一种薄膜材料塞贝克系数测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及热电性能测试领域的一种测量仪，特别涉及一种薄膜材料塞贝克系数测量仪。该测量仪包括样品台、温度控制系统和数据采集系统。样品台包括样品夹和底座，样品夹为两部分，用来固定测试样品，分别称为热端和冷端；温度控制系统包括传感器、温控器、继电器、加热器和冷却器，传感器、加热器和冷却器均设置在样品夹上，数据采集系统包括金电极和数据采集卡。本发明提供的塞贝克系数测量仪可以测量厚度大于20nm薄膜的塞贝克系数，同时也能够测量厚度小于10mm块体的塞贝克系数，并且可以以每秒10000次的速度进行连续动态测量，大大增加了数据可靠性和测试效率。
【专利说明】一种薄膜材料塞贝克系数测量仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及热电性能测试领域的一种测量仪，特别涉及一种薄膜材料塞贝克系数 测量仪。
【背景技术】
[0002] 热电材料可以将热能直接转化成电能（塞贝克效应）。它具有无运动部件，无噪 音，无污染，性能可靠寿命长等优点。衡量薄膜热电材料热电性能优劣的重要指标为塞贝 克系数，它由材料自身属性决定，塞贝克系数越高，材料的热电性能越好，热电转化效率越 高。近年来随着航天、深空探测等特殊应用对于热电材料提出了轻量化，高效化的更高要求 和真空镀膜技术的进步，出现了薄膜型热电材料及器件，目前很多研究者都在尝试制备具 有高性能的热电薄膜。目前已有的塞贝克系数测试装置主要针对块体材料，少有针对薄膜 的测试系统。因此设计一种稳定可靠的专门针对薄膜材料的塞贝克系数测量仪显得尤为重 要。
【发明内容】
[0003] (一）要解决的技术问题
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种薄膜材料塞贝克系数测量仪，以克服现有仪 器不能对薄膜材料进行测试的缺陷，并且实现塞贝克系数的动态连续测量。
[0005] (二）技术方案
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种薄膜材料塞贝克系数测量仪，包括样品 台、温度控制系统和数据采集系统；
[0007] 所述样品台包括样品夹和底座，所述样品夹用来固定测试样品，其包括热端部和 冷端部，所述热端部和冷端部分别固定测试样品的两端；
[0008] 所述温度控制系统包括传感器、温控器、继电器、加热器和冷却器，所述传感器、力口 热器和冷却器均设置在所述样品夹上，所述温控器输入端与所述传感器相连，其输出端与 所述继电器输入端相连，所述加热器和所述冷却器分别与所述继电器的输出端相连，所述 热端部和所述冷端部之间具有温差；
[0009] 所述数据采集系统包括金电极和数据采集卡；所述金电极用于采集测试样品的电 压信号，通过所述数据采集卡进行模数转换，显示于具有信息交互单元的计算机。
[0010] 进一步地，所述样品台的热端部上设有若干个孔，用于放置加热器和冷却器；
[0011] 所述样品台的冷端部上设有若干个孔，用于放置加热器和冷却器。
[0012] 进一步地，所述样品夹的热端部和冷端部分别连接传感器，所述传感器与所述温 控器相连，所述温控器的输出端连接所述继电器，所述继电器连接加热器构成加热回路；
[0013] 或者，所述继电器连接冷却器构成冷却回路。
[0014] 进一步地，对于所述样品的夹热端回路，所述继电器常开触点接若干个加热器，常 闭触点接若干个冷却器，每个加热回路或冷却回路都有开关单独控制，干路设总开关；
[0015] 或者，
[0016] 对于所述样品夹的冷端回路，所述继电器常开触点接若干个加热器，常闭触点接 若干个冷却器，每个加热回路或冷却回路都有开关单独控制，干路设总开关。
[0017] 进一步地，所述加热器采用不锈钢电加热器；所述冷却器采用半导体制冷元件。
[0018] 进一步地，所述底座由具有电绝缘性能和热绝缘性能的材料制成。
[0019] 进一步地，所述样品夹上设有用来固定测试样品的螺丝，所述螺丝沿测试样品的 长度方向位置可调。
[0020] 进一步地，所述样品夹热端部和冷端部与底座间通过螺丝固定，所述螺丝沿底座 长度方向移动，用来调整热端部和冷端部之间的距离。
[0021] 进一步地，所述温控器为可编程比例积分微分PID调节器；
[0022] 继电器为可控硅固态继电器；
[0023] 传感器为热敏电阻或热电偶。
[0024] 进一步地，所述金电极为铜基材单面镀金，镀金一面与测试样品接触；所述数据采 集卡为盒式，与计算机接口连接。
[0025] (三）有益效果
[0026] 本发明提供的塞贝克系数测量仪可以测量厚度大于20nm薄膜的塞贝克系数，同 时也能够测量厚度小于1〇_块体的塞贝克系数，并且可以以每秒10000次的速度进行连续 动态测量，大大增加了数据可靠性和测试效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是本发明实施例中薄膜材料塞贝克系数测量仪的结构示意图；
[0028] 图2是本发明实施例薄膜材料塞贝克系数测量仪中样品台的结构示意图；
[0029] 图3是本发明实施例薄膜材料塞贝克系数测量仪中温度控制系统的接线图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0031] 如图1、图2和图3所示，本实施例提供的薄膜材料塞贝克系数测量仪，包括样品 台、温度控制系统和数据采集系统，所述样品台包括样品夹和底座，所述样品夹为两部分， 用来固定测试样品，分别称为热端部和冷端部。所述温度控制系统包括传感器、温控器、继 电器、加热器和冷却器，所述传感器、加热器和冷却器均设置在所述样品夹上，所述温控器 通过采集传感器信号，通过所述继电器，控制所述加热器和所述冷却器从而实现对所述样 品夹的温度控制，使所述热端部（样品一端）和所述冷端部（样品另一端）保持一定温差， 根据塞贝克原理，测试样品将产生塞贝克电压。所述数据采集系统包括金电极和数据采集 卡，所述金电极采集来自测试样品的微弱电压信号，通过所述数据采集卡进行模数转换，最 终显示于具有信息交互单元的计算机，该信息交互单元通过交互式软件设计，所述数据采 集卡同时还采集并显示来自所述温控器的温度值。本发明提供的塞贝克系数测量仪可以测 量厚度大于20nm的薄膜的塞贝克系数，同时也能够测量厚度小于10_块体的塞贝克系数， 并且可以以每秒10000次的速度进行连续动态测量，大大增加了数据可靠性和测试效率。
[0032] 其中，该样品台采用纯铜材料制成，样品台的热端部上设有若干个孔，其中一部分 用于放置加热器，另一部分用于放置冷却器。冷端部上设有若干个孔，其中一部分用于放置 加热器，另一部分用于放置冷却器。加热器和冷却器的数量可以根据热端、冷端的温差和当 时的环境条件进行调整。如果温控器精度足够高，也可以在热端不放置冷却器，但放置冷却 器有利于热端降温以重复测量。
[0033] 其中，加热器采用棒状不锈钢电加热器，也可采用棒状陶瓷加热器或其他形状的 加热器；冷却器可采用半导体制冷元件或散热片，也可直接水冷冷却，采用半导体制冷有利 于提商控温精度。
[0034] 底座采用陶瓷或耐火砖等具有良好电绝缘性能和热绝缘性能的材料制成。样品夹 的热端部和冷端部的距离要尽可能大以避免热辐射对冷端温度造成波动。
[0035] 本实施例中，所述样品夹对于不同规格的样品，其尺寸可调。所述样品夹上用来固 定薄膜的螺丝沿薄膜长度方向位置可调，从而扩大测试范围。而所述样品夹热端和冷端与 底座间固定用螺丝可沿底座长度方向移动，使得热端和冷端间距离可调，从而扩大样品的 适用尺寸。
[0036] 该温控器为可编程PID调节器或不可编程的PID调节器，采用可编程的多段PID 调节器有利于提高控温精度。
[0037] 该继电器为可控硅固态继电器、普通固态继电器或电磁继电器，采用可控硅固态 继电器有利于提高控温精度。
[0038] 该传感器为热电偶或热电阻。低温时采用热电阻可以提高温控器的控温精度。
[0039] 该样品夹热端和冷端均有一个所述传感器与之相连，分别与一个所述温控器相 连，所述温控器的输出端连接所述继电器，所述继电器接加热器或冷却器构成加热回路或 冷却回路。对于热端，所述继电器常开触点接4个加热器，常闭触点接4个冷却器，对于冷 端，所述继电器常开触点接2个加热器，常闭触点接6个冷却器。通常情况下由于沿薄膜方 向的热传导和热端的热辐射，冷端温度会高于设定值，冷却器参与工作，而2个加热器的作 用是提供温度补偿，防止过度冷却造成温度低于设定值。每个加热回路或冷却回路都有开 关单独控制，干路设总开关，通过控制开关可以选择参与工作的加热器和冷却器数量。
[0040] 该金电极为铜基材单面镀金，镀金一面与测试样品保持良好的电接触，另一面与 纯铜制成的样品台接触，由于材料相同，可以避免接触电势对测量造成影响。
[0041] 本实施例中，所述数据采集卡为盒式，可与计算机通过USB接口连接，即插即用。
[0042] 本发明提供的薄膜材料塞贝克系数测量仪，具有以下优点：
[0043] (1)针对薄膜材料设计了样品台，样品夹对于不同规格的样品，其尺寸可调。样品 夹上用来固定薄膜的螺丝沿薄膜长度方向位置可调，从而扩大了测试范围。而样品夹热端 部和冷端部与底座间固定用螺丝可沿底座长度方向调整位置，使得热端部和冷端部间距离 可调，从而扩大样品的适用尺寸，可测量厚度为20nm?10mm，长度10mm?250mm的样品。
[0044] (2)采用铜基材单面镀金电极，既保证了与被测样品良好的电接触，又避免了接触 电势对测试造成影响。
[0045] (3)采用可编程PID调节器和可控硅固态继电器，可以精确控制恒温过程，精度为 ±0. 5 度。
[0046] (4)采用数据采集卡，能够连续采集电压信号，实现了塞贝克系数的连续测量，大 大提高测试效率和数据可靠性。
[0047] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换 也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，包括样品台、温度控制系统和数据采 集系统； 所述样品台包括样品夹和底座，所述样品夹用来固定测试样品，其包括热端部和冷端 部，所述热端部和冷端部分别固定测试样品的两端； 所述温度控制系统包括传感器、温控器、继电器、加热器和冷却器，所述传感器、加热器 和冷却器均设置在所述样品夹上，所述温控器输入端与所述传感器相连，其输出端与所述 继电器输入端相连，所述加热器和所述冷却器分别与所述继电器的输出端相连，所述热端 部和所述冷端部之间具有温差； 所述数据采集系统包括金电极和数据采集卡；所述金电极用于采集测试样品的电压信 号，通过所述数据采集卡进行模数转换，显示于具有信息交互单元的计算机。
2. 如权利要求1所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述样品台的热端 部上设有若干个孔，用于放置加热器和冷却器； 所述样品台的冷端部上设有若干个孔，用于放置加热器和冷却器。
3. 如权利要求1所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述样品夹的热端 部和冷端部分别连接传感器，所述传感器与所述温控器相连，所述温控器的输出端连接所 述继电器，所述继电器连接加热器构成加热回路； 或者，所述继电器连接冷却器构成冷却回路。
4. 如权利要求3所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，对于所述样品的夹 热端回路，所述继电器常开触点接若干个加热器，常闭触点接若干个冷却器，每个加热回路 或冷却回路都有开关单独控制，干路设总开关； 或者， 对于所述样品夹的冷端回路，所述继电器常开触点接若干个加热器，常闭触点接若干 个冷却器，每个加热回路或冷却回路都有开关单独控制，干路设总开关。
5. 如权利要求1或2所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述加热器采用 不锈钢电加热器；所述冷却器采用半导体制冷元件。
6. 如权利要求1所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述底座由具有电 绝缘性能和热绝缘性能的材料制成。
7. 如权利要求1所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述样品夹上设有 用来固定测试样品的螺丝，所述螺丝沿测试样品的长度方向位置可调。
8. 如权利要求1所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述样品夹热端部 和冷端部与底座间通过螺丝固定，所述螺丝沿底座长度方向移动，用来调整热端部和冷端 部之间的距离。
9. 如权利要求1所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述温控器为可编 程比例积分微分PID调节器； 继电器为可控硅固态继电器； 传感器为热敏电阻或热电偶。
10. 如权利要求1所述的薄膜材料塞贝克系数测量仪，其特征在于，所述金电极为铜基 材单面镀金，镀金一面与测试样品接触；所述数据采集卡为盒式，与计算机接口连接。
【文档编号】G01N25/20GK104111267SQ201310131502
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月17日 优先权日:2013年4月17日
【发明者】王轩, 王涛, 刁训刚 申请人:北京市太阳能研究所集团有限公司