专利名称：半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及新能源的开发利用，特别是，本实用新型涉及一种半导体热电薄 膜材料在低温下的电导率及塞贝克系数测试装置，所述半导体热电薄膜材料在低温下的电 导率及塞贝克(kebeck)系数测试装置涉及工程热物理学科的一个分支——温差发电模块 的研制，尤其是涉及面向低温使用的利用LNG冷能的温差发电半导体热电薄膜材料的低温 下电导率及kebeck系数的测试系统。
背景技术：
LNG (液化天然气)是天然气通过低温工艺冷冻液化而成的低温(_162°C )液体混 合物，为一种清洁高效的能源。目前，LNG冷能发电主要是利用LNG的低温冷能使发电装置 中循环工质液化，而后，工质经加热气化，再在气轮机中膨胀作功，以带动发电机发电。对温差发电，国内外本领域的工作主要集中在热电转换材料的研究上。然而，面向 低温利用的热电材料研究在国内尚处于起步阶段。在半导体温差发电材料性能指标中，涉及优值系数Z= α2σ/κ。在所述优值系数Z = α2σ/κ的定义式中，α为联合塞贝克(kebeck)系数，ο 为电导率，κ为导热系数。材料的热电性能可以用Z或ZT来衡量，我们称α、为材料的 功率因子，而ZT值是一个无量纲的参数，其中T为材料工作温度的平均值。由上述优值系数Z的表达式可以看出，即增大热电材料的塞贝克(kebeck)系数 α和降低其导热系数κ，是增大ZT值、提高半导体温差发电效率的关键。但在事实上，由 于决定Z值的3个因子是相互关联的参数，都是载流子浓度的函数，不可能同时使它们得到 优化，这是目前热电材料性能不高的主要原因。由上可见，电导率σ和塞贝克(kebeck)系数α的精确测量，对深入研究半导体 材料的热电性能及开发新型半导体热电材料和器件具有非常重要的应用价值和理论意义。目前已开发出很多用于测试薄膜电阻率和塞贝克系数的测试装置，但这些装置都 是针对常温及中高温测量的装置。例如，专利号为“200710072785. 3”、发明名称为“半导体材料热电性能测试系 统”、实用新型人为哈尔滨工业大学的陈刚、裴健、周楠等人的实用新型专利公开了一种用 于测试半导体材料热电性能的装置。该装置主要是针对块体材料在室温 800°C温度范 围内的、就电导率ο和塞贝克(kebeck)系数α对温度的依赖性所作的测试装置。专 利号为“200720067899. 4”、发明名称为“一种半导体热电性能测试仪”、实用新型人为同 济大学的蔡克峰、张爱霞、严冲等人的实用新型专利公开了一种半导体热电测试仪。该测 试仪可以测试室温 600°C半导体块体材料的电导率、Seebeck系数及ZT值。专利号为 “200720084694. 7”、发明名称为“一种测量半导体热电薄膜材料赛贝克系数和电阻率的装 置”、实用新型人为华中科技大学的杨君友、肖承京、朱文等人的专利实用新型专利公开了 一种测量半导体热电薄膜材料室温下kebeck系数和电阻率的装置。但是，该装置不涉及 低温环境中半导体热电薄膜材料的热电性能参数的测量。[0010]从而，迄今为止，对于半导体热电薄膜材料在低温环境下电导率及kebeck系数 的测量系统国内外尚无涉及。

实用新型内容为克服上述问题，本实用新型的目的是提供一种半导体热电薄膜材料在低温下 的电导率及塞贝克系数的测试装置，该方法装置可精确测量低温下热电薄膜材料的电导率 禾口 Seebeck系数。本实用新型通过如下技术方案实现一种半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置，整个测试装置包括 连接的温度控制单元、低温测试单元和数据采集单元，其特征在于，所述温度控制单元包 括液氮杜瓦罐、置于液氮杜瓦罐中的低温真空容器、连接于液氮杜瓦罐的温控仪、薄膜电 加热片及恒流源；所述低温测试单元包括连接位于低温真空容器2中的热电薄膜材料试样的冷端 测温热电偶及热端测温热电偶，和温度范围80K至室温下适用的电动势测量线，所述热电 偶选用温度范围在200 25°C的T型热电偶，即铜-康铜热电偶；所述数据采集单元包括经由冷端测温热电偶及热端测温热电偶、电动势测量线的 数据采集器及其相连接的计算机。根据本实用新型所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置， 其特征在于，取温差在4 1 之间变化。根据本实用新型所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置， 其特征在于，所述低温为80K至200K的低温。根据本实用新型所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置， 其特征在于，恒流源输出额定值范围0 35V/0. 8A，精度小于0. 2% +IOmA,电动势测量线选 用直径0. 025 0. 05mm的钼线。根据本实用新型所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置， 其特征在于，所述低温真空容器内设置试样夹具(1 及试样支撑架(11)，在所述热电薄膜 材料试样的一端设置薄膜电加热片，所述薄膜电加热片尺寸在薄膜材料试样的六分之 一 四分之一，所述低温真空容器采用引线法兰(19)密封。根据采用本实用新型所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试 装置的测试方法，所述方法包括下述步骤1)将待测热电薄膜材料试样固定在试样夹具上，薄膜加热片通过导热紫铜片给薄 膜材料试样的一端加热，使其内部建立起温差；2)试样冷热端测温热电偶通过试样夹具与所述薄膜材料试样紧密接触，测得其冷 热端的温度，同时分别借助于由这两个所述薄膜材料试样测温热电偶中的各一根导线引出 的kebeck电动势测量线，测得所述薄膜材料试样在这两个测温热电偶所在位置处热电薄 膜材料内部产生的kebeck电动势；3)将固定好试样并接好电路的薄膜材料试样支撑架放入一个低温容器中(如附

图1)并抽成真空，4)然后将此容器放入盛装液氮的杜瓦罐中，通过温控仪调节低温环境的温度，以此来测量半导体热电薄膜材料试样的电导率及kebeck系数在低温环境下随温度的变化关系。根据本实用新型的半导体热电薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试方法， 其特征在于，在步骤1)中，根据Seebeck系数的定义
权利要求1.一种半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置，整个测试装置包括连 接的温度控制单元、低温测试单元和数据采集单元，其特征在于，所述温度控制单元包括 液氮杜瓦罐(1)、置于液氮杜瓦罐(1)中的低温真空容器O)、连接于液氮杜瓦罐(1)的温 控仪(3)、薄膜电加热片⑷及恒流源(5)；所述低温测试单元包括连接位于低温真空容器O)中的热电薄膜材料试样(16)的冷端测温热电偶(6)及热端测温热电偶(7)，和温度范围80K至室温下适用的电动势测量线 ⑶；所述数据采集单元包括经由冷端测温热电偶(6)及热端测温热电偶(7)、电动势测量 线(8)的数据采集器(9)及其相连接的计算机(10)。
2.根据权利要求1所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置，其 特征在于，所述热电偶选用温度范围在200 25°C的T型热电偶，即铜-康铜热电偶。
3.根据权利要求1所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置，其 特征在于，所述电动势测量线选用直径0. 025、. 05mm的钼线。
4.根据权利要求1所述的半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置，其 特征在于，所述低温真空容器内设置试样夹具(1 及试样支撑架(11)，在所述热电薄膜材 料试样的一端设置薄膜电加热片，所述薄膜电加热片尺寸在薄膜材料试样的六分之一 四分之一，所述低温真空容器采用引线法兰(19)密封。
专利摘要一种半导体薄膜材料低温下的电导率及塞贝克系数测试装置，包括连接的温度控制单元、低温测试单元和数据采集单元，其特征在于，所述温度控制单元包括液氮杜瓦罐(1)、置于液氮杜瓦罐(1)中的低温真空容器(2)、连接于液氮杜瓦罐(1)的温控仪(3)、薄膜电加热片(4)及恒流源(5)；所述低温测试单元包括连接位于低温真空容器2中的热电薄膜材料试样(16)的冷端测温热电偶(6)及热端测温热电偶(7)，和温度范围80K至室温下适用的电动势测量线(8)。本实用新型结构简单、无运动部件、可方便地进行低温下电导率及Seebeck系数测量，且可有效实现低温下LNG冷能温差发电薄膜材料热电性能参数的测量。
文档编号G01N27/02GK201903526SQ20102065554
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者代晶晶, 任超, 戚学贵, 王学生, 疏敏 申请人:华东理工大学