腔室进行横向切割后的俯视图。

图3是本说明书实施例提供的半导体制冷片及散热器的局部示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的一个或多个实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。

首先，介绍本说明书实施例所涉及的测量电学参数低温特性的装置所检测的对象，至少可以包括以下元器件：

电阻、电容、电感、集成电路、传感器、液晶器件等。其中，各元器件的具体结构以及组成方式不限。

实施例一

参照图1所示，为本说明书实施例提供的一种测量电学参数低温特性的装置的侧视剖面结构示意图，所述装置100至少可以包括以下部件：

测量腔室101，位于所述测量腔室101底部的半导体制冷片102，与所述半导体制冷片102连接的散热器103，分别设置在所述测量腔室101侧壁和上盖的至少两个温度传感器104a和104b，以及控制器105、吊架106和外部测量装置107；其中，

应理解，所述测量腔室101的本体外壁包括上盖1011和侧壁1012，测量腔室101可以是空芯圆柱形或空芯方柱形。参照图2所示的俯视图所示，所述测量腔室101的本体外壁包裹有绝热层108，换言之，绝热层108包裹着上盖1011和侧壁1012。

可选地，所述测量腔室101的材质为具有高热传递效能的合金；具体可以采用铝合金材料制成测量腔室，从而可以有效保证热传递，同时具有易加工、不易锈蚀等优点。所述绝热层108的材质可以为聚乙烯发泡棉、EVA海绵等保温闭孔发泡材料，从而可以减少热传递(传导、对流、辐射)。

所述测量腔室101的上盖1011与所述吊架106连接，所述吊架106用于悬吊待测电学元件A；所述上盖1011和所述吊架106设置有共同的第一通孔H1，所述外部测量装置107的测量导线S通过所述第一通孔H1探出形成电连接端子d。

其实，在本说明书实施例中，所述吊架106可具体包括：外框架1061、夹持端子1062；或者，所述吊架106具体包括：外框架1061以及作为夹持端子使用的所述电连接端子。在实际的装置结构中，所述外框架1061比测量腔室101内腔略小，通过穿过第一通孔H1的测量导线S，一端连接电连接端子，另一端连接外部测量装置107。该说明书所涉方案中，吊架106可通过夹持端子1062夹持待测电学元件，使之利于以悬吊方式置入测量腔室101；同时，还可以提高电连接可靠性；避免待测电学元件A某些部分与测量腔室101内壁直接接触建立冷桥，造成待测电学元件各部分温度不一致；此外，还可以保证待测电学元件A与测量腔室101的电绝缘性。从而，提升测量准确性和测量效率。

应理解，在本说明书实施例中，所述吊架106的悬吊高度可以调节，以适应不同大小的待测电学元件进行悬吊测量。

可选地，在本说明书实施例中，所述吊架106为聚乳酸或ABS塑料经3D打印方式制造而成。从而，可以在尽可能紧凑合理的空间实现吊架的功能，避免传统机械制造方法中刀具尺寸、加工工艺等因素对零件结构的限制。其中，紧凑空间的优点是在相同制冷功率情况下可以更快达到目标温度，效率更高。

所述半导体制冷片102直接作为所述测量腔室101的底面，其中，所述半导体制冷片102的冷端1021面向所述测量腔室101，所述半导体制冷片102的热端1022背向所述测量腔室101，并且，所述热端1022与所述散热器103连接；所述控制器105的一端与所述半导体制冷片102连接，另一端与所述至少两个温度传感器104a和104b连接。

其实，设置在测量腔室101上盖的温度传感器104a的导线通过所述第一通孔H1与测量腔室101外的控制器105连接，温度传感器104a和测量腔室101间有用于绝热的塑料管或塑料膜(未在图中示出)相隔，以避免测量外壁温度而影响测量腔室101的实际温度，保证检测到的温度更为真实可靠。

所述测量腔室101侧壁还有第二通孔，设置在测量腔室侧壁的温度传感器104b的导线通过所述第二通孔H2与所述测量腔室101外的控制器105连接，温度传感器104b和测量腔室101间有用于绝热的塑料管或塑料膜相隔。具体设置时，也可以将绝热塑料管插入所述第二通孔H2，并探出检测部位；而温度传感器104b置于塑料管内腔，可以稍微外露以有效检测测量腔室101温度。从而，避免影响测量腔室温度的检测结果，提升测量准确性。

其实，为了保证待测电学元件所处低温环境的温度真实性，还可以根据需求在与所述第一通孔对称的侧壁位置处设置第三通孔，并安装第三个温度传感器，这样，可以有效避免温度梯度造成的低温测量不真实，提升测量准确性。

应理解，在本说明书实施例中，所涉及的通孔，都是仅穿过导线而使测量腔室内部形成封闭空间的。因此，通孔的大小需要根据导线的粗细设置。

具体地，参照图3所示，所述半导体制冷片102为利用帕尔贴效应构成的制冷元件，且呈片状结构；其中，片状结构的一面为冷端1021，另一面为热端1022；在工作后，所述冷端的温度逐渐降低以实现制冷，所述热端的温度逐渐升高。应理解，所述半导体制冷片102的冷端1021和热端1022均设置有导热硅脂层(图中未示出)。即在半导体制冷片102的片状结构的两面，均涂有导热硅脂以保证建立良好的热连接。

在所述待测电学元件A通过所述电连接端子与所述外部测量装置107连接之后，将所述待测电学元件A悬吊放置入所述测量腔室101；通过所述半导体制冷片102对所述测量腔室101进行降温，同时，降温过程中产生的热量由所述半导体制冷片102的冷端1021转移至热端1022，并由所述散热器103散出；设置在测量腔室101侧壁的温度传感器104b以及设置在测量腔室101上盖的温度传感器104b分别检测所述测量腔室101的温度，并传输给控制器105；这样，控制器105接收到至少两个温度取值，可以基于预置温度算法对这两个温度取值进行处理，具体可以采用加权平均算法或是其它可优化平均数的算法，确定测量腔室的温度作为最终检测温度。从而，可以有效解决当检测精度较高时，由于制冷不均而造成温度梯度所导致的测量不准确的问题。该装置可以从整体上提升低温环境的有效控制以及低温测量准确性。进一步，所述控制器105对所述半导体制冷片102进行制冷温度的自动控制，以使得所述测量腔室101达到所需目标温度；在所述目标温度到达时，所述控制器105控制所述半导体制冷片102自动保持当前测量腔室101的温度，并开启所述外部测量装置107对处于目标温度下的所述待测电学元件A进行测量。

仍参照图3所示，所述散热器103的换热面与所述半导体制冷片102的热端1022连接；所述散热器103的非换热面设置有进水口1和出水口2，通过水流进出所述散热器103将热量散出，防止过热影响制冷效果。其中，散热器103的材料一般为铝合金，形如盒状，其换热面涂抹导热硅脂以与半导体制冷片102热端连接。

其实，所述装置100还可以包括：与所述散热器103连接的散热风扇，辅助散热器103更有效的实现散热效果。同时，还包括与所述散热器103的进水口1和出水口2连接的水泵，以有效实现冷水供给以及热水的排放。

进一步，所述控制器105与所述外部测量装置107连接，以便于在根据所述至少两个温度传感器104a和104b的检测结果确定测量腔室达到目标温度时，触发所述控制器105控制所述外部测量装置107进行电学参数低温特性的自动测量。应理解，在进行电学参数低温特性的自动测量时，可以进行不止一项参数的测量，可以是多项参数的测量。因此，在涉及到多项电学参数低温特性测量时，应考虑手动触发外部测试装置107进行测试。当外部测量装置107不能满足所需测量需求时，可以考虑更换不同的外部测试装置。而当仅测量一项电学参数低温特性测量时，可以考虑使用控制器105进行触发的方式实现自动测量。从而，提升测量效率以及准确性，而且保证测量安全性。

应理解，图1所示的测量电学参数低温特性的装置100可视为一种简体结构，仅展示各部件之间的连接关系、位置关系；而具体的连接方式可以灵活设置。其中的导线连接不排除后续可以采用无线连接方式进行信号传输，在此不做详述。而且，该装置100可以基于包含的各部件进行更为紧凑合理的布局设计，经过适当封装处理形成一个完整的测量设备，以满足实际的低温环境测量需求。

实施例二

本说明书实施例还提供了一种使用上述实施例一所述装置进行电学参数低温特性测量的方法，可以包括：

将待测电学元件悬吊于吊架之后，放置入测量腔室；

启动所述半导体制冷片对所述测量腔室进行降温，位于所述测量腔室内部的至少两个温度传感器检测测量腔室的温度，并将检测到的结果发送至控制器，以便于控制器根据预置温度算法和接收到的至少两个温度取值确定测量腔室的温度，并根据设置的目标温度对半导体制冷片进行温度控制；

同时，散热器将由所述半导体制冷片的冷端传递至热端的热量散出；

在检测所述测量腔室的温度达到目标温度时，所述控制器控制所述半导体制冷片自动保持当前测量腔室的温度，并开启所述外部测量装置对处于目标温度下的所述待测电学元件进行测量。

本说明书实施例中的方案，使用半导体制冷片冷端对测量腔室进行制冷，并通过温度传感器和控制器对测量腔室温度进行闭环控制，通过空气作为媒质对待测元件进行热交换以实现低温环境。待测电学元件通过内置吊架置入测量腔室，既能保证待测电学元件与电连接端子的电连接可靠性、待测电学元件与测量腔室的电绝缘性，又能避免待测电学元件与测量腔室内壁直接接触建立冷桥对测量结果产生影响。此外，测量腔室外有绝热外壁以保障恒温环境。半导体制冷片热端的热量通过与其热连接的散热器带走。而且，该装置在不同位置设置至少两个温度传感器，能有效规避制冷不均造成的温度梯度所导致的低温测量不准确。从而，提升低温测量的效率和准确性，以及安全性。而且，该装置具有价格低、整体小巧、噪音小、无振动、使用简单、易维护、无耗材、功耗小等优点。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

Claims (10)

1.一种测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，包括：

测量腔室，位于所述测量腔室底部的半导体制冷片，与所述半导体制冷片连接的散热器，分别设置在所述测量腔室侧壁和上盖的至少两个温度传感器，以及控制器、吊架和外部测量装置；其中，

所述测量腔室的本体外壁包裹有绝热层，所述测量腔室的上盖与所述吊架连接，所述吊架用于悬吊待测电学元件；所述上盖和所述吊架设置有共同的第一通孔，所述外部测量装置的测量导线通过所述第一通孔探出形成电连接端子；

所述半导体制冷片直接作为所述测量腔室的底面，其中，所述半导体制冷片的冷端面向所述测量腔室，所述半导体制冷片的热端背向所述测量腔室，并且，所述热端与所述散热器连接；所述控制器的一端与所述半导体制冷片连接，另一端与所述至少两个温度传感器连接；

在所述待测电学元件通过所述电连接端子与所述外部测量装置连接之后，将所述待测电学元件悬吊放置入所述测量腔室；通过所述半导体制冷片对所述测量腔室进行降温，同时，降温过程中产生的热量由所述半导体制冷片的冷端转移至热端，并由所述散热器散出；设置在测量腔室侧壁的温度传感器以及设置在测量腔室上盖的温度传感器分别检测所述测量腔室的温度，并传输给所述控制器；所述控制器基于预置温度算法和接收到的至少两个温度取值确定测量腔室的温度，并对所述半导体制冷片进行制冷温度的自动控制，以使得所述测量腔室达到所需目标温度；在所述目标温度到达时，所述控制器控制所述半导体制冷片自动保持当前测量腔室的温度，并开启所述外部测量装置对处于目标温度下的所述待测电学元件进行测量。

2.如权利要求1所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，所述半导体制冷片为利用帕尔贴效应构成的制冷元件，且呈片状结构；其中，片状结构的一面为冷端，另一面为热端；在工作后，所述冷端的温度逐渐降低以实现制冷，所述热端的温度逐渐升高。

3.如权利要求2所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，所述半导体制冷片的冷端和热端均设置有导热硅脂层。

4.如权利要求1所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，所述散热器的换热面与所述半导体制冷片的热端连接；所述散热器的非换热面设置有进水口和出水口，通过水流进出所述散热器将热量散出。

5.如权利要求1所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，所述吊架具体包括：外框架、夹持端子；或者，所述吊架具体包括：外框架以及作为夹持端子使用的所述电连接端子。

6.如权利要求1所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，所述测量腔室的侧壁有第二通孔，设置在测量腔室侧壁的温度传感器的导线通过所述第二通孔与所述测量腔室外的控制器连接，其中，温度传感器和所述测量腔室间有用于绝热的塑料管相隔。

7.如权利要求1所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，设置在测量腔室上盖的温度传感器的导线通过所述第一通孔与所述测量腔室外的控制器连接，其中，温度传感器和测量腔室间有用于绝热的塑料管相隔。

8.如权利要求1-7任一项所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，在与所述第二通孔相对的侧壁上还设置有第三通孔，设置在测量腔室侧壁的另一温度传感器与所述第二通孔处的温度传感器相对；所述另一温度传感器通过所述第三通孔与所述测量腔室外的控制器连接，其中，温度传感器和测量腔室间有用于绝热的塑料管相隔。

9.如权利要求1所述的测量电学参数低温特性的装置，其特征在于，所述控制器与所述外部测量装置连接，以便于在根据所述至少两个温度传感器的检测结果确定测量腔室达到目标温度时，触发所述控制器控制所述外部测量装置进行电学参数低温特性的自动测量。

10.一种使用权利要求1-9任一项所述的装置进行电学参数低温特性测量方法，其特征在于，包括：

将待测电学元件悬吊于吊架之后，放置入测量腔室；

启动所述半导体制冷片对所述测量腔室进行降温，位于所述测量腔室内部的至少两个温度传感器检测测量腔室的温度，并将检测到的结果发送至控制器，以便于控制器基于预置温度算法和接收到的至少两个温度取值确定测量腔室的温度，并根据设置的目标温度对半导体制冷片进行温度控制；

同时，散热器将由所述半导体制冷片的冷端传递至热端的热量散出；

在检测所述测量腔室的温度达到目标温度时，所述控制器控制所述半导体制冷片自动保持当前测量腔室的温度，并开启所述外部测量装置对处于目标温度下的所述待测电学元件进行测量。

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