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一种高阻值材料的 塞贝克系数的测试芯片

阅读：592发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种高阻值材料的塞贝克系数的测试芯片专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种测量高电阻值材料的塞贝克系数的测试芯片。该芯片包括了芯片基底、两个温差加热电阻、两个样品固定装置、两个温度传感器。待测的高电阻值样品两端安装在两个样品固定装置间，实现良好的欧姆接触。芯片安装在塞贝克系数测试系统中，由温控装置将芯片加热到设定的测试温度。温差加热电阻按照设定的流程工作，在待测样品两端形成一定的温度梯度，高输入阻抗电压信号检测仪器采集在待测样品两端的塞贝克电压，同时，温度传感器测量待测样品两端的温度，根据测量得到的塞贝克电压信号和温差数据，可以求出被测材料的塞贝克系数。，下面是一种高阻值材料的塞贝克系数的测试芯片专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高阻值热电材料的塞贝克系数测试芯片，其特征在于，该测试芯片包括：芯片基底(101)、两个温差加热电阻(102)、两个样品固定装置(104)、两个温度传感器(109)，其中：
所述芯片基底(101)用于为待测样品提供测试所需的温度环境和高度绝缘的环境；
所述两个温差加热电阻(102)通过焊接的方式对称的安装在所述芯片基底(101)的左右两端，用于为待测样品(108)的两端提供测试所需的温度梯度；
待测样品(108)放置于所述芯片基底(101)的中间，在所述待测样品(108)的左右两端，分别安装有两个样品固定装置(104)，用于将待测样品(108)固定在芯片基底(101)上，以形成良好的欧姆接触；
所述样品固定装置(104)通过焊接的方式固定于所述待测样品(108)的两端；
所述两个样品固定装置(104)的顶端中部设有彼此相向的凸出，该凸出处于所述待测样品(108)的上部空间；每个凸出内部垂直设有螺纹孔(105)，使得螺钉可以从螺纹孔(105)中旋进，由上而下的将待测样品(108)压紧在所述芯片基底(101)上，从而形成良好的欧姆和导热接触；在所述螺纹孔(105)外侧的样品固定装置(104)主体上，垂直设有温度传感器安装孔(103)，使得温度传感器(109)能够插入其中，接近待测样品(108)的两端，用来测试待测样品(108)两端的温度；
所述温差加热电阻、温度传感器和待测样品通过电路连线进行电气连接；所述电路连线的接口通过焊接方式固定在所述芯片基底(101)上；
所述芯片基底(101)的中间部位开设有方形或长方形的槽(107)，使得所述芯片基底(101)的上下两端各形成一细梁；
所述芯片基底(101)的四周开设有四个定位孔(106)，以方便的固定所述测试芯片。
2.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述芯片基底(101)为一块矩形的导热性能良好且具有很高的绝缘性能的陶瓷或宝石基材。
3.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述芯片基底(101)采用双面敷有金属的陶瓷或宝石基材加工而成。
4.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述样品固定装置(104)采用高导热率的金属来加工制备；所述温度传感器(109)使用固化的导热胶固定在安装孔(103)中。
5.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述样品固定装置(104)分别与待测样品(108)对应一侧的保护电压相连接。
6.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述电路连线设有固定在所述芯片基底(101)上的漏电流保护环(203、303)。
7.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述温差加热电阻(102)的两端电极焊接在固定在所述芯片基底(101)的焊盘(202)上，且所述温差加热电阻(102)的底部设计有导热铜箔(201)，所述导热铜箔上设有多个通孔，以增加温差加热电阻(102)与芯片基底(101)之间的热导率。
8.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述样品固定装置(104)通过焊盘(203)固定在所述芯片基底(101)上，所述焊盘(203)分别与电压测试仪器的保护电压输出端相连，确保样品固定装置(104)的电压与同侧的待测样品的电压相等，减少漏电流。
9.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述细梁处于被切开的状态。
10.根据权利要求1所述的测试芯片，其特征在于，所述电路连线采用印刷电路板制版工艺或集成电路基板微电子工艺直接制备在芯片基底(101)上。

说明书全文

一种高阻值材料的塞贝克系数的测试芯片

技术领域

[0001] 本发明涉及热电材料的塞贝克系数的测量技术领域，特别涉及一种高阻值热电材料的塞贝克系数的测试芯片。

背景技术

[0002] 热电材料具有尺寸小、质量轻、无机械部分、无噪声等普通机械制冷或发电手段难2
以媲美的优点。热电材料的表征是无量纲优值系数ZT＝Sσ/κ，其中，S为塞贝克系数(Seebeck系数)，σ为电导率，κ为热导率。它的直观意义是制冷吸收能量与耗能之比。
一种优良的热电材料应该具有大的塞贝克系数，大的电导率和小的热导率。

[0003] 有机导体或者半导体热电材料是一种非常有前途的热电材料。某些有机材料具有非常大的塞贝克系数(＞1mV/K)，同时它的热导率又比较小。然而，目前为止，对于有机热电材料的塞贝克系数的精确测量仍然是一个非常困难的问题，原因在于有机热电材料的电13 14
阻率往往非常高，达到10 Ω/cm，如果将其制作成为薄膜样品，其电阻将达到10 Ω/cm。尽管最终要成为实用化的热电材料，可以通过掺杂等方式将电导率升高，但是能够精确测量纯的有机热电材料的热电特性是开展这一材料研究的关键。目前尚无商品化的仪器能够开展这种高电阻率有机热电材料的特性。

[0004] 通常在一个长方形玻璃基底上，制备出热电有机薄膜。一个由液氮冷却的恒温台为玻璃基底提供一个恒定的温度，在玻璃基底的一端具有一个加热器，为玻璃基底加热，从而在玻璃基底的两端形成温差。在玻璃基底的两端镀有金电极，金电极上引出电压测量和温度测量引线，由差分放大电路对Seebeck电压和温差进行测量，从而计算出材料的塞贝克系数。

[0005] 上述系统存在以下问题：1)该系统的Seebeck电压测量方案没有对被测样品进行电压保护，导致对高阻样品进行测试时，需要很长的时间(＞60分钟)才能达到电压的稳定；2)系统中的加热器件和温度传感器的均采用分立的电缆线进行连接，容易造成线缆之间的互相干扰，影响测量结果。

发明内容

[0006] 针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高阻值材料的塞贝克系数的测试芯片。待测的高电阻值样品两端安装在两个样品固定装置间，实现良好的欧姆接触。芯片安装在塞贝克系数测试系统中，由温控装置将芯片加热到设定的测试温度。温差加热电阻按照设定的流程工作，在待测样品两端形成一定的温度梯度，高输入阻抗电压信号检测仪器采集在待测样品两端的塞贝克电压，同时，温度传感器测量待测样品两端的温度，根据测量得到的塞贝克电压信号和温差数据，可以求出被测材料的塞贝克系数。

[0007] 本发明所提出的该测试芯片包括：芯片基底101、两个温差加热电阻102、两个样品固定装置104、两个温度传感器109，其中：

[0008] 所述芯片基底101用于为待测样品提供测试所需的温度环境和高度绝缘的环境；

[0009] 所述两个温差加热电阻102通过焊接的方式对称的安装在所述芯片基底101的左右两端，用于为待测样品108的两端提供测试所需的温度梯度；

[0010] 待测样品108放置于所述芯片基底101的中间，在所述待测样品108的左右两端，分别安装有两个样品固定装置104，用于将待测样品108固定在芯片基底101上，以形成良好的欧姆接触；

[0011] 所述样品固定装置104通过焊接的方式固定于所述待测样品108的两端；

[0012] 所述两个样品固定装置104的顶端中部设有彼此相向的凸出，该凸出处于所述待测样品108的上部空间；每个凸出内部垂直设有螺纹孔105，使得螺钉可以从螺纹孔105中旋进，由上而下的将待测样品108压紧在所述芯片基底101上，从而形成良好的欧姆和导热接触；在所述螺纹孔105外侧的样品固定装置104主体上，垂直设有温度传感器安装孔103，使得温度传感器109能够插入其中，接近待测样品108的两端，用来测试待测样品108两端的温度；

[0013] 所述温差加热电阻、温度传感器和待测样品通过电路连线进行电气连接；所述电路连线的接口通过焊接方式固定在所述芯片基底101上；

[0014] 所述芯片基底101的中间部位开设有方形或长方形的槽107，使得所述芯片基底101的上下两端各形成一细梁；

[0015] 所述芯片基底101的四周开设有四个定位孔106，以方便的固定所述测试芯片。

[0016] 以上所述的测试芯片，通过安装在如专利CN201210213904.3所述的塞贝克系数测试系统中，经温度控制系统控制待测样品的测试温度，并在待测样品两端形成温差ΔT，由信号采集和处理系统采集塞贝克电压，按照以下公式可以计算出塞贝克系数：

[0017] S＝ΔV/ΔT

[0018] 本发明的有益效果为将温差加热电阻、温度传感器、待测样品和电路接线全部集成在一个芯片基底上，降低了系统安装的复杂度和不确定性；通过采用集成化设计的方法，降低了系统加热的热容，从而提高了系统温度控制的速度，减少温度控制所需的能量。附图说明

[0019] 图1是塞贝克系数测试原理示意图。

[0020] 图2是本发明高阻值材料的塞贝克系数测试芯片的结构示意图。

[0021] 图3是根据本发明一实施例的高阻值材料的塞贝克系数测试芯片的电路连线和接口的示意图。

[0022] 图4是根据本发明另一实施例的高阻值材料的塞贝克系数测试芯片的电路连线和接口的示意图。

[0023] 图5是本发明测试芯片表面温度模拟计算结果。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0025] 塞贝克系数的测试原理示意图如错误！未找到引用源。所示，其中，A为待测样品，B为导线，导线B组成电压测量回路，在所述电压测量回路中有：

[0026] SA-SB＝ΔV/ΔT (1)

[0027] ΔV＝V1-V4 (2)

[0028] ΔT＝T3-T2 (3)

[0029] 其中，SA，SB分别是待测样品A和导线B的绝对塞贝克系数，ΔV是1端电压V1和4端电压V4之间的电压差(在传统上，一般以热端电压为基准来计算塞贝克电压)，ΔT是
3端温度T3和2端温度T2之间的温差。

[0030] 由于SA一般都远远大于SB，则有：

[0031] SA≈ΔV/ΔT。

[0032] 错误！未找到引用源。是本发明高阻值材料的塞贝克系数测试芯片的结构示意图，如错误！未找到引用源。所示，所述测试芯片100包括：芯片基底101、两个温差加热电阻102、两个样品固定装置104、两个温度传感器109，其中：

[0033] 所述芯片基底101用于为待测样品提供测试所需的温度环境，并为待测样品提供一个高度绝缘的环境，所述芯片基底101为一块矩形的导热性能良好且具有很高的绝缘性能的陶瓷或宝石基材，例如氮化铝(Aluminum nitride，AlN)陶瓷材料，它具有很高的导热-6 14系数(＞250W/mK)，低热膨胀系数(4.5×10 ℃)和高的电阻率(＞10 Ωcm)，是制备大功率散热芯片的优良材料；优选地，所述芯片基底101采用双面敷有金属(如金、银、铜、铝等等)的陶瓷、宝石等基材加工而成；

[0034] 所述两个温差加热电阻102对称的安装在所述芯片基底101的左右两端，用于为待测样品108的两端提供测试所需的温度梯度；

[0035] 所述温差加热电阻可以采用1至5W的贴片加热电阻，通过焊接的方式固定在芯片基底101上。例如可以采用威世(Vishay)电子的CRCW2512贴片电阻。

[0036] 待测样品108放置于所述芯片基底101的中间，在所述待测样品108的左右两端，分别安装有两个样品固定装置104，用于将待测样品108固定在芯片基底101上，以形成良好的欧姆接触；

[0037] 所述样品固定装置104可以采用无氧铜等高导热率的金属来加工制备，通过焊接的方式，固定于所述待测样品108的两端；

[0038] 优选地，所述样品固定装置104分别与待测样品108对应一侧的保护电压相连接，以起到减少漏电流，提高电路输入阻抗的目的。

[0039] 其中，所述两个样品固定装置104的顶端中部设有彼此相向的凸出，该凸出处于所述待测样品108的上部空间；每个凸出内部垂直设有螺纹孔105，使得螺钉可以从螺纹孔105中旋进，由上而下的将待测样品108压紧在所述芯片基底101上，从而形成良好的欧姆和导热接触；在所述螺纹孔105外侧的样品固定装置104主体上，垂直设有温度传感器安装孔103，使得温度传感器109能够插入其中，接近待测样品108的两端，用来测试待测样品
108两端的温度，所述温度传感器109使用固化的导热胶固定在安装孔103中；所述温度传感器109可以采用细圆柱状的热电偶、Pt100或Pt1000热电阻，半导体温度传感器或是其它温度传感器。

[0040] 一套电路连线和接口，为所述测试芯片上的温差加热电阻、温度传感器和待测样品提供电气连接；所述接口采用焊接方式固定在所述芯片基底101上，用于与温控仪和电压测试仪等外部仪器相连接；优选地，所述电路连线设有漏电流保护环203、303，所述漏电流保护环固定在所述芯片基底101上，以减少电路板上的漏电流，提高电路的输入阻抗；

[0041] 所述芯片基底101的中间部位开设有方形或长方形的槽107，使得所述芯片基底101的上下两端各形成一细梁，这样，所述测试芯片左右两端的热传导只能通过待测样品
108和上下两端的细梁来完成，由于上下两端的梁很细，大部分的热量通过待测样品108传导，从而在待测样品108两端形成较大的温度差，如图3所示。更进一步的，可以在所述测试芯片安装完毕后，将上下两端的细梁切开，如图4所示，这样就会更加快速的在待测样品
108两端形成稳定的温差。

[0042] 所述芯片基底101的四周开设有四个定位孔106，以方便的将所述测试芯片固定到塞贝克测试仪器的恒温台上。

[0043] 图3是根据本发明一实施例的高阻值材料的塞贝克系数测试芯片的电路连线和接口的示意图，如图3所示，所述温差加热电阻102的两端电极被焊接在固定在所述芯片基底101的焊盘202上，在所述温差加热电阻102的底部，设计有导热铜箔201，并且在导热铜箔上设有多个通孔，以增加温差加热电阻102与芯片基底101之间的热导率；固定在所述芯片基底101上的焊盘203用于固定样品固定装置104，它分别与电压测试仪器的保护电压输出端相连，确保样品固定装置104的电压与同侧的待测样品的电压相等，从而减少漏电流。同时这种电路连接方法还可以减少外界电磁干扰，降低检测信号的噪声。204是待测样品的电路接线，待测样品108两端的电压被引出后，通过接口连接到测试仪器的电压输入端。

[0044] 图4是根据本发明另一实施例的高阻值材料的塞贝克系数测试芯片的电路连线和接口的示意图，本实施例中焊盘302和303、导热铜箔301和电路接线304的连接方式均与上一实施例基本相似，只是所述测试芯片上下两端的细梁处于被切开的状态。

[0045] 所述电路连线采用印刷电路板制版工艺或集成电路基板微电子工艺直接制备在芯片基底101上。例如采用铜箔直接键合方法(Direct Bond Copper，DBC)，将铜箔在高温下直接键合到芯片基底101的表面。

[0046] 当所述测试芯片左侧的温差加热电阻加热时，会在芯片基底上形成温度梯度。图5显示了测试芯片表面温度模拟计算的结果，从图5中可以看出，在待测样品的两端形成了大约2度的均匀的温差。

[0047] 以上所述的测试芯片，通过安装在如专利CN201210213904.3所述的塞贝克系数测试系统中，经温度控制系统控制待测样品的测试温度，并在待测样品两端形成温差ΔT，由信号采集和处理系统采集塞贝克电压，按照以下公式就可以计算出塞贝克系数：

[0048] S＝ΔV/ΔT。

[0049] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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