TWI467165B - 量測方法、量測裝置及電腦程式產品 - Google Patents

量測方法、量測裝置及電腦程式產品 Download PDF

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量測方法、量測裝置及電腦程式產品
本發明是有關於一種量測方法、量測裝置及電腦程式產品，且特別是有關於一種用以量測熱電模組的量測方法、量測裝置及電腦程式產品。
目前熱電效應(thermoelectric effect)的應用之相關研究正處於一個嶄新的階段。前幾年熱電技術的研發重點在於高性能熱電材料的開發，因此就量測技術而言，當時著重的重點偏向於材料之熱電性質的量測。近幾年來，熱電相關的研究開始由材料端轉向模組端，亦即開始著重整個熱電模組組合後之整體性能表現。
然而，一個熱電模組組合了多個熱電P/N接腳對(thermoelectric pillar P/N pairs)、金屬電極線(metal electrode traces)、焊接層(solder layers)及兩片陶瓷基板(ceramic substrate)。這些元件在組合之後，整體的熱電性質會不同於原本單純之熱電接腳的熱電性質。舉例而言，熱電接腳與焊接層之間將有原子擴散問題，因此降低模組內熱電接腳之熱電性能。而在模組冷熱端之熱量傳遞方面，熱電接腳與焊接層、焊接層與電極線、電極線與基板之間，均存在未知但明顯的介面熱阻。因此，在實際應用上，熱電接腳實際存在的溫差，將小於我們施加在模組兩端的溫差，這將造成實際性能與預估性能之間有所差 異，而這個差異事前並無法準確預估。
本發明之一實施例提出一種量測方法，用以量測一熱電模組。此量測方法包括下列步驟：提供一穩定溫度至熱電模組。施加一電流至熱電模組，以使熱電模組的兩端分別成為一熱端及一冷端，其中熱端的溫度大於冷端的溫度。在一第一時間內的多個時間點的每一時間點上量測熱電模組的一端電壓、熱端的一熱端溫度及冷端的一冷端溫度。根據第一時間內的這些時間點所測得的這些端電壓、這些熱端溫度及這些冷端溫度，計算這些熱端溫度與對應的這些冷端溫度的複數個差值，以得到這些端電壓相對於這些差值的的一熱電關係。根據熱電關係來推估熱電模組的至少一第一參數值。
本發明之一實施例提出一種量測裝置，用以量測一熱電模組。量測裝置包括一電源供應單元、一電壓量測單元、一溫度量測單元及一處理單元。電源供應單元供應一電流至熱電模組，以使熱電模組的兩端分別成為一熱端及一冷端，其中熱端的溫度大於冷端的溫度。電壓量測單元在一第一時間內的多個時間點的每一時間點上量測熱電模組的一端電壓。溫度量測單元在第一時間內的這些時間點的每一時間點上量測熱端的一熱端溫度及冷端的一冷端溫度。處理單元根據第一時間內的這些時間點所測得的這些端電壓、這些熱端溫度及這些冷端溫度，計算這些熱端溫度與 對應的這些冷端溫度的複數個差值，以得到這些端電壓相對於這些差值的的一熱電關係。處理單元根據熱電關係來推估熱電模組的至少一第一參數值。
本發明之一實施例提出一種電腦程式產品，儲存於一電腦可讀取記錄媒體中，以量測一熱電模組。此電腦程式產品包括第1程式指令、第2程式指令、第3程式指令、第4程式指令及第5程式指令。第1程式指令為提供一穩定溫度至熱電模組。第2程式指令為施加一電流至熱電模組，以使熱電模組的兩端分別成為一熱端及一冷端，其中熱端的溫度大於冷端的溫度。第3程式指令為在一第一時間內的多個時間點的每一時間點上量測熱電模組的一端電壓、熱端的一熱端溫度及冷端的一冷端溫度。第4程式指令為根據第一時間內的這些時間點所測得的這些端電壓、這些熱端溫度及這些冷端溫度，計算這些熱端溫度與對應的這些冷端溫度的複數個差值，以得到這些端電壓相對於這些差值的一熱電關係。第5程式指令為根據熱電關係來推估熱電模組的至少一第一參數值。
為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例之量測裝置的示意圖，圖2為應用於圖1之量測裝置之量測方法的示意圖，圖3為圖1之量測裝置與圖2之量測方法所得到的熱電關係方程式 所代表的直線之示意圖。請參照圖1至圖3，本實施例之量測裝置200用以量測一熱電模組100。熱電模組100包括一第一基板110、一第二基板120及M對彼此電性連接的熱電接腳150。M為正整數，且每一對熱電接腳150連接第一基板110與第二基板120。在本實施例中，第一基板110與第二基板120例如為陶瓷基板。然而，在其他實施例中，第一基板110與第二基板120亦可以是其他材質的基板。此外，在本實施例中，每一對熱電接腳150包括一P型半導體接腳152與一N型半導體接腳154，P型半導體接腳152連接第一基板110與第二基板120，且N型半導體接腳154連接第一基板110與第二基板120。P型半導體接腳152的材質例如為P型鉍碲合金(Bi-Te alloy)、P型鉛碲合金(Pb-Te alloy)、P型鉍鉛碲合金(Bi-Sb-Te alloy)、P型矽鍺合金(Si-Ge alloy)或其他P型半導體，而N型半導體接腳154的材質例如為N型鉍碲合金、N型鉛碲合金、N型鉍鉛碲合金、N型矽鍺合金或其他N型半導體。
在本實施例中，熱電模組100更包括一圖案化導電層130及一圖案化導電層140，分別配置於第一基板110與第二基板120上。圖案化導電層130與圖案化導電層140將這M對熱電接腳150串連起來，且以這些N型半導體接腳154與這些P型半導體接腳152交替相接的方式串連起來。此外，在本實施例中，每一對熱電接腳150藉由圖案化導電層130連接至第一基板110，且藉由圖案化導電層 140連接至第二基板120。圖案化導電層130與圖案化導電層140的材質例如為金屬。
量測裝置200包括一電源供應單元210、一電壓量測單元220、一溫度量測單元230及一處理單元240。電源供應單元210供應一電流I至熱電模組100，以使熱電模組100的兩端分別成為一熱端(hot side)及一冷端(cold side)，其中熱端的溫度大於冷端的溫度。在本實施例中，電流I實質上為一固定電流，且電流I依序流經串連之M對熱電接腳150。換言之，電流I交替地流經這些N型半導體接腳154與這些P型半導體接腳152。此外，在本實施例中，當供應電流I至熱電模組100時，第一基板110的溫度會下降而形成冷端，而第二基板120的溫度會上升而形成熱端。
在本實施例中，量測裝置200更包括一熱絕緣體260及一控溫(temperature control)元件270。熱絕緣體260配置於冷端(即第一基板110)上。控溫元件270配置於熱端(即第二基板120)上，以調控熱端的溫度。因此，在施加電流I至熱電模組100之前，控溫元件270可先提供穩定的溫度至熱電模組100。在本實施例中，控溫元件270例如為一具有發熱單元272的熱板(hot plate)，其中發熱單元272例如為熱電阻(thermal resistance)或其他的發熱元件。
電壓量測單元220在一第一時間內的多個時間點的每一時間點上量測熱電模組100的一端電壓V，即為串連且 交替相接的這些N型半導體接腳154與這些P型半導體接腳152之整體的一端與另一端之間的電壓。第一時間例如是從開始供應電流I至熱電模組100的時間點至熱電模組100的熱端的熱端溫度Th 與冷端的冷端溫度Tc 的差值△T實質上達到穩定的時間點。舉例而言，差值△T可在開始供應電流I後的20秒內達到穩定，則第一時間即為開始供應電流I後的20秒內。
溫度量測單元230在第一時間內的這些時間點的每一時間點上量測熱端的一熱端溫度Th 及冷端的一冷端溫度Tc 。在本實施例中，溫度量測單元230包括與第一基板110之面向熱絕緣體260的表面接觸之熱電耦(thermal couple)，其可量測冷端溫度Tc 。此外，溫度量測單元230還包括與第二基板120之面向控溫元件270的表面接觸之熱電耦，其可量測熱端溫度Th 。再者，溫度量測單元230更包括與上述二個熱電耦電性連接之判讀平台，其可判讀熱電耦所測得的溫度訊號。在其他實施例中，亦可以採用其他溫度感測器來取代上述熱電耦。
處理單元240根據第一時間內的這些時間點所測得的這些端電壓V、這些熱端溫度Th 及這些冷端溫度Tc ，計算這些熱端溫度Th 與對應的這些冷端溫度Tc 的差值△T，以得到這些端電壓V相對於這些差值△T的一熱電關係。在本實施例中，處理單元240例如為電腦的中央處理器(central processing unit,CPU)。然而，在其他實施例中，處理單元240亦可以是其他控制及運算平台的數位訊號處 理器(digital signal processor,DSP)、數位邏輯電路或其他適當的處理器。在本實施例中，在第一時間內的這些時間點的每一個時間點上都可量測到一組包含V、Tc 及Th 的數據，其中處理單元240可將Th 與Tc 相減而得到△T，而根據第一時間內的這些時間點所測得的這些V、這些Th 及這些Tc 得到這些V相對於這些△T的熱電關係的方法包括根據這些V及對應的這些△T(即根據多組包含V與△T的數據)作線性迴歸，以得到一熱電關係方程式。在本實施例中，此熱電關係方程式為一直線方程式，而其所代表的直線如圖3所繪示之斜直線。在圖3中，縱軸代表端電壓V，而橫軸代表差值△T。
熱電材料之電場方程式如下列(1)式：V=S△T’+IR (1)
其中，V為熱電模組100的端電壓，S為熱電模組100的席貝克係數(Seebeck coefficient)，△T’為熱電接腳150的兩端之平均溫度差，例如為熱電接腳150之靠近圖案化導電層140的一端之平均溫度減去熱電接腳150之靠近圖案化導電層130的一端之平均溫度後所得到的平均溫度差。由於熱電模組100的溫度差是由熱電接腳150所產生，且由於熱電模組100的冷端(即第一基板110)接觸熱絕緣體260，因此熱電接腳150之熱端與冷端的溫度差(即第二基板120之面向控溫元件270的表面之溫度減去第一基板110之面向熱絕緣體260的表面之溫度後所得到的差值)△T將非常近似於熱電接腳150之兩端的平均溫度差 △T’，因此可將(1)式中的△T’以△T來取代，而形成下列(2)式：V=S△T+IR (2)
(2)式為理論所得之與V及△T有關的直線方程式，而上述之熱電關係方程式則是藉由實驗數據之線性迴歸所得到的與V及△T有關的直線方程式，因此實驗所得的熱電關係方程式會近似於理論所得之(2)式。所以，可將(2)式視為熱電關係方程式。
此外，處理單元240根據上述熱電關係(即上述熱電關係方程式)來推估熱電模組100的至少一第一參數值。在本實施例中，推估出的第一參數值有兩種，分別為熱電模組100的席貝克係數S及熱電模組100的內電阻值R。在本實施例中，由於熱電關係方程式可有線性迴歸推得，而為已知(即如(2)式)，因此在本實施例中，處理單元240以熱電關係方程式所代表的直線的斜率(即(2)式中△T前的係數S)作為熱電模組100的席貝克係數S。
此外，在本實施例中，處理單元240以熱電關係方程式與一座標軸(例如縱軸)的截距除以電流I的大小後所得到的值作為熱電模組100的內電阻值R，其中此座標軸為熱電關係方程式中熱端溫度Th 與冷端溫度Tc 的差值△T為零的軸。具體而言，當將△T=0代入(2)式時，可得到V=IR，亦即IR為熱電關係方程式與△T為零的軸(即縱軸)的截距。由於I為電源供應單元210所供應的電流，且為已知，因此將IR除以I後，即可計算出熱電模組100 的內電阻值R。
在本實施例中，溫度量測單元230在第一時間之後的一第二時間內，量測冷端的冷端溫度Tc ，且處理單元240根據第一參數值(例如席貝克係數S與內電阻值R)且根據第二時間內的冷端溫度Tc 來推估出一第二參數值。在本實施例中，第二時間為熱電模組100的熱端的熱端溫度Th 與冷端的冷端溫度Tc 的差值△T實質上達到穩定以後的時間。舉例而言，差值△T可在開始供應電流I後的20秒內達到穩定，而第二時間即為開始供應電流I後的20秒以後的時間。舉例而言，可在△T達到穩定後的一個時間點(例如開始供應電流I以後的第30秒)測得冷端溫度Tc ，或是在△T達到穩定後的多個不同的時間點上分別測得多個Tc ，然後再將這些Tc 取平均值，而得到一個平均的冷端溫度Tc 。
在本實施例中，處理單元240根據S、I、Tc 、R及△T來推估熱電模組100的熱導值K。舉例而言，處理單元240可計算(SITc -I2 R/2)/△T的結果，以得到熱電模組100的熱導值K，其中Tc 是以絕對溫度(即克氏溫度(Kelvin temperature))的數值代入。具體而言，熱電材料的能量守恆方程式如下列(3)式：
其中，Qc 為熱電接腳150的冷端所吸收的熱量，而Tc ’則為熱電接腳150的冷端之溫度(其為絕對溫度)，亦即為圖1之熱電接腳150之靠近圖案化導電層130的一端 的溫度。K為熱電模組100整體的熱導值K。此外，其他S、I、R及△T’的物理意義則可參閱上文，在此不再重述。由於熱電模組100的冷端上設有熱絕緣體260，因此Qc 可視為等於0，且Tc ’近似於熱電模組100的冷端溫度Tc (即第一基板110之面向熱絕緣體260的表面溫度)。將(3)式中的Qc 、Tc ’及△T’分別以0、Tc 及△T代入後，便可將(3)式改寫成下式：
因此，根據(4)式，便可經由計算(SITc -I2 R/2)/△T的結果，而得到熱電模組100的熱導值K。
本實施例之量測裝置200利用對熱電模組100施加電流I不久後，熱電模組100的熱端與冷端的溫度差(即△T)及其產生的端電壓V之暫態關係，來求得熱電模組100的席貝克係數S與內電阻值R。因此，本實施例之量測裝置200可在短時間內測得熱電模組100整體之熱電參數(如S與R)。相較於習知技術有難以從熱電接腳的熱電性質預估熱電模組之整體熱電性質，本實施例之量測裝置200由於可直接測得熱電模組100整體的熱電參數，因此可以評估熱電模組100整體的實際熱電性質，進而可讓使用者較為準確地評估熱電模組100的熱電特性與熱電效率。
此外，當△T達到實質上穩定時，本實施例之量測裝置200還可藉由量測冷端溫度Tc ，而藉此計算出熱電模組100整體的熱導值K。因此，本實施例之量測裝置200可在短時間內(例如1分鐘內)測得熱電模組100的多項熱 電參數(如S、R與K等三項熱電參數)。由於熱電模組100的S、R及K等三項參數皆可測得，因此可以準確地評估熱電模組100的性能之優劣。
此外，熱電模組100之每一熱電接腳150的平均席貝克係數Savg 、平均電阻率ρ及平均熱傳導係數k與熱電模組100整體之席貝克係數S、內電阻值R與熱導值K分別有以下(5)式、(6)式及(7)式的換算關係：
其中，A為單一熱電接腳150在實質上垂直於通過其之電流I的方向上的截面積(即圖1中之熱電接腳150於圖中之水平方向的截面積)，且h為熱電接腳150在實質上平行於通過其之電流I的方向上的高度(即為熱電接腳150在圖中之垂直高度，也就是圖案化導電層130至圖案化導電層140的距離)。
因此，在本實施例中，處理單元240可將熱電模組的席貝克係數S除以2M(即計算S/2M的結果)，以得到每一熱電接腳150的平均席貝克係數Savg 。此外，處理單元240可將熱電模組100的內電阻值R乘以A，除以h，再除以2M(即計算(RA)/(2Mh)的結果)，以得到每一熱電接腳的電阻率ρ。再者，處理單元240可將熱電模組100的 熱導值K乘以h，除以A，再除以2M(即計算(Kh)/(2MA)的結果)，以得到每一熱電接腳150的平均熱傳導係數k。本實施例之量測裝置200在得到Savg 、ρ及k等三個參數之後，便可將這三個參數代入熱電優值(figure of merit)公式，以計算出熱電模組100之性能優劣。
圖2所示之量測方法可應用於圖1之量測裝置200，以量測熱電模組100。舉例而言，量測裝置200可更包括一電腦可讀取記錄媒體250，以儲存一電腦程式產品。當電腦程式產品中的程式指令載入處理單元240時，便可藉由處理單元240來實現本實施例之量測方法。電腦可讀取記錄媒體250例如為硬式磁碟機、軟式磁碟機、記憶卡、隨身碟、韌體、光碟、唯讀記憶體(read only memory,ROM)、隨機存取記憶體(random access memory，RAM)或任何可儲存程式指令(或可儲存程式碼)的記錄媒體。具體而言，本實施例之量測方法包括下列步驟。首先，執行步驟S110，其為提供穩定溫度至熱電模組100，而步驟S110可由處理單元240執行電腦程式產品的第1程式指令來完成。舉例而言，處理單元240可命令控溫元件270提供穩定溫度至熱電模組100。接著，執行步驟S120，其為施加電流I至熱電模組100，以使熱電模組100的兩端分別成為熱端及冷端，而步驟S120可由處理單元240執行電腦程式產品的第2程式指令來完成。之後，執行步驟S130，其為在第一時間內的多個時間點的每一時間點上量測熱電模組100的端電壓V、熱端的熱端溫度Th 及冷端的 冷端溫度Tc ，而步驟S130可由處理單元240執行電腦程式產品的第3程式指令來完成。舉例而言，處理單元240可命令電壓量測單元210來量測端電壓V，且可命令溫度量測單元230來量測熱端溫度Th 及冷端溫度Tc 。
然後，執行步驟S140，其為根據第一時間內的這些時間點所測得的這些端電壓V、這些熱端溫度Th 及這些冷端溫度Tc ，計算這些熱端溫度Th 與對應的這些冷端溫度Tc 的複數個差值△T，以得到這些端電壓V相對於這些差值△T的熱電關係，而步驟S140可由處理單元執行電腦程式產品的第4程式指令來完成。
再來，執行步驟S150，其為根據熱電關係來推估熱電模組的至少一第一參數值(如席貝克係數S與內電阻值R)，而步驟S150可由處理單元240執行電腦程式產品的第5程式指令來完成。
在本實施例中，在步驟S150之後，量測方法可包括將熱電模組的席貝克係數S除以2M(即計算S/2M的結果)，以得到每一熱電接腳150的平均席貝克係數Savg 的步驟，而此步驟可由處理單元240執行電腦程式產品的第6程式指令來完成。此外，量測方法可包括將熱電模組100的內電阻值R乘以A，除以h，再除以2M(即計算(RA)/(2Mh)的結果)，以得到每一熱電接腳的電阻率ρ的步驟，而此步驟可由處理單元240執行電腦程式產品的第7程式指令來完成。
之後，可執行步驟S160，其為在第一時間之後的第二 時間內，量測冷端溫度Tc ，而步驟S160可由處理單元240執行電腦程式產品的第8程式指令，以命令溫度量測單元230量測冷端溫度Tc 來達成。
然後，可執行步驟S170，其為根據第一參數值(如S與R)且根據第二時間內的冷端溫度Tc 來推估出第二參數值(如熱導值K)，而步驟S170可由處理單元240執行電腦程式產品的第9程式指令來達成。
再來，本實施例之量測方法可包括將熱電模組100的熱導值K乘以h，除以A，再除以2M(即計算(Kh)/(2MA)的結果)，以得到每一熱電接腳150的熱傳導係數k的步驟，而此步驟可由處理單元240執行電腦程式產品的第10程式指令來達成。
在另一實施例中，上述第6程式指令與第7程式指令及其所對應的步驟的執行順序亦可以是在步驟S160之後，或在步驟S170之後，且第6程式指令、第7程式指令及第10程式指令及其步驟的執行順序可任意對調。
其他量測方法所執行的步驟之細節及電腦程式產品的程式指令的細節可參照上述對量測裝置200所執行的動作之描述，在此不再重述。此外，本實施例之量測方法與電腦程式產品亦可達到上述量測裝置200之功能，在此不再重述。
本實施例之量測裝置200、量測方法及電腦程式產品是以電腦自動化量測為例，但本發明不以此為限。在其他實施例中，量測裝置200與量測方法亦可採用半自動化的 量測或採用手動量測。
圖4繪示圖1之量測裝置在量測熱電模組時，熱電模組的熱端溫度、冷端溫度及端電壓隨著量測時間的變化關係，圖5繪示圖1之量測裝置在量測熱電模組時，熱電模組的端電壓相對於熱端溫度與冷端溫度的差值之變化關係，而圖6繪示圖1之量測裝置在量測熱電模組時，量測到的熱端溫度、冷端溫度及熱導值隨著量測時間的變化關係。由圖4可知，熱端溫度Th 與冷端溫度Tc 的差值△T在一段時間(例如20秒)後會達到穩定，因此可在此段時間內計算出熱電模組100的席貝克係數S與內電阻值R，且在此段時間之後計算出熱電模組100的熱導值。由圖5可知，在實測時提供各種不同的電流I的大小(例如150毫安培、300毫安培、500毫安培及750毫安培)至熱電模組100時，所得到端電壓V相對於熱端溫度與冷端溫度的差值△T確實都呈現線性相關。此外，在各種不同的電流的條件下，根據線性關係所推得的熱電模組100的席貝克係數S大致上相同，且所推得的熱電模組100的內電阻值R亦大致上相同，由此可驗證本實施例之量測裝置200與量測方法所得到的數據之穩定性高。由圖6可知，熱電模組100的熱導值K在開始量測(即開始提供電流I)後的一段時間後(例如30秒後)達到穩定。因此，量測冷端溫度Tc 以計算出熱電模組100的熱導值K的時間點可在開始提供電流I後的30秒以後。此外，由於在30秒以後熱導值K的變化不大，因此可將量測冷端溫度Tc 以計算出 熱電模組100的熱導值K的時間點設在開始提供電流I後的一分鐘內完成。換言之，本實施例之量測裝置200與量測方法可在一分鐘內量測完上述所測得的所有熱電參數，因此本實施例之量測裝置200與量測方法可實現快速的量測。
圖7為本發明之另一實施例之量測裝置的示意圖。請參照圖7，本實施例之量測裝置200a與圖1之量測裝置200類似，而兩者的差異在於本實施例之控溫元件280為一冷板(cold plate)，且此冷板具有流道282，而流道282內含有流體。此流體例如為水、丙酮、冷媒、液態氮或其他任何可攜帶熱量及傳遞熱量的流體。此外，在本實施例中，處理單元240可載入電腦程式產品之程式指令，以控制控溫元件280。
圖8為本發明之又一實施例之量測裝置的示意圖。請參照圖8，本實施例之量測裝置200b與圖1之量測裝置200類似，而兩者的差異在於本實施例之控溫元件290同時包含了圖1之控溫元件270(即熱板)與圖8之控溫元件280(即冷板)，亦即控溫元件290為熱板與冷板的組合。如此一來，控溫元件290可對熱電模組100有更穩定的溫度調控，且控溫元件290可將熱電模組100的溫度控制在更多不同的溫度範圍內。
圖9為本發明之再一實施例之量測裝置的示意圖。請參照圖9，本實施例之量測裝置200c與圖1之量測裝置200類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之量測裝置 200c中，熱電模組100的熱端(即第二基板120)上配置有熱絕緣體310。此外，量測裝置200c更包括一恆溫箱320，而熱電模組100及這些熱絕緣體260及310配置於恆溫箱320中。恆溫箱320可對熱電模組100提供穩定的環境溫度。換言之，本實施例之量測方法將熱電模組100及這些熱絕緣體260及310置於穩定的環境溫度中，而處理單元240可載入電腦程式產品的程式指令，以控制恆溫箱320。
在另一實施例中，亦可將熱電模組100及這些熱絕緣體260及310置於室溫中，而不要置於恆溫箱320中。由於在室內的空間中的氣溫在短時間內不會有太大的變化，例如在量測裝置200進行量測的那1分鐘內不會有太大的變化，因此室溫可視為一穩定的環境溫度。所以，即使將熱電模組100及這些熱絕緣體260及310置於室內來量測，亦可達成足夠準確的量測。
圖10為本發明之另一實施例之量測裝置的示意圖，而圖11為適用於圖10之量測裝置的量測方法之流程圖。請參照圖10與圖11，本實施例之量測裝置200d與圖1之量測裝置200類似，而兩者的差異如下所述。在圖1中，控溫元件270是配置於熱端(即第二基板120)上，而熱絕緣體260是配置於冷端(即第一基板110)上。然而，在本實施例之量測裝置200d中，控溫元件270是配置於冷端(即第一基板110)上，而熱絕緣體260則是配置於熱端(即第二基板120)上。本實施例作了如此之元件位置 的置換後，在量測S、Savg 、R及ρ等參數時，仍可維持原方法，但在量在K與k時，則可作以下之調整。
在本實施例中，溫度量測單元230在第一時間之後的第二時間內，量測熱端的熱端溫度Th ，且處理單元240根據第一參數值(例如席貝克係數S與內電阻值R)且根據熱冷端溫度Th 來推估出第二參數值。此外，在本實施例中，處理單元240根據S、I、Tc 、R及△T來推估熱電模組100的熱導值K。舉例而言，處理單元240可計算(SITh +I2 R/2)/△T的結果，以得到熱電模組100的熱導值K，其中Th 是以絕對溫度(即克氏溫度(Kelvin temperature))的數值代入。至於每一熱電接腳150的平均熱傳導係數k，則可藉由處理單元240計算(Kh)/(2MA)的結果而得知。
在本實施例之量測方法中，步驟S110至步驟S150與圖2之量測方法相同，而步驟S160’則為在第一時間之後的第二時間內，量測熱端溫度Th ，而步驟S160’可由處理單元240執行電腦程式產品的第8程式指令，以命令溫度量測單元230量測熱端溫度Th 來達成。然後，執行步驟S170’，其為根據第一參數值(如S與R)且根據熱端溫度Th 來推估出第二參數值(如熱導值K)，而步驟S170’可由處理單元240執行電腦程式產品的第9程式指令來達成。
本實施例之量測方法所執行的步驟之其他細節及電腦程式產品的程式指令的其他細節可參照上述對量測裝置200d所執行的動作之描述，在此不再重述。
在其他實施例中，配置於冷端(即第一基板110)上的控溫元件270(即熱板)亦可以用圖7之控溫元件280(即冷板)或圖8之控溫元件290(即冷板與熱板的組合)來取代。
綜上所述，本發明之實施例之量測裝置、量測方法及電腦程式產品利用對熱電模組施加電流不久後，熱電模組的熱端與冷端的溫度差及其產生的端電壓之暫態關係，來求得熱電模組的席貝克係數與內電阻值。因此，本發明之實施例之量測裝置、量測方法及電腦程式產品可在短時間內測得熱電模組整體之熱電參數(如席貝克係數與內電阻值)。相較於習知技術有難以從熱電接腳的熱電性質預估熱電模組之整體熱電性質，本發明之實施例之量測裝置、量測方法與電腦程式產品由於可直接測得熱電模組整體的熱電參數，因此可以評估熱電模組整體的實際熱電性質，進而可讓使用者較為準確地評估熱電模組的熱電特性與熱電效率。
此外，當熱端溫度與冷端溫度的差值達到實質上穩定時，本發明之實施例之量測裝置、量測方法與電腦程式產品還可藉由量測冷端溫度或熱端溫度，而藉此計算出熱電模組整體的熱導值。因此，本發明之實施例之量測裝置、量測方法與電腦程式產品可在短時間內(例如1分鐘內)測得熱電模組的多項熱電參數(如席貝克係數、內電阻值與熱導值等三項熱電參數)。由於熱電模組的席貝克係數、內電阻值與熱導值等三項熱電參數皆可測得，因此可以準 確地評估熱電模組的性能之優劣。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧熱電模組
110‧‧‧第一基板
120‧‧‧第二基板
130‧‧‧圖案化導電層
140‧‧‧圖案化導電層
150‧‧‧熱電接腳
152‧‧‧P型半導體接腳
154‧‧‧N型半導體接腳
200、200a、200b、200c、200d‧‧‧量測裝置
210‧‧‧電源供應單元
220‧‧‧電壓量測單元
230‧‧‧溫度量測單元
240‧‧‧處理單元
250‧‧‧電腦可讀取記錄媒體
260、310‧‧‧熱絕緣體
270、280、290‧‧‧控溫元件
272‧‧‧發熱單元
282‧‧‧流道
320‧‧‧恆溫箱
A‧‧‧截面積
h‧‧‧高度
I‧‧‧電流
S110~S170、S160’、S170’‧‧‧步驟
圖1為本發明之一實施例之量測裝置的示意圖。
圖2為應用於圖1之量測裝置之量測方法的示意圖。
圖3為圖1之量測裝置與圖2之量測方法所得到的熱電關係方程式所代表的直線之示意圖。
圖4繪示圖1之量測裝置在量測熱電模組時，熱電模組的熱端溫度、冷端溫度及端電壓隨著量測時間的變化關係。
圖5繪示圖1之量測裝置在量測熱電模組時，熱電模組的端電壓相對於熱端溫度與冷端溫度的差值之變化關係。
圖6繪示圖1之量測裝置在量測熱電模組時，量測到的熱端溫度、冷端溫度及熱導值隨著量測時間的變化關係。
圖7為本發明之另一實施例之量測裝置的示意圖。
圖8為本發明之又一實施例之量測裝置的示意圖。
圖9為本發明之再一實施例之量測裝置的示意圖。
圖10為本發明之另一實施例之量測裝置的示意圖。
圖11為適用於圖10之量測裝置的量測方法之流程圖。
S110~S170‧‧‧步驟

Claims (52)

  1. 一種量測方法，用以量測一熱電模組，該量測方法包括：提供一穩定溫度至該熱電模組；施加一電流至該熱電模組，以使該熱電模組的兩端分別成為一熱端及一冷端，其中該熱端的溫度大於該冷端的溫度；在一第一時間內的多個時間點的每一該時間點上量測該熱電模組的一端電壓、該熱端的一熱端溫度及該冷端的一冷端溫度；根據該第一時間內的該些時間點所測得的該些端電壓、該些熱端溫度及該些冷端溫度，計算該些熱端溫度與對應的該些冷端溫度的複數個差值，以得到該些端電壓相對於該些差值的一熱電關係；以及根據該熱電關係推估該熱電模組的至少一第一參數值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之量測方法，其中得到該熱電關係的方法包括：根據該第一時間內的該些時間點所測得的該些端電壓與該些端電壓對應的該些差值作線性迴歸，以得到一熱電關係方程式。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之量測方法，其中根據該熱電關係推估該熱電模組的該至少一第一參數值的方法包括：以該熱電關係方程式所代表的直線的斜率作為該熱 電模組的席貝克係數(Seebeck coefficient)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之量測方法，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，其中M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，該量測方法更包括：將該熱電模組的席貝克係數除以2M，以得到每一該熱電接腳的平均席貝克係數。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之量測方法，其中根據該熱電關係推估該熱電模組的該至少一第一參數值的方法包括：以該熱電關係方程式與一座標軸的截距除以該電流的大小後所得到的值作為該熱電模組的內電阻值，其中該座標軸為該熱電關係方程式中該熱端溫度與該冷端溫度的該差值為零的軸。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之量測方法，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，其中M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，該量測方法更包括：將該熱電模組的該內電阻值乘以A，除以h，再除以2M，以得到每一該熱電接腳的電阻率，其中A為單一該熱電接腳在實質上垂直於該電流方向上的截面積，且h為該熱電接腳在實質上平行於該電流方向上的高度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之量測方法，更包括在該第一時間之後的一第二時間內，量測該冷端的該冷端 溫度或該熱端的該熱端溫度，並根據該至少一第一參數值且根據該第二時間內的該冷端溫度或該熱端溫度來推估出一第二參數值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之量測方法，其中該第二時間內所量測的該熱端溫度與對應的該冷端溫度的該差值、該冷端溫度及該熱端溫度分別為△T、Tc 及Th ，且該電流為I，得到該熱電關係的方法包括：根據該些第一時間點所測得的該些端電壓與該些端電壓對應的該些差值作線性迴歸，以得到該熱電關係方程式，且根據該熱電關係方程式來推估該熱電模組的該至少一第一參數值的方法包括：以該熱電關係方程式所代表的直線的斜率作為該熱電模組的席貝克係數S；以及以該熱電關係方程式與一座標軸的截距除以該電流的大小後所得到的值作為該熱電模組的內電阻值R，其中該座標軸為該熱電關係方程式中該熱端溫度與該冷端溫度的該差值為零的軸；且根據該至少一第一參數值，且根據該第二時間內的該冷端溫度或該熱端溫度來推估出該第二參數值的方法包括：根據S、I、Tc 、R及△T或根據S、I、Th 、R及△T來推估該熱電模組的熱導值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之量測方法，其中提供該穩定溫度至該熱電模組的方法包括： 在該冷端上設置一熱絕緣體；以及在該熱端上設置一控溫元件，以調控該熱端的溫度，且根據S、I、Tc 、R及△T或根據S、I、Th 、R及△T來推估該熱電模組的該熱導值的方法包括：計算(SITc -I2 R/2)/△T的結果，以得到該熱電模組的該熱導值。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之量測方法，其中提供該穩定溫度至該熱電模組的方法包括：在該冷端上設置一控溫元件，以調控該冷端的溫度；以及在該熱端上設置一熱絕緣體，且根據S、I、Tc 、R及△T或根據S、I、Th 、R及△T來推估該熱電模組的該熱導值的方法包括：計算(SITh +I2 R/2)/△T的結果，以得到該熱電模組的該熱導值。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之量測方法，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，該量測方法更包括：將該熱電模組的該熱導值乘以h，除以A，再除以2M，以得到每一該熱電接腳的熱傳導係數，其中A為單一該熱電接腳在實質上垂直於該電流方向上的截面積，且h為該熱電接腳在實質上平行於該電流方向上的高度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之量測方法，其中提供該穩定溫度至該熱電模組的方法包括：在該冷端上設置一熱絕緣體；以及在該熱端上設置一控溫元件，以調控該熱端的溫度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之量測方法，其中該控溫元件包括一具有內含流體的流道之冷板、一具有發熱單元的熱板或其組合。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之量測方法，其中提供該穩定溫度至該熱電模組的方法包括：在該冷端上設置一控溫元件，以調控該冷端的溫度；以及在該熱端上設置一熱絕緣體。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之量測方法，其中該控溫元件包括一具有內含流體的流道之冷板、一具有發熱單元的熱板或其組合。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之量測方法，其中提供該穩定溫度至該熱電模組的方法包括：在該熱端與該冷端上各設置一熱絕緣體；以及將該熱電模組及該些熱絕緣體置於一穩定的環境溫度中。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之量測方法，其中將該熱電模組及該些熱絕緣體置於該穩定的環境溫度中的方法包括：將該熱電模組及該些熱絕緣體置於一恆溫箱中。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之量測方法，其中該電流實質上為一固定電流。
  19. 一種量測裝置，用以量測一熱電模組，該量測裝置包括：一電源供應單元，供應一電流至該熱電模組，以使該熱電模組的兩端分別成為一熱端及一冷端，其中該熱端的溫度大於該冷端的溫度；一電壓量測單元，在一第一時間內的多個時間點的每一該時間點上量測該熱電模組的一端電壓；一溫度量測單元，在該第一時間內的該些時間點的每一該時間點上量測該熱端的一熱端溫度及該冷端的一冷端溫度；以及一處理單元，根據該第一時間內的該些時間點所測得的該些端電壓、該些熱端溫度及該些冷端溫度，計算該些熱端溫度與對應的該些冷端溫度的複數個差值，以得到該些端電壓相對於該些差值的一熱電關係，且根據該熱電關係來推估該熱電模組的至少一第一參數值。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之量測裝置，其中該處理單元根據該第一時間內的該些時間點所測得的該些端電壓與該些端電壓對應的該些差值作線性迴歸，以得到一熱電關係方程式。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之量測裝置，其中該處理單元以該熱電關係方程式所代表的直線的斜率作為該熱電模組的席貝克係數(Seebeck coefficient)。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之量測裝置，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，其中M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，且該處理單元將該熱電模組的席貝克係數除以2M，以得到每一該熱電接腳的平均席貝克係數。
  23. 如申請專利範圍第20項所述之量測裝置，其中該處理單元以該熱電關係方程式與一座標軸的截距除以該電流的大小後所得到的值作為該熱電模組的內電阻值，其中該座標軸為該熱電關係方程式中該熱端溫度與該冷端溫度的該差值為零的軸。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之量測裝置，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，其中M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，且該處理單元將該熱電模組的該內電阻值乘以A，除以h，再除以2M，以得到每一該熱電接腳的電阻率，其中A為單一該熱電接腳在實質上垂直於該電流方向上的截面積，且h為該熱電接腳在實質上平行於該電流方向上的高度。
  25. 如申請專利範圍第19項所述之量測裝置，其中該溫度量測單元在該第一時間之後的一第二時間內，量測該冷端的該冷端溫度或該熱端的該熱端溫度，且該處理單元根據該至少一第一參數值且根據該第二時間內的該冷端溫度或該熱端溫度來推估出一第二參數值。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之量測裝置，其中該第二時間內所量測的該熱端溫度與對應的該冷端溫度的該差值、該冷端溫度及該熱端溫度分別為△T、Tc 及Th ，且該電流為I，該處理單元根據該些第一時間點所測得的該些端電壓與該些端電壓對應的該些差值作線性迴歸，以得到一熱電關係方程式，該處理單元以該熱電關係方程式所代表的直線的斜率作為該熱電模組的席貝克係數S，且以該熱電關係方程式與一座標軸的截距除以該電流的大小後所得到的值作為該熱電模組的內電阻值R，其中該座標軸為該熱電關係方程式中該熱端溫度與該冷端溫度的該差值為零的軸，且該處理單元根據S、I、Tc 、R及△T或根據S、I、Th 、R及△T來推估該熱電模組的熱導值。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之量測裝置，更包括：一熱絕緣體，配置於該冷端上；以及一控溫元件，配置於該熱端上，以調控該熱端的溫度，其中該處理單元計算(SITc -I2 R/2)/△T的結果，以得到該熱電模組的該熱導值。
  28. 如申請專利範圍第26項所述之量測裝置，更包括：一控溫元件，配置於該冷端上，以調控該冷端的溫度；以及一熱絕緣體，配置於該熱端上，其中該處理單元計算(SITh +I2 R/2)/△T的結果，以得到該熱電模組的該熱導值。
  29. 如申請專利範圍第26項所述之量測裝置，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連 接的熱電接腳，M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，且該處理單元將該熱電模組的該熱導值乘以h，除以A，再除以2M，以得到每一該熱電接腳的熱傳導係數，其中A為單一該熱電接腳在實質上垂直於該電流方向上的截面積，且h為該熱電接腳在實質上平行於該電流方向上的高度。
  30. 如申請專利範圍第19項所述之量測裝置，更包括：一熱絕緣體，配置於該冷端上；以及一控溫元件，配置於該熱端上，以調控該熱端的溫度。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之量測裝置，其中該控溫元件包括一具有內含流體的流道之冷板、一具有發熱單元的熱板或其組合。
  32. 如申請專利範圍第19項所述之量測裝置，更包括：一控溫元件，配置於該冷端上，以調控該冷端的溫度；以及一熱絕緣體，配置於該熱端上。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之量測裝置，其中該控溫元件包括一具有內含流體的流道之冷板、一具有發熱單元的熱板或其組合。
  34. 如申請專利範圍第19項所述之量測裝置，更包括：二熱絕緣體，分別配置於該熱端與該冷端上。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之量測裝置，更包括：一恆溫箱，其中該熱電模組及該些熱絕緣體配置於該恆溫箱中。
  36. 如申請專利範圍第19項所述之量測裝置，其中該電流實質上為一固定電流。
  37. 一種電腦程式產品，儲存於一電腦可讀取記錄媒體中，以量測一熱電模組，該電腦程式產品包括：第1程式指令，提供一穩定溫度至該熱電模組；第2程式指令，施加一電流至該熱電模組，以使該熱電模組的兩端分別成為一熱端及一冷端，其中該熱端的溫度大於該冷端的溫度；第3程式指令，在一第一時間內的多個時間點的每一該時間點上量測該熱電模組的一端電壓、該熱端的一熱端溫度及該冷端的一冷端溫度；第4程式指令，根據該第一時間內的該些時間點所測得的該些端電壓、該些熱端溫度及該些冷端溫度，計算該些熱端溫度與對應的該些冷端溫度的複數個差值，以得到該些端電壓相對於該些差值的一熱電關係；以及第5程式指令，根據該熱電關係來推估該熱電模組的至少一第一參數值。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之電腦程式產品，其中該第4程式指令包括根據該第一時間內的該些時間點所測得的該些端電壓與該些端電壓對應的該些差值作線性迴歸，以得到一熱電關係方程式之程式指令。
  39. 如申請專利範圍第38項所述之電腦程式產品，其中該第5程式指令包括：以該熱電關係方程式所代表的直線的斜率作為該熱 電模組的席貝克係數(Seebeck coefficient)的程式指令。
  40. 如申請專利範圍第39項所述之電腦程式產品，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，其中M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，該電腦程式產品更包括：第6程式指令，將該熱電模組的席貝克係數除以2M，以得到每一該熱電接腳的平均席貝克係數。
  41. 如申請專利範圍第38項所述之電腦程式產品，其中該第5程式指令包括：以該熱電關係方程式與一座標軸的截距除以該電流的大小後所得到的值作為該熱電模組的內電阻值之程式指令，其中該座標軸為該熱電關係方程式中該熱端溫度與該冷端溫度的該差值為零的軸。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之電腦程式產品，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，其中M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，該電腦程式產品更包括：第7程式指令，將該熱電模組的該內電阻值乘以A，除以h，再除以2M，以得到每一該熱電接腳的電阻率，其中A為單一該熱電接腳在實質上垂直於該電流方向上的截面積，且h為該熱電接腳在實質上平行於該電流方向上的高度。
  43. 如申請專利範圍第37項所述之電腦程式產品，更包括： 第8程式指令，在該第一時間之後的一第二時間內，量測該冷端的該冷端溫度或該熱端的該熱端溫度；以及第9程式指令，根據該至少一第一參數值且根據該第二時間內的該冷端溫度或該熱端溫度來推估出一第二參數值。
  44. 如申請專利範圍第43項所述之電腦程式產品，其中該第二時間內所量測的該熱端溫度與對應的該冷端溫度的該差值、該冷端溫度及該熱端溫度分別為△T、Tc 及Th ，且該電流為I，該第4程式指令包括根據該些第一時間點所測得的該些端電壓與該些端電壓對應的該些差值作線性迴歸，以得到一熱電關係方程式之程式指令，且該第5程式指令包括：以該熱電關係方程式所代表的直線的斜率作為該熱電模組的席貝克係數S之程式指令；以及以該熱電關係方程式與一座標軸的截距除以該電流的大小後所得到的值作為該熱電模組的內電阻值R之程式指令，其中該座標軸為該熱電關係方程式中該熱端溫度與該冷端溫度的該差值為零的軸；且該第9程式指令包括根據S、I、Tc 、R及△T或根據S、I、Th 、R及△T來推估該熱電模組的熱導值之程式指令。
  45. 如申請專利範圍第44項所述之電腦程式產品，其中該冷端上設置有一熱絕緣體，且該熱端上設置有一控溫元件，該第1程式指令包括命令該控溫元件調控該熱端的 溫度之指令，且根據S、I、Tc 、R及△T或根據S、I、Th 、R及△T來推估該熱電模組的熱導值之程式指令包括計算(SITc -I2 R/2)/△T的結果，以得到該熱電模組的該熱導值之程式指令。
  46. 如申請專利範圍第44項所述之電腦程式產品，其中該冷端上設置有一控溫元件，且該熱端上設置有一熱絕緣體，該第1程式指令包括命令該控溫元件調控該冷端的溫度之指令，且根據S、I、Tc 、R及△T或根據S、I、Th 、R及△T來推估該熱電模組的熱導值之程式指令包括計算(SITh +I2 R/2)/△T的結果，以得到該熱電模組的該熱導值之程式指令。
  47. 如申請專利範圍第44項所述之電腦程式產品，其中該熱電模組包括一第一基板、一第二基板及M對彼此電性連接的熱電接腳，M為正整數，每一對該熱電接腳連接該第一基板與該第二基板，該電腦程式產品更包括：第10程式指令，將該熱電模組的該熱導值乘以h，除以A，再除以2M，以得到每一該熱電接腳的熱傳導係數之程式指令，其中A為單一該熱電接腳在實質上垂直於該電流方向上的截面積，且h為該熱電接腳在實質上平行於該電流方向上的高度。
  48. 如申請專利範圍第37項所述之電腦程式產品，其中該冷端上設置有一熱絕緣體，且該熱端上設置有一控溫元件，且該第1程式指令包括命令該控溫元件調控該熱端的溫度之指令。
  49. 如申請專利範圍第37項所述之電腦程式產品，其中該冷端上設置有一控溫元件，且該熱端上設置有一熱絕緣體，且該第1程式指令包括命令該控溫元件調控該冷端的溫度之指令。
  50. 如申請專利範圍第37項所述之電腦程式產品，其中該熱端與該冷端上各設置有一熱絕緣體，且該第1程式指令包括提供一穩定的環境溫度至該熱電模組之指令。
  51. 如申請專利範圍第50項所述之電腦程式產品，其中該熱電模組及該些熱絕緣體置於一恆溫箱中，且提供該穩定的環境溫度至該熱電模組之指令包括控制該恆溫箱，以使該恆溫箱提供該穩定的環境溫度至該熱電模組之指令。
  52. 如申請專利範圍第37項所述之電腦程式產品，其中該電流實質上為一固定電流。
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