一种电热性能检测系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种电热性能检测系统，所述系统包括信号发生器、高压放大器、变温台、热探针、原子力显微镜主控器、探针信号控制器和信号采集与处理器。所述方法包括以下步骤：通过变温台对热探针进行标定；高压放大器提供电压对待测样品进行电热激励；热探针感知待测样品的温度变化，并以电信号输出；探针信号控制器对热探针输出的电信号进行检测，并由信号采集与处理器进行采集；信号采集与处理器根据采集到的电信号和标定数据得到待测样品的温度变化情况，再结合待测样品上施加的电压，获得其电热性能参数。本实用新型专利技术能对材料微观和宏观电热性能进行直接测量，且准确度高，适用性广。

A Testing System for Electrothermal Performance

【技术实现步骤摘要】
一种电热性能检测系统
本技术提供一种电热性能检测系统，特别涉及一种直接测量材料电热性能的系统。
技术介绍
随着微电子技术的发展，传统的压缩制冷技术已经无法满足微电子器件的散热需求，发展新型的固态制冷方法尤为重要。电热效应(electrocaloric)是电介质材料在外电场的作用下极化有序度发生改变，从而引起材料与极化相关的熵变，进而使得材料的温度发生改变，因此可以实现制冷。基于电热效应的制冷器件具有小型化，无噪音，低成本等优点，有望成为微电子设备制冷的理想方式，这就迫切需求人们研发具有高性能电热效应的材料。与之相伴，材料电热性能的检测系统和检测方法显得不可或缺。目前，对电热性能的检测方法可分为间接法和直接法两种。间接法是通过对材料极化强度的测量，得到不同电场和温度下材料的极化值，再通过拟合和数值计算得出材料的电热效应温变值，其测量准确度和适用性受到一定的质疑。直接法是通过热电偶、热敏电阻、差热分析仪或者红外成像方式直接测量材料的电热响应，分析所得测量数据获得材料的宏观电热性能，直接法得到的电热响应数据更直观和更可靠。但是，当前已存在的直接法无法对材料的局域电热性能进行原位的测量，而材料的性能与其微观结构直接相关，直接对材料的局域电热性能进行检测，有助于了解电热效应的微观机理，为进一步提高材料的电热性能提供依据。并且，目前的电热直接法测量系统复杂，不便于推广和应用，且对于厚度较小的薄膜材料的电热性能难以测量。这极大的限制了人们对电热效应机理的研究，制约了固态制冷技术的发展。因此，亟待发展新型的电热性能检测系统与检测方法。
技术实现思路
本技术所解决的现有技术问题，针对现有技术的不足，提出了一种电热性能检测系统，能对材料微观和宏观电热性能进行直接测量，可快速的获得材料的电热性能，且准确度高，适用性广。一种电热性能检测系统，包括信号发生器、高压放大器、变温台、热探针、原子力显微镜主控器、探针信号控制器和信号采集与处理器；所述信号发生器用于产生不同波形和周期的电压信号，并将电压信号输入到高压放大器中；所述高压放大器用于对信号发生器输入的电压信号进行放大，然后施加于待测样品上，用来激励待测样品产生电热效应；所述变温台用于承载待测样品、调节测量环境和待测样品的温度(可对待测样品进行加热和制冷)，并对热探针进行标定，获得热探针上的电信号(热探针的电阻值/桥间电压)随温度的变化曲线；所述热探针的针尖与待测样品接触，用于感知待测样品的温度变化，并转换为电信号；所述原子力显微镜主控器与热探针连接，用于对热探针进行空间定位；所述探针信号控制器与热探针连接，用于向热探针施加电信号，并检测热探针上的电信号变化；所述信号采集与处理器与探针信号控制器连接，用于采集并处理探针信号控制器检测到的热探针上的电信号。进一步地，所述信号发生器可产生直流波，正弦波，三角波，梯形波，脉冲波和不定型波。进一步地，所述高压放大器可对直流电压和交流电压进行放大。进一步地，所述热探针包括两条悬臂，两条悬臂的前端相接触，构成为热探针的针尖，针尖部分由热敏电阻构成。所述探针信号控制器向两条悬臂施加电信号，并感知两条悬臂上的电信号变化。进一步地，所述探针信号控制器包括惠斯通电桥和差分信号放大器；所述惠斯通电桥包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，所述第一桥臂上设有第一定值电阻，所述第二桥臂上设有第二定值电阻，所述第三桥臂上设有可变电阻器，所述第四桥臂上接有热探针；所述第一桥臂与第二桥臂的连接点记为第一结点，所述第二桥臂与第三桥臂的连接点记为第二结点，所述第三桥臂与第四桥臂的连接点记为第三结点，所述第四桥臂与第一桥臂的连接点记为第四结点；所述第一结点连接输入信号源，所述第二结点连接差分信号放大器的第二输入端，所述第三结点连接接地端，所述第四结点连接差分信号放大器的第一输入端；所述差分信号放大器的输出端连接信号采集与处理器，将信号放大后输出到信号采集与处理器。进一步地，所述信号采集处理器包含信号采集器和信号处理器；所述信号采集器用于高速采集探针信号控制器感知到的悬臂上电信号的变化，其数据点采集时间间隔小于0.1毫秒。所述信号处理器包含滤波器，用于过滤检测信号中的干扰信号。进一步地，所述原子力显微镜主控器包括信号发生模块，其输出端连接探针信号控制器，作为探针信号控制器的输入信号源，用于驱动探针信号控制器。进一步地，所述变温台上竖直设置两个平行电极，将待测样品放置于两个平行电极之间进行检测。进一步地，所述变温台上水平设置一个电极，将待测样品放置于电极之上进行检测。上述电热性能检测系统的工作原理为：首先，通过变温台与热探针接触，热探针感知变温台的温度变化，并将其转换为电信号；探针信号控制器对热探针输出的电信号进行检测，并由信号采集与处理器进行采集；信号采集与处理器根据采集到的电信号，以及变温台的温度变化，得到热探针上的电信号随温度变化的曲线；然后，通过信号发生器产生电压信号，经高压放大器放大后施加到待测样品，激励待测样品产生电热效应；热探针感知待测样品表面由于电热效应引起的温度变化，并将其转换为电信号；探针信号控制器对热探针输出的电信号进行检测，并由信号采集与处理器进行采集；信号采集与处理器先根据采集到的电信号和步骤1获得的热探针上的电信号随温度变化的曲线，得到待测样品的温度变化情况，再结合待测样品上施加的电压，获得其电热性能参数。通过原子力显微镜将热探针定位在待测样品表面某一点，可以检测待测样品上该点电热性能参数的时间弛豫情况。通过原子力显微镜控制热探针在待测样品表面移动，对待测样品一定区域进行扫描测量，可以获得待测样品电热性能参数的空间分布情况。通过改变变温台的加热/制冷温度和信号发生器产生的电压信号，可以实现变温与变激励电压下待测样品电热性能参数的测量。有益效果：本技术提供的一种电热性能检测系统，使用热探针对材料的电热响应进行直接测量，使用差分放大器实现微弱电热响应信号的提取放大，使用信号发生器与高压放大器实现对待测样品进行电热激励，克服了现有技术对微弱电热响应信号难以侦测的问题；本技术实现了对材料局域尺度下的电热性能的高精度原位定量表征，同时兼顾对宏观尺度的电热性能测量；本技术设置变温台对热探针进行温度标定，实现了快速准确地定量测量材料的电热性能。采用本技术，可以克服了现有间接法的测量不可靠问题，以及解决现有直接法无法测量局域微观尺度电热响应的问题，实现了对待测样品进行区域扫描测量获得材料空间上的电热响应分布，对材料局域电热响应的空间成像，实现了变温与变激励电压下的局域电热性能定量表征，且本技术能应用于低维材料电热性能检测。本技术为电热效应领域研究人员研究和分析材料的电热性能提供了一种方便准确的测量系统。附图说明为了更清楚地说明本技术实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见的，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本技术的结构示意图；图2是图1所示电热性能检测系统一种变更实施方式的电热性能检测系统的结构示意图，电热激励电压由图1所示的面内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电热性能检测系统，其特征在于，包括信号发生器、高压放大器、变温台、热探针、原子力显微镜主控器、探针信号控制器和信号采集与处理器；所述信号发生器用于产生电压信号；所述高压放大器用于对信号发生器输入的电压信号进行放大，然后施加于待测样品上，用来激励待测样品产生电热效应；所述变温台用于承载待测样品、调节待测样品的温度，并对热探针进行标定，获得热探针上的电信号随温度变化的曲线；所述热探针的针尖与待测样品接触，用于感知待测样品的温度变化，并转换为电信号；所述原子力显微镜主控器与热探针连接，用于对热探针进行空间定位；所述探针信号控制器与热探针连接，用于向热探针施加电信号，并检测热探针上的电信号变化；所述信号采集与处理器与探针信号控制器连接，用于采集和处理探针信号控制器检测到的热探针上的电信号。

【技术特征摘要】
1.一种电热性能检测系统，其特征在于，包括信号发生器、高压放大器、变温台、热探针、原子力显微镜主控器、探针信号控制器和信号采集与处理器；所述信号发生器用于产生电压信号；所述高压放大器用于对信号发生器输入的电压信号进行放大，然后施加于待测样品上，用来激励待测样品产生电热效应；所述变温台用于承载待测样品、调节待测样品的温度，并对热探针进行标定，获得热探针上的电信号随温度变化的曲线；所述热探针的针尖与待测样品接触，用于感知待测样品的温度变化，并转换为电信号；所述原子力显微镜主控器与热探针连接，用于对热探针进行空间定位；所述探针信号控制器与热探针连接，用于向热探针施加电信号，并检测热探针上的电信号变化；所述信号采集与处理器与探针信号控制器连接，用于采集和处理探针信号控制器检测到的热探针上的电信号。2.根据权利要求1所述的电热性能检测系统，其特征在于，所述热探针包括两条悬臂，两条悬臂的前端相接触，构成为热探针的针尖，针尖部分由热敏电阻构成。3.根据权利要求1所述的电热性能检测系统，其特征在于，所述探针信号控制器包括惠斯通电桥和差分信号放大器；所述惠斯通电桥包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘运牙，山东良，潘锴，欧云，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43