热电材料塞贝克系数和电导率的水平式测试设备和方法与流程

技术特征：
1.一种塞贝克系数测试设备，其特征在于，所述设备包括第一测试单元和第二测试单元，第一测试单元和第二测试单元并联；每个测试单元均包括加热块、加热元件、温度传感器、温度测量探针、电流测试探针、电压测试探针和冷却系统；每个测试单元中的冷却系统与其中的加热块接触，用于快速冷却加热块。优选地，所述第一测试单元包括第一加热块、第一加热元件、第一温度传感器、第一温度测量探针、第一电压测试探针和第一冷却系统；优选地，所述第二测试单元包括第二加热块、第二加热元件、第二温度传感器、第二温度测量探针、第二电压测试探针和第二冷却系统；优选地，所述第一加热块和第二加热块共同用于承载待测样品；优选地，第一加热块和第二加热块之间的距离能够根据待测样品的尺寸进行调节。2.根据权利要求1所述测试设备，其特征在于，所述第一加热块和第二加热块呈水平并列放置。优选地，所述第一加热块和第二加热块的材质为a5052铝合金、304不锈钢、黄铜；优选地，所述第一加热块和第二加热块的表面设置凹槽，位于两个加热块上的凹槽呈对称设置，共同用于承载块状待测样品。优选地，所述待测样品的一端与第一加热块接触，另一端与第二加热块接触，第一加热块与第二加热块的温度不相等；优选地，所述凹槽表面为绝缘表面。3.根据权利要求1或2所述测试设备，其特征在于，所述测试设备还包括电压数据采集器，所述第一电压测试探针和第二电压测试探针分别与电压数据采集器连接；优选地，所述第一电压测试探针和第二电压测试探针设置在加热块的上方，两个电压测试探针与待测样品之间形成欧姆接触；优选地，两个电压测试探针保持一定距离。优选地，所述测试设备还包括温度采集模块，所述第一温度测量探针和第二温度测量探针分别与温度数据采集模块连接；优选地，所述第一温度探针和第二温度测量探针分别与待测样品的两端接触，分别测试待测样品两端的表面温度；优选地，两个温度测试探针均位于加热块的上方；优选地，所述第一温度测试探针与第一电压测试探针靠近但是不接触，所述第二温度测试探针与第二电压测试探针靠近但是不接触；优选地，所述第一加热元件用于加热第一加热块，所述第二加热元件用于加热第二加热块；优选地，所述加热元件选自加热棒、板式加热器、黏贴式加热器或本领域其他形式的加热元件；优选地，所述第一温度传感器设置在第一加热块的内部，所述第二温度传感器设置在第二加热块的内部；所述第一温度传感器和第二温度传感器实时监控第一加热块和第二加热块的温度；优选地，所述测试设备还包括温度控制器，第一温度传感器和第二温度传感器将其监测的加热块的温度分别反馈给温度控制器，温度控制器通过pid运算逻辑和信号反馈来使第一加热块和第二加热块分别达到各自的设定温度；
优选地，所述测试装置还包括压力传感器，所述压力传感器设置在凹槽的一端，用来检测和控制待测样品与加热块之间的压力，使待测样品与电压/电流测试探针之间保持良好的欧姆接触；优选地，所述测试单元还包括电流测试探针；优选地，所述第一测试单元包括第一电流测试探针，所述第二测试单元包括第二电流测试探针；优选地，所述第一电流测试探针和第二电流测试探针设置在加热块待测样品放置位置的上方，用于测试待测样品两端的电流；优选地，所述电流测试探针包括导电针体和任选与导电针体连接的电极片；优选地，所述测试设备还包括密封罩，两个测试单元、或者整个设备均置于密封罩内。优选地，所述待测样品的材质为热电材料。4.根据权利要求1-3任一项所述测试设备，其特征在于，所述第一电流测试探针、第一电压测试探针、第二电压测试探针、第二电流测试探针成一字线性排列，每个探针针尖之间的距离相等。优选地，第一电流测试探针、第一电压测试探针、第二电压测试探针、第二电流测试探针依次成一字线性排列设置在穿过待测样品几何中心的直线上，所述温度测量探针位于待测样品端侧；优选地，所述每个探针针尖之间的距离以毫米计，比如为1-3mm；或者，所述第一电压测试探针、第一电流测试探针、第二电压测试探针和第二电流测试探针分别设置在待测样品的四个边角的上方；优选地，两个电压测试探针位于待测样品的同侧，两个电流测试探针位于待测样品的另一同侧，第一电压测试探针与第二电流测试探针呈对角线设置，第二电压测试探针与第一电流测试探针呈对角线设置；优选地，所述第一冷却系统设置在第一加热块的下方，所述第二冷却系统设置在第二加热块的下方，两个冷却系统分别用来快速冷却与其对应设置的加热块；优选地，所述第一冷却系统和第二冷却系统为水冷、风冷、半导体制冷、干冰和液氮冷却系统中的任意一种；优选地，所述测试设备还包括控制端，例如所述控制端为计算机。优选地，所述温度数据采集模块、电压数据采集器、温度控制器、以及冷却系统分别与所述控制端连接。5.权利要求1-4任一项所述测试设备在测试热电材料的塞贝克系数和/或电导率中的应用；优选地，所述热电材料的形态为片状(如薄膜状)和/或块状；优选地，所述设备测试热电材料在高于室温和低于室温下的塞贝克系数和/或电导率。6.权利要求1-4任一项所述测试设备测试塞贝克系数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：设定第一加热块温度为t1’
、第二加热块温度为t2’
，且t1’
≠t2’
；将待测样品放置在加热块上，待测样品冷端和热端的温度通过位于其对应位置处的温度测量探针测量得到，探测到的温度记为t1和t2，且t1≠t2；与此同时，待测样品的两端由于存在温差δt，从而产生电势差δv，通过公式s＝δv/δt计算得到材料的塞贝克系数；所述电势差δv通过第一电压测试探针和第二电压测试探针测试得到。优选地，所述方法还包括如下步骤：测试结束后，通过开启冷却系统，将第一加热块温度和第二加热块的温度迅速降低，而后重新设定两个加热块的温度，测试下一个温度下的塞贝克系数；或者更换待测样品，测试下一个待测样品的塞贝克系数。
7.根据权利要求6所述测试塞贝克系数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；优选地，当所述待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当所述待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；a2)将第一温度测量探针和第一电压测试探针与样品的一端接触；第二温度测量探针和第二电压测试探针与样品的另一端接触；a3)在测试开始前分别设定第一加热块的温度(t1’
)和第二加热块的温度(t2’
)，且t1’
≠t2’
；a4)t1’
和t2’
的温度不同，从而使样品表面产生一个温度差；待测样品冷端和热端的的温度通过位于其对应位置处的温度测量探针测量得到，探测到的温度记为t1和t2，且t1≠t2；t1和t1’
不一定相同，t2和t2’
不一定相同；a5)与此同时，样品的冷端和热端产生了电势差δv，由第一电压测试探针和第二电压测试探针测试得到所述电势差δv；a6)温度t1，t2数据经过温度数据采集模块，电势差δv数据通过电压数据采集器，分别传输给计算机，并且通过公式s＝δv/δt计算得到待测样品在温度t1’
下的塞贝克系数；优选地，所述塞贝克系数的测试方法，还包括以下步骤：a7)测试结束之后再分别将t1’
和t2’
设定到别的温度从而可以测试样品在不同温度下的塞贝克系数；优选地，所述塞贝克系数的测试方法，还包括以下步骤：a8)根据一定温度范围内的δv和δt，可以进行线性拟合，得到的斜率是塞贝克系数平均值。8.根据权利要求1-4任一项所述测试设备测试电导率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：由电压测试探针测试待测样品的电压，由电流测试探针测试待测样品的电流，根据线性四探针法或范德堡法测试待测样品的电导率。9.权利要求8所述线性四探针法测试待测样品电导率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：b1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；优选地，当所述待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当所述待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；b2)将第一温度测量探针和第二温度测量探针分别与待测样品的两端接触，两个电压测试探针和两个电流测试探针分别与待测样品接触；第一电流测试探针、第一电压测试探针、第二电压测试探针、第二电流测试探针成一字线性排列设置在穿过待测样品的几何中心的直线上，温度测量探针位于待测样品端侧；b3)设定第一加热块和第二加热块的温度均为t。b4)第一电压测试探针和第二电压测试探针用于测试待测样品两端的电压(v1)，而第一电流测试探针的导电针体和第二电流测试探针的导电针体用于测试待测样品两端的电流(i1)；
优选地，当待测样品为薄膜样品时，且薄膜的厚度(例如约10μm)相对于探测针尖之间的距离(例如约1mm)忽略不计时，可根据测试得到的v1和i1，结合公式(1)计算得到待测样品在温度t下的电导率，；其中，σ
s
代表薄膜样品材料的电导率，δ代表薄膜样品的厚度；优选地，当待测样品为块体样品时，根据测试得到的v1和i1，结合公式(2)计算得到待测样品在温度t下的电导率；其中，σ代表块体样品材料的电导率，a代表块体样品的横截面积，l代表块体样品的长度。10.权利要求8所述范德堡法测试待测样品电导率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：c1)将待测样品置于第一加热块和第二加热块上；优选地，当所述待测样品为薄膜样品时，将薄膜样品直接置于两个加热块上；当所述待测样品为块状样品时，则将块状样品置于加热块的凹槽中，根据块状样品的尺寸适应性调整第一加热块和第二加热块的距离，以确保块状样品完全置于凹槽中；c2)将第一温度测量探针和第二温度测量探针分别与待测样品的一端接触，所述第一电压测试探针、第一电流测试探针、第二电压测试探针和第二电流测试探针分别设置在待测样品的四个边角的上方，以a、b、c、d代表四个边角，第一电压测试探针位于边角a，第二电压测试探针位于边角b，第二电流测试探针位于边角c，第一电流测试探针位于边角d，电压测试探针和电流测试探针分别与待测样品接触；c3)设定第一加热块和第二加热块的温度均为t；c4)通过测试探针测试得到r
ba,cd
,r
ab,dc
,r
dc,ab
,r
cd,ba
和r
cb,da
,r
bc,ad
,r
ad,bc
,r
da,cb
；r
ba,cd
表示通过ba两端加电压v
ba
，并且b端是正极的情况下测试得到cd两端的电流i
cd
，通过公式v
ba
/i
cd
得到电阻r
ba,cd
；同理，计算得到r
ab,dc
,r
dc,ab
,r
cd,b
，r
cb,da
,r
bc,ad
,r
ad,bc
,r
da,cb
；按照公式(3)-(6)计算待测样品的电导率；(6)计算待测样品的电导率；计算得到r
a
和r
b
；再通过公式(5)，计算得到r
s
：再通过公式(6)，计算得到待测样品材料的电导率；其中，σ代表待测样品材料的电导率，δ代表待测样品的厚度。

技术总结
本发明公开了一种热电材料塞贝克系数和电导率的水平式测试设备和方法。本发明提供的设备，设有两个冷却系统，可以测试材料在温度低于室温时的塞贝克系数，同时在完成上一个测试之后，可以让加热器迅速恢复到较低温度，从而可以快速开始下一个样品的测试，使样品测试更加简便，提高了多个样品多个温度测试的效率。本发明采用了接触使加热方式，并且采用双加热台的形式，可以准确快速的给测试样品提供任意的温度差。本发明两个加热块之间的距离可调控，并且表面有凹槽，可以将块体样品放入凹槽，从而可以同时满足测试块体样品和薄膜样品的目的。的目的。的目的。


技术研发人员：吴挺俊 高鹏
受保护的技术使用者：厦门稀土材料研究所
技术研发日：2020.06.02
技术公布日：2021/12/6