CN203858219U

CN203858219U - 一种温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置

Info

Publication number: CN203858219U
Application number: CN201420001968.1U
Authority: CN
Inventors: 胡志宇; 张自强; 曾志刚; 张向鹏; 杨晓云; 王志冲
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2024-01-02

Abstract

本实用新型公开了一种温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置。该装置采用可粗、细调的升降装置；四根探针固定在升降装置可移动部分；两条热电偶线固定在中间两根探针上；探针和热电偶连接到数据采集模块；采集模块连接计算机；载物台采用散热片；散热片上面有半导体制冷、加热片；散热片下面装有散热风扇；载物台上罩有金属屏蔽罩。电阻率测量是利用四线制法，测试精确。经过处理，热电偶测试的温度点和探针测试的电压点近同一点，减少了误差。此装置的制冷、加热用半导体制冷、加热片，温度均匀，且可测量变温塞贝克系数及电阻率。本装置操作简便，测试功能多，测试精度高，适合块状或薄膜材料塞贝克系数及电阻率的测量，且不破坏样品。

Description

一种温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置

技术领域

本实用新型属于温差电材料测试技术领域。具体涉及一种温差电材料塞贝克系数和电阻率的测量装置。

背景技术

温差电材料是一种能实现电能和热能相互转换的功能材料，在制冷、温差发电以及传感器等方面有着广泛的应用。温差电材料效率常用无量纲的热优值ZT来表征：ZT =S²σT /κ, 其中S为塞贝克系数，σ为电导率， κ为热导率，T 为绝对温度。因此，精确测量材料的塞贝克系数和电阻率对评估温差电材料的性能具有重要意义。

塞贝克系数测量方法常用两端温差法，根据公式S=ΔV/ΔT，其中S为塞贝克系数，ΔV为温差为ΔT两点处的电势差，测出材料某两端处温差ΔT以及对应的电势差ΔV，之后对所测点做线性拟合，由直线斜率便得到材料的塞贝克系数S。电阻率测量常采用四线制法，消除了线路电阻的影响，当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流I，另两条测试线测量未知电阻的电压降V，通过计算得出电阻值R= V/ I。

目前已有很多测试温差电材料电阻率和塞贝克的装置，但将二者结合起来测量的装置还不多，某些研究将二者结合一起，但是存在如下问题：1）塞贝克测试中，电压测试点和温度测试点不在同一点，存在很大的测量误差。2）将二者结合一起的电阻率测量中，常采用二线制而非四线制，造成了测量回路电阻的影响。3）将二者结合一起的测量装置中，很少能够单独控制探针高度，不易测量表面非平整材料。4）将二者结合一起的测量装置中，大都结构复杂，操作不易，且易造成材料的永久破坏。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种测量温差电材料塞贝克系数及电阻率的装置。该装置可以同时对一个温差电样品进行室温或变温塞贝克系数及电阻率的测量。此装置测量精度高，测试简单，且不会对材料进行破坏，可以测试表面非平整的材料。

为达到上述目的本实用新型的构思是：利用升降装置，将四根探针固定在升降装置可移动部分，四根探针与可移动部分之间靠弹簧连接，使得四根探针可独立升降，两条热电偶线固定在中间两根探针上，四根探针和两条热电偶线电气相连接到数据采集模块，数据采集模块再与计算机连接，利用计算机选择电阻率测量或塞贝克系数测量档位，并处理采集数据。载物台采用散热片，散热片上面固定半导体制冷、加热片，散热片下面装有散热风扇，载物台上罩有金属屏蔽罩屏蔽外界干扰信号，半导体制冷、加热片和散热风扇的控制电源电气连接至计算机。

根据上述实用新型构思，本实用新型采用下述技术方案：

一种温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，包括一个载物台和一个升降装置，其特征在于：有四根探针固定在升降装置可移动部分上；有两条热电偶线固定在中间两根探针上；所述四根探针和两条热电偶线经一个数据采集模块与计算机电连接；所述载物台有一个散热片；该散热片上面固定有半导体制冷、加热片；而散热片下面装有散热风扇；载物台上罩有金属屏蔽罩；半导体制冷、加热片和散热风扇经一个控制器连接计算机。

所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，其特征在于：所述升降装置具有粗调机构和细调机构，可精确调整定位可移动部分Z轴方向的位置。

所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，其特征在于：所述四根探针等距固定在升降装置可移动部分的下端。所述四根探针高度单独可调。

所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，其特征在于：所述四根探针分别固定在四根绝缘柱上，四只弹簧分别套到四根绝缘柱上，套有弹簧的绝缘柱分别穿过一块固定板的四个柱形孔中，四个弹簧顶端接触到固定板的下面部分，四根绝缘柱上、下部分分别装有螺帽，上部分四个螺帽接触到固定板的上面部分，下部分四个螺帽分别接触到四个弹簧底端，与上部分四个螺帽分别调节四根探针高度。

所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，其特征在于：所述两条热电偶线固定在中间两根探针上，该两条热电偶探头做成针尖状，分别与两根探针固定在一起，实现与样品的点接触。

所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，其特征在于：所述金属屏蔽罩上有一直径与升降装置可移动部分截面直径近似相同的孔。

所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，其特征在于：所述四根探针经一个数据采集模块与计算机电连接，探针连接至数据采集模块的电流源，探针连接至数据采集模块的电压采集端。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型采用了新的、简单的设计思路解决了现有温差电材料塞贝克系数及电导率测试装置存在的问题，采用经过特殊加工处理的热电偶与探针的结合，实现了温度和电势的近同一点的点测量，有效的避免了空间位置不同带来的测量误差。采用四根探针四线制测量电阻率，有效的避免了线路电阻引起的测量误差。四根探针均单独可升降，使得探针可以很好的与样品接触，可以测量表面非平整温差电材料。样品台采用半导体制冷、加热片实现对样品的制冷、加热功能，且可以进行变温测量。样品台上有一屏蔽罩，可以有效的屏蔽外界干扰信号，使得数据测量更精确。本装置结构简单，测试方便，可以同时精确的同时测量温差电材料的塞贝克系数及电阻率。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为测量探针固定的结构示意图；

图3为测量塞贝克系数的探针及热电偶的结构示意图；

图4为测试台的结构示意图；

图5室温下 Bi₂Te₃薄膜Seebeck系数测试的数据点和拟合曲线。

图6 变温Bi₂Te₃薄膜Seebeck系数测试的数据点和拟合曲线。

图7 室温Bi₂Te₃薄膜电导率测试结果曲线。

图8 变温Bi₂Te₃薄膜电导率测试结果曲线。

具体实施方式

本实用新型的优选实施例结合附图详细如下：

实施例一：

参见图1~图4，本温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，一种温差电材料塞贝克系数及电阻率的测试装置，包括一个载物台和一个升降装置（1），其特征在于：有四根探针（6a、6b、6c、6d）固定在升降装置（1）的可移动部分（4）上；有两条热电偶线（7a、7b）固定在中间两根探针（6b、6c）上；所述四根探针（6a、6b、6c、6d）和两条热电偶线（7a、7b）经一个数据采集模块（8）与计算机（9）电连接；所述载物台有一个散热片（12）；该散热片（12）上面固定有半导体制冷、加热片（11a、11b）；而散热片（12）下面装有散热风扇（13）；载物台上罩有金属屏蔽罩（15）；半导体制冷、加热片（11a、11b）和散热风扇（13）经一个控制器（10）连接计算机（9）。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述升降装置（1）具有可移动部分（4）Z轴方向的粗调机构（2）和细调机构。所述四根探针（6a、6b、6c、6d）等距固定在升降装置（1）可移动部分（4）的下端。所述四根探针具有（6a、6b、6c、6d）高度单独可调机构。所述四根探针（6a、6b、6c、6d）分别固定在四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上，四只弹簧（19a、19b、19c、19d）分别套到四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上，套有弹簧（19a、19b、19c、19d）的绝缘柱（18a、18b、18c、18d）分别穿过一块固定板（4c）的四个柱形孔（17a、17b、17c、17d）中，四个弹簧（19a、19b、19c、19d）顶端接触到固定板（4c）的下面部分，四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上、下部分分别装有螺帽（16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h），上部分四个螺帽（16a、16b、16c、16d）接触到固定板（4c）的上面部分，下部分四个螺帽（16e、16f、16g、16h）分别接触到四个弹簧（19a、19b、19c、19d）底端，与上部分四个螺帽（16a、16b、16c、16d）分别调节四根探针（6a、6b、6c、6d）高度。所述两条热电偶线（7a、7b）固定在中间两根探针（6b、6c）上，该两条热电偶（7a、7b）探头做成针尖状，分别与两根探针（6b、6c）固定在一起，实现与样品的点接触。所述金属屏蔽罩（15）上有一直径比升降装置（1）可移动部分（4）截面直径2~5mm的孔（14）。所述四根探针（6a、6b、6c、6d）经一个数据采集模块（8）与计算机（9）电连接，探针（6a、6d）连接至数据采集模块（8）的电流源，探针（6b、6c）连接至数据采集模块（8）的电压采集端。

实施例三：

本实施例给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本装置使用可以粗调和细调的升降装置（1），粗调（2）和细调（3）旋钮上有刻度，可以通过调节精确定位可升降部分（4）Z轴位置。四根探针（6a、6b、6c、6d）成一条直线均匀等间距固定在升降装置可移动部分（4），四根探针（6a、6b、6c、6d）和两条热电偶线（7a、7b）的连接到数据采集模块（8），此数据采集模块为Agilent 34902A模块，数据采集模块（8）与计算机（9）连接，利用计算机软件处理采集数据。

图2为装置的探针和热电偶的固定部分。四根探针（6a、6b、6c、6d）分别固定在四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上，四只弹簧（19a、19b、19c、19d）分别套到四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上，套有弹簧（19a、19b、19c、19d）的绝缘柱（18a、18b、18c、18d）分别穿过固定板（4c）的柱形孔（17a、17b、17c、17d）中，弹簧（19a、19b、19c、19d）顶端接触到固定板（4c）的下面部分，四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上、下部分装有螺帽（16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h），上部分螺帽（16a、16b、16c、16d）接触到固定板（4c）的上面部分，下部分螺帽（16e、16f、16g、16h）分别接触到弹簧（19a、19b、19c、19d）底端，与上部分螺帽（16a、16b、16c、16d）一起用来调节探针（6a、6b、6c、6d）高度，调节探针（6a、6b、6c、6d）可以单独进行调节。

图3 塞贝克系数测试探针的结构示意图。两条热电偶线（7a、7b）通过点焊机焊接起来，之后挑选出形状尺寸满足要求的接头，进行修剪处理成尖头状，然后粘合固定在中间两根探针（6b、6c）上，探针（6b、6c）针尖头与热电偶（7a、7b）探头组合成一整体尖状，实现与样品的点接触。

图4 为载物台结构示意图。载物台采用散热片热沉（12），散热片（12）上面利用导热胶固定半导体制冷、加热片（11a、11b），散热片（12）下面装有散热风扇（13），半导体制冷、加热片（11a、11b）根据输入电流方向不同表面制冷或产热，通过计算机（9）控制控制电源（10）调节半导体制冷、加热片（11a、11b）的电流来调节半导体制冷、加热片（11a、11b）表面的温度，且二者可以单独控制调节。采用散热风扇（13）减少了噪声信号的干扰。载物台上罩有金属屏蔽罩（15），减少了外界信号的干扰，金属屏蔽罩（15）上有一直径与可移动部分（4）截面直径近似相同的孔，使得可移动部分（4）可以恰好进入金属屏蔽罩（15）。

具体测试过程：

1. 室温附近测试N型Bi₂Te₃温差电薄膜材料的塞贝克系数

测试操作步骤：

1）将样品（直径>1cm）放于载物台的半导体制冷、加热片（11a、11b）表面，样品一端置于11a上，一端置于11b上，盖上屏蔽罩（15）。

2）调节升降装置（1）的粗调（2）和细调（3）旋钮，使探针（6b、6c）针尖头与热电偶（7a、7b）探头接触到待测样品表面。

3）打开计算机（9），打开Agilent数据采集软件，根据所连接的数据采集模块通道，做好通道配置，打开热电偶（7a、7b）温度、二者温差，探针（6b、6c）塞贝克电势差，及其塞贝克系数显示界面。

4）打开控制电源（10），打开散热风扇（13）开关，对载物台散热。

5）手动或用计算机（9）自动调节半导体制冷、加热片（11a、11b）的电流来调节半导体制冷、加热片（11a、11b）表面的温度，以使样品表面建立温差，约5K。

6）点击数据采集软件开始按钮，进行数据采集，待热电偶（7a、7b）温度，探针（6b、6c）塞贝克电势差稳定后，缓慢降低半导体制冷、加热片（11a、11b）的电流，使得样品表面建立温差逐渐减少，直至趋于0。

7）点击数据采集软件停止按钮，保存数据。

8）关闭散热风扇（13）开关，关闭控制电源（10），关闭Agilent数据采集软件，关闭计算机（9）。

9）调节升降装置（1）的粗调（2）和细调（3）旋钮，使探针（6b、6c）针尖头与热电偶（7a、7b）探头远离待测样品表面。

10）取下屏蔽罩，取出所测样品。

11）对测得的塞贝克电势差以及对应的温度差的数据进行线性拟合，得到塞贝克系数。

2. 变温测试N型Bi₂Te₃温差电薄膜材料的塞贝克系数

测试操作步骤：

5）手动或用计算机（9）自动调节半导体制冷、加热片（11a、11b）的电流来调节半导体制冷、加热片（11a、11b）表面的温度，使二者温度接近所需温度，且使样品表面建立约5K温差。

6）点击数据采集软件开始按钮，进行数据采集，待热电偶（7a、7b）温度，探针（6b、6c）塞贝克电势差稳定后，缓慢调节半导体制冷、加热片（11a、11b）的电流，使得样品表面建立温差逐渐减少，直至趋于0。

7）点击数据采集软件停止按钮，保存数据。

8）缓慢降低半导体制冷、加热片（11a、11b）的电流，使其温度变为室温。

9）关闭散热风扇（13）开关，关闭控制电源（10），关闭Agilent数据采集软件，关闭计算机（9）。

10）调节升降装置（1）的粗调（2）和细调（3）旋钮，使探针（6b、6c）针尖头与热电偶（7a、7b）探头远离待测样品表面。

11）取下屏蔽罩，取出所测样品。

12）对测得的塞贝克电势差以及对应的温度差的数据进行线性拟合，得到塞贝克系数。

3. 室温附近测试N型Bi₂Te₃温差电薄膜材料的电阻率

测试操作步骤：

1）将样品（直径>1cm）放于载物台的半导体制冷、加热片（11a、11b）其中一个表面，盖上屏蔽罩（15）。

2）调节升降装置（1）的粗调（2）和细调（3）旋钮，使探针（6a、6b 6c、6d）针尖头与热电偶（7a、7b）探头接触到待测样品表面。

3）打开计算机（9），打开Agilent数据采集软件，根据所连接的数据采集模块通道，做好通道配置，打开热电偶（7a、7b）温度，电阻率显示界面。

4）点击数据采集软件开始按钮，进行数据采集，待热电偶（7a、7b）温度，电阻率读数稳定后，进行数据记录。

5）点击数据采集软件停止按钮，保存数据。

6）关闭散热风扇（13）开关，关闭控制电源（10），关闭Agilent数据采集软件，关闭计算机（9）。

7）调节升降装置（1）的粗调（2）和细调（3）旋钮，使探针（6a、6b、6c、6d）针尖头与热电偶（7a、7b）探头远离待测样品表面。

8）取下屏蔽罩，取出所测样品。

4. 变温测试N型Bi₂Te₃温差电薄膜材料的电阻率

测试操作步骤：

5）手动或用计算机（9）自动调节所放样品的半导体制冷、加热片（11a、11b）的电流来调节半导体制冷、加热片（11a、11b）表面的温度，使其接近所需温度。

6）点击数据采集软件开始按钮，进行数据采集，待热电偶（7a、7b）温度，电阻率读数稳定后，进行数据记录。

7）点击数据采集软件停止按钮，保存数据。

10）调节升降装置（1）的粗调（2）和细调（3）旋钮，使探针（6a、6b、6c、6d）针尖头与热电偶（7a、7b）探头远离待测样品表面。

11）取下屏蔽罩，取出所测样品。

Claims

1.一种温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，包括一个载物台和一个升降装置（1），其特征在于：有四根探针（6a、6b、6c、6d）固定在升降装置（1）的可移动部分（4）上；有两条热电偶线（7a、7b）固定在中间两根探针（6b、6c）上；所述四根探针（6a、6b、6c、6d）和两条热电偶线（7a、7b）经一个数据采集模块（8）与计算机（9）电连接；所述载物台有一个散热片（12）；该散热片（12）上面固定有半导体制冷、加热片（11a、11b）；而散热片（12）下面装有散热风扇（13）；载物台上罩有金属屏蔽罩（15）；半导体制冷、加热片（11a、11b）和散热风扇（13）经一个控制器（10）连接计算机（9）。

2.根据权利要求1所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，其特征在于：所述升降装置（1）具有可移动部分（4）Z轴方向的粗调机构（2）和细调机构。

3.根据权利要求1所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，其特征在于：所述四根探针（6a、6b、6c、6d）等距固定在升降装置（1）可移动部分（4）的下端；所述四根探针具有（6a、6b、6c、6d）高度单独可调机构。

4.根据权利要求1或3所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，其特征在于：所述四根探针（6a、6b、6c、6d）分别固定在四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上，四只弹簧（19a、19b、19c、19d）分别套到四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上，套有弹簧（19a、19b、19c、19d）的绝缘柱（18a、18b、18c、18d）分别穿过一块固定板（4c）的四个柱形孔（17a、17b、17c、17d）中，四个弹簧（19a、19b、19c、19d）顶端接触到固定板（4c）的下面部分，四根绝缘柱（18a、18b、18c、18d）上、下部分分别装有螺帽（16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h），上部分四个螺帽（16a、16b、16c、16d）接触到固定板（4c）的上面部分，下部分四个螺帽（16e、16f、16g、16h）分别接触到四个弹簧（19a、19b、19c、19d）底端，与上部分四个螺帽（16a、16b、16c、16d）分别调节四根探针（6a、6b、6c、6d）高度。

5.根据权利要求1所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，其特征在于：所述两条热电偶线（7a、7b）固定在中间两根探针（6b、6c）上，该两条热电偶（7a、7b）探头做成针尖状，分别与两根探针（6b、6c）固定在一起，实现与样品的点接触。

6.根据权利要求1所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，其特征在于：所述金属屏蔽罩（15）上有一直径比升降装置（1）可移动部分（4）截面直径2~5mm的孔（14）。

7.根据权利要求1所述温差电材料塞贝克系数及电阻率的测量装置，其特征在于：所述四根探针（6a、6b、6c、6d）经一个数据采集模块（8）与计算机（9）电连接，探针（6a、6d）连接至数据采集模块（8）的电流源，探针（6b、6c）连接至数据采集模块（8）的电压采集端。