專利名稱：高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測(cè)試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域，特別是用于檢測(cè)高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測(cè)試裝置及方法。
超導(dǎo)薄膜(其厚度一般在幾千埃范圍)微波表面電阻RS是衡量超導(dǎo)薄膜微波性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，其數(shù)量級(jí)一般在幾十微歐姆(μΩ)到幾毫歐姆(mΩ)之間。國(guó)內(nèi)外通常采用諧振法進(jìn)行測(cè)量，目前用得比較多的方法有圓柱諧振腔端面替代法，該方法雖然能非損傷地測(cè)量單片樣品，樣品安裝也容易，但靈敏度太差，只能測(cè)試RS大于幾毫歐姆的樣品;蘭寶石介質(zhì)諧振器法是將兩片超導(dǎo)薄膜樣品間夾一個(gè)圓柱型蘭寶石，該方法靈敏度雖然高，但測(cè)試結(jié)果為兩片樣品的平均值，且樣品尺寸不能太小，安裝難度大;其它方法如平板諧振器法、帶狀線諧振器法、懸浮微帶線諧振法等都有類似的問(wèn)題。其測(cè)試方法一般都需通過(guò)多次循環(huán)測(cè)量，再經(jīng)過(guò)較繁雜的計(jì)算才能求出單片樣品的表面電阻RS鑒于高溫超導(dǎo)薄膜RS測(cè)試的重要性，針對(duì)上述測(cè)試裝置和方法的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提出一種新結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻RS的測(cè)試裝置及一種新的測(cè)試計(jì)算方法，從而實(shí)現(xiàn)單片超導(dǎo)薄膜樣品RS的高精度、高靈敏度非損傷測(cè)量，且測(cè)試簡(jiǎn)單、方便。
本發(fā)明所述的測(cè)試裝置由測(cè)試座1、被測(cè)樣品2、壓板3、密封蓋4、校準(zhǔn)件5和校準(zhǔn)件6組成。測(cè)試座1的結(jié)構(gòu)圖如圖1，工作模式為TE011＋δ模，它是由截止圓波導(dǎo)7、支撐環(huán)8、介質(zhì)圓柱9、耦合傳輸線10構(gòu)成的一個(gè)固定不動(dòng)件，其介質(zhì)圓柱9固定在支撐環(huán)8上后再固定在截止圓波導(dǎo)7的內(nèi)壁上，耦合傳輸線10裝在截止圓波導(dǎo)7的另一端面上或壁上。這種結(jié)構(gòu)不僅可提高被測(cè)樣品換裝時(shí)的重復(fù)性，有利于提高測(cè)試精度，而且方便操作;截止圓波導(dǎo)7、支撐環(huán)8和介質(zhì)圓柱9之間裝配時(shí)均采用緊配合，并保證三者同心，截止圓波導(dǎo)7的端面與介質(zhì)圓柱9的端面處在同一平面上形成測(cè)試座1的測(cè)試平面;其截止圓波導(dǎo)7采用金屬材料，支撐環(huán)8采用低損耗、低介電常數(shù)材料如聚四氟乙烯、聚乙烯泡沫等，介質(zhì)圓柱9采用低損耗、高介電常數(shù)、高Q值材料如蘭寶石、A6陶瓷等，耦合傳輸線10可以是電纜、波導(dǎo)或微帶等，它將微波測(cè)試信號(hào)耦合到由測(cè)試座1與被測(cè)樣品2或校準(zhǔn)件5或校準(zhǔn)件6組成的不同諧振器內(nèi)，傳輸線長(zhǎng)度決定著耦合量，在滿足品質(zhì)因數(shù)Q值測(cè)量的要求下，傳輸線應(yīng)離介質(zhì)圓柱9盡可能遠(yuǎn)，使耦合量盡可能小，以免影響諧振器的場(chǎng)結(jié)構(gòu)。其耦合傳輸線可為一根或二根，從而構(gòu)成反射式或通過(guò)式諧振器。
測(cè)試被測(cè)樣品2的裝配圖如圖2。被測(cè)樣品2置于測(cè)試座1的測(cè)試平面上，它是長(zhǎng)在介質(zhì)襯底上的超導(dǎo)薄膜，其幾何尺寸應(yīng)大于截止圓波導(dǎo)7的內(nèi)徑，并小于密封蓋4的內(nèi)徑;壓板3將被測(cè)樣品2壓緊，其幾何尺寸應(yīng)稍小于密封蓋4的內(nèi)徑;密封蓋4罩住被測(cè)樣品2和壓板3，并將測(cè)試座1密封起來(lái)，以防有害氣體損壞被測(cè)樣品和影響測(cè)試準(zhǔn)確度，密封蓋4內(nèi)可充保護(hù)氣體、或抽真空、或放置干燥劑等等。壓板3和密封蓋4均采用強(qiáng)度和導(dǎo)熱性較好的材料。整個(gè)裝置中，測(cè)試樣品可替換，壓板和密封蓋可拆卸。
校準(zhǔn)件5是一個(gè)金屬平板，其幾何尺寸應(yīng)大于截止圓波導(dǎo)的內(nèi)徑，它的表面電阻RS1是已知的，一般為十幾毫歐姆以上。當(dāng)用校準(zhǔn)件5進(jìn)行測(cè)試的裝配圖如圖3，將校準(zhǔn)件5置于測(cè)試座1的測(cè)試平面上代替圖2中的被測(cè)樣品2，其余裝配順序與測(cè)試樣品時(shí)相同。
用校準(zhǔn)件6進(jìn)行測(cè)試的裝配圖如圖4。校準(zhǔn)件6的結(jié)構(gòu)、尺寸和電性能均與測(cè)試座1相同，只是無(wú)耦合傳輸線10。測(cè)試時(shí)，測(cè)試座1與校準(zhǔn)件6面對(duì)面連接并密封，形成以測(cè)試面為對(duì)稱面的一個(gè)新諧振器，因耦合傳輸線對(duì)諧振器的場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響極微，由電磁場(chǎng)理論知對(duì)新諧振器中特定的諧振模式TE012+2δ，測(cè)試座中的場(chǎng)結(jié)構(gòu)與測(cè)樣品時(shí)完全一樣，在其交界的測(cè)試面處構(gòu)成一個(gè)RS＝0的等效樣品，因而校準(zhǔn)件6可以看成是RS2＝0的校準(zhǔn)件。
本發(fā)明所述的測(cè)試裝置中，測(cè)試座1與被測(cè)樣品構(gòu)成的諧振器的無(wú)載品質(zhì)因數(shù)QO與被測(cè)樣品的微波表面電阻RS有如下關(guān)系Q-1O＝A＋BRS……(1)由于測(cè)試座1是固定不動(dòng)件，對(duì)TE011＋δ的工作模式，A、B均為與被測(cè)樣品的RS無(wú)關(guān)的常數(shù)，并可通過(guò)測(cè)試方法確定。
利用本發(fā)明的測(cè)試裝置對(duì)高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻進(jìn)行測(cè)試的方法，采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)的校準(zhǔn)件6的RS2＝0進(jìn)行校準(zhǔn)，即“零表面電阻”校準(zhǔn)法，加上校準(zhǔn)件5的RS1已知，并分別測(cè)試校準(zhǔn)件5、校準(zhǔn)件6和被測(cè)樣品的品質(zhì)因數(shù)Q01、Q02和Q0值，根據(jù)關(guān)系式(1)，計(jì)算得出A＝1/Q02、B＝Q-101/RS1則被測(cè)樣品的RS= (Q0-1- A)/(B) = (Q0-1- Q02-1)/(Q01-1- Q02-1) RS1……(2)代入上述測(cè)試值，即可立即求出RS值。
測(cè)試的具體步驟為(1)將已知表面電阻為RS1的校準(zhǔn)件5按圖3裝在測(cè)試座1的測(cè)試平面上，壓上壓板3，用密封蓋4密封，用液氮或制冷機(jī)致冷到高溫超導(dǎo)薄膜工作溫度，利用Q值測(cè)試裝置如標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測(cè)得品質(zhì)因數(shù)Q01(2)將表面電阻RS2＝0的校準(zhǔn)件6按圖4裝配到測(cè)試座1的測(cè)試平面上，致冷到高溫超導(dǎo)薄膜的工作溫度后測(cè)得品質(zhì)因數(shù)Q02(3)將被測(cè)樣品2按圖2裝配在測(cè)試座1的測(cè)試平面上，重復(fù)步驟(1)，測(cè)得品質(zhì)因數(shù)Q0(4)按RS= (Q0-1- Q02-1)/(Q01-1- Q02-1) RS1……(2)
將步驟(1)、(2)、(3)測(cè)得的值代入(2)式，即可計(jì)算出被測(cè)樣品的表面電阻RS值。
整個(gè)測(cè)試步驟簡(jiǎn)單，計(jì)算容易。
由于本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上采用了固定測(cè)試座方案和測(cè)試方法上提出了利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行“零表面電阻”校準(zhǔn)及Q-10＝A＋BRS公式，并通過(guò)在線方式測(cè)得校準(zhǔn)常數(shù)A、B，解決了其它測(cè)試裝置和方法中引入的各種近似而造成的誤差，提高了測(cè)試精度，從而滿足了單片超導(dǎo)薄膜RS的高靈敏度、高精度和非損傷測(cè)試的要求，且樣品安裝方便，測(cè)試步驟簡(jiǎn)單、計(jì)算容易。
附圖及


圖1測(cè)試座1的結(jié)構(gòu)示意中7-截止圓波導(dǎo);8-支撐環(huán);9-介質(zhì)圓柱;10-耦合傳輸線。
圖2測(cè)試被測(cè)樣品的裝配中1-測(cè)試座;2-被測(cè)樣品;3-壓板;4-密封蓋。
圖3測(cè)試校準(zhǔn)件5的裝配中1-測(cè)試座;3-壓板;4-密封蓋;5-校準(zhǔn)件。
圖4測(cè)試校準(zhǔn)件6的裝配中1-測(cè)試座;6-校準(zhǔn)件;7-截止圓波導(dǎo);8-支撐環(huán);9-介質(zhì)圓柱。
實(shí)施例采用黃銅加工后鍍銀的截止圓波導(dǎo)、蘭寶石介質(zhì)圓柱、純聚四氟乙烯支撐環(huán)、同軸半剛性電纜的耦合傳輸線構(gòu)成測(cè)試座;被測(cè)樣品直徑為φ32mmLaAlO3基片上的YBCO超導(dǎo)薄膜;工作模式為TE011＋δ;校準(zhǔn)件5的RS1＝13.5mΩ;校準(zhǔn)件6的RS2＝0;測(cè)試溫度Tc≈77.5K。
利用本發(fā)明所述的測(cè)試裝置和方法，測(cè)得被測(cè)樣品的Q0＝264000;
校準(zhǔn)件5的Q01＝63000;
校準(zhǔn)件6的Q02＝280000。
經(jīng)計(jì)算超導(dǎo)薄膜樣品的微波表面電阻RS＝0.26mΩ，精度△R＝0.02mΩ。
權(quán)利要求
1.高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測(cè)試裝置，其特征在于它由測(cè)試座(1)、被測(cè)樣品(2)、壓板(3)、密封蓋(4)、校準(zhǔn)件(5)和校準(zhǔn)件(6)組成，其測(cè)試座(1)是一個(gè)固定不動(dòng)件，由介質(zhì)圓柱(9)固定在支撐環(huán)(8)上后再固定在截止圓波導(dǎo)(7)的內(nèi)壁上，耦合傳輸線(10)裝在截止圓波導(dǎo)(7)的另一端面上或壁上組成；被測(cè)樣品(2)或校準(zhǔn)件(5)置于測(cè)試座(1)的端面上；壓板(3)壓在被測(cè)樣品(2)或校準(zhǔn)(5)上；密封蓋(4)罩被測(cè)樣品(2)或校準(zhǔn)件(5)和壓板(3)，與測(cè)試座(1)的端面密封固定并可折卸；校準(zhǔn)件(5)為金屬平板；校準(zhǔn)件(6)的結(jié)構(gòu)、尺寸和電性能均與測(cè)試座(1)相同，只是無(wú)耦合傳輸線(10)。
2.如權(quán)利要求1的高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測(cè)試裝置，其特征在于所述的測(cè)試座(1)中的截止圓波導(dǎo)(7)、支撐環(huán)(8)和介質(zhì)圓柱(9)三者同心，截止圓波導(dǎo)(7)的端面與介質(zhì)圓柱(8)的端面處于同一平面上構(gòu)成測(cè)試座(1)的測(cè)試平面。
3.如權(quán)利要求1的高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測(cè)試裝置，其特征在于所述的測(cè)試座(1)中的截止圓波導(dǎo)(7)采用金屬材料，介質(zhì)圓柱(9)采用低損耗、高介電常數(shù)材料，支撐環(huán)(8)采用低損耗、低介電常數(shù)材料;壓板(3)和密封蓋(4)采用強(qiáng)度和導(dǎo)熱性較好的材料。
4.如權(quán)利要求1的高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測(cè)試裝置，其特征在于所述的測(cè)試座(1)與被測(cè)樣品(2)構(gòu)成的諧振器的無(wú)載品質(zhì)因數(shù)QO與被測(cè)樣品的表面電阻RS的關(guān)系為QO＝A+BRS……(1)對(duì)TE011+δ工作模式，A、B均為與樣品RS無(wú)關(guān)的常數(shù)，由測(cè)量方法確定。
5.如權(quán)利要求1的高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測(cè)試裝置，其特征在于所述的校準(zhǔn)件(5)的表面電阻RS為已知;校準(zhǔn)件(6)的表面電阻RS2＝0。
6.利用權(quán)利要求1的測(cè)試裝置對(duì)高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻的測(cè)試方法，其特征在于測(cè)試步驟為(1)將已知表面電阻為RS1的標(biāo)準(zhǔn)件(5)按圖3裝在測(cè)試座(1)的測(cè)試面上，壓上壓板(3)，用密封蓋(4)密封后致冷到高溫超導(dǎo)薄膜的工作溫度，測(cè)得品質(zhì)因數(shù)Q01(2)將表面電阻RS2＝0的校準(zhǔn)件(6)按圖4裝配在測(cè)試座(1)的測(cè)試平面上，端面處密封后致冷到高溫超導(dǎo)薄膜的工作溫度，測(cè)得品質(zhì)因數(shù)Q02(3)將被測(cè)樣品(2)按圖2裝配在測(cè)試座(1)的測(cè)試面上，重復(fù)步驟(1)，測(cè)得品質(zhì)因數(shù)Q0(4)按RS= (Q0-1- A)/(B) = (Q0-1- Q02-1)/(Q01-1- Q02-1) RS1……(2)將步驟(1)、(2)、(3)測(cè)得的值代入(2)式，計(jì)算出被測(cè)樣品的微波表面電阻RS值。
全文摘要
本發(fā)明屬超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域，特別是用于檢測(cè)高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻的測(cè)試裝置及方法。它由測(cè)試座、被測(cè)樣品、壓板、密封蓋及兩個(gè)校準(zhǔn)件組成。由于在結(jié)構(gòu)上采用了固定測(cè)試座方案；在工作諧振模式上選用了TE
文檔編號(hào)G01R27/02GK1100522SQ9311538
公開(kāi)日1995年3月22日 申請(qǐng)日期1993年11月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月16日
發(fā)明者盧劍, 張其劭 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)