[发明专利]微纳米尺度材料塞贝克系数的在线测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米热电转换材料热电性能测试技术领域，具体涉及一种微纳米尺度材料塞贝克系数的在线测量方法。

背景技术

基于温差电效应（赛贝克效应）的MEMS红外探测器----MEMS热电堆红外探测器是传感探测领域的一种典型器件，可用于组成温度传感器、气敏传感器、人体感测系统、防盗报警装置等。热电堆红外探测器与基于其它工作原理的红外探测器（如热释电型红外探测器和热敏电阻型红外探测器等）相比具有可测恒定辐射量、无需加偏置电压、无需斩波器、更适用于移动应用与野外应用等明显的综合优点。因而，MEMS热电堆红外探测器对于实现更为宽广的红外探测应用具有非常重要的意义，其民用、军用前景广阔，商业价值和市场潜力非常巨大。

塞贝克系数是衡量热电偶传感灵敏度的重要参数，由形成热电偶的材料特性决定其大小。因为MEMS材料会受加工过程的影响而产生材料参数的变化，使得设计者需要了解具体工艺后材料参数的真实情况。对于热电偶而言，需要测量塞贝克系数的具体数值。由于参数与工艺的相关紧密性，不离开加工环境采用通用设备进行的在线测试成为参数测试的必要手段，也是对工艺重复性监控的必要措施。在线测试技术通常采用电学激励和电学测量的方法，通过电学量数值以及针对性的计算方法得到材料的物理参数。

在纳米材料塞贝克系数测量方面，Kim等（Kim P，et al.，Physical Review Letters，2001,87:215502）测量了单根多壁碳纳米管的塞贝克系数，发现其值随温度升高而增大。Boukai等（Boukai A，et al.,Journal of Electron  Materials,2009,38:1109-1115）通过测量温差与塞贝克电压的方法获得单根纳米线的塞贝克系数。Yang等（Yang B et al.,Applied  Physical Letters2002,80（10）：1758—1760）发展了一种可批量测量测试纳米线阵列塞贝克系数的方法，研究了采用平板印刷电淀积的方法制备碲化铅纳米线塞贝克系数与热处理温度的关系。这些测试方法均需在样品一端安置微加热器或辐射加热等装置实现温差，并在温度测试中需附加热电偶或微加工得到的测温元件，一方面增加了制备过程的复杂性，另一方面将不可避免地增加测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微纳米尺度材料塞贝克系数的在线测量方法，利用两个CMOS温度测量电路分别测量热稳态时热电堆冷热端的绝对温度，同时测量热电堆输出的开路电压，通过简单的计算得出热电偶材料的赛贝克系数。本发明采用的技术方案是：

本方法的测量结构包括硅基底、加热电阻、CMOS温度测量电路、热电堆，热电堆包括一对热电偶或多对并行设置并串联的热电偶，使用多对热电偶可减少测量误差。加热电阻用于对热电堆的热端进行加热，CMOS温度测量电路用于在线测量热电堆冷热端的绝对温度。热电偶、加热电阻和CMOS温度测量电路均位于硅基底上。

每对热电偶包括不同微纳米材料的两个热偶条，两个热偶条的材料可以采用如掺杂硅-金属、多晶硅-金属、N型多晶硅-P型多晶硅等。

所述加热电阻位于热电堆的热端区域，通过外加电压或电流使得加热电阻发热，从而均匀加热热电堆的热端。

本方法的原理是：

微纳米材料的赛贝克系数S根据公式S=Vout/[n（T2-T1）]计算得到,其中Vout是热电堆达到热稳态时测量得到的热电堆输出的开路电压；n为热电堆中热电偶的对数；T2为热电堆热端的绝对温度，T1为热电堆冷端的绝对温度。

为了方便准确测量温度T1、T2，本方法使用了CMOS温度测量电路，主要是利用了三极管Vbe电压温度特性，通过两个工作于不同电流密度下的三极管的基极—发射极电压Vbe之差得到与绝对温度成正比的电压V_PTAT。

V_PTAT=△Vbe=K*T*ln（MN）/q；其中：M是两个三极管发射区面积比值，N是两种电流密度的比值；其中K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；q为电子所带电荷量。(PTAT：proportional to absolute temperature)