CN113933625B - 一种可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料性能测试技术领域，公开了一种可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统，该系统包括温度控制模块、测试腔体气氛控制模块、样品夹持模块、样品弯曲拉伸循环模块、电学性能采集模块、以及用于容纳待测试样品的测试腔体，其中样品夹持模块同时包括以下至少2组样品台，每1组样品台包括一对样品台用于配合夹持一类待测试样品，从而能够实现对至少2类待测试样品的测试。本发明通过对关键组件的结构、关键模块的内部构造及设置方式进行创新设计，并通过对各模块之间的工作配合方式进行创新改进，与现有技术相比可以有效解决多形态多种类样品的电学性能测试的问题，是一种通用、动静态结合、综合有效的测试系统。

Description

一种可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统
技术领域
本发明属于材料性能测试技术领域，更具体地，涉及一种可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统，该测试系统可以适用于多种形态的材料及器件电学性能（包括电压、电阻、电流以及电容等）在时间及温度维度的测试，具有广泛应用前景。
背景技术
在能源危机以及环境污染的大背景下，开发清洁新能源以及提高能源的有效利用率成为能源研究领域的两大热点。在此背景下，太阳能电池、热电材料、锂电池以及超级电容器等发电及储电材料与器件的研究日益广泛，因此，对于各种发电及储电材料与器件的电学性能测试就显得越发重要。当前测试技术条件下，大多数测试设备仅具有专用性与针对性，针对某一类材料及器件的测试；随着新能源技术的快速发展，一方面新能源材料与器件向多功能化方向发展，另一方面具有各种发电类型的发电、储电材料及器件日趋集成一体化，而且越来越多的新能源材料与器件朝着柔性的方向发展，因此一种对于各类型、多形态、柔性和刚性材料及器件通用的电学性能测试系统具有广泛的需求和重要的应用前景。
当下现有的材料及器件的测试系统，在实际应用中还存在许多不足：1）对于太阳能电池、锂电池以及超级电容器等，现有测试系统大多基于电化学工作站，对材料及器件的电压、电流、内阻及电容等电学信号进行测试，无法对材料和器件（特别是柔性器件）在实际应用状态下的老化、磨损、弯折等过程中的性能及稳定性进行动态测试，这是因为其需要的温度及动态条件无法建立；2）现有的柔性材料性能测试也是基于刚性的衬底或者夹具进行测试，无法准确反映材料柔性状态下的实际性能；3）无法实现柔性材料和器件样品在弯曲及拉伸动态条件下的电学性能测试；4）对于柔性及刚性样品的通用测试系统也是缺乏的，现有柔性测试装备和方法，也是采取刚性衬底或者夹具对柔性样品测试，无法反应柔性样品的真实性能。
现阶段来看，针对各类材料的电学及力学性能的测试系统，主要存在的问题是，功能单一，应用局限性大，无法对多形态材料在不同温度状态以及弯曲拉伸动态条件下进行电学性能表征，需要使用不同的设备进行分别测试，这极大的限制了开发材料效率的提高。而且，现有技术装备的功能专用性导致其商业效益有限，无法实现批量化的生产以及推广实用，因此，一个可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统具有广泛的应用场景以及商业潜力。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统，其中通过对关键组件的结构、关键模块的内部构造及设置方式进行创新设计，并通过对各模块之间的工作配合方式进行创新改进，与现有技术相比可以有效解决多形态多种类样品的电学性能测试的问题，是一种通用、动静态结合、综合有效的测试系统，并且该系统可以实现多次弯曲及拉伸循环的自动控制，在应用范围、测试效率方面更具优势，尤其是在柔性材料电学性能测试方面。本发明可以通过简单的样品台更换，对多形态、柔性或刚性的材料及器件进行电学性能的测试。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种电学性能测试系统，其特征在于，包括温度控制模块、测试腔体气氛控制模块、样品夹持模块、样品弯曲拉伸循环模块、电学性能采集模块、以及用于容纳待测试样品的测试腔体，其中，
所述样品夹持模块设置在测试平台上，同时包括至少2组样品台，每1组样品台包括一对样品台用于配合夹持一类待测试样品，不同类待测试样品之间形状和/或形态存在不同，从而使测试系统整体能够实现对至少2类待测试样品的测试；每一组样品台中的一对样品台分别用于夹持待测试样品的两端，且这一对样品台彼此相互对称；
所述温度控制模块用于控制样品台的温度、进而控制待测试样品的温度，具体包括加热控制电路以及加热元件陶瓷加热片，所述加热控制电路与所述陶瓷加热片通过真空电极相连接；
所述温度控制模块还包括水冷组件，该水冷组件用于对整个温度控制模块及与该温度控制模块相连的样品台进行水冷；具体包括用于容纳冷却水的水冷腔、以及用于控制所述水冷腔内冷却水流速的流量计；并且，所述水冷腔设置有顶部凹槽，该顶部凹槽用于容纳所述陶瓷加热片，从而使所述水冷腔与所述陶瓷加热片紧密接触；此外，所述陶瓷加热片还通过导热陶瓷盖板覆盖；所述陶瓷加热片、所述陶瓷盖板、所述水冷腔三者之间通过导热硅脂紧密接触，从而形成整体结构；
所述样品弯曲拉伸循环模块包括三维移动台和步进电机，该三维移动台的上表面与所述步进电机的步进电机工作平台上表面两者处于同一高度，平行对齐；所述步进电机通过电机调整板固定在测试平台上；所述温度控制模块中的所述陶瓷加热片及所述水冷组件通过固定板固定在所述三维移动台以及步进电机工作平台之上；所述样品夹持模块，通过滑槽固定在所述固定板以及步进电机平台上；所述三维移动台能够在不同方向调整样品台位置，以调整样品的状态；所述样品弯曲拉伸循环模块能够对样品实施多次弯曲或拉伸循环测试；
所述电学性能采集模块包括采集卡、热电偶以及信号探针，其中，所述热电偶以及所述信号探针集成在绝缘片上，所述热电偶用于设置在样品的两端；所述信号探针通过真空电极连接到所述采集卡，所述采集卡用于向外传输采集到的数据；
所述测试腔体气氛控制模块用于控制测试腔体内的气氛，具体包括设置于测试平台上的真空罩、以及能够对真空罩内气体抽真空的真空泵；所述真空罩与所述测试平台包围形成的空间即测试腔体，用于容纳待测试样品；所述真空罩上还设置有抽气口、进气口以及排气口；所述真空罩内预紧固有橡胶垫圈，当真空泵启动后，所述真空罩与橡胶垫圈将通过负压方式压紧在测试平台上；
此外，在所述测试平台的下方，还预留了拓展空间。
作为本发明的进一步优选，所述至少2组样品台具体为棒状样品台、薄膜及块状样品台、胶体样品台中的至少2种；
所述温度控制模块有2个，分别位于待测试样品的两端；相应的，所述温度控制模块以及与该温度控制模块相连的样品台两者之间的缝隙同样使用导热硅脂进行填充。
作为本发明的进一步优选，所述水冷腔中的冷却水能够先通过第一挡板使冷却水流经陶瓷加热片下方，然后转向，经过第二挡板抬升冷却水高度使其充满该水冷腔腔体，经出水口流出。
作为本发明的进一步优选，所述测试腔体气氛控制模块，既能够提供真空环境，又能够提供惰性气氛填充环境；
其中，所述真空环境的建立，具体是将所述真空罩通过卡扣与所述橡胶垫圈预压紧，当所述真空泵抽气时，通过外界大气压强能够使所述真空罩全面压紧，保证测试腔体内的真空氛围；
所述惰性气氛填充环境的建立，具体是先通过所述真空泵抽真空，再通过所述进气口向测试腔体输送惰性气体；
所述真空罩还具有钢化玻璃透视窗。
作为本发明的进一步优选，所述样品夹持模块中，任意一种所述样品台均是设置在带有导轨的导轨滑块上，能够横向移动。
作为本发明的进一步优选，所述样品弯曲拉伸循环模块中，所述三位移动台能够在空间X、Y、Z三个方向上定量调整移动距离；所述步进电机能够定量进行往返循环运动，从而对样品实施多次弯曲或拉伸循环测试。
作为本发明的进一步优选，所述电学性能采集模块能够单独采集或组合采集以下至少一种信号：温度信号、电压信号、电流信号。
作为本发明的进一步优选，所述热电偶为K型贴片热电偶。
作为本发明的进一步优选，位于测试平台之上的任意一个所述模块其电路部分均与真空电极相连，并且，与所述真空电极相连线路的线路电压均不高于人体安全电压36V。
作为本发明的进一步优选，所述陶瓷加热片由不高于人体安全电压36V的直流开关电源供电。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过设置至少2种样品台（如：棒状样品台、薄膜及块状样品台、胶体样品台中任意2种或全部3种；每1种样品台包括彼此相互对称的一对样品台），可对至少2类待测试样品进行电学性能测试（不同类待测试样品之间形状（如薄膜、棒状以及方体等）和/或形态（如柔性与刚性固态与半固态等）存在不同）；配合温度调控、气氛控制、样品弯曲拉伸调整等功能模块，使得该测试系统能够提供多样化的测试条件，满足各种测试需求。
本发明中的可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统，可以对多种形态多种类别的样品在不同温度状态下的电压、电阻、电流以及电容等电学性能参数的采集，其中样品可以是多种形状的、柔性的以及刚性的。本发明尤其适用于对包括柔性材料在内的多类不同材料进行性能测试，以柔性材料为例，利用本发明中的样品弯曲拉伸循环模块，可以对处于不同弯曲及拉伸的动态条件下的柔弹性样品进行性能测试。而对于刚性样品，只需要调整位置，使样品夹持模块与样品适配，即可进行后续的性能测试。
此外，本发明中的电学性能测试系统还预留了拓展空间，如此能够根据实际需要，拓展所需的电学性能测试辅助模块，即，在模块固定的基础上可进行针对性的补充设计，例如，可以通过拓展电阻箱、恒电位仪、直流电源以及光源等对热电材料及器件、锂电池、超级电容器以及太阳能电池等一些列发电储能器件进行电学性能的测试；又例如，可以与电化学工作站搭配使用，可以在不同的温度状态以及样品动态或静态状态下进行电学性能的测试。
本发明中的温度控制模块，可以具有两套加热水冷组件，并且是相互独立的，均可以单独控制样品一端的加热或者水冷动作。加热与水冷功能的独立性，可以实现样品的多种温度状态的建立。例如：（i）两端同时进行水冷动作，可以初始化样品两端温度，使其一致；（ii）一端水冷，另一端加热，可以保持样品两端稳定的温差；（iii）水冷与加热端交换，可以实现样品两端反向建立温差；（iv）两端同时升温，可以建立样品整体升温的温度状态。
温度控制模块包括PID、继电器等在内的加热控制电路以及加热元件陶瓷加热片。PID可以参照现有技术，选取支持多段温度曲线设置以及程控的PID，可以实现温度控制的功能拓展。基于本发明可以灵活主动地控制待测样品两端的温度，双PID（即，样品两端每一端均对应一个PID）、继电器在内的加热控制电路可以分别控制样品两端陶瓷加热片的加热动作，可以建立多样化的样品温度状态。
陶瓷加热片尤其可采用不高于人体安全电压36V的直流开关电源供电，根据对于升温速率不同的要求，进一步选择合适加热功率的陶瓷加热片。另外，水冷腔、陶瓷加热片、陶瓷盖板以及样品夹持模块之间缝隙均可以使用导热硅脂进行填充，提高热传导能力，能够提高样品温度状态建立的稳定性与均匀性。
本发明的重点及难点在于突破待测样品形状及形态的限制。由于当下学科的交叉发展，实验制备的样品形态形状变得多种多样，在测试设备的发展中，增强其普适性、提高用户体验一直是创新的重点。本发明通过将测试系统的各部分功能模块化、可替代化，打破了不同形状、形态样品测试的壁垒，方便材料样品或者器件原型以它本来面貌进行测试，更能反应其实际性能，如今诸多测试设备对于样品的形状形态及大小有着严格的限制，这是本发明相较于现有技术的重要改进。
此外，对于材料及器件的测试，还需要对其不同状态下的性能进行测试研究，而对于样品不同温度或者运动状态的建立是十分复杂的，而对于过程中的性能测试更是增加了测试设备开发的难度，对于这些固有的困难，本发明有以下创新突破点。第一，本发明将样品不同温度状态的控制系统模块化，与适用于不同形状形态的样品台进行配合，由于样品两端的温度控制系统是相互独立的，因此，实现了样品不同温度状态的建立，例如，待测样品两端，根据实际检测需要，可以一端是热端一端是冷端（冷热关系可以互换），也可以两端都是热端；第二，对于一些实际使用的材料或器件，需要模拟其实际运动或者损耗情况下的性能变化，本发明同样将样品弯曲拉伸循环功能模块化，实现了样品运动状态过程中的性能测试；第三，本发明还将温度控制模块以及样品夹持模块搭建在弯曲拉伸循环模块之上，实现了样品温度状态与运动状态的有机结合，从而可以测试更多状态下的样品性能，包括静态、动态以及样品的疲劳测试等。总之，本发明将各功能模块相对独立又有机的配合设计，大大拓展了本发明的应用范围及前景。
可见，本发明与现有技术相比，能够更加广泛有效的解决多形态材料及其器件的电学性能测试问题。综合来说，第一，本发明通过创新性以及多样性的夹具设置克服了测试样品种类单一的问题，可以测试多种形状（棒状、薄膜、块体）、大小以及形态（柔性/刚性、固态/半固态）的样品；第二，本发明对测试系统所需要的功能进行创新设计，使各部分模块化，实现了对于多种材料及器件测试的通用性；第三，本发明中，对温度控制模块、弯曲和拉伸模块以及信号采集模块进行创新型的结构设计并组合在一起，解决了柔性样品测试中存在的不足，可以定量模拟柔性样品在实际应用中的老化、弯折以及高温失效等状态下的动态性能测试；第四，本发明测试系统预留了拓展空间具有拓展性，例如，可以灵活增加电阻箱、直流电源等辅助测试配件，对样品进行多种状态下的输入输出测试。总之，本发明可以实现对多类型的柔性及刚性样品的通用测试，从而更好的结合传统研究方向与新兴研究方向，拓宽系统的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例整体轴测图。
图2是本发明测试平台俯视图。
图3是本发明为样品夹持模块、加热水冷组件、样品循环拉伸模块组合结构轴测图。
图4是本发明为样品夹持模块、加热水冷组件、样品循环拉伸模块组合结构正视图。
图5是本发明加热水冷组件结构示意图。
图6是本发明信号探针集成片轴测图。
图7是本发明实施例1测试结果；其中，图7中的(a)对应电压测试结果，图7中的(b)对应电流测试结果。
图8是本发明实施例2测试结果。
图9是本发明实施例3测试结果。
图中各附图标记的含义如下：
1为框架，2为框架前面板，3为钢化玻璃（即钢化玻璃透视窗），4为钢化玻璃挡圈，5为真空罩，7(a)为进水口，7(b)为出水口，8为框架侧方或者后方，9(a)为进气口，9(b)为抽气口，9(c)为出气口，10为电路开关，10(a)为总开关，10(b)为仪表电路开关，11为PID，11(a)为样品右端温度控制PID，11(b)样品左端温度控制PID，12为实时电压电流信号表，13为测试平台，14为真空电极，14(a)为电极法兰，14(b)为电极棒，15为拓展空间，16为电机调整板，17为步进电机，17(a)为步进电机工作平台，18为薄膜样品台，19为紧固微分头，20为棒状样品台，21为三维移动台，22为移动台上水冷加热组件固定板，23为聚四氟乙烯片（当然也可以采用由其它绝缘可机械加工的材料形成的绝缘片，如亚克力板等），23(a)为热电偶，23(b)为信号探针（如，电压信号探针、电流信号探针），24为加热水冷组件，24(a)为水冷腔，24(a)-1为第一挡板，24(a)-2为第二挡板，24(a)-3为水冷腔进水口，24(a)-4为水冷腔出水口，24(b)为水冷腔上盖板，24(c)为陶瓷加热片，24(d)为陶瓷盖板，25为步进电机平台上水冷加热组件固定板，26(a)为导轨，26(b)为导轨滑块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总的来说，本发明中可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统，包括温度控制模块、测试腔体气氛模块（也即，测试腔体气氛控制模块）、样品夹持模块、样品拉伸循环模块、电学性能采集模块及可拓展模块。
本发明中可拓展的通用型材料及器件电学性能测试系统是一种综合测试系统，通过设置棒状样品台20、薄膜及块状样品台18、胶体样品台中至少2种样品台，可对至少2种不同形态样品进行电学性能测试；配合温度调控、气氛控制、样品弯曲拉伸调整等，使得该测试系统能够提供多样化的测试条件，需要各种测试需求。另外，本发明中的电学性能测试系统，具有可拓展的特点，通过在测试平台以及下方框架1内预留了拓展空间15，可根据实际使用时样品类型以及测试需求，在所述拓展模块对测试系统功能进行拓展，如扩展电阻箱、直流电源、光源等电学性能测试辅助装置等。
温度控制模块可包括PID、加热片、热电偶等在内的整套系统以及水冷腔、流量计降温组件；气氛模块可包括真空泵、惰性气体输入输出端口（真空泵以及气氛输入模块均采用标准配件，方便连接气瓶以及真空泵）；样品夹持模块则包括针对不同形态样品（至少2种形态样品）适配的样品台；样品拉伸循环模块包括三维移动台及步进电机（尤其是程控步进电机）；电学性能采集模块包括采集卡（可配合计算机系统使用）；预留的可拓展模块拓宽了测试系统应用范围。
具体的，样品弯曲拉伸循环模块可包括三维移动台21、步进电机17以及控制所述步进电机运动的软硬件控制系统。步进电机17通过电机调整板16固定在测试平台13上；所述温度控制模块中的加热水冷组件24通过固定板22、25固定在三维移动台21以及步进电机17之上，通过螺栓紧固；所述样品夹持模块，通过所述滑槽固定在固定板22、25以及步进电机平台上；所述三维移动台21可以在不同方向调整样品台位置，从而达到最适合样品的状态；通过所述步进电机的软硬件控制系统，可以实现样品的多次弯曲或拉伸循环测试。对于样品弯曲拉伸循环模块，其中，三维移动台为一个整体组件，可以实现加热水冷组件以及样品夹持模块的整体的位置精细定量移动。
电学性能采集模块包括软硬件组件，其中，软件部分在计算机操作，硬件部分包括采集卡以及各处热电偶以及信号探针。所述样品两端热电偶23(a)以及信号探针23(b)集成在聚四氟乙烯片23上，通过微分头19紧固在样品上；信号探针通过所述真空电极14连接到所述采集卡，所述采集卡连接到计算机；所述软件部分可以设置信号的采集方式以及间隔时间等参数。也就是说，在保证相互绝缘的前提下将温度传感器热电偶23(a)、电压信号探针以及电流信号探针23(b)集成在一起。聚四氟乙烯片23对于探针的集成，可以使探针与样品两端方便可靠的连接在一起。
水冷腔24(a)，其具有独特的水流方向控制，进水口24(a)-3与出水口24(a)-4均在侧边同一高度，仍然能够满足腔体内充满水的水冷功能要求。如图5所示，首先通过第一挡板24(a)-1使冷却水流经陶瓷加热片下方，然后转向，经过第二挡板24(a)-2抬升冷却水高度使其充满腔体，经出水口24(a)-4流出。通过独特的挡板设计，可以使冷却水水路连接方便，又能保证其功能实现。另外，加热水冷组件24是由所述陶瓷加热片24(c)与所述陶瓷盖板24(d)及水冷腔24(a)之间通过导热硅脂均匀紧密接触，使三者组成一个整体，从而构成加热水冷组件。
温度控制模块的加热控制电路，可以是PID11、继电器等。相应的，PID11、继电器在内的加热控制电路，它们的功能也可多样化。例如，双PID11可以分别控制所述样品两端陶瓷加热片24(c)的加热动作，并且可以设置多段温度曲线以及升降温循环。所述两个水冷腔24(a)均通过特殊内部构造设计可以保证水冷的有效性。
本发明中温度控制模块，可优选为2组，分别设置在待测试样品的两端。两端加热水冷组件24是相对独立的，均可以单独控制一端的加热或者水冷动作。加热与水冷的分开设置，可以实现样品的多种温度状态的建立。其次，可以实现功能的多样化，例如：第一，通过两端水冷可以统一样品两端温度；第二，一端水冷，另一端加热，可以保持样品两端稳定的温差；第三，水冷与加热两端交换，可以实现样品两端反向建立温差；第四，两端同时升温，可以建立样品整体升温的温度状态。
腔体气氛控制模块，首先可以实现真空测试；其次，可以实现惰性气氛填充。真空罩5与橡胶垫圈首先通过机械方式预紧固，例如，所述真空罩5可以通过卡扣与橡胶垫圈预压紧，当所述真空泵抽气时，通过大气压强全面压紧，保证腔体内的真空氛围，真空氛围的设置可以使样品两端的温差建立更加稳定、精准。当样品需要惰性气体气氛时，首先通过所述真空泵9(b)抽真空，再打开进气口9(a)，当气压略高于大气压时，打开出气孔，可以实现腔体内的惰性气体气氛建立与稳定。且正面采用钢化玻璃3，提供样品状态的可视性。如图1所示，可以将抽气口9(b)与进气口9(a)集成在一起。
对于样品夹持模块，不同类别的样品台与导轨滑块26(b)的接口是相同的，可以通过螺栓或卡扣等便捷的更换，从而适应不同类型的样品。
另外，所述棒状样品台20，底座与压条均对样品形成弧形包裹，保证样品受热均匀性；所述薄膜及块状样品台18，采用平板接触样品，可以形成良好的接触及传热；所述胶体样品台，具有凹槽，适用于柔弹性胶体类样品。
而样品弯曲拉伸循环模块，可以通过程序控制步进电机17的往返运动，实现自动多次弯曲拉伸运动。
对于电学性能采集模块，温度、电压、电流信号既可以单独采集，也可以组合采集；可以在测试系统计算机上设置，信号采集时间间隔以及信号采集数量；此外，该电学性能采集模块可以与所述样品弯曲拉伸循环模块同时工作，对样品的温度、电压、电流等信号进行动态采集。
而探针集成聚四氟乙烯片23，在保证相互绝缘的前提下将温度传感器热电偶23(a)、电学信号探针23(b)探针集成在一起。其中温度传感器热电偶可采用K型贴片热电偶23(a)。
对于各模块电路与所述真空电极14相连部分，与所述真空电极14相连线路均为信号采集线、控制信号线、陶瓷加热片电源线，上述线路电压均不高于人体安全电压36V。其中，所述信号采集线包括：样品两端温度测量热电偶线23(a)、电流信号采集线以及电压信号采集线23(b)等；所述信号控制线包括：PID热电偶线、电机运动控制线；所述陶瓷加热片电源线均为36V以下直流电源供电，根据对测试系统不同的加热温度以及加热速率选择适配的直流电源以及陶瓷加热片。上述不同类别线路在真空电极14上均有自己独自的使用区域，所述信号采集线、信号控制线以及加热电源线互不干扰，保证测试结果的可靠性、稳定性以及准确性。上述设置使所述测试系统工作平台上方各带电部分均不高于人体安全电压36V。与真空电极相连部分电路、加热水冷组件、样品循环拉伸模块均位于所述测试系统平台13上方；所述其它部分电路及组件均位于所述测试系统工作平台下方的框架1内；所述PID11、实时电压电流信号表12以及电路开关10等，均位于所述框架前面板2上；电源、水路以及气路均有序的设置在框架侧方或者后方8。
对于各模块电路未与所述真空电极相连部分，各部件均集中按模块设置在测试系统工作平台13下方框架1内，按照模块功能分区布置。PID11及各电路开关10设置在所述框架前面板2上，电源、水路、气路均设置在框架侧方或后方8。
本发明通过采用功能模块化的设计。以上所述各模块，如，所述温度控制电路、弯曲拉伸循环模块控制硬件、拓展模块以及所述采集卡等电学性能采集模块硬件均集成在所述测试平台下方框架1内；其余所述模块集成在所述测试平台13上下两侧。
上述各模块功能的独立性、集成性；各模块之间可以联合使用，实现样品不同状态下的性能测试。本发明中所述的可拓展通用型材料及器件电学性能测试系统，可以使用各模块不同的功能搭配，从而将样品在不同的状态下测试其电学性能。
以下为具体实施例：
实施例1
本发明所述的可拓展通用型材料及器件电学性能测试系统，包含温度控制模块、测试腔体气氛模块、样品夹持模块、样品拉伸循环模块以及电学性能采集模块。
具体的：
所述温度控制模块包括加热水冷组件以及PID与继电器等组成的控制电路；
所述腔体气氛模块包括真空罩、橡胶垫圈等；
所述样品夹持模块包括U型导轨、薄膜样品台以及微分头顶杆；
所述样品拉伸循环模块包括三维移动台、步进电机以及该模块控制电路；
所述电学性能采集模块包括温度、电压、电流信号采集探针、采集卡，可配合计算机系统使用。
优选的：
所述电学性能采集模块中信号探针集成使用聚四氟乙烯或亚克力板材质设计加工；
所述水冷腔、测试平台相关配件以及下方框架均采用如图所示结构，采用不锈钢材质加工；
陶瓷盖板使用氧化铝等导热性高的陶瓷片；
温度探针，即热电偶，使用贴片热电偶或者精细热电偶，保证温度采集的准确性与敏感性；
所述真空罩使用不锈钢及钢化玻璃搭配设计，可以实时观测样品状态；
所述样品夹持模块中样品台使用薄膜样品夹持组件；
所述水冷腔连接自来水，流量300mL-1500mL/min调节；
所述各模块使用螺栓可靠的固定在测试平台以及下方框架内。
本实施例，通过以上结构及模块的组合对Bi0.5Sb1.5Te3热电薄膜材料电学性能进行测试，使用所述温度控制模块中的PID使温度线性升高，测试样品的开路电压以及短路电流；通过对采集卡的开关控制，可以对样品开路电压和短路电流单独采集或者交替采集，测试所得结果如图7所示。
实施例2
本发明所述的可拓展通用型材料及器件电学性能测试系统，包含温度控制模块、测试腔体气氛模块、样品夹持模块、样品拉伸循环模块以及电学性能采集模块。
具体的：
所述温度控制模块包括加热水冷组件以及PID与继电器等组成的控制电路；
所述腔体气氛模块包括真空罩、橡胶垫圈等；
所述样品夹持模块包括U型导轨、棒状样品台以及微分头顶杆；
所述样品拉伸循环模块包括三维移动台、步进电机以及该模块控制电路；
所述电学性能采集模块包括温度、电压、电流信号采集探针、采集卡以及计算机系统。
优选的：
所述电学性能采集模块中信号探针集成使用聚四氟乙烯或亚克力板材质设计加工；
所述水冷腔、测试平台相关配件以及下方框架均采用如图所示的结构，采用不锈钢材质加工；
所述陶瓷盖板使用氧化铝等导热性高的陶瓷片；
所述温度探针，即热电偶，使用贴片热电偶或者精细热电偶，保证温度采集的准确性与敏感性；
所述真空罩使用不锈钢及钢化玻璃搭配设计，可以实时观测样品状态；
所述样品夹持模块中样品台使用棒状样品夹持组件；
所述水冷腔连接自来水，流量300mL-1500mL/min调节；
所述各模块使用螺栓可靠的固定在测试平台以及下方框架内。
本实施例，通过以上结构及模块的组合对柔性胶管封装的K3Fe(CN)6/K4(CN)6氧化还原电对溶液电学性能进行测试，使用所述温度控制模块中的PID使温度阶梯升高，测试样品的开路电压以及短路电流；通过对采集卡的开关控制，可以对样品开路电压和短路电流单独采集或者交替采集，测试所得结果如图8所示。
实施例3
本发明所述的可拓展通用型材料及器件电学性能测试系统，包含温度控制模块、测试腔体气氛模块、样品夹持模块、样品拉伸循环模块以及电学性能采集模块。
具体的：
所述温度控制模块包括加热水冷组件以及PID与继电器等组成的控制电路；
所述腔体气氛模块包括真空罩、橡胶垫圈等；
所述样品夹持模块包括U型导轨、柔弹性胶体样品台以及微分头顶杆；
所述样品拉伸循环模块包括三维移动台、步进电机以及该模块控制电路；
所述电学性能采集模块包括温度、电压、电流信号采集探针、采集卡以及计算机系统。
优选的：
所述电学性能采集模块中信号探针集成使用聚四氟乙烯或亚克力板材质设计加工；
所述水冷腔、测试平台相关配件以及下方框架均采用如图所示的结构，采用不锈钢材质加工；
所述陶瓷盖板使用氧化铝等导热性高的陶瓷片；
所述温度探针，即热电偶，使用贴片热电偶或者精细热电偶，保证温度采集的准确性与敏感性；
所述真空罩使用不锈钢及钢化玻璃搭配设计，可以实时观测样品状态；
所述样品夹持模块中样品台使用柔弹性胶体样品夹持组件；
所述水冷腔连接自来水，流量300mL-1500mL/min调节；
所述各模块使用螺栓可靠的固定在测试平台以及下方框架内。
本实施例，通过以上结构及模块的组合对聚丙烯酰胺水凝胶材料电学性能进行测试，使用所述样品拉伸循环模块控制样品在不同拉伸比例下的电阻变化进行测试，测试所得结果如图9所示。
此外，根据不同的测试需求，本发明的电学性能采集模块可以选配采集卡或者高精度测试仪表进行各信号的采集。
上述实施例仅为示例，以其中的样品夹持模块为例，可根据特定的样品进行拓展，并不局限于上述模式的样品台。另外，电极跟采集卡可以根据同时测量样品的个数进行通道的拓展；待测材料或待测器件的两端，根据实际检测需要，可以一端是热端一端是冷端（冷热关系可以互换），也可以两端都是热端。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电学性能测试系统，其特征在于，包括温度控制模块、测试腔体气氛控制模块、样品夹持模块、样品弯曲拉伸循环模块、电学性能采集模块、以及用于容纳待测试样品的测试腔体，其中，
所述样品夹持模块设置在测试平台上，同时包括至少2组样品台，每1组样品台包括一对样品台用于配合夹持一类待测试样品，不同类待测试样品之间形状和/或形态存在不同，从而使测试系统整体能够实现对至少2类待测试样品的测试；每一组样品台中的一对样品台分别用于夹持待测试样品的两端，且这一对样品台彼此相互对称；
所述温度控制模块用于控制样品台的温度、进而控制待测试样品的温度，具体包括加热控制电路以及加热元件陶瓷加热片（24(c)），所述加热控制电路与所述陶瓷加热片（24(c)）通过真空电极（14）相连接；
所述温度控制模块还包括水冷组件，该水冷组件用于对整个温度控制模块及与该温度控制模块相连的样品台进行水冷；具体包括用于容纳冷却水的水冷腔（24(a)）、以及用于控制所述水冷腔（24(a)）内冷却水流速的流量计；并且，所述水冷腔（24(a)）设置有顶部凹槽，该顶部凹槽用于容纳所述陶瓷加热片（24(c)），从而使所述水冷腔（24(a)）与所述陶瓷加热片（24(c)）紧密接触；此外，所述陶瓷加热片（24(c)）还通过导热陶瓷盖板（24(d)）覆盖；所述陶瓷加热片（24(c)）、所述陶瓷盖板（24(d)）、所述水冷腔（24(a)）三者之间通过导热硅脂紧密接触，从而形成整体结构；
所述样品弯曲拉伸循环模块包括三维移动台（21）和步进电机（17），该三维移动台（21）的上表面与所述步进电机（17）的步进电机工作平台（17(a)）上表面两者处于同一高度，平行对齐；所述步进电机（17）通过丝杠与步进电机工作平台（17(a)）相连；所述三维移动台（21）能够在空间X、Y、Z三个方向上定量调整移动距离；所述步进电机（17）能够定量进行往返循环运动，从而对样品实施多次弯曲或拉伸循环测试；所述步进电机（17）通过电机调整板（16）固定在测试平台上；所述温度控制模块有2套，其中1套中的所述陶瓷加热片（24(c)）及所述水冷组件通过固定板（22）固定在所述三维移动台（21）之上，另1套中的所述陶瓷加热片（24(c)）及所述水冷组件通过固定板（25）固定在步进电机工作平台（17(a)）之上；所述样品夹持模块包括第一样品夹持子模块与第二样品夹持子模块，第一样品夹持子模块通过导轨固定在三维移动台（21）上的所述固定板（22）上，所述第二样品夹持子模块通过导轨固定在步进电机平台（17(a)）的固定板（25）上；所述三维移动台（21）能够在不同方向调整样品台位置，以调整样品的状态；所述样品弯曲拉伸循环模块能够对样品实施多次弯曲或拉伸循环测试；
所述电学性能采集模块包括采集卡、热电偶（23(a)）以及信号探针（23(b)），其中，所述热电偶（23(a)）以及所述信号探针（23(b)）集成在绝缘片上，所述热电偶（23(a)）用于设置在样品的两端；所述信号探针通过真空电极（14）连接到所述采集卡，所述采集卡用于向外传输采集到的数据；
所述测试腔体气氛控制模块用于控制测试腔体内的气氛，具体包括设置于测试平台上的真空罩（5）、以及能够对真空罩（5）内气体抽真空的真空泵；所述真空罩（5）与所述测试平台包围形成的空间即测试腔体，用于容纳待测试样品；所述真空罩（5）上还设置有抽气口（9(b)）、进气口（9(a)）以及排气口（9(c)）；所述真空罩（5）内预紧固有橡胶垫圈，当真空泵启动后，所述真空罩（5）与橡胶垫圈将通过负压方式压紧在测试平台上；
此外，在所述测试平台的下方，还预留了拓展空间；
其中，所述水冷腔（24(a)）呈长方体形，并设置有进水口（24(a)-3）与出水口（24(a)-4），所述进水口（24(a)-3）与所述出水口（24(a)-4）位于水冷腔同一侧壁上；第一挡板（24(a)-1）位于所述水冷腔（24(a)）内，且位于所述进水口（24(a)-3）与所述出水口（24(a)-4）之间；所述第一挡板（24(a)-1）相邻的2个侧边中，一个侧边与所述进水口（24(a)-3）、所述出水口（24(a)-4）所在的侧壁连接，另一个侧边与水冷腔底面相连；第二挡板（24(a)-2）同样位于所述水冷腔（24(a)）内，所述第二挡板（24(a)-2）相邻的2个侧边中，一个侧边与所述第一挡板（24(a)-1）相连，另一个侧边与水冷腔底面相连；所述水冷腔（24(a)）通过水冷腔上盖板（24(b)）封闭由此形成水流空间；所述水冷腔（24(a)）中的冷却水能够先通过第一挡板（24(a)-1）使冷却水流经陶瓷加热片（24(c)）下方，然后转向，经过第二挡板（24(a)-2）抬升冷却水高度使其充满该水冷腔（24(a)）腔体，经出水口（24(a)-4）流出。
2.如权利要求1所述测试系统，其特征在于，所述至少2组样品台具体为棒状样品台（20）、薄膜及块状样品台（18）、胶体样品台中的至少2种；
所述温度控制模块有2个，分别位于待测试样品的两端；相应的，所述温度控制模块以及与该温度控制模块相连的样品台两者之间的缝隙同样使用导热硅脂进行填充。
3.如权利要求1所述测试系统，其特征在于，所述测试腔体气氛控制模块，既能够提供真空环境，又能够提供惰性气氛填充环境；
其中，所述真空环境的建立，具体是将所述真空罩（5）通过卡扣与所述橡胶垫圈预压紧，当真空泵抽气时，通过外界大气压强能够使所述真空罩（5）全面压紧，保证测试腔体内的真空氛围；
所述惰性气氛填充环境的建立，具体是先通过所述真空泵抽真空，再通过所述进气口（9(a)）向测试腔体输送惰性气体；
所述真空罩（5）还具有钢化玻璃透视窗（3）。
4.如权利要求1所述测试系统，其特征在于，所述样品夹持模块中，任意一组所述样品台均是设置在带有导轨（26(a)）的导轨滑块（26(b)）上，能够横向移动。
5.如权利要求1所述测试系统，其特征在于，所述电学性能采集模块能够单独采集或组合采集以下至少一种信号：温度信号、电压信号、电流信号。
6.如权利要求1所述测试系统，其特征在于，所述热电偶（23(a)）为K型贴片热电偶。
7.如权利要求1-6任意一项所述测试系统，其特征在于，位于测试平台之上的任意一个所述模块其电路部分均与真空电极（14）相连，并且，与所述真空电极（14）相连线路的线路电压均不高于人体安全电压36V。
8.如权利要求1-6任意一项所述测试系统，其特征在于，所述陶瓷加热片（24(c)）由不高于人体安全电压36V的直流开关电源供电。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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