專利名稱：薄膜溫差電材料賽貝克系數(shù)測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料科學(xué)領(lǐng)域中溫差電材料性能測試技術(shù)，特別涉及一種薄膜溫差電材料 賽貝克(Seebeck)系數(shù)測試系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
溫差電材料是一種能實現(xiàn)熱能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的功能材料，在溫差發(fā)電、制冷和 傳感器等方面具有廣泛應(yīng)用。Seebeck系數(shù)是評價溫差電材料性能的重要指標(biāo)。Seebeck系 數(shù)定義如下當(dāng)溫差電材料兩端存在溫差^7^7;-72，且7>72時，則在溫差電材料的兩 端會有一個電位差Eab出現(xiàn)，其數(shù)值為
(1)
(1)式中ctab為常數(shù)，該常數(shù)被稱為溫差電材料的Seebeck系數(shù)。
目前商業(yè)化的溫差電材料Seebeck系數(shù)測試儀都是針對塊體溫差電材料設(shè)計并制造 的，尚沒有適用于薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試的儀器。
本專利提出了一種專門用于薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試的測試系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種專門用于薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 測試裝置和控制及測試電路系統(tǒng)二部分構(gòu)成。待測薄膜溫差電材料試樣放置在測試裝置 內(nèi)，測試裝置可以在大氣環(huán)境中運行，也可以在密閉的真空環(huán)境中或者保護(hù)性氣氛中運行。 控制及測試電路系統(tǒng)用于調(diào)控測試裝置內(nèi)部待測試樣及其周圍環(huán)境的溫度并保持溫度恒 定，實現(xiàn)對測試裝置內(nèi)部測試過程的控制和測試數(shù)據(jù)的采集，并將測試數(shù)據(jù)傳輸至微型計 算機，通過微型計算機實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)測試過程的控制、測試數(shù)據(jù)的處理以及測試數(shù) 據(jù)的實時顯示。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)的精確測量。
本發(fā)明的一種薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試的測試系統(tǒng)，包括測試裝置和控制及測 試電路系統(tǒng)；測試裝置由試樣支撐架外罩l、試樣支撐架2、加熱塊3、待測試樣4、絕緣 片5、試樣固定卡6、試樣固定卡固定螺釘34、試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、 密封卡箍9、外引線接口 10、接外引線三通11、試樣支撐架連接端口 22、樣品室加熱器 23、密封圈24、三通密封蓋35組成；其特征是試樣支撐架外罩1的內(nèi)部形成放置待測試 樣的樣品室；待測試樣4放置在位于試樣支撐架2上的絕緣片5之上，并通過試樣固定卡 6分別與二個試樣測溫?zé)犭娕?緊密接觸；通過位于待測試樣一側(cè)的電加熱塊3在待測試 樣4的內(nèi)部建立起溫差，并通過與待測試樣4緊密接觸的、且沿溫差方向間隔分布著的二 個試樣測溫?zé)犭娕?測得二個試樣測溫?zé)犭娕?所在位置處薄膜溫差電材料的溫度，同時分別借助于由這兩個試樣測溫?zé)犭娕?中的各一根導(dǎo)線引出的Seebeck電動勢測量線28， 測得試樣在這兩個測溫?zé)犭娕?所在位置處薄膜溫差電材料內(nèi)部產(chǎn)生的Seebeck電動勢； 控制及測試電路系統(tǒng)是樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測溫?zé)犭娕?導(dǎo)線27以及Seebeck電動勢測量線28均通過安裝在接外引線三通11上的外引線接口 10 延伸出測試裝置。由測試裝置內(nèi)的試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、電加熱塊3 以及樣品室加熱器23連出的樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測溫?zé)犭?偶導(dǎo)線27、 Seebeck電動勢測量線28以及樣品室加熱器電源線29分別連接到或者先經(jīng)過 冰水浴31之后再連接到控制及數(shù)據(jù)采集裝置30;控制及數(shù)據(jù)采集裝置30由A/D轉(zhuǎn)換器、 單片機、串口轉(zhuǎn)換、電源、進(jìn)行信號傳輸及信號處理的電子電路、按鈕開關(guān)等組成；控制 及數(shù)據(jù)采集裝置30通過數(shù)據(jù)傳輸線32連接到微型計算機33上；由微型計算機33對控制 及數(shù)據(jù)采集裝置30采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在微型計算機33的顯示器上實時顯示數(shù)據(jù) 處理結(jié)果。
本發(fā)明根據(jù)溫差電材料兩端存在的溫差A(yù)r二r,-r2，且r,〉r2時，則在溫差電材料的
兩端會有一個電位差Eab出現(xiàn)，其數(shù)值為
(1)式中"ab為常數(shù)，該常數(shù)被稱為溫差電材料的Seebeck系數(shù)。依據(jù)(1)式的Seebeck 系數(shù)計算原理，按照圖4的程序框圖編制出控制及數(shù)據(jù)處理軟件打開測試軟件開始測試， 點擊鼠標(biāo)右鍵，跳出一個對話框，選擇"打開串口"，則丌始采集代表試樣冷端和熱端溫 度的電壓信號和試樣在這個溫差下產(chǎn)生的Seebeck電動勢，通過程序?qū)⒉杉降拇頊囟?的電壓信號轉(zhuǎn)化為其相對應(yīng)的溫度值，并計算出溫差。利用采集到的溫差和電動勢，計算 出相對應(yīng)的Seebeck系數(shù)，并在微型計算機33的顯示器上實時顯示出Seebeck系數(shù)以及 Seebeck電動勢一溫差擬合直線方程。當(dāng)測試完成后，則點擊鼠標(biāo)右鍵，彈出一個對話框， 點擊"暫停"以停止數(shù)據(jù)采集，保存測試結(jié)果后若結(jié)束測試，則退出測試界面；如果需要 繼續(xù)測試，則點擊"暫停"停止數(shù)據(jù)采集并保存測試結(jié)果后，點擊"清空"以清除上一次 的測試結(jié)果，然后點擊"開始"以進(jìn)行下一個試樣的測試。
本發(fā)明的薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試的測試系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的要求，通過在 系統(tǒng)中連接相關(guān)外部設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)條件下的測試。
如在真空條件下對薄膜溫差電材料的Seebeck系數(shù)進(jìn)行測試，可將圖1測試系統(tǒng)中的 三通密封蓋35去掉，通過密封卡箍9與接壓力表三通13相連接(圖5、圖6)。接壓力表 三通上安裝的壓力表12用于顯示帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的壓力。接熱偶真空計三通15 通過密封卡箍9與接壓力表三通13相連接，其上安裝的熱偶真空計14用于顯示帶真空系 統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的真空度。接真空泵三通18通過密封卡箍9與接熱偶真空計三通15相連 接，其上安裝的手動真空閥16用于調(diào)節(jié)帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的真空度，通過密封卡 箍9連接到手動真空閥16上的真空泵接口 17用于通過外接管線與真空泵連接。接放氣閥 三通20通過密封卡箍9與接真空泵三通18相連接，其上安裝的放氣閥19用于調(diào)節(jié)帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的氣體壓力。
如在保護(hù)氣體條件下對薄膜溫差電材料的Seebeck系數(shù)進(jìn)行測試，可將帶真空測試系 統(tǒng)(圖5、圖6)中的三通密封蓋35去掉，通過密封卡箍9與手動真空閥16相連接(圖7、 圖8)。通過密封卡箍9連接到手動真空閥16上的保護(hù)氣體接口 21用于通過外接管線連接 到外部保護(hù)氣體，保護(hù)氣體可通過保護(hù)氣體接口 21進(jìn)入帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部，通過 手動真空閥16調(diào)節(jié)進(jìn)入帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的保護(hù)氣體的量及其壓力，通過壓力表 12和熱偶真空計14監(jiān)控帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的壓力。
采用本發(fā)明的薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及方法，可以快速準(zhǔn)確地 測量薄膜溫差電材料的Seebeck系數(shù)，解決了目前薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)無法測量 的問題。


附圖l測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖2測試裝置結(jié)構(gòu)局部剖視附圖3 薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試系統(tǒng)各部分之間的電路連接示意附圖4安裝在微型計算機33上的數(shù)據(jù)處理軟件程序框附圖5帶真空系統(tǒng)測試裝置結(jié)構(gòu)示意附圖6帶真空系統(tǒng)測試裝置結(jié)構(gòu)局部剖視附圖7帶保護(hù)氣體測試裝置結(jié)構(gòu)示意附圖8帶保護(hù)氣體測試裝置結(jié)構(gòu)局部剖視圖； 附圖中1、試樣支撐架外罩；2、試樣支撐架；3、加熱塊；4、待測試樣；5、絕緣塊； 6、試樣固定卡；7、試樣測溫?zé)犭娕迹?、樣品室測溫?zé)犭娕迹?、密封卡箍；10、外引 線接口； 11、接外引線三通；12、壓力表；13、接壓力表三通；14、熱偶真空計；15、接 熱偶真空計三通；16、手動真空閥；17、真空泵接口； 18、真空泵三通；19、放氣閥； 20、接放氣閥三通；21、保護(hù)氣體接口； 22、試樣支撐架連接端口； 23、樣品室加熱器； 24、密封圈；25、樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線；26、加熱塊電源線；27、試片測溫?zé)犭娕紝?dǎo) 線；28、 Seebeck電動勢測量線；29、樣品室加熱器電源線；30、控制及數(shù)據(jù)采集裝置；
31、冰水??；32、數(shù)據(jù)傳輸線；33、微型計算機；34、試樣固定卡固定螺釘；35、三通 想、封蓋。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一歩的詳細(xì)說明
圖1和圖2為測試裝置外觀結(jié)構(gòu)示意圖和部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖。測試裝置由試樣支撐 架外罩l、試樣支撐架2、加熱塊3、待測試樣4、絕緣片5、試樣固定卡6、試樣固定卡 固定螺釘34、試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、密封卡箍9、外引線接口 10、接 外引線三通11、試樣支撐架連接端口 22、樣品室加熱器23、密封圈24、三通密封蓋35等組成。試樣支撐架外罩l的內(nèi)部形成放置待測試樣的樣品室。待測試樣4放置在位于試 樣支撐架2上的絕緣片5之上，并通過試樣固定卡6分別與二個試樣測溫?zé)犭娕?緊密接 觸。通過位于待測試樣一側(cè)的電加熱塊3在待測試樣4的內(nèi)部建立起溫差，并通過與待測 試樣4緊密接觸的、且沿溫差方向間隔分布著的二個試樣測溫?zé)犭娕?測得二個試樣測溫 熱電偶7所在位置處薄膜溫差電材料的溫度，同時分別借助于由這兩個試樣測溫?zé)犭娕? 中的各一根導(dǎo)線引出的Seebeck電動勢測量線28，測得試樣在這兩個測溫?zé)犭娕?所在位 置處薄膜溫差電材料內(nèi)部產(chǎn)生的Seebeck電動勢。
樣品室測溫?zé)犭娕?用于檢測位于試樣支撐架外罩1內(nèi)部樣品室的溫度。試樣支撐架 2通過試樣支撐架連接端口 22與接外引線三通11相連接，通過密封卡箍9將試樣支撐架 外罩1與接外引線三通11相連接。接外引線三通11的端口通過卡箍9與三通密封蓋35 相連接，這樣整個測試裝置處于封閉的屏蔽狀態(tài)，測試過程免受外接干擾。整個測試裝置 樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線27以及Seebeck電動 勢測量線28均通過安裝在接外引線三通11上的外引線接口 IO延伸出測試裝置。
如圖3所示的薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)各部分之間的電路連接示意圖，由 測試裝置內(nèi)的試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、電加熱塊3以及樣品室加熱器23 連出的樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線27、 Seebeck電 動勢測量線28以及樣品室加熱器電源線29分別連接到或者先經(jīng)過冰水浴31之后再連接 到控制及數(shù)據(jù)采集裝置30?？刂萍皵?shù)據(jù)采集裝置30由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、串口轉(zhuǎn)換、 電源、進(jìn)行信號傳輸及信號處理的電子電路、按鈕開關(guān)等組成?？刂萍皵?shù)據(jù)采集裝置30 通過數(shù)據(jù)傳輸線32連接到微型計算機33上。由微型計算機33上預(yù)先編制好的數(shù)據(jù)處理 軟件對控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位處理，并在微型計算機33的顯示 器上實時顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
數(shù)據(jù)處理程序如圖4所示，測量方法是打開測試軟件開始測試，點擊鼠標(biāo)右鍵，跳 出一個對話框，選擇"打開串口"，則開始采集代表試樣冷端和熱端溫度的電壓信號和試 樣在這個溫差下產(chǎn)生的Seebeck電動勢，通過程序?qū)⒉杉降拇頊囟鹊碾妷盒盘栟D(zhuǎn)化為 其相對應(yīng)的溫度值，并計算出溫差。利用采集到的溫差和電動勢，計算出相對應(yīng)的Seebeck 系數(shù)，并在微型計算機33的顯示器上實時顯示出Seebeck系數(shù)以及Seebeck電動勢一溫差 擬合直線方程。當(dāng)測試完成后，則點擊鼠標(biāo)右鍵，彈出一個對話框，點擊"暫停"以停止 數(shù)據(jù)采集，保存測試結(jié)果后若結(jié)束測試，則退出測試界面；如果需要繼續(xù)測試，則點擊"暫 停"停止數(shù)據(jù)采集并保存測試結(jié)果后，點擊"清空"以清除上一次的測試結(jié)果，然后點擊 "開始"以進(jìn)行下一個試樣的測試。
本發(fā)明可以在許多所需要的環(huán)境條件下進(jìn)行測量，具體敘述如下-在真空條件下對薄膜材料的Seebeck系數(shù)進(jìn)行測試時的測試裝置結(jié)構(gòu)示意于圖5和圖 6所示。圖5和圖6為帶真空系統(tǒng)測試裝置外觀結(jié)構(gòu)示意圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部剖視圖。帶真 空系統(tǒng)測試裝置由試樣支撐架外罩1、試樣支撐架2、加熱塊3、待測試樣4、絕緣片5、試樣固定卡6、試樣固定卡固定螺釘34、試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、密封 卡箍9、外引線接口 10、接外引線三通ll、壓力表12、接壓力表三通13、熱偶真空計14、 接熱偶真空計三通15、手動真空閥16、真空泵接口 17、接真空泵三通18、放氣閥19、接 放氣閥三通20、試樣支撐架連接端口 22、樣品室加熱器23、密封圈24、三通密封蓋35 等組成。整個帶真空系統(tǒng)測試裝置通過試樣支撐架外罩l構(gòu)成一個密閉體系，試樣支撐架 外罩1的內(nèi)部形成放置待測試樣的樣品室。待測試樣4放置在位于試樣支撐架2上的絕緣 片5之上，并通過試樣固定卡6分別與二個試樣測溫?zé)犭娕?緊密接觸。通過位于待測試 樣一側(cè)的電加熱塊3在待測試樣4的內(nèi)部建立起溫差，并通過與待測試樣4緊密接觸的、 且沿溫差方向間隔分布著的二個試樣測溫?zé)犭娕?測得二個試樣測溫?zé)犭娕?所在位置處 薄膜溫差電材料的溫度，同時分別借助于由這兩個試樣測溫?zé)犭娕?中的各一根導(dǎo)線引出 的Seebeck電動勢測量線28，測得試樣在這兩個測溫?zé)犭娕?所在位置處薄膜溫差電材料 內(nèi)部產(chǎn)生的Seebeck電動勢。
樣品室測溫?zé)犭娕?用于檢測位于試樣支撐架外罩1內(nèi)部樣品室的溫度。試樣支撐架 2通過試樣支撐架連接端口 22與接外引線三通11相連接，通過密封卡箍9將試樣支撐架 外罩l與接外引線三通ll相連接。樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測 溫?zé)犭娕紝?dǎo)線27以及Seebeck電動勢測量線28均通過安裝在接外引線三通11上的外引線 接口 IO延伸出帶真空系統(tǒng)測試裝置。接壓力表三通13通過密封卡箍9與接外引線三通11 相連接，其上安裝的壓力表12用于顯示帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的壓力。接熱偶真空計 三通15通過密封卡箍9與接壓力表三通13相連接，其上安裝的熱偶真空計14用于顯示 帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的真空度。接真空泵三通18通過密封卡箍9與接熱偶真空計三 通15相連接，其上安裝的手動真空閥16用于調(diào)節(jié)帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的真空度，通 過密封卡箍9連接到手動真空閥16上的真空泵接口 17用于通過外接管線與真空泵連接。 接放氣閥三通20通過密封卡箍9與接真空泵三通18相連接，其上安裝的放氣閥19用于 調(diào)節(jié)帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的氣體壓力。
由帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)的試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、電加熱塊3以 及樣品室加熱器23連出的樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測溫?zé)犭娕?導(dǎo)線27、 Seebeck電動勢測量線28以及樣品室加熱器電源線29分別連接到或者先經(jīng)過冰 水浴31之后再連接到控制及數(shù)據(jù)采集裝置30?？刂萍皵?shù)據(jù)采集裝置30由A/D轉(zhuǎn)換器、單 片機、串口轉(zhuǎn)換、電源、進(jìn)行信號傳輸及信號處理的電子電路、按鈕開關(guān)組成?？刂萍皵?shù) 據(jù)采集裝置30通過數(shù)據(jù)傳輸線32連接到微型計算機33上。由微型計算機33上預(yù)先編制 好的數(shù)據(jù)處理軟件對控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位處理，并在微型計 算機33的顯示器上實時顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
在保護(hù)氣體條件下對薄膜材料的Seebeck系數(shù)進(jìn)行測試時的測試裝置結(jié)構(gòu)示意于圖7 和圖8所示。圖7和圖8為帶保護(hù)氣體測試裝置外觀結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖。帶保護(hù) 氣體測試裝置由試樣支撐架外罩1、試樣支撐架2、加熱塊3、待測試樣4、絕緣片5、試樣固定卡6、試樣固定卡固定螺釘34、試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、密封卡 箍9、外引線接口IO、接外引線三通ll、壓力表12、接壓力表三通13、熱偶真空計14、 接熱偶真空計三通15、手動真空閥16、真空泵接口 17、接真空泵三通18、放氣閥19、接 放氣閥三通20、保護(hù)氣體接口21、試樣支撐架連接端口22、樣品室加熱器23、密封圈24 等組成。整個帶保護(hù)氣體測試裝置通過試樣支撐架外罩l構(gòu)成一個密閉體系，試樣支撐架 外罩l的內(nèi)部形成放置待測試樣的樣品室。待測試樣4放置在位于試樣支撐架2上的絕緣 片5之上，并通過試樣固定卡6分別與二個試樣測溫?zé)犭娕?緊密接觸。通過位于待測試 樣一側(cè)的電加熱塊3在待測試樣4的內(nèi)部建立起溫差，并通過與待測試樣4緊密接觸的、 且沿溫差方向間隔分布著的二個試樣測溫?zé)犭娕?測得二個試樣測溫?zé)犭娕?所在位置處 薄膜溫差電材料的溫度，同時分別借助于由這兩個試樣測溫?zé)犭娕?中的各一根導(dǎo)線引出 的Seebeck電動勢測量線28，測得試樣在這兩個測溫?zé)犭娕?所在位置處薄膜溫差電材料 內(nèi)部產(chǎn)生的Seebeck電動勢。
樣品室測溫?zé)犭娕?用于檢測位于試樣支撐架外罩1內(nèi)部樣品室的溫度。試樣支撐架 2通過試樣支撐架連接端口 22與接外引線三通11相連接，通過密封卡箍9將試樣支撐架 外罩l與接外引線三通ll相連接。樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測 溫?zé)犭娕紝?dǎo)線27以及Seebeck電動勢測量線28均通過安裝在接外引線三通11上的外引線 接口 10延伸出帶保護(hù)氣體測試裝置。接壓力表三通13通過密封卡箍9與接外引線三通11 相連接，其上安裝的壓力表12用于顯示帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的壓力。接熱偶真空計 三通15通過密封卡箍9與接壓力表三通13相連接，其上安裝的熱偶真空計14用于顯示 帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的真空度。接真空泵三通18通過密封卡箍9與接熱偶真空計三 通15相連接，其上安裝的手動真空閥16用于調(diào)節(jié)帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的真空度，通 過密封卡箍9連接到手動真空閥16上的真空泵接口 17用于通過外接管線與真空泵連接。 接放氣閥三通20通過密封卡箍9與接真空泵三通18相連接，其上安裝的放氣閥19用于 調(diào)節(jié)帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的氣體壓力。手動真空閥16通過密封卡箍9與接放氣閥三 通20相連接，通過密封卡箍9連接到其上的保護(hù)氣體接口 21用于通過外接管線連接到外 部保護(hù)氣體，保護(hù)氣體可通過保護(hù)氣體接口 21進(jìn)入帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部，通過手動 真空閥16調(diào)節(jié)進(jìn)入帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的保護(hù)氣體的量及其壓力。
由帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)的試樣測溫?zé)犭娕?、樣品室測溫?zé)犭娕?、電加熱塊3以 及樣品室加熱器23連出的樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線25、加熱塊電源線26、試片測溫?zé)犭娕?導(dǎo)線27、 Seebeck電動勢測量線28以及樣品室加熱器電源線29分別連接到或者先經(jīng)過冰 水浴31之后再連接到控制及數(shù)據(jù)采集裝置30?？刂萍皵?shù)據(jù)釆集裝置30由A/D轉(zhuǎn)換器、單 片機、串口轉(zhuǎn)換、電源、進(jìn)行信號傳輸及信號處理的電子電路、按鈕開關(guān)組成。控制及數(shù) 據(jù)采集裝置30通過數(shù)據(jù)傳輸線32連接到微型計算機33上。由微型計算機33上預(yù)先編制 好的數(shù)據(jù)處理軟件對控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位處理，并在微型計 算機33的顯示器上實時顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。測試方法如下
l.大氣條件下測試P型Bi2Te3溫差電薄膜材料的Seebeck系數(shù)
測試操作步驟
1) 啟動微型計算機33，點擊薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試軟件圖標(biāo)，打開 測試界面；
2) 將測試裝置的試樣支撐架外罩取下，將薄膜溫差電材料試片放置在樣品室內(nèi) 的陶瓷塊5上，并用試樣固定卡6固定好后，將試樣支撐架外罩用卡箍固定 到接外引線三通上，此時整個測試裝置處于密閉狀態(tài)；
3) 啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置30上的樣品室加熱器開關(guān)，使樣品室加熱器23開 始工作，并借助于樣品室測溫?zé)犭娕?對樣品室的溫度進(jìn)行測定，通過控制 及數(shù)據(jù)采集裝置30控制樣品室加熱器23，使樣品室內(nèi)的溫度達(dá)到并恒定在預(yù) 定值；
4) 啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置30上的加熱塊開關(guān)使加熱塊3開始加熱，在待測試 樣4的內(nèi)部建立起溫差；
5) 點擊鼠標(biāo)右鍵，在微型計算機33顯示器上的測試界面出現(xiàn)多個對話框，點擊
"打丌串口 "，控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采集到的數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)轿⑿陀嬎銠C 33，在微型計算機33的顯示器上開始實時顯示二個試樣測溫?zé)犭娕?所在處 待測試樣內(nèi)部形成的Seebeck電動勢與這二個測溫點之間溫差的關(guān)系曲線，微 型計算機33同時對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理得到的Seebeck系數(shù)以 及擬合Seebeck電動勢一溫差關(guān)系曲線方程顯示在該界面的下方。
6) 測試結(jié)束，點擊鼠標(biāo)右鍵，測試界面出現(xiàn)多個對話框。點擊"暫停"，停止 控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采集的數(shù)據(jù)向微型計算機33的傳輸。點擊對話框中 的"保存"，將測試結(jié)果保存到計算機。若要結(jié)束整個測試過程，則點擊對話 框中的"退出"，關(guān)閉加熱塊開關(guān)、樣品室加熱器丌關(guān)、關(guān)閉總電源，打開卡 箍取下試樣支撐架外罩，取出測試樣品。
7) 在結(jié)束某一樣品的測試后，若需要繼續(xù)測試其它樣品的Seebeck系數(shù)，則點擊 鼠標(biāo)右鍵，測試界面出現(xiàn)多個對話框，點擊"暫停"，停止控制及數(shù)據(jù)采集 裝置30采集的數(shù)據(jù)向微型計算機33的傳輸。點擊對話框中的"保存"，將測 試結(jié)果保存到計算機。點擊對話框中的"清空"，以清除界面上的測試結(jié)果。 打開卡箍取下試樣支撐架外罩l，取出已測試樣品，將另一待測樣品放置在樣 品室內(nèi)的陶瓷塊5上，并用試樣固定卡6固定好，重復(fù)上述3) 8)的歩驟 完成Seebeck系數(shù)的測試。
測試結(jié)果，P型Bi2Te3溫差電薄膜材料Seebeck系數(shù)為127.3pV/K。
2.真空條件下測試N型Bi2Te3溫差電薄膜材料的Seebeck系數(shù)測試操作步驟
1) 啟動微型計算機33，點擊薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試軟件圖標(biāo)，打開測試界 面；
2) 將帶真空系統(tǒng)測試裝置的試樣支撐架外罩取下，將薄膜溫差電材料試片放置在樣品 室內(nèi)的陶瓷塊5上，并用試樣固定卡6固定好，將試樣支撐架外罩用卡箍固定到接 外引線三通上，，此時整個帶真空系統(tǒng)測試裝置處于密閉狀態(tài)；
3) 啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置30上的樣品室加熱器開關(guān)，使樣品室加熱器23開始工作， 并借助于樣品室測溫?zé)犭娕?對樣品室的溫度進(jìn)行測定，通過控制及數(shù)據(jù)采集裝置 30控制樣品室加熱器23，使樣品室內(nèi)的溫度達(dá)到并恒定在預(yù)定值；
4) 啟動真空泵，打開手動真空閥16，并通過壓力表12和熱偶真空計14檢測帶真空系 統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的壓力，至帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部壓力達(dá)到所需真空度時，關(guān)閉 手動真空閥16以及真空泵；
5) 啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置30上的加熱塊開關(guān)使加熱塊3丌始加熱，在待測試樣4 的內(nèi)部建立起溫差；
6) 點擊鼠標(biāo)右鍵，在微型計算機33的顯示器屏幕上的測試界面出現(xiàn)多個對話框，點 擊"打開串口 "，控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采集到的數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)轿⑿陀嬎銠C33， 在微型計算機33的顯示器上丌始實時顯示二個試樣測溫?zé)犭娕?所在處待測試樣 內(nèi)部形成的Seebeck電動勢與這二個測溫點之間溫差的關(guān)系曲線，微型計算機33同 時對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理得到的Seebeck系數(shù)以及擬合Seebeck電動 勢一溫差關(guān)系曲線方程顯示在該界面的下方。
7) 測試結(jié)束，點擊鼠標(biāo)右鍵，測試界面出現(xiàn)多個對話框。點擊"暫停"，停止控制及 數(shù)據(jù)采集裝置30采集的數(shù)據(jù)向微型計算機33的傳輸。點擊對話框中的"保存"， 將測試結(jié)果保存到計算機。若要結(jié)束整個測試過程，則點擊對話框中的"退出"， 關(guān)閉加熱塊開關(guān)、樣品室加熱器開關(guān)、關(guān)閉總電源，打開放氣閥，打開卡箍取下試 樣支撐架外罩，取出測試樣品。
8) 在結(jié)束某一試樣的測試后，若需要繼續(xù)測試其它試樣的Seebeck系數(shù)，則點擊鼠標(biāo) 右鍵，測試界面出現(xiàn)多個對話框，點擊"暫停"，停止控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采 集的數(shù)據(jù)向微型計算機33的傳輸。點擊對話框中的"保存"，將測試結(jié)果保存到計 算機。點擊對話框中的"清空"，以清除界面上的測試結(jié)果。打開卡箍取下試樣支 撐架外罩l，取出已測試樣品，將另一待測試片放置在樣品室內(nèi)的陶瓷塊5上，并 用試樣固定卡6固定好，重復(fù)上述3) 8)的歩驟完成Seebeck系數(shù)的測試。
測試結(jié)果顯示，該薄膜溫差電材料的Seebeck系數(shù)為一118.6^WK。 3.氮氣條件下測試N型Bi2Te3溫差電薄膜材料的Seebeck系數(shù) 測試操作步驟
1)啟動微型計算機33，點擊薄膜溫差電材料Seebeck系數(shù)測試軟件圖標(biāo)，打開測試界面；
2) 將帶保護(hù)氣體測試裝置的試樣支撐架外罩取下，將薄膜溫差電材料試片放置在樣品 室內(nèi)的陶瓷塊5上，并用試樣固定卡6固定好，將試樣支撐架外罩用卡箍固定到接 外引線三通上，此時整個帶保護(hù)氣體測試裝置處于密閉狀態(tài)；
3) 啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置30上的樣品室加熱器開關(guān)，使樣品室加熱器23開始工作， 并借助于樣品室測溫?zé)犭娕?對樣品室的溫度進(jìn)行測定，通過控制及數(shù)據(jù)采集裝置 30控制樣品室加熱器23，使樣品室內(nèi)的溫度達(dá)到并恒定在預(yù)定值；
4) 啟動真空泵，打開手動真空閥16，并通過壓力表12和熱偶真空計14檢測帶保護(hù)氣 體測試裝置內(nèi)部的壓力，至帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部壓力達(dá)到所需真空度時，關(guān)閉 手動真空閥16以及真空泵；
5) 打開氮氣瓶及手動真空閥16，并通過壓力表12和熱偶真空計14檢測帶保護(hù)氣體測 試裝置內(nèi)部的壓力，至帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部氣體的壓力達(dá)到所需值時，關(guān)閉手 動真空閥16以及氮氣瓶；
6) 啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置30上的加熱塊開關(guān)使加熱塊3開始加熱，在待測試樣4 的內(nèi)部建立起溫差；
7) 點擊鼠標(biāo)右鍵，在微型計算機33的顯示器屏幕上的測試界面出現(xiàn)多個對話框，點 擊"打丌串口 "，控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采集到的數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)轿⑿陀嬎銠C33， 在微型計算機33的顯示器上開始實時顯示二個試樣測溫?zé)犭娕?所在處待測試樣 內(nèi)部形成的Seebeck電動勢與這二個測溫點之間溫差的關(guān)系曲線，微型計算機33同 時對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理得到的Seebeck系數(shù)以及擬合Seebeck電動 勢一溫差關(guān)系曲線方程顯示在該界面的下方。
8) 測試結(jié)束，點擊鼠標(biāo)右鍵，測試界面出現(xiàn)多個對話框。點擊"暫停"，停止控制及 數(shù)據(jù)采集裝置30采集的數(shù)據(jù)向微型計算機33的傳輸。點擊對話框中的"保存"， 將測試結(jié)果保存到計算機。若要結(jié)束整個測試過程，則點擊對話框中的"退出"， 關(guān)閉加熱塊開關(guān)、樣品室加熱器丌關(guān)、關(guān)閉總電源，打開卡箍取下試樣支撐架外罩， 取出測試樣品。
9) 在結(jié)束某一試樣的測試后，若需要繼續(xù)測試其它試樣的Seebeck系數(shù)，則點擊鼠標(biāo) 右鍵，測試界面出現(xiàn)多個對話框，點擊"暫停"，停止控制及數(shù)據(jù)采集裝置30采 集的數(shù)據(jù)向微型計算機33的傳輸。點擊對話框中的"保存"，將測試結(jié)果保存到計 算機。點擊對話框中的"清空"，以清除界面上的測試結(jié)果。打開卡箍取下試樣支 撐架外罩l，取出已測試樣品，將另一待測試片放置在樣品室內(nèi)的陶瓷塊5上，并 用試樣固定卡6固定好，重復(fù)上述3) 8)的歩驟完成Seebeck系數(shù)的測試。
測試結(jié)果顯示，該薄膜溫差電材料的Seebeck系數(shù)為一 118.6pV/K。
權(quán)利要求
1. 一種薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)，其特征是由測試裝置和控制及測試電路系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)，其測試裝置由試樣支撐 架外罩(1)、試樣支撐架(2)、加熱塊(3)、待測試樣(4)、絕緣片(5)、試樣固定卡(6)、試樣固定卡固定螺釘(34)、試樣測溫?zé)犭娕?7)、樣品室測溫?zé)犭娕?8)、密封 卡箍(9)、外引線接口 (10)、接外引線三通(11)、試樣支撐架連接端口 (22)、樣品室 加熱器(23)、密封圈(24)、三通密封蓋(35)組成；其特征是試樣支撐架外罩(1)的 內(nèi)部形成放置待測試樣的樣品室；待測試樣(4)放置在位于試樣支撐架(2)上的絕緣 片(5)之上，并通過試樣固定卡(6)分別與二個試樣測溫?zé)犭娕?7)緊密接觸；通過 位于待測試樣一側(cè)的電加熱塊(3)在待測試樣(4)的內(nèi)部建立起溫差，并通過與待測 試樣(4)緊密接觸的、且沿溫差方向間隔分布著的二個試樣測溫?zé)犭娕?7)測得二個 試樣測溫?zé)犭娕?7)所在位置處薄膜溫差電材料的溫度，同時分別借助于由這兩個試樣 測溫?zé)犭娕?7)中的各一根導(dǎo)線引出的Seebeck電動勢測量線(28)，測得試樣在這兩個 測溫?zé)犭娕?7)所在位置處薄膜溫差電材料內(nèi)部產(chǎn)生的Seebeck電動勢。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)，其控制及測試電路系統(tǒng) 是樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線(25)、加熱塊電源線(26)、試片測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線(27)以 及Seebeck電動勢測量線(28)均通過安裝在接外引線三通(11)上的外引線接口 (10) 延伸出測試裝置；由測試裝置內(nèi)的試樣測溫?zé)犭娕?7)、樣品室測溫?zé)犭娕?8)、電加 熱塊(3)以及樣品室加熱器(23)連出的樣品室測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線(25)、加熱塊電源線(26)、試片測溫?zé)犭娕紝?dǎo)線(27)、 Seebeck電動勢測量線(28)以及樣品室加熱器電源 線(29)分別連接到或者先經(jīng)過冰水浴(31)之后再連接到控制及數(shù)據(jù)采集裝置(30); 控制及數(shù)據(jù)采集裝置(30)由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、串口轉(zhuǎn)換、電源、進(jìn)行信號傳輸及 信號處理的電子電路、按鈕開關(guān)等組成；控制及數(shù)據(jù)采集裝置(30)通過數(shù)據(jù)傳輸線(32) 連接到微型計算機(33)上；由微型計算機(33)對控制及數(shù)據(jù)采集裝置(30)采集到 的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在微型計算機33的顯示器上實時顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
4. 權(quán)利要求1所述的薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)的測試方法，其特征是依據(jù) Seebeck系數(shù)c^的計算原理Ab =^^7編制的數(shù)據(jù)處理軟件，打開測試軟件開始測試， 點擊鼠標(biāo)右鍵，跳出一個對話框，選擇"打開串口"，則開始采集代表試樣冷端和熱端溫 度的電壓信號和試樣在這個溫差下產(chǎn)生的Seebeck電動勢，通過程序?qū)⒉杉降拇頊囟?的電壓信號轉(zhuǎn)化為其相對應(yīng)的溫度值，并計算出溫差；利用采集到的溫差和電動勢，計 算出相對應(yīng)的Seebeck系數(shù)，并在微型計算機(33)的顯示器上實時顯示出Seebeck系數(shù) 以及Seebeck電動勢一溫差擬合直線方程；當(dāng)測試完成后，則點擊鼠標(biāo)右鍵，彈出一個對 話框，點擊"暫停"以停止數(shù)據(jù)采集，保存測試結(jié)果后若結(jié)束測試，則退出測試界面；如果需要繼續(xù)測試，則點擊"暫停"停止數(shù)據(jù)采集并保存測試結(jié)果后，點擊"清空"以 清除上一次的測試結(jié)果，然后點擊"開始"以進(jìn)行下一個試樣的測試。
5. 如權(quán)利要求1所述的薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)，其特征是所述的測試系統(tǒng)在 真空條件下對薄膜材料的Seebeck系數(shù)進(jìn)行測試時，需將測試系統(tǒng)中的三通密封蓋(35) 去掉，通過密封卡箍(9)與接壓力表三通(13)相連接；接壓力表三通上安裝的壓力表(12)用于顯示帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的壓力，接熱偶真空計三通(15)通過密封卡 箍(9)與接壓力表三通(13)相連接，其上安裝的熱偶真空計(14)用于顯示帶真空系 統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的真空度；接真空泵三通(18)通過密封卡箍(9)與接熱偶真空計三通(15)相連接，其上安裝的手動真空閥(16)用于調(diào)節(jié)帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的真空 度，通過密封卡箍(9)連接到手動真空閥(16)上的真空泵接口 () 17用于通過外接管 線與真空泵連接；接放氣閥三通(20)通過密封卡箍(9)與接真空泵三通(18)相連接， 其上安裝的放氣閥(19)用于調(diào)節(jié)帶真空系統(tǒng)測試裝置內(nèi)部的氣體壓力。
6. 如權(quán)利要求1所述的薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)，其特征是所述的測試系統(tǒng)在 在保護(hù)氣體條件下對薄膜材料的Seebeck系數(shù)進(jìn)行測試時，需將測試系統(tǒng)中的三通密封蓋(35)去掉，通過密封卡箍(9)與接壓力表三通(13)相連接；接壓力表三通上安裝的 壓力表(12)用于顯示帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的壓力；接熱偶真空計三通(15)通過 密封卡箍(9)與接壓力表三通(13)相連接，其上安裝的熱偶真空計(14)用于顯示帶 保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的真空度；接真空泵三通(18)通過密封卡箍(9)與接熱偶真空 計三通(15)相連接，其上安裝的手動真空閥(16)用于調(diào)節(jié)帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部 的真空度，通過密封卡箍(9)連接到手動真空閥(16)上的真空泵接口 (17)用于通過 外接管線與真空泵連接；接放氣閥三通(20)通過密封卡箍(9)與接真空泵三通(18) 相連接，其上安裝的放氣閥(19)用于調(diào)節(jié)帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的氣體壓力;手動 真空閥(16)通過密封卡箍(9)與接放氣閥三通(20)相連接，通過密封卡箍(9)連 接到其上的保護(hù)氣體接口 (21)用于通過外接管線連接到外部保護(hù)氣體，保護(hù)氣體可通 過保護(hù)氣體接口 (21)進(jìn)入帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部，通過手動真空閥(16)調(diào)節(jié)進(jìn)入 帶保護(hù)氣體測試裝置內(nèi)部的保護(hù)氣體的量及其壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)及方法。包括測試裝置和控制及測試電路系統(tǒng)；待測試樣放置在位于試樣支撐架上的絕緣片上，并通過試樣固定卡分別與二個試樣測溫?zé)犭娕季o密接觸；通過位于待測試樣一側(cè)的電加熱塊在待測試樣的內(nèi)部建立起溫差，且沿溫差方向間隔分布的二個試樣測溫?zé)犭娕紲y得所在位置處薄膜溫差電材料的溫度，分別借助于由這兩個試樣測溫?zé)犭娕贾械母饕桓鶎?dǎo)線引出的Seebeck電動勢測量線，測得試樣在這兩個測溫?zé)犭娕妓谖恢锰幈∧夭铍姴牧蟽?nèi)部產(chǎn)生的Seebeck電動勢；采用本發(fā)明薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及方法，可以快速準(zhǔn)確地測量薄膜溫差電材料的塞貝克系數(shù)，解決了目前薄膜溫差電材料塞貝克系數(shù)無法測量的問題。
文檔編號G01N27/00GK101413908SQ20081015353
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者李晉樓, 李菲暉, 為 王 申請人:天津大學(xué)