超灵敏比率电容膨胀计以及相关方法技术

描述了一种超灵敏比率电容膨胀计以及相关的方法。膨胀计(100)基于比率电容，或者在两个或更多个膨胀计的平行板电容器(201；202)之间测得的电容比提供电容测量。就这一点而言，不需要绝对容量桥，并且甚至更有利地是，与传统膨胀计相比大大降低了吸附气体的影响。比率电容膨胀计提供对称的构造，其降低了温度梯度的影响。此外，某些实施例提供V型槽设计，其中膨胀计的第二平行板电容器与第一平行板电容器沿着膨胀计单元的关键中心线形成角度，其由于更简单的磨削、金属化和组装而提高了可制造性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及被称为膨胀计的精密仪器，其被设计成测量由于样品的环境变化带来的样品的尺寸变化；并且更具体地，这种膨胀计被配置用于两个或更多个平行板电容器之间的比率测量，以及涉及相关的方法，这种仪器在本文中被称为“比率电容膨胀计”。
技术介绍
热膨胀系数是所有材料的基本性质；然而在大多数实验室中不易得到测量热膨胀的能力，特别是在极低或几分之一度开尔文量级的低温温度下。膨胀计是用于测量由于材料的环境的变化带来的材料的尺寸变化的超灵敏仪器。针对膨胀计的各种应用可以包括:定位材料中的相变；预测超导体中的压力影响；表征低温结构材料；磁致伸缩研究或提供互补于热容量数据的信息。本领域中已经提出了一些膨胀计，包括:在高温应用中使用的炉和推杆膨胀计；在低温应用中使用的谐振频率膨胀计；已经显示可提供适度分辨率的压阻式膨胀计；以及这些仪器中最敏感但也是最难以成功实现的电容膨胀计。本专利技术的实施例将涉及改进的电容膨胀计电容膨胀计被设计成得益于准确测量两个平行板之间的电容变化的能力。由于这一能力，这种膨胀计能够测量几分之一埃量级的长度变化。有兴趣研究各种固体的热膨胀，并且特别是在非常低的温度和/或外加磁场下的这种固体。因此，除了测量材料的热膨胀，收集与给定样本在非常低的温度下和在各种磁场或磁梯度内的尺寸变化相关的数据是有益的。因此，本文的各种实施例已经被设计用于与共同拥有的和市场上能够买到的量子设计公司的“物理性质测量系统”或“PPMS”一起使用，PPMS是能够提供具有0.05K和1000K之间的温度，以及具有达到16T的磁场的环境的通用的低温度的低温恒温器。PPMS进一步提供自动化的板载温度控制和测量能力。尽管PPMS是用于与本文的某些实施例一起使用的特殊平台，应该理解其他低温度的低温恒温器或类似的系统可以类似地实现并且本专利技术的范围不旨在限制于与上述PPMS —起实践。在 Schmiedeshoff et al., “Versatile and compact capacitivedilatometers，，，Review of Scientific Instruments 77, 123907 (2006)中描述了电容膨胀计的设计和实现的新进展。Schmiedeshoff描述了具有圆柱形几何结构并且由铜制造的电容膨胀计。据称铜被选择是因为它的高导热性、机械加工性、对强磁场的相对不敏感性以及公知的热膨胀的特征。然而，尽管公知，但铜合金具有高的热膨胀性，并且受在感应涡流上的磁转矩的影响，感应涡流导致对来自单元自身的原始膨胀数据的大的贡献。为了确定归因于材料样本的膨胀分量，数据的该热膨胀部分必须被减去。该修正被广泛地称为“空单元效应”，然而该修正考虑了归因于空单元的热膨胀的噪声量。此外，微型的基于电容的膨胀计膨胀单元几乎普遍是由铜、铜铍合金或其他铜合金建造的。然而该结构受到以下事实的影响:需要绝缘材料以便使电容板与也导电的膨胀单元的主体电隔离。在实践中，这些铜合金膨胀单元将会由于传导材料和或铜及单元自身的绝缘结构复合体的大的热膨胀而典型地导致大的“空单元效应”或背景信号。最近地，Neumeier等在 “Capacitive-based dilatometer cell constructedof fused quartz for measuring the thermal expans1n of solids”，Review ofScientific Instruments 79, 033903(2008)中描述了可以在 5K〈T〈350K 的温度范围内检测固体样品长度的亚埃变化的膨胀计单元。Neumeier的膨胀计由绝缘的恪铸石英(二氧化硅)制成，熔铸石英提供低的热膨胀，并且因此显示出单元的热膨胀对原始数据较小的贡献，从而降低了 “空单元效应”。图1示出了 Neumeier单元，其具有在内部垂直表面上形成的电容板的固定的L形基础部件，具有在垂直表面上形成的被配置成相对第一电容板的第二电容板的可移动L形部件，用于在L形部件之间楔入样本的楔子，以及用于维持用于对抗样本膨胀方向的平衡力的一对簧片。单元主体由熔铸石英(或二氧化硅)组成。Neumeier膨胀计单元的好处包括:由于全恪铸石英结构而具有低膨胀；单元对磁场不敏感；单元(本身)对温度不敏感；电容读出器具有高分辨率；大的尺寸给予相当大的尺寸以供测量；Andeen-Hagerling桥对电容读出器而言是优秀的现成的解决方案；并且单元可以适应一定范围样本长度。尽管改进超越了先前的铜合金型的电容膨胀计(其自身受高热膨胀的影响)，但在实践中，当在低温度的低温恒温器内使用Neumeier单元时呈现出若干问题，诸如:容量受到气体吸附的影响；需要绝对电容测量；以及热梯度影响一阶准确性(accuracy in 1storder)。此外，在所有这些电容性的现有技术单元中，测量受气体吸附和热梯度对一阶的影响；并且所需要的绝对电容的测量在没有非常专业的并且昂贵的仪器的情况下是困难的。由于对材料固体的膨胀测量具有浓厚兴趣，持续存在对解决本领域中这些和其他实际需求的改进的电容膨胀计单元的需求。
技术实现思路
技术问题当在低温度的低温恒温器内使用时，传统的膨胀计单元呈现出若干问题，诸如??容量受到气体吸附的影响；需要绝对电容测量；以及热梯度影响一阶准确性(accuracy in1st order)。此外，在传统的膨胀计中，结果受气体吸附和热梯度对一阶的影响；并且需要绝对电容的测量，这在没有非常专业的并且昂贵的仪器的情况下是困难的。问题的解决方法描述了一种超灵敏比率电容膨胀计以及相关的方法。该膨胀计基于比率电容(或者在膨胀计的两个或更多个平行板电容器之间测得的电容比)提供电容测量。本专利技术的有益效果根据本文的实施例，不需要绝对容量桥，并且甚至更有利地是，与传统膨胀计相比大大降低了吸附气体的影响。比率电容膨胀计提供对称的构造，其降低了温度梯度的影响。此外，某些实施例提供“V型槽设计”，其中膨胀计的第二平行板电容器与第一平行板电容器沿着膨胀计单元的关键中心线形成角度，其由于更简单的磨削、金属化和组装而提高了可制造性。其他特征和好处将在下面的详细描述和附图中示出。【附图说明】图1示出了现有技术的膨胀计。图2A示出了根据一个实施例的比率电容膨胀计单元的前立体图；示出了正面、右面和顶面。图2B示出了图2A的比率电容膨胀计单元的后立体图；示出了后面、左面和顶面。图3示出了比率电容膨胀计单元的侧视图，其中在第一通道内安装样本和在第二通道内安装簧片。图4示出了比率电容膨胀计单元的部件分解图。图5示出了用于安装根据实施例的比率电容膨胀计单元的静态样品探针。当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超灵敏比率电容膨胀计单元(100)，包括：第一单元部分(10)被配置成与第二单元部分(20)嵌套以定义单元体积，第一单元部分(10)和第二单元部分(20)被于其间延伸的间隙(60)所分开；第一平行板电容器(201)，包括：耦合到第一单元部分(10)的第一导板(11)，以及耦合到第二单元部分(20)的第二导板(21)，其中第一导板(11)被配置成与第二导板(21)至少部分地重叠；第二平行板电容器，第二平行板电容器(202)在第一单元部分和第二单元部分之间形成，以及从第一单元部分到第二单元部分横跨所述间隙的通道(40)，该通道包括：耦合到第一单元部分(10)的第一壁(41)；以及耦合到第二单元部分(20)的第二壁(42)，第二壁(42)配置成相对于第一壁(41)；第一和相对的第二壁(41；42)被配置成在其间接收样本(300)；其中膨胀计单元(100)被配置成随着第一和第二壁(41；42)之间样本尺寸的变化测量第一和第二平行板电容器(11；21)之间的比率电容变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·西蒙德斯，
申请(专利权)人：量子设计国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US