CN205027820U - 一种用于测量热电块体元件电阻的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于测量热电块体元件电阻的系统，包括样品测试架、电源输出装置、电压测量装置及控制装置；所述热电块体元件放置于样品测试架上；所述电源输出装置通过所述样品测试架的两个导流电极与所述热电块体元件的两端面面接触；所述电压测量装置通过所述样品测试架的两个电压测量探针与所述热电块体元件的两端面点接触；所述控制装置控制所述电源输出装置使输出的电流通过所述两个导流电极均匀地流过所述热电块体元件，且控制所述电压测量装置通过所述两个电压测量探针测量所述热电块体元件的两端面的电压，并基于所述电流和所述电压计算所述热电块体元件的阻值。由此有利于提高器件制备的成品率并对规模化热电器件制备提供可靠保证。

Description

一种用于测量热电块体元件电阻的系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量热电块体元件电阻的系统。更具体的，涉及一种能够快速准确测量热电块体元件在室温条件下的电阻的系统。

背景技术

热电元件是半导体温差电转换中的核心元件，通常是由热电材料、阻挡层、过渡层及电极等组成的三明治结构，在工艺上，为了便于热电器件的制备通常采用在材料烧结过程中预先烧结阻挡层、过渡层及电极等方式。优异的热电元件不仅要求具有性能好的热电材料，还要具有良好的界面接触性能。然而，在烧结过程中由于各层之间的材料特性如不能理想匹配，就有可能在材料或者界面出现微裂纹，由此反映出来的现象是元件电阻比理论值增大很多。因此，为了研制合格的热电器件，必须对块体热电材料、热电元件的质量进行控制，通过准确地测量热电块体元件的阻值并与理论计算值进行比较来判断元件性能的优良，这是一种简单可靠的方法。

热电块体材料及其元器件的电阻很低，基本上都在毫欧级，进行电阻测量时应该把电压引线尽可能地连接到被测样品。

热电材料自身具有赛贝克和珀尔贴效应，对温度尤其敏感，而且测试电流会在材料的两端产生吸热或放热现象，在样品两端建立温差，由于温度变化产生的热电动势容易对测量结果造成误差。

基于以上的分析，显然，采用普通的二线法不能准确测量热电块体元件的电阻，并且通常所说的四探针法是用于测量非常薄的样品的电阻率，同样不适用于测量块体元件的电阻。

商用的ZEM系列和LINSEIS系列的赛贝克系数和电阻率测量装置适用于测量均质材料的电阻率，而对于热电块体元件的电阻测量而言，目前并无可行的商用技术方案。

实用新型内容

鉴于以上存在的问题，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于快速、准确、可靠地测量热电块体元件电阻的系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于测量热电块体元件电阻的系统，该系统包括样品测试架、电源输出装置、电压测量装置及控制装置；所述热电块体元件放置于样品测试架上；所述电源输出装置通过所述样品测试架的两个导流电极与所述热电块体元件的两端面面接触；所述电压测量装置通过所述样品测试架的两个电压测量探针与所述热电块体元件的两端面点接触；所述控制装置控制所述电源输出装置使输出的电流通过所述两个导流电极均匀地流过所述热电块体元件，且控制所述电压测量装置通过所述两个电压测量探针测量所述热电块体元件的两端面的电压，并基于所述电流和所述电压计算所述热电块体元件的阻值。

本实用新型基于改进的四端子测量电阻方法提供了一种用于测量热电块体元件电阻的系统，具体而言，控制装置用于控制电源输出装置输出正反向电流，同时触发电压测量装置采集相应正反向电压，经数据处理计算出样品的电阻值。之后可根据判定条件(例如将所测量的阻值与理论计算值进行比较)评价热电块体元件性能的优劣，借此能够快速选择出符合要求的元件用于制备热电器件。

优选地，所述样品测试架可包括电极支架、第一电极、第二电极；所述第一电极与第二电极位于所述电极支架的导向杆上，且所述第一电极与所述第二电极的中心在同一轴线上。

优选地，所述样品测试架还可具备样品支撑台，所述样品支撑台位于所述电极支架的基板上且位于所述第一电极与所述第二电极之间。所述样品支撑台可用于放置待测样品。更优选地，所述样品支撑台能根据样品的形状、尺寸更换。

优选地，所述电极支架为前后对称结构，可包括基板、第一侧板、第二侧板、导向杆及压缩弹簧；所述第一侧板和所述第二侧板垂直于所述基板，且相对设置在所述基板的两侧；所述导向杆横跨在所述第一侧板与所述第二侧板之间，所述压缩弹簧位于所述导向杆上。

优选地，所述第一电极可移动地位于所述电极支架上；所述第二电极固定在电极支架上。所述第一电极能够在电极支架上移动。由此，所述第一电极与所述第一侧板之间形成手动操作空间，以方便拉开并放入或取出样品；所述第二电极则可固定在电极支架上不动。

在本发明中，也可以是所述导向杆包括第一导向杆及第二导向杆，所述第一导向杆与所述第二导向杆平行且中心轴线在同一水平面上；所述压缩弹簧包括第一压缩弹簧和第二压缩弹簧，所述第一压缩弹簧、第二压缩弹簧分别位于所述第一导向杆及第二导向杆上。

优选地，所述第一电极和第二电极各自具备：导流电极、绝缘套、电压测量探针、电压测量探针过渡接头、电极座、电压测量引线端子、导流电极引线端子；所述导流电极各自的中心轴上有通孔，所述电压测量探针分别穿过所述通孔；所述绝缘套分别位于所述导流电极与各自侧的电压测量探针之间；所述电压测量探针过渡接头分别将各自侧的所述电压测量探针与各自侧的电压测量引线端子连接起来，同时将各自侧的所述电压测量探针分别固定在各自侧的电极座上；所述导流电极引线端子分别将各自侧的所述导流电极固定在各自侧的所述电极座上。

优选地，所述导流电极的材料的电阻率比所述热电块体元件的电阻率小1～2个数量级。

优选地，所述电压测量探针为弹簧探针。

优选地，所述绝缘套、所述电极座为电绝缘材料；所述电压测量探针过渡接头、所述电压测量引线端子和所述导流电极引线端子为金属导电材料。

例如在本发明中，可以是所述第一电极包括第一导流电极、第一绝缘套、第一电压测量探针、第一电压测量探针过渡接头、第一电极座、第一电压测量引线端子、第一导流电极引线端子；所述第一导流电极中心轴上有一通孔，刚好能够穿过第一电压测量探针；所述第一绝缘套位于所述第一导流电极与第一电压测量探针之间；所述第一电压测量探针过渡接头将所述第一电压测量探针与所述第一电压测量引线端子连接起来，同时将第一电压测量探针固定在第一电极座上；所述第一导流电极引线端子将第一导流电极固定在第一电极座上。优选地，所述第一电极座与所述第一侧板之间具有手动操作空间。所述第二电极包括第二导流电极、第二绝缘套、第二电压测量探针、第二电压测量探针过渡接头、第二电极座、第二电压测量引线端子、第二导流电极引线端子；所述第二导流电极中心轴上有一通孔，刚好能够穿过第二电压测量探针；所述第二绝缘套位于所述第二导流电极与第二电压测量探针之间；所述第二电压测量探针过渡接头将所述第二电压测量探针与所述第二电压测量引线端子连接起来，同时将第二电压测量探针固定在第二电极座上；所述第二导流电极引线端子将第二导流电极固定在第二电极座上。优选地，所述第二电极座固定在所述电极支架的第二侧板上不动。

优选地，所述第一导流电极与所述第二导流电极的材料的电阻率应小于热电块体元件的电阻率1～2个数量级。

优选地，所述第一电压测量探针和所述第二电压测量探针为弹簧探针。

优选地，所述第一绝缘套和所述第二绝缘套为电绝缘材料。

优选地，所述第一电极座和所述第二电极座为电绝缘材料。

优选地，所述第一电压测量探针过渡接头和所述第二电压测量探针过渡接头为金属材料。

优选地，所述第一电压测量引线端子和所述第二电压测量引线端子为金属材料。

优选地，所述第一导流电极引线端子和所述第二导流电极引线端子为金属材料。

通过以上技术方案，本实用新型能够准确地测量热电块体元件的阻值，通过与理论计算值进行比较判断元件性能的优良，可筛选出符合要求的元件用于制备热电器件，有利于提高器件制备的成品率，为热电器件制备的规模化提供可靠的保证。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是根据本实用新型一实施形态的用于测量热电块体元件电阻的系统中的电极支架的俯视图；

图2是根据本实用新型一实施形态的用于测量热电块体元件电阻的系统中的样品测试架的俯视图；

图3是图2所示的样品测试架的正面剖视图；

图4是一实施形态的热电块体元件三明治结构的截面图；

图5是根据本实用新型一实施形态的用于测量热电块体元件电阻的系统的连接示意图；

图6示出P型CoSb3元件电阻测量值；

图7示出N型CoSb3元件电阻测量值；

附图标记

1电极支架2基板

3A第一侧板3B第二侧板

4A第一压缩弹簧4B第二压缩弹簧

5A第一导向杆5B第二导向杆

6样品测试架7第一电极

8第二电极9样品支撑台

10A第一导流电极10B第二导流电极

11A第一绝缘套11B第二绝缘套

12A第一电压测量探针12B第二电压测量探针

13A第一电压测量探针过渡接头13B第二电压测量探针过渡接头

14A第一电极座14B第二电极座

15A第一电压测量引线端子15B第二电压测量引线端子

16A第一导流电极引线端子16B第二电流电极引线端子

17热电块体元件18过渡层

19阻挡层20热电材料

21金属化层22计算机

23数字多用表24数字源表。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

为了筛选出符合要求的用于制备热电器件的元件，从而提高器件制备的成品率，本实用新型提供了一种用于测量热电块体元件电阻的系统，图1至图3、图5示出了根据本实用新型一实施形态的用于测量热电块体元件电阻的系统，而图4示出了本实用新型的系统所适用的热电块体元件三明治结构的一实施形态。

如图1至图3、图5所示，该系统包括样品测试架6、电源输出装置(例如数字源表24)、电压测量装置(例如数字多用表23)及控制装置(例如计算机22)，所述热电块体元件17放置于样品测试架6上，所述电源输出装置通过所述样品测试架6的两个导流电极与所述热电块体元件17的端面进行面接触，使电流均匀地流过所述热电块体元件17，所述电压测量装置通过所述样品测试架6的两个电压测量探针与所述热电块体元件17的端面进行点接触并测量所述热电块体元件17两端面的电压，所述控制装置用于控制电源输出装置输出正反向电流，同时触发电压测量装置采集相应正反向电压，经数据处理计算出样品的电阻值。

在本实施形态中，样品测试架6可包括电极支架1、第一电极7、第二电极8及样品支撑台9。如图1至图3所示，所述第一电极7与第二电极8位于电极支架1的导向杆上，且所述第一电极7与第二电极8的中心在同一轴线上，所述第一电极7可以在电极支架1上移动，所述第二电极8固定在电极支架1上不动。所述样品支撑台9位于电极支架1上，且位于所述第一电极7与所述第二电极8之间。

在本实施形态中，电极支架1可包括基板2、第一侧板3A、第二侧板3B、第一压缩弹簧4A、第二压缩弹簧4B、第一导向杆5A及第二导向杆5B。如图1所示，所述第一侧板3A位于所述基板2的一侧(即、图1中的左侧部上)且垂直于所述基板2，所述第二侧板3B位于所述基板2的另一侧(即、图1中的右侧部上)且垂直于所述基板2。也就是说，所述第一侧板3A与所述第二侧板3B相对设置。此外，所述第一导向杆5A与第二导向杆5B横跨在所述第一侧板3A与第二侧板3B之间，且所述第一导向杆5A与第二导向杆5B平行且中心轴线在同一水平面上。所述第一压缩弹簧4A位于所述第一导向杆5A上，所述第二压缩弹簧4B位于所述第二导向杆5B上。另外，样品支撑台9位于所述电极支架1的基板2上，用于放置待测样品，测量时可以根据样品的形状尺寸更换。

图2和图3示出了本实施形态中的样品测试架6的示意图。如图2和图3所示，第一电极7可包括第一导流电极10A、第一绝缘套11A、第一电压测量探针12A、第一电压测量探针过渡接头13A、第一电极座14A、第一电压测量引线端子15A、第一导流电极引线端子16A。所述第一导流电极10A中心轴上有一通孔，刚好能够穿过第一电压测量探针12A，所述第一绝缘套11A位于所述第一导流电极10A与第一电压测量探针12A之间，以使所述第一电压测量探针12A与第一导流电极10A保持绝缘。所述第一电压测量探针过渡接头13A将所述第一电压测量探针12A与所述第一电压测量引线端子15A连接起来，同时将第一电压测量探针12A固定在第一电极座14A上。所述第一导流电极引线端子16A将第一导流电极10A固定在第一电极座14A上。所述第一电极座14A与第一侧板3A之间具有手动操作空间，方便拉开第一电极座14A并取出和放入待测样品。

又，第二电极8可包括第二导流电极10B、第二绝缘套11B、第二电压测量探针12B、第二电压测量探针过渡接头13B、第二电极座14B、第二电压测量引线端子15B、第二导流电极引线端子16B。所述第二导流电极10B中心轴上有一通孔，刚好能够穿过第二电压测量探针12B，所述第二绝缘套11B位于所述第二导流电极10B与第二电压测量探针12B之间，以使所述第二电压测量探针12B与第二导流电极10B保持绝缘。所述第二电压测量探针过渡接头13B将所述第二电压测量探针12B与所述第二电压测量引线端子15B连接起来，同时将第二电压测量探针12B固定在第二电极座14B上。所述第二导流电极引线端子16B将第二导流电极10B固定在第二电极座14B上。所述第二电极座14B固定在所述电极支架1的第二侧板3B上不动。

图4示出了一实施形态的热电块体元件17的结构，该热电块体元件17可包括过渡层18、阻挡层19、热电材料20及金属化层21，并且是通过快速等离子烧结或者热压烧结而成的三明治块体结构，然后通过切割等工艺形成所需要的规格尺寸。

图5示出了本实施形态的用于测量热电块体元件电阻的系统的连接示意图。如图5所示，作为电源输出装置的数字源表24通过第一电极7的第一导流电极引线端子16A、第一导流电极10A，和第二电极8的第二导流电极引线端子16B、第二导流电极10B分别连接至待测样品的两端面。而作为电压测量装置的数字多用表23通过第一电极7的第一电压测量引线端子15A、第一电压测量探针过渡接头13A、第一电压测量探针12A，和第二电极8的第二电压测量引线端子15B、第二电压测量探针过渡接头13B、第二电压测量探针12B连接到待测样品的两端面上。且数字源表24和数字多用表23通过GPIB电缆连接起来后通过GPIB转USB电缆连接至计算机22。其中，第一电极7的第一导流电极10A和第一电极8的第二导流电极10B与待测样品的两端面分别形成面接触，使电流均匀的流过所述热电块体元件17；而第一电极7的第一电压测量探针12A和第一电极8的第二电压测量探针12B与待测样品的两端面分别形成点接触，以测量所述热电块体元件17两端面的电压。

根据本发明，例如，所述控制装置用于控制所述电源输出装置输出一正向电流I，触发电压测量装置即电压测量探针采样热电块体元件两端的电压V+，然后迅速改变所述电源输出装置的极性，输出相同大小的反向电流，再次触发电压测量装置采样热电块体元件两端的电压V-，按照以下公式(1)计算出热电块体元件的一个电阻，通过多次测量求取平均值最终获得热电块体元件的电阻值：

$R=\frac{V_{+}-V_{-}}{2\×I}---\left(1\right).$

以下详细说明利用本实用新型提供的上述用于测量热电块体元件电阻的系统测量所选取的热电块体元件在室温下的电阻的具体测量方式。

本实施例中选取的热电块体元件17为采用热压烧结的CoSb3热电元件，含热端接头和冷端接头，其中P型元件为圆柱体，截面直径为φ5.60mm，元件长为16.26mm，N型元件为圆柱体，截面直径为φ4.78mm，元件长为16.06mm，左手向左拉第一电极座14A，右手用镊子夹住样品分别将P、N元件放置在样品测试架6的样品支撑台9上，设置测试输出电流为10mA，点击测量按钮，进行10次测量，并自动计算出平均值，如图6和图7所示，因此，确定P型元件的室温测量电阻为6.565毫欧，与理论计算电阻值6.453毫欧相差0.112毫欧，N型元件的室温测量电阻为4.665毫欧，与理论计算电阻值4.579毫欧相差0.086毫欧，误差均在3％以内，因为理论计算和实际测量均会产生误差，因此，判定此P、N元件均符合要求，可以用于器件制备。

在不脱离本实用新型的基本特征的宗旨下，本实用新型可体现为多种形式，因此本实用新型中的实施形态是用于说明而非限制，由于本实用新型的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，该系统包括样品测试架、电源输出装置、电压测量装置及控制装置；

所述热电块体元件放置于样品测试架上；

所述电源输出装置通过所述样品测试架的两个导流电极与所述热电块体元件的两端面面接触；

所述电压测量装置通过所述样品测试架的两个电压测量探针与所述热电块体元件的两端面点接触；

所述控制装置控制所述电源输出装置使输出的电流通过所述两个导流电极均匀地流过所述热电块体元件，且控制所述电压测量装置通过所述两个电压测量探针测量所述热电块体元件的两端面的电压，并基于所述电流和所述电压计算所述热电块体元件的阻值。

2.根据权利要求1所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述样品测试架包括电极支架、第一电极、第二电极；所述第一电极与第二电极位于所述电极支架的导向杆上，且所述第一电极与所述第二电极的中心在同一轴线上。

3.根据权利要求2所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述样品测试架还具备样品支撑台，所述样品支撑台位于所述电极支架的基板上且位于所述第一电极与所述第二电极之间。

4.根据权利要求2所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述电极支架包括基板、第一侧板、第二侧板、导向杆及压缩弹簧；所述第一侧板和所述第二侧板垂直于所述基板，且相对设置在所述基板的两侧；所述导向杆横跨在所述第一侧板与所述第二侧板之间，所述压缩弹簧位于所述导向杆上。

5.根据权利要求4所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述第一电极可移动地位于所述电极支架上；所述第二电极固定在电极支架上。

6.根据权利要求4所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述导向杆包括第一导向杆及第二导向杆，所述第一导向杆与所述第二导向杆平行且中心轴线在同一水平面上；所述压缩弹簧包括第一压缩弹簧和第二压缩弹簧，所述第一压缩弹簧、第二压缩弹簧分别位于所述第一导向杆及所述第二导向杆上。

7.根据权利要求2所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极各自具备：导流电极、绝缘套、电压测量探针、电压测量探针过渡接头、电极座、电压测量引线端子、导流电极引线端子；所述导流电极各自的中心轴上有通孔，所述电压测量探针分别穿过所述通孔；所述绝缘套分别位于所述导流电极与各自侧的电压测量探针之间；所述电压测量探针过渡接头分别将各自侧的所述电压测量探针与各自侧的电压测量引线端子连接起来，同时将各自侧的所述电压测量探针分别固定在各自侧的电极座上；所述导流电极引线端子分别将各自侧的所述导流电极固定在各自侧的所述电极座上。

8.根据权利要求7所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述导流电极的材料的电阻率比所述热电块体元件的电阻率小1~2个数量级。

9.根据权利要求7所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述电压测量探针为弹簧探针。

10.根据权利要求7所述的用于测量热电块体元件电阻的系统，其特征在于，所述绝缘套、所述电极座为电绝缘材料；所述电压测量探针过渡接头、所述电压测量引线端子和所述导流电极引线端子为金属导电材料。