一种低场量子电阻测量仪制造技术

一种低场量子电阻测量仪，使用技术成熟、维护成本低的GM制冷机作为冷源进行量子霍尔电阻测量，并通过悬挂机构将多级GM制冷机与杜瓦冷罐相互独立设置以减少振动对量子霍尔电阻芯片的测量不确定度的影响，利用常温下的低频电流比较仪电桥将量子霍尔电阻量值传递给被测电阻，将量子电阻测量仪的测量不确定度保持在10

A low field quantum resistance measuring instrument

【技术实现步骤摘要】
一种低场量子电阻测量仪
本专利技术涉及量子电阻测量技术，特别是一种低场量子电阻测量仪。
技术介绍
在霍尔效应发现100年后，德国科学家冯·克里青、多尔达和派波尔等人发现高迁移率的半导体器件—如硅或砷化镓的异质结器件被冷却到几K温度时，外加一个约10T的磁场，在通过器件的电流固定时，霍尔电压随磁感应强度变化的曲线上存在一些区域，在这些区域中，当磁感应强度变化时，霍尔电压保持不变，这种现象称为量子化霍尔效应。这时电子被完全极化，自旋的能量是常数，可以忽略，它是二维电子气(2DEG)在超低温和强磁条件下完全量子化时出现的现象。霍尔电阻Rh表示为：Rh＝RH/i＝h/ie2(i＝1，2，…)；式中：h/e2为冯·克里青常数RH，h为普朗克常数，e为电子电荷，i为正整数。i＝1时，量子霍尔电阻在该第一量子平台处的阻值Rh＝25812.8074Ω；i＝2时，量子霍尔电阻在该第二量子平台处的阻值Rh＝12906.4037Ω。均为常数，故而可以作为量子霍尔电阻自然基准，由于这项发现，冯·克里青荣获1985年的诺贝尔物理学奖。美籍华裔科学家崔琦等人因进一步发现分数量子化霍尔效应和对量子化霍尔样品实用化方面的重要贡献而荣获1998年的诺贝尔物理学奖。利用量子化霍尔效应建立的直流电阻自然基准，在电阻测量方面理论上可在10-9量级复现电阻量值。依据量子化霍尔效应开发有量子电阻测量仪，传统的量子电阻测量仪需要10T的强磁场、1.2K的超低温，存在磁感应强度高和温度超低、需要液氦、不能连续运行的缺陷。且液氦目前存量极低，供应紧缺，价格极为昂贵，严重限制了量子霍尔电阻自然基准的推广和应用。安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中实现了量子化霍尔效应并因此获得2010年的诺贝尔物理学奖。用石墨烯作为量子霍尔电阻芯片材料，其对工作磁场的要求不高于6T，对温度的要求仅为4.2K左右，因此降低了量子电阻测量仪对磁场和温度的要求；故而可以采用制冷机代替液氦制冷实现以石墨烯芯片为核心的量子电阻测量仪，可大幅降低测量成本，但是量子电阻测量仪的不确定度在10-8量级，制冷机运行时存在较大的振动和噪声干扰，严重影响量子电阻测量的准确度。由于脉管机仅存在气流膨胀压缩引起的微小振动，故而配合其他条件可以使量子电阻的测量不确定度达到10-8量级，国外有成功利用脉管机制冷替代液氦制冷实现以石墨烯芯片为核心的量子电阻测量仪的报道。但是脉管机结构复杂、价格昂贵、寿命有限，且国内关于脉管机的研制尚不成熟，不能实现量子电阻测量仪在国内的产业化推广和广泛应用。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种低场量子电阻测量仪，在量子电阻测量中采用石墨烯为量子霍尔电阻芯片，能够在较低的磁场和较高的温度下实现量子化霍尔效应，使用多级GM(Gifford-McManhon)制冷机代替液氦制冷，并将多级GM制冷机通过减振装置及机构独立于杜瓦冷罐设置，以降低GM制冷机在量子电阻测量仪中的振动，且使用在常温下的频率小于1Hz的电流比较仪电桥将量子霍尔电阻量值传递给被测电阻，在保证测量精度基准的基础上降低量子电阻测量的成本，使量子电阻测量仪连续运行成为可能。本专利技术所述的低场量子电阻测量仪中的低场是指相对于传统的量子电阻测试仪需要的10T磁场，采用不高于6T的较低磁场实现量子霍尔电阻测量。本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于低场量子电阻测量仪，包括杜瓦冷罐、量子霍尔电阻芯片、电流比较仪电桥、超导磁体和多级GM制冷机，所述量子霍尔电阻芯片设于所述超导磁体产生的磁场内部，所述多级GM制冷机为超导磁体提供冷源；所述杜瓦冷罐壳体设有冷头插入孔，所述超导磁体、量子霍尔电阻芯片和多级GM制冷机的冷头均位于所述杜瓦冷罐内；还包括独立于所述杜瓦冷罐设置的悬挂机构，所述悬挂机构用于悬挂固定所述多级GM制冷机，所述悬挂机构包括立柱、设于立柱上的悬臂梁和设于所述悬臂梁的多级GM制冷机固定装置，所述多级GM制冷机与所述冷头插入孔之间通过减震波纹管进行软连接密封，所述量子霍尔电阻芯片通过电流比较仪电桥将量子霍尔电阻量值传递给被测电阻；所述电流比较仪电桥为在常温下低频交流匝比电桥，所述低频是指频率小于1Hz。作为优选，所述电流比较仪电桥包括环形铁芯和绕于所述环形铁芯上的第一比例绕组、第二比例绕组和检测绕组，所述第一比例绕组的第一端连接第一电流源的一端，所述第一比例绕组的第二端和所述第一电流源的另一端分别连接所述量子霍尔电阻芯片的电流端；所述第二比例绕组的第一端连接第二电流源的一端，所述第二比例绕组的第二端和所述第二电流源的另一端分别连接所述被测电阻的电流端；所述检测绕组与所述阻容网络形成谐振回路并串接有锁相放大器差流指示仪，当所述锁相放大器差流指示仪检测到不平衡电流时，经放大器将所述不平衡电流放大并通过耦合补偿线圈反馈到所述第一电流源，进而所述锁相放大器差流指示仪自动平衡调整所述第一电流源使所述锁相放大器差流指示仪指零；所述量子霍尔电阻芯片的第一电压端经过锁相放大器差压指示仪与所述被测电阻的第一电压端相连，所述量子霍尔电阻芯片的第二电压端与所述被测电阻的第二电压端相连，所述锁相放大器差压指示仪检测所述量子霍尔电阻芯片的第一电压端与所述被测电阻的第一电压端的差值，通过所述电压差值计算被测电阻阻值。作为优选，所述第一电流源与所述第二电流源为同频的低频交流电流源，所述第一电流源与所述第二电流源的频率小于1Hz，它们分别通入所述第一比例绕组和所述第二比例绕组，所述第一比例绕组和所述第二比例绕组绕组与检测绕组共同绕在一个铁芯上，由于所述第一比例绕组和所述第二比例绕组中电流流入的方向相反，产生相反的磁通，所述锁相放大器差流指示仪测量所述检测绕组与所述阻容网络形成谐振回路中的不平衡电流信号，经过所述放大器和所述耦合回路反馈给第一电流源，使所述环形铁芯中的剩余磁通为零，所述锁相放大器差流指示仪指零，实现第一电流源输出电流与所述第一比例绕组匝数的乘积等于第二电流源输出电流与所述第二比例绕组匝数的乘积，得到准确的电桥比例值。作为优选，所述低场量子电阻测量仪还包括撬装底座，所述立柱固定于所述撬装底座，所述杜瓦冷罐通过若干气浮减震装置固定于所述撬装底座。作为优选，所述杜瓦冷罐通过至少3个气浮减震装置固定于所述撬装底座。作为优选，所述多级GM制冷机为二级GM制冷机，其冷头包括第一级冷头和第二级冷头，所述杜瓦冷罐内设有第一级冷屏和套接于所述第一级冷屏内的第二级冷屏，所述第一级冷头设于所述第一级冷屏内，所述第二级冷头、所述超导磁体和所述量子霍尔电阻芯片设于第二级冷屏内；所述第二级冷屏内的最低温度不高于4.2K。作为优选，所述低场量子电阻测量仪还包括设于所述超导磁体产生的磁场中心的样品空间，所述霍尔电阻芯片直接放置于所述样品空间或所述霍尔电阻芯片通过样品杆放置于所述样品空间。作为优选，所述样品杆为杜瓦样品杆，所述量子霍尔电阻芯片放置于所述杜瓦样品杆的内部。作为优选，所述量子霍尔电阻芯片为石墨烯量子霍尔电阻芯片或低场砷化镓量子霍尔电阻芯片，所述杜瓦样品杆内部设有既本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低场量子电阻测量仪，其特征在于，包括杜瓦冷罐、量子霍尔电阻芯片、电流比较仪电桥、超导磁体和多级GM制冷机，所述量子霍尔电阻芯片设于所述超导磁体产生的磁场内部，所述多级GM制冷机为超导磁体提供冷源；所述杜瓦冷罐壳体设有冷头插入孔，所述超导磁体、量子霍尔电阻芯片和多级GM制冷机的冷头均位于所述杜瓦冷罐内；还包括独立于所述杜瓦冷罐设置的悬挂机构，所述悬挂机构用于悬挂固定所述多级GM制冷机，所述悬挂机构包括立柱、设于立柱上的悬臂梁和设于所述悬臂梁的多级GM制冷机固定装置，所述多级GM制冷机与所述冷头插入孔之间通过减震波纹管进行软连接密封，所述量子霍尔电阻芯片通过电流比较仪电桥将量子霍尔电阻量值传递给被测电阻；所述电流比较仪电桥为常温低频交流匝比电桥。/n

【技术特征摘要】
1.一种低场量子电阻测量仪，其特征在于，包括杜瓦冷罐、量子霍尔电阻芯片、电流比较仪电桥、超导磁体和多级GM制冷机，所述量子霍尔电阻芯片设于所述超导磁体产生的磁场内部，所述多级GM制冷机为超导磁体提供冷源；所述杜瓦冷罐壳体设有冷头插入孔，所述超导磁体、量子霍尔电阻芯片和多级GM制冷机的冷头均位于所述杜瓦冷罐内；还包括独立于所述杜瓦冷罐设置的悬挂机构，所述悬挂机构用于悬挂固定所述多级GM制冷机，所述悬挂机构包括立柱、设于立柱上的悬臂梁和设于所述悬臂梁的多级GM制冷机固定装置，所述多级GM制冷机与所述冷头插入孔之间通过减震波纹管进行软连接密封，所述量子霍尔电阻芯片通过电流比较仪电桥将量子霍尔电阻量值传递给被测电阻；所述电流比较仪电桥为常温低频交流匝比电桥。


2.如权利要求1所述的低场量子电阻测量仪，其特征在于，所述电流比较仪电桥包括环形铁芯和绕于所述环形铁芯上的第一比例绕组、第二比例绕组和检测绕组，所述第一比例绕组的第一端连接第一电流源的一端，所述第一比例绕组的第二端和所述第一电流源的另一端分别连接所述量子霍尔电阻芯片的电流端；所述第二比例绕组的第一端连接第二电流源的一端，所述第二比例绕组的第二端和所述第二电流源的另一端分别连接所述被测电阻的电流端；所述检测绕组与阻容网络形成谐振回路并串接有锁相放大器差流指示仪，当所述锁相放大器差流指示仪检测到不平衡电流时，经放大器将所述不平衡电流放大并通过耦合补偿线圈反馈到所述第一电流源，进而所述锁相放大器差流指示仪自动平衡调整所述第一电流源使所述锁相放大器差流指示仪指零；所述量子霍尔电阻芯片的第一电压端经过锁相放大器差压指示仪与所述被测电阻的第一电压端相连，所述量子霍尔电阻芯片的第二电压端与所述被测电阻的第二电压端相连，所述锁相放大器差压指示仪检测所述量子霍尔电阻芯片的霍尔电压与所述被测电阻的两端的电压差值，通过所述电压差值计算被测电阻阻值。


3.如权利要求2所述的低场量子电阻测量仪，其特征在于，所述第一电流源与所述第二电流源为同频的低频交流电流源，所述第一电流源与所述第二电流源的频率小于1Hz，它们分别通入所述第一比例绕组和所述第二比例绕组，所述第一比例绕组和所述第二比例绕组绕组与检测绕组共同绕在一个铁芯上，由于所述第一比例绕组和所述第二比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓钉，宋海龙，徐思伟，于珉，蔡建臻，门伯龙，孙毅，潘攀，
申请(专利权)人：北京东方计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11