專利名稱：一種測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高溫或低溫下測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置，更確切地說涉及一種高溫或低溫下非平衡狀態(tài)下快速準(zhǔn)確測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)兩個(gè)不同的導(dǎo)體兩端連接，組成一個(gè)閉合線路，如果兩個(gè)接頭具有不同的溫度，則線路中便有電流，這種電流稱為溫差電流，這個(gè)環(huán)路便組成了溫差電偶，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)效應(yīng)是賽貝克于1821年發(fā)現(xiàn)，故稱為賽貝克效應(yīng)，溫差電動(dòng)勢(shì)稱為賽貝克系數(shù)。金屬的賽貝克系數(shù)較小，只是在測量溫度的溫差電偶方面得到了應(yīng)用。而半導(dǎo)體的賽貝克系數(shù)比金屬大得多，其對(duì)電能和熱能相互轉(zhuǎn)換的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬，在溫差發(fā)電、溫差致冷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
賽貝克系數(shù)定義為α＝dE/dΔT，其中，ΔT為半導(dǎo)體兩端的溫度差，E為兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)，α為賽貝克系數(shù)，單位為V/K。圖1是賽貝克系數(shù)測量原理圖。當(dāng)半導(dǎo)體兩端存在溫度差異時(shí)，分別標(biāo)為T1和T2，通過熱電偶記錄下來，計(jì)算出半導(dǎo)體兩端的溫度差為ΔT＝T2-T1。然后再測量兩根Pt/Rh線51的電壓，記為ΔE，每一個(gè)ΔT的值只有一個(gè)唯一的ΔE的值與它對(duì)應(yīng)。通過改變半導(dǎo)體兩端的溫度從而獲得幾組不同的ΔE和ΔT的值，做ΔE-ΔT圖，得到的斜率為賽貝克系數(shù)。賽貝克系數(shù)與溫度變化密切相關(guān)，目前日本ULVAC-RIKO公司生產(chǎn)的ZEM-2型測量裝置如圖2所示，在給定溫度下長時(shí)間平衡，等樣品溫度穩(wěn)定后，通過兩端壓頭上功率不同的加熱源加熱給出幾個(gè)不同的溫差(5K-10K)，產(chǎn)生不同的熱電勢(shì)ΔE，作出ΔE-ΔT圖，得到的斜率即為賽貝克系數(shù)。但是，這種測量方法存在以下問題一是溫差太大，導(dǎo)致精度較低。由定義知，ΔT越小，賽貝克系數(shù)測量越接近定義值；但ΔT越小，其測量的誤差越大，兩者是相互矛盾的，因而需要尋求一個(gè)合適的溫差范圍來準(zhǔn)確測量賽貝克系數(shù)。二是賽貝克系數(shù)測試中需要測量三個(gè)參數(shù)(T1，T2，ΔE)，這三個(gè)參數(shù)的測量不是同時(shí)測量的，很顯然，這又會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成誤差。三是目前高溫下通過兩個(gè)加熱源加熱的平衡態(tài)測量方法周期長(往往需要1.5-2天)，不僅測量點(diǎn)數(shù)少，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且測量的精度較低。四是樣品是通過壓頭固定的，對(duì)樣品的硬度、強(qiáng)度、尺寸大小要求較高，存在無法進(jìn)行薄膜或尺寸較小的樣品的測量等困難，大大限制了該測量裝置在實(shí)際使用過程中的應(yīng)用。由此可見，提供一種在高溫或低溫條件下合適的樣品支架和溫差控制裝置，以及改善原先的測量方法，是快速、準(zhǔn)確測量塞貝克系數(shù)的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種高溫或低溫時(shí)非平衡狀態(tài)下快速、準(zhǔn)確測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置。采用此測量裝置，對(duì)樣品的強(qiáng)度、硬度和尺寸要求大大降低，極大地縮短了測量周期，解決了溫度和電壓測試不同步的問題，并且ΔT大大降低(1-1.5K)，誤差由原先的～10％降低到～5％。
如背景技術(shù)中所述，非平衡態(tài)下測量賽貝克系數(shù)的基本原理是賽貝克系數(shù)只與溫度及樣品的本身性能有關(guān)，在某個(gè)溫度下，對(duì)于同一個(gè)樣品，賽貝克系數(shù)產(chǎn)生的電壓只隨ΔT變化而變化，兩者是緊密聯(lián)系在一起的。在平衡態(tài)狀態(tài)下，賽貝克系數(shù)產(chǎn)生的電壓與ΔT成為一個(gè)狀態(tài)量，即只與最終的平衡態(tài)有關(guān)，與中間變化的過程無關(guān)，避免了中間溫差變化過程中許多不確定性因素，提高了測量的準(zhǔn)確性。但是，如前所說，平衡態(tài)下的測量需要很長時(shí)間的穩(wěn)定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)由于測量周期太長，導(dǎo)致樣品在測量過程中可能發(fā)生表面氧化?；蚋邷叵略卣舭l(fā)等一系列干擾因素，影響了測量的精度。如果樣品的溫差變化是線性的，即溫差隨著時(shí)間均勻地變化，那么由賽貝克系數(shù)產(chǎn)生的電壓也將是隨時(shí)間均勻地變化。因此，這種非平衡狀態(tài)下賽貝克系數(shù)引起的電壓與溫差將與中間變化過程無關(guān)，達(dá)到平衡狀態(tài)下測量賽貝克系數(shù)所滿足的條件。
本實(shí)用新型依據(jù)塞貝克系數(shù)的定義和上述的基本依據(jù)，設(shè)計(jì)了非平衡狀態(tài)下賽貝克系數(shù)的測量裝置。包括(a)、設(shè)計(jì)了一種樣品支架，最外層的不銹鋼管內(nèi)焊入一個(gè)細(xì)的不銹鋼管，頂端平焊接一塊金屬板，樣品可以輕易地放在平伸出的金屬板上，樣品與金屬板之間用熱導(dǎo)率高的陶瓷片如AlN或Al2O3片絕緣，通過固定支架使樣品固定。整個(gè)樣品支架裝入一個(gè)石英管中，通過密封圈達(dá)到氣密封，通入Ar氣保護(hù)樣品，防止空氣進(jìn)入使樣品發(fā)生氧化。(b)、溫差控制裝置。在平伸出金屬板的一端安裝薄膜加熱器或微型加熱器，可通入電流加熱使樣品兩端產(chǎn)生不同的溫差。薄膜加熱器的規(guī)格為電壓5V，功率5W，面積20mm×20mm。將此裝有樣品支架的石英管放入低溫冷卻系統(tǒng)中(Accent HL5500PC)進(jìn)行低溫90K-500K下的賽貝克系數(shù)測量或放入管式爐中進(jìn)行室溫-1000K高溫下的測量。(c)、設(shè)計(jì)了一種形成不同的溫差的裝置。圖3中在高溫時(shí)從細(xì)金屬管內(nèi)通入冷卻氣體N2，到達(dá)樣品支架底部時(shí)從兩個(gè)金屬管之間流出，從而使樣品一端冷卻，另一端維持在高溫，通過調(diào)節(jié)氣體流量的大小形成不同的溫差。(d)、測量系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)控制)。設(shè)計(jì)了與計(jì)算機(jī)相連的測試系統(tǒng)，包括管式爐、冷卻系統(tǒng)、樣品支架裝置、測試儀表和電腦。(如圖4)。石英管放在低溫冷卻系統(tǒng)或高溫爐中，石英管通過樣品支架T1、T2和ΔE電信號(hào)的引出線與掃描儀相連，掃描儀與納伏儀相連，掃描儀和納伏儀通過商用RS232接口與計(jì)算機(jī)相連，構(gòu)成整個(gè)測量裝置。
使用上述裝置測量塞貝克系數(shù)的具體測量步驟是；(1)將裝入樣品支架的石英管置于管式爐或低溫冷卻系統(tǒng)中，形成一端加熱或冷卻的溫差，(2)被測試樣的三個(gè)參數(shù)T1、T2、ΔE的電信號(hào)由支架裝置引出到測試儀表的掃描卡，掃描卡按T1、T2、ΔE、T2、T1的掃描順序依次掃描，在計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)，掃描間隔時(shí)間可以控制，通過商用同軸電纜輸入到納伏儀中，再將這兩種儀表通過商用RS-232接口與計(jì)算機(jī)相連記錄數(shù)據(jù)，可以任意按需要采集盡可能多的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取兩次T1和T2的平均值計(jì)算ΔT，確使ΔE和ΔT之間沒有測量時(shí)間間隔，然后根據(jù)所得的ΔE-ΔT數(shù)據(jù)，計(jì)算半導(dǎo)體的賽貝克系數(shù)。(具體測量結(jié)果見實(shí)施例)采用以上的測量裝置，使本實(shí)用新型的測量結(jié)果與原先平衡狀態(tài)下測量結(jié)果相比具有下述顯著的進(jìn)步和實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)。
1.采用新設(shè)計(jì)的樣品支架后，對(duì)樣品的強(qiáng)度、硬度和尺寸等無苛刻要求，大大拓寬了測量系統(tǒng)的測量范圍。并且，采用一端加熱或冷卻來形成溫差的方法，比先前的兩端加熱法更省時(shí)、簡單和節(jié)約成本。
2.很好地解決了ΔT的大小與測量精度相互矛盾的問題。由于采用了掃描卡掃描數(shù)據(jù)，輸入到納伏儀中，其對(duì)ΔT測量的精度大大提高(～0.05K)，保證了整個(gè)測量過程中5個(gè)不同的溫差在1-1.5K間，既滿足了ΔT越小賽貝克系數(shù)越接近理想值的要求，又保證了測量的誤差小于5％。
3.采用等時(shí)間間隔掃描T1、T2、ΔE、T2、T1，求平均值計(jì)算ΔT，解決了測量三個(gè)參數(shù)不同時(shí)的問題。同時(shí)，對(duì)每一個(gè)ΔT，按以上順序掃描多次，做ΔE-ΔT圖，再求出賽貝克系數(shù)，杜絕了一些外界干擾對(duì)測量結(jié)果的影響，確保測量的精度只受測量裝置系統(tǒng)誤差的影響。
4.采用非平衡態(tài)測量方法，測量周期甚短(＜10分鐘/每一個(gè)溫度點(diǎn))，測量結(jié)果和平衡態(tài)法相比，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)(室溫-900K)相差不超過5％。
5.原先為手工記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)為計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度；而且計(jì)算機(jī)可以按需要采集足夠的數(shù)據(jù)，防止了人為因素的誤差，大大提高了測量的精度。


圖1是賽貝克系數(shù)測量原理圖。
圖2是ZEM-2型賽貝克系數(shù)測量系統(tǒng)(ULVAC-RIKO)。
圖3是本實(shí)用新型提供的樣品支架剖面構(gòu)造圖。
圖4是本實(shí)用新型提供的非平衡狀態(tài)下賽貝克系數(shù)的測量裝置示意圖。
圖5利用本裝置測量的CoSb3/C60材料的塞貝克系數(shù)隨溫度變化示意圖。
圖6利用本裝置測量的Bi2Te3熱電半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)隨溫度變化示意圖。
圖1-4中1.被測樣品 2.納伏儀(Agilent 34420A)3.加熱爐4.電流電極5.熱電偶51Pt/Rh金屬線52Pt金屬線6.薄膜或微型加熱7.不銹鋼金屬管
8.細(xì)不銹鋼金屬管9.平伸出金屬板(樣品平臺(tái))10.管式爐或低溫冷卻系統(tǒng)11.裝有樣品支架的石英管12.掃描儀(Agilent 34970A)13.計(jì)算機(jī)圖5和圖6的橫坐標(biāo)為溫度(K)，縱坐標(biāo)為賽貝克系數(shù)S(μV/K)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1利用本實(shí)用新型提供的測量裝置進(jìn)行CoSb3/C60材料塞貝克系數(shù)測定。
高純度Sb和Co粉末作為原料粉按1∶3摩爾比在973K合成制備CoSb3材料，和x％質(zhì)量百分比的C60(0≤x≤8)混合均勻，放入酒精中超聲20-60分鐘，壓成塊后用固相反應(yīng)法在973K反應(yīng)一周合成出復(fù)合粉末。反應(yīng)后所獲得的復(fù)合粉末使用SPS快速燒結(jié)法燒結(jié)，工藝參數(shù)為燒結(jié)氣氛為真空下，使用石墨模具，燒結(jié)溫度為800-873K，壓力為40-60Mpa，升溫速度為100-200K/分鐘，保溫時(shí)間在10-20分鐘之間，電場方向?yàn)槠叫杏趬毫Φ姆较颉Ｋ@得的復(fù)合材料的致密度為97％-100％。將樣品放在樣品支架上，裝入石英管9中再放入管式爐，計(jì)算機(jī)設(shè)定測量溫度，開始升溫，通過調(diào)節(jié)通入氮?dú)獾牧髁吭跇悠穬啥诵纬蓽夭?，利用本?shí)用新型提供的測試裝置(圖4)，從樣品支架裝置將T1、T2、ΔE的電信號(hào)引出到測試儀表的掃描卡，掃描卡按T1、T2、ΔE、T2、T1的掃描順序依次掃描，通過商用同軸電纜輸入納伏儀，然后將掃描儀和納伏儀通過RS-232接口與計(jì)算機(jī)相連，作出ΔE～ΔT圖，然后根據(jù)ΔE～ΔT數(shù)據(jù)計(jì)算出塞貝克系數(shù)。其塞貝克系數(shù)在室溫以上隨溫度變化關(guān)系，如圖5所示。
實(shí)施例2利用本實(shí)用新型提供的測量裝置進(jìn)行Bi2Te3熱電半導(dǎo)體材料低溫下塞貝克系數(shù)測試首先將采用區(qū)熔法所制備的碲化鉍基多晶材料置于濃度為10～15％的氫氟酸溶液中浸泡20min，取出后用酒精和去離子水清洗，并在真空中干燥。采用鋼制容器作為粉碎工具，粉碎過程在空氣中進(jìn)行。利用標(biāo)準(zhǔn)尼龍篩對(duì)粉料進(jìn)行過篩，以獲取所需粒度分布的初始粉料。然后對(duì)粉料在還原氣氛下(Ar+20％H2)加熱至300℃左右，并保溫4小時(shí)。SPS制備過程在真空條件下進(jìn)行。采用的燒結(jié)溫度為420℃；升溫速率為50℃/min；保溫時(shí)間為12min；利用兩步加壓的方式，燒結(jié)前所施加的壓力為30MPa，保溫階段施加的壓力為60MPa。將燒結(jié)好的樣品放入樣品支架中，置入低溫冷卻系統(tǒng)中，(Accent HL 5500PC)進(jìn)行低溫50K-500K下的測量，使用本實(shí)用新型提供的裝置，如實(shí)施例1相同的方法，通過薄膜加熱器在一端加熱形成溫差，用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)計(jì)算塞貝克系數(shù)，其隨溫度變化結(jié)果如圖6所示。
權(quán)利要求1.一種非平衡狀態(tài)下測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置，其特征在于所述的測量裝置是由樣品支架、溫差控制裝置、形成不同溫差的裝置以及測量系統(tǒng)；(a)所述的樣品支架其最外層的不銹鋼管內(nèi)焊入一細(xì)的不銹鋼管，頂端平焊接一塊金屬板，整個(gè)樣品支架裝入一石英管中；(b)所述的溫差控制裝置是在平伸出金屬板上一端安裝加熱器；(c)所述的形成不同溫差的裝置是在高溫時(shí)從細(xì)金屬管內(nèi)通入冷卻氣體，到達(dá)樣品支架底部從兩個(gè)金屬管之間流出；(d)所述的測量系統(tǒng)是由管式爐、冷卻系統(tǒng)、樣品支架裝置、測試儀表及計(jì)算機(jī)組成，其中，石英管(11)放在低溫冷卻系統(tǒng)或高溫爐(10)中，石英管(11)通過樣品支架上電信號(hào)的引出線與掃描儀(12)相連，掃描儀(12)與納伏儀(2)相連，掃描儀(12)和納伏儀(2)通過商用RS232接口與計(jì)算機(jī)(13)相連，從而構(gòu)成整個(gè)測量裝置。
2.按權(quán)利要求1所述的一種非平衡狀態(tài)下測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置，其特征在于樣品是通過固定支架固定在金屬板上的，樣品和金屬板之間用熱導(dǎo)率高的陶瓷片絕緣。
3.按權(quán)利要求2所述的一種非平衡狀態(tài)下測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置，其特征在于所述的陶瓷片為AlN或Al2O3。
4.按權(quán)利要求1所述的一種非平衡狀態(tài)下測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置，其特征在于使用的加熱器為薄膜加熱器或微型加熱器，薄膜加熱器的面積為20×20mm，電壓5V，功率為5W。
5.按權(quán)利要求1所述的一種非平衡狀態(tài)下測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置，其特征在于裝有樣品支架的石英管放入的低溫冷卻系統(tǒng)溫度為90K-950K，管式爐溫度為室溫-1000K。
6.按權(quán)利要求1所述的一種非平衡狀態(tài)下賽貝克系數(shù)的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的石英管由密封圈氣密，并通入Ar氣保護(hù)樣品，防止空氣進(jìn)入。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種非平衡狀態(tài)下測量賽貝克系數(shù)用的測量裝置，所述的測量裝置是由樣品支架、溫差控制裝置、以及計(jì)算機(jī)構(gòu)成。樣品支架其最外層的不銹鋼管內(nèi)焊入一細(xì)的不銹鋼管，頂端平焊接一塊金屬板，通過固定支架使樣品固定在平伸出的金屬板上，整個(gè)樣品支架裝入一石英管中，溫差控制裝置是在平伸出金屬板上一端安裝加熱器，通入電流使樣品兩端產(chǎn)生不同的溫差；石英管放在低溫冷卻系統(tǒng)或高溫爐中，通過樣品支架上電信號(hào)的引出線與掃描儀相連，掃描儀與納伏儀相連，且通過RS232接口與計(jì)算機(jī)相連，構(gòu)成整個(gè)測量裝置。本裝置采用一端加熱或冷卻形成溫差的方法，比兩端加熱方法省時(shí)、簡單，且對(duì)試樣無特殊要求，每個(gè)溫度點(diǎn)測量時(shí)間小于10分鐘。
文檔編號(hào)G01N27/14GK2824026SQ20042011041
公開日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者陳立東, 史迅, 黃向陽, 王東立, 柏勝強(qiáng), 姚琴, 蔣俊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所