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专利名称：一种热电势测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及热电势测量领域，特别是涉及一种可以测量不同变温速率下材料 热电势的测量系统。
背景技术：
高效率的热电转换材料，即热电材料在发电，制冷等方面有着广泛的应用前景。热 电势作为热电材料的重要参数之一，直接与费米面附近的电子态密度相关，对研究物体的 传输性质，如费米面形状，能带结构，电声(磁)子相互作用等，有重要意义。此外，热电势 在各种新型材料，特别是复杂体系的物理性质的研究中受到广泛的关注。热电势的产生机制为当导体两端存在一个温度梯度时，由于电子热运动的不对 称，在导体两端就会为产生一个电势差Δν，而比率S= Δ V/Δ T是一个仅决定于温度和材 料性质的函数，被称为Seebeek系数，也就是通称的热电势。Seebeek系数是导体的一个基 本性质，与导体的形状、线路具体连接方式等无关，并且具有线性可叠加性。由于热电势与 样品的几何形状没有关系，所以热电势的测量成为实验中测量物理性质的常用方法之一。当前，热电势的测量方法主要采用稳态倒相系统测量热电势，该测量系统是将样 品横跨在两个可控温的平台上，在样品两端建立起稳定的温度梯度，用精密纳伏表测量样 品两端的电势。由于样品的电极接触点会存在较大的寄生电势E'，因此将两个平台温度倒 相，分别测量后取两次结果的差值即得出样品的真实热电势值。用公式表达即El = SAT+E'，E2 = _SAT+E'(1)则S = (E1-E2V2AT(2)其中，E1、E2是倒相前后两次电势的测量结果，S是材料的热电势值，ΔΤ是两个平 台的温度差，E’是寄生热电势。但是稳态倒相系统测量热电势存在如下问题(1)稳态倒相系统测量时间比较长，测量一个数据点通常需要1600-2400S，因此 测量一条全温区曲线(300K-13K)至少需要三天时间。(2)稳态倒相系统测量热电势时，降温不是连续的，因此在研究降温速度对材料性 质影响的时候，只能采用一定速率降温后再升温测量的方法。这种方法适用于大多数情况， 但是我们在测量中发现了一些具有热滞效应的材料。热滞效应是指当样品所处的环境温度 变化较快时，样品的输运性质参数不能立即反应真实值，而是逐渐趋近于真实值。稳态倒相 系统显然不适合于测量不同变温速率下这些材料的热电势。

实用新型内容为了克服上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种测量时间短，可以测量材料在 不同变温速率下的热电势的系统，克服了传统的稳态倒相系统只能测量单一变温速率下的 材料的热电势。为实现上述目的，本实用新型提出了一种热电势测量系统，该系统包括温度测量及热电势测量装置、数据处理装置和温度控制装置。其中，温度测量及热电势测量装置包括，放置于内屏上的内屏温度计和放置于样品台上的样品台温度计；用于滤除高频噪声信号的第一噪声滤除装置，其输入信号为内屏温度计输出的电信号、用于滤除高频噪声信号的第二噪声滤除装置，其输入信号为样品台温度计输出的电信 号和用于滤除高频噪声信号的第三噪声滤除装置，其输入信号为待测样品两端的电信号；第一数据测量装置，其输入信号为第一噪声滤除装置的输出信号，该装置用于测量测量滤波后的内屏温度计两端的电压信号，第二数据测量装置，其输入信号为第二噪声 滤除装置的输出信号，该装置用于测量样品台温度计两端的电压信号；纳伏表，该装置接收来自第三噪声滤除装置的输出信号，用于检测待测样品两端的电势差；GPIB总线，该装置的输入端接收来自上述第一数据测量装置、第二数据测量装置和纳伏表的输出信号。此外，数据处理装置的输入信号为GPIB总线采集得到的信号，该装置用于对采集的信号进行分析处理。进一步，温度控制装置包括，数字-模拟信号转换卡，其输入信号为所述数据处理 装置的输出信号。其中，数字-模拟信号转换卡的两条输出引线分别连接到第一电压信号 放大装置和第二电压信号放大装置；第一电压信号放大装置的输入信号为来自数字-模拟信号转换卡的内屏电压信 号，其输出端进一步连接到第一电流放大信号装置；第二电压信号放大装置的输入信号为来自数字-模拟信号转换卡的样品台电压 信号，其输出端进一步连接到第二电流放大信号装置，内屏加热器，该装置放置于内屏上，其输入信号为所述第一电流信号放大装置的 输出信号；样品台加热器，该装置放置于样品台上，其输入信号为所述第二电流信号放大装 置的输出信号。本实用新型提供的热电势测量系统，相对于传统稳态倒相测量系统具有以下特点。(1)利用本实用新型提供的热电势测量系统测量热电势，可以大幅度减少测量时 间。在同等要求下，本实用新型的测量系统的测量时间只需要传统稳态法测量时间的1/5。(2)本实用新型提供的热电势测量系统的温度变化是准连续的，可以直接测量不 同变温速率对热电势的影响，可以用于测量具有热滞效应的材料的热电势，从而弥补了传 统稳态法的弱点，本实用新型的上述其他目的及其特征进一步适用的范围，可由下列的详细说明中 清楚得知。但是，这些详细的说明和所提到的实施例仅供说明作用，并非构成对本实用新型 的限制，本领域中的技术人员应该可以理解其它变化形式。

图1是根据本实用新型的热电势测量系统结构示意图；[0029]图2是根据本实用新型的热电势测量平台示意图；图3是图1中第一噪声滤除装置、第二噪声滤除装置、第三噪声滤除装置、第四噪 声滤除装置和第五噪声滤除装置的电路图；图4是图1中温度控制装置中内屏温度控制电路图；图5是根据本实用新型的热电势测量系统工作流程示意图；图6是图1中的热电势测量系统测量热电势的理想温度控制曲线；图7是根据本实用新型的一个优选实施例的测量曲线；以及图8是根据本实用新型的另一个优选实施例的测量曲线。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种测量时间短、并且可以测量材 料在不同变温速率下热电势的系统。结合图1和图2所示，本实用新型涉及的热电势测量系统包括温度测量及热电势 测量装置100、数据处理装置200和温度控制装置300。具体的说，温度测量及热电势测量装置100包括，放置于内屏401上的内屏温度计 101和放置于样品台402上的样品台温度计102以及放置于外屏404上的外屏温度计104。其中，内屏401可以采用紫铜加工而成，质量较大，热稳定性好。样品台402可以 采用纯金加工而成，当样品台402温度发生变化时，内屏401控温基本不受影响。为了提高 样品台402的温度稳定性，样品台402用一定体积热容量较大的纯金制成，并用两根德银管 403搭悬于内屏401中。在热电势测量平台外加装控温的外屏404，外屏404可以采用不锈 钢材料加工而成。外屏404用于向热电势测量平台提供稳定的外部温度环境，提高测量平 台的温度稳定性。通常，内屏401和外屏404温差控制为10K。在内屏401的下表面贴内屏 温度计101，以测量内屏401的温度。在样品台402的上表面贴样品台温度计102，以测量 样品台402的温度。在外屏404的上表面贴外屏温度计104，以测量外屏403的温度。在本实施例中，内屏温度计101、样品台温度计102和外屏温度计104均可采用 Cernox温度计。并且内屏温度计101、样品台温度计102和外屏温度计104采用串联结构 连接。将待测样品103横跨在内屏401和样品台402之间，用低温胶固定待测样品103 的两端。在本实施例中，待测样品103的电极用低温导电银胶连接或者用银锢合金焊接，电 极引线为12. 5mm铜线。电极与外界连接线在铜支架上固定以减小引线漏热。此外，温度测量及热电势测量装置100进一步包括第一噪声滤除装置105a，其输 入信号为内屏温度计101输出的电信号。第二噪声滤除装置105b，其输入信号为样品台温 度计102输出的电信号。第三噪声滤除装置105c，其输入信号为待测样品103两端的电信 号。第四噪声滤除装置105d，其输入信号为外屏温度计104输出的电信号。第五噪声滤除 装置105e，其输入端连接到样品台温度计102，输出端连接到外屏温度计104。上述第一噪声滤除装置105a、第二噪声滤除装置105b、第三噪声滤除装置105c、第四噪声滤除装置105d和第五噪声滤除装置105e均用于滤除输入信号中的高频噪声信 号。在本实施例中，第一噪声滤除装置105a、第二噪声滤除装置105b、第三噪声滤除 装置105c、第四噪声滤除装置105d和第五噪声滤除装置105e均采用图3中示出的LC低通 滤波电路。如图3所示，Pl为滤波器的输入端，P2为滤波器的输出端。电路中采用IOmH色 环电感和IOOpF的独石电容，截止频率为MHz量级，可以有效滤除输入信号中的高频噪声。 但亦可实施为其他可以实现滤除高频噪声的装置。温度测量及热电势测量装置100进一步包括第一数据测量装置106a，其输入信号 为第一噪声滤除装置105a的滤除高频噪声后的输出信号，测量滤波后的内屏温度计101两 端的电压信号。第二数据测量装置106b，其输入信号为第二噪声滤除装置105b的输出信 号，测量样品台温度计102两端的电压信号。第三数据测量装置106c，其输入信号为第四噪 声滤除装置105d的输出信号，测量外屏温度计104两端的电压信号。在本实施例中，上述第一数据测量装置106a、第二数据测量装置106b和第三数据 测量装置106c均采用采用Keithley2000多功能万用表。但亦可实施为其他具有数据读取 功能的装置。内屏温度计101、样品台温度计102和外屏温度计103两端的电压测量过程具体如 下所述内屏温度计101两端的电压信号通过第一噪声滤除装置105a的滤波电路滤波后， 由第一数据测量装置106a读出；样品台温度计102两端的电压信号通过第二噪声滤除装置 105b的滤波电路滤波后，由第二数据测量装置106b读出；外屏温度计104两端的电压信号 通过第四噪声滤除装置105d的滤波电路滤波后，由第三数据测量装置106c读出。此外，温度测量及热电势测量装置100进一步包括恒流源107和纳伏表108和 GPIB总线109。恒流源107的两端与第五噪声滤除装置105e相连接。恒流源107输出ImA 的电流通过第五噪声滤除装置105e的滤波电路滤波以后，给三个串联的温度计，即，内屏 温度机计101、样品台温度计102和外屏温度计104提供稳定的测量电流。纳伏表108接收来自第三噪声滤除装置105c的输出信号，检测待测样品103两端 的电势差。即，待测样品103两端的电压信号通过第三噪声滤除装置105c的滤波电路滤波 后，由纳伏表108读出。GPIB总线109，其输入端接收来自第一数据测量装置106a、第二数据测量装置 106b、第三数据测量装置106c和纳伏表108的输出信号。恒流源107向GPIB总线109提 供稳定的测量电流。另一方面，数据处理装置200的输入信号来自GPIB总线109采集得到的信号，对 采集的信号进行分析处理，另外，温度控制装置300包括，数字-模拟信号转换卡301，即DA卡，其输入信号为 数据处理装置200的输出信号。DA卡301总线由四路构成，输出四路信号，分别为外屏电压 信号、内屏电压信号，样品台电压信号以及上述三路输入信号的公共地。DA卡301总线的一路输出内屏电压信号到第一电压信号放大装置302a，第一电压 信号放大装置302a将输入的电压信号放大后，输出到第一电流信号放大装置303a放大电 流，最后输出放大电压和电流后的信号驱动放置于内屏404上的内屏加热器304。DA卡301总线的另一路输出样品台电压信号到第二电压信号放大装置302b，第二电压信号放大装置 302b将输入的电压信号放大后，输出到第二电流信号放大装置303b放大电流，最后输出放 大电压和电流后的信号驱动放置于样品台402上的样品台加热器305。DA卡301总线的又 一路输出外屏电压信号到第三电压信号放大装置302c，第三电压信号放大装置302c将输 入的电压信号放大后，输出到第三电流信号放大装置303c放大电流，最后输出放大电压和 电流后的信号驱动放置于外屏404上的外屏加热器306。其中，内屏加热器304采用一定长度的康铜丝做加热电阻绕在内屏401的底座 上，加热丝与外部加热电路相连接，通过控制加热电流来控制内屏401的温度，控温精度为 0.002K。样品台加热器305采用100欧姆的片状电阻贴在样品台402的下表面，加热电阻 与外部加热电路相连接，通过控制加热电流来控制样品台402的温度，控温精度为0. 002K。图4示出了电压信号放大装置、电流信号放大装置和加热器的电路图。在本实施 例中，第一电压信号放大装置302a、第二电压信号放大装置302b和第三电压信号放大装置 302c均采用高增益运算放大器。第一电流信号放大装置303a、第二电流信号放大装置303b 和第三电流信号放大装置303c均采用射极跟随器。以温度控制装置300中的内屏温度控制电路为例，如图4所示，Pl为运算放大器 的输入端，输入端后是LC滤波电路，可以滤除输入信号的高频噪声。运算放大器采用UA741 通用型高增益运算放大器，共模抑制比为90dB。运算放大器uA741组成一个正向电压运算 放大电路，实现电压放大倍数约为2。运算放大器后接三极管电流放大电路，即射级跟随器， 集电极接+25V提供功率，发射极输出的电流是基极输入的电流的10倍。发射极外接加热 器，加热器电路中串联保护电阻限制加热电流。结合图1所示，电压信号放大装置和电流信号放大装置通过直流稳压电源307供 电。直流稳压电源307的地线与电压信号放大装置中的运算放大器信号地、DA卡公共地以 及内屏加热器304、样品台加热器305和外屏加热器306的一端相连接。此外，温度控制装置300中的样品台温度控制电路和外屏温度控制电路结构同理 于内屏加热电路。图5示出了热电势测量系统工作流程示意图。在本实施例提供的热电势测量系 统在测量热电势之前，先用真空机组对热电势测量平台和制冷机抽高真空。当系统的真空 度达到ICT2Pa量级的时候，开启制冷机冷却热电势测量平台，热电势测量平台的温度变化 范围在300 13K。外屏404下用德银管连通制冷机的冷头作为冷源。数据处理装置200 通过温度信号采集，并通过Labview程序的计算，利用PID算法来控制内屏加热器304、样 品台加热器305和外屏加热器306的功率，对内屏401、样品台402和外屏404的温度进行 准确的控制。当内屏401、样品台402和外屏404的温度精度达到程序设定的阀值的时候， Labview程序通过纳伏表108采集待测样品103的热电势信号，最后计算出待测样品103热 电势值。图6示出了该热电势测量系统测量材料热电势的理想温度控制曲线。由于寄生电 势是由电极连接材料和温度决定的，当我们测量一个数据点温度变化不大时，寄生电势基 本为常数。因此待测样品两端电势差E与温差ΔΤ呈为线性关系，根据公式(1)，即<formula>formula see original document page 8</formula>[0064]用最小二乘法得出线性关系式的斜率即是待测样品103热电势值。根据这一性质，本实施例提供的热电势测量系统在测量材料的热电势时，其理想的温度控制曲线如图6 中所示。其中，横轴为时间，纵轴为温度。图中的两条曲线，上方曲线为样品台温度变化曲 线，下方曲线为内屏变化曲线。如图中所示，在整个测量温区内，内屏401的温度是按照数 据处理装置200的设定以一定速率线性变化的。样品台402分两部分控制，第一阶段是控 温段，数据处理装置200利用PID温度控制将样品台402的温度控制到比内屏401高ΔΤ 的初始温度；第二阶段是测量段，当内屏401和样品台402的温度达到数据处理装置200设 定的精度后，样品台402的温度利用程序控制，线性下降0. 5ΔΤ，此时内屏402的温度利用 PID控制使其温度保持不变，同时数据处理装置200采集待测样品103电势E与温差ΔΤ的 数据。根据上述采集完成后的数据，数据处理装置200用最小二乘法得出该测量点的热电 势。此后数据点的测量重复以上测量过程。 待测样品103电势E和温差Δ T之间表现线性关系Ε = S* Δ Τ+Ε'，用最小二乘 法拟合出线性系数即得到材料的热电势S，拟合公式为
<formula>formula see original document page 9</formula> (3)
/=1 /=1z=l/'=1/=1 =1由于寄生热电势E'只出现在常数项中，因此用本实施例提供的热电势测量系统 在测量时无需温度倒相。本实用新型提供的热电势测量系统除了如上述无需温度倒相以外，测量精度高， 符合测量要求。以本实用新型的热电势测量系统和稳态倒相测量系统在相同变温速率下测 量热电势为例，如图7中所示。其中，横轴为温度，纵轴为热电势，实心曲线为稳态倒相系统 测量的数值，空心曲线为本实施例的测量系统测量的曲线。在本实施例中，二者均是在变温 速率6. 75K/S下测量高温超导体Ndu4Ceai6CuO4单晶样品在150 — 250Κ温区的热电势。从 图中可以看出，这两种系统的测量曲线基本上吻合。在这个变温速率下本实施例的热电势 测量系统的测量精度达到了 0. 1 μ V/K，基本达到了纳伏表的极限，测量精度符合大多数测 量的要求。此外，本实施例的热电势测量系统测量一个数据点的时间约为300S，而且是准连 续测量，采集前的控温时间远低于稳态倒相系统的测量时间，大大提高了测量速度，同等要 求下只需要稳态倒相系统的测量时间的1/5。图8示出了在275 300Κ的温区不同变温速率对系统的测量精度的影响。其中， 横轴为温度，纵轴为热电势。本实施例提供了变温速率为6. 25K/hr、12. 5K/hr、16. 5K/hr、 25K/hr和50K/hr的测量曲线。从测量曲线中可以看出，本实施例的热电势测量系统的测量 结果稳定性很好，除了变温速率为50K/hr的测量曲线外，其他变温速率曲线基本重合。图 8插图中给出T = 296K时，本实施例的热电势测量系统与稳态倒相系统的比率随变温速率 的变化。在变温速率较低时，比率大约为1，而且随变温速率的增大，比率基本不变。由此 可见，本实施例的热电势测量系统的测量结果稳定度很好。但是在变温速率较大时，测量曲 线误差变大，且绝对值也有较大偏差。出现这种情况有两种可能的原因一方面，变温速率 已经超过了待测样品的热弛豫速度，待测样品的测量温度与其实际温度之间已经有了不可 忽略的差别。另一方面，测量一个数据点的过程中温度变化较大，寄生电势的变化已不能忽 略。综上，可以发现本实用新型提供的热电势测量系统在变温速率在30K/hr以下时锯齿波法的测量结果稳定，测量精度高。并且大幅度减小了测量时间，同等要求下只需要传 统稳态倒相测量系统测量时间的1/5。在同时，在较低的变温速率(< 30K/hr)下，其测量 精度达到了 0. 1 μ V/K，不低于传统的稳态倒相测量系统的测量精度。 以上所披露的仅为本实用新型的优选实施例，当然不能以此来限定本实用新型的权利保护范围。可以理解，根据本实用新型所附权利要求书中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本实用新型所涵盖的范围。
权利要求一种热电势测量系统，其特征在于，该系统包括温度测量及热电势测量装置、数据处理装置和温度控制装置，所述温度测量及热电势测量装置包括，放置于内屏上的内屏温度计和放置于样品台上的样品台温度计，用于滤除高频噪声信号的第一噪声滤除装置，其输入信号为内屏温度计输出的电信号，用于滤除高频噪声信号的第二噪声滤除装置，其输入信号为样品台温度计输出的电信号和用于滤除高频噪声信号的第三噪声滤除装置，其输入信号为待测样品两端的电信号，第一数据测量装置，其输入信号为第一噪声滤除装置的输出信号，该装置用于测量测量滤波后的内屏温度计两端的电压信号，第二数据测量装置，其输入信号为第二噪声滤除装置的输出信号，该装置用于测量样品台温度计两端的电压信号，纳伏表，该装置接收来自第三噪声滤除装置的输出信号，用于检测待测样品两端的电势差，GPIB总线，该装置的输入端接收来自上述第一数据测量装置、第二数据测量装置、和纳伏表的输出信号，所述数据处理装置的输入信号为GPIB总线采集得到的信号，该装置用于对采集的信号进行分析处理，所述温度控制装置包括，数字-模拟信号转换卡，其输入信号为所述数据处理装置的输出信号，所述数字-模拟信号转换卡的两条输出引线分别连接到第一电压信号放大装置和第二电压信号放大装置，所述第一电压信号放大装置的输入信号为来自数字-模拟信号转换卡的内屏电压信号，其输出端进一步连接到第一电流放大信号装置，所述第二电压信号放大装置的输入信号为来自数字-模拟信号转换卡的样品台电压信号，其输出端进一步连接到第二电流放大信号装置，内屏加热器，该装置放置于内屏上，其输入信号为所述第一电流信号放大装置的输出信号，样品台加热器，该装置放置于样品台上，其输入信号为所述第二电流信号放大装置的输出信号。
2.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，所述温度测量及热电势测量装 置进一步包括外屏温度计，该装置放置于外屏上，其输出端连接到第四噪声滤除装置的输 入端，所述第四噪声滤除装置的输出端进一步连接到第三数据测量装置。
3.如权利要求1或2所述的热电势测量系统，其特征在于，所述内屏温度计、样品台温 度计和外屏温度计采用串联结构连接。
4.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，所述温度测量及热电势测量装 置进一步包括第五噪声滤除装置，该装置连接到恒流源，所述第五噪声滤除装置的输出端 进一步连接到外屏温度计，输入端进一步连接到样品台温度计。
5.如权利要求1或2或4所述的热电势测量系统，其特征在于，所述第一噪声滤除装 置、第二噪声滤除装置、第三噪声滤除装置、第四噪声滤除装置和第五噪声滤除装置均为LC 低通滤波器。
6.如权利要求2或4所述的热电势测量系统，其特征在于，所述第三数据测量装置和恒流源的输出端连接到GPIB总线的输入端。
7.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，所述温度控制装置进一步包括第三电压信号放大装置，该装置的输入信号为数字-模拟信号转换卡输出的外屏电压信 号，其输出端连接到第三电流信号放大装置，所述第三电流信号放大装置的输出端进一步 连接到放置于外屏上的外屏加热器。
8.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，所述温度控制装置进一步包括 直流稳压电源。
9.如权利要求1或7所述的热电势测量系统，其特征在于，所述第一电压信号放大装 置、第二电压信号放大装置和第三电压信号放大装置均为高增益运算放大器，所述第一电 流信号放大装置、第二电流信号放大装置和第三电流信号放大装置均为射极跟随器。
10.如权利要求1或7所述的热电势测量系统，其特征在于，所述内屏加热器、样品台加 热器和外屏加热器的加热电路中串联保护电阻。
11.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，所述样品台采用纯金加工，所 述内屏采用紫铜加工。
12.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，所述内屏上搭悬两根德银管。
13.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，待测样品横跨在样品台和内屏 之间，待测样品两端以低温胶固定。
14.如权利要求13所述的热电势测量系统，其特征在于，待测样品的电极可以采用低 温导电银胶连接或者采用银锢合金焊接，所述电极与外界连线固定在铜支架上。
15.如权利要求1所述的热电势测量系统，其特征在于，所述数据处理装置进一步包括 数据采集卡，其输入端连接到GPIB总线的输出端。
专利摘要本实用新型公开了一种热电势测量系统，该系统包括温度测量及热电势测量装置、数据处理装置和温度控制装置。其中，温度测量及热电势测量装置进一步包括噪声滤除装置、温度计等，该装置通过GPIB总线与数据处理装置相连接，数据处理装置通过数字-模拟信号转换卡连接到温度控制装置，温度控制装置进一步包括加热器、电压信号放大装置和电流信号放大装置等。本实用新型提供的热电势测量系统测量时间更短，并且其温度变化是准连续的，可以直接测量不同变温速率对材料的热电势的影响。
文档编号G01R19/00GK201555884SQ20092026990
公开日2010年8月18日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者刘承玉, 孙成海, 杨宏顺, 柴一晟, 许祥益, 高秋英 申请人:中国科学技术大学