CN217404458U - 一种用于测试热电器件性能的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体器件的热电器件性能测试领域，具体涉及一种用于测试热电器件性能的装置。该装置包括：测试环境制造系统、插拔式样品台、温度探测系统、电信号探测系统和自动化测试软件。测试环境制造系统为待测样品营造一个高真空恒温的测试环境；插拔式样品台用于固定待测器件，与器件实现良好的热接触和电接触，并且安装于测试环境制造系统内；温度探测系统的探头固定在插拔式样品台和热电器件上，用于监控热电器件上面表面的温度变化；电信号探测系统与热电器件和负载进行连接，用于检测器件的相关电信号。该实用新型可以实现对热电器件的制冷和发电性能的多个参数进行测试计算，并采用真空和液氮/热电复合冷热台恒温的方法实现了更高精度、更大温区的性能测试，具有广泛的应用前景。

Description

一种用于测试热电器件性能的装置

技术领域：

本实用新型涉及半导体器件热电器件性能测试领域，具体涉及一种用于测试热电器件性能的装置。

背景技术：

在众多新能源技术中，热电转换技术因可以利用生活生产中的各种废热发电而备受关注。同时，以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能柔性微纳电子系统迫切需求开发微瓦-毫瓦级自供电技术，与一次和二次电池技术相结合，提高器件运行的稳定性和使用寿命。其中，热电材料器件可利用人体体温与周围环境的温差发电，成为便携式智能柔性电子器件自供电技术的有效解决方案。但是，诸如人体体表、电子元器件和芯片等分散式热源，其热源品质不高，且可利用尺寸均较小，因此对于热电技术的应用提出了微型化和高集成化的新要求。

另一方面，随着大数据、云计算、第5代移动通信、物联网以及人工智能等应用市场快速发展，汽车、能源、通信等垂直行业对光电子产品与服务的需求也必将进一步扩大，而光通讯激光器作为光纤传输模块的主要组件，其功耗和发热功率也随着传输速率的增加而不断提高。由于激光芯片发射的激光波长与工作温度成一定的线性关系，为了保障数据通讯的稳定性和高效性，需要保障激光波长在中心波长的±3.5nm的范围内工作，这就需要对其工作温度进行精确的控温，目前热电器件是唯一一种可以满足其需要，且可大规模产业化的控温模块。并且，目前的光通讯模块集成密度较高，体积较小，这就需要热电控温器件具有微型化，高效的特点。

在微型热电器件的基础研究方面，国内外水平存在较大差距，在5G光通讯领域应用的微型热电制冷器全部为从日本、俄罗斯和美国进口的。限制国内对微型热电制冷器件的研究开展的一个重要难点就是缺乏相应的模拟实际应用环境的测试仪器设施。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种用于测试热电器件性能的装置，利用上述装置可以对一些热电器件的制冷控温性能进行精确的测量，尤其是需要模拟实际应用场景，对于器件尺寸较小、测量精度较高、需要不同的测试环境、不同热负载情况的测试需求，本实验仪器可以准确、快速地获得其制冷控温性能。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

1、一种用于测试热电器件性能的装置，该装置包括：测试环境制造系统、插拔式样品台、温度探测系统、电信号探测系统和自动化测试软件，具体结构如下：

测试环境制造系统为待测样品营造一个高真空恒温的测试环境；插拔式样品台用于固定待测器件，使得待测器件实现与液氮/热电复合冷热台良好的热接触和电接触，并且安装于测试环境制造系统内；温度探测系统的探头固定在插拔式样品台和热电器件上，用于监控热电器件表面上的温度变化；电信号探测系统与热电器件和负载进行连接，用于检测器件的相关电信号，自动化测试软件与测试环境制造系统、温度探测系统、电信号探测系统相连，实现器件的自动化测试。

2、所述的一种用于测试热电器件性能的装置，测试环境制造系统包括：水冷腔体、冷水机、液氮/热电复合冷热台、PID温控仪、高真空泵组和气源。

3、所述的一种用于测试热电器件性能的装置，插拔式样品台包括：插拔式样品台主体、界面导热焊接涂层、热负载及温度探头模块。

4、所述的一种用于测试热电器件性能的装置，温度探测系统包括：外置显微热成像仪、高采样率温度显示仪表。

5、所述的一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，电信号探测系统包括：交流电阻仪、多通道高精度数控直流电源、高精度直流电流/电压监测仪、屏蔽信号电路。

6、所述的一种用于测试热电器件性能的装置，自动化测试软件与测试环境制造系统、温度探测系统、电性能探测系统相连，实现器件的自动化测试。可以实现抽真空和温度程序控制保温，监测记录热电偶和红外热像仪探测的器件温度，记录器件的变温电阻，和制冷电流电压数据。

7、所述一种用于测试热电器件性能的装置的温度探测系统，热负载及温度探头模块包括陶瓷电极板、温度探头、热负载，温度探头可以使用热电偶和热敏电阻，热负载采用金属电阻丝。

8、所述一种用于测试热电器件性能的装置的温度探测系统，其特征在，界面导热焊接涂层可以使用导热硅脂、导热银胶、金属锡及其合金、金属铟及其合金。

9、所述的一种用于测试热电器件性能的装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)将热电器件利用界面导热焊接涂层将其焊接在插拔式样品台上，并使用温度探头将其与测试电路进行连接。

(S2)将插拔式样品台固定到液氮/热电复合冷热台台上，实现良好的热接触。

(S3)将上表面温度探头固定在器件的上表面，并使用焊料将其与上表面金属化层进行固定，实现良好的热接触。

(S4)在自动化测试软件里设置好测试的温度点、电流参数范围、测试类型等，点击开始，软件会逐一的提升输入电流，并实时监测热电偶的温度，记录最大制冷电流、最大制冷温差和制冷功率的数值。

有益效果：

1.本使用新型研制的微型制冷器件测试平台即测试环境制造系统是基于实际应用场景，对其气氛环境、温度环境和负载条件进行全方位的模拟真实使役条件，获得更有价值的测试数据。

2.氮/热电复合冷热台，实现微型制冷器件测试对-60℃～150℃的温度环境的快速响应需要。

3.温度探头固定在器件的上表面，并使用焊料将其与上表面金属化层进行固定，实现良好的热接触可以实现在负载测试过程中，负载的精确测量和不同负载类型和区域的模拟。

4.插拔式样品台固定到液氮/热电复合冷热台台上，实现良好的热接触金属焊接的方式代替传统的硅脂等填充物的接触式传热，可以满足微型制冷芯片高功率密度的需求，保障其在极限测试过程冷面温度保持恒定。

5.采用水冷腔体，可以防止在长期测试过程中，因腔体升温热辐射增加，而导致待测样品负载发生变化，最终影响测量结果的准确性。

6.自动化测试软件实现对电输入、电信号和热信号的程控输入和采集。实现对微型制冷芯片的交流阻抗、Z值、制冷响应时间、制冷功率、最大制冷温差、最大制冷电流、最大制冷电压和能量转换效率等器件的全参数的测量。

附图说明

图1为本实用新型所做的实验装置组成示意图；

图2为本实用新型所做的实验装置结构示意图；

图3为热负载及热信号测量模块示意图；

附图说明：1、测试环境制造系统；2、插拔式样品台；3、温度探测系统；4、电信号探测系统；5、自动化测试软件；11、水冷腔体；12、冷水机；13、液氮/热电复合冷热台；14、PID温控仪；15、高真空泵组；16、气源；21、插拔式样品台主体；22、界面导热焊接涂层；23、热负载及温度探头模块；31、外置显微热成像仪；32、高采样率温度显示仪表；41、交流电阻仪；42、多通道高精度数控直流电源；43、高精度直流电流/电压监测仪；44、屏蔽信号电路；231、陶瓷电极板；232、温度探头；233、热负载。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明：

参照图1，一种用于测试热电器件性能的装置包括：测试环境制造系统1插拔式样品台2、温度探测系统3、电信号探测系统4和自动化测试软件5。

其中，测试环境制造系统1为待测样品营造一个高真空恒温的测试环境。具体的，水冷腔体11为样件提供恒温密闭的测试环境，通过与冷水机12相连实现腔体的恒温，通过与高真空泵组15相连实现高真空的测试环境，通过与气源16相连实现不同的测试气氛环境；液氮/热电复合冷热台13通过与PID温控仪14相连，实现微区-60℃到150℃的测试温度环境；插拔式样品台2包括：插拔式样品台主体21、界面导热焊接涂层22、热负载及温度探头模块23，其中，待测样品通过焊接涂层22连接到插拔式样品台主体21上，热负载及温度探头模块23 通过焊接涂层22连接到待测样品上端；温度探头232、热负载233粘连在陶瓷电极板231上表面，热负载233通过屏蔽信号电路44与多通道高精度数控直流电源42相连实现定量的热负载；外置显微热成像仪31置于水冷腔体11上方，通过观察窗实现对样品上表面温度分布情况的监测；高采样率温度显示仪表32与温度探头232通过屏蔽信号电路44相连，实现样品上表面的温度监测；交流电阻仪41、多通道高精度数控直流电源42和高精度直流电流/电压监测仪43通过屏蔽信号电路44与待测样品相连，实现样品的交流阻抗、热电优值(Z值)、制冷响应时间、最大制冷电流、最大制冷电压、最大制冷功率、功耗和能效比等电参数的测量。自动化测试软件5通过与高真空泵组15相连，控制腔体抽真空和监测记录真空度；通过与外置显微热成像仪31和高采样率温度显示仪表32相连，实现样品上表面温度分布情况的测量；通过与交流电阻仪41、多通道高精度数控直流电源42、高精度直流电流/电压监测仪43实现样品多项电性能的采集记录。

本实用新型工作原理和实现方法如下：

首先，本实用新型旨在开发一套模拟各种使役环境下的微型热电制冷器件的分析测试表征平台。具体需要从以下三个角度制作模拟环境：

(1)真空、干燥氮气和不同湿度环境三种测试环境即测试环境制造系统1，以满足微型制冷器件在实际应用场景中的不同封装方式；

(2)精确定量化的模拟热负载及温度探头模块23，以实现在不同负载条件下制冷芯片性能的测试分析；

(3)-60℃到150℃的液氮/热电复合冷热台13，以满足诸如航天航空领域的低温环境、光模块的变温环境等不同的应用需求；

其次，还需要在不同环境下实现制冷控温性能的多参数的测量，具体包括：交流阻抗、热电优值(Z值)、制冷响应时间、最大制冷电流、最大制冷电压、最大制冷温差、最大制冷功率、功耗和能效比等。所有需要集成开发相应的电激励输入、电信号测量的电信号探测系统4 和热信号测量的温度探测系统3。

以下通过实施例进一步解释或说明本实用新型内容。

实施例1测试型号TEM-030410-01M微型器件的真空、0.1W负载、25℃下制冷控温性能；

如图1所示，测试所用装置如前所述。

测试方法：参照图1，将样品通过界面导热焊接涂层22固定在插拔式样品台主体21上表面，在将热负载及温度探头23通过界面导热焊接涂层22固定在样品的上表面。盖上水冷腔体 11的顶盖，打开冷水机12，接通高真空泵组15的电源。打开自动化测试软件5，设置热负载为0.1W，设定测试环境为真空，测试温度为25℃，按下开始按钮，软件会检测真空度低于10-3Pa 后，开始加热或制冷，待液氮/热电复合冷热台13温度到设定温度，开始测试。最后会将测试的结果显示在软件的界面，并可以支持数据的导出。

实施例结果表明，本实用新型提供的装置可以对一些热电器件的制冷控温性能进行精确的测量，尤其是需要模拟实际应用场景，对于器件尺寸较小、测量精度较高、需要不同的测试环境、不同热负载情况的测试需求，本实验仪器可以准确、快速地获得其制冷控温性能。对研究人员研究微型热电制冷控温器件有极大的促进作用。

Claims (8)

1.一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，该装置主要包括：测试环境制造系统(1)、插拔式样品台(2)、温度探测系统(3)、电信号探测系统(4)和自动化测试软件(5)，具体结构如下：

测试环境制造系统(1)为待测样品营造一个高真空恒温的测试环境；插拔式样品台(2)用于固定待测器件，使得待测器件实现与液氮/热电复合冷热台(13)良好的热接触和电接触，并且安装于测试环境制造系统(1)内；温度探测系统(3)的探头固定在插拔式样品台(2)和热电器件上，用于监控热电器件表面上的温度变化；电信号探测系统(4)与热电器件和负载进行连接，用于检测器件的相关电信号；自动化测试软件(5)与测试环境制造系统(1)、温度探测系统(3)、电信号探测系统(4)相连，实现器件的自动化测试。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，测试环境制造系统(1)包括：水冷腔体(11)、冷水机(12)、液氮/热电复合冷热台(13)、PID温控仪(14)、高真空泵组(15)和气源(16)。

3.根据权利要求1所述的一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，插拔式样品台(2)包括：插拔式样品台主体(21)、界面导热焊接涂层(22)、热负载及温度探头模块(23)。

4.根据权利要求1所述的一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，温度探测系统(3)包括：外置显微热成像仪(31)、高采样率温度显示仪表(32)。

5.根据权利要求1所述的一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，电信号探测系统(4)包括：交流电阻仪(41)、多通道高精度数控直流电源(42)、高精度直流电流/电压监测仪(43)、屏蔽信号电路(44)。

6.根据权利要求1所述的一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，自动化测试软件(5)与测试环境制造系统(1)、温度探测系统(3)、电信号探测系统(4)相连，实现器件的自动化测试，可以实现抽真空和温度程序控制保温，监测记录热电偶和红外热像仪探测的器件温度，记录器件的变温电阻，和制冷电流电压数据。

7.根据权利要求1或3所述一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，热负载及温度探头模块(23)包括陶瓷电极板(231)、温度探头(232)、热负载(233)；温度探头(232)可以使用热电偶和热敏电阻，热负载(233)采用金属电阻丝。

8.根据权利要求1或3所述一种用于测试热电器件性能的装置，其特征在于，界面导热焊接涂层(22)可以使用导热硅脂、导热银胶、金属锡及其合金、金属铟及其合金。

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