Ορισμένα μη μεταλλικά υλικά θερμοστοιχείου επηρεάζονται από τη σχετική ποσότητα των συστατικών, τις ακαθαρσίες και τις μεθόδους παρασκευής. Κατά τη σύγκριση δειγμάτων υλικού από διαφορετικές πηγές, οι μεγάλες διαφορές στους ρυθμούς θερμοηλεκτρικού δυναμικού εξακολουθούν να είναι κοινές. Ωστόσο, η κατάσταση γενικά δεν είναι τόσο σοβαρή όσο ο γραφίτης, επειδή μπορεί να επιτευχθεί μια αρκετά σταθερή μικροδομή χωρίς μακροχρόνια θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία.
Συνήθως τα μη μεταλλικά θερμοστοιχεία είναι εύθραυστα και έχουν μικρή αντοχή σε εφελκυσμό. Επομένως, το πραγματικό μη μεταλλικό θερμοστοιχείο είναι συνήθως μια παχιά, ογκώδης συνδυασμένη ράβδος ή καθετήρας. Το πιο συνηθισμένο σχέδιο είναι να φτιάξετε μια ράβδο από ένα υλικό και να την εισάγετε σε ένα σωλήνα κατασκευασμένο από άλλο υλικό. Προσθέστε μια καρφίτσα στην καυτή διασταύρωση όπου τα δύο υλικά έρχονται σε επαφή. Ο χώρος μεταξύ της ράβδου και του σωλήνα μπορεί να είναι κενός, ή γεμάτος με μονωτικό υλικό ή γεμάτος με δακτυλιοειδή παρεμβύσματα. Το ψυχρό άκρο του καθετήρα μπορεί να είναι αερόψυκτο ή υδρόψυκτο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα ταιριαστό καλώδιο επέκτασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το στομάχι για να οδηγήσει στο συνηθισμένο σημείο αναφοράς. Ανάλογα με το υλικό και το απαιτούμενο μήκος, μπορεί να είναι δυνατός ο σχεδιασμός αυτού του τύπου καθετήρα με μικρότερο μέγεθος. Στην περίπτωση του γραφίτη, είναι δυνατό να σχεδιαστούν ορισμένες ειδικές συσκευές, όπως θερμοστοιχεία νηματώδους γραφίτη. Μερικοί άνθρωποι έχουν χρησιμοποιήσει μη μεταλλικά θερμοστοιχεία λεπτής μεμβράνης. Χρησιμοποιείται η ίδια γενική διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παρασκευή θερμοζευγών λεπτής μεμβράνης από άλλα υλικά.
