CN219016496U - 一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体器件性能测试领域，具体为一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备。该装置包括：真空系统、加热系统、冷却系统、运动控制系统和测试系统。真空系统提供真空、惰性气氛、高压、低压等不同气氛条件。加热系统和冷却系统为柔性薄膜热电器件提供恒定平面温差，保证测试过程中柔性薄膜热电器件两端温差的稳定性和准确性。运动控制系统在测试过程中调节柔性薄膜热电器件的弯曲半径，模拟柔性薄膜热电器件在实际应用的场景，实现柔性薄膜器件在不同的弯曲状态下实际发电性能测试。该设备可以满足室温至400℃范围内，不同尺寸，不同弯曲情况下柔性薄膜热电器件发电性能的测试需求，在柔性薄膜热电性能测试领域具有广泛的应用前景。

Description

一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备

技术领域

本实用新型涉及半导体器件性能测试领域，具体为一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备。

背景技术

热电器件是一种新型环境友好型、绿色能量转化装置，能够直接实现热能和电能的相互转化，不会对环境产生任何污染。热电器件在工作状态下相对于传统热机没有传动装置，有着体积小、无噪音、使用寿命长、工作可靠性高等优点。基于其特性，热电器件在深空探测器放射性同位素电源、低品位工业废热回收、自供电可穿戴设备、微电子精确控温制冷等方面发挥着不可替代的作用。热电器件的发电性能是指，在热电器件两端存在温差时，热电材料中的载流子从高温端向低温段扩散，通过P、N型热电材料电串联、热并联组合成热电器件，使热电正负极两端产生电势差，进而实现热能与电能的直接转化。

以往对热电技术的研究大多集中在实现了高性能的块状器件上。然而，随着微集成技术和智能可穿戴技术的发展，热电器件趋向于小型化、柔性化和智能化，这是传统块状材料无法满足的。柔性热电器件具有更大的灵活性，能够适应不同的工作环境，满足非平面热源环境温差发电的实际应用需求。柔性热电器件能够适应人体不同的结构，利用人体的温度和外界的温差实现发电，其在智能可穿戴设备供电方面具有广阔的应用前景。相对传统块体热电器件的测试设备已经相当成熟，然而针对于柔性热电器件测试仪器并不完善。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，适用于室温至400℃的测试范围，适用于不同尺寸、不同弯曲情况下的柔性薄膜热电器件的发电性能精准测试，在柔性薄膜热电性能测试领域具有广泛的应用前景。

本实用新型提供一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，包括：真空系统、加热系统、冷却系统、运动控制系统和测试系统，所述真空系统包括保温真空腔和与保温真空腔连接的机械泵，保温真空腔设有进气管和出气管；所述加热系统包括温控仪和加热台，加热台设在保温真空腔内部与外部的温控仪电连接；所述冷却系统包括冷却台和冷却水箱，冷却台设在保温真空腔内部与外部的冷却水箱通过冷却水管连通；所述柔性薄膜热电器件的高温端通过夹具固定在加热台上，柔性薄膜热电器件的低温端通过夹具固定在冷却台上；所述运动控制系统包括位移台和计算机，冷却台安装在位移台上，位移台与保温真空腔外部的计算机相连接；所述测试系统包括精密直流电压表、精密直流电流表、两个测温元件和测温仪，两个测温元件分别贴附在柔性薄膜热电器件的高温端和低温端，并分别与测温仪连接，所述精密直流电压表两端连接到薄膜热电器件的正负极，所述的精密直流电流表与可变负载电阻串联后，两端连接到柔性薄膜热电器件的正负极。

在本实用新型的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备中，所述测试设备还设有电阻规和真空计，电阻规安装在真空腔上盖上，电阻规的一端和保温真空腔中的气体接触，另一端通过导线连接真空计。

在本实用新型的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备中，所述进气管上设有进气阀和流量计，出气管上设有排气阀。

在本实用新型的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备中，测试中通过计算机调整位移台在X、Y、Z三个方向的位置，以测试柔性薄膜热电器件弯曲状态的发电性能；位移定位精度为0.1μm，移动速度1mm/min～1000mm/min连续可调。

在本实用新型的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备中，所述测温元件为K型热电偶。

在本实用新型的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备中，所述保温真空腔上设有导线接口，以实现保温真空腔内、外器件的电连接。

在本实用新型的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备中，所述保温真空腔上设有玻璃观察窗。

本实用新型一种薄膜热电器件发电性能测试设备，至少具有以下有益效果如下：

本实用新型通过位移台调节柔性薄膜热电器件的弯曲状态，可以模拟柔性薄膜热电器件在不同弯曲服役条件下的发电性能。本实用新型利用真空系统、加热系统、冷却系统、全方位模拟真实服役条件，获得更有价值的测试数据。本实用新型在加热台和冷却台上分别有安装柔性薄膜热电器件的夹具，保证柔性薄膜热电器件弯曲状态下的结构稳定性和良好的热接触。

附图说明

图1为本实用新型的一种薄膜热电器件发电性能测试设备的搭建示意图；

图2为本实用新型一种实施例中保温真空腔及其内部的结构示意图；

图3为本实用新型一种实施例中柔性薄膜热电器件的安装示意图；

图4为本实用新型对某一柔性薄膜热电器件在低温端的温度为Tc2＝20℃，高温端的温度分别为Th2＝50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃时，柔性薄膜热电器件输出电压、输出功率和输出电流的关系图；

图5为本实用新型对某一柔性薄膜热电器件开路电压和温差对应的关系图；

附图标记：100-保温真空腔；101-第一导线接口1；102-第二导线接口；110-真空腔上盖；120-电阻规；121-真空计；130-机械泵接口；140-进气管；141-进气阀；150-排气管；151-排气阀；200-加热台；210-加热台夹具；300-冷却台；301-进水管；302-出水管；310-位移台；320-冷却台夹具；400-柔性薄膜热电器件；401-正极；402负极；410-第一K型热电偶；420-第二K型热电偶；430-电压表第一导线；440-电流表第一导线；450-电压表第二导线；460-电流表第二导线。

具体实施方式

如图1至3所示，本实用新型的一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，包括：真空系统、加热系统、冷却系统、运动控制系统和测试系统。所述真空系统包括保温真空腔100和与保温真空腔连接的机械泵，保温真空腔100设有进气管140和出气管150，机械泵用于排出保温真空腔100内部的空气。所述加热系统包括温控仪和加热台200，加热台200设在保温真空腔100内部与外部的温控仪电连接，通过温控仪来控制加热台的功率，为测试提供高温环境。所述冷却系统包括冷却台300和冷却水箱，冷却台300设在保温真空腔100内部与外部的冷却水箱通过冷却水管连通，冷却水管包括进水管301和出水管302，实现冷却水在冷却台300和冷却水箱间的循环流动，为测试提供低温环境，冷却水箱可以调控出水的温度。

所述柔性薄膜热电器件400的高温端通过加热台夹具210固定在加热台200上，低温端通过冷却台夹具320固定在在冷却台300上。所述运动控制系统包括位移台310和计算机，冷却台300安装在位移台310上，位移台310与保温真空腔100外部的计算机相连接。测试前可根据柔性薄膜热电器件400的尺寸手动调节位移台310，调整冷却台300和加热台200的距离，以适用于不同尺寸的柔性薄膜热电器件的测试要求。测试过程中，通过计算机控制位移台310移动，调节位移台X、Y、Z三个方向的位置，改变冷却台300和加热台200的距离，实现薄膜热电器件400不同的弯曲状态。所述测试系统包括精密直流电压表、精密直流电流表、两个测温元件和测温仪，两个测温元件分别贴附在薄膜热电器件400的高温端和低温端，并分别与测温仪连接，所述精密直流电压表两端连接到薄膜热电器件400的正负极，所述的精密直流电流表与可变负载电阻串联后，两端连接到薄膜热电器件400的正负极。

所述测试设备还设有电阻规120和真空计121，电阻规120安装在真空腔上盖110上，电阻规120的一端和保温真空腔100中气体接触，另一端通过导线连接真空计121，用于检测保温真空腔100内部压强。所述进气管140上设有进气阀141和流量计，流量计用于控制气体进入保温真空腔100内的速度，出气管150上设有排气阀151。所述测温元件为K型热电偶。所述保温真空腔100上设有导线接口，如图2中所示的第一导线接口101和第二导线接口102，以实现保温真空腔100内、外器件的电连接。

下面结合附图详细介绍一下本实用新型的一种薄膜热电器件发电性能测试设备的操作过程。

(1)当需要测试薄膜热电器件400时，根据薄膜热电器件400的构造尺寸，调节位移台310上的3个调节旋钮，可调节X、Y、Z三个方向的位移，改变冷却台310的位置。位置调整合适后，使用加热台夹具210将柔性薄膜热电器件400的高温端固定在加热台200上，使用冷却台夹具320将柔性薄膜热电器件400的低温端固定在冷却台300上。

(2)测温元件选取两个K型热电偶。将第一K型热电偶410一端贴附在薄膜热电器件400的高温端，将第二K型热电偶420一端贴附在薄膜热电器件400的低温端。分别用于检测薄膜热电器件400的高温端和低温端的温度。

(3)将精密直流电压表的电压表第一导线430连接到薄膜热电器件400的正极401，将精密直流电压表的电压表第二导线450连接到薄膜热电器件400的负极402。将精密直流电流表与可变负载电阻串联，电流表第一导线440连接到薄膜热电器件400的正极401，电流表第二导线460连接到薄膜热电器件400的负极402与精密直流电压表并联。

(4)开启冷却水箱，设置循环水温度为Tc1，冷却水箱通过进水管301和出水管302与冷却台300连接，用于保持冷却台300稳定处于低温状态。

(5)盖上真空腔上盖110，关闭进气阀141和排气阀151，将机械泵连接保温真空腔100的机械泵接口130。打开机械泵，排出保温真空腔100内部的空气。通过真空规120检测保温真空腔100内的气压，当腔内气压低于0.1pa后，关闭机械泵，打开进气阀141，从进气管140内通入惰性气体。当保温真空腔100内气压略大于大气压时打开排气阀151，通过排气管150排除腔内多余气体。

(6)通过调节流量计，控制惰性气体从进气管140以20sccm的速率进入保温真空腔100内，并从排气管150排出，避免空气进入腔内。

(7)开启温控仪，设置温控仪的加热温度为Th1，温控仪控制加热台200的功率来调节其温度。通过第一K型热电偶410检测热薄膜热电器件400高温端的温度。

(8)当保温真空腔100内温度相对稳定后，通过测温仪读取第一K型热电偶410检测的薄膜热电器件400的高温端的温度为Th2，同时读取第二K型热电偶420检测的薄膜热电器件400的低温端的温度为Tc2.

(9)先将可变负载电阻的电阻调节为0，通过精密直流电流表记录器件的短路电流为I0。

(10)不断改变可变负载电阻的电阻值，对应的通过精密直流电流表记录薄膜热电器件400的输出电流I1、I2、I3......，通过精密直流电压表记录薄膜热电器件400的输出电压V1、V2、V3......。

(10)通过读取的每个状态下薄膜热电器件400的输出电流和输出电压，计算出对应的薄膜热电器件400的输出功率。

(11)通过记录的薄膜热电器件400的输出电流和输出电压数据，拟合得到输出电流和输出电压的函数关系式。根据输出电流和输出电压的函数关系式，计算当I＝0A时，在薄膜热电器件400的高温端的温度为Th2，低温端的温度为Tc2，即温差为ΔT＝Th2-Tc2时的开路电压Vmax。

(12)通过调节温控仪，给薄膜热电器件400的高温端设置不同的温度，测出不同温差情况下的薄膜热电器件400的输出电压、输出功率和输出电流。

如图4所示，某薄膜热电器件400在低温端的温度为Tc2＝20℃，高温端的温度分别为Th2＝50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃时，薄膜热电器件400输出电压、输出功率和输出电流的关系图。

(13)计算出不同温差下的开路电压。

(14)通过不同温差对应的开路电压，得到其函数关系。通过开路电压相对于温差的斜率，得到热电器件的热电系数。

测试时，还可以通过计算机调节位移台X、Y、Z三个方向的位置，改变冷却台300和加热台200的距离，使柔性薄膜热电器件400达到目标弯曲状态，进而测试不同弯曲服役条件下的发电性能。

如图5所示为某一薄膜热电器件400的开路电压和温差对应的关系图。

本实用新型的一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备。其真空系统能够提供真空、惰性气氛、高压、低压等不同气氛条件。加热系统和冷却系统为柔性薄膜热电器件提供恒定平面温差，保证测试过程中柔性薄膜热电器件两端温差的稳定性和准确性。运动控制系统能够在测试过程中调节柔性薄膜热电器件的弯曲半径，模拟柔性薄膜热电器件在实际应用的场景，实现柔性薄膜器件在不同的弯曲状态下实际发电性能测试。该设备可以满足室温至400℃范围内，不同尺寸，不同弯曲情况下柔性薄膜热电器件发电性能的测试需求，在柔性薄膜热电性能测试领域具有广泛的应用前景。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型的思想，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，其特征在于，包括：真空系统、加热系统、冷却系统、运动控制系统和测试系统，所述真空系统包括保温真空腔和与保温真空腔连接的机械泵，保温真空腔设有进气管和出气管；所述加热系统包括温控仪和加热台，加热台设在保温真空腔内部与外部的温控仪电连接；所述冷却系统包括冷却台和冷却水箱，冷却台设在保温真空腔内部与外部的冷却水箱通过冷却水管连通；所述柔性薄膜热电器件的高温端通过夹具固定在加热台上，柔性薄膜热电器件的低温端通过夹具固定在冷却台上；所述运动控制系统包括位移台和计算机，冷却台安装在位移台上，位移台与保温真空腔外部的计算机相连接；所述测试系统包括精密直流电压表、精密直流电流表、两个测温元件和测温仪，两个测温元件分别贴附在柔性薄膜热电器件的高温端和低温端，并分别与测温仪连接，所述精密直流电压表两端连接到薄膜热电器件的正负极，所述的精密直流电流表与可变负载电阻串联后，两端连接到柔性薄膜热电器件的正负极。

2.如权利要求1所述的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，其特征在于，所述测试设备还设有电阻规和真空计，电阻规安装在真空腔上盖上，电阻规的一端和保温真空腔中的气体接触，另一端通过导线连接真空计。

3.如权利要求1所述的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，其特征在于，所述进气管上设有进气阀和流量计，出气管上设有排气阀。

4.如权利要求1所述的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，其特征在于，测试中通过计算机调整位移台在X、Y、Z三个方向的位置，以测试柔性薄膜热电器件弯曲状态的发电性能；位移定位精度为0.1μm，移动速度1mm/min～1000mm/min连续可调。

5.如权利要求1所述的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，其特征在于，所述测温元件为K型热电偶。

6.如权利要求1所述的柔性薄膜热电器件发电性能测试设备，其特征在于，所述保温真空腔上设有导线接口，以实现保温真空腔内、外器件的电连接。

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