热电器件测试系统机械设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

自从科学家们在对电磁能的研究当中发现了塞贝克效应、帕尔贴效应等热电效应，人们就开始尝试将这两种效应用于温差发电和热电制冷。因为热电制冷器是一种没有运动部件、不用制冷剂的电器，具有体积小、重量轻、安全可靠、无污染、无噪声等优点，所以热电材料在航空航天、汽车行业、生物医疗、电子技术、民用生活等领域得到了大力发展与广泛应用。目前热电性能表征主要针对塞贝克系数，电导率及热导率三个参数。塞贝克系数和电导率的测试不仅可以宏观上表征材料的热电输运性能，同时可以间接反映载流子浓度及迁移率等微观性质，因此热电性能测试仪器的研究具有重要的意义。

随着热电材料的应用越来越广泛，热电材料制备及器件化研究受到更多研究者的关注，热电材料性能表征仪器的需求也变得越来越大。现今，尤其最近十年间，国内从事热电材料的科研机构不断增加，较有影响的机构就有数十家，他们的性能表征设备大部分是自己搭建的仪器，虽然可以实现部分的测试功能，但设计上还存在不同的缺陷，更为严重的是，由于没有质量认证，所做的数据经常受到质疑。国外的一些商品化的热电性能测试仪器，同样存在一些功能缺失，不能满足一些特殊的测试需求。所以，研究多功能、自动化、高性价比的热电性能测试仪器具有重要的意义。另外，热电性能测试仪器还可以用于热电材料和器件的生产企业进行产品性能的快速检测，用于高等学校材料物理等课程的实验教学等。

目前国内外己有多家企业和研究机构研制出相关的仪器，都有各自的优点，同时也存在一些缺陷。下面介绍目前国内外热电器件测试仪器的研究情况。

德国panco公司和德国宇航中心合作开发的电导率/塞贝克系数扫描探针显微镜。可以测量样品的电导率和塞贝克系数的空间分布状况，适用于功能梯度材料以及材料均匀度的表征。它的测试精度比较高，重复性较好，但从测试原来来看，对材料表面粗糙和材料均匀度有较高的要求，并且对于纳米薄膜的热电性能测试比较难实现，而且其测量温度范围也比较窄(-15 ℃-60 ℃ )，无法应用于中高温体系热电材料性能的测试。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及目标

设计一套热电器件测试系统，以实现对热电器件材料的seebeck系数和热导率的测量，从而测出热电器件最大输出功率、内阻及转换效率等参数，以便充分了解热电器件综合性能。

2.2基本工作原理

2.2.1热电器件测试系统的基本原理。

热电器件测试系统是对热电器件进行性能测试的平台，热电器件测试系统主要测试最大输出功率、内阻及转换效率等参数。热电材料的热电性能的优劣一般用热电优值ZT表达，表达式为:

式中，T是绝对温度。s是Seebeck系数，σ是电导率，K是热导率，s²σ是材料的功率因子。一般来说，ZT值越大，热电转换效率越高。从根本上讲，采集的原始数据 主要包括两端温度、热电势差（开路电压） 、电导率率及热导率等。

热电材料的性能测试总的来说有两种模式:一方而可以利用Harman方法直接测试得到ZT值;另一方而可以通过采用分立测试方式，即分别对塞贝克系数、电导率和热导率进行测量，然后计算ZT值。由于第一种方法对测试环境要求苛刻，测试误差较大，所以国内外现在大多采用分立测试方式。

2.2.2热电材料seebeck系数分析

热电材料是一种能将电能与热能相互转换的功能材料，它是热电器件的核心，具有Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应等三大效应。

1823年，德国科学家Thomas Seebeck发现由两种不同导体构成的回路，如果导体的两个接头处的温度不同，回路中就会存在电流，这就是Seebeck效应，两端处在开路状态则出现电动势，称之为Seebeck电动势。把单位温差所产生的Seebeck电动势定义为Seebeck系数，即:S=dV/dT。

图1 seebeck系数测量原理图

式中S为Seebeck系数，它的大小和符号取决于两种材料的特性和两结点的温度。对于半导体材料而言，P型材料为空穴传导，Seebeck系数为正，N型材料为电子传导，Seebeck系数为负。

当前主要有两种测量材料的塞贝克系数的技术。其中一种方式是维持样品一端温度T1不变，另一端温度变化为T2=T1 T，连续采集一系列(V、T)数据，最后对这一系列(V、T)数据进行数学处理得到材料的塞贝克系数。然而，在高温下保证T足够大的情况下维持样品一端温度T1不变十分困难。另外一种方式不同的是样品两端的温度梯度极小，Joshua Martin采用此方式测量的塞贝克系数误差在0.9%以内，不过该方式对仪器的硬件要求极高。

2.2.3四探针法测量电导率分析

图2 四探针法测电导率原理图

半导体材料电导率的测试，用欧姆表直接测量是无法实现的，因为半导体材料与金属材料的导电机制完全不一样，当欧姆表测试电极与半导体接触时，会出现严重的接触电阻效应和少数载流子注入现象，这将使得半导体材料电导率测试值完全偏离真实值。因而半导体的电导率需要专门的测试方法，如探针法、C-V测试法、霍尔效应测试法等，其中以探针法最为简单易行，使用最为广泛。本次设计我们采用四探针法：

当1、2、3、4根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，在1、4两处探针间通过电流I，则2、3探针间产生电位差V。

ρ为材料电阻率，S为探针间距，V为电压，I为电流。

图3 四探针法测电导率机械原图

其机械原理图如图3所示：1为样品，2、3、4、5为探针，6探头升降系统主架，7探头升降系统驱动杆， 8探头升降系统驱动手柄，9试样压紧装置驱动手柄，10探头夹持系统，11试样压紧驱动板，12橡胶条，13装置底板。

2.3拟采用的技术方案及措施

对于电阻率和塞贝克系数的测试，目前常用的方法是通过合理的引线实现电阻率与塞贝克系数的同时测量。将塞贝克系数和电阻率的测量整合在一起，实现硬件和软件的共用，可以有效降低仪器成本，同时使仪器结构紧凑。其原理如图4所示:

图4 技术方案

2.4主要步骤

1．完成总体方案设计及总装配图绘制；

2．完成加热炉机构设计与图纸绘制；

3．完成样品台、样品加持机构的设计与图纸绘制；

4. 完成规定字符的英文论文翻译，撰写设计说明书。

3. 研究计划与安排

（1）第1-3周，调研收集分析有关资料，了解原理与要求，对文献进行初步学习，翻译有关外文资料，总体方案构思，并完成开题报告。

（2）第4-7周，总体方案设计。

（3）第8-12周，结构设计与分析计算，结构图纸绘制；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 吴宗泽．机械结构设计．北京机械工业出版社,1988.

[2] 汝元功.唐照民主编．机械设计手册．高等教育出版社 ，1995 .

[3] 陈方定．现代设计理论与方法．华中科技大学出版社，2000.