用于同步、准确的材料特性测量的集成测量系统和方法技术方案

一种测量系统包括：源单元，所述源单元用于向样本提供源信号；电压源和/或电流源；以及存储器。所述系统还包括：测量单元，所述测量单元被配置为从所述样本获取可以响应于所述源信号的测量信号；以及电压测量单元、电流测量单元和/或电容测量单元；以及存储器。所述系统还包括包含数字信号处理单元、源转换器、测量转换器的控制单元。所述系统还包括：同步单元，所述同步单元被配置为同步所述数字信号处理单元、所述源转换器、所述测量转换器、所述源单元和所述测量单元的时钟；校准单元，所述校准单元用于校准包括所述控制单元的系统的方面；以及参考电压源，所述参考电压源被配置为向所述控制单元供应公共参考电压。述控制单元供应公共参考电压。述控制单元供应公共参考电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于同步、准确的材料特性测量的集成测量系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求授予Fortney的于2020年7月28日提交的题为“SYNCHRONOUS SOURCE MEASURE SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.63/057,745；授予Fortney的于2020年4月28日提交的题为“ADVANCED ANALOG
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DIGITAL CONVERSION SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.63/016,747；以及授予Fortney的于2020年6月3日提交的题为“ADVANCED DIGITAL
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TO
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ANALOG SIGNAL GENERATION SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请No.63/034,052的优先权，其中每一个通过引用全部并入本文。


[0003]本公开涉及用于信号来源和信号测量的电子器件、分析仪器、软件和设施。更具体地，本公开涉及能够在可造成高水平噪声和干扰的挑战性实验条件下测量用于材料和器件表征和其他应用的信号的系统。

技术介绍

[0004]材料和器件特性测量(例如电子传输特性，诸如霍尔特性、迁移率和载流子浓度等)通常对噪声、干扰和杂散信号高度敏感。例如，通常在观察这些特性所必需的极低温度(例如，低于4K)下测量超导特性，而没有过大的噪声。这些测量还可能需要非常高的场强(例如，超过5T)，这可能使实验装置复杂化。在这些不利条件下处理噪声、干扰和杂散信号对于获得可靠、准确的数据是至关重要的。
[0005]用于测量这些特性的实验装置目前需要几种不同类型的设备(例如，锁定放大器、其他放大器、电流源、电压表、电流表、模数(A/D)转换器和其他器件)。例如，锁定放大器对于在高干扰/噪声条件下测量信号而言至关重要。它们用已知的载波提取测得信号，从而筛选出无关信号或干扰信号。锁定器通常作为被设计用于与以上提到的其他器件一起安装在实验室机架中的单独部件出售。事实上，每台设备都作为一个单独的独立式单元装入实验装置中。研究人员通过以物理和电气方式连接单元来创建实验装置。
[0006]用户由不同的设备单元创建实验装置，使得在全系统内降低噪声是困难且特殊的，如果并非不可能的话。每个单元独立地分别产生噪音。每个单元都有独特的且通常不可预测的干扰敏感性。每个单元都有不同的安稳效应或瞬态效应。这些不同的贡献和敏感性必须被独立解决。校准必须独立地进行。因此，干扰/噪声缓解和校准的复杂性随测量中涉及的器件的数量而定。即使对于相对适中的材料特性实验，该数量也可能轻松地快速增长。它对这种测量系统的精度设置了硬性限制。
[0007]由于设备单元常常来自不同的商业供应商，因此兼容性问题限制了全系统内的噪声和干扰缓解。涉及一个或更多个单元协同工作的缓解技术或许是不可能或不切实际的。例如，即使数字干扰混淆了敏感的测量，或许也不可能在全系统内屏蔽或关闭数字电子器件。由于每个单元通常都有自己的时钟，因此准确的同步可能是困难的或不可能的。标准连接(例如，通过BNC连接器和电缆以及使用传统的仪器机架)引入了问题。每个连接都会带来
额外的阻抗和/或噪声。导线增加了干扰。来自任何数量的源的杂散电容都阻碍测量。
[0008]这些问题使测量的可重复性和准确性下降。对于对同一样本的相同测量，不同的实验装置可产生不同的结果。因此，提供全系统内的噪声缓解、干扰抑制、源/测量同步以及校准的准确、一致和可靠的材料测量系统的需求没有得到满足。也未满足减少噪声和干扰源的数量的需求，包括因过量的连接件、导线和数字电子器件干扰而产生的噪声和干扰源。

技术实现思路

[0009]本公开的方面包括一种测量系统，所述测量系统包括被配置为向样本提供源信号的源单元。该源单元包括电压源、电流源和被配置为存储源校准的存储器中的至少一个。所述系统包括测量单元，所述测量单元被配置为从所述样本获取可以响应于所述源信号的测量信号。测量单元包括电压测量单元、电流测量单元和电容测量单元中的至少一个以及被配置为存储测量校准的存储器。所述系统包括控制单元，所述控制单元包括：数字信号处理单元；源转换器，所述源转换器连接在所述数字信号处理单元和所述源单元之间。所述系统包括：测量转换器，所述测量转换器连接在所述数字信号处理单元和所述测量单元之间；同步单元，所述同步单元被配置为同步所述数字信号处理单元、所述源转换器和所述测量转换器的时钟；校准单元，所述校准单元用于校准包括所述控制单元的系统；以及参考电压源，所述参考电压源被配置为供应针对所述控制单元的公共参考电压。
[0010]所述控制单元可以被配置为获得以下中的至少一个：来自由所述源单元和所述测量单元执行的自校准的校准数据；来自存储的厂家校准的校准数据；经由互联网来自远程源的校准数据；来自用户输入的校准数据；来自所述源单元的源校准数据；以及来自所述测量单元的测量校准数据。所述控制单元可以被配置为周期性获得所述源校准和所述测量校准。所述控制单元可以被配置为获得以下中的至少一个：当所述源单元不能向所述样本提供所述源信号时来自所述源单元的存储器的源校准；以及当所述测量单元不能从所述样本获取测量信号时来自所述测量单元的所述存储器的测量校准。所述控制单元可以被配置为同时获得所述源校准和测量校准。所述数字信号处理单元可以存储所述控制单元、所述源单元和所述测量单元中的至少一个的校准数据。所述电流源单元可以被配置为经由感测电阻测量与所述源信号相关联的源电流，并根据所述源电流的幅度来改变所述感测电阻的电阻范围。所述系统可以包括电流源保护单元，所述电流源保护单元被配置为确定所述源电流是否超过阈值电流，并且当所述源电流超过所述阈值电流时，改变所述源单元和所述测量单元中的至少一个的反馈元素，使得所述源电流降至所述阈值电流以下。
[0011]所述同步单元可以被配置为相对于内部时钟信号同步所述数字信号处理单元、所述源转换器和所述测量转换器。所述数字信号处理单元可以被配置为提供源自所述测量单元和所述源单元中的至少一个的数据的时间戳。来自所述测量单元的数据可以包括所述测量信号。来自所述源单元的数据可以包括所述源信号。所述源单元可以被配置为在提供所述源信号时停用非模拟电路。所述测量单元可以被配置为在测量所述测量信号时停用非模拟电路。
[0012]所述数字信号处理单元可以被配置为相对于所述测量信号和所述源信号中的至少一个执行以下中的至少一个：锁定分析、交流/直流(AC/DC)测量、电感L、电容C和电阻R(LCR)测量、时间/范围域呈现、频域分析、噪声分析、AC/DC来源、控制循环以及提供来自不
止一个源的源信号。
[0013]所述源单元与所述控制单元之间的接口可以包括低阻抗缓冲的模拟信号和所述测量单元之间的接口。控制单元可以包括以下中的至少一个：具有低阻抗发送和高阻抗接收电路的电压模式模拟信号接口，和具有高输出阻抗发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种测量系统，包括：源单元，所述源单元被配置为向样本提供源信号，所述源单元包括：电压源和电流源中的至少一个；以及存储器，所述存储器被配置为存储源校准；测量单元，所述测量单元被配置为响应于所述源信号而从所述样本获取测量信号，所述测量单元包括：电压测量单元、电流测量单元和电容测量单元中的至少一个；以及存储器，所述存储器被配置为存储测量校准；以及控制单元，所述控制单元包括：数字信号处理单元；源转换器，所述源转换器连接在所述数字信号处理单元和所述源单元之间；测量转换器，所述测量转换器连接在所述数字信号处理单元和所述测量单元之间；同步单元，所述同步单元被配置为同步所述数字信号处理单元、所述源转换器和所述测量转换器的时钟；校准单元，所述校准单元用于校准包括控制单元的系统；以及参考电压源，所述参考电压源被配置为向所述控制单元供应公共参考电压。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元被配置为获得以下中的至少一个：来自由所述源和所述测量单元执行的自校准的校准数据；来自存储的厂家校准的校准数据；经由互联网来自远程源的校准数据；来自用户输入的校准数据；来自所述源单元的源校准数据；以及来自所述测量单元的测量校准数据。3.根据权利要求1和2中任一项所述的系统，其中，所述控制单元被配置为进行以下中的至少一个：周期性获得所述源校准和所述测量校准；当所述源单元没有向所述样本提供所述源信号时获得来自所述源单元的存储器的源校准；当所述测量单元没有从所述样本获取测量信号时获得来自所述测量单元的所述存储器的测量校准；以及同时获得所述源校准和所述测量校准。4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，进行以下中的至少一个：所述数字信号处理单元存储所述控制单元、所述源单元和所述测量单元中的至少一个的校准数据；所述测量单元和所述源单元相对于所述控制单元和所述数字信号处理单元远程地定位；所述系统包括将所述控制单元连接到所述测量单元的第一线缆以及将所述控制单元连接到所述源单元的第二线缆；所述测量单元和所述源单元中的至少一个中的数字信号与所述控制单元隔离；
所述测量单元和所述控制单元之间的测量接口以及所述源单元和所述控制单元之间的源接口在线缆内彼此隔离；所述系统包括多个源单元；所述系统包括多个测量单元；所述源单元被配置为获取所述测量信号；以及所述测量单元被配置为提供所述源信号。5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述电流源单元被配置为经由感测电阻测量与所述源信号相关联的源电流，并根据所述源电流的幅度来改变所述感测电阻的电阻范围。6.根据权利要求5所述的系统，还包括以下中的至少一个：电流源保护单元，所述电流源保护单元被配置为确定所述源电流是否超过阈值电流，并且当所述源电流超过所述阈值电流时，改变所述源单元和所述测量单元中的至少一个的反馈元素，使得所述源电流降至所述阈值电流以下；以及电压源保护单元，所述电压源保护单元被配置为确定源电压是否超过阈值电压，并且当所述源电压超过所述阈值电压时，改变所述源单元和所述测量单元中的至少一个的反馈元素，使得所述源电压降至所述阈值电压以下。7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述同步单元被配置为相对于内部时钟信号同步所述数字信号处理单元、所述源转换器和所述测量转换器。8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述数字信号处理单元被配置为向所述测量信号和所述源信号中的至少一个提供时间戳。9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，进行以下中的至少一个：所述源单元被配置为在提供所述源信号时停用非模拟电路；以及所述测量单元被配置为在测量所述测量信号时停用非模拟电路。10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述数字信号处理单元被配置为针对所述测量信号和所述源信号中的至少一个执行以下中的至少一个：锁定分析；交流/直流测量，即AC/DC测量；电感L、电容C和电阻R测量，即LCR测量；时间/范围域呈现；频域分析；噪声分析；AC/DC来源；控制循环；以及提供来自不止一个源的源信号。11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述源单元与所述控制单元之间的接口中的至少一个包括低阻抗缓冲的模拟信号，并且所述测量单元与所述控制单元之间的接口包括以下中的至少一个：具有低阻抗发送和高阻抗接收电路的电压模式模拟信号接口；以及具有高输出阻抗发送和低阻抗接收电路的电流模式模拟信号接口。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，进行以下中的至少一个：所述电源被配置为参照公共地向所述控制单元、所述源单元和所述测量单元供应电力；所述系统包括到所述测量单元和所述源单元中的至少一个的电源滤波器；以及所述测量单元和所述源单元中的至少一个由与所述控制单元隔离的功率转换器、隔离的外部电力源和电池电力中的至少一个供应电力。13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，所述源转换器和所述测量转换器中的至少一个包括：增益链，所述增益链被配置为放大模拟输入信号；范围选择器，所述范围选择器被配置为选择所述模拟输入信号和多个模数转换器ADC输出之间的增益，其中，每个ADC输出具有一条路径，并且每条输出路径的增益由所述增益链中的增益级组成；以及混合器，所述混合器被配置为将所述多个ADC输出组...

【专利技术属性】
技术研发人员：H，
申请(专利权)人：湖畔低温电子学公司，
类型：发明
国别省市：