半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，屬于半導體熱電致冷材料電學性能測試領域。解決了生產過程中對半導體熱電致冷材料的電學性能進行測試的過程復雜和破壞測試樣品完整性的問題。升降式四相滑動端子包括4個輸入端和4個輸出端；數(shù)字電壓表的兩個電壓測試端分別與升降式四相滑動端子的兩個輸入端連接，數(shù)顯恒流源的兩個電流測試端分別與升降式四相滑動端子的另兩個輸入端連接，升降式四相滑動端子的4個輸出端分別與賽貝克系數(shù)測試模塊的4個輸入端、大尺寸晶棒電導率測試模塊的4個輸入端和小塊切割樣品電導率測試模塊的4個輸入端連接。它主要用于對半導體熱電致冷材料電學性能測試。
【專利說明】半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體熱電致冷材料電學性能測試領域。
【背景技術】
[0002] 電導率和塞貝克系數(shù)是衡量半導體致冷材料電學性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，在半導體 致冷材料性能優(yōu)化與研發(fā)過程中電學參數(shù)的測試方法已經基本成熟。但是，在材料的生產 過程中電學參數(shù)的監(jiān)測過程還存在沒有解決的技術難題。
[0003] 在熱電材料的生產過程中，以Bi2Te3S取向固溶體晶棒為例，通常采用熔煉區(qū)熔 法生產，區(qū)熔過程中由于熔區(qū)對材料產生分凝作用從而造成在晶棒材料頭、尾的成分偏析 使材料的熱電性能發(fā)生變化。通常情況下晶棒的頭、尾部熱電性能較差，需要對晶棒的頭尾 進行截取回收利用，以降低材料的生產成本。如何準確選取最佳的截取位置并得到電導率 及Seebeck系數(shù)均達標的產品是一個難以解決的問題。生產的柱狀晶棒各處電學性能是否 均勻達標，無法在生產過程中直接進行監(jiān)測，通常采用的方法是先將晶棒切割成小塊條形 長方晶體顆粒，對晶體顆粒進行標號再逐個測量，然后通過建立直角坐標系將測量結果描 繪成變化曲線來分析產品性能的分布情況。這種方法雖然測試結果精確，但是耗時費力、效 率低下，而且還大大破壞了產品的完整性，難于實現(xiàn)對所有晶棒材料電學性能的監(jiān)測。由于 工藝環(huán)境的波動必然導致產品之間存在個性化差異，所以對晶棒頭、尾切割位置的選取只 能做粗略的估算，這必然造成不合格產品的漏檢與合格產品的浪費。不合格材料一旦進入 器件的生產流程，不僅會造成原材料的巨大浪費，而且會直接影響熱電器件的性能則可能 會造成更加嚴重的后果和更大的經濟損失。此外，對不同電學參數(shù)的測試通常采取不同的 測試平臺進行，這樣的做法不僅造成測試設備的重復設置、體積龐大、資源浪費，同時也不 利于測試系統(tǒng)的集約化從而影響其便攜性。
[0004] 目前，在半導體熱電致冷材料生產中急需既能夠實現(xiàn)材料電學性能精確測試又能 實現(xiàn)材料生產過程中電學性能高效率監(jiān)測的綜合性測試裝置。本發(fā)明專利就是為解決這一 實際問題提出的。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明是為了解決生產過程中對半導體熱電致冷材料的電學性能進行測試的過 程復雜和破壞測試樣品完整性的問題。本發(fā)明提供了一種半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜 合監(jiān)測裝置。
[0006] 半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，它包括數(shù)字電壓表、數(shù)顯恒流源、升 降式四相滑動端子、賽貝克系數(shù)測試模塊、大尺寸晶棒電導率測試模塊、小塊切割樣品電導 率測試模塊；
[0007] 所述的升降式四相滑動端子包括4個輸入端和4個輸出端；
[0008] 數(shù)字電壓表的兩個電壓測試端分別與升降式四相滑動端子的兩個輸入端連接，數(shù) 顯恒流源的兩個電流測試端分別與升降式四相滑動端子的另兩個輸入端連接，
[0009] 升降式四相滑動端子的4個輸出端分別與賽貝克系數(shù)測試模塊的4個輸入端、大 尺寸晶棒電導率測試模塊的4個輸入端和小塊切割樣品電導率測試模塊的4個輸入端連 接。
[0010] 所述的大尺寸晶棒電導率測試模塊包括可調節(jié)探針和樣品夾，
[0011] 所述的可調節(jié)探針具有兩個接觸探頭，且兩個接觸探頭之間的距離可調，該兩個 接觸探頭用于檢測待測晶體樣品上任意兩點之間的電壓，
[0012] 一個接觸探頭同時與數(shù)顯恒流源的一個電流測試端和數(shù)字電壓表的一個電壓測 試端連接，
[0013] 另一個接觸探頭同時與數(shù)顯恒流源的另一個電流測試端和數(shù)字電壓表的另一個 電壓測試端連接，
[0014] 樣品夾用于夾持待測晶體樣品，還用于接收測試電壓。
[0015] 所述的可調節(jié)探針的兩個接觸探頭為柱狀銅質電極。
[0016] 所述的小塊切割樣品電導率測試模塊包括1號雙向換向開關和2個測試電極；
[0017] 1號雙向換向開關具有兩個輸入端、兩個輸出端和兩個可動端，
[0018] 2個測試電極用于夾固待測晶體樣品，且2個測試電極的分別與1號雙向換向開關 的兩個可動端連接，
[0019] 1號雙向換向開關的一個輸入端同時與數(shù)顯恒流源的一個電流測試端和數(shù)字電壓 表的一個電壓測試端連接，
[0020] 1號雙向換向開關的另一個輸入端同時與數(shù)顯恒流源的另一個電流測試端和數(shù)字 電壓表的另一個電壓測試端連接。
[0021] 所述的賽貝克系數(shù)測試模塊包括數(shù)字溫度控制表、溫度控制開關、電壓測試開關、 2號雙向換向開關、1號溫度調節(jié)開關、2號溫度調節(jié)開關、恒溫電極和溫度控制電極；
[0022] 2號雙向換向開關具有兩個輸入端、兩個輸出端和兩個可動端，
[0023] 電壓測試開關具有兩個可動端和兩個固定端，
[0024] 溫度控制開關、1號溫度調節(jié)開關和2號溫度調節(jié)開關均為單刀單擲開關，
[0025] 恒溫電極和溫度控制電極分別用于夾固在待測晶體樣品的兩端，
[0026] 數(shù)字溫度控制表的電流輸入端與溫度控制開關的一端連接，溫度控制開關的另一 端與恒溫電極連接，
[0027] 數(shù)字溫度控制表的兩個電流輸出端分別與2號雙向換向開關的兩個輸入端連接， 2號雙向換向開關的兩個可動端分別與電壓測試開關的兩個可動端連接，
[0028] 電壓測試開關兩個輸出端用于與數(shù)字電壓表的兩個電壓測試端連接，
[0029] 2號雙向換向開關的兩個輸出端分別與恒溫電極和溫度控制電極連接，
[0030] 1號溫度調節(jié)開關和2號溫度調節(jié)開關的一端均與溫度控制電極連接，
[0031] 1號溫度調節(jié)開關的另一端和2號溫度調節(jié)開關的另一端用于與數(shù)顯恒流源的兩 個電流測試端連接。
[0032] 本發(fā)明所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置具有如下優(yōu)點：
[0033] 1.可以在生產過程中直接測量材料的相關電學性能，方便對生產中材料性能的監(jiān) 測，簡化測試過程，提升測試效率。本發(fā)明可以測量不同尺寸半導體熱電材料柱狀晶棒的電 導率和塞貝克系數(shù)，擴大了可測樣品的范圍。
[0034] 2.經驗證本發(fā)明參照常溫下半導體熱電材料電導率和塞貝克系數(shù)測量的相關標 準，采用探針測量技術，可以在生產過程中對產品的電導率變化進行監(jiān)測，在不損毀產品的 前提下，可以對整個產品電導率的均勻性進行測量。
[0035] 3.本發(fā)明提出的半導體熱電材料電學性能綜合監(jiān)測裝置通過模塊組合方式使三 個測試模塊共用一套測試用電表實現(xiàn)不同尺寸樣品、不同電學參數(shù)的測試，從而大幅度降 低設備成本。該裝置設計合理，操作簡單，成本低廉，既適于生產企業(yè)的產品制造又適于科 研院所的產品研發(fā)使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置的原理示意圖；
[0037] 圖2為大尺寸晶棒電導率測試模塊的原理示意圖；
[0038] 圖3為小塊切割樣品電導率測試模塊的原理示意圖；
[0039] 圖4為賽貝克系數(shù)測試模塊的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0040]
【具體實施方式】一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的半導體熱電致冷 材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，它包括數(shù)字電壓表1、數(shù)顯恒流源2、升降式四相滑動端子3、 賽貝克系數(shù)測試模塊4、大尺寸晶棒電導率測試模塊5、小塊切割樣品電導率測試模塊6 ; [0041] 所述的升降式四相滑動端子3包括4個輸入端和4個輸出端；
[0042] 數(shù)字電壓表1的兩個電壓測試端分別與升降式四相滑動端子3的兩個輸入端連 接，數(shù)顯恒流源2的兩個電流測試端分別與升降式四相滑動端子3的另兩個輸入端連接，
[0043] 升降式四相滑動端子3的4個輸出端分別與賽貝克系數(shù)測試模塊4的4個輸入端、 大尺寸晶棒電導率測試模塊5的4個輸入端和小塊切割樣品電導率測試模塊6的4個輸入 端連接。
【具體實施方式】 [0044] 二：參見圖2說明本實施方式，本實施方式與一所述 的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置的區(qū)別在于，所述的大尺寸晶棒電導率測試 模塊5包括可調節(jié)探針5-1和樣品夾5-2，
[0045] 所述的可調節(jié)探針5-1具有兩個接觸探頭，且兩個接觸探頭之間的距離可調，該 兩個接觸探頭用于檢測待測晶體樣品7上任意兩點之間的電壓，
[0046] -個接觸探頭同時與數(shù)顯恒流源2的一個電流測試端和數(shù)字電壓表1的一個電壓 測試端連接，
[0047] 另一個接觸探頭同時與數(shù)顯恒流源2的另一個電流測試端和數(shù)字電壓表1的另一 個電壓測試端連接，
[0048] 樣品夾5-2用于夾持待測晶體樣品7,還用于接收測試電壓。
[0049] 本發(fā)明所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置對長條形切割測試樣 品的測量精度最為顯著。
[0050] 本實施方式中，大尺寸晶棒電導率測試模塊5主要用于對截面直徑小于35毫米長 度大于10厘米的圓柱狀的晶體進行測量。
[0051] 本實施方式中，采用大尺寸晶棒電導率測試模塊5實現(xiàn)的電導率測量方法的具體 過程為，
[0052] 首先，用樣品夾5-2夾固待測晶體樣品7,可調節(jié)探針5-1的兩個接觸探頭分別與 待測晶體樣品7需要測量的兩點相連接，并確保待測晶體樣品7與可調節(jié)探針5-1接觸，數(shù) 字電壓表1的兩個探頭分別與可調節(jié)探針5-1的兩個接觸探頭連接；
[0053] 其次，將數(shù)顯恒流源2打到IOOOmA檔位，調節(jié)旋鈕，使輸入電流I為900mA，對待測 晶體樣品7預熱15分鐘后讀取數(shù)字電壓表1上的電壓值V1;
[0054] 再次，改變電路中的電流方向后，再次讀取數(shù)字電壓表1上的電壓值V2;
[0055] 最后，根據(jù)公式7 = ·^^求取電壓的平均值V，測量待測晶體樣品7的橫截面積 2: S和長度L，根據(jù)電壓的平均值V及輸入電流I，通過歐姆定律求得待測晶體樣品7的電阻R，
[0056] 再根據(jù)待測晶體樣品7的電阻R、待測晶體樣品7的橫截面積S和長度L，通過公 式K= 獲得待測晶體樣品7的電導率σ，完成對待測晶體樣品7電導率σ的測量， P表示電阻率。
[0057] 可調節(jié)探針5-1可對待測晶體樣品7上的確定兩點位置進行檢測，不需要對待測 晶體樣品7進行切割測試，可以保持待測晶體樣品7完整性。
【具體實施方式】 [0058] 三：本實施方式與二所述的半導體熱電致冷材料電學 參數(shù)綜合監(jiān)測裝置的區(qū)別在于，所述的可調節(jié)探針5-1的兩個接觸探頭為柱狀銅質電極。
【具體實施方式】 [0059] 四：本實施方式與一所述的半導體熱電致冷材料電學 參數(shù)綜合監(jiān)測裝置的區(qū)別在于，所述的樣品夾5-2采用銅制成。
【具體實施方式】 [0060] 五：參見圖3說明本實施方式，本實施方式與一所述 的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置的區(qū)別在于，所述的小塊切割樣品電導率測 試模塊6包括1號雙向換向開關6-1和2個測試電極6-2 ;
[0061] 1號雙向換向開關6-1具有兩個輸入端、兩個輸出端和兩個可動端，
[0062] 2個測試電極6-2用于夾固待測晶體樣品7,且2個測試電極6-2的分別與1號雙 向換向開關6-1的兩個可動端連接，
[0063] 1號雙向換向開關6-1的一個輸入端同時與數(shù)顯恒流源2的一個電流測試端和數(shù) 字電壓表1的一個電壓測試端連接，
[0064] 1號雙向換向開關6-1的另一個輸入端同時與數(shù)顯恒流源2的另一個電流測試端 和數(shù)字電壓表1的另一個電壓測試端連接。
[0065] 本實施方式中，1號雙向換向開關6-1的每個輸入端均作為電壓和電流的接入端 子。
[0066] 本實施方式中，小塊切割樣品電導率測試模塊6主要用于對幾個厘米尺寸的矩形 形柱狀的晶體進行測量。
【具體實施方式】 [0067] 六：參見圖4說明本實施方式，本實施方式與一所述 的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置的區(qū)別在于，所述的賽貝克系數(shù)測試模塊4 包括數(shù)字溫度控制表4-1、溫度控制開關Κ1、電壓測試開關Κ2、2號雙向換向開關Κ3、1號溫 度調節(jié)開關Κ4、2號溫度調節(jié)開關Κ5、恒溫電極4-3和溫度控制電極4-2 ;
[0068] 2號雙向換向開關K3具有兩個輸入端、兩個輸出端和兩個可動端，
[0069] 電壓測試開關Κ2具有兩個可動端和兩個固定端，
[0070] 溫度控制開關Kl、1號溫度調節(jié)開關Κ4和2號溫度調節(jié)開關Κ5均為單刀單擲開 關，
[0071] 恒溫電極4-3和溫度控制電極4-2分別用于夾固在待測晶體樣品7的兩端，
[0072] 數(shù)字溫度控制表4-1的電流輸入端與溫度控制開關Kl的一端連接，溫度控制開關 Kl的另一端與恒溫電極4-3連接，
[0073] 數(shù)字溫度控制表4-1的兩個電流輸出端分別與2號雙向換向開關Κ3的兩個輸入 端連接，2號雙向換向開關Κ3的兩個可動端分別與電壓測試開關Κ2的兩個可動端連接，
[0074] 電壓測試開關Κ2兩個輸出端用于與數(shù)字電壓表1的兩個電壓測試端連接，
[0075] 2號雙向換向開關Κ3的兩個輸出端分別與恒溫電極4-3和溫度控制電極4-2連 接，
[0076] 1號溫度調節(jié)開關Κ4和2號溫度調節(jié)開關Κ5的一端均與溫度控制電極4-2連接，
[0077] 1號溫度調節(jié)開關Κ4的另一端和2號溫度調節(jié)開關Κ5的另一端用于與數(shù)顯恒流 源2的兩個電流測試端連接。
[0078] 本實施方式中，通過數(shù)字溫度控制表實現(xiàn)溫度調節(jié)和溫差測量。
【權利要求】
1. 半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，其特征在于，它包括數(shù)字電壓表（1)、 數(shù)顯恒流源（2)、升降式四相滑動端子（3)、賽貝克系數(shù)測試模塊（4)、大尺寸晶棒電導率測 試模塊（5)、小塊切割樣品電導率測試模塊（6); 所述的升降式四相滑動端子（3)包括4個輸入端和4個輸出端； 數(shù)字電壓表（1)的兩個電壓測試端分別與升降式四相滑動端子（3)的兩個輸入端連 接，數(shù)顯恒流源（2)的兩個電流測試端分別與升降式四相滑動端子（3)的另兩個輸入端連 接， 升降式四相滑動端子（3)的4個輸出端分別與賽貝克系數(shù)測試模塊（4)的4個輸入端、 大尺寸晶棒電導率測試模塊（5)的4個輸入端和小塊切割樣品電導率測試模塊（6)的4個 輸入端連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，其特征在于， 所述的大尺寸晶棒電導率測試模塊（5)包括可調節(jié)探針（5-1)和樣品夾（5-2)， 所述的可調節(jié)探針（5-1)具有兩個接觸探頭，且兩個接觸探頭之間的距離可調，該兩 個接觸探頭用于檢測待測晶體樣品（7)上任意兩點之間的電壓， 一個接觸探頭同時與數(shù)顯恒流源（2)的一個電流測試端和數(shù)字電壓表（1)的一個電壓 測試端連接， 另一個接觸探頭同時與數(shù)顯恒流源（2)的另一個電流測試端和數(shù)字電壓表（1)的另一 個電壓測試端連接， 樣品夾（5-2)用于夾持待測晶體樣品（7)，還用于接收測試電壓。
3. 根據(jù)權利要求2所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，其特征在于， 所述的可調節(jié)探針（5-1)的兩個接觸探頭為柱狀銅質電極。
4. 根據(jù)權利要求1所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，其特征在于， 所述的樣品夾（5-2)采用銅制成。
5. 根據(jù)權利要求1所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，其特征在于， 所述的小塊切割樣品電導率測試模塊（6)包括1號雙向換向開關（6-1)和2個測試電極 (6-2)； 1號雙向換向開關￠-1)具有兩個輸入端、兩個輸出端和兩個可動端， 2個測試電極（6-2)用于夾固待測晶體樣品（7)，且2個測試電極（6-2)的分別與1號 雙向換向開關￠-1)的兩個可動端連接， 1號雙向換向開關（6-1)的一個輸入端同時與數(shù)顯恒流源（2)的一個電流測試端和數(shù) 字電壓表（1)的一個電壓測試端連接， 1號雙向換向開關（6-1)的另一個輸入端同時與數(shù)顯恒流源（2)的另一個電流測試端 和數(shù)字電壓表（1)的另一個電壓測試端連接。
6. 根據(jù)權利要求1所述的半導體熱電致冷材料電學參數(shù)綜合監(jiān)測裝置，其特征在于， 所述的賽貝克系數(shù)測試模塊（4)包括數(shù)字溫度控制表（4-1)、溫度控制開關（K1)、電壓測試 開關（K2)、2號雙向換向開關（K3)、1號溫度調節(jié)開關（K4)、2號溫度調節(jié)開關（K5)、恒溫電 極（4-3)和溫度控制電極（4-2); 2號雙向換向開關（K3)具有兩個輸入端、兩個輸出端和兩個可動端， 電壓測試開關（K2)具有兩個可動端和兩個固定端， 溫度控制開關（Kl)、l號溫度調節(jié)開關（K4)和2號溫度調節(jié)開關（K5)均為單刀單擲 開關， 恒溫電極（4-3)和溫度控制電極（4-2)分別用于夾固在待測晶體樣品（7)的兩端， 數(shù)字溫度控制表（4-1)的電流輸入端與溫度控制開關（K1)的一端連接，溫度控制開關 (K1)的另一端與恒溫電極（4-3)連接， 數(shù)字溫度控制表（4-1)的兩個電流輸出端分別與2號雙向換向開關（K3)的兩個輸入 端連接，2號雙向換向開關（K3)的兩個可動端分別與電壓測試開關（K2)的兩個可動端連 接， 電壓測試開關（K2)兩個輸出端用于與數(shù)字電壓表（1)的兩個電壓測試端連接， 2號雙向換向開關（K3)的兩個輸出端分別與恒溫電極（4-3)和溫度控制電極（4-2)連 接， 1號溫度調節(jié)開關（K4)和2號溫度調節(jié)開關（K5)的一端均與溫度控制電極（4-2)連 接， 1號溫度調節(jié)開關（K4)的另一端和2號溫度調節(jié)開關（K5)的另一端用于與數(shù)顯恒流 源（2)的兩個電流測試端連接。
【文檔編號】G01N27/14GK104483358SQ201510003098
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2015年1月5日 優(yōu)先權日:2015年1月5日
【發(fā)明者】胡建民, 李理, 王月媛, 曲秀榮, 秦兆慧, 李將錄 申請人:哈爾濱師范大學