專利名稱：測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量表面電阻的方法及其裝置，用于檢測金屬材料、超導(dǎo)薄膜材料、尤其是用于檢測高溫超導(dǎo)薄膜材料的表面電阻的方法及測量裝置，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)薄膜材料的表面電阻是衡量材料的微波電性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。對于超導(dǎo)薄膜材料，主要是要測量材料在超導(dǎo)溫度下的表面電阻，并且在測量過程中不損傷樣品。
已有多種方法用來測量超導(dǎo)薄膜的微波表面電阻。諧振器方法測量微波表面電阻是一種被廣泛采用的方法。諧振器方法又分為樣品被破壞方法和樣品不被破壞方法兩類。
文獻(xiàn)(Stripline resonator measurements of Zsversus Hrfin YBa2Cu3O7-Xthinfilms，Daniel E.Oates，et al，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，39(1991)1522)1采用帶狀線諧振腔方法測量超導(dǎo)薄膜表面電阻。測試前，要將超導(dǎo)薄膜刻蝕成微帶諧振器，通過微波測量和計(jì)算，可以得到超導(dǎo)薄膜的微波表面電阻。
文獻(xiàn)(A sapphire resonator for microwave characterization of superconductingthin films，IEEE Transactions on Applied Superconductivity 3(1993)1457，C.Wilker，Z-Y.Shen，V.X.Nguyen and M.S.Brenner)2采用介質(zhì)諧振器法。測試時(shí)，將一對樣品放在藍(lán)寶石介質(zhì)柱的相對兩個(gè)端面上，形成一個(gè)限制性介質(zhì)諧振器。通過測量系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q和其他參數(shù)，可以計(jì)算出兩片被測樣品表面電阻的平均值。
文獻(xiàn)(高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻測試裝置及方法，中國發(fā)明專利，專利號(hào)93115387.5，發(fā)明人盧劍，張其劭)3采用藍(lán)寶石介質(zhì)諧振器法測量超導(dǎo)薄膜表面電阻。測試前，用標(biāo)準(zhǔn)件和校準(zhǔn)件分別對系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q和其他參數(shù)進(jìn)行測量，并計(jì)算出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。然后再用被測樣品測試出系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)Q，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常數(shù)可以計(jì)算出樣品的微波表面電阻Rs。
綜上所述，超導(dǎo)薄膜表面電阻測量方法的現(xiàn)有技術(shù)是以下三種情況1、采用帶狀線諧振腔方法測量微波表面電阻是損傷性測量。測量前，首先需要將樣品制作成微帶諧振腔，測量后樣品將不能再作為他用。
2、采用介質(zhì)諧振器兩端樣品測量法，可以無損傷測量樣品的表面電阻，但得到的是兩片被測樣品表面電阻的平均值。要想得到每一片樣品的表面電阻值，需要測量三片以上的樣品，才能計(jì)算出每一片樣品的表面電阻值。
3、采用校準(zhǔn)件確定結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量方法，需要事先知道校準(zhǔn)件的表面電阻。往往會(huì)由于校準(zhǔn)件表面電阻的誤差或校準(zhǔn)件表面電阻的改變導(dǎo)致測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)超導(dǎo)薄膜表面電阻測量方法的技術(shù)缺陷，如測量樣品被破壞，或測量中需要多片樣品，或測量中需要依賴校準(zhǔn)件等，本發(fā)明公開了一種新的測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的方法及其裝置。
本發(fā)明的測量裝置這種超導(dǎo)薄膜表面電阻的測量裝置，它包括金屬腔體、密封蓋、由螺釘連接鎖緊、由密封圈密封、兩根微波耦合線作為微波的輸入和輸出端分別接入金屬腔體中、在金屬腔體上端中央有一根排充氣管；樣品托架置于密封蓋內(nèi)，彈簧置于樣品托架與密封蓋之間，測試樣品置于樣品托架和金屬腔體端面之間，測試樣品的面積大于柱形金屬腔體的端面積；彈簧通過樣品托架來壓緊測試樣品和金屬腔體，使之緊密接觸；介質(zhì)圓柱置于金屬腔體內(nèi)、支撐環(huán)的中心。
本發(fā)明的測量方法這種測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的方法，是使用同一種介質(zhì)材料制作兩個(gè)長度相同，直徑不同的介質(zhì)圓柱A和B，分別對同一超導(dǎo)薄膜進(jìn)行測試，確定系統(tǒng)的Qr值；進(jìn)而測量計(jì)算出表面電阻Rs。
本發(fā)明的基本原理本發(fā)明諧振器內(nèi)電磁場工作模式為TE011+δ模。
設(shè)諧振器的無載Q值為Q0，則1Q0=1Qc+1Qr---(1)]]>其中Qc是測試樣品的Q值，Qr是由諧振器的介質(zhì)圓柱2、支撐環(huán)5、金屬腔體1的內(nèi)壁、微波耦合線3及其他損耗共同決定的Q值。設(shè)樣品的表面電阻為Rs，則有公式Rs=GQc---(2)]]>其中G是諧振器的結(jié)構(gòu)常數(shù)，可以通過電磁場分布計(jì)算出來。因此有Rs=G(1Q0-1Qr)---(3)]]>其中諧振器的無載Q值為Q0，可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對諧振器的測試得到。
為確定Qr值，在同一個(gè)諧振腔內(nèi)分別裝入介質(zhì)材料相同、長度相同、直徑不同的兩個(gè)介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B，分別對同一個(gè)金屬樣板進(jìn)行測量，可以得到計(jì)算兩個(gè)金屬板表面電阻的公式RsA=GA(1Q0A-1QrA)---(4a)]]>RsB=GB(1Q0B-1QrB)---(4b)]]>其中，GA和GB分別是使用介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B時(shí)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，可以通過場分布計(jì)算出來。Q0A和Q0B分別是使用介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B時(shí)諧振腔的無載Q值，可以從網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果中得到。由于介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B長度形狀一樣，直徑接近，可以認(rèn)為QrA＝QrB＝Qr(5)又因?yàn)榻饘俚谋砻骐娮枧c頻率的開方成比例，有RsARsB=fAfB---(6)]]>其中fA和fB分別是使用介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B時(shí)的諧振腔內(nèi)電磁場TE011+δ模式的諧振頻率，可以從網(wǎng)絡(luò)分析儀測試中獲得。設(shè)C=GBGAfAfB---(7)]]>由此得到Qr=C-1CQ0B-1Q0A---(8)]]>由此式可以得到系統(tǒng)的Qr值。
同樣，也可以用超導(dǎo)薄膜樣品取代金屬樣板，利用超導(dǎo)薄膜的表面電阻與頻率的平方成比例的關(guān)系，也可以得到系統(tǒng)的Qr值。
顯然，測試前不需要知道金屬樣板或超導(dǎo)薄膜的表面電阻值，但要求金屬樣板或超導(dǎo)薄膜在柱形金屬腔體的端面積內(nèi)微波特性均勻。
當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)的Qr值以后，測量樣品的表面電阻Rs時(shí)，只用其中一個(gè)介質(zhì)圓柱組成的諧振腔，裝入待側(cè)樣品后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測出系統(tǒng)的諧振頻率和無載Q值，便可以由(3)式計(jì)算出Rs。
本發(fā)明的有益效果測量過程中樣品不被破壞，實(shí)現(xiàn)了單片超導(dǎo)薄膜表面電阻的絕對測量，不需要校準(zhǔn)件，精確度高，而且可以測量低溫下金屬材料和超導(dǎo)薄膜材料的表面電阻。在測量裝置的金屬腔內(nèi)可以抽真空也可以充入氣體，測量裝置可以在空氣中使用，也可以在液體中使用，并且可以分別測量樣品的多個(gè)位置，也可以測量不同面積的樣品。


圖1.超導(dǎo)薄膜表面電阻的測量裝置剖視中1、金屬腔體2、介質(zhì)圓柱3、微波耦合線4、密封蓋5、支撐環(huán)6、測試樣品7、樣品托架8、彈簧9、密封圈10、排充氣管11、螺釘具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步地詳細(xì)說明
如圖1所示，這種超導(dǎo)薄膜表面電阻的測量裝置，它包括金屬腔體1、密封蓋4、由螺釘11連接鎖緊、由密封圈9密封、兩根微波耦合線3作為微波的輸入和輸出端分別接入金屬腔體1中、在金屬腔體1上端中央有一根排充氣管10；樣品托架7置于密封蓋4內(nèi)，彈簧8置于樣品托架與密封蓋之間，測試樣品6置于樣品托架和金屬腔體端面之間，測試樣品6的面積大于柱形金屬腔體的端面積；彈簧8通過樣品托架7來壓緊測試樣品6和金屬腔體1，使之緊密接觸；介質(zhì)圓柱2置于金屬腔體內(nèi)、支撐環(huán)5的中心。
支撐環(huán)5是置于金屬腔體1內(nèi)用來固定介質(zhì)圓柱、使介質(zhì)圓柱2和金屬腔體1保持同軸，并使介質(zhì)圓柱和金屬腔體的端面處于同一平面上，構(gòu)成樣品測試平面。
介質(zhì)圓柱2采用藍(lán)寶石制作、支撐環(huán)5采用聚四氟乙烯制作。
這種測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的方法，是使用同一種介質(zhì)材料制作兩個(gè)長度相同，直徑不同的介質(zhì)圓柱A和B，分別對同一超導(dǎo)薄膜進(jìn)行測試，確定系統(tǒng)的Qr值；進(jìn)而測量計(jì)算出表面電阻Rs。
確定系統(tǒng)Qr值是通過以下操作步驟1)根據(jù)諧振腔和介質(zhì)的尺寸以及TE011+δ模式場分布，分別計(jì)算出使用介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B時(shí)的結(jié)構(gòu)常數(shù)GA和GB；2)將介質(zhì)圓柱A裝入金屬腔1內(nèi)，將樣品放在樣品托架7上使其與介質(zhì)圓柱下端面緊密接觸，用螺釘11鎖緊金屬腔體1和密封蓋4；3)通過排充氣管10將腔體抽真空，而后充入氦氣或其他氣體；4)將測試裝置冷卻，如放入液態(tài)氮中，保持溫度均勻，如77K；5)通過微波耦合線3分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出和輸入端口連接，并測量出諧振頻率fA和無載Q值Q0A；6)取出介質(zhì)圓柱A，將介質(zhì)圓柱B裝入金屬腔1內(nèi)，重復(fù)步驟2)至5)，測量出諧振頻率fB和無載Q值Q0B；7)由(7)式和(8)式計(jì)算出Qr。
8)如果使用超導(dǎo)薄膜樣品，按照操作步驟1)至6)進(jìn)行，然后使用公式C=GBGA·fA2fB2]]>和Qr=C-1CQ0B-1Q0A]]>計(jì)算出Qr。
表面電阻Rs的測量和計(jì)算在Qr值確定后，選擇測定Qr時(shí)兩個(gè)介質(zhì)圓柱中的一個(gè)介質(zhì)圓柱，A或B，直接對測試樣品進(jìn)行測量，無需對每個(gè)測試樣品進(jìn)行Qr值的重復(fù)測定，具體步驟如下1)將測試樣品6放在樣品托架7上，使其與介質(zhì)圓柱2緊密接觸，用螺釘11鎖緊金屬腔體1和密封蓋4；2)通過排充氣管10將腔體抽真空，而后充入氦氣或其它氣體；
3)將測試裝置冷卻，如放在液態(tài)氮中，保持溫度均勻，如77K；4)通過微波耦合線3分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出、輸入端口連接，并測量出諧振頻率f0和無載Q值Q0；5)由公式(3)計(jì)算出樣品的Rs值。
本裝置內(nèi)所采用的介質(zhì)諧振器是一端短路而另一端處于開放狀態(tài)介質(zhì)加載諧振器。介質(zhì)諧振器內(nèi)的電磁場工作模式選擇TE011+δ模式。由于高純單晶藍(lán)寶石具有低損耗及高介電常數(shù)的特點(diǎn)，它將大部分電磁能量限制于藍(lán)寶石內(nèi)及其附近，遠(yuǎn)離藍(lán)寶石表面電磁場強(qiáng)度將沿徑向迅速衰減，因而它具有較高Q值，這就保證了測量裝置具有較高的測量靈敏度。
本發(fā)明的所述方法是采用兩個(gè)介質(zhì)材料相同、長度相等、直徑不同的介質(zhì)圓柱A和B，分別與同一個(gè)金屬腔體和同一個(gè)測試樣品構(gòu)成微波介質(zhì)加載諧振腔，利用場分布計(jì)算出諧振腔的結(jié)構(gòu)常數(shù)GA和GB，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得諧振腔的諧振頻率fA和fB、無載Q值Q0A和Q0B，計(jì)算出測試樣品以外其他損耗對應(yīng)的Q值為Qr，使用其中一個(gè)介質(zhì)圓柱進(jìn)行測量本樣品或其他樣品的表面電阻Rs。本發(fā)明所述的測量表面電阻方法是一種測試樣品無損傷測試，而且不需要已知表面電阻的標(biāo)準(zhǔn)件，是一種表面電阻的絕對測量，測量過程操作簡單，測量精度高。本發(fā)明的所述的測量表面電阻的方法可以測量超導(dǎo)薄膜材料的表面電阻，也可以測量金屬材料的表面電阻。
具體操作步驟(一)確定Qr值本發(fā)明測量超導(dǎo)薄膜表面電阻之前，首先需要確定系統(tǒng)的Qr值。具體操作步驟如下1、根據(jù)諧振腔和介質(zhì)的尺寸以及TE011+δ模式場分布，分別計(jì)算出使用介質(zhì)柱A和介質(zhì)柱B時(shí)的結(jié)構(gòu)常數(shù)GA和GB。
2、將介質(zhì)圓柱A裝入金屬腔1內(nèi)，將樣品放在樣品托架7上使其與介質(zhì)圓柱下端面緊密接觸。用螺釘11鎖緊金屬腔體1和密封蓋4。
3、通過排充氣管10將腔體抽真空，而后充入氦氣或其他氣體。
4、將測試裝置冷卻，如放入液態(tài)氮中，保持溫度均勻，如77K。
5、通過微波耦合線3分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出、輸入端口連接，并測量出諧振頻率fA和無載Q值Q0A。
6、取出介質(zhì)圓柱A，將介質(zhì)圓柱B裝入金屬腔1內(nèi)。重復(fù)步驟2至5，測量出諧振頻率fB和無載Q值Q0B。
7、由(7)式和(8)式計(jì)算出Qr。
(二)測定樣品的表面電阻RsQr值確定后，選擇測定Qr時(shí)兩個(gè)介質(zhì)圓柱中的一個(gè)介質(zhì)圓柱(例如介質(zhì)圓柱A)，可以直接對測試樣品進(jìn)行測量，無需對每個(gè)測試樣品進(jìn)行Qr值的重復(fù)測定。具體步驟如下1、將測試樣品放在樣品托架7上，使其與介質(zhì)圓柱緊密接觸，用螺釘11鎖緊金屬腔體1和密封蓋4。
2、通過排充氣管10將腔體抽真空，而后充入氦氣或其他氣體。
3、將測試裝置冷卻，如放入液態(tài)氦中，保持溫度均勻，如77K。
4、通過微波耦合線3分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出、輸入端口連接，并測量出諧振頻率fA和無載Q值Q0。
5、由公式(3)計(jì)算出樣品的Rs值。
實(shí)例1金屬腔體1用高純無氧銅制成，內(nèi)徑19.0mm。介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B采用藍(lán)寶石介質(zhì)，圓柱直徑分別為6.8mm和6.0mm，長度為4.0mm。微波耦合線采用半鋼性同軸電纜耦合環(huán)耦合。支撐環(huán)5使用純聚四氟乙稀。測試金屬樣板采用拋光的高純無氧銅板，直徑50.8mm。測試時(shí)將測試裝置直接放入液態(tài)氮中，溫度為77K。
根據(jù)諧振腔內(nèi)的場分布，可計(jì)算出GA＝292.56和GB＝352.44。使用介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B分別測得Q0A＝13233.6，Q0B＝14850.0，諧振頻率fA＝15.429GHz和fB＝16.431GHz.由此可以計(jì)算出Qr＝54959.96。
高純無氧銅板在液氮溫度(77K)下的表面電阻，Rs(15.429GHz)＝16.784mΩ，Rs(16.413GHz)＝17.321mΩ。
實(shí)例2測試樣板采用Tl2Ba2CaCu2OX超導(dǎo)薄膜，直徑50.8mm。測試時(shí)將測試裝置直接放入液態(tài)氮中。
測試結(jié)果在液氮溫度(77K)下，Tl2Ba2CaCu2OX超導(dǎo)薄膜的表面電阻Rs(14.761GHz)＝0.688mΩ，Rs(15.428GHz)＝0.761mΩ。
權(quán)利要求
1.一種測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的裝置，其特征在于它包括金屬腔體(1)、密封蓋(4)、由螺釘(11)連接鎖緊、由密封圈(9)密封、兩根微波耦合線(3)作為微波的輸入和輸出端分別接入金屬腔體(1)中、在金屬腔體(1)上端中央有一根排充氣管(10)；樣品托架(7)置于密封蓋內(nèi)，彈簧(8)置于樣品托架與密封蓋之間，測試樣品(6)置于樣品托架和金屬腔體端面之間，測試樣品的面積大于柱形金屬腔體的端面積；彈簧(8)通過樣品托架(7)來壓緊測試樣品(6)和金屬腔體(1)，使之緊密接觸；介質(zhì)圓柱(2)置于金屬腔體內(nèi)、支撐環(huán)(5)的中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的裝置，其特征在于支撐環(huán)是置于金屬腔體內(nèi)用作固定介質(zhì)圓柱、使介質(zhì)圓柱(2)和金屬腔體(1)保持同軸，并使介質(zhì)圓柱和金屬腔體的端面處于同一平面上，構(gòu)成樣品測試平面。
3.一種測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的方法，其特征在于使用同一種介質(zhì)材料制做兩個(gè)長度相同，直徑不同的介質(zhì)圓柱A和B，分別對同一超導(dǎo)薄膜進(jìn)行測試，確定系統(tǒng)的Qr值；進(jìn)而測量計(jì)算出表面電阻Rs。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的方法，其特征在于確定系統(tǒng)Qr值是通過以下操作步驟1)根據(jù)諧振腔和介質(zhì)的尺寸以及TE011+δ模式場分布，分別計(jì)算出使用介質(zhì)圓柱A和介質(zhì)圓柱B時(shí)的結(jié)構(gòu)常數(shù)GA和GB；2)將介質(zhì)圓柱A裝入金屬腔(1)內(nèi)，將樣品放在樣品托架上使其與介質(zhì)圓柱(2)下端面緊密接觸，用螺釘(11)鎖緊金屬腔體(1)和密封蓋(4)；3)通過排充氣管(10)將腔體抽真空，而后充入氦氣或其他氣體；4)將測試裝置冷卻，如放入液態(tài)氮中，保持溫度均勻，如77K；5)通過微波耦合線(3)分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出和輸入端口連接，并測量出諧振頻率fA和無載Q值Q0A；6)取出介質(zhì)圓柱A，將介質(zhì)圓柱B裝入金屬腔(1)內(nèi)，重復(fù)步驟2)至5)，測量出諧振頻率fB和無載Q值Q0B；7)如果使用金屬樣品，用公式由C=GBGA·fAfB]]>和Qr=C-1CQ0B-1Q0A]]>計(jì)算出Qr。8)如果使用超導(dǎo)薄膜樣品，按照操作步驟1)至6)進(jìn)行，然后使用公式C=GBGA·fA2fB2]]>和Qr=C-1CQ0B-1Q0A]]>計(jì)算出Qr。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量超導(dǎo)薄膜表面電阻的方法，其特征在于表面電阻Rs的測量計(jì)算，在Qr值確定后，選擇測定Qr時(shí)兩個(gè)介質(zhì)圓柱中的一個(gè)介質(zhì)圓柱，A或B，直接對測試樣品進(jìn)行測量，無需對每個(gè)測試樣品進(jìn)行Qr值的重復(fù)測定，具體步驟如下1)將測試樣品(6)放在樣品托架(7)上，使其與介質(zhì)圓柱(2)緊密接觸，用螺釘(11)鎖緊金屬腔體(1)和密封蓋(4)；2)通過排充氣管(10)將腔體抽真空，而后充入氦氣或其它氣體；3)將測試裝置冷卻，如放在液態(tài)氮中，保持溫度均勻，如77K；4)通過微波耦合線(3)分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出、輸入端口連接，并測量出諧振頻率f0和無載Q值Q0；5)由公式Rs=G(1Q0-1Qr)]]>計(jì)算出樣品的Rs值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量表面電阻的方法及其裝置，用于檢測金屬材料、超導(dǎo)薄膜材料、尤其是用于檢測高溫超導(dǎo)薄膜材料的表面電阻的方法及測量裝置，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。它采用了一端短路而另一端處于開放狀態(tài)的介質(zhì)加載諧振器。通過分別對兩個(gè)材料相同、長度一樣、直徑不等的介質(zhì)圓柱組成的微波介質(zhì)加載諧振腔的測量，可以確定除測試樣品以外其它損耗所對應(yīng)的系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)值Q
文檔編號(hào)G01R27/02GK1580792SQ200410019248
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日
發(fā)明者閻少林, 張旭, 馮洪輝 申請人:南開大學(xué)