量子电容测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术涉及量子电容测量系统及测量方法。本申请量子电容测量系统包括：复合电桥电路，电性连接于待测量子电容，用于承载所述待测量子电容；对接电路，与所述复合电桥电路电性连接，将交流电输入所述复合电桥电路并将激励信号耦合至所述复合电桥电路；模拟锁相放大器，与所述复合电桥电路电性连接，能够测量阻值并转换为输出信号；反馈控制器，分别与所述模拟锁相放大器及所述复合电桥电路电性连接，能够接收和比对信号，并输出信号。本申请通过在测量系统中引入反馈控制器，以解决背景技术中存在的精度低、测量速度无法适应环境变化速率等问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
量子电容测量系统及测量方法


[0001]本专利技术涉及测量技术，具体涉及量子电容测量系统及测量方法。

技术介绍

[0002]极小电容是指小于1pF的电容，对其的测量技术具有极其重要的意义，特别是对新兴低维量子材料中量子电容的测量。通过对材料量子电容的测量,可以精确地得到其态密度，也就是量子压缩率相关信息，对分析材料的能带结构等有直接意义。
[0003]在纳米电子学、量子计算、量子通信中,当器件的尺寸不断缩减,量子电容对器件性能的影响会越来越大，亟需对量子电容作精准测量和研究。
[0004]传统量子输运测量侧重于测量样品在低温强磁场等极端环境下的电阻的变化，这种测量方法只适用于导体、半金属和窄带隙半导体，对于量子科技领域前沿的大量奇异量子态，特别是会形成绝缘体的量子态，电阻测量的方法无法对其有效表征，而绝缘态正是精密电容测量的适用领域。
[0005]传统的电容测量仪器不能直接测量低温设备中的待测样品电容，因为从低温端到室温的测量仪器连接线有数米长，这部分连接线大约有200pF的寄生电容存在，远大于待测电容，所以传统的电容测量仪器不适用于处在低温环境中的样品测量。
[0006]目前，对低温下的极小电容测量的主要方法是交流电桥法，通过调平电桥，得到待测电容与已知参考电容的比值，从而计算出待测电容的数值。这个方法在变温或变磁场、变待测材料的载流子浓度等过程中并不适用，因为调平电桥找到电桥平衡点的过程需要较长时间，测量速度不能跟上温度、磁场、载流子浓度等条件的变化速度。根据以上需要解决的问题，在原有基础上创新专利技术出一种更为快速准确的测量系统及方法尤为重要。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本申请旨在提供量子电容测量系统及测量方法，以解决
技术介绍
中存在的精度低、测量速度无法适应环境变化速率等问题。
[0008]本申请提供量子电容测量系统包括：
[0009]复合电桥电路，电性连接于待测量子电容，用于承载所述待测量子电容；
[0010]对接电路，与所述复合电桥电路电性连接，将交流电输入所述复合电桥电路并将激励信号耦合至所述复合电桥电路；
[0011]模拟锁相放大器，与所述复合电桥电路电性连接，能够测量阻值并转换为输出信号；
[0012]反馈控制器，分别与所述模拟锁相放大器及所述复合电桥电路电性连接，能够接收和比对信号，并输出信号。
[0013]在系统中引入反馈控制器，其响应速度得到了显著提升。
[0014]可选地，根据本申请的实施方式，所述复合电桥电路包括：电阻臂、电容臂、低频电压测量正端、低频电压测量负端、输出端；
[0015]可选地，根据本申请的实施方式，所述电阻臂与所述电容臂并联；
[0016]可选地，根据本申请的实施方式，所述电阻臂包括：标准电阻、配平电阻；
[0017]可选地，根据本申请的实施方式，所述电容臂包括：标准电容、所述待测量子电容；
[0018]可选地，根据本申请的实施方式，所述配平电阻与所述标准电阻串联；
[0019]可选地，根据本申请的实施方式，所述标准电容与所述待测量子电容串联；
[0020]可选地，根据本申请的实施方式，所述复合电桥电路能够在300K
‑
1.5K的环境中工作。
[0021]可选地，根据本申请的实施方式，所述对接电路包括：激励耦合变压器、隔离电容；
[0022]可选地，根据本申请的实施方式，所述复合电桥电路具有射频输入正端及射频输入负端；
[0023]可选地，根据本申请的实施方式，所述激励耦合变压器具有四个端口：第一端口连接外部信号源，第二端口接地，第三端口连接所述复合电桥电路的所述射频输入正端，第四端口连接所述复合电桥电路的所述射频输入负端；
[0024]可选地，根据本申请的实施方式，所述隔离电容串联在激励耦合变压器的第三端口与所述射频输入正端之间或串联在激励耦合变压器的第四端口与所述射频输入负端之间。
[0025]可选地，根据本申请的实施方式，所述模拟锁相放大器包括：参考信号输入端、输入端、输出端；
[0026]可选地，根据本申请的实施方式，所述参考信号输入端能够接收参考信号；
[0027]可选地，根据本申请的实施方式，所述输入端能够接收所述复合电桥电路的输出信号；
[0028]可选地，根据本申请的实施方式，所述输出端能够输出经所述模拟锁相放大器处理后的信号。
[0029]可选地，根据本申请的实施方式，所述反馈控制器包括：设定端、信号输入端、电压输出端；
[0030]可选地，根据本申请的实施方式，所述设定端能够接收设定电压；
[0031]可选地，根据本申请的实施方式，所述信号输入端能够接收所述模拟锁相放大器输出的信号；
[0032]可选地，根据本申请的实施方式，所述电压输出端能够输出经所述反馈控制器处理后的电压信号。
[0033]可选地，根据本申请的实施方式，所述反馈控制器为PID反馈控制器。
[0034]本申请还提供所述量子电容测量系统的阻值扫描测量方法，包括步骤：
[0035]所述系统外的信号源生成激励信号输入至所述对接电路，并耦合至所述复合电桥电路中；
[0036]所述系统外的第一台低频锁相放大器和第二台低频锁相放大器分别与所述对接电路相连，并输入交流电流；
[0037]所述交流电流分别经过所述复合电桥电路后，分别测量差分电压；
[0038]所述第一台低频锁相放大器连接所述低频模拟锁相放大器，所述低频模拟锁相放大器锁相测量选择A
‑
B模式，显示为R
‑
θ；
[0039]所述反馈控制系器连接所述系统外的直流稳压电源；
[0040]调整所述反馈控制系器的输出端电压，使其输入端信号等于设定端信号；
[0041]所述复合电桥电路通过所述对接电路将信号传输至所述系统外的信号处理仪器；
[0042]扫描所述直流稳压电源的输出电压，当所述信号处理仪器读数为最小值，计算所述待测量子电容的电容值。
[0043]可选地，根据本申请的实施方式，所述反馈控制器为PID反馈控制器。
[0044]上述方法能显著提升测量的精确度。
[0045]本申请还提供所述量子电容测量系统的自平衡测量方法，包括步骤：
[0046]所述系统外的信号源生成激励信号输入至所述对接电路，并耦合至所述复合电桥电路中；
[0047]所述系统外的第一台低频锁相放大器和第二台低频锁相放大器分别与所述对接电路相连，并输入交流电流；
[0048]所述交流电流分别经过所述复合电桥电路后，分别测量差分电压；
[0049]所述复合电桥电路的输出电压信号通过所述对接电路传输至所述系统外的信号处理仪器；其中，由测量系统外的第三台低频锁相放大器读取差频信号的幅值|Vdf|以及其与信号源输出的参考信号之间的相位差θ；
[0050]所述差频信号接入所述低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.量子电容测量系统，其特征在于，包括：复合电桥电路，电性连接于待测量子电容，用于承载所述待测量子电容；对接电路，与所述复合电桥电路电性连接，将交流电输入所述复合电桥电路并将激励信号耦合至所述复合电桥电路；模拟锁相放大器，与所述复合电桥电路电性连接，能够测量阻值并转换为输出信号；反馈控制器，分别与所述模拟锁相放大器及所述复合电桥电路电性连接，能够接收和比对信号，并输出信号。2.如权利要求1所述量子电容测量系统，其特征在于，所述复合电桥电路包括：电阻臂、电容臂、低频电压测量正端、低频电压测量负端、输出端；所述电阻臂与所述电容臂并联；所述电阻臂包括：标准电阻、配平电阻；所述电容臂包括：标准电容、所述待测量子电容；所述配平电阻与所述标准电阻串联；所述标准电容与所述待测量子电容串联；所述复合电桥电路能够在300K
‑
1.5K的环境中工作。3.如权利要求1所述量子电容测量系统，其特征在于，所述对接电路包括：激励耦合变压器、隔离电容；所述复合电桥电路具有射频输入正端及射频输入负端；所述激励耦合变压器具有四个端口：第一端口连接外部信号源，第二端口接地，第三端口连接所述复合电桥电路的所述射频输入正端，第四端口连接所述复合电桥电路的所述射频输入负端；所述隔离电容串联在激励耦合变压器的第三端口与所述射频输入正端之间或串联在激励耦合变压器的第四端口与所述射频输入负端之间。4.如权利要求1所述量子电容测量系统，其特征在于，所述模拟锁相放大器包括：参考信号输入端、输入端、输出端；所述参考信号输入端能够接收参考信号；所述输入端能够接收所述复合电桥电路的输出信号；所述输出端能够输出经所述模拟锁相放大器处理后的信号。5.如权利要求1所述量子电容测量系统，其特征在于，所述反馈控制器包括：设定端、信号输入端、电压输出端；所述设定端能够接收设定电压；所述信号输入端能够接收所述模拟锁相放大器输出的信号；所述电压输出端能够输出经所述反馈控制器处理后的电压信号。6.如权利要求1所述量子电容测量系统，其特征在于，所述反馈控制器为PID反馈控制器。7.如权利要求1所述量子电容测量系统的阻值扫描测量方法，包括步骤：所述系统外的信号源生成激励信号输入至所述对...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋源军，陈剑豪，颜世莉，刘阳，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：