DE102016223548B4 - Simultaneous precision method and device for measuring thermoelectric properties and contact resistance - Google Patents

Simultaneous precision method and device for measuring thermoelectric properties and contact resistance Download PDF

Info

Publication number
DE102016223548B4
DE102016223548B4 DE102016223548.6A DE102016223548A DE102016223548B4 DE 102016223548 B4 DE102016223548 B4 DE 102016223548B4 DE 102016223548 A DE102016223548 A DE 102016223548A DE 102016223548 B4 DE102016223548 B4 DE 102016223548B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
block
sample
contact
blocks
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102016223548.6A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102016223548A1 (en
Inventor
Eckhard Müller
Johannes de Boor
Hendrik Kolb
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of DE102016223548A1 publication Critical patent/DE102016223548A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102016223548B4 publication Critical patent/DE102016223548B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity

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 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) . Vor kurzem wurden Ansätze unter anderem von D. Vasilevski et al. (J. of Electronic Materials, 2014: System for simultaneous Harman-Based Mearsurement of All Thermoelectric Properties, from 240 to 720 K, by Use of a Novel Calibration Procedure ) vorgestellt, die das Potential einer kommerziellen Anwendung erkennen lassen, die im wesentlichen auf der klassischen loffe-Methode beruhen. Simultanverfahren zur Messung aller thermoelektrischen Materialeigenschaften bedingen die Kontaktierung der Probe zwischen Elektroden zur Zuführung des Probenstroms, die gleichzeitig als Wärmereservoire oder zum Aufprägung einer Temperaturdifferenz genutzt werden. Damit sind die loffe-Methode sowie abgeleitete Verfahren in ihrer Genauigkeit sämtlich durch Unsicherheiten beeinträchtigt, die sich aus dem thermischen Kontaktwiderstand und der Positionsungenauigkeit der Potentialsonden beziehungsweise bei Verzicht auf die diffizile Anbringung von Potentialsonden an der Probe aus dem elektrischen Kontaktwiderstand ergeben.The complete characterization of thermoelectric materials requires the measurement of several physical quantities: Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity. From these, the thermoelectric efficiency Z, the relevant figure of merit of a thermoelectric material, is calculated. It can also be measured directly using the Harman method. The state of the art is the determination of the aforementioned measured variables in a plurality of, typically three different measuring systems, such as, for example KA Borup et al. in Energy Environ. Sci., 2015, 8, 423. This is on the one hand error-prone, but in particular also time-consuming, which significantly slows down the development and optimization of thermoelectric materials. In addition, especially with newly developed materials usually only a small number of samples, usually only a single, are available, which is used for the analysis of all parameters / are. Thus, there is a strong need to develop measuring systems that can measure all important thermoelectric quantities simultaneously on a sample (see also J. de Boor and V. Schmidt in Adv. Mater., 2010, 22, 4303). , Recently, approaches have been taken by, among others D. Vasilevski et al. (J. of Electronic Materials, 2014: System for Simultaneous Harman-Based Mearning of All Thermoelectric Properties, from 240 to 720K, by Use of a Novel Calibration Procedure ) that demonstrate the potential of a commercial application based essentially on the classical loffe method. Simultaneous methods for measuring all thermoelectric material properties require the contacting of the sample between electrodes for the supply of the sample stream, which are used simultaneously as a heat reservoir or to impose a temperature difference. Thus, the loffe method and derived methods are all affected by uncertainties resulting from the thermal contact resistance and the position inaccuracy of the potential probes or waiving the difficulty attaching potential probes to the sample of the electrical contact resistance in their accuracy.

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 J. de Boor et al., Journal of Alloys and Compounds, 2015, 632, 348) , jedoch sind noch erhebliche Anstrengungen notwendig, um die Bandbreite verfügbarer Materialklassen auszuweiten.This results in the need for a preferably ideal, that is mechanically stable and resistance-free contacting of the sample in the sample holder, however, the production of suitable solders or protective layers for contacting proves to be practically difficult and expensive and thus a critical condition for precise measurements. It has already been possible to develop promising contacting approaches for a few important exemplary materials (see for example J. de Boor et al., Journal of Alloys and Compounds, 2015, 632, 348) However, significant efforts are still needed to expand the range of available classes of materials.

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.

JP 2013/214642 A offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung thermoelektrischer Eigenschaften einer Probe. Die Probe wird dabei zwischen zwei Elektroden eingespannt, wobei die Elektroden derart ausgestaltet sind, dass die Probe gleichzeitig an ihnen fixiert werden kann. JP 2013/214642 A discloses an apparatus for determining thermoelectric properties of a sample. The sample is clamped between two electrodes, wherein the electrodes are designed such that the sample can be fixed to them at the same time.

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.
The object underlying the present invention is achieved by a device for the simultaneous measurement of thermoelectric properties of thermoelectric materials and contact resistances, comprising:
  • - 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 (2a) sowie einen zweiten Block (2b). Zwischen diesen beiden kann die zu analysierende Probe (1) eingebracht werden. Der Kontakt zwischen den Blöcken und der Probe erfolgt durch Kontaktmaterialien (3a, 3b). Die Probe (1) weist dabei eine Länge l (Abstand der beidseitigen Kontakte) auf.A device according to the invention which enables the simultaneous determination of the essential properties of thermoelectric materials thus comprises a first block ( 2a ) and a second block ( 2 B ). Between these two the sample to be analyzed ( 1 ) are introduced. The contact between the blocks and the sample is made by contact materials ( 3a . 3b ). The sample ( 1 ) has a length l (distance between the two-sided contacts).

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur simultanen Bestimmung thermoelektrischer Eigenschaften einer Probe (1) mit thermoelektrischen Eigenschaften mittels einer Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Probe zwei räumlich voneinander getrennte Kontaktflächen aufweist und der Abstand zwischen dieser Kontaktflächen der Länge l entspricht, umfassend:

  1. a) in Kontakt bringen einer ersten Kontaktfläche der Probe (1) über ein erstes Kontaktmaterial (3a) mit einem ersten Block (2a) und
  2. 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,
  3. 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,
  4. 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,
  5. e) Bestimmung des effektiven Abstandes der elektrischen Potentialsonden auf der Probe (1),
  6. f) Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit k und der thermoelektrischen Güte ZT der Probe (1)
  7. g) Bestimmung des Kontakt-Wärmewiderstandes RC th des Kontaktmaterials (3a, 3b) und
  8. h) Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit.
Furthermore, the present invention relates to a method for the simultaneous determination of thermoelectric properties of a sample ( 1 ) having thermoelectric properties by means of a device according to the claims 1 to 6 wherein the sample has two spatially separated contact surfaces and the distance between these contact surfaces corresponds to the length 1, comprising:
  1. a) bringing into contact a first contact surface of the sample ( 1 ) via a first contact material ( 3a ) with a first block ( 2a ) and
  2. 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,
  3. 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,
  4. 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,
  5. e) Determining the effective distance of the electric potential probes on the sample ( 1 )
  6. f) determination of the thermal conductivity k and the thermoelectric quality ZT of the sample ( 1 )
  7. g) determination of the contact thermal resistance R C th of the contact material ( 3a . 3b ) and
  8. 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 (3a) und erstes Kontaktmaterial (3a) und erste Kontaktierung (3a) werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet. Während „Kontakt“ und „Kontaktierung“ einen Schwerpunkt auf die physikalischen Eigenschaften legt (Herstellung des Kontaktes zwischen Block und Probe), liegt der Schwerpunkt bei „Kontaktmaterial“ auf dem Material, aus dem sich diese Eigenschaften ergeben. Zu verstehen ist hierunter dasselbe. Gleiches gilt auch für zweiten Kontakt (3b) und zweites Kontaktmaterial (3b) sowie zweite Kontaktierung (3b). Sind erster und zweiter Kontakt von einer Beschreibung umfasst, wird nur von „Kontakten“ oder „Kontaktmaterialien“ oder „Kontaktierungen“ gesprochen. Ebenso umfasst der Begriff „Blöcke“ immer sowohl den ersten Block (2a) als auch den zweiten Block (2b), soweit nicht explizit anders dargestellt.First contact ( 3a ) and first contact material ( 3a ) and first contact ( 3a ) are used interchangeably in the present application. While "contact" and "contact" focus on physical properties (contact between block and sample), "contact material" focuses on the material that gives these properties. Understand this is the same. The same applies to second contact ( 3b ) and second contact material ( 3b ) as well as second contacting ( 3b ). If first and second contact are covered by a description, only "contacts" or "contact materials" or "contacts" are used. Similarly, the term "blocks" always includes both the first block ( 2a ) as well as the second block ( 2 B ), unless explicitly stated otherwise.

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 (1) gedrückt werden, kann ein Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Kontaktwiderstandes in die Messung integriert werden, das über eine spezielle thermoelektrische Bestimmung des effektiven Sondenabstandes dessen aufwendige mikroskopisch-visuelle Ermittlung verzichtbar macht. Gleichzeitig wird ein transientes Verfahren zur Bestimmung des thermischen Kontaktwiderstandes einbezogen, indem die Messanlage mit einer schnellen zeitaufgelösten Signalaufzeichnung ausgestattet wird. Im Ergebnis kann die Verfälschung der Messwerte der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit durch den Kontaktwiderstand eliminiert werden; gleichzeitig können die Messung der thermoelektrischen Effektivität nach der Harman-Methode sowie die Messung des Seebeck-Koeffizienten unverfälscht durch den thermischen Kontaktwiderstand durchgeführt werden. Die zusätzlichen Messungen zur Eliminierung des Kontaktwiderstandes können begleitend zur thermoelektrischen Eigenschaftsmessung an jedem Temperaturpunkt der temperaturabhängigen Messreihen dieser Größen durchgeführt werden. Damit kann die Berücksichtigung des Kontakteinflusses auch bei einer temperaturabhängigen oder zeitlichen Veränderung des Kontaktwiderstands oder der Probeneigenschaften korrekt erfolgen.The core of the invention is thus a thermoelectric measuring method for the simultaneous determination of all essential thermoelectric material properties with increased accuracy by integrated determination and correction of measurement errors, which are caused by a non-negligible electrical and thermal contact resistance and a device suitable for this purpose. By integration of additional potential probes in known measuring arrangements, preferably via spring force against the sample ( 1 ), a method for determining the electrical contact resistance can be integrated into the measurement, which makes its costly microscopic-visual determination dispensable via a special thermoelectric determination of the effective probe distance. At the same time, a transient method for determining the thermal contact resistance is included by providing the measuring system with fast time-resolved signal recording. As a result, the falsification of the measured values of electrical and thermal conductivity can be eliminated by the contact resistance; At the same time, the measurement of the thermoelectric efficiency according to the Harman method and the measurement of the Seebeck coefficient can be carried out unadulterated by the thermal contact resistance. The additional measurements for the elimination of the contact resistance can be carried out accompanying the thermoelectric property measurement at each temperature point of the temperature-dependent measurement series of these quantities. Thus, the consideration of the influence of contact can be done correctly even with a temperature-dependent or temporal change of the contact resistance or the sample properties.

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 (2a) als auch der zweite Block (2b) wenigstens eine erste Sonde (4) auf, mit welcher die Temperatur und/oder die Spannung bestimmt werden kann. Für die Temperaturmessung besteht der Sensor beispielsweise aus zwei Leitungen, die ein Thermoelement bilden und sinnvollerweise gemeinsam als Sonde betrachtet werden. Diese können in einem gemeinsamen Punkt auf dem jeweiligen Block beziehungsweise, vorteilhafter, aus Gründen der gewünschten Isothermie an der Messstelle, im Inneren desselben angebracht sein. Als Potentialsonde, also zur Messung eines elektrischen Potentials, kann die Sonde (4) als dünner Metalldraht allein ausgebildet sein.The sample is a material with thermoelectric properties. Thus, in principle, the measurement of temperatures and voltages, in particular of thermal voltages, of interest. To make this possible, both the first block ( 2a ) as well as the second block ( 2 B ) at least one first probe ( 4 ), with which the temperature and / or the voltage can be determined. For the temperature measurement, the sensor consists, for example, of two lines which form a thermocouple and are usefully considered together as a probe. These can be mounted in a common point on the respective block or, more advantageously, for the sake of the desired isotherm at the measuring point, in the interior of the same. As a potential probe, ie for measuring an electrical potential, the probe ( 4 ) may be formed as a thin metal wire alone.

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 (4) jeden Blockes erhaltenen Spannungswerte in hoher zeitlicher Auflösung. Die Messanordnung erfasst somit Funktionselemente zur Bestimmung der Temperatur und/oder der Spannung. Insbesondere die Spannung, die zwischen erstem und zweitem Block auftritt, muss mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmbar sein. In the determination of the thermal conductivity, the thermoelectric quality and the contact thermal resistance has been shown that high-resolution time voltage measurements must be present in order to detect system-inherent errors and to be able to correct them. Therefore, the device according to the invention comprises a measuring arrangement for determining the pair with the at least one first probe ( 4 ) of each block obtained in high temporal resolution. The measuring arrangement thus detects functional elements for determining the temperature and / or the voltage. In particular, the voltage that occurs between the first and second block must be determinable with high temporal resolution.

Weiterhin weisen der erste (2a) und der zweite Block (2b) jeweils wenigstens eine zweite Sonde auf, ausgebildet als elektrische Zuleitung oder Zuleitungspaar, über welche ein Gleichstrom durch die Probe (1) 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. Um Strom über die Blöcke durch die Probe (1) zu leiten, ist insbesondere eine Stromzuführung auf dem ersten Block (2a) und dem zweiten Block (2b) angebracht. Hierbei kann es sich um eine leitung der zuvor genannten Zuleitungspaars der zweiten Sonde handeln. Durch diese kann dann Strom aus dem ersten Block (2a) über das erste Kontaktmaterial (3a) durch die Probe (1) hindurch durch das zweite Kontaktmaterial (3b) zum zweiten Block (2b) fließen. Hier tritt der Strom dann durch die entsprechende Stromzuführung aus.Furthermore, the first ( 2a ) and the second block ( 2 B ) in each case at least one second probe, designed as an electrical supply line or supply line pair, via which a direct current through the sample ( 1 ) or a heating current for heating one of the blocks into one or both or from one or both blocks ( 2a . 2 B ) or through one or both blocks. To get current through the blocks through the sample ( 1 ) is in particular a power supply on the first block ( 2a ) and the second block ( 2 B ) appropriate. This may be a line of the aforementioned lead pair of the second probe. This then allows power from the first block ( 2a ) via the first contact material ( 3a ) through the sample ( 1 ) through the second contact material ( 3b ) to the second block ( 2 B ) flow. Here the current then emerges through the corresponding power supply.

Zur Einstellung einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Block (2a) und dem zweiten Block (2b) kann einer der beiden oder können beide eine Heizvorrichtung (9) enthalten. Diese kann im Inneren der Blöcke angeordnet sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Widerstand handeln, der sich bei Durchfluss eines Stromes erwärmt. Es sind jedoch auch beliebige andere Heizelemente denkbar.To set a temperature difference between the first block ( 2a ) and the second block ( 2 B ) can either one or both a heating device ( 9 ) contain. This can be arranged inside the blocks. This may be, for example, a resistor that heats up when a current flows through. However, any other heating elements are conceivable.

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 (6, 7) auf, welche in einem räumlichen Abstand IP voneinander, gemessen in Richtung des Strom- beziehungsweise Wärmeflusses durch die Probe, sind und während der Messung mit der Probe (1) in Kontakt stehen oder in Kontakt gebracht werden können. Der Abstand zwischen diesen Potentialsonden (6, 7) ist dabei kleiner als die Länge l der Probe (1), gemessen in Richtung des Strom- beziehungsweise Wärmeflusses.Furthermore, the device according to the invention has at least two thermalizable potential probes ( 6 . 7 ), which are at a spatial distance I P from each other, measured in the direction of the current or heat flow through the sample, and during the measurement with the sample ( 1 ) or can be brought into contact. The distance between these potential probes ( 6 . 7 ) is smaller than the length l of the sample ( 1 ), measured in the direction of the current or heat flow.

Die Potentialsonden stehen dabei in thermischem Kontakt mit einer Ankerung (8). Die Ankerung umfasst ein erstes Temperaturreservoir (8a), ein zweites Temperaturreservoir (8b) und eine wärmeleitende mechanische Führung (8c), welche erstes und zweites Temperaturreservoir thermisch miteinander verbindet.The potential probes are in thermal contact with an anchor ( 8th ). The anchor comprises a first temperature reservoir ( 8a ), a second temperature reservoir ( 8b ) and a thermally conductive mechanical guide ( 8c ), which thermally interconnects first and second temperature reservoirs.

Weist die Vorrichtung eine externe Heizvorrichtung auf, so ist diese bevorzugt auch geeignet, nicht nur den ersten und/oder den zweiten Block (2a, 2b), sondern auch die Temperaturreservoirs (8a, 8b) zu temperieren. Hierfür können mehrere Heizvorrichtungen vorhanden sein. Ebenso können die Temperaturreservoire auch durch interne Heizelemente temperiert werden.If the device has an external heating device, then this is preferably also suitable, not only the first and / or the second block (FIG. 2a . 2 B ), but also the temperature reservoirs ( 8a . 8b ) to temper. For this purpose, several heaters may be present. Likewise, the temperature reservoirs can also be tempered by internal heating elements.

Zur Bestimmung des effektiven Abstandes der elektrischen Potentialsonden muss zwischen dem ersten Block (2a) und dem zweiten Block (2b) eine Temperaturdifferenz eingestellt werden. Hierfür wird der erste Block (2a) auf eine erste Temperatur T1 gebracht. Der zweite Block weist in diesem Fall eine zweite Temperatur T2 auf, wobei T1 und T2 voneinander verschieden sind. Der thermische Anker (8), mit welchem die Potentialsonden (6, 7) thermisch verbunden sind, weist in diesem Fall dieselbe Temperaturdifferenz auf. Das erste Temperaturreservoir (8a) weist somit auch die Temperatur T1, das zweite Temperaturreservoir (8b) die zweite Temperatur T2 auf. Die Sonde, die näher am ersten Temperaturreservoir an der Führung (8c) angebracht ist, wird auf der Probe (1) dann in Richtung des ersten Blocks (2a) aufgebracht. Die Sonde (7), welche sich räumlich näher am zweiten Temperaturreservoir (8b) befindet, wird entsprechend auf der Probe (1) räumlich in Richtung des zweiten Block (2b) aufgebracht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Temperaturen der Sonden, soweit diese in Kontakt mit der Probe (1) sind, ein ähnliches Temperaturgefälle aufweisen, wie dies im Inneren der Probe (1) herrscht.In order to determine the effective distance of the electric potential probes, it is necessary to distinguish between the first block ( 2a ) and the second block ( 2 B ) a temperature difference can be adjusted. For this, the first block ( 2a ) brought to a first temperature T 1 . The second block in this case has a second temperature T 2 , wherein T 1 and T 2 are different from each other. The thermal anchor ( 8th ), with which the potential probes ( 6 . 7 ) are thermally connected, in this case has the same temperature difference. The first temperature reservoir ( 8a ) thus also has the temperature T 1 , the second temperature reservoir ( 8b ), The second temperature T 2. The probe closer to the first temperature reservoir on the guide ( 8c ) is placed on the sample ( 1 ) then in the direction of the first block ( 2a ) applied. The probe ( 7 ), which are spatially closer to the second temperature reservoir ( 8b ) is determined accordingly on the sample ( 1 ) spatially in the direction of the second block ( 2 B ) applied. This will ensure that the temperatures of the probes, as far as they are in contact with the sample ( 1 ), have a similar temperature gradient as in the interior of the sample ( 1 ) prevails.

Bevorzugt umfasst die Probe (1) nicht nur ein thermoelektrisches Material, sondern besteht im Wesentlichen aus diesem. Die Reinheit der Probe ist dabei für das erfindungsgemäße Verfahren nicht relevant. Prinzipiell sollte die Probe möglichst homogen sein, so dass das Verhältnis von elektrischer zu Wärmeleitfähigkeit lokal nicht großen Schwankungen unterliegt. Wenn die elektrische Leitfähigkeit nicht zu niedrig ist, ist dies aber grundsätzlich schon durch das Wiedemann-Franz-Gesetz sichergestellt. Zudem stellt sich dieses Problem auch bei im Stand der Technik bekannten Messverfahren.Preferably, the sample comprises ( 1 ) not only a thermoelectric material, but consists essentially of this. The purity of the sample is not relevant to the method according to the invention. In principle, the sample should be as homogeneous as possible, so that the ratio of electrical to thermal conductivity is not locally subject to large fluctuations. If the electrical conductivity is not too low, however, this is basically already ensured by the Wiedemann-Franz law. In addition, this problem also arises in measuring methods known in the prior art.

Der erste Block (2a) und der zweite Block (2b) bestehen im Wesentlichen aus dem gleichen Material beziehungsweise weisen die gleiche Beschichtung auf. Kontakte (3a, 3b), Blöcke (2a, 2b) und mindestens eine der Sondenleitungen auf jedem der Blöcke weisen bevorzugt denselben Seebeck-Koeffizienten auf, bevorzugt einen sehr kleinen Wert. Soweit dieser sehr klein gegen den Seebeck-Koeffizienten der Probe ist, muss er nicht genau bekannt sein. Während die Materialien der Blöcke (2a, 2b) und der Sondenleitungen entsprechend gewählt werden, ist der Seebeck-Koeffizient der Kontakte (3a, 3b) häufig unbekannt. Mit metallischen Kontakten (3a, 3b) ist jedoch ein ausreichend geringer Seebeck-Koeffizient von üblicherweise betragsmäßig weniger als 5 µV/K zu erwarten und zu realisieren. Als Material für Blöcke (2a, 2b), Kontakte (3a, 3b) und mindestens eine der Sonden auf jedem Block wird insbesondere ein solches Material gewählt, welches einen Seebeck-Koeffizienten von betragsmäßig 10 µV/K oder weniger aufweist. Bevorzugt liegt der Seebeck-Koeffizient S betragsmäßig im Bereich von 0 µV/K bis 10 µV/K, insbesondere von 0 µV/K bis 8 µV/K oder von 0 µV/K bis 5 µV/K. Der Seebeck Koeffizient kann positive oder negative Werte annehmen. Die in der vorliegenden Anmeldung zu jeder Ausführungsform genannten Werte sind daher betragsmäßige Werte.The first block ( 2a ) and the second block ( 2 B ) consist essentially of the same Material or have the same coating. Contacts ( 3a . 3b ), Blocks ( 2a . 2 B ) and at least one of the probe lines on each of the blocks preferably have the same Seebeck coefficient, preferably a very small value. As far as it is very small against the Seebeck coefficient of the sample, it need not be known exactly. While the materials of the blocks ( 2a . 2 B ) and the probe lines are selected accordingly, the Seebeck coefficient of the contacts ( 3a . 3b ) often unknown. With metallic contacts ( 3a . 3b ), however, a sufficiently low Seebeck coefficient of usually less than 5 μV / K is to be expected and realized. As material for blocks ( 2a . 2 B ), Contacts ( 3a . 3b ) and at least one of the probes on each block is selected, in particular, such a material which has a Seebeck coefficient of 10 μV / K or less. The Seebeck coefficient S is preferably in the range from 0 μV / K to 10 μV / K, in particular from 0 μV / K to 8 μV / K or from 0 μV / K to 5 μV / K. The Seebeck coefficient can assume positive or negative values. The values mentioned in the present application for each embodiment are therefore absolute values.

Blöcke (2a, 2b), Kontakte (3a, 3b) und Sonden weisen bevorzugt eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 104 S/cm, vorzugsweise von 104 - 109S/cm, insbesondere von 105 bis 108 S/cm oder von 105 bis 107 S/cm auf.Blocks ( 2a . 2 B ), Contacts ( 3a . 3b ) and probes preferably have an electrical conductivity of at least 10 4 S / cm, preferably from 10 4 to 10 9 S / cm, in particular from 10 5 to 10 8 S / cm or from 10 5 to 10 7 S / cm.

Insbesondere bevorzugt besitzen die Blöcke (2a, 2b) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/(m · K), insbesondere von mindestens 100W/(m · K). Die Kontakte (3a, 3b) sind meist Bestandteil des unbekannten Probeeinbaus. Maßgeblicher als die Wärmeleitfähigkeit ist der spezifische thermische Kontaktwiderstand, bzw Wärmeübergangskoeffizient der vorzugsweise im Bereich von 103 bis 105 W/m2K liegt. Die Sonden sollten möglichst gering wärmeleitend sein, was durch einen geringen Durchmesser der Sondenleitungen ermöglicht werden kann. Dabei ist die Dicke der Sonden abhängig vom individuellen Aufbau der Vorrichtung sowie der zu bestimmenden Probe.Particularly preferably, the blocks have ( 2a . 2 B ) a thermal conductivity of at least 10 W / (m · K), in particular of at least 100W / (m · K). The contacts ( 3a . 3b ) are usually part of the unknown sample installation. Significant as the thermal conductivity is the specific thermal contact resistance, or heat transfer coefficient is preferably in the range of 10 3 to 10 5 W / m 2 K. The probes should be as low heat-conducting as possible, which can be made possible by a small diameter of the probe leads. The thickness of the probes depends on the individual structure of the device and the sample to be determined.

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 (2a, 2b) und Sonden sind Cu, Ag, Au, Pt, Fe, Ni, Al, Sn, Zn, Pb oder Mischungen aus diesen. Geeignete Materialien sind beispielsweise Bi, Sb, soweit ihre mechanischen Eigenschaften ausreichend sind, aber auch spezielle Thermoelement-Legierungen wie Konstantan, Chromel, Platin-Rhodium. Ist in der vorliegenden Anmeldung von einem Material für die Blöcke (2a, 2b) die Rede, so können die Blöcke aus diesem Material im Wesentlichen bestehen oder eine Beschichtung aus diesem Material aufweisen, welche dann die elektrischen Eigenschaften der Blöcke (2a, 2b) für das erfindungsgemäße Verfahren definiert, sofern das Volumen des Blocks nichtleitend ist. Die thermischen Eigenschaften des Blocks werden vorwiegend durch das Material bestimmt, das den überwiegenden Massenanteil des Blocks ausmacht.Particularly suitable and preferred materials for blocks ( 2a . 2 B ) and probes are Cu, Ag, Au, Pt, Fe, Ni, Al, Sn, Zn, Pb or mixtures of these. Suitable materials include Bi, Sb, as far as their mechanical properties are sufficient, but also special thermocouple alloys such as Konstantan, Chromel, platinum-rhodium. Is in the present application of a material for the blocks ( 2a . 2 B ), the blocks may consist essentially of this material or have a coating of this material, which then the electrical properties of the blocks ( 2a . 2 B ) defined for the inventive method, provided that the volume of the block is non-conductive. The thermal properties of the block are primarily determined by the material that makes up the bulk fraction of the block.

Das Kontaktmaterial (3a, 3b) ist, ebenso wie das Material des ersten und/oder zweiten Blocks, ein metallisches Material, welches die zuvor genannten Eigenschaften hinsichtlich Seebeck-Koeffizient, elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist. Besonders bevorzugt ist das Kontaktmaterial bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig oder seine Schmelztemperatur liegt im Bereich zwischen 80 K und 600 °C. Dies ermöglicht eine einfache Handhabung bei der Messung. Die Probe kann zwischen dem Block (2a, 2b) einfach eingeführt und herausgenommen werden, ohne dass Probe (1) und/oder Block (2a, 2b) einer besonderen mechanischen und thermischen Beanspruchung unterworfen werden. Somit ist die mechanische Belastung der Probe gering, was insbesondere bei dünnen Proben (1) relevant ist.The contact material ( 3a . 3b ), as well as the material of the first and / or second block, is a metallic material having the aforementioned properties in terms of Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity. Particularly preferably, the contact material is liquid at room temperature and normal pressure or its melting temperature is in the range between 80 K and 600 ° C. This allows easy handling during the measurement. The sample can be placed between the block ( 2a . 2 B ) can be easily inserted and removed without having to sample ( 1 ) and / or block ( 2a . 2 B ) are subjected to a special mechanical and thermal stress. Thus, the mechanical stress of the sample is low, which is especially true for thin samples ( 1 ) is relevant.

Die Probe (1) umfasst ein thermoelektrisches Material und besteht insbesondere daraus. Der Seebeck-Koeffizient der Probe unterscheidet sich von demjenigen von mindestens einer der Sonden pro Block, um eine Messung zu ermöglichen. Bevorzugt ist der Seebeck-Koeffizient der Probe daher größer als 10 µV/K, bevorzugt liegt er im Bereich von 25 µV/K bis 500 µV/K, insbesondere im Bereich von 50 µV/K bis 300 µV/K oder von 70 µV/K bis 250 µV/K, besonders von 100 µV/K bis 200 µV/K.The sample ( 1 ) comprises a thermoelectric material and consists in particular of it. The Seebeck coefficient of the sample differs from that of at least one of the probes per block to allow for measurement. The Seebeck coefficient of the sample is therefore preferably greater than 10 μV / K, preferably in the range from 25 μV / K to 500 μV / K, in particular in the range from 50 μV / K to 300 μV / K or from 70 μV / K up to 250 μV / K, especially from 100 μV / K to 200 μV / K.

Bevorzugt ist das thermoelektrische Material der Probe (1) ausgewählt aus Skutteruditen, Clathraten, Halb-Heusler-Verbindungen, Zintl-Verbindungen, quaternären Chalcogeniden, Telluriden, insbesondere Bismuttellurid, PbTe, SnTe und ihren Mischkristallen sowie Nanomaterialien auf ihrer Basis, beispielsweise LAST (Bleisilberantimontellurid), TAST (Zinnantimonsilbertellurid), BTST (Bismutzinnsilbertellurid), und so weiter; Siliziden, insbesondere der Elemente Magnesium, Mangan, Eisen, Chrom und anderer Übergangsmetalle und ihrer Mischkristalle, insbesondere darunter Stanniden und Germaniden; Sulfiden, insbesondere des Titans, Zinns und so weiter und Antimoniden, insbesondere Zn4Sb4, ZnSb, MgAgSb, und viele andere mehr.Preferably, the thermoelectric material of the sample ( 1 ) selected from skutterudites, clathrates, half-Heusler compounds, Zintl compounds, quaternary chalcogenides, tellurides, in particular bismuth telluride, PbTe, SnTe and their mixed crystals and nanomaterials based thereon, for example LAST (lead silver antimony telluride), TAST (tin antimony silver telluride), BTST ( Bismuth silver silver telluride), and so on; Silicides, in particular of the elements magnesium, manganese, iron, chromium and other transition metals and their mixed crystals, in particular including stannides and germanides; Sulfides, in particular of titanium, tin and so on, and antimonides, in particular Zn 4 Sb 4 , ZnSb, MgAgSb, and many others.

Die elektrische Leitfähigkeit der Probe (1) liegt vorzugsweise bei 104 S/cm oder weniger, insbesondere 101 bis 104 S/cm, bevorzugt von 102 bis 103 S/cm. Die Wärmeleitfähigkeit der Probe beträgt vorzugsweise 20 W/(m·K) oder weniger insbesondere im Bereich von 0 bis 15 W/(m·K), vorzugsweise von 0,2 bis 10 W/(m·K), besonders bevorzugt von 0,5 bis 5 W/(m·K). The electrical conductivity of the sample ( 1 ) is preferably 10 4 S / cm or less, in particular 10 1 to 10 4 S / cm, preferably from 10 2 to 10 3 S / cm. The thermal conductivity of the sample is preferably 20 W / (m · K) or less, in particular in the range of 0 to 15 W / (m · K), preferably from 0.2 to 10 W / (m · K), particularly preferably from 0 , 5 to 5 W / (m · K).

Durch Kombination der loffe-Methode und ihrer bekannten Varianten mit Potentialsonden, die insbesondere mittels mechanischer Federkraft an die Probe (1) angedrückt werden, mit einer thermoelektrischen Positionsbestimmung des effektiven Sondenabstandes sowie mit einer transienten Bestimmung des thermischen Kontaktwiderstandes wird ein Präzisionsverfahren erhalten, das nicht mehr durch den Einfluss des Kontaktwiderstandes verfälscht wird. Damit wird das Haupthindernis für eine erheblich weitere Verbreitung des simultanen thermoelektrischen Messverfahrens als bisher beseitigt und zugleich eine Messmethode mit geringem Vorbereitungsaufwand der Proben geschaffen, die hervorragend für einen seriellen Einsatz im Routine-Laborbetrieb und damit auch für die Bereitstellung als konfektioniertes Laborgerät, auch im kommerziellen Vertrieb, geeignet ist.By combining the loffe method and its known variants with potential probes, which in particular by means of mechanical spring force to the sample ( 1 ), with a thermoelectric position determination of the effective probe distance and with a transient determination of the thermal contact resistance, a precision method is obtained, which is no longer falsified by the influence of the contact resistance. Thus, the main obstacle to a much wider dissemination of the simultaneous thermoelectric measurement method is eliminated as previously and at the same time a measurement method with low preparation of the sample created, excellent for serial use in routine laboratory operation and thus also for provision as a ready-made laboratory equipment, including in the commercial Sales, is suitable.

Der Einsatz von durch Federkraft auf die Probe aufgedrückten Spitzen als Potentialsonden (6, 7) vermeidet die zumeist diffizile - und in der Wahl des Sondenmaterials und der Prozessparameter materialspezifische - Anbringung von dünnen Sondendrähten durch Aufschweißen. Die prinzipbedingt erforderliche Isothermie jeder Sonde (6,7) während der thermoelektrischen Messung des Sondenabstandes lässt sich durch thermische Ankerung entsprechend der positionsbezogenen Zwischentemperatur zwischen den beiden Blocktemperaturen realisieren. Dazu werden in der Nachbarschaft der Blöcke (2a, 2b) der Probenhalterung, die beidseitig im elektrischen und thermischen Kontakt mit der Probe stehen, thermische Ankerpunkte (8a, 8b) zum Beispiel in Gestalt thermostatisierter Blöcke (8a, 8b) vorgesehen.The use of peaks impressed by spring force on the sample as potential probes ( 6 . 7 ) avoids the usually difficult - and in the choice of the probe material and the process parameters material specific - attachment of thin probe wires by welding. The inherent isothermic nature of each probe (6,7) during the thermoelectric measurement of the probe distance can be realized by thermal anchoring according to the position-related intermediate temperature between the two block temperatures. In addition, in the neighborhood of the blocks ( 2a . 2 B ) of the sample holder, which are in electrical and thermal contact with the sample on both sides, thermal anchor points ( 8a . 8b ), for example in the form of thermostatically controlled blocks ( 8a . 8b ) intended.

Für die thermoelektrische Bestimmung der Sondenpositionen (6,7), die unter nicht-isothermen, aber stationären Bedingungen vorgenommen wird, werden die beidseitigen Reservoire der thermischen Ankerung (8) auf die Blocktemperaturen eingeregelt. Zum Beispiel können diese Reservoire durch becherförmige Schirmheizer realisiert werden, die die Blöcke (2a, 2b) der Probenhalterung umgeben und thermisch von den Blöcken durch Dämmmaterial separiert sind.For the thermoelectric determination of the probe positions (6,7), which is carried out under non-isothermal, but stationary conditions, the bilateral reservoirs of the thermal anchorage ( 8th ) adjusted to the block temperatures. For example, these reservoirs can be realized by cup-shaped umbrella heaters that block the blocks ( 2a . 2 B ) of the sample holder are surrounded and thermally separated from the blocks by insulating material.

Parallel zur Probe (1) wird zwischen den thermischen Ankerpunkten in den Reservoiren (8a, 8b) eine wärmeleitende mechanische Führung (8c), zum Beispiel in Form eines Profil-Verbindungsstabes, angebracht und beidseitig thermisch in den Reservoiren geankert, wodurch sich in der Führung (8c) ein Temperaturgefälle entsprechend der Temperaturverteilung in der Probe ausbildet. Die Fixierung der Führung (8c) in den Blöcken (8a, 8b) wird vorzugsweise mechanisch lösbar und entsprechend der unterschiedlichen möglichen Probenlängen positionsverschieblich ausgeführt. Auf dieser Führung (8c) befinden sich, ebenfalls positionsverschieblich und thermisch geankert, schmale Klemmen oder ähnliche Vorrichtungen, in denen die Potentialsondenspitzen (6, 7) beweglich und federnd senkrecht zur Probenoberfläche geführt werden. Auf diese Weise entspricht die Temperatur der Führung jeder Sondenspitze nahezu ideal der ungestörten Temperatur in der Probe (1) an der Aufsetzposition der Sondenspitze, und parasitäre Wärmeströme von/zu den Kontaktpunkten der Sonden (6, 7) werden während der Messung zur Positionsbestimmung vermieden.Parallel to the sample ( 1 ) is between the thermal anchor points in the reservoirs ( 8a . 8b ) a thermally conductive mechanical guide ( 8c ), for example in the form of a profile connecting rod, mounted and thermally anchored both sides thermally in the reservoirs, resulting in the leadership ( 8c ) forms a temperature gradient corresponding to the temperature distribution in the sample. The fixation of the leadership ( 8c ) in the blocks ( 8a . 8b ) is preferably mechanically detachable and positionally displaceable according to the different possible sample lengths. On this tour ( 8c ) are also positionally displaceable and thermally anchored, narrow terminals or similar devices in which the potential probe tips ( 6 . 7 ) are guided flexibly and resiliently perpendicular to the sample surface. In this way, the temperature of the guide of each probe tip corresponds almost ideally to the undisturbed temperature in the sample ( 1 ) at the touchdown position of the probe tip, and parasitic heat flows from / to the contact points of the probes ( 6 . 7 ) are avoided during the measurement for position determination.

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 (2a, 2b) und die Probe (1) aufgebracht werden, bestehen im Wesentlichen aus demselben Material. Bei den Potentialsonden handelt es sich um metallische Sonden.The two pairs of potential probes used for these measurements in steps c) and d) on the first and second blocks ( 2a . 2 B ) and the sample ( 1 ), consist essentially of the same material. The potential probes are metallic probes.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung des effektiven Abstandes der Potentialsonden (6, 7) auf der Probe (1), die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der thermoelektrischen Güte sowie die Bestimmung des Kontaktwärmewiderstandes des Kontaktmaterials und die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit. Durch die Bestimmung des effektiven Sondenabstandes wird die präzise Bestimmung des elektrischen Kontaktwiderstandes möglich, und damit seine Separierung und Korrektur der elektrischen Leitfähigkeit. Somit können alle wesentlichen Eigenschaften einer thermoelektrischen Probe gleichzeitig in einer Vorrichtung in einem Verfahren durchgeführt werden. Erfindungsgemäß können die Schritte e), f), g) und h) des erfindungsgemäßen Verfahrens in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass gegebenenfalls zuvor zugeschaltete Wärme- oder Stromflüsse gegebenenfalls abgeschaltet werden müssen.The method according to the invention makes it possible to determine the effective distance of the potential probes ( 6 . 7 ) on the sample ( 1 ), the determination of the thermal conductivity and the thermoelectric quality and the determination of the contact heat resistance of the contact material and the determination of the electrical conductivity. By determining the effective probe distance, the precise determination of the electrical contact resistance is possible, and thus its separation and correction of the electrical conductivity. Thus, all the essential properties of a thermoelectric sample can be performed simultaneously in one device in one process. According to the invention, the steps e), f), g) and h) of the process according to the invention can be carried out in any order. Care must be taken to ensure that possibly switched on previously heat or electricity flows must be switched off if necessary.

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.
Step e) of the method according to the invention preferably comprises the following steps:
  • 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 (2a) und dem zweiten Block (2b) sowie auf der Probe (1) elektrische Potentialsonden aus im Wesentlichen demselben Material aufgebracht. Durch diese Sonden kann die Thermospannung zwischen dem ersten (2a) und dem zweiten Block (2b) sowie innerhalb der Probe (1) bestimmt werden. Hierfür befindet sich auf dem ersten Block wenigstens eine Sonde, sowie auf dem zweiten Block wenigstens eine Sonde. Über diese wird dann die Thermospannung V1 in Schritt e2) des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt.To perform the necessary measurements, each on the first ( 2a ) and the second block ( 2 B ) as well as on the sample ( 1 ) applied electrical potential probes of substantially the same material. These probes allow the thermoelectric voltage between the first ( 2a ) and the second block ( 2 B ) as well as within the sample ( 1 ). For this purpose there is at least one probe on the first block and at least one probe on the second block. The thermoelectric voltage V 1 in step e2) of the method according to the invention is then determined via this.

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 (3a, 3b) in 1 vergrößert dargestellt), zwischen zwei Metallblöcken (2a, 2b) befestigt. Metalle haben eine um mehrere Größenordnungen höhere elektrische Leitfähigkeit als typische thermoelektrische Materialien; die Blöcke (2a, 2b) tragen deshalb nicht signifikant zum Ohmschen Potentialabfall bei, wenn ein Strom durch die Blöcke über die Probe geleitet wird. Zwischen den Blöcken (2a, 2b) kann über integrierte Heizer oder durch externe Erwärmung eine Temperaturdifferenz eingestellt werden. Zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit müssen Blöcke (2a, 2b) und Probe (1) isotherm gehalten werden, sofern dies mit einer Gleichstrommethode erfolgt. Bevorzugt wird die elektrische Leitfähigkeit jedoch mit üblichen Wechselstrommethoden gemessen. Damit wird der Einfluss störender Thermospannungen eliminiert. Die Zuführung des Messstromes kann in einer Ausführungsform über dünne drahtförmige metallische Stromzuleitungen zu den Blöcken erfolgen. Zwischen den Potentialsonden an den Blöcken mit der Bezeichnung V1 bildet sich bei Stromfluss die Spannung V1 aus. Die Messspannung Vp zur Ermittlung der Leitfähigkeit der Probe wird zwischen metallischen Potentialsonden, bestehend aus demselben Material wie die Sonden V1, gemessen, die im Abstand IP voneinander auf der Probe angebracht sind. Möchte man auch den elektrischen Kontaktwiderstand separieren, was vorliegend bevorzugt ist, erfolgt die Zuführung des Messstroms über zusätzliche, von den Leitungen V1 verschiedene Leitungen an jedem der beiden Blöcke. In diesem Fall können alle thermoelektrischen Größen der Probe (1) bestimmt werden. Erfolgt die Zufuhr des Messstromes über die Sonden V1, können nur Sondenabstand und Leitfähigkeit ermittelt werden. Daher ist es bevorzugt, eigene Leitungen für die Zufuhr des Stromes vorzusehen.The arrangement for determining the effective probe position corresponds in principle to a typical 4-probe arrangement for measuring the electrical conductivity in prismatic geometry, wherein the electrical probe leads are guided on the sample largely isothermally to the contact points. A sample with the Seebeck coefficient S, with the electrical resistance R and the thermal conductivity K is formed by metallic contacting, for example by liquid metal contacts, soldering, brazing, diffusion welding or the like (contacts ( 3a . 3b ) in 1 enlarged), between two metal blocks ( 2a . 2 B ) attached. Metals have several orders of magnitude higher electrical conductivity than typical thermoelectric materials; the blocks ( 2a . 2 B ) therefore do not significantly contribute to the ohmic potential drop when current is passed through the blocks across the sample. Between the blocks ( 2a . 2 B ) can be adjusted via integrated heaters or by external heating a temperature difference. To measure the electrical conductivity, blocks ( 2a . 2 B ) and sample ( 1 ) are kept isothermal, if this is done with a DC method. However, the electrical conductivity is preferably measured by means of conventional alternating current methods. This eliminates the influence of interfering thermal voltages. The feeding of the measuring current can be done in one embodiment via thin wire-shaped metallic power supply lines to the blocks. Between the potential probes on the blocks with the designation V 1 , the voltage V 1 is formed when the current flows. The measuring voltage V p for determining the conductivity of the sample is measured between metallic potential probes, consisting of the same material as the probes V 1 , which are mounted at a distance I P from each other on the sample. If one also wishes to separate the electrical contact resistance, which is preferred in the present case, the measuring current is supplied via additional lines which are different from the lines V 1 at each of the two blocks. In this case, all thermoelectric quantities of the sample ( 1 ). If the supply of the measuring current via the probes V 1 , only probe distance and conductivity can be determined. Therefore, it is preferred to provide separate lines for the supply of electricity.

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 (1) beträgt IP. Gemeint ist hierbei der Abstand in Richtung des Blockabstandes, also der Abstand zwischen den Sonden in Richtung des Abstandes zwischen den Blöcken (2a, 2b). The distance between the potential probes on the sample ( 1 ) I is P. This refers to the distance in the direction of the block distance, ie the distance between the probes in the direction of the distance between the blocks ( 2a . 2 B ).

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 (1) selbst werden wenigstens zwei Potentialsonden aufgebracht, durch welche die Messung einer Thermospannung VP möglich ist. Dabei erfolgt die Aufbringung der Sonden auf die Probe derart, dass während der Messung kein elektrischer Strom oder Wärme zu oder aus der Probe (1) über die Sonden zu- oder abfließen kann. Würde über die Sonden Wärme oder elektrischer Strom zu- oder abfließen, würde dies einen nicht unerheblichen Einfluss auf das Ergebnis der Messung nehmen. Daher ist für das Verfahren wesentlich, dass genau dies verhindert wird. Die Probe (1) umfasst ein thermoelektrisches Material. Würde nun elektrischer Strom durch die Sonden in die Probe zufließen, so würde der Strom entlang der Sonden einen elektrischen Spannungsabfall hervorrufen, der die gemessene Thermospannung verfälscht. Außerdem würde sich aufgrund dieses Stromflusses eine Temperaturdifferenz in der thermoelektrischen Probe einstellen (Peltier-Effekt). Diese würde die in Schritt e1) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingestellte Temperaturdifferenz beeinflussen, so dass keine Bestimmung der effektiven Positionen mehr möglich wäre. Gleiches gilt, wenn Wärme in die Probe durch die Sonden gelangt.On the test ( 1 ) itself, at least two potential probes are applied, through which the measurement of a thermal voltage V P is possible. The application of the probes to the sample takes place in such a way that during the measurement no electrical current or heat to or from the sample ( 1 ) can flow in or out via the probes. If heat or electric current were flowing in or out via the probes, this would have a not insignificant influence on the result of the measurement. Therefore, it is essential for the process that this is precisely what is prevented. The sample ( 1 ) includes thermoelectric material. If electric current were to flow through the probes into the sample, the current along the probes would cause an electrical voltage drop, which would falsify the measured thermal voltage. In addition, due to this current flow, a temperature difference would be set in the thermoelectric sample (Peltier effect). This would influence the temperature difference set in step e1) of the method according to the invention, so that it would no longer be possible to determine the effective positions. The same applies if heat enters the sample through the probes.

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 (3a) gelangt Wärme aus dem ersten Block (2a) in die Probe (1). Da die Temperatur auf der gegenüberliegenden Seite der Probe (1) von dieser ersten Temperatur verschieden ist, stellt sich ein Temperaturgradient im Inneren der Probe ein. Aufgrund der thermoelektrischen Eigenschaften der Probe (1) entsteht ein elektrisches Feld im Inneren derselben. Das zugehörige elektrische Potential ist bei kleinen Temperaturdifferenzen proportional zum Temperaturfeld in der Probe (1). Die Temperaturdifferenz über der Probe sollte deshalb einen Wert von ungefähr 10 K nicht übersteigen.After connecting the probes to the sample or blocks, a temperature difference ΔT between the first block and the second block is set. For this purpose, the first block is brought to a temperature T 1 and the second block to a temperature T 2 , wherein T 1 and T 2 are different from each other. Through the contact material ( 3a ) heat is transferred from the first block ( 2a ) into the sample ( 1 ). As the temperature on the opposite side of the sample ( 1 ) is different from this first temperature, a temperature gradient sets in the interior of the sample. Due to the thermoelectric properties of the sample ( 1 ) creates an electric field in the interior of the same. The associated electrical potential is proportional to the temperature field in the sample at small temperature differences ( 1 ). The temperature difference across the sample should therefore not exceed about 10K.

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 (1) ist jedoch wegen des immer auftretenden Kontaktwiderstandes praktisch nicht möglich; der Stromfluss führt zu einem Spannungsabfall am Kontaktwiderstand, um den die sich tatsächlich in der Probe (1) ausbildende Gesamtspannung gegenüber der von außen angelegten Spannung mindert. Eine rein elektrische Bestimmung der effektiven Sondenpositionen aus dem Potentiometerverhältnis der Block- und Probensondenpaare ist also bei Stromfluss durch die Probe grundsätzlich nicht möglich; erst die Messung der stromlos erzeugten Thermospannungen ermöglicht dies. Bei hochleitenden Proben - dies ist typisch für thermoelektrische Materialien - kann der elektrische Kontaktwiderstand durchaus die Größenordnung des Probenwiderstandes erreichen.For a precise measurement of the conductivity, which takes place in step h) of the method according to the invention, the correct potentiometric divider ratio of the sample section enclosed by the probes is decisive - which, according to the invention, a step e) is determined. This is determined by the effective potential values at the probes when applying a unit voltage under isothermal conditions. Under ideal conditions theoretically their exact position information could also be determined in this way. The application of a defined and known voltage across a conductive sample ( 1 ) is practically impossible because of the ever-occurring contact resistance; the current flow leads to a voltage drop at the contact resistance, which is actually in the sample ( 1 ) reduces overall voltage over the voltage applied from the outside. A purely electrical determination of the effective probe positions from the potentiometer ratio of the block and sample probe pairs is thus basically not possible with current flow through the sample; only the measurement of the currentless generated thermoelectric voltages makes this possible. For highly conductive samples - this is typical for thermoelectric materials - the electrical contact resistance can certainly reach the order of magnitude of the sample resistance.

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).
Preferably, step f) of the method according to the invention comprises the following steps:
  • 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 (2a, 2b), Kontaktmaterialien (3a, 3b) und Probe (1) befindet sich zu Beginn der Messung in Schritt f2) in einem thermischen Gleichgewichtszustand. Dieser thermische Gleichgewichtszustand ist gekennzeichnet durch eine zeitlich konstante Temperaturdifferenz zwischen den Blöcken; eine geringe Restdrift der Blocktemperaturen kann je nach Stärke des fließenden Probenstroms fortbestehen. Erfolgt zuvor eine Messung wie im Schritt e) beschrieben, muss abgewartet werden, bis sich der Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Durch Änderung der Stromstärke wird das System auch aus diesem Gleichgewichtszustand gebracht. Nach einem gewissen Zeitraum erreicht das System dann einen neuen Gleichgewichtszustand.The system of blocks ( 2a . 2 B ), Contact materials ( 3a . 3b ) and sample ( 1 ) is in a thermal equilibrium state at the beginning of the measurement in step f2). This thermal equilibrium state is characterized by a temporally constant temperature difference between the blocks; a slight residual drift in block temperatures may persist, depending on the strength of the flowing sample stream. If a measurement is previously performed as described in step e), it is necessary to wait until the equilibrium state has set. By changing the current, the system is also brought out of this state of equilibrium. After a certain period, the system then reaches a new equilibrium state.

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 (1)), ihr Messwert wird durch den Wärmewiderstand nicht idealer Kontakte (3a, 3b) verfälscht.This method thus enables a correct determination of thermal conductivity k and thermoelectric quality ZT, which system-inherent errors of the Harman method are eliminated. The thermoelectric quality ZT depends on the thermal conductivity of the material on which the measurement is taken (sample ( 1 )), its measured value is determined by the thermal resistance of non-ideal contacts ( 3a . 3b ) falsified.

Um die thermoelektrische Probe (1) zu analysieren, wird diese zwischen zwei Blöcke (2a, 2b) eingebracht und über ein Kontaktmaterial mit diesen Blöcken verbunden. Die Probe weist zwei einander gegenüberliegende Kontaktflächen auf, diese sind jeweils über Kontaktmaterialien (3a, 3b) mit den Blöcken (2a, 2b) verbunden. Die Blöcke (2a, 2b) können Heizelemente (4a, 4b) aufweisen, dies ist jedoch nicht notwendig. Weiterhin weisen die Blöcke (2a, 2b) jeweils wenigstens zwei elektrische Anschlussleitungen (Sonden) auf. Sind zwei Sonden vorhanden, so kann bei der Harman-Messung eine Sonde zur Einspeisung des Stroms und die andere zur Messung der Spannung verwendet werden. Bei der Messung des Seebeck-Koeffizienten können beide Anschlussleitungen als Spannungssonden verwendet werden. Diese Messung erfolgt stromlos. Bevorzugt sind jedoch an jedem Block wenigstens drei elektrische Anschlussleitungen vorhanden: eine Stromzuführung und zwei Spannungssonden, die aus verschiedenen Materialien bestehen. Enthält ein Block eine Heizung, ist zusätzlich eine weitere Heizstromzuführun erforderlich. Wenigstens einer der Blöcke ist adiabatisch von der Umgebung abgeschirmt. Es können jedoch auch beide Blöcke (2a, 2b) adiabatisch abgeschirmt sein. To the thermoelectric sample ( 1 ), this is between two blocks ( 2a . 2 B ) and connected via a contact material with these blocks. The sample has two opposing contact surfaces, these are in each case via contact materials ( 3a . 3b ) with the blocks ( 2a . 2 B ) connected. The blocks ( 2a . 2 B ) heating elements ( 4a . 4b ), but this is not necessary. Furthermore, the blocks ( 2a . 2 B ) each have at least two electrical connection lines (probes). If two probes are present, one probe can be used to inject the current and the other to measure the voltage in the Harman measurement. When measuring the Seebeck coefficient, both connection lines can be used as voltage probes. This measurement is currentless. Preferably, however, at least three electrical connection lines are present on each block: a power supply and two voltage probes, which consist of different materials. If a block contains a heater, an additional heating current supply is required. At least one of the blocks is adiabatically shielded from the environment. However, both blocks ( 2a . 2 B ) be adiabatically shielded.

Dabei werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die Wärmekapazität der Blöcke (2a,2b) größer ist als die Wärmekapazität der Probe (1). Insbesondere liegt das Verhältnis der Wärmekapazität der Blöcke zur Wärmekapazität der Probe (1) im Bereich von 2:1 bis 50:1, insbesondere von 15:1 bis 10:1. Üblicherweise weist eine zu untersuchende Probe eine räumliche Ausdehnung von 5 mm bis 6 mm, ggf. von 2 bis 10 mm auf. Entsprechend ist ein Block in einer Größe von etwa 15 mm oder entsprechend größer notwendig.Particularly good results are obtained when the heat capacity of the blocks ( 2a , 2b) is greater than the heat capacity of the sample ( 1 ). In particular, the ratio of the heat capacity of the blocks to the heat capacity of the sample ( 1 ) in the range from 2: 1 to 50: 1, in particular from 15: 1 to 10: 1. Usually, a sample to be examined has a spatial extent of 5 mm to 6 mm, possibly of 2 to 10 mm. Accordingly, a block in a size of about 15 mm or larger is necessary.

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 (2a) durch das Kontaktmaterial (3a) in die Probe (1), aus dieser durch das zweite Kontaktmaterial (3b) in den anderen Block (2b). Die Probe (1) umfasst ein thermoelektrisches Material, so dass sich mit dem Stromfluss aufgrund des damit verbundenen Peltier-Effekts eine Temperaturdifferenz im Inneren der Probe einstellt. Nach üblicherweise wenigen Minuten ist ein Gleichgewichtszustand erreicht. In diesem besteht ein Temperaturabfall durch die Probe hindurch. Das Prinzip der Harman-Messung erfordert, dass mindestens einer der Blöcke adiabatisch von der Umgebung separiert ist, das heißt sein Wärmeinhalt sich nur durch den Wärmestrom über die Probe verändern kann. Innerhalb des Kontaktmaterials sowie innerhalb der Blöcke (2a, 2b) besteht eine konstante Temperatur. Die Temperaturdifferenz im Inneren der Probe (1) wird durch den Peltier-Effekt hervorgerufen.To determine the thermoelectric quality, a stream is passed from one block to the other block. The current thus flows from a block ( 2a ) by the contact material ( 3a ) into the sample ( 1 ), from this through the second contact material ( 3b ) in the other block ( 2 B ). The sample ( 1 ) comprises a thermoelectric material, so that sets with the flow of current due to the associated Peltier effect, a temperature difference in the interior of the sample. After usually a few minutes, an equilibrium state is reached. In this there is a drop in temperature through the sample. The principle of Harman measurement requires that at least one of the blocks is adiabatically separated from the environment, that is, its heat content can only change by the heat flow through the sample. Within the contact material as well as within the blocks ( 2a . 2 B ) there is a constant temperature. The temperature difference inside the sample ( 1 ) is caused by the Peltier effect.

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 2) ist der zeitliche Verlauf der Gesamtspannung über einer thermoelektrischen Probe bei Zuschalten und nachfolgendem Abschalten eines Gleichstroms durch die Probe dargestellt. Der Stromfluss wird von einem Ohmschen Spannungsabfall begleitet, der mit dem elektrischen Widerstand der Probe verbunden ist. Durch die mit dem Strom transportierte Peltier-Wärme stellt sich eine Temperaturdifferenz zwischen den Blöcken ein, die sich nach einiger Zeit stabilisiert, wenn die rückströmende Fourier-Wärme den Peltier-Wärmestrom kompensiert. Dies wird gemäß dem Prinzip der Harman-Messung als Gleichgewichtszustand beschrieben. Nach Abschalten des Stroms kann der Temperaturausgleich anhand des Abfallens der Thermospannung verfolgt werden.In 2 ) shows the time profile of the total voltage across a thermoelectric sample when switching on and then switching off a direct current through the sample. The current flow is accompanied by an ohmic voltage drop, which is connected to the electrical resistance of the sample. The Peltier heat transported by the stream introduces a temperature difference between the blocks which stabilizes after some time when the back-flowing Fourier heat compensates for the Peltier heat flow. This is described as equilibrium state according to the principle of Harman measurement. After switching off the current, the temperature compensation can be tracked by the drop in the thermoelectric voltage.

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 3 ist ein Temperaturverlauf über den Blöcken, Kontakten und der Probe (1) dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt den Gleichgewichtszustand nach Einschalten eines Stroms, wie in Schritt f2) des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die gestrichelte Linie zeigt den Nichtgleichgewichtszustand nach Abschalten des Stroms (Schritt f3) nach einer kurzen Zeit unter Vernachlässigung der trägeren Änderung der Blocktemperatur.In 3 is a temperature profile over the blocks, contacts and the sample ( 1 ). The solid line shows the equilibrium state after switching on a current, as described in step f2) of the method according to the invention. The broken line shows the non-equilibrium state after turning off the current (step f3) after a short time, neglecting the slower change of the block temperature.

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 4 gezeigt.From the extrapolation of the measured voltage drop towards time to, an amplitude A 1 can be determined. According to the temperature control of the sample environment and other peculiarities of the design of the measuring arrangement, it may be necessary to superimpose a weakly inclined linear function on this basically exponential drop in order to improve the accuracy of the method, namely if the entire sample holder is exposed to a slight drift in the middle temperature ; This is also known in the conventional method and not relevant to the invention. From the measurement immediately after the current has been switched off in step f4) of the method according to the invention, an amplitude A 2 can be determined as a difference to the value A 1 , wherein if appropriate step f 5) also comprises the extrapolation of the measured values towards the time t o. A corresponding measurement course is in 4 shown.

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: Z T = U S , T r u e U O h m = ( A 1 + A 2 ) U O h m

Figure DE102016223548B4_0001
The determination in the case of the shutdown of the current as a sudden change, after an equilibrium state was reached under current flow, takes place according to the following formula: Z T = U S . T r u e U O H m = ( A 1 + A 2 ) U O H m
Figure DE102016223548B4_0001

Das nach der Standardmethode bestimmte, inkorrekte ZTold kann folgendermaßen korrigiert werden Z T o l d = A 1 U O h m + A 2

Figure DE102016223548B4_0002
Z T = Z T o l d A 1 + A 2 A 1 U o h m + A 2 U o h m
Figure DE102016223548B4_0003
The incorrect ZT old determined by the standard method can be corrected as follows Z T O l d = A 1 U O H m + A 2
Figure DE102016223548B4_0002
Z T = Z T O l d A 1 + A 2 A 1 * U O H m + A 2 U O H m
Figure DE102016223548B4_0003

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: κ = κ m e a s A 1 + A 2 A 1

Figure DE102016223548B4_0004
The thermal conductivity usually calculated from the time constant τ 1 is determined to be too small by the thermal contact resistances (series connection of the resistors from sample and contact). The corrected value κ results from the measured κ meas by: κ = κ m e a s * A 1 + A 2 A 1
Figure DE102016223548B4_0004

5 zeigt die transiente Thermospannung zwischen den Blöcken unmittelbar nach Abschalten des Gleichstroms durch die Probe. Eine vergrößerte Darstellung des Signalverlaufes zu Beginn ist im Inset gezeigt. Die Thermospannung repräsentiert die Temperaturdifferenz über der Probe (nicht diejenige zwischen den Blöcken, denn der metallische Kontaktbereich leistet keinen Beitrag zur Thermospannung). Der Temperaturausgleich folgt einem einfachen exponentiellen Abfall analog zur Kondensatorentladung, wenn die Wärmekapazität der Blöcke groß gegen diejenige der Probe ist. Zu Beginn der Relaxation wird eine kleine, aber signifikante Abweichung vom einfachen exponentiellen Verlauf beobachtet. Die Thermospannung fällt dabei zunächst schneller ab. Dies beruht auf der raschen Ausbildung eines Temperaturabfalls über dem Kontaktbereich nach dem Abschalten. Im vorherigen Gleichgewichtszustand fällt über dem Kontakt keine Temperaturdifferenz ab, da die Peltier-Wärme nicht im Block sondern direkt am thermoelektrischen Material freigesetzt wird. Wird eine Temperaturdifferenz zwischen den Blöcken durch die integrierten Heizer erzeugt, beobachtet man diesen anfänglichen rascheren Abfall nicht. Der schnellere Ausgleich zu Anfang beschreibt den beginnenden Temperaturausgleich über der Probe synchron zur Ausbildung der Temperaturdifferenz über die Kontakte, während die Blocktemperaturen sich zunächst noch nicht verändern. Die Rückextrapolation des späteren, langsameren exponentiellen Abklingens auf den Abschaltzeitpunkt beschreibt einen Zustand, bei dem sich die Gleichgewichts-Temperaturdifferenz der Blöcke entsprechend dem thermischen Potentiometerverhältnis zwischen Probe und Kontakten aufteilt. Die Amplitude A2 des schnell abfallenden Signalanteils im Vergleich zur Spannung A1 der langsamen Relaxation repräsentiert damit das Verhältnis der Wärmewiderstände von Kontakten und Probe, sofern einer der Blöcke adiabatisch von der Umgebung separiert ist. Ideal für die Durchführung der Messung ist eine adiabatische Isolation beider Blöcke; erfolgt sie nur einseitig und tauscht der andere Block einen nennenswerten Wärmestrom (dieser sollte gering und zeitlich konstant sein) mit der Umgebung aus, muss der exponentielle Fit des langsamen Temperaturausgleichs zusätzlich einen konstanten oder schwach linearen Term enthalten. Dies verbessert die Genauigkeit der Bestimmung der Amplitude A1, ist jedoch für den Kern der Erfindung nicht ausschlaggebend. Eine weitere Variante des Verfahrens basiert auf dem adiabatischen Abschluss eines Blockes, während der andere auf konstante Temperatur geregelt wird. 5 shows the transient thermal voltage between the blocks immediately after switching off the DC current through the sample. An enlarged view of the signal at the beginning is shown in the inset. The thermoelectric voltage represents the temperature difference across the sample (not the one between the blocks, because the metal contact area does not contribute to the thermoelectric voltage). The temperature compensation follows a simple exponential decay analogous to the capacitor discharge when the heat capacity of the blocks is large versus that of the sample. At the beginning of relaxation, a small but significant deviation from the simple exponential progression is observed. The thermoelectric voltage initially drops faster. This is due to the rapid formation of a temperature drop over the contact area after shutdown. In the previous equilibrium state no temperature difference drops over the contact, since the Peltier heat is not released in the block but directly on the thermoelectric material. If a temperature difference between the blocks is generated by the integrated heaters, one does not observe this initial, faster drop. The faster compensation at the beginning describes the beginning of temperature compensation over the sample in synchronism with the formation of the temperature difference across the contacts, while the block temperatures initially do not change. The back extrapolation of the later, slower exponential decay to the turn-off time describes a state where the equilibrium temperature difference of the blocks corresponds to the thermal potentiometer ratio divides between sample and contacts. The amplitude A 2 of the rapidly decaying signal component compared to the voltage A 1 of the slow relaxation thus represents the ratio of the thermal resistances of contacts and sample, provided that one of the blocks is adiabatically separated from the environment. Ideal for performing the measurement is an adiabatic isolation of both blocks; if it is only one-sided and if the other block exchanges a significant heat flow (this should be small and temporally constant) with the environment, the exponential fit of the slow temperature compensation must additionally contain a constant or weakly linear term. This improves the accuracy of determining the amplitude A 1 , but is not critical to the gist of the invention. Another variant of the method is based on the adiabatic completion of one block while the other is regulated to constant temperature.

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 R C th = Δ τ p ( P = Peltierwärmestrom ) .
    Figure DE102016223548B4_0005
In step g) of the process according to the invention, preference is first given to the determination of A 2 as described in f3), f4), f5) and f6). Subsequently, the determination of ΔT. Thus, step g) of the method according to the invention preferably comprises the following steps:
  • 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 R C th = Δ τ p ( P = Peltier heat flow ) ,
    Figure DE102016223548B4_0005

Das Verfahren kann somit die folgenden Schritte umfassen:

  1. 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,
  2. ii) Abschalten oder Umschalten des Stromes auf einen anderen konstanten Wert zum Zeitpunkt to, wobei die Änderung des Stromes mit I bezeichnet wird, und
  3. 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,
  4. 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,
  5. 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,
  6. 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
  7. vii) Berechnung des Kontakt-Wärmewiderstandes RC th nach Rc th = Δ T p
    Figure DE102016223548B4_0006
    (P = Peltierwärmestrom).
The method may thus comprise the following steps:
  1. 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,
  2. 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
  3. 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,
  4. 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,
  5. 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,
  6. 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
  7. vii) calculation of the contact thermal resistance R C th after rc th = Δ T p
    Figure DE102016223548B4_0006
    (P = peltier heat flux).

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 (1) wird als bekannt vorausgesetzt oder kann mit der beschriebenen Anordnung im Zuge der Messung bestimmt werden. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass die Probe entweder beidseitig symmetrisch mit identischen Kontaktierungen versehen wird - dies ist insbesondere angebracht, wenn die Eigenschaften der Probe nicht bekannt sind - oder einseitig mit einer Kontaktierung bekannter Eigenschaften versehen wird.In principle, this measurement is not bound to room temperature as well as all other partial measurements described with the device and the method according to the invention. In particular, it is not affected by the effects of heat radiation. It can therefore be used in principle for the temperature-dependent determination of the thermal contact resistance. The method is tailored to the relevant case for the thermoelectric module development case of the surface connection of a thermoelectric material with a metallic contact bridge. The Seebeck coefficient of the material of the sample ( 1 ) is assumed to be known or can be determined with the described arrangement in the course of the measurement. Furthermore, it is assumed that the sample is provided with identical contacts either symmetrically on both sides is - this is particularly appropriate if the properties of the sample are not known - or is provided on one side with a contact of known properties.

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 (1)), das typischerweise aus dem technologischen Werkstoff besteht, für den eine Kontaktierung gefunden werden soll, zwischen zwei Blöcke (2a, 2b) gefügt, die aus dem zu untersuchenden metallischen Fügepartner gefertigt oder fest und gut wärmeleitend (zum Beispiel über eine Hartlötverbindung oder eine geeignet geformte Klemmverbindung) mit dem metallischen Fügepartner verbunden sind, der seinerseits über das zu untersuchende Kontaktmaterial (3a, 3b) mit dem Substrat verbunden ist, und die jeweils mit einer Temperaturmessstelle, gegebenenfalls zusätzlich mit einer Thermoelement-Leitung (wenn nicht im Temperatursensor enthalten) und einer Stromzuleitung elektrisch verbunden sind.If the measurement serves the purpose of investigating a contact between a given thermoelectric material (substrate) and a given metallic contact partner, the thermoelectric substrate (the sample ( 1 )), which typically consists of the technological material for which a contact is to be found, between two blocks ( 2a . 2 B ), which are made of the metal joining partner to be examined or solid and good thermal conductivity (for example, a brazed joint or a suitably shaped clamping connection) connected to the metallic joining partner, in turn, on the contact material to be examined ( 3a . 3b ) is connected to the substrate, and each with a temperature measuring point, optionally in addition with a thermocouple line (if not contained in the temperature sensor) and a power supply line are electrically connected.

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 (2a) zum Kontaktmaterial (3a) und von diesem zum thermoelektrischen Substrat (1) eine Peltier-Wärmeleistung der Größe I·S·T frei (S - Seebeck-Koeffizient des thermoelektrischen Substrats, sofern der Kontakt metallisch mit sehr niedrigem Seebeck-Koeffizienten ist, beziehungsweise die Differenz zwischen den Seebeck-Koeffizienten des Substrates und des Kontaktes, falls nicht, T - absolute Temperatur; I - Stromänderung beim Ein-, Aus- oder Umschalten). Ist der Seebeck-Koeffizient des Kontaktmaterials unbekannt und nicht klein, wird der thermische Kontaktwiderstand im erfindungsgemäßen Verfahren quantitativ ungenau bestimmt. Kontaktierungsversuche mit demselben Kontaktmaterial können jedoch quantitativ untereinander verglichen werden, da die Verfälschung in einem konstanten Faktor besteht, der spezifisch für das Kontaktmaterial ist. Im relevanten Fall ist der Wärmewiderstand des Kontaktes (Kontaktmaterials (3a, 3b)) klein im Vergleich zum Wärmewiderstand des Substrats (1), so dass davon ausgegangen werden kann, dass in einem Gleichgewichtszustand, der sich nach sehr kurzer Zeit (etwa 1 s) einstellt, die Peltier-Wärme vollständig über den Kontakt zum Block abfließt. Bei hohem Kontaktwiderstand birgt dieser Ansatz eine Ungenauigkeit, die durch Berücksichtigung der thermischen Parallelschaltung zwischen Substrat und Kontakt für das Abfließen der Peltier-Wärme behoben werden kann. Das Abfließen der Wärmeleistung P über den Wärmekontaktwiderstand RC th führt zur Ausbildung einer Temperaturdifferenz ΔT = P· RC th über dem Kontaktbereich, die zur Ausbildung einer Thermospannung U = S·ΔT über das Substrat führt. Allerdings ist diese Spannung nicht direkt messbar, solange der Strom fließt, da sie vom Ohmschen Spannungsabfall überlagert wird.The current I now sets at the material transition from the block ( 2a ) to the contact material ( 3a ) and from this to the thermoelectric substrate ( 1 ) a Peltier heat output of size I · S · T free (S - Seebeck coefficient of the thermoelectric substrate, if the contact is metallic with very low Seebeck coefficient, or the difference between the Seebeck coefficients of the substrate and the contact, if not, T - absolute temperature; I - current change when switching on, off or switching). If the Seebeck coefficient of the contact material is unknown and not small, the thermal contact resistance in the method according to the invention is determined quantitatively inaccurate. However, contacting attempts with the same contact material can be quantitatively compared among each other because the adulteration is a constant factor specific to the contact material. In the relevant case, the thermal resistance of the contact (contact material ( 3a . 3b )) small compared to the thermal resistance of the substrate ( 1 ), so that it can be assumed that in a state of equilibrium, which occurs after a very short time (about 1 s), the Peltier heat flows completely through the contact to the block. With high contact resistance, this approach has an inaccuracy that can be overcome by considering the parallel thermal connection between substrate and contact for Peltier heat dissipation. The outflow of the heat output P via the thermal contact resistance R C th leads to the formation of a temperature difference ΔT = P · R C th over the contact region, which leads to the formation of a thermal voltage U = S · ΔT across the substrate. However, this voltage can not be measured directly, as long as the current is flowing, because it is superimposed by the ohmic voltage drop.

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 (1) bekannt. Ist der Seebeck-Koeffizienten S nicht bekannt, kann dieser im erfindungsgemäßen Verfahren gemessen werden.The thermal contact resistance is obtained from the ratio of the change in the temperature difference ΔT to the associated change in the heat flow: R C th is equal to ΔT / P. P is the change in the Peltier heat flow, which corresponds to I · S · T (with the current change I). The Peltier heat flux is due to the knowledge of the measurement current with knowledge of the Seebeck coefficient of the substrate ( 1 ) known. If the Seebeck coefficient S is not known, this can be measured in the method according to the invention.

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 (1) nicht bekannt ist), wenn mindestens einer der Blöcke (2a, 2b) mit einem Heizer (4a) ausgestattet ist beziehungsweise extern temperiert werden kann. Eine thermische Trennung des Halters von der Umgebung beziehungsweise eine Kontrolle des Wärmeaustausches mit der Umgebung ist für diese Teilmessung nicht erforderlich, für thermische und Harman-Messungen aber unverzichtbar.The construction according to the invention makes it possible to carry out a Seebeck measurement (required for determining the contact thermal resistance according to g), if the Seebeck coefficient of the sample ( 1 ) is not known), if at least one of the blocks ( 2a . 2 B ) with a heater ( 4a ) is equipped or can be externally tempered. A thermal separation of the holder from the environment or a control of the heat exchange with the environment is not required for this partial measurement, for thermal and Harman measurements but indispensable.

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 (2a, 2b) gemessen wird, ein Maß für die Temperaturdifferenz über der thermoelektrischen Probe (1).The block temperatures are measured by temperature sensors, for example thermocouples. Thus, all measurements with the device are also temperature-dependent feasible. By utilizing the Peltier effect, a temperature difference across the contact areas is established by passing a direct current I through the sample. When using metallic contacts having a vanishing Seebeck coefficient, the thermoelectric voltage is V 1 (or V 2 ) between the blocks ( 2a . 2 B ), a measure of the temperature difference across the thermoelectric sample ( 1 ).

Aufgrund des relativ geringen involvierten Wärmewiderstands der Kontakte (im Vergleich zur Probe (1)) und der geringen beteiligten Wärmekapazität (nur eine relativ schmale Zone der Probe (1) nahe dem Kontakt muss durch die Peltier-Wärme aufgeheizt werden) bildet sich die Temperaturdifferenz im Kontaktbereich in kurzer Zeit aus (typischerweise innerhalb 1s). Die Temperatur der Blöcke (2a, 2b) bleibt in dieser kurzen Zeit weitgehend unbeeinflusst durch die Peltier-Wärme. Weisen die Blöcke (2a, 2b) eine kleine Temperaturdifferenz auf (wenige K), kann in herkömmlicher Weise eine Messung des Seebeck-Koeffizienten S des Substrats durchgeführt werden, die im Prinzip auf einer gleichzeitigen Bestimmung der Temperaturdifferenz und der Thermospannung zwischen den Blöcken (2a, 2b) beruht. Damit ist der Peltier-Wärmestrom, der über die Kontakte fließt, bekannt: I·S·T.Due to the relatively low thermal resistance of the contacts involved (compared to the sample ( 1 )) and the low heat capacity involved (only a relatively narrow zone of the sample ( 1 ) near the contact has to be heated by the Peltier heat) the temperature difference in the contact area develops in a short time (typically within 1s). The temperature of the blocks ( 2a . 2 B ) remains largely unaffected by the Peltier heat in this short time. Do the blocks ( 2a . 2 B ) a small temperature difference (a few K), a measurement of the Seebeck coefficient S of the substrate can be carried out in a conventional manner, which in principle on a simultaneous determination of the temperature difference and the thermal voltage between the blocks ( 2a . 2 B ). Thus, the Peltier heat flux flowing over the contacts is known: I · S · T.

5 zeigt den Verlauf der Gesamtspannung über dem thermoelektrischen Substrat nach kurzzeitigem Zuschalten (etwa 1 s) und Wiederabschalten eines Gleichstroms durch die Probe, wie weiter vorne bereits erläutert. 5 FIG. 12 shows the progression of the total voltage across the thermoelectric substrate after a short circuit (about 1 second) and a direct current cut-off through the sample, as already explained above.

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.
Preferably, step h) of the method according to the invention comprises the following steps:
  • 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 (2a) eine Temperatur T1B und an der Berührungsfläche zwischen dem ersten Kontaktmaterial (3a) und der Probe eine Temperatur T1, im zweiten Block (2b) eine Temperatur T2B und an der Berührungsfläche zwischen dem zweiten Kontaktmaterial (3b) und der Probe eine Temperatur T2. Es gilt, je nach Richtung des Temperaturgradienten, T1B > T1 > T2 > T2B oder T1B < T1 < T2 < T2B. Es besteht also, hervorgerufen durch den Fourier-Wärmestrom von einem Block zum anderen, ein Temperaturverlauf im Inneren der Probe sowie der Kontaktbereiche in Richtung des Blockabstandes, also von einer Kontaktfläche hin zur anderen Kontaktfläche.According to step h1), a temperature difference in the interior of the sample and temperature differences over the contact areas are formed. It therefore prevails in the first block ( 2a ) a temperature T 1B and at the interface between the first contact material ( 3a ) and the sample a temperature T 1 , in the second block ( 2 B ) a temperature T 2B and at the interface between the second contact material ( 3b ) and the sample a temperature T 2 . It applies, depending on the direction of the temperature gradient, T 1B > T 1 > T 2 > T 2B or T 1B <T 1 <T 2 <T 2B . There is thus, caused by the Fourier heat flow from one block to another, a temperature profile in the interior of the sample and the contact areas in the direction of the block distance, ie from one contact surface to the other contact surface.

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 (1) flächig über Kontaktmaterialien (3a, 3b) mit Blöcken (2a, 2b) in Kontakt. Die Blöcke (2a, 2b) enthalten die Sonden, mit welchen dann eine Messung durchgeführt wird. Im Gegensatz hierzu sind im Stand der Technik die Sonden unmittelbar auf der Probe (1) aufgebracht beziehungsweise dieses wird versucht. Ein unmittelbares Aufbringen ist jedoch nicht möglich, sodass durch die Aufbringung der Sensoren auf die Probe im Stand der Technik die Messung verfälscht wird, da ein Teil der Wärme aus der Probe in die Kontaktstelle zwischen Sonde und Probe fließt. Diese Kontaktstelle hat eine räumliche Ausdehnung, sodass sie nicht idealisiert als Punkt angesehen werden kann, sodass es zu einem parasitären Wärmefluss kommt, wodurch ein Fehler in der Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten entsteht.According to the invention, the sample is now ( 1 ) over contact materials ( 3a . 3b ) with blocks ( 2a . 2 B ) in contact. The blocks ( 2a . 2 B ) contain the probes with which a measurement is then carried out. In contrast, in the prior art, the probes are directly on the sample ( 1 ) applied or this is tried. However, direct application is not possible such that the application of the sensors to the sample in the prior art falsifies the measurement because some of the heat from the sample flows into the contact point between the probe and the sample. This contact point has a spatial extent, so that it can not be considered ideal as a point, so that there is a parasitic heat flow, which creates an error in the determination of the Seebeck coefficient.

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 (2a) und/oder der zweite Block (2b) sind temperierbar. Dies kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass im Inneren des Blockes wenigstens ein Heizelement (4a) angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass externe Heizvorrichtungen vorhanden sind, durch welche der erste und/oder der zweite Block temperierbar sind.The first block ( 2a ) and / or the second block ( 2 B ) are tempered. This can preferably take place in that inside the block at least one heating element ( 4a ) is arranged. It is also possible that external heating devices are present, by means of which the first and / or the second block can be tempered.

Durch die Anlegung eines Gleichstroms, welcher von einem Block (2a) durch die Probe zum anderen Block (2b) fließt, entsteht in der Probe (1) aufgrund der thermoelektrischen Eigenschaften der Probe (1) eine Temperaturdifferenz. Diese entsteht entlang des Stromflusses, sodass sich die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktflächen der Probe (1) mit dem Block durch das Kontaktmaterial ausbildet. Durch die Sonde kann dann die Thermospannung V1 bestimmt werden, welche ein Maß für die Temperaturdifferenz über der Probe (1) darstellt. Weiterhin kann durch die Temperatursensoren auf den Blöcken die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Block (2a) und dem zweiten Block (2b) bestimmt werden. Aus diesen beiden Werten kann dann die relative Abweichung r der Thermospannung erreicht werden. Bestimmt man nun den Seebeck-Koeffizienten, so ist dieser durch die relative Abweichung r, die im Schritt h4) des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurde, zu korrigieren.By the application of a direct current, which of a block ( 2a ) through the sample to the other block ( 2 B ) flows, arises in the sample ( 1 ) due to the thermoelectric properties of the sample ( 1 ) a temperature difference. This arises along the current flow, so that the temperature difference between the two contact surfaces of the sample ( 1 ) forms with the block through the contact material. The thermoelectric voltage V 1 can then be determined by the probe, which is a measure of the temperature difference across the sample ( 1 ). Furthermore, by the temperature sensors on the blocks, the temperature difference between the first block ( 2a ) and the second block ( 2 B ). From these two values, the relative deviation r of the thermal voltage can then be achieved. If one now determines the Seebeck coefficient, this is to be corrected by the relative deviation r, which was determined in step h4) of the method according to the invention.

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 (1) so zu gestalten, dass der parasitäre Wärmewiderstand und der Wärmestrom zwischen Temperatursensor und Kontaktstelle, also zwischen den Orten der Temperatur- und der Thermospannungsmessung, oder, äquivalent dazu, der parasitäre Temperaturabfall zwischen beiden Orten, bekannt sind oder bestimmt werden können. Aus der relativen Temperaturmissweisung ergibt sich unmittelbar der systematische relative Fehler der Seebeck-Messung, so dass eine rechnerische Korrektur vorgenommen werden kann.The core of the invention lies in the approach, the contact points for measuring the thermal voltage on the sample ( 1 ) so that the parasitic thermal resistance and the heat flow between the temperature sensor and the contact point, ie between the locations of the temperature and the thermoelectric voltage measurement, or, equivalently, the parasitic temperature drop between the two locations, are known or can be determined. From the relative temperature rejection results directly the systematic relative error of the Seebeck measurement, so that a computational correction can be made.

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 (1) muss über den Wärmestrompfad zwischen Temperatursensor und Ort der Thermospannungsmessung ein elektrischer Gleichstrom eingespeist werden können, der stark genug ist, um über die Peltier-Wärme eine messbare Temperaturdifferenz über der Probe einzustellen. Dabei sollten alle Leitungsquerschnitte so groß sein, dass sich durch die Joule-Wärme des Stromes keine wesentlichen Wärmetönungen ergeben. Die Leitungen von üblichen Draht-Thermoelementen sind dazu bei weitem zu dünn.It has been described here that the parasitic thermal resistance of contacts in thermoelectric arrangements can be determined transiently under certain thermo-constructive boundary conditions. In particular, the following boundary conditions must be observed: In the sample ( 1 ) must be fed via the heat flow path between the temperature sensor and the location of the thermoelectric voltage measurement, an electrical DC current that is strong enough to set via the Peltier heat a measurable temperature difference across the sample. All wire cross-sections should be large enough that the joule heat of the stream does not produce any significant heat effects. The leads of conventional wire thermocouples are far too thin for this purpose.

Soll mit der Anordnung nur der Seebeck-Koeffizient gemessen werden, muss mindestens einer der Blöcke (2a, 2b) gegen die Umgebung soweit thermisch entkoppelt sein, dass sich eine ausreichende Temperaturdifferenz über der Probe herstellen lässt; dabei sind wenige Kelvin (K) ausreichend. Bei Verbindung mit thermischen Messungen, wie Wärmeleitfähigkeit oder Harman-Messung, sind auch solche Bedingungen herzustellen, dass mindestens eines der Wärmereservoire gegen die Umgebung thermisch gut gedämmt ist, so dass bei Relaxation einer Temperaturdifferenz über der Probe (1) nur ein vernachlässigbarer Anteil der im Reservoir gespeicherten Wärme in die Umgebung abfließt.If only the Seebeck coefficient is to be measured with the arrangement, at least one of the blocks ( 2a . 2 B ) be thermally decoupled from the environment so far that a sufficient temperature difference can be established over the sample; few Kelvin (K) are sufficient. When combined with thermal measurements, such as thermal conductivity or harman measurement, such conditions must be established that at least one of the heat reservoirs is thermally well insulated against the environment, so that upon relaxation of a temperature difference across the sample ( 1 ) only a negligible proportion of the heat stored in the reservoir flows into the environment.

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 (1) ohne die Möglichkeit eines lateralen Wärmeabstroms sicher, dass das Verhältnis r in Analogie zur Spannungsteilung am Potentiometer das Verhältnis des Kontaktwärmewiderstands zum Wärmewiderstand der Probe ausdrückt. Die Messung des Seebeck-Koeffizienten S der Probe erfolgt in herkömmlicher Weise, indem zwischen den Blöcken eine kleine driftende Temperaturdifferenz von wenigen K erzeugt wird und die Thermospannungen V1 und V2 aufgezeichnet werden, was im Prinzip einer gleichzeitigen Bestimmung der Temperaturdifferenz der Blöcke und der Thermospannung über der Probe entspricht. Der auf diese herkömmliche Weise bestimmte Seebeck-Koeffizient ist um das thermische Widerstandsverhältnis zu korrigieren; je größer der thermische Kontaktwiderstand, umso kleiner ist der verfälschte, herkömmlich gemessene Seebeck-Koeffizient.In order to take into account the influence of the thermal contact resistance on the thermoelectric measurements, the sample must be adiabatically terminated on its lateral surface (ie on all surfaces which are not connected to the blocks). The selected measurement geometry then sets due to the serial connection between contact and sample ( 1 ), without the possibility of lateral heat leakage, ensure that the ratio r in analogy to the voltage division on the potentiometer expresses the ratio of the contact thermal resistance to the thermal resistance of the sample. The measurement of the Seebeck coefficient S of the sample is done in a conventional manner by between the blocks a small drifting temperature difference of a few K is generated and the thermoelectric voltages V 1 and V 2 are recorded, which in principle a simultaneous determination of the temperature difference of the blocks and Thermal voltage across the sample corresponds. The Seebeck coefficient determined in this conventional manner is to be corrected for the thermal resistance ratio; the larger the thermal contact resistance, the smaller the falsified, conventionally measured Seebeck coefficient.

Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Probenhalterung zur Simultanmessung thermoelektrischer Eigenschaften ist in 1 dargestellt. Ergänzend werden für die elektrische Kontaktwiderstandsmessung zusätzliche dünne Sondenleitungen an der Probe (1) angebracht. Werden diese ergänzend zu gleichartigen Sonden auf den Blöcken zur Messung von Thermospannungen bei stromloser Probe eingesetzt, erhält man aus dem Vergleich beider Messungen den effektiven geometrischen Abstand der Probensonden (6, 7), der für die korrekte Separierung des elektrischen Kontaktwiderstandes bekannt sein muss. Damit kann auf eine aufwendige und Unsicherheiten unterworfene visuelle Bestimmung des Sondenabstandes verzichtet werden.The basic structure of a sample holder according to the invention for the simultaneous measurement of thermoelectric properties is shown in FIG 1 shown. In addition, additional thin probe leads are attached to the sample for the electrical contact resistance measurement ( 1 ) appropriate. If these are used in addition to similar probes on the blocks for the measurement of thermoelectric voltages in the currentless sample, the effective geometric distance of the sample probes is obtained from the comparison of both measurements ( 6 . 7 ), which must be known for the correct separation of the electrical contact resistance. This makes it possible to dispense with a complex and uncertain visual determination of the probe distance.

Analog zur Separation des elektrischen Kontaktwiderstandes kann durch Bestimmung der Thermospannungen innerhalb und außerhalb der Probe (1) der thermische Widerstand zwischen Material und Blöcken (2a, 2b) bestimmt werden, wenn nicht Potentialsonden (das heißt Einzelleitungen), sondern Thermoelement-Sonden (Leitungspaare) zusätzlich zu den in den Blöcken vorhandenen Thermoelementen auch an der Probe (1) angebracht werden. Dies ist als „thermisches Potentiometer“ bekannt, handwerklich schwierig herstellbar und fragil und bedarf einer kaum zu realisierenden dynamischen Nachführung der Sondentemperaturen während der Messung. Diese aufwendige und unsichere Vorgehensweise wird mit dem Aufbau gemäß der Erfindung umgangen.Analogous to the separation of the electrical contact resistance can be determined by determining the thermoelectric voltages inside and outside the sample ( 1 ) the thermal resistance between material and blocks ( 2a . 2 B ), if not probes (ie single leads), but thermocouple probes (lead pairs) in addition to the thermocouples present in the blocks also on the sample ( 1 ). This is known as a "thermal potentiometer", technically difficult to produce and fragile and requires a hardly realizable dynamic tracking of the probe temperatures during the measurement. This complex and uncertain procedure is circumvented with the structure according to the invention.

1 zeigt somit den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen simultanen Bestimmung aller thermoelektrischen Transportgrößen (Seebeck-Koeffizient, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, thermoelektrische Effektivität nach der Harman-Methode), ergänzt durch stationär thermalisierbare Sonden zur ungestörten thermoelektrischen Messung der Sondenposition. Die heizbaren Metallblöcke (2a, 2b), die beiderseits mit der Probe durch metallische Kontakte (3a, 3b) fest verbunden sind, sind gegen die Umgebung bevorzugt entsprechend der Messmethodik nach Stecker/Teubner adiabatisch isoliert. Durch die Verfügbarkeit zusätzlicher Kontakte auf der Probe (1) (im Abstand Ip), die durch Punktschweißen aufgebracht oder, komfortabler für den Laborbetrieb, durch Federkraft aufgedrückt werden können, kann der elektrische Kontaktwiderstand bestimmt und eliminiert werden. Im Gegensatz zu üblichen Messungen aus dem Stand der Technik ist keine dynamische Nachführung der Sondentemperatur erforderlich. 1 Thus, the schematic structure of an apparatus for simultaneous determination of all thermoelectric transport variables according to the invention (Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, thermoelectric efficiency according to the Harman method), supplemented by stationary thermalizable probes for undisturbed thermoelectric measurement of the probe position. The heatable metal blocks ( 2a . 2 B ), which on both sides with the sample by metallic contacts ( 3a . 3b ) are firmly adiabatically insulated against the environment according to the measurement methodology according to Stecker / Teubner. Due to the availability of additional contacts on the sample ( 1 ) (at a distance of I p ), which can be applied by spot welding or, more conveniently for laboratory operation, can be pressed by spring force, the electrical contact resistance can be determined and eliminated. In contrast to conventional prior art measurements, no dynamic tracking of the probe temperature is required.

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.

Claims (11)

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 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.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, respectively 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) high temporal resolution, - at least a second probe respectively on the first block (2a) and the second block (2b), formed 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 one or both blocks (2a, 2b) or one or both blocks, - at least two thermalizable potential probes (6, 7), which are located at a spatial distance I P , measured along the current flow direction through the sample, during the measurement can be brought into contact with the sample, - a thermal anchor (8) comprising a first temperature reservoir (8a) and a second temperature reservoir ir (8b), which are thermally connected to one another via a thermally conductive mechanical guide (8c), wherein the potential probes (6, 7) are in thermal contact with the thermally conductive mechanical guide (8c). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Block (2a) und der zweite Block (2b) gegen die Umgebung adiabatisch isoliert sind.Device after Claim 1 , characterized in that the first block (2a) and the second block (2b) are adiabatically insulated from the environment. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Block (2a) und/oder der zweite Block (2b) im Inneren ein Heizelement (9) aufweisen.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the first block (2a) and / or the second block (2b) have a heating element (9) inside. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend wenigstens eine Heizvorrichtung, mit welcher die Temperatur des ersten und/oder des zweiten Blocks (2a, 2b) und/oder des ersten und/oder des zweiten Temperaturreservoirs (8a, 8b) eingestellt werden kann.Device according to one of Claims 1 to 3 , further comprising at least one heating device, with which the temperature of the first and / or the second block (2a, 2b) and / or the first and / or the second temperature reservoir (8a, 8b) can be adjusted. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend eine Einrichtung, mit welcher der Abstand der Potentialsonden (6, 7) von der Probe (1) eingestellt werden kann, wobei während der Messung die Potentialsonden (6, 7) mit der Probe verbunden und wieder gelöst werden können.Device according to one of Claims 1 to 4 , further comprising means for adjusting the distance of the potential probes (6, 7) from the sample (1), wherein during the measurement the potential probes (6, 7) can be connected to the sample and released again. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung die Potentialsonden (6, 7) mittels Federkraft mit der Probe (1) in Kontakt bringt.Device after Claim 5 , characterized in that the device brings the potential probes (6, 7) by spring force with the sample (1) in contact. Verfahren zur simultanen Bestimmung thermoelektrische Eigenschaften einer Probe (1) mit thermoelektrischen Eigenschaften mittels einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Probe zwei räumlich voneinander getrennte Kontaktflächen aufweist und der Abstand zwischen diesen Kontaktflächen der Länge l entspricht, umfassend: 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 der erste Block (2a) und der zweite 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 < I 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.Method for the simultaneous determination of thermoelectric properties of a sample (1) with thermoelectric properties by means of a device according to one of the Claims 1 to 6 in which the sample has two spatially separated contact surfaces and the distance between these contact surfaces corresponds to the length l, comprising: a) bringing a first contact surface of the sample (1) into contact with a first contact material (3a) with a first block (2a) and b) contacting a second contact surface of the sample (1) with a second block (2b) via a second contact material (3b), wherein the first block (2a) and the second block (2b) comprise a metal and / or a metal Coating, wherein metal and / or metallic coating have a low Seebeck coefficient, typically <5 μV / K, c) applying at least one probe (4) formed as a thermocouple of two thin lines of thermocouple alloys, respectively the first block (2a) and the second block (2b), such that they are electrically conductively connected to the respective contact material (3a, 3b) via the respective block (2a, 2b) nd, d) contacting potential probes (6, 7) with the sample (1), wherein the distance between the probes is I P and I P <I, the potential probes on the sample (1) and at least one each Conduction of the probes on the blocks (2a, 2b) consist essentially of the same material and the application is carried out such that during the subsequent measurement, no electric current and no heat to or from the sample via the probes or can flow, e) Determining the effective distance of the electric potential probes on the sample (1), f) Determining the thermal conductivity k and the thermoelectric quality ZT of the sample (1) g) Determining the contact thermal resistance R C th of the contact material (3a, 3b) and h) Determination of electrical conductivity. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt e) die folgenden Schritte umfasst: 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.Method according to Claim 7 characterized in that step e) comprises the steps of: 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 blocks respectively applied Probes, e3) subsequently or simultaneously with e2) and under the same temperature conditions as in step e2), determining a thermal voltage V P by means of the electric potential probes applied to the sample, and e4) forming the ratio V P / V 1 for determining the effective probe position , Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt f) die folgenden Schritte umfasst: f1) gegebenenfalls Beenden der Wärmezufuhr aus Schritt e1), f2) Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes, f3) Änderung der Stromstärke zum Zeitpunkt to und f4) zeitlich aufgelöste Messung der Spannung über einen Zeitraum unmittelbar nach Abschalten des Stromes, die es ermöglicht, auf den Anfangswert der Spannung unmittelbar nach der Stromänderung sowie auf die ungefähre Zeitdauer bis zum Abklingen der anfänglichen raschen Spannungsänderung rückzuschließen, f5) anschließende zeitaufgelöste Messung der Spannung über einen Zeitraum, in welchem sich das System im Wesentlichen auf den neuen Gleichgewichtszustand eingestellt hat, die es ermöglicht, auf den Anfangswert dieser langsameren Spannungsänderung zum Zeitpunkt der Stromänderung sowie auf die Zeitkonstante des Abklingens dieser langsameren Spannungsänderung bis zum neuen Gleichgewichtszustand sowie auf den Endwert bei Erreichen des Gleichgewichts rückzuschließen , f6) numerische Anpassung der Daten aus den Schritten f4) und f5) und zeitliche Extrapolation des gemessenen Spannungsabfalls aus Schritt f5) zum Erhalt einer Basislinie bis zum Zeitpunkt t0, f7) Bilden der Differenz aus dieser Basislinie und den experimentellen Daten aus Schritt f4), wobei die Differenz bei t0 der Amplitude A2 entspricht; Bilden der Differenz A1 aus dieser Basislinie und dem Endwert im Gleichgewicht aus Schritt f5) 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 nach dem herkömmlichen dynamischen Absolutverfahren (loffe-Methode) oder einem vergleichbaren Verfahren und der thermoelektrischen Güte ZT nach der Harman-Methode unter Berücksichtigung des relativen systematischen Fehlers aus Schritt f7).Method according to Claim 7 or 8th , characterized in that step f) comprises the following steps: f1) optionally terminating the heat supply from step e1), f2) reaching a thermal equilibrium state, f3) changing the current at the time to and f4) time-resolved measurement of the voltage over a period immediately after switching off the current that makes it possible to the initial value f5) subsequent time-resolved measurement of the voltage over a period of time in which the system has substantially adjusted to the new state of equilibrium that it allows, on the voltage immediately after the current change and the approximate time to decay of the initial rapid voltage change; f6) numerical adaptation of the data from the initial value of this slower voltage change at the time of the current change as well as the time constant of the decay of this slower voltage change to the new equilibrium state and to the final value when equilibrium is reached Steps f4) and f5) and temporal extrapolation of the measured voltage drop from step f5) to obtain a base line up to the time t 0, f7) forming the difference between this baseline and experimental data from step f4), wherein the difference at t 0 the amplitude A 2 corresponds; Forming the difference A 1 from this baseline and the final value in equilibrium from step f5) and forming 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 according to the conventional dynamic absolute method (loffe method) or a comparable method and the thermoelectric quality ZT according to the Harman method, taking into account the relative systematic error from step f7). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt g) die folgenden Schritte umfasst: 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, das Substrat (1) und erneut das Kontaktmaterial 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 R C th = Δ τ p ( P = Peltierwärmestrom ) .
Figure DE102016223548B4_0007
Method according to one of Claims 7 to 8th characterized in that step g) comprises the steps of: g1) supplying a DC current across the blocks so that the current I flows from one block to the other block, the current passing through the contact material, the substrate (1) and again the contact material flows, g2) determination of A 2 , g3) determination of 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 to R C th = Δ τ p ( P = Peltier heat flow ) ,
Figure DE102016223548B4_0007
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt h) die folgenden Schritte umfasst: 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; h2) Bestimmung der relativen Abweichung von der nach h1) erhaltenen Temperaturdifferenz zu der Temperaturdifferenz über der Probe, und h3) Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten, korrigiert durch die in Schritt h2) erhaltene Abweichung Scorr = (1+r) Sold.Method according to one of Claims 7 to 9 , characterized in that step h) comprises the following steps: h1) heating a block or non-uniform heating of both blocks (2a, 2b), so that inside the sample (1) forms a time-constant or time-variable temperature difference between the two contact surfaces and determining the temperature difference ΔT between the blocks, and preferably simultaneously determining the thermal voltage V 1 between the blocks (2a, 2b), which is formed by the temperature difference across the sample (1); h2) determining the relative deviation from the temperature difference obtained according to h1) to the temperature difference across the sample, and h3) determining the Seebeck coefficient, corrected by the deviation S corr = (1 + r) S old obtained in step h2).
DE102016223548.6A 2016-06-21 2016-11-28 Simultaneous precision method and device for measuring thermoelectric properties and contact resistance Active DE102016223548B4 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016211082 2016-06-21
DE102016211082.9 2016-06-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102016223548A1 DE102016223548A1 (en) 2017-12-21
DE102016223548B4 true DE102016223548B4 (en) 2018-08-02

Family

ID=60481095

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016223548.6A Active DE102016223548B4 (en) 2016-06-21 2016-11-28 Simultaneous precision method and device for measuring thermoelectric properties and contact resistance

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102016223548B4 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115078842A (en) * 2022-06-23 2022-09-20 华能龙开口水电有限公司 GCB contact resistance on-line monitoring method for large-scale generator and storage medium

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120213250A1 (en) 2011-02-23 2012-08-23 California Institute Of Technology Measuring seebeck coefficient
JP2013214642A (en) 2012-04-03 2013-10-17 Ulvac-Riko Inc Thermoelectric material measurement device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120213250A1 (en) 2011-02-23 2012-08-23 California Institute Of Technology Measuring seebeck coefficient
JP2013214642A (en) 2012-04-03 2013-10-17 Ulvac-Riko Inc Thermoelectric material measurement device

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.T. Burkov et al.: Experimental set-up for thermopower and resistivity measurements at 100–1300 K. In: Meas. Sci. Technol., 12, 2001, S. 264–272.
D. Vasilevski et al. (J. of Electronic Materials, 2014: System for simultaneous Harman-Based Mearsurement of All Thermoelectric Properties, from 240 to 720 K, by Use of a Novel Calibration Procedure
D. Vasilevskiy et al., "System for Simultaneous Harman-Based Measurement of All Thermoelectric Properties, from 240 to 720 K, by Use of a Novel Calibration Procedure"; In: J. Electr. Mater. 44 (2015), S. 1733-1742
H. Kolb et al.: Simultaneous measurement of all thermoelectric properties of bulk materials in the temperature range 300–600 K. In: Rev. Sci. Instrum., 86, 2015, S. 073901-1 – 073901-8.
J. de Boor et al., Journal of Alloys and Compounds, 2015, 632, 348)
J. de Boor, V. Schmitt: "Complete Characterization of Thermoelectric Materials by a Combined van der Pauw Approach". In: Adv. Mater. 22 (2010), S. 4303-4307
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

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016223548A1 (en) 2017-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112007001888B4 (en) Sensor in a differential scanning calorimeter
EP3688430B1 (en) Temperature measuring device and method for determining temperature
DE3529489C2 (en)
EP2502057B1 (en) System and method for thermal analysis
EP3338070A1 (en) Temperature measuring device with comparison temperature determination
DE102017100268A1 (en) Apparatus and method for in situ calibration of a thermometer
DE102016123856A1 (en) Method for in situ calibration of a thermometer
DE102016223548B4 (en) Simultaneous precision method and device for measuring thermoelectric properties and contact resistance
EP0775897A1 (en) Temperature sensing arrangement
DE102012003407A1 (en) Temperature measuring module with position compensation
DE102018116309A1 (en) Thermometer with diagnostic function
DE102016214137B4 (en) Method for determining the thermal conductivity and the thermoelectric quality of thermoelectric samples
DE102016217719B4 (en) Dynamic measurement of the thermal resistance of contacts on thermoelectric samples
DE19756069C1 (en) Differential thermal analysis device
DE102016217714B4 (en) Procedure for determining the Seebeck coefficient
DE102021117715A1 (en) Thermometer with improved measurement accuracy
EP3472603B1 (en) Thermoelectric determination of the effective distance of electrical potential sondes
EP4028735A1 (en) Noninvasive thermometer
DE2631199A1 (en) Measuring length changes of sample - by placing strain gauge on sample and another on piece of same material for temp. compensation
DE19707844A1 (en) Thermometer with measurement error compensation
DE1648228C (en) Device for determining transition temperatures
DE102019129820A1 (en) Evaluating the measurement quality of the sensor element for detecting an object temperature
DE102019124603A1 (en) Non-invasive thermometer
DE102018115286A1 (en) Temperature calibrator
DE420336C (en) Hot wire measuring instrument with display device, the setting of which depends on the temperature difference between the hot part of the hot wire and a colder part of the circuit

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01N0025000000

Ipc: H01L0035340000

R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01L0035340000

Ipc: H10N0010010000