[發(fā)明專利]薄膜熱電材料熱導率測試系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2012-02-21
• 公開（公告）號: CN102590274A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設計）人: 王為;冀宇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發(fā)明涉及材料科學領域中熱電材料性能測試技術，特別涉及一種薄膜熱電材料熱導率測試系統(tǒng)及方法。

背景技術

隨著微納米技術、微機電系統(tǒng)(MEMS)、超大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展，對微納米尺寸材料的研究及其應用日益受到重視。熱電材料是一種能實現(xiàn)熱能與電能之間相互轉換的功能材料，在溫差發(fā)電、溫差電制冷以及傳感器等方面有著廣泛應用。熱電材料的熱電轉換效應(亦稱賽貝克效應)可用下式表示：

E＝α(T₁-T₂)

式中T₁和T₂是熱電材料兩端的溫度，且T₁＞T₂，α為賽貝克系數(shù)，E為熱電材料在溫差為(T₁-T₂)條件下產生的賽貝克電動勢。熱電材料兩端的溫差(T₁-T₂)越大，產生的賽貝克電動勢也越大。為了獲得高的賽貝克電動勢，要求熱電材料具有低的熱導率。因此，熱導率是熱電材料的一項重要性能指標。熱導率的定義如下：當溫度垂直梯度為1℃/m時，單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。在一般情況下，則有：

dE/dt＝-κ·A·dT/dl????(1)

(1)式中E是在時間t內所傳遞的熱量，A為材料的截面積，l為長度，T為溫度，κ為熱導率。傳統(tǒng)的熱電材料通常采用冶金的方法或者粉末燒結的方法制造。這類方法制造的塊體熱電材料，采用激光熱導率測試儀可以方便地測出熱電材料的熱導率。但對于厚度在微米甚至納米尺度的熱電材料，激光熱導率測試儀已經不能用于測試其熱導率。目前，國內外尚無商品化的用于薄膜熱電材料熱導率測試的儀器。本發(fā)明的薄膜熱電材料熱導率測試系統(tǒng)及方法，可以快速準確地測量薄膜熱電材料的熱導率，解決了目前薄膜熱電材料熱導率無法測量的問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于測試薄膜熱電材料熱導率的測試系統(tǒng)及方法，能夠實現(xiàn)對薄膜熱電材料熱導率(厚度在微米甚至納米尺度的熱電材料)的精確測定。

本發(fā)明的目的通過下述技術方案予以實現(xiàn)：

一種用于測試薄膜熱電材料熱導率的測試系統(tǒng)，由真空體系、測試卡具和控制及測試電路體系三部分構成。待測薄膜熱電材料試樣放置在測試卡具內，測試過程中測試卡具內部處于密閉的真空環(huán)境中?？刂萍皽y試電路體系用于調控流經加熱塊上的電流，實現(xiàn)薄膜熱電材料測試過程熱流量的控制以及測試數(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)和計算結果在計算機顯示器上的實時顯示。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對薄膜熱電材料熱導率的精確測定。具體結構描述如下：

真空體系(如附圖5、附圖6所示)由壓力表20、接壓力表三通21、熱偶真空計22、接熱偶真空計三通23、真空泵三通24、放氣閥25、接放氣閥三通26、手動真空閥27、真空泵接口28、真空泵29、三通密封蓋30、密封卡箍8和密封膠圈9組成。其特征是，啟動真空泵29，打開手動真空閥27后，測試系統(tǒng)的測試卡具內逐漸形成真空環(huán)境，測試卡具內的真空環(huán)境可以最大限度地減少因待測試樣4的測試表面以及加熱塊7表面的熱輻射造成的熱量損失。