專利名稱：高溫超導薄膜微波表面電阻測試裝置及方法
技術領域：
本發明屬超導電子學領域，特別是用于檢測高溫超導薄膜微波表面電阻測試裝置及方法。
超導薄膜(其厚度一般在幾千埃范圍)微波表面電阻RS是衡量超導薄膜微波性能優劣的主要指標，其數量級一般在幾十微歐姆(μΩ)到幾毫歐姆(mΩ)之間。國內外通常采用諧振法進行測量，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量單片樣品，樣品安裝也容易，但靈敏度太差，只能測試RS大于幾毫歐姆的樣品;蘭寶石介質諧振器法是將兩片超導薄膜樣品間夾一個圓柱型蘭寶石，該方法靈敏度雖然高，但測試結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題。其測試方法一般都需通過多次循環測量，再經過較繁雜的計算才能求出單片樣品的表面電阻RS鑒于高溫超導薄膜RS測試的重要性，針對上述測試裝置和方法的問題，本發明的目的在于提出一種新結構的高溫超導薄膜微波表面電阻RS的測試裝置及一種新的測試計算方法，從而實現單片超導薄膜樣品RS的高精度、高靈敏度非損傷測量，且測試簡單、方便。
本發明所述的測試裝置由測試座1、被測樣品2、壓板3、密封蓋4、校準件5和校準件6組成。測試座1的結構圖如圖1，工作模式為TE011＋δ模，它是由截止圓波導7、支撐環8、介質圓柱9、耦合傳輸線10構成的一個固定不動件，其介質圓柱9固定在支撐環8上后再固定在截止圓波導7的內壁上，耦合傳輸線10裝在截止圓波導7的另一端面上或壁上。這種結構不僅可提高被測樣品換裝時的重復性，有利于提高測試精度，而且方便操作;截止圓波導7、支撐環8和介質圓柱9之間裝配時均采用緊配合，并保證三者同心，截止圓波導7的端面與介質圓柱9的端面處在同一平面上形成測試座1的測試平面;其截止圓波導7采用金屬材料，支撐環8采用低損耗、低介電常數材料如聚四氟乙烯、聚乙烯泡沫等，介質圓柱9采用低損耗、高介電常數、高Q值材料如蘭寶石、A6陶瓷等，耦合傳輸線10可以是電纜、波導或微帶等，它將微波測試信號耦合到由測試座1與被測樣品2或校準件5或校準件6組成的不同諧振器內，傳輸線長度決定著耦合量，在滿足品質因數Q值測量的要求下，傳輸線應離介質圓柱9盡可能遠，使耦合量盡可能小，以免影響諧振器的場結構。其耦合傳輸線可為一根或二根，從而構成反射式或通過式諧振器。
測試被測樣品2的裝配圖如圖2。被測樣品2置于測試座1的測試平面上，它是長在介質襯底上的超導薄膜，其幾何尺寸應大于截止圓波導7的內徑，并小于密封蓋4的內徑;壓板3將被測樣品2壓緊，其幾何尺寸應稍小于密封蓋4的內徑;密封蓋4罩住被測樣品2和壓板3，并將測試座1密封起來，以防有害氣體損壞被測樣品和影響測試準確度，密封蓋4內可充保護氣體、或抽真空、或放置干燥劑等等。壓板3和密封蓋4均采用強度和導熱性較好的材料。整個裝置中，測試樣品可替換，壓板和密封蓋可拆卸。
校準件5是一個金屬平板，其幾何尺寸應大于截止圓波導的內徑，它的表面電阻RS1是已知的，一般為十幾毫歐姆以上。當用校準件5進行測試的裝配圖如圖3，將校準件5置于測試座1的測試平面上代替圖2中的被測樣品2，其余裝配順序與測試樣品時相同。
用校準件6進行測試的裝配圖如圖4。校準件6的結構、尺寸和電性能均與測試座1相同，只是無耦合傳輸線10。測試時，測試座1與校準件6面對面連接并密封，形成以測試面為對稱面的一個新諧振器，因耦合傳輸線對諧振器的場結構影響極微，由電磁場理論知對新諧振器中特定的諧振模式TE012+2δ，測試座中的場結構與測樣品時完全一樣，在其交界的測試面處構成一個RS＝0的等效樣品，因而校準件6可以看成是RS2＝0的校準件。
本發明所述的測試裝置中，測試座1與被測樣品構成的諧振器的無載品質因數QO與被測樣品的微波表面電阻RS有如下關系Q-1O＝A＋BRS……(1)由于測試座1是固定不動件，對TE011＋δ的工作模式，A、B均為與被測樣品的RS無關的常數，并可通過測試方法確定。
利用本發明的測試裝置對高溫超導薄膜微波表面電阻進行測試的方法，采用了對稱結構的校準件6的RS2＝0進行校準，即“零表面電阻”校準法，加上校準件5的RS1已知，并分別測試校準件5、校準件6和被測樣品的品質因數Q01、Q02和Q0值，根據關系式(1)，計算得出A＝1/Q02、B＝Q-101/RS1則被測樣品的RS= (Q0-1- A)/(B) = (Q0-1- Q02-1)/(Q01-1- Q02-1) RS1……(2)代入上述測試值，即可立即求出RS值。
測試的具體步驟為(1)將已知表面電阻為RS1的校準件5按圖3裝在測試座1的測試平面上，壓上壓板3，用密封蓋4密封，用液氮或制冷機致冷到高溫超導薄膜工作溫度，利用Q值測試裝置如標量網絡分析儀等測得品質因數Q01(2)將表面電阻RS2＝0的校準件6按圖4裝配到測試座1的測試平面上，致冷到高溫超導薄膜的工作溫度后測得品質因數Q02(3)將被測樣品2按圖2裝配在測試座1的測試平面上，重復步驟(1)，測得品質因數Q0(4)按RS= (Q0-1- Q02-1)/(Q01-1- Q02-1) RS1……(2)
將步驟(1)、(2)、(3)測得的值代入(2)式，即可計算出被測樣品的表面電阻RS值。
整個測試步驟簡單，計算容易。
由于本發明在結構上采用了固定測試座方案和測試方法上提出了利用對稱結構進行“零表面電阻”校準及Q-10＝A＋BRS公式，并通過在線方式測得校準常數A、B，解決了其它測試裝置和方法中引入的各種近似而造成的誤差，提高了測試精度，從而滿足了單片超導薄膜RS的高靈敏度、高精度和非損傷測試的要求，且樣品安裝方便，測試步驟簡單、計算容易。
附圖及
圖1測試座1的結構示意中7-截止圓波導;8-支撐環;9-介質圓柱;10-耦合傳輸線。
圖2測試被測樣品的裝配中1-測試座;2-被測樣品;3-壓板;4-密封蓋。
圖3測試校準件5的裝配中1-測試座;3-壓板;4-密封蓋;5-校準件。
圖4測試校準件6的裝配中1-測試座;6-校準件;7-截止圓波導;8-支撐環;9-介質圓柱。
實施例采用黃銅加工后鍍銀的截止圓波導、蘭寶石介質圓柱、純聚四氟乙烯支撐環、同軸半剛性電纜的耦合傳輸線構成測試座;被測樣品直徑為φ32mmLaAlO3基片上的YBCO超導薄膜;工作模式為TE011＋δ;校準件5的RS1＝13.5mΩ;校準件6的RS2＝0;測試溫度Tc≈77.5K。
利用本發明所述的測試裝置和方法，測得被測樣品的Q0＝264000;
校準件5的Q01＝63000;
校準件6的Q02＝280000。
經計算超導薄膜樣品的微波表面電阻RS＝0.26mΩ，精度△R＝0.02mΩ。
權利要求
1.高溫超導薄膜微波表面電阻測試裝置，其特征在于它由測試座(1)、被測樣品(2)、壓板(3)、密封蓋(4)、校準件(5)和校準件(6)組成，其測試座(1)是一個固定不動件，由介質圓柱(9)固定在支撐環(8)上后再固定在截止圓波導(7)的內壁上，耦合傳輸線(10)裝在截止圓波導(7)的另一端面上或壁上組成；被測樣品(2)或校準件(5)置于測試座(1)的端面上；壓板(3)壓在被測樣品(2)或校準(5)上；密封蓋(4)罩被測樣品(2)或校準件(5)和壓板(3)，與測試座(1)的端面密封固定并可折卸；校準件(5)為金屬平板；校準件(6)的結構、尺寸和電性能均與測試座(1)相同，只是無耦合傳輸線(10)。
2.如權利要求1的高溫超導薄膜微波表面電阻測試裝置，其特征在于所述的測試座(1)中的截止圓波導(7)、支撐環(8)和介質圓柱(9)三者同心，截止圓波導(7)的端面與介質圓柱(8)的端面處于同一平面上構成測試座(1)的測試平面。
3.如權利要求1的高溫超導薄膜微波表面電阻測試裝置，其特征在于所述的測試座(1)中的截止圓波導(7)采用金屬材料，介質圓柱(9)采用低損耗、高介電常數材料，支撐環(8)采用低損耗、低介電常數材料;壓板(3)和密封蓋(4)采用強度和導熱性較好的材料。
4.如權利要求1的高溫超導薄膜微波表面電阻測試裝置，其特征在于所述的測試座(1)與被測樣品(2)構成的諧振器的無載品質因數QO與被測樣品的表面電阻RS的關系為QO＝A+BRS……(1)對TE011+δ工作模式，A、B均為與樣品RS無關的常數，由測量方法確定。
5.如權利要求1的高溫超導薄膜微波表面電阻測試裝置，其特征在于所述的校準件(5)的表面電阻RS為已知;校準件(6)的表面電阻RS2＝0。
6.利用權利要求1的測試裝置對高溫超導薄膜微波表面電阻的測試方法，其特征在于測試步驟為(1)將已知表面電阻為RS1的標準件(5)按圖3裝在測試座(1)的測試面上，壓上壓板(3)，用密封蓋(4)密封后致冷到高溫超導薄膜的工作溫度，測得品質因數Q01(2)將表面電阻RS2＝0的校準件(6)按圖4裝配在測試座(1)的測試平面上，端面處密封后致冷到高溫超導薄膜的工作溫度，測得品質因數Q02(3)將被測樣品(2)按圖2裝配在測試座(1)的測試面上，重復步驟(1)，測得品質因數Q0(4)按RS= (Q0-1- A)/(B) = (Q0-1- Q02-1)/(Q01-1- Q02-1) RS1……(2)將步驟(1)、(2)、(3)測得的值代入(2)式，計算出被測樣品的微波表面電阻RS值。
全文摘要
本發明屬超導電子學領域，特別是用于檢測高溫超導薄膜微波表面電阻的測試裝置及方法。它由測試座、被測樣品、壓板、密封蓋及兩個校準件組成。由于在結構上采用了固定測試座方案；在工作諧振模式上選用了TE
文檔編號G01R27/02GK1100522SQ9311538
公開日1995年3月22日 申請日期1993年11月16日 優先權日1993年11月16日
發明者盧劍, 張其劭 申請人:電子科技大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
