Процес безконтактного контролю параметрів термоелектричних матеріалів

1. Процес контролю параметрів термоелектричних матеріалів методом безконтактного вимірювання їх електропровідності, який відрізняється тим, що він складається з етапів послідовного визначення електропровідності термоелектричного зразка за допомогою вимірювального коливного контуру в умовах як симетричного теплового поля його об'єму (ss), так і з порушенням його симетрії (sn), при цьому величини термоелектричної добротності Z, коефіцієнтів термоЕРС a і теплопровідності c контрольованого матеріалу визначаються виразами: Q1 - Q2 (1), ss = C æ R ö Q1Q2 dç1 + ln 0 ÷ ç R еф ÷ è ø 2 (19) 1 3 41715 4 контактах, одна з яких виконується з еталонного термоелектрично однорідного матеріалу з відоми ми параметрами, а друга - з термоелектрично однорідного матеріалу, який контролюється. Корисна модель відноситься до термоелектрики і може застосовуватися у галузі термоелектричної вимірювальної техніки і метрології при створенні різноманітних методів і приладів, призначених для контролю параметрів термоелектричних матеріалів, які знайшли широке розповсюдження в сучасній науці і техніці. Відомі процеси вимірювання параметрів термоелектричних матеріалів [1, 2], які застосуються в практиці термоелектричного приладобудування і матеріалознавства. Всі вони характеризуються обов'язковою наявністю різноманітних електричних контактів, що, в цілому, спотворюють результати отриманих вимірювань. Найбільш близьким аналогом по технічній суті є процес безконтактного контролю електропровідності термоелектричних матеріалів [3]. Він полягає у визначенні добротності вимірювального коливного контуру без зразка (Q1) та з контрольованим зразком (Q2) і дозволяє визначати тільки електропровідність термоелектричних матеріалів. Інші параметри, наприклад, коефіцієнти термоЕРС a, теплопровідності c і ефективності Z термоелектрично однорідних, неоднорідних та анізотропних матеріалів такий процес визначати неспроможний. Тому актуальним є завдання створення процесу безконтактного контролю вищеперелічених параметрів термоелектричних матеріалів. Це завдання розв'язується процесом безконтактного контролю параметрів термоелектричних матеріалів, який складається з етапів послідовного визначення електропровідності термоелектричного зразка за допомогою вимірювального коливного контуру в умовах як симетричного теплового поля його об'єму (ss) так і з порушенням його симетрії (sn), при цьому величини термоелектричної добротності Z, коефіцієнтів термоЕРС a і теплопровідності c контрольованого матеріалу визначаються виразами: Q1 - Q2 (1) ss = C ö æ ç1 + ln R0 ÷ Q1Q2 d ç R еф ÷ ø è Q1 - Q3 (2) sn = C ö æ ç 1 + ln R0 ÷ Q1Q3d ç Rеф ÷ ø è 2 Q2 - Q3 2 (7) Q 2Q 3 де w - кругова частота струму I вимірювального коливного контуру з індуктивністю L; Q1, Q2, Q3 його електричні добротності без термоелектричного зразка, із зразком в симетричних теплових умовах та з порушенням його симетрії, відповідно; d і R0 – ширина зазору та радіус розрізного кільцевого феритового сердечника контуру; Rеф - ефективний радіус дії магнітного поля; mф і mn - динамічні магнітні проникності матеріалів феритового сердечника і зразка, відповідно; Iф - струм зміщення матеріалу феритового сердечника; S – площа його перерізу; k1, k2 - коефіцієнти пропорційності; Т абсолютна температура; умови симетрії теплового поля об'єму зразка створюються пропусканням через вимірювальний коливний контур електричного струму наступного вигляду: I1 (t ) = 0,5I0 [1+ sign(sin(2pFt ))]× sin(2pft ) (8) де I0 - максимальне значення синусоїдального струму; F, f - частоти чергування і модуляції імпульсу, відповідно; порушення умов його симетрії теплового поля об'єму зразка створюється пропусканням через вимірювальний коливний контур електричного струму, наступного вигляду: I2 (t ) = 0,5I0 [1 - sign(sin(2pFt ))]× [1 + sin(2pft )] (9) у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з термоелектрично анізотропного матеріалу вибрані кристалографічні осі розташовуються в площині його торцевої грані; у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з термоелектрично неоднорідного матеріалу діаметром 2r і товщиною d напрямок з максимальною термоелектричною неоднорідністю розташовується паралельно діаметру зразка; у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з двох однакових напівшайб, що знаходяться у взаємному торцевому електричному і тепловому контактах, одна з яких виконується з еталонного термоелектрично однорідного матеріалу з відомими параметрами, а друга - з термоелектрично однорідного матеріалу, який контролюється. Відповідність критерію «новизна» запропонованому процесу забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано нове рішення процесу безконтактного контролю параметрів термоелектричних матеріалів, який складається з етапів послідовного визначення електропровідності термоелектричного зразка за допомогою вимірювального коливного контуру в умовах як симетричного теплового поля його об'єму (ss), так і з порушенням його симетрії (sn), при цьому величини термоелектричної добротності Z, коефіцієнтів термоЕРС a і теплопровідності c контрольованого матеріалу визначаються виразами: 4 pw2 (m n ') IфRеф 2 C= 8m ф '×S s s - sn ss × T (4) DP k 2 ss (5) Z = k1 a= c= (3) DP × ss k 1k 2 (s s - sn ) (6) DP = wLI2 5 Q1 - Q2 æ R ö Q1Q2 dç1 + ln 0 ÷ ç R еф ÷ è ø Q2 - Q3 sn = C æ R ö Q2Q3dç1 + ln 0 ÷ ç Rеф ÷ è ø ss = C 4 pw2 (m n ') IфRеф 41715 (1) (2) 2 C= 8m ф '×S s s - sn ss × T (4) DP k 2 ss (5) Z = k1 a= c= (3) DP × ss k 1k 2 (s s - sn ) пів послідовного визначення електропровідності термоелектричного зразка за допомогою вимірювального коливного контуру в умовах як симетричного теплового поля його об'єму (ss), так і з порушенням його симетрії (sn), при цьому величини термоелектричної добротності Z, коефіцієнтів термоЕРС a і теплопровідності c контрольованого матеріалу визначаються виразами: Q1 - Q2 (1) ss = C æ R ö Q1Q2 dç1 + ln 0 ÷ ç R еф ÷ è ø Q2 - Q3 (2) sn = C æ R0 ö ÷ Q2Q3dç1 + ln ç Rеф ÷ è ø 4 pw2 (m n ') IфRеф 2 (6) 2 Q2 - Q3 2 (7) Q 2Q 3 де w - кругова частота струму I вимірювального коливного контуру з індуктивністю L; Q1, Q2, Q3 його електричні добротності без термоелектричного зразка, із зразком в симетричних теплових умовах та з порушенням його симетрії, відповідно; d і R0 – ширина зазору та радіус розрізного кільцевого феритового сердечника контуру; Rеф - ефективний радіус дії магнітного поля; mф і mn - динамічні магнітні проникності матеріалів феритового сердечника і зразка, відповідно; Iф - струм зміщення матеріалу феритового сердечника; S - площа його перерізу; k1, k2 - коефіцієнти пропорційності; Т абсолютна температура; умови симетрії теплового поля об'єму зразка створюються пропусканням через вимірювальний коливний контур електричного струму наступного вигляду: I1 (t ) = 0,5I0 [1+ sign(sin(2pFt ))]× sin(2pft ) (8) де I0 - максимальне значення синусоїдального струму; F, f - частоти чергування і модуляції імпульсу, відповідно; порушення умов симетрії теплового поля об'єму зразка створюється пропусканням через вимірювальний коливний контур електричного струму, наступного вигляду: I2 (t ) = 0,5I0 [1 - sign(sin(2pFt ))]× [1 + sin(2pft )] (9) у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з термоелектрично анізотропного матеріалу вибрані кристалографічні осі розташовуються в площині його торцевої грані; у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з термоелектрично неоднорідного матеріалу діаметром 2r і товщиною d напрямок з максимальною термоелектричною неоднорідністю розташовується паралельно діаметру зразка; у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з двох однакових напівшайб, що знаходяться у взаємному торцевому електричному і тепловому контактах, одна з яких виконується з еталонного термоелектрично однорідного матеріалу з відомими параметрами, а друга - з термоелектрично однорідного матеріалу, який контролюється. Тому сукупність ознак, яка не міститься ні в одному з наведених аналогів - складається з ета DP = wLI2 6 C= 8m ф '×S s s - sn ss × T (4) DP k 2 ss (5) Z = k1 a= c= (3) DP × ss k 1k 2 (s s - sn ) (6) 2 Q2 - Q3 2 (7) Q 2Q 3 де w - кругова частота струму I вимірювального коливного контуру з індуктивністю L; Q1, Q2, Q3 його електричні добротності без термоелектричного зразка, із зразком в симетричних теплових умовах та з порушенням умов його симетрії, відповідно; d і R0 - ширина зазору та радіус розрізного кільцевого феритового сердечника контуру; Rеф ефективний радіус дії магнітного поля; mф і mn динамічні магнітні проникності матеріалів феритового сердечника і зразка, відповідно; Iф – струм зміщення матеріалу феритового сердечника; S площа його перерізу; k1, k2 - коефіцієнти пропорційності; Т - абсолютна температура; умови симетрії теплового поля об'єму зразка створюються пропусканням через вимірювальний коливний контур електричного струму наступного вигляду: I1 (t ) = 0,5I0 [1+ sign(sin(2pFt ))]× sin(2pft ) (8) де І0 - максимальне значення синусоїдального струму; F, f - частоти чергування і модуляції імпульсу, відповідно; порушення умов його симетрії теплового поля об'єму зразка створюється пропусканням через вимірювальний коливний контур електричного струму, наступного вигляду: I2 (t ) = 0,5I0 [1 - sign(sin(2pFt ))]× [1 + sin(2pft )] (9) у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з термоелектрично анізотропного матеріалу вибрані кристалографічні осі розташовуютьсяв площині його торцевої грані; у контрольованому зразку діаметром 2r і товщиною d з термоелектрично неоднорідного матеріалу діаметром 2r і товщиною d напрямок з максимальною термоелектричною неоднорідністю розташовується паралельно діаметру зразка; у контрольованому DP = wLI2 7 41715 зразку діаметром 2r і товщиною d з двох однакових напівшайб, що знаходяться у взаємному торцевому електричному і тепловому контактах, одна з яких виконується з еталонного термоелектрично однорідного матеріалу з відомими параметрами, а друга - з термоелектрично однорідного матеріалу, який контролюється - забезпечує заявці «винахідницький рівень». Промислове використання запропонованого процесу не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його застосування можливе на існуючих підприємствах приладобудівного та електронного профілів. Запропонований процес безконтактного контролю параметрів термоелектричних матеріалів здійснюється наступним чином. Термоелектричний зразок круглої форми у вигляді плоскопаралельної шайби діаметром 2r і товщиною d, наприклад, з монокристалічного CdSb, розміщується у зазорі магнітопроводу (в зоні дії магнітного поля) коливного контуру індуктивністю L, який підключено до диференційного вимірювача електричної добротності. За допомогою відповідного генератора через вимірювальний коливний контур пропускають заданий електричний струм І1, представлений виразом (8), що призводить до утворення в об'ємі зразка симетричного розподілу теплового поля. Це дає можливість визначити згідно формули (1) значення його електропровідності ss. Далі за допомогою того ж генератора задають електричний струм I2, який відповідає формулі (9) і визначають згідно формулі (2) електропровідність зразка sn при частковому порушенні умов симетрії його теплового поля. Асиметричний характер теплового поля зразка в цьому випадку обумовлений дією ефекту Пельтьє, що виникає внаслідок відповідного перерозподілу протікаючого вихрового струму Фуко. Після цього значення ефективності Z, коефіцієнтов термоЕРС a і теплопровідності c контрольованого термоелектричного матеріалу обчислюються за формулами (4-6). Визначення параметрів термоелектрично анізотропних матеріалів проводиться на контрольованих зразках діаметром 2r і товщиною d, які виготовляються таким чином, що вибрані кристалографічні осі (наприклад, з монокристалів CdSb, що йдуть для анізотропних термоелементів - це напрямки [001] і [010]) - розташовуються у площі його торцевої грані зразка. У випадку термоелектрично неоднорідних матеріалів (напри Комп’ютерна верстка А. Крулевський 8 клад, на основі функціонально-градієнтних кристалів Bi-Te-Se-Sb) вибраний напрямок з максимальним градієнтом концентрації носіїв заряду розташовується теж в площі торцевої грані зразка. Контрольований зразок для визначення параметрів однорідних матеріалів складається з двох напівшайб, які знаходяться у взаємному торцевому, електричному та тепловому контактах. При цьому, одна з напівшайб виконується з еталонного термоелектрично однорідного матеріалу, параметри якого відомі, а друга - з матеріалу, який контролюється. Випробування запропонованого процесу проводилося на безконтактному вимірювачі електропровідності, в якому разом із одно канальною схемою обробки інформаційного сигналу застосовується диференційний метод. При цьому робоча частота вимірювального коливного контуру на основі розрізного кільцевого феритового сердечника складала 80КГц при частоті модуляції 36Гц. Потужність, яка споживалася контуром, складала 8мВт. Це дало змогу визначати електропровідність зразка, наприклад, на основі кристалів Bi-Te-Se-Sb р- та n- типів провідності як при симетричних теплових умовах, так і з порушенням цих умов, та далі із застосуванням вищенаведених формул отримувати середнє значення ефективності Z, коефіцієнтів термоЕРС a і теплопровідності c. Чисельні оцінки та експериментальні дослідження, проведені нами, показали, що похибка вимірювання параметрів термоелектричних матеріалів за допомогою запропонованого процесу не перевищує 2%. Література 1. Л.П. Павлов. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. - М.: Высшая школа, 1987. - 240с. 2. А.Л. Вайнер. Термоэлектрические параметры и их измерения. - Одесса: Негоциант, 1998. 68с. 3. А.А. Ащеулов, И.А. Бучковский, Д.Д. Величук, И.С. Романюк. Бесконтактный измеритель электропроводности термоэлектрических материалов // Сенсорная электроника и микросистемные технологии. - 2008. - №1. - С.38-43. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601