专利名称：一种热电材料测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料测试装置领域，尤其涉及一种热电材料测量仪。
技术背景对热电材料的研究是材料科学的一个研究热点。热电材料指通过其热 电效应实现热能和电能直接相互转换的功能材料。作为一种能源转换材料， 热电材料的应用不需要用传动部件，工作时无噪音，无排弃物，和太阳能， 风能，水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能 可靠，使用寿命长，具有广泛的应用前景。目前已有一系列的热电材料被研制出来，如BizTe系、PbTe系、SiGe系 等合金，但由于其热电转换率相对较低，限制了热电材料的广泛应用。衡量热电材料的热电性能用优值系数Z, Z值越高，热电转换效率越高， 热电材料的性能越好。优值系数Z可通过以下公式计算得出<formula>formula see original document page 4</formula> (1.1)其中S是塞贝克系数，(7是材料的电导率，k是材料的热导率。塞贝克系数是热电材料重要的性能之一，从式(1.1)可见，塞贝克系数S越大，优值系数Z越大，材料的热电性能越好。精确测量材料的塞 贝克系数，对于研究热电材料性能以及开发新型热电材料具有重要的现实 意义。现有涉及塞贝克系数的测试装置，主要存在结构复杂，测试过程耗时 较长，需根据极性来进行样品安装，难以进行低温测试以及测量精度较低等问题。 发明内容本发明的目的在于解决现有技术中的难题，提供一种可以从任意方向 对热电材料的塞贝克系数进行测量、且不需确定待测样品的极性的热电材 料测量仪。为实现上述目的，本发明的技术方案为 一种热电材料测量仪，包括 样品台及其测试装置，该样品台包括底座及设于底座上的第一、第二样品 夹，第一、第二样品夹内均设有加热元件及制冷元件，且第一、第二样品 夹夹持样品的一侧均设有温度传感器及电压探针，该测试装置包括与加热 元件及制冷元件连接的温度控制器、与加热元件及制冷元件连接的数据采 集器、及与温度控制器及数据采集器连接的中心控制器。该制冷元件为半导体制冷片，且其冷端靠近样品-没置，其热端连接有 一循环水冷装置；该循环水冷装置包括紧贴于半导体制冷片热端的水箱及 将两个水箱连接起来的U型水管。第 一样品夹远离样品的 一侧通过一 固定端夹柱安装于底座的 一端上， 第二样品夹远离样品的一侧通过可动端夹柱及调节装置安装于底座的另一 端上，第一、第二样品夹的另一侧夹持样品；第一、第二样品夹的底部通 过导轨与底座连接。温度控制器包括与加热元件连接的交流调压器及与制冷元件连接的 PWM积分器。数据采集器包括与温度传感器连接的温度采集器及与电压探针连接的 电压采集器。中心控制器包括数据处理器及计算机，数据处理器连接温度控制器及数据采集器，计算机通过串口转USB模块与数据处理器连接。 该计算机包括以下功能模块 监控模块，用于对测试装置的参数进行修正； 显示模块，用于显示测试过程中的各种参数。 样品台设于真空罩内部。与现有技术相比，本发明在每个样品夹内均设有加热元件及制冷元件， 可以从任意方向对热电材料的塞贝克系数进行测量、且不需确定4寺测样品 的极性，当需要改变温差方向时，只需通过中心控制器改变加热元件及制 冷元件的制热制冷情况，便可简单实现，而避免将样品从样品夹上拆卸再 重新装上所带来的麻烦。另外，本发明的测试环境可达到的最低温度较低，而且本装置结构简 单，操作方便，系统响应快速，成本较低。
图l为本发明热电材料测量仪的结构示意图； 图2为本发明样品台部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图1及图2所示， 一种热电材料测量仪，包括样品台及其测试装置， 该样品台包括底座l及设于底座l上的第一、第二样品夹4、 5，第一、第 二样品夹4、 5内均设有加热元件9、 9，及制冷元件ll、 11，，且第一、第 二样品夹4、 5夹持样品的一侧均设有温度传感器15、 15，及电压探针17、17，，该测试装置包括与加热元件9、 9，及制冷元件ll、 11，连接的温度 控制器14、与加热元件9、 9，及制冷元件ll、 11，连接的数据采集器19、 及与温度控制器14及数据采集器19连接的中心控制器。其中，该样品台 设于真空罩内部，该底座l主要起支撑固定的作用，为了保证测试M的 准确性，该温度传感器15、 15，及电压探针17、 17，依次贴近样品i殳置。 本发明中，该制冷元件ll、 11，为半导体制冷片，该半导体制冷片包 括冷端及热端，且上述结构中，两个半导体制冷片的冷端均靠近样品设置， 两个热端通过循环水冷装置13、 13，进行散热。循环水冷装置13、 13'包该第一样品夹4为固定端样品夹，其远离样品的一侧通过一固定端夹 柱6安装于底座1的一端上，该第二样品夹5为可动端样品夹，其远离样 品的一侧通过可动端夹柱7及调节装置8安装于底座1的另一端上，且第 一、第二样品夹4、 5的另一侧夹住样品。该调节装置8可为一调节螺4丁， 该调节螺钉通过与底座1上螺孔的配合来实现可动端夹柱7的左右移动， 从而调节样品空间的大小。第一、第二样品夹4、 5的底部通过导轨3与底 座1连接，使第一、第二样品夹4、 5与底座1实现滑动连接，使得样品空 间的调节更为便捷。另外，底座与夹柱均采用绝热绝缘材料所制，与两个 样品夹之间实现绝热绝纟彖。温度控制器14包括与加热元件9、 9，连接的交流调压器10及与制冷 元件ll、 11，连接的PWM积分器12。来自中心控制器的加热控制信号输入 至全隔离交流调压器10，可以直接实现弱电控制信号对强电电压的控制， 输出0-220V可调交流电压，以控制加热元件9、 9，的加热；来自中心控制器的制冷控制信号，以PWM信号的形式输入PWM积分器12,转换成控制模
拟电压，输入至制冷元件n、 ir以实现制冷控制。
数据采集器19包括与温度传感器15、 15，连接的温度采集器16及与电 压探针17、 17，连接的电压采集器。样品的温度信号从温度传感器15、 15， 输入，在温度采集器16中经增益、滤波，得到合适的温度信号值；电压采 集器采用高精度的24位A/D转换，测量精度可达lpV，电压探针17、 17，之 间的电势差，以差分输入的形式进入电压采集器。经数据采集器19采样后 的温JL信号和电压信号，输入至中心控制器。
该中心控制器用于实现对所有采样数据的处理以及对系统的自动化控 制。中心控制器包括数据处理器20及计算机24，数据处理器20连接温度 控制器14及数据采集器19,计算机24通过串口转USB才莫块23与数据处理 器20连接。
本发明的数据处理器20对数据采集器19输入的温度和电压信号进行 标定和校正，并计算出温度的控制值，输出相应的控制信号。数据处理器 20采用模糊自调整PID算法实现对样品温度的控制，根据测量温度与设定 温度之间的差值以及差值的变化率，自动调节PID算法的控制参数，以实 现快速稳定的温度控制。
本发明的计算机24包括以下功能模块
监控模块，可以在计算机24上对测量装置进行监控，实时对测试装置 的^进行修正，给测试工作带来了很大的方便性； 显示模块，用于显示测试过程中的各种参数。
本发明也可带有液晶显示器21,用以显示测试过程中的各种参数，还带有小键盘22,可以直接对系统进行控制操作，因此可以在没有计算机的 情况下仍可进行实验，具有较高的灵活性。
本发明中的塞贝克效应指在两种不同金属构成的回路中，当两个接头 处的温度不同，回路中有一电动势存在，这种电动势就称塞贝克电动势或 温差电动势，这种效应就称塞贝克效应。根据塞贝克系数的定义，热电材 料的塞贝克系数可表示为
<formula>formula see original document page 9</formula> 式中S为塞贝克系数，V为温差电材料两端产生的塞贝克电动势，△ T为温差电材料两端的温差。
进行测试时，先将待测样品25放在样品台上，通过调节螺钉8将待测样 品夹紧，两端要与样品夹完全接触，然后把样品台》认真空罩2内，对其进 行密封，保证其气密性，然后对内抽真空。打开循环水冷装置13、 13'，接 通系统电源，通过小键盘22或计算机24上的监控软件对两端样品夹4、 5的 温度进行设定，待温度达到稳态后开始测量。数据处理器20根据温度采集 器16和电压采集器18所测得的样品两端温差以及电势差，计算出待测样品 的塞贝克系数。为了避免过大的温差变化导致温度波动， 一般每次改变 5-IOK的温差。
对于塞贝克系数的测量本发明采用改进的Harman方法，只要知道样品 两端的电势差以及温度差，就可求出塞贝克系数。
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，v为样品两端电势差，7;为^f品热端的温度，7;为^f品冷端温度。在对样品进行测量时，首先用本测量仪调节样品两端的温度7;、 rc, 测量样品在不同的温差条件下的电势差，以此计算出对应的塞贝克系数， 并找出塞贝克系数最大时所对应的K与7;值。
定义样品热端温度与冷端温度的平均温度为
改变7;、 7;值，但保持塞贝克系数最大时的平均温度Tavg值不变，测量
在固定Tavg下样品两端的电势差，验证该塞贝克系数是否符合式U.2)的规律。
权利要求
1. 一种热电材料测量仪，包括样品台及其测试装置，其特征在于该样品台包括底座及设于底座上的第一、第二样品夹，第一、第二样品夹内均设有加热元件及制冷元件，且第一、第二样品夹夹持样品的一侧均设有温度传感器及电压探针，该测试装置包括与加热元件及制冷元件连接的温度控制器、与加热元件及制冷元件连接的数据采集器、及与温度控制器及数据采集器连接的中心控制器。
2、 根据权利要求l所述的热电材料测量仪，其特征在于该制冷元件 为半导体制冷片，且其冷端靠近样品设置，其热端连接有循环水冷装置。
3、 根据权利要求2所述的热电材料测量仪，其特征在于该循环水冷管。
4、 根据权利要求1所述的热电材料测量仪，其特征在于第一样品夹 远离样品的一侧通过一 固定端夹柱安装于底座的 一端上，第二样品夹远离 样品的一侧通过可动端夹柱及调节装置安装于底座的另一端上，第一、第 二样品夹的另 一侧夹持样品。
5、 根据权利要求4所述的热电材料测量仪，其特征在于第一、第二样品夹的底部通过导轨与底座连接。
6、 根据权利要求l所述的热电材料测量仪，其特征在于温度控制器 包括与加热元件连接的交流调压器及与制冷元件连接的PWM积分器。
7、 根据权利要求l所迷的热电材料测量仪，其特征在于数据采集器 包括与温度传感器连接的温度采集器及与电压探针连接的电压采集器。
8、 根据权利要求l所述的热电材料测量仪，其特征在于中心控制器 包括数据处理器及计算机，数据处理器连接温度控制器及数据采集器，计 算机通过串口转USB模块与数据处理器连接。
9、 根据权利要求8所述的热电材料测量仪，其特征在于该计算机包 括以下功能模块监控模块，用于对测试装置的参数进行修正； 显示^f莫块，用于显示测试过程中的各种参数。
10、 根据权利要求1至9任一项所述的热电材料测量仪，其特征在于-. 样品台设于真空罩内部。
全文摘要
本发明涉及一种热电材料测量仪，包括样品台及其测试装置，该样品台包括底座及设于底座上的第一、第二样品夹，第一、第二样品夹内均设有加热元件及制冷元件，且第一、第二样品夹靠近样品的一端均设有温度传感器及电压探针，该测试装置包括与加热元件及制冷元件连接的温度控制器、与加热元件及制冷元件连接的数据采集器、及与温度控制器及数据采集器连接的中心控制器。本发明可以从任意方向对热电材料的塞贝克系数进行测量、且不需确定待测样品的极性，使得测试更加简便快捷。
文档编号G01N27/14GK101285788SQ20081002817
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者山 任, 周建英, 梁晓峰, 王自鑫, 陈弟虎 申请人:中山大学