一种电热性能动态检测系统
阅读：556发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种电热性能动态检测系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种电热性能动态检测系统，包括样品台、激励 信号 源、 激励信号 放大器 、 锁 相放大器、热探针、 原子 力 显微镜 控制器 和探针控制器。标定获得探针控制器输出的响应信号与热探针 温度 之间的关系曲线；对样品施加交流 电压 进行动态激励；热探针及探针控制器对待测样品进行实时动态检测，得到动态响应信号； 锁相放大器 对动态响应信号进行实时处理，获得其振幅值； 原子力显微镜 控制器结合标定的关系曲线与动态响应信号的振幅值，分析获得样品的电热性能参数。本实用新型能够实现弱电热响应的精确测量，并实现了实时侦测材料电热响应动态变化，以及实时检测材料微尺度电热性能空间分布的目的。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种电热性能动态检测系统专利的具体信息内容。
1.一种电热性能动态检测系统，其特征在于，包括样品台、激励信号源、激励信号放大器、锁相放大器、热探针、原子力显微镜控制器和探针控制器；
所述样品台用于承载待测样品，样品台内设有温度控制系统；
激励信号源的两个输入接口分别连接激励信号放大器和锁相放大器；
所述激励信号放大器的输出端连接待测样品两端的电极；
所述原子力显微镜控制器包括探针驱动模块和数据处理模块；所述探针驱动模块连接热探针，用于对热探针进行空间定位；
所述探针控制器的信号输入端与热探针连接，信号输出端连接原子力显微镜控制器中的数据处理模块和锁相放大器；
锁相放大器的信号输出端连接原子力显微镜控制器中的数据处理模块。
2.根据权利要求1所述的电热性能动态检测系统，其特征在于，所述热探针包括两条悬臂，两条悬臂的前端相接触，构成为热探针的针尖，针尖部分由热敏电阻构成。
3.根据权利要求1所述的电热性能动态检测系统，其特征在于，所述探针控制器包括信号检测器和信号放大器；
所述信号检测器的输入端与热探针连接，用来侦测由热探针温度变化引起的响应信号，其输出端与信号放大器的输入端连接，将响应信号输出给信号放大器；
所述信号放大器用来对响应信号进行初步放大，其输出端连接原子力显微镜控制器中的数据处理模块和锁相放大器。
4.根据权利要求1所述的电热性能动态检测系统，其特征在于，所述原子力显微镜控制器包括信号发生模块，其输出端连接探针信号控制器，用于提供探针控制器工作所需的电信号。
5.根据权利要求1所述的电热性能动态检测系统，其特征在于，原子力显微镜控制器包括成像模块，用于实时显示数据处理模块获得的电热性能数据。
6.根据权利要求1所述的电热性能动态检测系统，其特征在于，所述样品台上竖直设置两个平行电极，检测时将待测样品放置于两个平行电极之间。
7.根据权利要求1所述的电热性能动态检测系统，其特征在于，所述样品台上水平设置一个电极，检测时将待测样品放置于电极之上进行，与待测样品上表面接触的热探针作为另一电极。
一种电热性能动态检测系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种电热性能动态检测系统与检测方法，特别涉及一种实时直接测量材料电热性能的系统。
背景技术
[0002] 随着电子工业的发展，人们对制冷和散热的需求越来越高，传统的制冷和散热方式已经无法应对日益增长的制冷需求，尤为迫切开发新型的制冷技术。而通过电解质材料在外电场作用下偶极子有序度发生改变，从而引起材料温度变化的电热效应，是一种潜在的新型制冷方式。基于电热效应的制冷器件由于可以集成，以及环境友好和噪音小等特点，是一种很有希望的固态制冷方式，研发高电热性能的材料是目前电热研究的主要方向。如此，对材料性能进行实时地直接动态检测就显得不可或缺。
[0003] 当前，对电热性能的直接检测方法主要是通过已有的商业仪器或器件，例如红外测温、差热分析仪、或热电偶等。但是，当前已存在的直接法主要是通过对时域下的电热响应进行测量，具有耗时长和受环境影响大的缺点，不能够实时监测材料的电热性能变化，以及无法对材料的局域电热性能进行实时动态原位测量，众所周知，对材料的微区域电热性能进行实时动态检测，对人们理解电热效应的微观机理、促进电热材料的研发有着重要的作用，并能为改善材料的电热性能提供帮助。并且，目前的电热检测技术较难侦测微弱的电热响应信号，无法对动态变化的电热响应进行测量，且不能实时的对电热性能进行监测，更是难以拓展到低维材料的电热响应检测中去。这严重阻碍了电热制冷技术的发展和电热机理的深入研究。所以，迫切需要研究新型的电热性能动态检测系统与检测方法。实用新型内容
[0004] 本实用新型所解决的现有技术问题，针对现有技术的不足，提出了一种电热性能动态检测系统，能实时对材料的电热性能进行直接动态测量，可快速准确地检测材料的电热性能变化，且抗环境干扰能力强。本实用新型可以对微弱电热响应信号进行侦测，克服了现有技术对微弱电热响应信号难以侦测的问题，可推广至多种类型的商用原子力显微系统。
[0005] 本实用新型所提供的技术方案为：
[0007] 所述样品台用于承载待测样品，样品台内设有温度控制系统，用于在标定过程中控制样品台和热探针的温度；
[0009] 所述激励信号放大器用于对激励信号源产生的交流电压信号进行放大，得到激励电压；激励信号放大器的输出端连接待测样品两端的电极，将激励电压施加于待测样品两端的电极上，激励待测样品产生电热动态响应；
[0010] 所述原子力显微镜控制器包括探针驱动模块和数据处理模块；所述探针驱动模块用于对热探针进行空间定位，控制热探针的针尖与样品台或待测样品接触，热探针用于侦测样品台或待测样品的温度，并将其转化为电信号输出；
[0011] 所述探针控制器的信号输入端与热探针连接，用于对热探针施加其工作所需的电信号，同时侦测热探针输出的电信号，输出相应的响应信号；探针控制器的信号输出端连接原子力显微镜控制器中的数据处理模块和锁相放大器；
[0012] 锁相放大器的信号输出端连接原子力显微镜控制器中的数据处理模块；所述锁相放大器用于在检测过程中对探针控制器输出的动态响应信号进行实时锁频处理，获得动态响应信号的振幅值，并将其输出给原子力显微镜控制器中的数据处理模块；
[0013] 所述原子力显微镜控制器中的数据处理模块用于在标定过程中基于探针控制器输出的响应信号和热探针(样品台)的温度变化情况，获得响应信号随温度变化的关系曲线，再在检测过程中获取锁相放大器输出的振幅值，根据关系曲线获得该振幅值对应的温度值，并结合激励电压的大小，实时获得样品的电热性能数据。
[0014] 进一步地，所述热探针包括两条悬臂，两条悬臂的前端相接触，构成为热探针的针尖，针尖部分由热敏电阻构成。
[0015] 进一步地，所述探针控制器包括信号检测器和信号放大器；
[0016] 所述信号检测器的输入端与热探针连接，用来侦测由热探针温度变化引起的响应信号，其输出端与信号放大器的输入端连接，将响应信号输出给信号放大器；
[0017] 所述信号放大器用来对响应信号进行初步放大(对接收到的信号进行整体放大)，其输出端连接原子力显微镜控制器中的数据处理模块和锁相放大器。
[0018] 所述信号检测器采用惠斯通电桥，所述信号放大器采用差分放大器。所述惠斯通电桥包含四条桥臂，其中两条相邻桥臂上各设有一个定值电阻，另一桥臂设有可变电阻器，热探针设在剩余一桥臂上，四条桥臂构成四个结点，取两定值电阻所在桥臂连接结点为信号输入端，连接输入信号源(原子力显微镜控制器中信号发生模块的输出端)，与信号输入端所在结点相邻的两结点与差分信号放大器输入端相连接，剩余一结点连接接地端；
[0019] 所述差分信号放大器的输出端连接原子力显微镜控制器和锁相放大器，将信号放大后输出到原子力显微镜控制器数据处理模块和锁相放大器。
[0020] 进一步地，所述原子力显微镜控制器包括信号发生模块，其输出端连接探针信号控制器，用于提供探针控制器工作所需的电信号。
[0021] 进一步地，原子力显微镜控制器包括成像模块，用于实时显示数据处理模块获得的电热性能数据。
[0022] 进一步地，所述样品台上竖直设置两个平行电极，检测时将待测样品放置于两个平行电极之间。
[0023] 进一步地，所述样品台上水平设置一个电极，检测时将待测样品放置于电极之上进行，与待测样品上表面接触的热探针作为另一电极。
[0024] 上述电热性能动态检测系统的工作原理为：
[0025] 步骤1、标定；
[0026] 设定样品台的温度；将热探针与样品台接触，侦测样品台的温度，将其转换为电信号；探针控制器侦测热探针上的电信号，并输出响应信号到原子力显微镜控制器；
[0027] 原子力显微镜控制器结合样品台的温度变化情况，得到响应信号随温度变化的关系曲线；
[0028] 步骤2、检测；
[0029] 将待测样品放置于样品台上；
[0030] 通过激励信号源产生交流电压信号，经激励信号放大器放大得到激励电压；将激励电压施加到待测样品，激励待测样品产生电热动态响应；
[0031] 热探针实时感知待测样品表面的温度动态变化，并将其转换为动态电信号；探针控制器检测热探针上的动态电信号，输出动态响应信号到锁相放大器；
[0032] 锁相放大器根据激励信号源输出的参考信号，以及探针控制器输出的动态响应信号，实时处理得到动态响应信号的振幅值，并输入到原子力显微镜控制器；
[0033] 原子力显微镜控制器获取该振幅值，根据步骤1得到的关系曲线获得该振幅值对应的温度变化值，再结合激励电压的大小，实时获得样品的电热性能数据。
[0034] 进一步地，所述步骤2中，激励信号源产生恒定频率的交流电压信号，原子力显微镜控制器将热探针固定在待测样品表面某一点，检测待测样品上该点电热性能在时域下的动态变化情况。
[0035] 进一步地，激励信号源产生不同频率的交流电压信号，原子力显微镜控制器将热探针固定在待测样品表面某一点，检测待测样品上该点电热性能在频域下的动态变化情况。
[0036] 进一步地，通过原子力显微镜控制器控制热探针在待测样品表面移动，扫描测量待测样品一定区域，保持对待测样品的激励电压频率不变，检测待测样品电热性能的空间分布。
[0037] 进一步地，将待测样品的温度变化量与其两个电极之间的电场变化量的比值作为待测样品的电热性能参数，其中电场值是待测样品两端的电极上施加的激励电压值与两个电极间距的比值。
[0038] 本实用新型具有检测灵敏度高，耗时短，抗环境干扰能力强等特点，能够实现弱电热响应的精确测量，并实现了实时侦测材料电热响应动态变化，以及实时检测材料微尺度电热性能空间分布的目的。
[0039] 有益效果：
[0040] 本实用新型提供的一种电热性能动态检测系统，可对材料的电热响应进行实时直接动态测量。使用锁频技术对微弱电热响应信号进行侦测，能捕捉到被噪声淹没的微弱电热响应信号，并测出其振幅，克服了现有技术对微弱电热响应信号难以侦测的问题，解决了动态变化的电热响应目前无法测试的问题，消除了测试易受环境影响的问题，实现了目前测试方法无法实时对电热响应直接测量的问题。本实用新型实现了对材料电热性能的实时高精度原位定量表征。本实用新型通过对响应信号的标定和使用锁相放大技术，实现了快速准确地实时定量测量材料的电热性能，本实用新型实现了对材料微区域电热响应实时动态测量和电热性能成像。为电热效应领域研究人员提供了一种研究材料电热性能动态变化的新途径和新方法。附图说明
[0041] 为了更清楚地说明本实用新型实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见的，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0043] 图2是图1所示电热性能动态检测系统一种变更实施方式的电热性能动态检测系统的结构示意图，激励电压由图1所示的两电极施加方式，改为图2所示的样品底部施加方式；
[0044] 图3是本实用新型的工作流程图；
[0045] 图4是图1与图2所示电热性能动态检测系统标定的响应信号与温度间关系曲线图；
[0046] 图5是待测样品电热响应信号在交流电压激励下时域曲线图；
[0047] 图6是待测样品电热响应温变在交流电压激励下频域曲线图；
[0048] 图7是实时侦测到的待测样品微区域电热性能在空间的分布图；
[0049] 附图标记说明：
[0050] 1、样品台，2、电极，3、样品，4、热探针悬臂，5、热敏电阻，6、热探针，7、原子力显微镜控制器，8、探针控制器，9、锁相放大器，10、激励信号源，11、激励信号放大器，12、底电极。
具体实施方式
[0051] 为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行更加详细地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
[0052] 如图1所示，图1是本实用新型电热性能动态检测系统的一种实施方式结构示意图。所述电热性能动态检测系统用于实时检测材料的电热性能变化，其包括样品台1、激励信号源10、激励信号放大器11、锁相放大器9、和热探针6、原子力显微镜控制器7和探针控制器8。所述样品台1用于承载和控制待测样品3的温度；所述激励信号源10用于产生电热动态激励所需的交流电压信号，以及锁相放大器9所需的参考信号；所述激励信号放大器11用于对激励信号源10产生的交流电压信号进行放大，得到激励电压，然后施加于待测样品3两端的电极2上，用来激励待测样品3产生电热效应；所述热探针6的针尖与待测样品3接触，用于感应待测样品3的温度，并转换为电信号；所述锁相放大器9用于对探针控制器8输出的动态响应信号进行锁频处理，获得动态响应信号的振幅值，并将振幅值输入到原子力显微镜控制器7；所述原子力显微镜控制器7用于对热探针6进行空间定位，提供电压驱动探针控制器8工作，并对锁相放大器9输出的振幅值进行成像处理；所述探针控制器8与热探针6连接，用于施加热探针6工作所需电信号，同时检测热探针上的电信号，并输出响应信号到锁相放大器9；根据响应信号与温度间关系以及施加的电热激励电压，分析得到所述待测样品3的电热性能数值。
[0053] 如图1所示，所述激励信号源10产生交流电压信号，经过激励信号放大器11放大后，通过电极2施加在待测样品3两端，并将同频率的参考信号输出到锁相放大器9中。
[0054] 如图2所示，在图1的一种变更实施方式中，所述电极2可设置在待测样品3底部，如底电极12所示，从所述待测样品3底部施加交流激励电压，所述底电极12由激励信号放大器11提供激励电压信号。
[0055] 所述探针控制器8，用于对热探针6施加其工作所需的电信号，同时侦测热探针6输出的电信号，产生相应的响应信号，并将该响应信号输出到锁相放大器9或原子力显微镜控制器7。
[0056] 所述锁相放大器9用于在检测过程中对探针控制器8输出的动态响应信号进行实时锁频处理，获得动态响应信号的振幅值，并将其输出给原子力显微镜控制器7。
[0057] 所述原子力显微镜控制器7包括探针驱动模块和数据处理模块，所述探针驱动模块用于对热探针6进行空间定位，所述数据处理模块用于在标定过程中基于探针控制器8输出的响应信号和样品台3(热探针6)的温度变化情况，获得响应信号随温度变化的关系曲线，再在检测过程中获取锁相放大器9输出的振幅值，结合响应信号关系曲线转换为对应的温度值，并结合激励电压的大小，实时获得样品的电热性能数据。
[0058] 所述热探针6由热敏电阻针尖5和探针悬臂4构成，当待测样品3由于电热激励引起电热效应温变时，所述热探针6的电信号随待测样品的电热温变而变化。
[0059] 在本实施方式中，当所述待测样品3产生电热响应时，热探针6实时侦测该电热响应并转换为电信号输出，探针控制器8侦测到该信号，并输出相应的响应信号，锁相放大器9对该响应信号实时进行处理，获得其振幅值，并获得该振幅值在响应信号与温度关系曲线上对应的温度值，再结合施加的激励电压，进而可获得所述待测样品3的电热性能参数。
[0060] 图3是本实用新型电热性能动态检测系统的工作流程图。包括以下步骤：
[0061] 步骤1:标定，建立响应信号随温度变化的关系曲线；
[0062] 步骤2:提供交流电压对待测样品3进行电热动态激励；
[0063] 步骤3:热探针及探针控制器对待测样品3进行实时动态检测，得到动态响应信号；
[0064] 步骤4:锁相放大器9实时处理动态响应信号，得到动态响应信号的振幅值；
[0065] 步骤5:原子力显微镜控制器结合标定的关系曲线与动态响应信号的振幅值，分析获得样品3的电热性能参数。
[0066] 具体的，在一种实施方式中，在步骤1中，设定样品台1的温度；将热探针6与样品台1接触，感知样品台1的温度，并将其转换为电信号；探针控制器8检测热探针6上的电信号，输出响应信号到原子力显微镜控制器7；调节样品台1的温度，重复上述过程进行多次测试，得到多组温度—响应信号值；原子力显微镜控制器7基于多组温度—响应信号值，拟合得到如图4所示的响应信号随温度变化的关系曲线。
[0067] 步骤2中，所述的激励信号源9产生交流电压信号，经过激励信号放大器11放大得到激励电压，将激励电压施加到待测样品3，激励待测样品3产生电热效应。
[0068] 步骤3中，原子力显微镜控制器7控制热探针6在样品表面某一位置，实时感知待测样品3表面的温度变化，并将其转换为动态电信号；探针控制器8检测热探针6上的动态电信号，输出动态响应信号到锁相放大器9。
[0069] 步骤4中，锁相放大器9根据激励信号源10输出的参考信号以及探针控制器8输出的动态响应信号，实时处理得到动态响应信号的振幅值，并输入到原子力显微镜控制器7。
[0070] 步骤5中，原子力显微镜控制器7分析对比振幅值与标定的关系曲线，得到电热响应温变值。结合所施加的交流激励电压大小，分析计算获得待测样品3电热性能参数，并实时进行成像。
[0071] 如图5所示，基于本实用新型的电热性能动态检测系统与检测方法，激励信号源10产生恒定频率的交流电压信号，通过原子力显微镜控制器7将热探针6定位在待测样品3表面某一点，检测待测样品3上该点电热性能参数在时域下的动态变化情况。
[0072] 如图6所示，基于本实用新型的电热性能动态检测系统与检测方法，激励信号源10产生不同频率的交流电压信号，通过原子力显微镜控制器7将热探针定位在待测样品3表面某一点，检测待测样品3上该点电热响应温变值在频域下的动态变化情况。
[0073] 如图7所示，基于本实用新型的电热性能动态检测系统与检测方法，通过原子力显微镜控制器7控制热探针6在待测样品3表面移动，对待测样品3一定区域进行扫描测量，获得待测样品3在动态激励下的实时电热性能参数空间分布情况。
[0074] 相较于现有技术，本实用新型可对材料的电热响应进行实时直接动态测量，本实用新型使用锁频技术对微弱电热响应信号进行侦测，克服了现有技术对微弱电热响应信号难以侦测的问题，解决了现有技术动态变化的电热响应目前无法测试的问题，消除了现有技术测试易受环境影响的问题，实现了目前测试方法无法实时对电热响应直接动态测量的问题。本实用新型采用的方法，实现了对材料电热性能的实时高精度原位定量表征，实现了对材料微区域电热响应实时动态测量和电热性能成像。本实用新型所述系统结构简单，兼容性强，适用于不同的商业原子力显微系统，是一项易于推广的和应用的新技术和新方法，可望在电热效应的研究领域获得重要应用。
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