CN115792381B - 采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置及方法，装置包括：电流比较仪电阻电桥和组合式量子霍尔电阻器件；主动电流源的两极分别与主绕组的首端和组合式量子霍尔电阻器件一端连接；从动电流源的两极分别与副绕组的首端和被测电阻的一端连接；指零仪的两端分别连接至组合式量子霍尔电阻器件和被测电阻；不平衡磁通检测器通过检测线圈感应主绕组与副绕组在电阻比对时的不平衡磁通，另一端反馈于从动电流源；参考基准选用无负载效应的量子霍尔电阻同时为完成更多功率下的电阻比对，采用组合式量子霍尔电阻器件将多个量子霍尔电阻以串并联的独特方式组合起来。本发明能够实现电阻负载系数在宽负载上限下的高准确度测定。

Description

采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置及方法

技术领域

本发明属于计量测试仪表领域，更具体地，涉及一种电阻负载系数精密测量装置及方法。

背景技术

电阻作为最常见的电学元器件之一，高准确度的电阻在精密测量等领域中起着至关重要的角色。为此，国际计量界在1990年之后便陆续启动了以量子霍尔电阻标准替代传统实物电阻标准的研究，至目前为止，量子霍尔电阻(QHR)自然基准已成为国际公认的电阻计量最高标准。量子霍尔电阻的基本结构为8引脚的丰字形状，被称为Hall bar，如图1所示，图中1#-8#为引脚。在正常工作情况下，1#-5#端流通电流，2#-8#端、3#-7#端、4#-6#端测量电压。特别地，为了进一步扩展量子霍尔电阻在阻值上的自由性，组合式量子霍尔电阻得以提出，其在单个量子霍尔电阻的基础上，通过不同量子霍尔电阻串并联的组合方式获得不同基准阻值的特殊形式，目前国际上已成功借此实现了十进制阻值的量子霍尔电阻。

电阻负载效应是电阻的重要特征之一，表现为当流通不同电流时因发热而导致的阻值变化，具体以负载系数进行表征。一般把电阻功耗为单位功率时的电阻相对变化量视为电阻负载系数。当电阻作为精密测量标准、基准电阻、以及仪器关键部件等情况时，负载效应所造成的影响将无法忽视，因此确认电阻的负载系数将具有重要的意义。然而，针对高准确度量级的负载系数测量，如何寻找在不同电流下维持不变的电阻基准参考源始终作为该环节中亟需解决的核心关键。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置及方法，实现电阻负载系数的高准确度测定。

为实现上述目的，本发明第一方面提出了一种采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置，包括：电流比较仪电阻电桥、组合式量子霍尔电阻器件和被测电阻；

所述电流比较仪电阻电桥包括主动电流源、从动电流源、指零仪、不平衡磁通检测器、主绕组和副绕组；

所述主动电流源的两极分别与所述主绕组的首端和所述组合式量子霍尔电阻器件一端连接，所述主绕组的尾端与所述组合式量子霍尔电阻器件的另一端连接；

所述从动电流源的两极分别与所述副绕组的首端和所述被测电阻的一端连接，所述副绕组的尾端与所述被测电阻的另一端连接；

所述指零仪的两端分别连接至所述组合式量子霍尔电阻器件和所述被测电阻，所述指零仪用于指示所述组合式量子霍尔电阻器件与所述被测电阻之间的差压信号；

所述不平衡磁通检测器通过检测线圈探测所述主绕组与所述副绕组在电流比对时的不平衡磁通，所述不平衡磁通检测器的一端连接于从动电流源，所述不平衡磁通检测器将检测到的所述不平衡磁通作为反馈量反馈至所述从动电流源以维持电桥比对的稳定；

所述组合式量子霍尔电阻器件由多个量子霍尔电阻通过串并联组成，所述组合式量子霍尔电阻器件的阻值与单个所述量子霍尔电阻的阻值相同；

在对所述被测电阻进行负载系数测量时，所述组合式量子霍尔电阻器件作为所述电流比较仪电阻电桥的参考基准。

优选地，构成所述组合式量子霍尔电阻器件的量子霍尔电阻的数量由被测电阻所需评价的功率范围决定；

所述组合式量子霍尔电阻包括n²个所述量子霍尔电阻，n≥2，n²个所述量子霍尔电阻两两之间以串并联的方式交叉组合构成所述组合式量子霍尔电阻；所述组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流为单个所述量子霍尔电阻上限流通电流的n倍，所述组合式量子霍尔电阻器件上限比对功率为单个量子霍尔电阻的n²倍。

优选地，所述量子霍尔电阻在上限流通电流内，无负载效应。

优选地，所述电流比较仪电阻电桥为低温电流比较仪电阻电桥、直流电流比较仪电阻电桥或低频电流比较仪电阻电桥。

优选地，所述主绕组与所述副绕组之间的匝数比为2065:16，或4001:31，或6066:47，且比例准确度优于2×10^-8。

第二方面，本发明提出一种电阻负载系数精密测量方法，利用第一方面的采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置，所述方法包括：

S1：所述主动电流源向所述主绕组通入主电流I，其中，所述主电流I需小于等于所述组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流，从动电流源向所述副绕组通入副电流，其中，所述副电流与所述主电流之间的比值等于所述主绕组与所述副绕组的匝数比，采用组合式量子霍尔电阻器件作为参考基准，测得所述被测电阻与所述参考基准在一倍功率P下的比例值；

S2：按照设定的电流倍率增加步长逐步增大所述主电流，在不同的主电流下分别重复步骤S1，测得所述被测电阻与所述参考基准在多个功率比较点下的电阻比例值；其中，所述主电流的上限均为所述组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流；

S3：根据步骤S1和S2获得所述被测电阻在不同功率比较点下的实际阻值，基于所述被测电阻在不同功率点下的实际阻值，通过数据拟合的方式获得所述被测电阻的阻值波动曲线和负载系数。

优选地，所述数据拟合的方式为最小二乘法。

本发明的有益效果在于：

本发明的电阻负载系数精密测量装置包括电流比较仪电阻电桥、组合式量子霍尔电阻器件和被测电阻，其中组合式量子霍尔电阻器件由多个量子霍尔电阻通过串并联的独特方式组合构成，在将串并联接触电阻影响降低至极低的同时提升了上限流通电流，并维持与单个量子霍尔电阻相同的阻值，在对被测电阻进行负载系数测量时，将组合式量子霍尔电阻器件作为电阻电桥比对的参考基准，能够有效提高被测电阻负载系数测量时的负载上限，同时利用量子霍尔电阻的无负载效应，提高测量精度。

本发明的电阻负载系数精密测量方法中，由于参考基准选用了无负载效应的组合式量子霍尔电阻器件，上限流通电流高，可以用电流比较仪电阻电桥完成被测电阻在不同功率下的多次比对测量，最后通过对测量数据拟合进而获得被测电阻的阻值变动曲线和负载系数，以此能够实现电阻负载系数的高准确度测定。

本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了量子霍尔电阻的基本结构示意图。

图2示出了本发明的一种采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置结构示意图。

图3示出了本发明实施例中包括4个量子霍尔电阻的组合式量子霍尔电阻的结构示意图。

图4示出了本发明实施例中包括9个量子霍尔电阻的组合式量子霍尔电阻的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种电阻负载系数精密测量装置，包括：电流比较仪电阻电桥9、组合式量子霍尔电阻器件7和被测电阻8；

电流比较仪电阻电桥9包括主动电流源1、从动电流源3、指零仪6、不平衡磁通检测器2、主绕组4和副绕组5；

主动电流源1的两极分别与主绕组4的首端和组合式量子霍尔电阻器件7一端连接，主绕组4的尾端与组合式量子霍尔电阻器件7的另一端连接；

从动电流源3的两极分别与副绕组5的首端和被测电阻8的一端连接，副绕组5的尾端与被测电阻8的另一端连接；

指零仪6的两端分别连接至组合式量子霍尔电阻器件7和被测电阻8，指零仪6用于指示组合式量子霍尔电阻器件7与被测电阻8之间的差压信号；

不平衡磁通检测器2的一端通过检测线圈探测主绕组4与副绕组5在进行电流比对时的不平衡磁通，不平衡磁通检测器2的另一端连接于从动电流源3，不平衡磁通检测器2将检测到的不平衡磁通作为反馈量反馈至从动电流源3，进而维持电桥比对的稳定性。

构成组合式量子霍尔电阻器件的量子霍尔电阻的数量由被测电阻所需评价的功率范围决定；组合式量子霍尔电阻器件可以包括n²个量子霍尔电阻，n≥2，n²个量子霍尔电阻两两之间以串并联的方式交叉组合构成组合式量子霍尔电阻；组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流为单个量子霍尔电阻上限流通电流的n倍，组合式量子霍尔电阻器件的上限测量功率为单个量子霍尔电阻的n²倍。在对被测电阻8进行负载系数测量时，组合式量子霍尔电阻器件7作为电流比较仪电阻电桥9比对的参考基准。

如图1，单个量子霍尔电阻一般表现为Hall bar形状共8个引脚，其中一个电流引脚和一侧的3个电压引脚构成电阻首端，其余构成电阻末端。本发明的组合式量子霍尔电阻器件由多个量子霍尔电阻器件串并联组成，2个量子霍尔电阻器件的串联需将一器件的首端电流引脚连接于另一个器件的末端电流引脚，同时将首端的两个电压引脚与另一器件的末端两个电压引脚连接；2个量子霍尔电阻器件并联需将两个器件的首端电流引脚相连，同时将两器件首端的两个电压引脚相连。

本实施例中，组合式量子霍尔电阻器件7包括4个量子霍尔电阻，4个量子霍尔电阻两两之间以串并联的方式交叉组合构成组合式量子霍尔电阻7；组合式量子霍尔电阻7的上限流通电流为单个量子霍尔电阻上限流通电流的2倍。优选地，量子霍尔电阻材料为砷化镓，单个量子霍尔电阻上限流通电流为38.75uA，该量子霍尔电阻在上限流通电流内，无负载效应。

具体地，如图3所示，组合式量子霍尔电阻器件7由4个量子霍尔电阻：QHR-1、QHR-2、QHR-3、QHR-4构成，其中QHR-1与QHR-3、QHR-2与QHR-4之间并联连接，QHR-1与QHR-2、QHR-3与QHR-4之间串联连接，而后再交叉组合连接在一起，形成两两之间串并联的连接方式，独特的连接方式不仅将串并联引线接触电阻的影响降低至了极低，并将样品的上限电流提升了两倍，同时维持与单量子霍尔电阻相同的阻值，提升了电阻比对时的上限功率。

在其他实施例中，当被测电阻所需评价的功率范围更大时，组合式量子霍尔电阻器件也可以采用9个、16个、25个等n²数量的量子霍尔电阻两两之间以串并联的方式交叉组合构成组合式量子霍尔电阻器件。如图4所示，以9个量子霍尔电阻QHR-1至QHR-9构成组合式量子霍尔电阻器件为例，该组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流为单个量子霍尔电阻上限流通电流的3倍，组合式量子霍尔电阻器件的上限测量功率为单个量子霍尔电阻的9倍。

本实施例中，电流比较仪电阻电桥9选用的是低温电流比较仪电阻电桥，在其他实施例中，电流比较仪电阻电桥9也可以选择直流电流比较仪电阻电桥或低频电流比较仪电阻电桥等。

本实施例中，电流比较仪电阻电桥9中的主绕组4的匝数W₁与副绕组5的匝数W₂之间的匝数比W₁/W₂选择为4001:31，且比例准确度优于2×10^-8。在其他实施例中，主绕组4与副绕组5之间的匝数比也可以为2065:16，或6066:47，比例准确度优于2×10^-8。

本实施例中，指零仪6两端分别连接在组合式量子霍尔电阻器件7和被测电阻8，对二者之间形成的差分电压进行指示，本实施例中指零仪6选用纳伏计。

本实施例中，不平衡磁通检测器2选用超导量子干涉仪(SQUID)，不平衡磁通检测器2通过检测线圈探测电流比较仪电阻电桥9中主绕组4与副绕组5之间的不平衡磁通，而后反馈至从动电流源3，实现电流比较仪电阻电桥9两绕组在电阻比对时的电流比例稳定平衡。

实施例2

本实施例提供一种电阻负载系数精密测量方法，利用实施例1的电阻负载系数精密测量装置，该测量方法包括以下步骤：

S1：主动电流源1向电阻电桥内的主绕组4通入主电流I，其中，主电流I需小于等于组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流，从动电流源3向电阻电桥内的副绕组5通入副电流，其中，副电流与主电流之间的比值等于主绕组与副绕组的匝数比，采用组合式量子霍尔电阻器件7作为参考基准，测得被测电阻8与参考基准在一倍功率P下的比例值；

具体地，本步骤进行的是一倍功率即流通电流I(38.74uA)情况下的比对测量。

主动电流源1向主绕组4(即组合式量子霍尔电阻器件7侧)通入电流I，本实施例中选用电流为38.74uA，从动电流源3(3)根据主副绕组5匝数比W₁:W₂向副绕组5(即被测电阻8侧)通入成比例电流IW₁/W₂，完成1(1²)倍功率条件下的电阻比对，测得被测电阻8与参考基准在一倍功率比较点下的电阻比值。

S2：按照设定的电流倍率增加步长逐步增大主电流，在不同的主电流下分别重复步骤S1，测得被测电阻8与参考基准在多个功率比较点下的电阻比例值；其中，主电流的上限为组合式量子霍尔电阻器件7的上限流通电流；

具体地，本步骤首先进行的是2.25倍功率即流通电流1.5I情况下的比对测量。

主动电流源1向主绕组4(即组合式量子霍尔电阻器件7侧)通入电流1.5I，本实施例中选用电流为58.11uA，从动电流源3根据主副绕组5匝数比W₁:W₂向副绕组5(即被测电阻8侧)通入成比例电流1.5IW₁/W₂，完成2.25(1.5²)倍功率条件下的电阻比对；测得被测电阻8与参考基准在2.25倍功率比较点下的电阻比值。

之后再进行4倍功率即流通电流2I情况下的比对测量。

主动电流源1向主绕组4(即组合式量子霍尔电阻器件7侧)通入电流2I，本实施例中选用电流为77.48uA，从动电流源3根据绕组比W₁:W₂向副绕组5(即被测电阻8侧)通入成比例电流2IW₁/W₂，完成4(2²)倍功率条件下的电阻比对；测得被测电阻8与参考基准在4倍功率比较点下的电阻比值。

S3：根据步骤S1和S2测得的多个电阻比值，获得被测电阻8在不同比较功率点下的实际阻值，而后通过数据拟合的方式获得被测电阻8的阻值波动曲线和负载系数曲线。

具体地，本步骤采用最小二乘法对步骤S1和S2获得的测量数据进行数据拟合处理。

根据步骤S1和S2的三次对比测量测得的被测电阻8与组合式量子霍尔电阻7之间的电阻比值，计算得到在1倍功率、2.25倍功率、以及4倍功率下的被测电阻8的实际阻值{R_1P,R_2.25P,R_4P}，并记为{x₁,x₂,x₃}；将测试采用的功率点{P,2.25P,4P}记为{p₁,p₂,p₃}，而后采用最小二乘法的方式对x_k与p_k进行数据拟合。数据拟合与分析的步骤如下：

设拟合函数为

f(p)＝x₁(1+η(p_i-p₁)) (1)

为使该函数在p_i处的值f(p_i)与轨迹数据x_i接近，函数(1)在各功率点p_i处的残差平方和为：

当式(2)即残差平方和最小时，即为最佳拟合曲线，该情况下的η便为负载系数；同时根据被测电阻8值{R_1P，R_2.25P，R_4P}，以及对应功率{P₁，P_2.25，P₄}即可画出功率-阻值曲线。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置，其特征在于，包括：电流比较仪电阻电桥、组合式量子霍尔电阻器件和被测电阻；

所述电流比较仪电阻电桥包括主动电流源、从动电流源、指零仪、不平衡磁通检测器、主绕组和副绕组；

所述主动电流源的两极分别与所述主绕组的首端和所述组合式量子霍尔电阻器件一端连接，所述主绕组的尾端与所述组合式量子霍尔电阻器件的另一端连接；

所述从动电流源的两极分别与所述副绕组的首端和所述被测电阻的一端连接，所述副绕组的尾端与所述被测电阻的另一端连接；

所述指零仪的两端分别连接至所述组合式量子霍尔电阻器件和所述被测电阻，所述指零仪用于指示所述组合式量子霍尔电阻器件与所述被测电阻之间的差压信号；

所述不平衡磁通检测器通过检测线圈探测所述主绕组与所述副绕组在电流比对时的不平衡磁通，所述不平衡磁通检测器的一端连接于从动电流源，所述不平衡磁通检测器将检测到的所述不平衡磁通作为反馈量反馈至所述从动电流源以维持电桥比对的稳定；

所述组合式量子霍尔电阻器件由多个量子霍尔电阻通过串并联组成，所述组合式量子霍尔电阻器件的阻值与单个所述量子霍尔电阻的阻值相同；

在对所述被测电阻进行负载系数测量时，所述组合式量子霍尔电阻器件作为所述电流比较仪电阻电桥的参考基准；

构成所述组合式量子霍尔电阻器件的量子霍尔电阻的数量由被测电阻所需评价的功率范围决定；

所述组合式量子霍尔电阻包括n²个所述量子霍尔电阻，n≥2，n²个所述量子霍尔电阻两两之间以串并联的方式交叉组合构成所述组合式量子霍尔电阻；所述组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流为单个所述量子霍尔电阻上限流通电流的n倍，所述组合式量子霍尔电阻器件上限比对功率为单个量子霍尔电阻的n²倍。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述量子霍尔电阻在上限流通电流内，无负载效应。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流比较仪电阻电桥为低温电流比较仪电阻电桥、直流电流比较仪电阻电桥或低频电流比较仪电阻电桥。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主绕组与所述副绕组之间的匝数比为2065:16，或4001:31，或6066:47，且比例准确度优于2×10^-8。

5.一种电阻负载系数精密测量方法，利用权利要求1-4任意一项的采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置，其特征在于，所述方法包括：

S1：所述主动电流源向所述主绕组通入主电流，其中，所述主电流需小于等于所述组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流，从动电流源向所述副绕组通入副电流，其中，所述副电流与所述主电流之间的比值等于所述主绕组与所述副绕组的匝数比，采用组合式量子霍尔电阻器件作为参考基准，测得所述被测电阻与所述参考基准在一倍功率P下的比例值；

S2：按照设定的电流倍率增加步长逐步增大所述主电流，在不同的主电流下分别重复步骤S1，测得所述被测电阻与所述参考基准在多个功率比较点下的电阻比例值；其中，所述主电流的上限均为所述组合式量子霍尔电阻器件的上限流通电流；

S3：根据步骤S1和S2获得所述被测电阻在不同功率比较点下的实际阻值，基于所述被测电阻在不同功率点下的实际阻值，通过数据拟合的方式获得所述被测电阻的阻值波动曲线和负载系数。

6.根据权利要求5所述的电阻负载系数精密测量方法，其特征在于，所述数据拟合的方式为最小二乘法。

Images