摘 要

近年来，横向热电效应因其独特的热电输运特性—热流与电流方向相垂直而得到了广泛的关注和研究。目前有关横向热电效应已在激光辐射探测、热流传感和微型制冷方面具有一定优势，且相关器件的研制工作也在逐步推进。但目前利用横向热电效应来制作新型温度计的工作成果较少。

本文基于横向热电效应，采用Matlab对Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3人造倾斜结构热电材料几何结构进行优化设计，尔后结合放电等离子烧结、线切割和锡焊等工艺，制得了Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3人造倾斜结构热电器件，并对它的热响应特性进行了研究，最终制得了可用于体温测量的温度计。

论文以Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3人造倾斜结构热电材料为基础，以制备新型温度计为目的，系统研究了Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3人造倾斜结构热电材料和器件的优化设计、热响应特性以及新型温度计的设计和对比验证。

实验结果表明倾斜角为30，尺寸为2×5×14mm³人造倾斜结构Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3人造倾斜结构热电器件具有良好的热响应特性，在接触热端10s左右达到最大开路电压，之后缓慢降低，并且最大开路电压随热端温度升高而增大。最后在此基础上，建立了热端温度为33~42℃，分度值为0.1℃温度电势分度表，并采用新型温度计实现了手心温度的测量，与商用食品温度计TP300误差仅为0.2℃。

关键词：横向热电效应；热电器件；新型温度计；热响应特性

Abstract

For the past few years, the transverse thermoelectric effect has been widely concerned and studied because of its unique thermoelectric transport characteristics -the heat flow is perpendicular to the current direction. At present, the transverse thermoelectric effect has certain advantages in laser radiation detection, heat flow sensing and micro-cooling, and the development of related devices is also advancing. But the work of using of horizontal thermoelectric effect to produce a new thermometer get less results.

Based on the transverse thermoelectric effect, the geometrical structure of Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3 artificial tilt thermoelectric material is optimized by Matlab. Then, the material is obtained by the method of plasma activated sintering, wire cutting and soldering. Artificial thermocouple structure, and its thermal response characteristics were studied, finally a themometer for body temperature measurement is produced.

Based on Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3 artificial tilt structure, the optimum design of structure and heat response characteristics of Fe/Bi2Te2.7Se0.3 artificial tilt thermoelectric materials were studied systematically and the work for the design and verification of thermometers.were finished for the purpose of preparing new thermometer.

The experimental results show that when inclination angle is 30°, the size is 2 × 5 × 14mm, Fe / Bi2Te2.7Se0.3 artificial tilt structure thermoelectric device has good heat response characteristics. In 10s affer the contacting hot end, it produced the maximum open circuit voltage, then the voltage slowed down, and the maximum open circuit voltage increases as the hot end temperature increases. Finally, on the basis of this, the temperature of the hot end is set at 33 ~ 42 ℃ and the index value is 0.1 ℃. The thermometer is used to measure the temperature of the palm of the hand. Compared with the TP300 commercial food thermometer ,the error is only 0.2 ℃

Key Words：transverse effect；thermoelectric devices；new thermometer；heat response

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1 研究的背景及意义 2

1.2 温度计的概述 2

1.2.1 温度计在生活中的作用 2

1.2.2 温度计的研究现状 2

1.2.3温度计的研究重点 4

1.3 横向热电效应 4

1.3.1 热电效应 4

1.3.2横向热电效应的基本原理 7

1.3.3 横向热电器件的研究现状 7

1.4本论文的研究目的与主要研究内容 9

第2章 人造倾斜结构材料的制备及表征 10

2.1 Fe/Bi₂Te_2.7Se_0.3结构设计 10

2.2 材料制备 11

2.3 材料的表征 15

第3章搭建测试平台及热响应特性的测试 16

3.1 测试平台的搭建 16

3.2热响应特性的探究 17

3.2.1制备人造倾斜结构热电器件 17

3.2.2探究恒温热响应特性 17

3.2.3探究热响应特性随热端温度变化的规律 18

第4章 简易温度计的组装和测试 20

4.1简易温度计的系统设计 20

4.2 不同热端温度下温度电势表 20

4.3测试结果的对比与验证 21

第五章 结论 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

温度是物体冷热程度的量度，在微观上讲反映了物体分子热运动的激烈程度。物体的许多性质都和它有关，比如物质的熔沸点、燃点、电导率、热导率。另外，它还影响着化学反应的进行、物体的热胀冷缩、结构材料的强度等等。它与我们的日常生活息息相关，在各行各业中被广泛地利用并测量来指导人类的生产生活。

因此温度的准确、快速测量就具有十分重要的意义。但温度不像一些其它物理量如长度、时间能够直接测量，而需要通过测量与温度有关的物体性质来间接测量。

目前，温度的测量还不能完全满足人类的需求。比如，日常使用的温度计就有一些不足之处。如传统的水银温度计，测量所需时间较长，而且摔碎后汞蒸气一旦被人体吸入，将对人的健康造成危害^[1]；红外温度计测量的偏差较大,容易受环境和测温距离影响，对于医用来说精度不够^[2,3]；电阻式温度计又由于电池电压的衰减和元器件的老化在使用较长时间后也容易产生偏差^[4]。

人类生活水平的提高依赖于科学技术的进步，又最终直接表现在一种新技术或新材料的广泛应用带来的创造与革新。近年来，横向热电效应因其独特的热电输运特性—热流与电流方向相垂直而得到了广泛的关注和研究。研究表明，横向热电效应在激光辐射探测、热流传感和微型制冷方面具有一定优势^[]，且相关器件的研制工作也在逐步推进。但目前利用横向热电效应来制作新型温度计的工作成果较少。因此，通过研究新型横向热电材料的热响应特性，制得一种能快速热响应、长时间使用稳定有效、测量精度高的新型温温计具有显著意义。

1.2 温度计的概述

1.2.1 温度计在生活中的作用

温度计被广泛地应用于人们的日常生活中。比如，水银温度计被用于测量体温来了解人的生理状况。在自动气象观测站中使用的金属铂电阻温度计来测量气温以指导人们的出行和农业生产。在热水器中，则采用热敏电阻温度计来测量水温，并以此来调节水温的升高和降低。