DE102016223548B4 - Simultaneous precision method and device for measuring thermoelectric properties and contact resistance - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur simultanen Messung von thermoelektrischen Eigenschaften thermoelektrischer Materialien und Kontaktwiderständen umfassend:- einen ersten Block (2a) und einen hiervon verschiedenen zweiten Block (2b), die derart angeordnet sind, dass zwischen diese die zu analysierende Probe (1) eingebracht und über ein erstes Kontaktmaterial (3a) mit dem ersten Block (2a) und ein zweites Kontaktmaterial (3b) mit dem zweiten Block (2b) flächig in Kontakt gebracht werden kann,- wenigstens eine erste Sonde (4), ausgebildet als Thermoelement aus zwei dünnen Leitungen aus Thermoelement-Legierungen, jeweils auf dem ersten Block (2a) und dem zweiten Block (2b), über welche eine Temperaturdifferenz □T und eine elektrische Spannung V, welche zwischen den Blöcken (2a, 2b) auftritt, bestimmt werden kann,- eine Messanlage zur Bestimmung der von einem Leitungspaar der wenigstens einen ersten Sonde (4) gemessenen Werte der elektrischen Spannung V zwischen den Blöcken (2a, 2b) in hoher zeitlicher Auflösung,- wenigstens eine zweite Sonde jeweils auf dem ersten Block (2a) und dem zweiten Block (2b), ausgebildet als elektrische Zuleitung oder als Zuleitungspaar, über welche ein Gleichstrom durch die Probe oder ein Heizstrom zum Erwärmen eines der Blöcke in einen oder beide oder von einem oder beiden Blöcken (2a, 2b) oder durch einen oder beide Blöcke geleitet werden kann,- wenigstens zwei thermalisierbare Potentialsonden (6,7), welche in einem räumlichen Abstand I, gemessen längs der Stromflussrichtung durch die Probe, während der Messung mit der Probe in Kontakt gebracht werden können,- eine thermische Ankerung (8) umfassend ein erstes Temperaturreservoir (8a) und ein zweites Temperaturreservoir (8b), welche über eine wärmeleitende mechanische Führung (8c) thermisch miteinander verbunden sind, wobei die Potentialsonden (6, 7) mit der wärmeleitenden mechanischen Führung (8c) in thermischem Kontakt sind.Apparatus for the simultaneous measurement of thermoelectric properties of thermoelectric materials and contact resistors comprising: a first block (2a) and a second block (2b) different therefrom, arranged such that between them the sample (1) to be analyzed is introduced and via a first Contact material (3a) with the first block (2a) and a second contact material (3b) with the second block (2b) can be brought into surface contact, - at least one first probe (4) formed as a thermocouple of two thin lines of thermocouple Alloys, in each case on the first block (2a) and the second block (2b), via which a temperature difference □ T and an electrical voltage V which occurs between the blocks (2a, 2b) can be determined, - a measuring system for Determining the values of the electrical voltage V between the blocks (2a, 2b) measured by a line pair of the at least one first probe (4) in high temporal Resolution, at least one second probe on each of the first block (2a) and the second block (2b), designed as an electrical supply line or as a pair of leads, via which a direct current through the sample or a heating current for heating one of the blocks in one or both or from one or both blocks (2a, 2b) or through one or both blocks, - at least two thermalisable potential probes (6, 7), which are at a spatial distance I, measured along the direction of current flow through the sample, during the A thermal anchorage (8) comprising a first temperature reservoir (8a) and a second temperature reservoir (8b), which are thermally connected to one another via a thermally conductive mechanical guide (8c), wherein the potential probes ( 6, 7) with the thermally conductive mechanical guide (8c) are in thermal contact.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simultanmessung thermoelektrischer Eigenschaften an thermoelektrischen Materialien und des elektrischen und thermischen Kontaktwiderstandes sowie ein Verfahren zur simultanen Bestimmung dieser Eigenschaften mittels einer entsprechenden Vorrichtung.The present invention relates to a device for the simultaneous measurement of thermoelectric properties of thermoelectric materials and the electrical and thermal contact resistance and a method for the simultaneous determination of these properties by means of a corresponding device.
Aktuelle Anwendungen thermoelektrischer Materialien umfassen unter anderem den Einsatz von Thermogeneratoren (TEG) zur Wandlung der Abgaswärme im Automobil in nutzbare elektrische Leistung sowie zunehmend in der industriellen Abwärmenutzung, die Nutzung von TEG als autarke Energiequellen in Raumfahrt-Missionen in Radionuklid-Thermogeneratoren, als alternative biothermale Energiequellen in Herzschrittmachern sowie die elektrische Versorgung autarker Mikro-Sensoren und Aktoren durch sogenanntes Energy harvesting.Current applications of thermoelectric materials include the use of thermal generators (TEGs) to convert automotive exhaust heat into usable electric power, and increasingly in industrial waste heat utilization, the use of TEG as autonomous energy sources in space missions in radionuclide thermogenerators, as alternative biothermal Energy sources in pacemakers and the electrical supply of self-sufficient micro-sensors and actuators by so-called energy harvesting.
Die vollständige Charakterisierung thermoelektrischer Materialien erfordert die Messung mehrerer physikalischer Größen: Seebeck-Koeffizient, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit. Aus diesen wird die thermoelektrische Effektivität Z, die maßgebliche Gütekennziffer eines thermoelektrischen Materials, berechnet. Sie kann auch direkt über die Harman-Methode gemessen werden. Stand der Technik ist die Bestimmung der genannten Messgrößen in mehreren, typischerweise drei verschiedenen Messsystemen, wie beispielsweise von
Daraus resultiert die Notwendigkeit einer möglichst idealen, das heißt mechanisch stabilen und widerstandsfreien Kontaktierung der Probe im Probenhalter, jedoch erweist sich die Herstellung geeigneter Lote beziehungsweise Schutzschichten zur Kontaktierung praktisch als schwierig und aufwendig und damit als kritische Bedingung für präzise Messungen. Es ist bereits gelungen, für wenige wichtige exemplarische Materialien vielversprechende Kontaktierungsansätze zu entwickeln (siehe beispielsweise
Es besteht die realistische Erwartung, dass für wichtige Probenmaterialien Kontaktierungen mit sehr guten Eigenschaften gefunden werden können. Andererseits ist es auch wahrscheinlich, dass nicht für alle Zielsysteme die unverzichtbare mechanische Stabilität der Kontaktierung mit hinreichend niedrigem Kontaktwiderstand vereint werden kann. Dies ist auch für die typische Einsatzsituation eines Messsystems in der Materialentwicklung anzunehmen: Wenn ein neues Materialsystem untersucht werden soll, steht der Nutzer zunächst vor der Aufgabe, als Voraussetzung für die Simultanmessung eine Kontaktierung aufzubringen. Umfangreiche Versuche des Nutzers zur Kontaktoptimierung können dabei im üblichen Laborbetrieb nicht vorausgesetzt werden. In der Regel muss also von einer nicht vernachlässigbaren Störung des Messergebnisses durch den unbekannten thermischen und elektrischen Kontaktwiderstand ausgegangen werden. Zudem sind die mit wenigen Versuchen erreichbaren Kontaktierungen auch nicht gesichert stabil. Gegebenenfalls verändern sie sich im Verlauf der Messung durch thermomechanische Beanspruchung oder limitierte Temperaturbeständigkeit.There is a realistic expectation that contacts with very good properties can be found for important sample materials. On the other hand, it is also probable that the indispensable mechanical stability of the contact can not be combined with sufficiently low contact resistance for all target systems. This is also to be assumed for the typical application situation of a measuring system in material development: When a new material system is to be examined, the user first has to face the task of applying a contact as a prerequisite for the simultaneous measurement. Extensive attempts of the user to optimize the contact can not be assumed in the usual laboratory operation. As a rule, therefore, a non-negligible disturbance of the measurement result due to the unknown thermal and electrical contact resistance must be assumed. In addition, the achievable with a few attempts contacts are also not secure stable. If necessary, they change during the measurement due to thermo-mechanical stress or limited temperature resistance.
Bekannte Verfahren (wie beispielsweise Längenvariation, thermisches Potentiometer) zur Bestimmung des Kontaktwiderstandes kommen für eine Routinemessung nicht in Frage. Praktisch steht meist nur eine einzige Probe zur Verfügung, beziehungsweise identische Eigenschaften bei wiederholter Herstellung sind nicht gesichert. Die Probe soll für die Messung nicht verändert werden, sondern möglichst für Nachmessungen oder weitere Untersuchungen zur Verfügung stehen. Insbesondere werden problemlos lösbare Kontakte bevorzugt.Known methods (such as length variation, thermal potentiometer) for determining the contact resistance are out of the question for a routine measurement. In practice, usually only a single sample is available, or identical properties in repeated production are not guaranteed. The sample should not be changed for the measurement, but should be available for further measurements or further examinations. In particular, easily removable contacts are preferred.
Damit gibt es bisher kein Simultanverfahren zur Messung aller essentiellen thermoelektrischen Eigenschaften (Seebeck-Koeffizient, elektrische und thermische Leitfähigkeit), das nicht einer beträchtlichen Unsicherheit aufgrund des unbekannten Kontaktwiderstandes unterliegt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein entsprechendes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens bereit zu stellen.So far there is no simultaneous method for the measurement of all essential thermoelectric properties (Seebeck coefficient, electrical and thermal conductivity), which is not subject to considerable uncertainty due to the unknown contact resistance. The object of the present invention is to provide a corresponding method and a device for carrying out a corresponding method.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur simultanen Messung thermoelektrischer Eigenschaften thermoelektrischer Materialien und Kontaktwiderstände, umfassend:
- - einen ersten Block (
2a ) und einen hiervon verschiedenen zweiten Block (2b ), die derart angeordnet sind, dass zwischen diese die zu analysierende Probe (1 ) eingebracht und über ein erstes Kontaktmaterial (3a ) mit dem ersten Block (2a ) und ein zweites Kontaktmaterial (3b ) mit dem zweiten Block (2b ) flächig in Kontakt gebracht werden kann, - - wenigstens eine erste Sonde (
4 ), ausgebildet als Thermoelement aus zwei dünnen Leitungen aus Thermoelement-Legierungen, jeweils auf dem ersten Block (2a ) und dem zweiten Block (2b ), über welche eine Temperaturdifferenz □T und eine elektrische Spannung V, welche zwischen den Blöcken (2a ,2b ) auftreten, bestimmt werden können, - - eine Messanlage zur Bestimmung der von der wenigstens einen ersten Sonde (
4 ) gemessenen Werte in hoher zeitlicher Auflösung, - - wenigstens eine zweite Sonde jeweils auf dem ersten Block (
2a ) und dem zweiten Block (2b ), ausgebildet als elektrische Zuleitung oder Zuleitungspaar, über welche ein Gleichstrom durch die Probe oder ein Heizstrom zum Erwärmen eines der Blöcke in einen oder beide oder von einem oder beiden Blöcke (2a ,2b ) oder durch einen oder beide Blöcke geleitet werden kann, - - wenigstens zwei thermalisierbare Potentialsonden (6,7), welche in einem räumlichen Abstand IP, gemessen längs der Stromflussrichtung durch die Probe, während der Messung mit der Probe in Kontakt gebracht werden können,
- - eine thermische Ankerung (
8 ) umfassend ein erstes Temperaturreservoir (8a ) und ein zweites Temperaturreservoir (8b ), welche über eine wärmeleitende mechanische Führung (8c ) thermisch miteinander verbunden sind, wobei die Potentialsonden (6 ,7 ) mit der wärmeleitenden mechanischen Führung (8c ) in thermischem Kontakt sind.
- - a first block (
2a ) and a second block (2 B ) arranged such that between them the sample to be analyzed (1 ) and via a first contact material (3a ) with the first block (2a ) and a second contact material (3b ) with the second block (2 B ) can be brought into contact, - at least one first probe (
4 ) formed as a thermocouple of two thin lines of thermocouple alloys, each on the first block (2a ) and the second block (2 B ), over which a temperature difference □ T and an electrical voltage V, which between the blocks (2a .2 B ), can be determined - a measuring system for determining the at least one first probe (
4 ) measured values in high temporal resolution, - at least one second probe in each case on the first block (
2a ) and the second block (2 B ), formed as an electrical supply line or pair of leads, via which a direct current through the sample or a heating current for heating one of the blocks in one or both or of one or both blocks (2a .2 B ) or through one or both blocks, - at least two thermalisable potential probes (6, 7) which can be brought into contact with the sample at a spatial distance I P , measured along the direction of current flow through the sample, during the measurement,
- - a thermal anchorage (
8th ) comprising a first temperature reservoir (8a ) and a second temperature reservoir (8b ), which via a thermally conductive mechanical guide (8c ) are thermally connected to each other, wherein the potential probes (6 .7 ) with the heat-conducting mechanical guide (8c ) are in thermal contact.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die die simultane Bestimmung der wesentlichen Eigenschaften thermoelektrischer Materialien ermöglicht, umfasst somit einen ersten Block (
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur simultanen Bestimmung thermoelektrischer Eigenschaften einer Probe (
- a) in Kontakt bringen einer ersten Kontaktfläche der Probe (
1 ) über ein erstes Kontaktmaterial (3a ) mit einem ersten Block (2a ) und - b) in Kontakt bringen einer zweiten Kontaktfläche der Probe (
1 ) über ein zweites Kontaktmaterial (3b ) mit einem zweiten Block (2b ), wobei erster Block (2a ) und zweiter Block (2b ) ein Metall und/oder eine metallische Beschichtung aufweisen, wobei Metall und/oder metallische Beschichtung einen geringen Seebeck-Koeffizienten, typischerweise < 5 µV/K, aufweisen, - c) Aufbringen mindestens jeweils einer Sonde (
4 ), ausgebildet als Thermoelement aus zwei dünnen Leitungen aus Thermoelement-Legierungen, jeweils auf dem ersten Block (2a ) und auf dem zweiten Block (2b ), derart, dass sie über den jeweiligen Block (2a ,2b ) elektrisch leitend mit dem jeweiligen Kontaktmaterial (3a ,3b ) verbunden sind, - d) in Kontakt bringen von Potentialsonden (
6 ,7 ) mit der Probe (1 ), wobei der Abstand zwischen den Sonden IP beträgt und IP < l ist, wobei die Potentialsonden auf der Probe (1 ) und mindestens jeweils eine Leitung der Sonden auf den Blöcken (2a ,2b ) im Wesentlichen aus demselben Material bestehen und die Aufbringung derart erfolgt, dass während der nachfolgenden Messung kein elektrischer Strom und keine Wärme zu oder aus der Probe über die Sonden zu- oder abfließen kann, - e) Bestimmung des effektiven Abstandes der elektrischen Potentialsonden auf der Probe (
1 ), - f) Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit k und der thermoelektrischen Güte ZT der Probe (
1 ) - g) Bestimmung des Kontakt-Wärmewiderstandes RC th des Kontaktmaterials (
3a ,3b ) und - h) Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit.
- a) bringing into contact a first contact surface of the sample (
1 ) via a first contact material (3a ) with a first block (2a ) and - b) contacting a second contact surface of the sample (
1 ) via a second contact material (3b ) with a second block (2 B ), the first block (2a ) and second block (2 B ) have a metal and / or a metallic coating, wherein metal and / or metallic coating have a low Seebeck coefficient, typically <5 μV / K, - c) applying at least one probe each (
4 ) formed as a thermocouple of two thin lines of thermocouple alloys, each on the first block (2a ) and on the second block (2 B ), in such a way that they pass over the respective block (2a .2 B ) electrically conductive with the respective contact material (3a .3b ) are connected, - d) contacting potential probes (
6 .7 ) with the sample (1 ), where the distance between the probes is I P and I P <1, with the potential probes on the sample (1 ) and at least one line of the probes on the blocks (2a .2 B ) consist essentially of the same material and the application is carried out such that during the subsequent measurement no electrical current and no heat to or from the sample via the probes can flow in or out, - e) Determining the effective distance of the electric potential probes on the sample (
1 ) - f) determination of the thermal conductivity k and the thermoelectric quality ZT of the sample (
1 ) - g) determination of the contact thermal resistance R C th of the contact material (
3a .3b ) and - h) Determination of electrical conductivity.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Raumtemperatur (üblicherweise 20 °C bis 25 °C) durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Temperaturabhängigkeit des relativen oder absoluten Kontaktwärmewiderstands zu bestimmen, in dem man das erfindungsgemäße Verfahren bei Temperaturen von 4 K bis 1200 °C, bevorzugt von 80 K bis 600 °C, besonders bevorzugt von Raumtemperatur bis 300 °C, durchführt. Bevorzugt erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren bei Temperaturen von 4 K bis 1500 K, insbesondere von 80 K bis 900 K, bevorzugt von 300 K bis 600 K.The process according to the invention can be carried out at room temperature (usually 20 ° C. to 25 ° C.). However, it is also possible to determine the temperature dependence of the relative or absolute contact heat resistance, in which the inventive method at temperatures of 4 K to 1200 ° C, preferably from 80 K to 600 ° C, particularly preferably from room temperature to 300 ° C, performs. The process according to the invention preferably takes place at temperatures of from 4 K to 1500 K, in particular from 80 K to 900 K, preferably from 300 K to 600 K.
Im Weiteren werden beide Ausführungsformen erläutert, wobei Merkmale einer Ausführungsform auch mit Merkmalen der anderen Ausführungsform sowie alle Merkmale miteinander kombiniert werden können, soweit nicht explizit anders beschrieben.Hereinafter, both embodiments are explained, wherein features of one embodiment can also be combined with features of the other embodiment and all features with each other, unless explicitly described otherwise.
Erster Kontakt (
Kern der Erfindung ist somit ein thermoelektrisches Messverfahren zur simultanen Bestimmung aller essentiellen thermoelektrischen Materialeigenschaften mit erhöhter Genauigkeit durch integrierte Bestimmung und Korrektur der Messfehler, die durch einen nicht vernachlässigbaren elektrischen und thermischen Kontaktwiderstand hervorgerufen werden sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung. Durch Integration von zusätzlichen Potentialsonden in bekannte Messanordnungen, die bevorzugt über Federkraft gegen die Probe (
Mit der Verfügbarkeit der Korrektur hinsichtlich des Einflusses der Kontakte wird eine Messung an neuartigen und unbekannten Materialien bereits lohnend, wenn noch keine aufwendige Entwicklung einer guten Kontaktierung erfolgt ist. Dies ist typischerweise der Fall bei der Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien. Mit der Tolerierung auch mäßig guter Kontaktierungen, die oft mit akzeptablem Aufwand für ein neues Material gefunden werden können, ergibt sich für das Messverfahren eine nahezu universelle Eignung für eine Vielzahl von Materialklassen. Es wird für jede Messung nur eine einzige Probe benötigt, die einfach in die Messapparatur einzubauen ist und nach der Messung ohne mechanische Bearbeitung/Veränderung (über die Kontaktierung hinaus) für die weitere Untersuchung/Verwendung zur Verfügung steht.With the availability of the correction in terms of the influence of the contacts, a measurement of novel and unknown materials is already rewarding, if no costly development of a good contact has yet occurred. This is typically the case in the development of new thermoelectric materials. By tolerating even moderately good contacts, which can often be found with acceptable effort for a new material, results for the measurement a nearly universal suitability for a variety of material classes. Only one single sample is required for each measurement, which is easy to install in the measuring apparatus and is available for further investigation / use after the measurement without mechanical processing / alteration (beyond the contacting).
Bei der Probe handelt es sich um Material mit thermoelektrischen Eigenschaften. Somit ist grundsätzlich die Messung von Temperaturen und Spannungen, insbesondere von Thermospannungen, von Interesse. Um dies zu ermöglichen, weist sowohl der erste Block (
Bei der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, der thermoelektrischen Güte sowie des Kontaktwärmewiderstandes hat sich gezeigt, dass zeitlich hochauflösende Spannungsmessungen vorhanden sein müssen, um systemimmanente Fehler zu erkennen und diese korrigieren zu können. Daher umfasst die Vorrichtung erfindungsgemäß eine Messanordnung zur Bestimmung der mit dem Paar der wenigstens einen ersten Sonde (
Weiterhin weisen der erste (
Zur Einstellung einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Block (
Eine Temperierung des ersten und/oder des zweiten Blockes kann auch durch eine externe Heizvorrichtung erfolgen, welche in der Lage ist, den jeweiligen Block homogen zu erwärmen.A temperature control of the first and / or the second block can also be effected by an external heating device, which is able to heat the respective block homogeneously.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens zwei thermalisierbare Potentialsonden (
Die Potentialsonden stehen dabei in thermischem Kontakt mit einer Ankerung (
Weist die Vorrichtung eine externe Heizvorrichtung auf, so ist diese bevorzugt auch geeignet, nicht nur den ersten und/oder den zweiten Block (
Zur Bestimmung des effektiven Abstandes der elektrischen Potentialsonden muss zwischen dem ersten Block (
Bevorzugt umfasst die Probe (
Der erste Block (
Blöcke (
Insbesondere bevorzugt besitzen die Blöcke (
Metallische Materialien im Sinne der vorliegenden Erfindung sind solche Elemente, die sich im Periodensystem der Elemente links und unterhalb einer Trennungslinie zwischen Bor bis Astat befinden. Dabei sind auch Legierungen und innermetallische Phasen, welche insbesondere die vorgenannten Eigenschaften, nämlich geringen Seebeck-Koeffizienten, hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit, aufweisen, hiervon umfasst.Metallic materials in the sense of the present invention are those elements which are located in the periodic table of the elements on the left and below a dividing line between boron and astatine. In this case, alloys and intrametallic phases, which in particular the aforementioned properties, namely low Seebeck coefficient, high electrical conductivity and high thermal conductivity, comprise thereof.
Besonders geeignete und bevorzugte Materialien für Blöcke (
Das Kontaktmaterial (
Die Probe (
Bevorzugt ist das thermoelektrische Material der Probe (
Die elektrische Leitfähigkeit der Probe (
Durch Kombination der loffe-Methode und ihrer bekannten Varianten mit Potentialsonden, die insbesondere mittels mechanischer Federkraft an die Probe (
Der Einsatz von durch Federkraft auf die Probe aufgedrückten Spitzen als Potentialsonden (
Für die thermoelektrische Bestimmung der Sondenpositionen (6,7), die unter nicht-isothermen, aber stationären Bedingungen vorgenommen wird, werden die beidseitigen Reservoire der thermischen Ankerung (
Parallel zur Probe (
Während der Messungen zur elektrischen Leitfähigkeit spielen eventuell auftretende Offsets durch Thermospannungen keine störende Rolle, da die elektrischen Messungen üblicherweise als Wechselstrommessungen durchgeführt werden.During measurements for electrical conductivity, any offsets due to thermal voltages do not play a disturbing role, since the electrical measurements are usually carried out as alternating current measurements.
Die beiden Paare der Potentialsonden, die für diese Messungen in den Schritten c) und d) auf den ersten und zweiten Block (
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung des effektiven Abstandes der Potentialsonden (
Schritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst bevorzugt die folgenden Schritte:
- e1) Einstellen einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem ersten Block und dem zweiten Block,
- e2) Bestimmung der Thermospannung V1 zwischen dem ersten Block und dem zweiten Block mittels der auf den Blöcken jeweils aufgebrachten Sonden,
- e3) anschließend oder gleichzeitig mit e2) und unter denselben Temperaturbedingungen wie in Schritt e2), Bestimmung einer Thermospannung VP mittels der auf der Probe aufgebrachten elektrischen Potentialsonden, und
- e4) Bildung des Verhältnisses VP/V1 zu Bestimmung der effektiven Sondenposition.
- e1) setting a temperature difference ΔT between the first block and the second block,
- e2) Determining the thermal voltage V 1 between the first block and the second block by means of the probes applied to the blocks,
- e3) subsequently or simultaneously with e2) and under the same temperature conditions as in step e2), determination of a thermal voltage V P by means of the electric potential probes applied to the sample, and
- e4) Formation of the ratio V P / V 1 to determine the effective probe position.
Um die notwendigen Messungen durchzuführen, werden jeweils auf dem ersten (
Die Anordnung zur Bestimmung der effektiven Sondenposition entspricht im Prinzip einer typischen 4-Sonden-Anordnung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit in prismatischer Geometrie, wobei die elektrischen Sondenleitungen an der Probe weitgehend isotherm an die Kontaktstellen geführt werden. Eine Probe mit dem Seebeck-Koeffizienten S, mit dem elektrischen Widerstand R und dem Wärmeleitwert K wird durch metallische Kontaktierung, zum Beispiel durch Flüssigmetallkontakte, Löten, Hartlöten, Diffusionsschweißen oder ähnliches (Kontakte (
Die erfindungsgemäßen Bedingungen ermöglichen eine exakte Bestimmung des Teilerverhältnisses Vp/V1. Dieses kann sowohl zur korrekten Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit als auch zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstandes selbst verwendet werden.The conditions according to the invention enable an exact determination of the divider ratio V p / V 1 . This can be used both for the correct determination of the electrical conductivity and for measuring the electrical contact resistance itself.
Der Abstand zwischen den Potentialsonden auf der Probe (
Weist die Probe eine gerade prismatische Geometrie auf und ist an ihren Basisflächen vollflächig und homogen kontaktiert, das heißt bei Gültigkeit eines eindimensionalen Modells des Wärme und Stromflusses, entspricht das Verhältnis VP/V1 dem Längenverhältnis IP/l und dem effektiven Abstand der elektrischen Potentialsonden auf der Probe. Bevorzugt weist daher die Probe die Gestalt eines geraden Prismas auf. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst Schritt e4) Bildung des Verhältnisses VP/V1 und daraus des Längenverhältnisses IP/I, welches dem effektiven Abstand der elektrischen Potentialsonden auf der Probe entspricht.If the sample has a straight prismatic geometry and is contacted at its base surfaces over the entire surface and homogeneously, ie if a one-dimensional model of heat and current flow is valid, the ratio V P / V 1 corresponds to the aspect ratio I P / I and the effective distance of the electrical Potential probes on the sample. Preferably, therefore, the sample has the shape of a straight prism. In this preferred embodiment, step e4) comprises forming the ratio V P / V 1 and therefrom the aspect ratio I P / I, which corresponds to the effective distance of the electrical potential probes on the sample.
Die effektive Sondenposition im Sinne der vorliegenden Erfindung ist im eindimensionalen Fall die Ortskoordinate, bei der im durch die Messung ungestörten Potentialfeld der mit der Sonde gemessene Potentialwert real vorliegt; bei komplizierten Geometrien entspricht der effektiven Sondenposition eine meist gekrümmte Äquipotentialfläche.In the one-dimensional case, the effective probe position in the sense of the present invention is the location coordinate at which the potential value real measured by the probe is present in the potential field undisturbed by the measurement; For complicated geometries, the effective probe position corresponds to a mostly curved equipotential surface.
Auf der Probe (
Nach dem Anschluss der Sonden auf der Probe beziehungsweise den Blöcken wird eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem ersten Block und dem zweiten Block eingestellt. Hierfür wird der erste Block auf eine Temperatur T1 und der zweite Block auf eine Temperatur T2 gebracht, wobei T1 und T2 voneinander verschieden sind. Durch das Kontaktmaterial (
Zwischen den Sonden, die sich auf dem ersten beziehungsweise dem zweiten Block befinden, kann nun eine Thermospannung V1 bestimmt werden. Ebenfalls kann, möglichst gleichzeitig, jedoch unbedingt unter denselben Temperaturverhältnissen, eine Thermospannung VP mit den Sonden, die auf der Probe aufgebracht sind, bestimmt werden. Die Thermospannung V1 schließt dabei die gesamte Temperaturdifferenz über der Probe zwischen den beiden Kontaktstellen sowie auch die Eigenschaften des Kontaktmaterials sowie des Materials des ersten und zweiten Blockes mit ein, die jedoch entsprechend der gewählten Materialien der Anordnung nur einen vernachlässigbaren Beitrag zur Thermospannung leisten. Die Thermospannung VP ist nur von der Eigenschaft der Probe und der Temperaturdifferenz zwischen den effektiven Sondenpositionen abhängig.Between the probes, which are located on the first and the second block, a thermoelectric voltage V 1 can now be determined. Likewise, if possible simultaneously, but necessarily under the same temperature conditions, a thermal voltage V P can be determined with the probes which are applied to the sample. The thermoelectric voltage V 1 includes the total temperature difference across the sample between the two contact points as well as the properties of the contact material and the material of the first and second block, but make only a negligible contribution to the thermoelectric voltage according to the selected materials of the arrangement. The thermal voltage V P is only dependent on the property of the sample and the temperature difference between the effective probe positions.
Für eine präzise Messung der Leitfähigkeit, welche in Schritt h) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, ist - bei bekannter Geometrie der Probe - das korrekte potentiometrische Teilerverhältnis des von den Sonden eingeschlossenen Probenabschnittes maßgeblich, welches erfindungsgemäß ein Schritt e) bestimmt wird. Dieses ist durch die effektiven Potentialwerte an den Sonden bei Anlegen einer Einheitsspannung unter isothermen Verhältnissen bestimmt. Unter idealen Verhältnissen könnte theoretisch ihre exakte Positionsangabe auch auf diese Weise ermittelt werden. Das Anlegen einer definierten und bekannten Spannung über einer leitfähigen Probe (
Das Potentialfeld der Thermospannung (elektrische Spannung verbunden mit einer Temperaturdifferenz, hervorgerufen durch den Seebeck-Effekt) bildet sich in der Probe unabhängig vom elektrischen Kontaktwiderstand aus, da es elektrisch stromlos, allein durch Aufprägen der Temperaturdifferenz, generiert wird. Über Kontakt- und Blockmaterialien, die einen verschwindenden Seebeck-Koeffizienten zeigen, kann die Gesamt-Thermospannung über der Probe zwischen den Kontaktflächen, das heißt den Stromeintrittsorten der Leitfähigkeitsmessung störungsfrei gemessen werden; das Potentiometerverhältnis der Thermospannung liefert damit die exakten effektiven Sondenpositionen im Temperaturfeld.The potential field of the thermal voltage (electrical voltage associated with a temperature difference caused by the Seebeck effect) is formed in the sample, regardless of the electrical contact resistance, since it is generated electrically de-energized, solely by imposing the temperature difference. Via contact and block materials, which show a vanishing Seebeck coefficient, the total thermal voltage across the sample can be measured without interference between the contact surfaces, ie the current entry locations of the conductivity measurement; the potentiometer ratio of the thermoelectric voltage thus provides the exact effective probe positions in the temperature field.
Der Temperaturabfall über den stets vorhandenen thermischen Kontaktwiderstand am Stromeintrittsort verursacht keine Verfälschung, solange die damit verbundene Thermospannung - wegen des sehr geringen Seebeck-Koeffizienten des Kontaktes - vernachlässigt werden kann. Bei metallischer Kontaktierung ist dies sehr gut erfüllt; bei Oxidbelägen an Druckkontakten können sich dagegen erhebliche Störspannungen ergeben. Man kann also durch Ausnutzung der thermoelektrischen Eigenschaften einer Probe, deren elektrische Eigenschaften mit der weit verbreiteten 4-Punkt-Methode gemessen werden sollen, das korrekte potentiometrische Teilerverhältnis, das heißt die effektiven Sondenpositionen (für prismatische/eindimensionale Anordnungen: den effektiven Sondenabstand) aus den Spannungsverhältnissen an vier Punkten (jeweils eine Sonde außerhalb der Probe an den Stromeintritts- / -austrittspunkten sowie zwei Sonden in ausreichendem Potentialabstand voneinander auf der Oberfläche der Probe zwischen den Eintrittspunkten) bestimmen, wobei sich die Anordnung dabei im stromlosen Zustand in einer Temperaturdifferenz befindet.The temperature drop across the always existing thermal contact resistance at the current entry location causes no distortion, as long as the associated thermoelectric voltage - because of the very low Seebeck coefficient of contact - can be neglected. With metallic contacting this is very well met; In the case of oxide coatings on pressure contacts, on the other hand, considerable interference voltages can result. Thus, by exploiting the thermoelectric properties of a sample whose electrical properties are to be measured by the widely used 4-point method, one can obtain the correct potentiometric divider ratio, that is, the effective probe positions (for prismatic / one-dimensional arrays: the effective probe spacing) Voltage ratios at four points (one probe outside the sample at the current entry / exit points and two probes at a sufficient potential distance from each other on the surface of the sample between the entry points) determine, wherein the assembly is in a de-energized state in a temperature difference.
Mit denselben Sonden kann zusätzlich bei Stromfluss durch die Probe unter isothermen Bedingungen oder mit einer Wechselstrommethode entsprechend gemessen werden. Es ergeben sich geänderte Potentiometerverhältnisse gegenüber dem vorherigen Fall, da nun der elektrische Kontaktwiderstand einen nicht vernachlässigbaren Beitrag leistet. Aus dem Unterschied beider Messungen kann der elektrische Kontaktwiderstand separiert werden. Gleichzeitig erhält man die elektrische Leitfähigkeit der Probe, frei von Verfälschungen durch den Kontaktwiderstand oder durch eine Unsicherheit der Sondenposition. Neben dem Ausschluss des elektrischen Kontaktwiderstandes als Störquelle bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit kann das Prinzip gezielt für die Messung des Kontaktwiderstandes, zum Beispiel im Rahmen von Kontaktierungsentwicklungen, verwendet werden. In addition, the same probes can be used to measure current flow through the sample under isothermal conditions or with an alternating current method. This results in changed Potentiometerverhältnisse compared to the previous case, since now the electrical contact resistance makes a not negligible contribution. From the difference between the two measurements, the electrical contact resistance can be separated. At the same time, the electrical conductivity of the sample is obtained, free from adulteration by the contact resistance or by uncertainty of the probe position. In addition to the exclusion of the electrical contact resistance as a source of interference in the measurement of electrical conductivity, the principle can be used specifically for the measurement of the contact resistance, for example in the context of Kontaktierungsentwicklungen.
Führt man den relativen elektrischen Kontaktwiderstand r = RK/R als das Verhältnis des elektrischen Kontaktwiderstandes zum Probenwiderstand ein und setzt man einen vernachlässigbaren Ohmschen Spannungsabfall über die Blöcke und Stromzuführungen voraus (dies ist gegeben, wenn man den Messstrom nicht über die Potentialsonde am Block selbst sondern über eine separate Stromleitung zum Block führt), so stehen die Potentiometerverhältnisse der Thermospannungsmessung (VP/V1)□T und der elektrischen Messung (VP/V1)I zueinander in der Relation (1+r)(VP/V1)□T=(VP/V1)I , das heißt in der elektrischem Messung erhält man ein um den relativen Kontaktwiderstand vergrößertes Potentiometerverhältnis verglichen mit der stromlosen Thermospannungsmessung. Misst man beide Verhältnisse, kann man den relativen Kontaktwiderstand berechnen.If one introduces the relative electrical contact resistance r = R K / R as the ratio of the electrical contact resistance to the sample resistance and assumes a negligible Ohmic voltage drop across the blocks and power leads (this is given if one does not use the potential probe on the block itself but a separate power line for block leads), as are the Potentiometerverhältnisse the thermal voltage measurement (V P / V 1) □ T, and the electrical measurement (V P / V 1) I each other in the relation (1 + r) (V P / V 1 ) □ T = (V P / V 1 ) I , that is to say in the electrical measurement a potentiometer ratio increased by the relative contact resistance is obtained compared to the currentless thermoelectric voltage measurement. If one measures both ratios, one can calculate the relative contact resistance.
Bevorzugt umfasst Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens die folgenden Schritte:
- f1) gegebenenfalls Beenden der Wärmezufuhr aus Schritt e1),
- f2) Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes,
- f3) Änderung der Stromstärke zum Zeitpunkt t0, und
- f4) zeitlich aufgelöste Messung der Spannung über einen Zeitraum unmittelbar nach Abschalten des Stromes, wobei der Zeitraum wenigstens einer Halbwertszeit des raschen Abklingens und mit einer Abtastrate erfolgt, die es ermöglicht, innerhalb der ersten Halbwertszeit wenigstens 10
bis 100 Messwerte (Spannungswerte) aufzuzeichnen, oder mittels einer anderen Methodik, die es gestattet, auf den Anfangswert der relaxierenden Messspannung unmittelbar nach Abschalten des Stromes zurückzuschließen, sowie einen möglichst frühen Zeitpunkt anzugeben, zu dem die anfängliche rasche Relaxation praktisch restlos abgeklungen ist, - f5) anschließende zeitaufgelöste Messung der Spannung über einen Zeitraum, in welchem sich das System im Wesentlichen auf den neuen Gleichgewichtszustand einstellt, mit einer Datenrate von mindestens 5
bis 20 Werten pro Halbwertszeit des langsamen Abklingens beim Einlaufen in den neuen Gleichgewichtszustand, oder mittels einer anderen Methodik, die es gestattet, auf den Anfangswert der zweiten, langsameren Relaxation bezogen auf den Zeitpunkt der Änderung der Stromstärke to sowie auf deren Endwert nach ihrem vollständigen Abklingen zurückzuschließen, - f6) numerische Anpassung der Daten aus den Schritten f4) und f5) und zeitliche Rückextrapolation des Spannungsverlaufes der zweiten, langsameren Relaxation aus Schritt f5) zum Erhalt einer Basislinie bis zum Zeitpunkt to sowie zeitliche Extrapolation des Spannungsverlaufes der zweiten, langsameren Relaxation zum Erhalt des Endwertes nach dem vollständigen Abklingen,
- f7) Bilden der Differenz aus dieser Basislinie und den experimentellen Daten aus Schritt f4), wobei die Differenz des Spannungswertes bei to zur Basislinie bei to der Amplitude A2 entspricht und die Differenz der Basislinie bei to zum Endwert der Amplitude A1 entspricht, und Bildung des Verhältnisses A2/A1, welches den relativen systematischen Fehler einer Wärmewiderstandsmessung an der Probe verursacht durch den Wärmewiderstand des Kontaktes angibt,
- f8) Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit k und der thermoelektrischen Güte ZT unter Berücksichtigung des relativen systematischen Fehlers aus Schritt f7).
- f1) optionally terminating the heat supply from step e1),
- f2) reaching a thermal state of equilibrium,
- f3) change of current at time t 0 , and
- f4) time-resolved measurement of the voltage over a period of time immediately after switching off the current, wherein the period of at least one half-time of the rapid decay and at a sampling rate, which makes it possible to record at least 10 to 100 measured values (voltage values) within the first half-life, or by means of another methodology which makes it possible to deduce the initial value of the relaxing measurement voltage immediately after the current has been switched off, and to indicate the earliest possible time at which the initial rapid relaxation has subsided almost completely,
- f5) subsequent time-resolved measurement of the voltage over a period in which the system substantially conforms to the new equilibrium state, with a data rate of at least 5 to 20 values per half-time of slow decay when entering the new equilibrium state, or by another methodology which allows one to deduce the initial value of the second, slower relaxation with respect to the time of change of the current t0 and its final value after its complete decay,
- f6) numerical adaptation of the data from the steps f4) and f5) and temporal re-extrapolation of the voltage curve of the second, slower relaxation from step f5) to obtain a baseline until the time to and temporal extrapolation of the voltage curve of the second, slower relaxation to obtain the final value after the complete decay,
- f7) forming the difference from said baseline and the experimental data from step f4), wherein the difference of the voltage value at to the baseline at t corresponds to the amplitude A 2 and the difference of the baseline at to the final value corresponds to the amplitude A 1 , and formation the ratio A 2 / A 1 , which indicates the relative systematic error of a thermal resistance measurement on the sample caused by the thermal resistance of the contact,
- f8) determination of the thermal conductivity k and the thermoelectric quality ZT taking into account the relative systematic error from step f7).
Das System aus Blöcken (
Das System kann sich erfindungsgemäß in einer bevorzugten Ausführungsform Schritt f2) in einem Gleichgewichtszustand befinden, bei welchem kein Strom fließt. Die Änderung erfolgt dann durch Zuführung eines Gleichstroms über die Blöcke mittels einem ersten Leitungspaar, so dass der Strom von einem Block zum anderen Block fließt, wobei der Strom durch das Kontaktmaterial, die Probe und erneut das Kontaktmaterial fließt.The system can according to the invention in a preferred embodiment step f2) in a state of equilibrium in which no current flows. The change then occurs by supplying a DC current across the blocks by means of a first pair of wires so that the current flows from one block to the other block, the current flowing through the contact material, the sample and again the contact material.
Ebenfalls möglich ist, dass der Gleichgewichtszustand in Schritt f2) bereits unter Zuführung eines Stromes erfolgt. In dieser ebenso bevorzugten Ausführungsform umfasst Schritt f2) daher das Zuführen eines Gleichstroms über die Blöcke mittels einem ersten Leitungspaar, so dass der Strom von einem Block zum anderen Block fließt, wobei der Strom durch das Kontaktmaterial, die Probe und erneut das Kontaktmaterial fließt, und Beibehaltung des Stromflusses so lange, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Nach Erhalt des Gleichgewichtszustandes wird die Spannung V1 über das andere zweite Leitungspaar (Spannungssonden) gemessen.It is also possible that the equilibrium state already takes place in step f2) while supplying a current. In this likewise preferred embodiment, step f2) therefore comprises supplying a DC current across the blocks by means of a first pair of wires so that the current flows from one block to the other block, the current flowing through the contact material, the sample and again the contact material, and Maintaining the flow of current until an equilibrium state is reached. Upon receipt of the equilibrium state, the voltage V 1 is measured across the other second pair of lines (voltage probes).
Die Änderung der Stromstärke kann in diesem Fall das vollständige Abschalten des Stromes zum Zeitpunkt to bedeuten, was erfindungsgemäß ebenfalls bevorzugt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Stromstärke zum Zeitpunkt to vergrößert oder verkleinert wird, also ein stärkerer oder schwächerer Strom angelegt wird.The change in the current intensity in this case can mean the complete switching off of the current at the time to, which is likewise preferred according to the invention. However, it is also possible that the current is increased or decreased at the time to, that is, a stronger or weaker current is applied.
Die Änderung der Stromstärke erfolgt dabei sprunghaft, das heißt die Änderung erfolgt nicht kontinuierlich, sondern es erfolgt eine unmittelbare Änderung auf den neuen Wert beziehungsweise die sofortige Abschaltung des Stroms.The change in the current takes place abruptly, that is, the change is not continuous, but there is an immediate change to the new value or the immediate shutdown of the current.
Schritt f4) des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die zeitlich aufgelöste Messung der Spannung über einen kurzen Zeitraum unmittelbar nach Änderung der Stromstärke. Dieser ist durch ein anfängliches rascheres Abfallen der Spannung im Vergleich mit der folgenden Phase eines gleichmäßigen Abklingens nach einem einfachen Exponentialgesetz analog zur Kondensatorentladung gekennzeichnet. Die Spannungsmessung sollte bevorzugt über die Dauer von mindestens einer Halbwertszeit des raschen Abklingens und mit einer so hohen Abtastrate erfolgen, dass mindestens 10 bis 100 Spannungswerte innerhalb der ersten Halbwertszeit aufgezeichnet werden können. Diese Halbwertszeit ist von der Größe des Kontaktwiderstandes abhängig und ist in typischen Fällen geringer als 1 s.Step f4) of the method according to the invention relates to the time-resolved measurement of the voltage over a short period immediately after the current intensity has changed. This is characterized by an initial faster drop in voltage compared to the following phase of uniform decay according to a simple exponential law analogous to the capacitor discharge. The voltage measurement should preferably be made over the duration of at least one half-life of the rapid decay and at such a high sampling rate that at least 10 to 100 voltage values can be recorded within the first half-life. This half-life is dependent on the size of the contact resistance and is typically less than 1 s.
Die Bestimmung ist auch mittels anderer Metodiken möglich, welche es gestatten auf den Anfangswert der relaxierenden Messspannung unmittelbar nach Abschalten des Stromes zurückzuschließen sowie einen möglichst früheren Zeitpunkt anzugeben, zu dem die anfängliche rasche Relaxation praktisch restlos abgeklungen ist. Dies ist typischerweise nach etwa 5 Halbwertszeiten dieser Relaxation der Fall.The determination is also possible by means of other metodics which allow to deduce the initial value of the relaxing measurement voltage immediately after the current has been switched off and to specify an earliest possible time at which the initial rapid relaxation has subsided almost completely. This is typically the case after about 5 half-lives of this relaxation.
Schritt f5) des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die sich an Schritt f4) anschließende zeitaufgelöste Messung der Spannung. Diese erfolgt über einen Zeitraum, in dem das System sich annähernd auf den neuen Gleichgewichtszustand eingestellt hat und mit einer Datenrate von mindestens 5 bis 20 Werten pro Halbwertszeit des langsamen Abklingens beim Temperaturausgleich beziehungsweise Einlaufen in den neuen Gleichgewichtszustand). Diese Halbwertszeit ist von der Größe und den Eigenschaften der Probe und der Blöcke abhängig und beträgt in typischen Fällen in Laborgeometrie mit mm-großen Blöcken und Proben etwa 5 bis 60 s, bei großen Systemen wesentlich mehr; bei Miniaturausführungen oder Mikrosystemen ist sie kleiner.Step f5) of the method according to the invention relates to the time-resolved measurement of the voltage following step f4). This takes place over a period of time in which the system has approximately reached the new equilibrium state and with a data rate of at least 5 to 20 values per half-time of slow decay in the case of temperature equalization or re-entry into the new equilibrium state). This half-life is dependent on the size and properties of the sample and the blocks and is typically about 5 to 60 seconds in laboratory geometry with mm-sized blocks and samples, much more in large systems; in miniature versions or microsystems, it is smaller.
Alternativ kann die Messung mittels einer anderen Methodik erfolgen, die es gestattet auf den Anfangswert der zweiten, langsameren Relaxation bezogen auf den Zeitpunkt der Änderung der Stromstärke t0 sowie auf deren Endwert nach ihrem vollständigen Abklingen zurückschließen.Alternatively, the measurement may be made by another methodology which allows one to deduce the initial value of the second, slower relaxation with respect to the time of change of the current magnitude t 0 and its final value after its complete decay.
In Schritt f6) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die numerische Anpassung der experimentellen Daten. Dabei ist diese abhängig von der Datenrate. Bei einer ausreichend hohen Datenrate und Signalqualität wird beginnend nach Abklingen des anfänglichen rascheren Abfalls über eine Zeit von weniger als ca. 0,2 Halbwertszeiten des langsameren Abklingens an eine lineare Funktion angepasst. Eine genauere Anpassung beginnend nach Abklingen des anfänglichen rascheren Abfalls über eine Zeit von etwa 3 bis 5 Halbwertszeiten des langsamen Abklingens erfolgt an einen Funktionsansatz V1(t) = A1 * exp(-t/τ1). Anschließend folgt eine zeitliche Extrapolation dieser Funktion des gemessenen Spannungsabfalls zum Erhalt einer Basislinie bis zum Zeitpunkt t0.In step f6) of the method according to the invention, the numerical adaptation of the experimental data takes place. It depends on the data rate. At a sufficiently high data rate and signal quality, starting from the decay of the initial faster decay over a period of less than about 0.2, half-lives of the slower decay are adjusted to a linear function. A more precise fit, starting after the initial faster decay has subsided over a time of about 3 to 5 half-lives of slow decay, is given to a functional set V 1 (t) = A 1 * exp (-t / τ 1 ). This is followed by a temporal extrapolation of this function of the measured voltage drop to obtain a baseline up to the time t 0 .
Der in Schritt f6) genannte Endwert liegt bei Null beim Abschalten des Stroms als eine Möglichkeit der Änderung in Schritt f3), wobei ein geringer Restoffset nach vorhanden sein kann. nach dem Ein- oder Umschalten ist der Endwert der jeweiligen eingestellte Wert.The final value referred to in step f6) is zero when the current is turned off as a possibility of change in step f3), with a slight residual offset after. after switching on or switching over, the end value is the respective set value.
Dieses Verfahren ermöglicht somit eine korrekte Bestimmung von Wärmeleitfähigkeit k und thermoelektrischer Güte ZT, womit systemimmanente Fehler der Harman-Methode eliminiert werden. Die thermoelektrische Güte ZT ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Materials, an welchem die Messung vorgenommen wird (Probe (
Um die thermoelektrische Probe (
Dabei werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Wärmekapazität der Blöcke (
Beispielhaft wird nun im Folgenden eine Ausführungsform, in welcher die Änderung der Stromstärke durch Abschaltung erreicht wird und sich das System in Schritt f2) in einem Gleichgewichtszustand nach Zuschalten eines Gleichstroms befindet, beschrieben.By way of example, an embodiment in which the change in the current intensity is achieved by switching off and the system is in an equilibrium state after switching on a direct current in step f2) will now be described below.
Zur Bestimmung der thermoelektrischen Güte wird ein Strom von einem Block in den anderen Block geleitet. Der Strom fließt somit von einem Block (
Wird eine sprungartige Änderung des Stromflusses vorgenommen, indem der Strom zum Zeitpunkt t = t0 abgeschaltet wird, befindet sich das System in einem Nichtgleichgewichtszustand. In diesem fällt die Spannung zunächst rasch, nachfolgend in einem langsameren exponentiellen Verlauf ab. In der bisher üblichen herkömmlichen Auswertung wurde dieser langsamere exponentielle Verlauf auf einen Zeitpunkt t = t0 extrapoliert.If a sudden change in the current flow is made by switching off the current at time t = t 0 , the system is in a non-equilibrium state. In this case, the voltage initially falls rapidly, then in a slower exponential course. In the usual conventional evaluation, this slower exponential curve was extrapolated to a time t = t 0 .
In
Es hat sich jedoch gezeigt, dass innerhalb der ersten Momente unmittelbar nach der sprunghaften Änderung und somit in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform nach dem Abschalten des Stromflusses ein Zustand vorliegt, bei welchem innerhalb des Kontaktmateriales eine Temperaturänderung vorliegt, die durch den beginnenden Temperaturabfall über die Probe beeinflusst wird, während sich die Temperatur der Blöcke noch nicht wesentlich ändert. Durch die übliche Extrapolation wird dies jedoch nicht berücksichtigt, so dass nach Verfahren aus dem Stand der Technik der verfälschende Einfluss des thermischen Widerstands des Kontaktmaterials auf die Messung nicht berücksichtigt wurde.It has been found, however, that within the first moments immediately after the abrupt change and thus in the present exemplary embodiment, after the current flow has been switched off, there is a state in which there is a temperature change within the contact material which is influenced by the incipient drop in temperature across the sample while the temperature of the blocks does not change significantly yet. However, this is not taken into account by the usual extrapolation, so that the falsifying influence of the thermal resistance of the contact material on the measurement was not taken into account by methods of the prior art.
In
Es hat sich nun gezeigt, dass innerhalb einer ersten kurzen Phase nach der Abschaltung des Stroms der Abfall der Thermospannung nicht dem späteren einfachen exponentiellen Gesetz folgt. Diese Abweichung ist messbar, so dass erfindungsgemäß über eine Dauer, die kurz gegen die Halbwertszeit des Abklingens der Temperaturdifferenz zwischen den Blöcken ist, Messungen mit hoher Messrate durchgeführt werden. Das heißt, dass möglichst unmittelbar nach Abschalten des Stromes eine erste Messung vorgenommen wird und dann nach jeweils einer kurzen Zeitspanne (deutlich kürzer als die Halbwertszeit des ersten raschen Spannungsabfalls) eine weitere Messung vorgenommen wird und so weiter. Üblicherweise wird die Messung bereits vor dem Abschalten begonnen; für die Harman-Messung ist die Kenntnis der Messspannung vor dem Ab- oder Umschalten des Stroms zwingend notwendig. Nach einer kurzen Zeit, die in der Regel klein gegen die Halbwertszeit des folgenden Abklingens ist, ist der auf das Kontaktmaterial zurückzuführende Anteil der Thermospannung nicht mehr messbar, und die Messung der Spannung wird in der üblichen Weise über eine Dauer von etwa 3 bis 5 Halbwertszeiten des langsamen Abfalls fortgeführt (Schritt f5) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Hier wird der exponentielle Abfall der Spannung über die Zeit dann dargestellt. It has now been found that within a first short phase after the shutdown of the current, the drop in the thermal voltage does not follow the later simple exponential law. This deviation is measurable, so that according to the invention measurements with a high measuring rate are carried out over a period which is short against the half-life of the decay of the temperature difference between the blocks. This means that as soon as possible after switching off the current, a first measurement is made and then after a short period of time (much shorter than the half-life of the first rapid voltage drop) a further measurement is made and so on. Usually, the measurement is already started before switching off; For Harman measurement, it is absolutely necessary to know the measuring voltage before switching off or switching the current. After a short time, which is usually small compared to the half-life of the subsequent decay, the proportion of the thermoelectric voltage attributable to the contact material is no longer measurable, and the measurement of the voltage in the usual way over a period of about 3 to 5 half-lives the slow decay continued (step f5) of the method according to the invention). Here the exponential decay of the voltage over time is then displayed.
Aus der Extrapolation des gemessenen Spannungsabfalls hin zum Zeitpunkt to kann eine Amplitude A1 bestimmt werden. Entsprechend der Temperaturführung der Probenumgebung und anderen Besonderheiten der Ausführung der Messanordnung kann es erforderlich sein, diesem grundsätzlich exponentiellen Abfall im Sinne einer verbesserten Genauigkeit des Verfahrens eine schwach geneigte lineare Funktion zu überlagern, nämlich dann, wenn die gesamte Probenhalterung einer schwachen Drift der Mitteltemperatur ausgesetzt ist; dies ist auch im herkömmlichen Verfahren bekannt und für die Erfindung nicht relevant. Aus der Messung unmittelbar nach Abschaltung des Stromes in Schritt f4) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Differenz zum Wert A1 eine Amplitude A2 bestimmt werden, wobei gegebenenfalls Schritt f5) ebenfalls die Extrapolation der Messwerte hin zum Zeitpunkt to umfasst. Ein entsprechender Messverlauf ist in
Das Verhältnis A2/A1 entspricht dem relativen systematischen Fehler der Wärmewiderstandsmessung an der Probe, so dass nun die Wärmeleitfähigkeit und die thermoelektrische Güte unter Berücksichtigung dieses Fehlers bestimmt werden können.The ratio A 2 / A 1 corresponds to the relative systematic error of the thermal resistance measurement on the sample, so that now the thermal conductivity and the thermoelectric quality can be determined taking into account this error.
Die Bestimmung im Falle der Abschaltung des Stroms als sprunghafte Änderung, nachdem unter Stromfluss ein Gleichgewichtszustand erreicht war, erfolgt dabei nach der folgenden Formel:
Das nach der Standardmethode bestimmte, inkorrekte ZTold kann folgendermaßen korrigiert werden
Die üblicherweise aus der Zeitkonstante τ1 berechnete Wärmeleitfähigkeit wird durch die thermischen Kontaktwiderstände zu klein bestimmt (Serienschaltung der Widerstände aus Probe und Kontakt). Der korrigierte Wert κ ergibt sich aus dem gemessen κmeas durch:
In Schritt g) des erfindungemäßen Verfahrens erfolgt bevorzugt zunächst die Bestimmung an A2 wie in f3), f4), f5) und f6) beschrieben. Anschließend erfolgt die Bestimmung von ΔT. Somit umfasst Schritt g) des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt die folgenden Schritte:
- g1) Zuführen eines Gleichstroms über die Blöcke, so dass der Strom I von einem Block zu dem anderen Block fließt, wobei der Strom durch das Kontaktmaterial (
3a ), das Substrat (1 ) und erneut das Kontaktmaterial (3b ) fließt, - g2) Bestimmung von A2
- g3) Bestimmung des Temperaturunterschieds ΔT = A2/S , wobei S die Differenz der Seebeck-Koeffizienten des thermoelektrischen Materials und des Fügepartners bezeichnet, und
- g4) Berechnung des Kontakt-Wärmewiderstandes RC th nach
- g1) supplying a DC current across the blocks so that the current I flows from one block to the other block, the current through the contact material (
3a ), the substrate (1 ) and again the contact material (3b ) flows, - g2) determination of A 2
- g3) determining the temperature difference ΔT = A 2 / S, where S denotes the difference of the Seebeck coefficients of the thermoelectric material and the joining partner, and
- g4) calculation of the contact thermal resistance R C th after
Das Verfahren kann somit die folgenden Schritte umfassen:
- i) Zuführen eines Gleichstroms über die Blöcke, so dass ein elektrischer Strom I0 von einem Block zu dem anderen Block fließt, wobei der Strom durch das Kontaktmaterial, das Substrat (
1 ) und erneut das Kontaktmaterial fließt, - ii) Abschalten oder Umschalten des Stromes auf einen anderen konstanten Wert zum Zeitpunkt to, wobei die Änderung des Stromes mit I bezeichnet wird, und
- iii) zeitlich aufgelöste Messung der Spannung über einen Zeitraum unmittelbar nach Abschalten des Stromes, wobei der Zeitraum wenigstens während einer Halbwertszeit des raschen Abklingens und mit einer Abtastrate erfolgt, die es ermöglicht, innerhalb der ersten Halbwertszeit wenigstens 10
bis 100 Messwerte (Spannungswerte) aufzuzeichnen, oder mittels einer anderen Methodik, die es gestattet, auf den Anfangswert der relaxierenden Messspannung unmittelbar nach Abschalten des Stromes v1(t0) zurück zu schließen, - iv) anschließende zeitaufgelöste Messung der Spannung über einen Zeitraum, beginnend nachdem die erste Relaxation weitgehend abgeklungen ist, in welchem sich das System im Wesentlichen auf den neuen Gleichgewichtszustand einstellt, mit einer Datenrate von mindestens 5
bis 20 Werten pro Halbwertszeit des langsamen Abklingens beim Einlaufen in den neuen Gleichgewichtszustand, oder mittels einer anderen Methodik, die es gestattet, auf den Anfangswert V1,fit(to) der zweiten, langsameren Relaxation bezogen auf den Abschalt-/Umschaltzeitpunkt des Stromes to zurückzuschließen, - v) lineare oder exponentielle Extrapolation des gemessenen Spannungsabfalls in Schritt iii) zum Erhalt eines Anfangswertes V1(t0) zum Zeitpunkt to und lineare oder exponentielle Extrapolation des gemessenen Spannungsabfalls in Schritt iv) zum Erhalt einer Basislinie v1,fit(t) bis zum Zeitpunkt to,
- vi) Bestimmung des Temperaturunterschieds ΔT = (v1(t0)-v1,fit(t0))/S zwischen der in Schritt v) erhaltenen Basislinie zum Zeitpunkt to sowie des extrapolierten Messwertes aus Schritt c) zum Zeitpunkt to, wobei S die Differenz der Seebeck-Koeffizienten des thermoelektrischen Materials (Substrats (
1 )) und des Fügepartners (Kontaktmaterials) bezeichnet, und - vii) Berechnung des Kontakt-Wärmewiderstandes RC th nach
- i) supplying a DC current across the blocks so that an electric current I 0 flows from one block to the other block, the current through the contact material, the substrate (
1 ) and again the contact material flows, - ii) switching off or switching the current to another constant value at time to, wherein the change of the current is denoted by I, and
- iii) time-resolved measurement of the voltage over a period of time immediately after the current has been switched off, the time period being at least during a fast decay half-life and at a sampling rate allowing at least 10 to 100 measured values (voltage values) to be recorded within the first half-life; or by another method, which allows to the initial value of the relaxing measuring voltage immediately after switching off the current v 1 (t 0) to close back,
- iv) subsequent time-resolved measurement of the voltage over a period of time after the first relaxation has largely subsided, in which the system substantially conforms to the new equilibrium state, with a data rate of at least 5 to 20 values per half-time of slow decay on entry into the new equilibrium state, or by means of another methodology that allows one to deduce the initial value V 1, fit (t o ) of the second, slower relaxation with respect to the switch-off / switchover instant of the current to,
- v) linear or exponential extrapolation of the measured voltage drop in step iii) to obtain an initial value V 1 (t 0 ) at time to and linear or exponential extrapolation of the measured voltage drop in step iv) to obtain a baseline v 1, fit (t) to at the moment to,
- vi) Determining the temperature difference ΔT = (v 1 (t 0 ) -v 1, fit (t 0 )) / S between the baseline obtained in step v) at the time to and the extrapolated measured value from step c) at the time to, wherein S is the difference of the Seebeck coefficients of the thermoelectric material (substrate (
1 )) and the joining partner (contact material), and - vii) calculation of the contact thermal resistance R C th after
Prinzipiell ist diese Messung wie auch alle anderen erfindungsgemäß beschriebenen Teilmessungen mit der Vorrichtung und dem Verfahren nicht an Raumtemperatur gebunden. Insbesondere wird sie nicht durch Effekte der Wärmeabstrahlung beeinträchtigt. Sie kann also grundsätzlich zur temperaturabhängigen Bestimmung des Wärmekontaktwiderstandes genutzt werden. Die Methode ist auf den für die thermoelektrische Modulentwicklung relevanten Fall der flächigen Verbindung eines thermoelektrischen Materials mit einer metallischen Kontaktbrücke zugeschnitten. Der Seebeck-Koeffizient des Materials der Probe (
Sofern die Messung dem Zweck dient, eine Kontaktierung zwischen einem vorgegebenen thermoelektrischen Material (Substrat) und einem vorgegebenen metallischen Kontaktpartner zu untersuchen, wird mit den beiderseitigen Kontaktierungen das thermoelektrische Substrat (die Probe (
Hinsichtlich der zu berücksichtigenden Handlung in Schritt g2) wird auf die Ausführungen zu den Schritten f3), f4(, f5) und f6) verwiesen, welche hier entsprechend gelten.With regard to the action to be taken in step g2), reference is made to the statements relating to steps f3), f4 (, f5) and f6), which apply here accordingly.
Der Strom I setzt nun am Materialübergang vom Block (
Beim Ändern der Stromstärke (Ein-, Ab- oder Umschalten des Stroms) ändert sich der Ohmsche Spannungsabfall praktisch augenblicklich, während die Temperaturdifferenz am Kontakt langsamer abklingt. Typischerweise ist dieses Abklingen über einige Zehntelsekunden zu verfolgen. Mit einer hinreichend schnellen Messelektronik lässt sich auf den Anfangswert unmittelbar nach Ändern der Stromstärke rückextrapolieren.When changing the current level (switching on, off or switching the current), the ohmic voltage drop changes almost instantly, while the temperature difference at the contact decays more slowly. Typically, this decay is traced over a few tenths of a second. With a sufficiently fast measuring electronics, it is possible to extrapolate back to the initial value immediately after changing the current.
Die Rückextrapolation der Basislinie zum Abschaltzeitpunkt ermöglicht es, im Falle des Abschaltens des Stromes den kleinen Spannungsbeitrag von störenden Offsets zu separieren beziehungsweise beim Umschalten des Stromes den Ohmschen Spannungsabfall entsprechend dem neuen Stromwert zu eliminieren.The back extrapolation of the baseline at the switch-off time makes it possible, in the case of switching off the current, to separate the small voltage contribution from interfering offsets or to eliminate the ohmic voltage drop corresponding to the new current value when switching the current.
Der thermische Kontaktwiderstand wird erhalten aus dem Verhältnis der Änderung der Temperaturdifferenz ΔT zur zugehörigen Änderung des Wärmestromes: RC th ist gleich ΔT/P. P ist dabei die Änderung des Peltier-Wärmestromes, die I·S·T (mit der Stromänderung I) entspricht. Der Peltier-Wärmestrom ist aufgrund der Kenntnis des Messstroms bei Kenntnis des Seebeck-Koeffizienten des Substrats (
Die Anordnung hat wesentliche Ähnlichkeiten zum Aufbau der loffe-Methode. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass eine adiabatische Separation oder eine präzise Temperatursteuerung an der Probenhalterung für diese Teilmessung nicht erforderlich sind, was ihren Aufbau entsprechend einfach macht, wenn auf thermische und Harman-Messungen verzichtet wird.The arrangement has substantial similarities to the structure of the loffe method. A key difference, however, is that adiabatic separation or precise temperature control on the sample holder is not required for this partial measurement, which makes its design correspondingly simple if thermal and harman measurements are omitted.
Bei sehr kleinem Kontaktwiderstand wird die zugehörige Thermospannung sehr klein. Je nach Qualität der Messelektronik wird das Signal entsprechend rauschüberlagert. Durch ein periodisches Wiederholen des Zu- und Abschaltens des Gleichstroms kann der Relaxationsvorgang wiederholt und das Messsignal akkumuliert und damit gegen stochastisches Rauschen gefiltert werden.For very small contact resistance, the associated thermal voltage is very small. Depending on the quality of the measuring electronics, the signal is correspondingly noise superimposed. By periodically repeating the switching on and off of the direct current, the relaxation process can be repeated and the measurement signal accumulated and thus filtered against stochastic noise.
Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt die Durchführung einer Seebeck-Messung (erforderlich zur Bestimmung des Kontakt-Wärmewiderstandes nach g), sofern der Seebeck-Koeffizient der Probe (
Die Blocktemperaturen werden über Temperatursensoren, zum Beispiel Thermoelemente, gemessen. Damit sind alle Messungen mit der Vorrichtung auch temperaturabhängig durchführbar. Durch Ausnutzung des Peltier-Effekts wird eine Temperaturdifferenz über den Kontaktbereichen eingestellt, indem ein Gleichstrom I durch die Probe geleitet wird. Bei Verwendung metallischer Kontakte, die einen verschwindenden Seebeck-Koeffizienten aufweisen, ist die Thermospannung V1 (beziehungsweise V2), die zwischen den Blöcken (
Aufgrund des relativ geringen involvierten Wärmewiderstands der Kontakte (im Vergleich zur Probe (
Bevorzugt umfasst Schritt h) des erfindungsgemäßen Verfahrens die folgenden Schritte:
- h1) Beheizen eines Blockes oder ungleichmäßiges Beheizen beider Blöcke (
2a ,2b ), so dass sich im Inneren der Probe (1 ) eine zeitlich konstante oder zeitveränderliche Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktflächen ausbildet, sowie Bestimmung der Temperaturdifferenz ΔT zwischen den Blöcken, und vorzugsweise gleichzeitige Bestimmung der Thermospannung V1 zwischen den Blöcken (2a ,2b ), welche sich durch die Temperaturdifferenz über der Probe (1 ) ausbildet, daraus Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten in herkömmlicher Weise Sold = V1/ ΔT; - h2) Bestimmung der relativen Abweichung r von der nach h3) erhaltenen Temperaturdifferenz zu der wahren Temperaturdifferenz über der Probe, und
- h3) vorzugsweise Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten, korrigiert durch die in Schritt h4) erhaltene Abweichung Scorr = (1+r) Sold.
- h1) heating a block or non-uniform heating of both blocks (
2a .2 B ), so that inside the sample (1 ) forms a time-constant or time-variable temperature difference between the two contact surfaces, and determination of the temperature difference .DELTA.T between the blocks, and preferably simultaneous determination of the thermal voltage V 1 between the blocks (2a .2 B ), which is due to the temperature difference across the sample (1 ), from which determination of the Seebeck coefficient in a conventional manner S old = V 1 / ΔT; - h2) determining the relative deviation r from the temperature difference obtained according to h3) to the true temperature difference across the sample, and
- h3) preferably determining the Seebeck coefficient, corrected by the deviation S corr = (1 + r) S old obtained in step h4).
Zur Bestimmung der Temperaturdifferenz werden Temperatursensoren verwendet. Die Temperatursensoren können beispielsweise als Thermoelemente, gebildet aus zwei dünnen metallischen Leitungen mit voneinander verschiedenen Seebeck-Koeffizienten, dargestellt sein.Temperature sensors are used to determine the temperature difference. The temperature sensors can be represented, for example, as thermocouples, formed from two thin metallic lines with mutually different Seebeck coefficients.
Gemäß Schritt h1) bilden sich eine Temperaturdifferenz im Inneren der Probe sowie Temperaturdifferenzen über die Kontaktbereiche aus. Es herrscht somit im ersten Block (
Der in herkömmlicher Weise berechnete Seebeck-Koeffizient Sold = V1 / ΔT ist um das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen den Blöcken zur Temperaturdifferenz über der Probe zu klein, so dass eine Korrektur notwendig ist, die das erfindungsmäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen. Schritt h2) ist gleichbedeutend mit der Bestimmung des relativen thermischen Kontaktwiderstandes (bezogen auf den Wärmewiderstand der Probe) r, zum Beispiel mittels zusätzlicher auf der Probe aufgebrachter Temperatursensoren oder auf thermographischem Wege oder mit einer transienten Methode, bei der ein Gleichstrom durch die Probe geleitet wird.The conventionally calculated Seebeck coefficient S old = V 1 / ΔT is too small by the ratio of the temperature difference between the blocks to the temperature difference across the sample, so that a correction is necessary, which enable the method according to the invention and the device according to the invention. Step h2) is equivalent to the determination of the relative thermal contact resistance (based on the thermal resistance of the sample) r, for example by means of additional temperature sensors applied to the sample or thermographically or by a transient method in which a direct current is passed through the sample ,
Erfindungsgemäß befindet sich nun die Probe (
Erfindungsgemäß sind die Sonden nun in den Block eingearbeitet und durch die Gestaltung der Anordnung wird sichergestellt, dass derselbe Wärmestrom durch die Kontakte und die Probe fließt. Damit ist die parasitäre Temperaturdifferenz bestimmbar und die Seebeck-Messung korrigierbar.According to the invention, the probes are now incorporated in the block and the design of the arrangement ensures that the same heat flow flows through the contacts and the sample. Thus, the parasitic temperature difference can be determined and the Seebeck measurement correctable.
Der erste Block (
Durch die Anlegung eines Gleichstroms, welcher von einem Block (
Um besonders genaue Messungen zu erhalten, ist der Leitungsquerschnitt der wenigstens einen Sonde, die als Stromzuführung benutzt wird, insbesondere so groß, dass sich durch die Joule-Wärme des Stroms keine wesentlichen Wärmetönungen ergeben.In order to obtain particularly accurate measurements, the line cross section of the at least one probe, which is used as a power supply, in particular so large that result from the Joule heat of the stream no significant heat of reaction.
Der Kern der Erfindung liegt hier in dem Ansatz, die Kontaktstellen zur Messung der Thermospannung an der Probe (
Es wurde hier beschrieben, dass unter bestimmen thermisch-konstruktiven Randbedingungen auf transientem Wege der parasitäre Wärmewiderstand von Kontaktierungen in thermoelektrischen Anordnungen bestimmt werden kann. Insbesondere sind dazu folgende Randbedingungen einzuhalten: In die Probe (
Soll mit der Anordnung nur der Seebeck-Koeffizient gemessen werden, muss mindestens einer der Blöcke (
Zur korrekten Berücksichtigung des Einflusses des thermischen Kontaktwiderstandes auf die thermoelektrischen Messungen ist die Probe an ihrer Mantelfläche (d. h. an allen Flächen, die nicht mit den Blöcken verbunden sind) adiabatisch abzuschließen. Die gewählte Messgeometrie stellt dann aufgrund der seriellen Verbindung zwischen Kontakt und Probe (
Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Probenhalterung zur Simultanmessung thermoelektrischer Eigenschaften ist in
Analog zur Separation des elektrischen Kontaktwiderstandes kann durch Bestimmung der Thermospannungen innerhalb und außerhalb der Probe (
Die Konstruktion der Anordnung erlaubt die redundante Bestimmung des Wärmekontaktwiderstandes mit zwei unabhängigen Methoden - begleitend zur Harman-Messung sowie in Bezug auf einen bekannten Peltier-Wärmestrom, jeweils aus der dynamisch separierbaren parasitären Temperaturdifferenz über die flächigen Probenkontakte - wozu die Messanordnung mit einer ausreichend schnellen transienten Messwerterfassung und einem zeitlich extrapolierenden Auswerteverfahren versehen wird. Die redundante Ermittlung des Wärmekontaktwiderstandes reduziert das Unsicherheitsbudget und unterstützt das Erkennen systematischer Fehler in der Einhaltung der thermischen Umgebungsbedingungen.The construction of the arrangement allows the redundant determination of the thermal contact resistance with two independent methods - accompanying the Harman measurement and with respect to a known Peltier heat flow, each from the dynamically separable parasitic temperature difference across the surface sample contacts - including the measurement arrangement with a sufficiently fast transient Measured value acquisition and a temporally extrapolating evaluation is provided. The redundant determination of thermal contact resistance reduces the uncertainty budget and helps detect systematic errors in thermal environment compliance.
Der solcherart separierte Einfluss des elektrischen und thermischen Kontaktwiderstandes wird zur Korrektur der thermoelektrischen Eigenschaften genutzt: Vom herkömmlich gemessenen elektrischen Widerstand der Probe wird korrigierend der elektrische Kontaktwiderstand subtrahiert; vom herkömmlich gemessenen thermischen Widerstand der Probe wird in analoger Weise korrigierend der thermische Kontaktwiderstand abgezogen; der herkömmlich gemessene Seebeck-Koeffizient wird korrigierend um den Prozentsatz des relativen thermischen Kontaktwiderstandes erhöht, und die Harman-Messung wird mit verbesserter Genauigkeit aus einer korrekten Extrapolation der Relaxation der Thermospannungen unter Einbeziehung des schnellen initialen Signalabfalls ermittelt.The thus separated influence of the electrical and thermal contact resistance is used to correct the thermoelectric properties: From the conventionally measured electrical resistance of the sample is corrected subtracting the electrical contact resistance; from the conventionally measured thermal resistance of the sample, the thermal contact resistance is corrected in an analogous manner; the conventionally measured Seebeck coefficient is corrected by increasing the percentage of the relative thermal contact resistance, and the Harman measurement is determined with improved accuracy from a correct extrapolation of the relaxation of the thermovoltages, taking into account the rapid initial signal drop.
Neben ihrer Rolle als Korrekturgrößen sind der separierte thermische und der elektrische Kontaktwiderstand im Zuge von gezielten Entwicklungsarbeiten zur Kontaktierungsentwicklung auch bedeutsam als eigenständige Messgrößen zur Kontaktcharakterisierung. Die Messanlage erlangt dadurch einen zusätzlichen und bisher nicht verfügbaren Nutzwert.In addition to their role as correction quantities, the separated thermal and electrical contact resistance in the course of targeted development work on contacting development are also significant as independent parameters for contact characterization. The measuring system thus acquires an additional and previously unavailable utility value.
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K. A. Borup et al. in Energy Environ. Sci., 2015, 8, 423 beschrieben. Dies ist zum einen fehleranfällig, insbesondere aber auch zeitaufwendig, wodurch sich die Entwicklung und Optimierung thermoelektrischer Materialien signifikant verlangsamt. Zudem stehen gerade bei neu entwickelten Materialien meist nur eine geringe Zahl an Proben, meist nur eine einzige, zur Verfügung, die zur Analyse aller Parameter herangezogen wird/werden. Es besteht damit ein starker Bedarf daran, Messsysteme zu entwickeln, die alle wichtigen thermoelektrischen Größen simultan an einer Probe messen können (so auch J. de Boor und V. Schmidt in Adv. Mater., 2010, 22, 4303) |
K.A. Borup et al., "Measuring thermoelectric transport properties of materials". In: Energy Environ. Sci. 8 (2015), S. 423-435 |
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