CN114167263A - 一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件性能测试领域，具体涉及一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法。该装置包括：气氛环境控制模块、温度环境控制模块、电信号控制及测试模块和自动化测试软件。气氛环境控制模块为待测样品营造不同气氛环境的测试环境，具体包括真空、惰性气体环境、空气、低压环境；温度环境控制模块为待测样品提供热电发电所需的温差环境；电信号控制及测试模块为待测样品提供外部的负载电路并检测电路电压电流信号。自动化测试软件与气氛环境控制模块、温度环境控制模块和电信号控制及测试模块分别相连，可以集中控制为待测样品提供不同的测试气氛、温差和负载电路环境，并检测获取数据。该发明可以实现对热电发电芯片性能的多个参数进行测试计算，同时通过更换温度环境控制模块的加热器和散热器组件，实现不同温差环境下芯片的发电性能检测，模仿产品在实际应用中的场景，对促进热电发电芯片的研究具有促进作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法。
背景技术
在众多新能源技术中，热电转换技术因可直接利用日常生活生产中的各种废热发电以实现能源的二次利用，并且对环境无二次污染，而备受关注。工业余热利用率低下是造成能耗高的重要原因，我国主要行业余热余能占工业总能耗的~20%。高温余热在国际和国内利用情况相对较好，而中低温（300℃以下）余热还没有很好的利用技术；集中式余热利用较好，但分布式余热没有较好的利用技术。亟待发展中低温余热温差发电技术的研究工作，最大程度利用低品位分布式余热回收发电，降低工业能耗损失，提高资源利用率，显著降低碳排放。
热电半导体材料基于温差发电原理（Seebeck效应）可以将热能直接转化为电能，或是利用通电制冷（Peltier效应）实现热电的逆温度梯度定向传输，具备“热”与“电”的双向可逆转换特性。热电材料具备热到电的直接转化、对热源品质要求低、结构体积多变的特点，可广泛的适应于日常生产和生活中的各种温差发电，弥补目前集中发电技术的不足，最大程度利用低品位、分布式中低温余热回收发电，降低工业能耗损失，充分利用能源。热电材料经由切割、组装和焊接可形成具有实用意义的热电器件，通过调整器件结构设计、组装排布可以满足各种应用场景热源的能量转化。具有全固态结构、无噪音、无运动部件、结构紧凑、低维护性等优点，其在可再生能源技术和新一代智能微纳电子设备中的应用价值引起科学界和工业界高度重视，是我国新能源材料和技术、节能减少碳排放、资源高效利用以及微***热管理等专项中的重要研究课题，其在国家安全特殊领域中也具有重要应用前景。
近年来，物联网飞速发展，万物互联的愿景正逐步成为现实。区别于互联网是基于手机和电脑等设施，物联网的基础单元是各种传感器，具有体积更小、分布更广的特点。而为这些传感器不间断的功能成为限制物联网进一步发展的主要障碍之一。目前物联网节点传感器普遍使用镍氢电池和可充电锂电池，续航时间短。此类传感器数量巨大，更换电池成本极高，尤其对于一些特殊地区的传感器，如山林野外、湖底高塔等，人员难以接近，更换难度很大。往往采用能量耗尽即废弃的办法。这对于稳定的互联互通的实现造成了不小的困扰。而高性能热电材料和器件技术可利用各种环境温差发电，满足自供电无源电子器件发展的需求，可以在无需人工二次干预的情况下长期运行，有利于实现全天候、长期监控和信息情报收集。而在国防军工领域，随着军事科技的不断发展，士兵的作用也越来越重要，从火力掩护输出，到侦察信息传送，士兵必须化身为全能战士，才能满足现代战争的要求。为了赋于士兵相应的作战能力，各大军事强国都推出了新一代的单兵作战***。此***包括大量的通讯、侦查和计算***，而能否为这些电子持续设备供能将会是决定士兵可以在野外作战期限、作战范围的关键。尤其是对于在边疆荒野执行任务的士兵，持续不断的供电将会是提升单兵作战***作用的关键。目前使用的一次和二次电池普遍存在电池容量小、续航时间短、无法满足持续供电的需求。急需研发可实现24小时全天候不间断自发电技术，来有效解决可穿戴设备等电子器件的持续供能问题。热电技术可利用周围环境温差或是人员的体温进行发电为可穿戴电子设备供电，因而有望成为便携式单兵作战***自供电技术的有效解决方案。同时利用热电制冷效应，可以调节红外信号，通过反馈电路实现红外隐身，可提升关键设施或作战士兵夜晚的安全度。
在热电发电芯片的基础研究方面，目前处于国内外研究机构进行研发探索的阶段，一台可以模拟实际应用场景的热电发电芯片性能测试的设备，对于促进该领域产品的研究具有较大意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，利用上述装置可以对一些热电发电芯片的温差发电性能进行精确的测量，尤其是需要模拟实际应用场景，不同的热源情况、不同的散热模式，不同的线路电极负载，本实验仪器可以准确、快速地获得其热电发电性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
1、一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，该装置包括：气氛环境控制模块、温度环境控制模块、电信号控制及测试模块和自动化测试软件。
具体结构如下：
气氛环境控制模块为待测样品营造不同气氛环境的测试环境，具体包括真空、惰性气体环境、空气、低压环境；温度环境控制模块置于气氛环境控制模块内，为待测样品提供热电发电所需的温差环境；电信号控制及测试模块为与样品相连，为待测样品提供外部的负载电路并检测电路电压电流信号。自动化测试软件与气氛环境控制模块、温度环境控制模块和电信号控制及测试模块分别相连，可以集中控制为待测样品提供不同的测试气氛、温差和负载电路环境，并检测获取数据。
2、所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，气氛环境控制模块包括：真空腔体、气体流量控制模块、高真空泵组和气源。
3、所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，温度环境控制模块包括：散热器、热源、直流电源、PID温控仪和温度探头。
4、所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，电信号控制及测试模块包括：可变负载电阻、精密直流电流表、精密直流电压表。
5、所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，其特征在于，自动化测试软件与气体流量控制模块和高真空泵组相连，实现真空、惰性气体、空气或低压气体的测试环境；与直流电源相连，实现对待测样品所处的温差环境进行控制；与温度探头相连，用于监测待测样品两端的温差；与可变负载电阻相连，实现待测芯片电路电阻的调控；与精密直流电流表和精密直流电压表相连，实现对待测样品的电参数进行采集。
6、所述温度探测***，散热器有三种类似，分别是主动控温模块、自然散热模块和增强被动散热模块，其中主动控温模块采用半导体制冷片，通过调节电流实现温度恒定；自然散热模块为普通的金属导热块；增强被动散热模块是风冷散热器。
7、所述温度探测***，热源的形状可以是点状热源、线状热源或面状热源，采用电阻丝加热，并且电阻数值已知，通过调节加热电流可以获得加热功率数值。
8、所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法的测试方法，包括如下步骤：
（S1）明确需要测试的环境、温差和负载情况，并将相关信息输入到测试软件里。
（S2）选择合适的散热器（21）和热源（22）组件，将热电发电芯片夹装在热源（21）和散热器（22）之间,，并将其电极引线与测试电路相连。
（S3）自动化测试软件（4），程序将调节热源和散热器的温度，调整负载电阻，对电路电阻的电压和电流信号进行监控，通过运算实现对热电发电芯片性能的测量。
本发明设计思路如下：
本发明旨在开发一套模拟各种使役环境下的热电发电芯片的分析测试表征平台。具体需要从以下三个角度模拟使役环境：（1）真空、空气、惰性气体和低压气体环境四种测试环境，以满足热电发电芯片在实际应用场景中的不同封装方式；（2）精确可控的模拟电路负载，以实现不同线路负载电阻对发电输出功率的影响；（3）发电芯片所处的温差环境类似，包括定温差，定热源温度的自然散热温差和增强对流散热的温差，以满足不同应用环境下的应用需求；
其次，还需要在不同环境下实现发电性能的多参数的测量，具体包括：开路电压、发电输出功率、能量转化效率、最发电输出电流等。所以需要集成开发相应的热输入控制和电信号测量的测试***。
正是基于以上两点主要的设计指导思想，本发明成功的利用上述装置测量一些热电器件的制冷控温性能，尤其对于一些微型器件需要模拟实际应用多场景的性能测量。本发明都可以准确、快速地获得其制冷控温性能数值。
本发明的优点及有益效果如下：
1. 本使用新型研制的微型制冷器件测试平台是基于实际应用场景，对其气氛环境、温差环境和电流负载条件进行全方位的模拟真实使役条件，获得更有价值的测试数据。
2. 热源类型包括点热源、线热源和面热源，采用电阻丝加热，可以模拟应用场景中的不同热源情况，获得更贴近实际应用的数据。
3. 散热器分为主动控温散热、自然散热模块和增强被动散热三种，应对不同的散热应用环境，获得更贴近实际应用的数据。
4. 通过调控热源加热电流，利用焦耳热效应可以获得热输入功率，进一步的获得能量转化效率，这对于发电器件的性能尤为重要。
附图说明
图1为本发明所做的实验装置组成图。
图2为本发明所做的实验装置结构图。
附图说明：（1）气氛环境控制模块；（2）温度环境控制模块；（3）电信号控制及测试模块；（4）自动化测试软件；（11）真空腔体；（12）气体流量控制模块；（13）高真空泵组；（14）气源；（21）散热器；（22）热源；（23）直流电源；（24）PID温控仪；（25）温度探头；（31）可变负载电阻；（32）精密直流电流表；（33）精密直流电压表；（211）主动控温模块；（212）自然散热模块；（213）增强被动散热模块。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明的核心是提供一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，利用上述装置可以对一些热电发电芯片的温差发电性能进行精确的测量，尤其是需要模拟实际应用场景，不同的热源情况、不同的散热模式，不同的线路电极负载，本实验仪器可以准确、快速地获得其热电发电性能。
参照图1，图1给出了本发明实施例提供一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，该装置包括：气氛环境控制模块（1）、温度环境控制模块（2）、电信号控制及测试模块（3）和自动化测试软件（4）。
其中，气氛环境控制模块（1）为待测样品营造不同气氛环境的测试环境，具体的，真空腔体（11）为样件提供密闭的测试环境，通过与高真空泵组（13）相连实现高真空的测试环境，通过与气体流量控制模块（12）和气源（16）相连实现不同的测试气氛环境；热源（22）位于待测样品的下方，散热器（21）位于待测样品的上方，温度探头（25）分别安装于散热器（21）和热源（22）靠近待测样品的表面，用于监测待测样品两端的温度，进而确定温差；直流电源（23）与热源（22）相连，可获得模拟热输入；PID温控仪（24）用于控制强制散热模块的温度；可变负载电阻（31）、精密直流电流表（32）和精密直流电压表（33）与待测样品形成电路回路，使热电发电芯片的输出电能形成回路，进而计算发电参数。自动化测试软件（4）与气体流量控制模块（12）和高真空泵组（13）相连，实现真空、惰性气体、空气或低压气体的测试环境；与直流电源（23）相连，实现对待测样品所处的温差环境进行控制；与温度探头（25）相连，用于监测待测样品两端的温差；与可变负载电阻（31）相连，实现待测芯片电路电阻的调控；与精密直流电流表（32）和精密直流电压表（33）相连，实现对待测样品的电参数进行采集。
以下通过实施例进一步解释或说明本发明内容。
实施例1 测试型号TEM-10010008-01M微型器件在真空下、强制散热、温差10K、平面热源和负载3Ω的环境下发电性能
如图1所示，测试所用装置如前所述。
测试方法：参照图1，将真空环境、温差10K和3Ω负载的测试要求输入到测试软件里。将样品夹装到主动控温散热模块和平面热源之间，并将其电极引线与测试电路相连。启动自动化测试软件，程序将调节热源和散热器的温度，调整负载电阻，对电路电阻的电压和电流信号进行监控，通过运算实现对热电发电芯片性能的测量。
本发明的目的是提供一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，利用上述装置可以对一些热电发电芯片的温差发电性能进行精确的测量，尤其是需要模拟实际应用场景，不同的热源情况、不同的散热模式，不同的线路电极负载，本实验仪器可以准确、快速地获得其热电发电性能。
实施例结果表明，本发明提供的装置可以对一些热电发电芯片的能进行精确的测量，尤其是需要模拟实际应用场景，不同的热源情况、不同的散热模式，不同的线路电极负载，本实验仪器可以准确、快速地获得其热电发电性能。对研究人员研究热电发电芯片有极大的促进作用。
以上对本发明所提供的一种利用稳态法测量薄膜导热性能的装置进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，其特征在于，该装置包括：气氛环境控制模块（1）、温度环境控制模块（2）、电信号控制及测试模块（3）和自动化测试软件（4），具体结构如下：
气氛环境控制模块（1）为待测样品营造不同气氛环境的测试环境，具体包括真空、惰性气体环境、空气、低压环境；温度环境控制模块（2）置于气氛环境控制模块（1）内，为待测样品提供热电发电所需的温差环境；电信号控制及测试模块为与样品相连，为待测样品提供外部的负载电路并检测电路电压电流信号；
自动化测试软件（4）与气氛环境控制模块（1）、温度环境控制模块（2）和电信号控制及测试模块（3）分别相连，可以集中控制为待测样品提供不同的测试气氛、温差和负载电路环境，并检测获取数据。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，其特征在于，气氛环境控制模块包括：真空腔体（11）、气体流量控制模块（12）、高真空泵组（13）和气源（14）。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，其特征在于，温度环境控制模块包括：散热器（21）、热源（22）、直流电源（23）、PID温控仪（24）和温度探头（25）。
4.根据权利要求1所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，其特征在于，电信号控制及测试模块包括：可变负载电阻（31）、精密直流电流表（32）、精密直流电压表（33）。
5.根据权利要求1所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法，其特征在于，自动化测试软件（4）与气体流量控制模块（12）和高真空泵组（13）相连，实现真空、惰性气体、空气或低压气体的测试环境；与直流电源（23）相连，实现对待测样品所处的温差环境进行控制；与温度探头（25）相连，用于监测待测样品两端的温差；与可变负载电阻（31）相连，实现待测芯片电路电阻的调控；与精密直流电流表（32）和精密直流电压表（33）相连，实现对待测样品的电参数进行采集。
6.根据权利要求3所述温度探测***，其特征在于，散热器（21）有三种类似，分别是主动控温模块（211）、自然散热模块（212）和增强被动散热模块（213），其中主动控温模块（211）采用半导体制冷片，通过调节电流实现温度恒定；自然散热模块（212）为普通的金属导热块；增强被动散热模块（213）是风冷散热器。
7.根据权利要求3所述温度探测***，其特征在于，热源（22）的形状可以是点状热源、线状热源或面状热源，采用电阻丝加热，并且电阻数值已知，通过调节加热电流可以获得加热功率数值。
8.一种权利要求1-5所述的一种用于测试热电发电芯片性能的装置和方法的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
（S1）明确需要测试的环境、温差和负载情况，并将相关信息输入到测试软件里；
（S2）选择合适的散热器（21）和热源（22）组件，将热电发电芯片夹装在热源（21）和散热器（22）之间,，并将其电极引线与测试电路相连；
（S3）自动化测试软件（4），程序将调节热源和散热器的温度，调整负载电阻，对电路电阻的电压和电流信号进行监控，通过运算实现对热电发电芯片性能的测量。
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| CN (1) | CN114167263A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115795882A (zh) * | 2022-12-05 | 2023-03-14 | 北京捷世智通科技股份有限公司 | 一种散热器热仿真参数的筛选方法及*** |
| CN117091316A (zh) * | 2023-10-19 | 2023-11-21 | 成都电科星拓科技有限公司 | 高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试***及方法 |
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2021
- 2021-12-31 CN CN202111668952.7A patent/CN114167263A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115795882A (zh) * | 2022-12-05 | 2023-03-14 | 北京捷世智通科技股份有限公司 | 一种散热器热仿真参数的筛选方法及*** |
| CN115795882B (zh) * | 2022-12-05 | 2023-06-20 | 北京捷世智通科技股份有限公司 | 一种散热器热仿真参数的筛选方法及*** |
| CN117091316A (zh) * | 2023-10-19 | 2023-11-21 | 成都电科星拓科技有限公司 | 高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试***及方法 |
| CN117091316B (zh) * | 2023-10-19 | 2024-01-26 | 成都电科星拓科技有限公司 | 高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试***及方法 |
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