CN108089057A - 一种用于超低温光电输运测试的测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明的一种用于超低温光电输运测试的测试平台属于超低温测量仪器的技术领域，其结构有USB接口(1)、SMA 905接口(2)、黑色有机玻璃片(3)、空心圆杆(4)、导线组(5)、测试台上部分(6)、测试台下部分(7)、石英光纤(8)。本发明具有制作成本低、结构紧凑、适用范围广等特点。

Description

一种用于超低温光电输运测试的测试平台

技术领域

本发明属于超低温测量仪器的技术领域，特别涉及一种用于超低温光电输运测试的测试平台。

背景技术

电输运测试是导电材料性质分析的常用手段，通常用4线法对样品进行电阻测试。随着科学研究的发展，单一的电输运测试不能满足材料多方位研究的需求，特别是一些对不同波段光照射较为敏感的导电材料往往需要进行光电输运测试。常温的光电输运测试时样品放在光源可照射范围内进行范德堡4线法测试电阻(见图1)。测试方法为：在待测样品表面引出四个电极，相邻的两条电极连接电流源、另两条电极连接电压表，选定适合的光波照射样品，再通过下面公式计算出待测样品的电阻率。

ρ＝(π/ln2)(V/I)(tk)

其中，ρ＝体积电阻率，单位是Ω·cm；V＝测得的电压，单位是V；I＝源电流，单位是A；t＝样本厚度，单位是cm；k＝校正系数，取决于探针与晶圆直径的比例以及晶圆厚度与探针间距的比例。

范德堡4线光电输运测试方法适用于低温或超低温的光电输运测试或带有外加磁场环境下光电磁输运测试。通常情况下，将待测样品放置可提供超低温和可控磁场的设备中，通过加装的四探针装置进行超低温的光电输运和光磁电输运。

目前常见可用于超低温(最低温度2K)、高磁场(±7特斯拉)的光电输运测试装置如美国量子设计公司生产的综合物性测试系统(以下简称PPMS)、MPM3型超导量子干涉仪(以下简称SQUID-MPM3系统)，这些装置提供超低温和高磁场测试环境，利用专用的选件，进行超低温的光电输运测试。但现有的光电输运选件只能用于PPMS系统，此选件采用4线法对样品进行350nm～1850nm区间不同波段光照下的光电输运测量。其光电输运选件由光源接口、进样口封密器、金属支撑杆与内置光纤、样品测试台、PPMS专用接口组成(见图2)。根据测试的需求选择适合的光源，光波由光源发射器发出，通过光源接口和PPMS的光电输运选件内置的光纤照射到PPMS测试台上的待测样品上，最后通过PPMS专用接口将电压、电流等信号传输给PPMS的主机系统进行数据采集和计算。

但现有的光电输运选件存在以下缺点：1、主要是成本高，从现有用于超低温、强磁场的光电输运测试选件的结构可看出，该选件只能通过专用的接口才能与镶嵌在PPMS样品腔底部的控制器和数据采集器等装置连接，以实现样品与PPMS的通讯和测试工作。这个接口需要与PPMS完全匹配，因此价格非常高。2、该选件的结构仅适用于PPMS系统。PPMS样品腔口径较大，而SQUID-MPM3系统的样品腔直径仅有8.8mm，所以PPMS的光电输运选件无法在SQUID-MPM3系统上使用。可在SQUID-MPM3系统中使用的光电输运装置未见报导。

发明内容

本发明的目的是，为了克服背景技术存在的不足，提供一种可用于美国量子设计公司生产的MPM3型超导量子干涉仪(简称SQUID-MPM3系统)的光电输运测试装置，以解决利用SQUID-MPM3系统的超低温(最低温为2K)、高磁场(最高7特斯拉)体系进行光电输运的测试的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于超低温光电输运测试的测试平台，其结构有USB接口(1)、SMA 905接口2、黑色有机玻璃片3、空心圆杆4、导线组5、测试台上部分6、测试台下部分7、石英光纤8；

所述的USB接口1和SMA 905接口2固定于黑色有机玻璃片3的顶端，所述的黑色有机玻璃片3，直径为50mm，厚10mm；所述的空心圆杆4外径为3mm，长度为804mm，顶端穿过黑色有机玻璃片3且在黑色有机玻璃片3的上表面与SMA 905接口2连接固定；所述的导线组5由4根相互绝缘的导线构成，4根导线按相同方向螺旋缠绕并固定在空心圆杆4上，且一端分别与USB接口1内部的4根引线相连；

所述的测试台上部分6由第一圆柱体61、第二圆柱体62和母接线端子组63构成，第一圆柱体61高度为2mm，直径为7.8mm；第二圆柱体62高度为5mm，直径为7.8mm，中心有直径2mm的通孔，空心圆杆4的下端穿过第一圆柱体61，空心圆杆4的下端有与空心圆杆4一体结构的十字型支架41坐于第二圆柱体62的上表面，用于将空心圆杆4、第一圆柱体61、第二圆柱体62固定，空心圆杆4、第一圆柱体61、第二圆柱体62同轴，第一圆柱体61的下表面与第二圆柱体62的上表面连接并密封，空心圆杆4的内部有石英光纤8，石英光纤8的上端连接至SMA 905接口2中，下端悬于第二圆柱体62的通孔中；第二圆柱体62的下部镶嵌有母接线端子组63，所述的母接线端子组63由4个直径为0.7mm、高度为2mm的母接线端子构成，4个母接线端子均开口向下，且下端均与第二圆柱体62的下表面平齐，从第二圆柱体62的下表面看，4个母接线端子所围成形状为正方形，正方形的中心与第二圆柱体62的下表面圆环同心，正方形的每个顶点与第二圆柱体62的下表面外沿的最短距离均为0.9mm，4个母接线端子分别位于正方形的4个顶点；4个母接线端子分别与所述的导线组5的4根导线的另一端相连；

所述的测试台下部分7由第三圆柱体71、第四圆柱体72、导热片73和公接线端子组74构成；第三圆柱体71高度为2mm，直径为7.8mm，中心有4*4mm的正方形通孔；第四圆柱体72高度为6mm，直径为7.8mm，中心有直径2mm的圆形通孔；第三圆柱体71与第四圆柱体72同轴，且第三圆柱体71的下表面与第四圆柱体72的上表面密封粘连，在第三圆柱体71的正方形通孔内有3.9*3.9mm的正方形导热片73覆盖第四圆柱体72的中心圆形通孔；第四圆柱体72的上部镶嵌有公接线端子组74，所述的公接线端子组74由4个直径为0.6mm、高度为10mm的公接线端子构成，4个公接线端子均贯穿第三圆柱体71，且露出部分高5mm，从第三圆柱体71的上表面看，4个公接线端子所围成形状为正方形，正方形的中心与第三圆柱体71的上表面圆环同心，正方形的每个顶点与第三圆柱体71的上表面外沿的最短距离均为0.9mm，4个公接线端子分别位于正方形的4个顶点。

作为优选，本发明的一种用于超低温光电输运测试的测试平台中，所述的空心圆杆4是空心磷铜杆或空心碳纤维杆，所述的导线组5是由相互绝缘的4根磷铜线构成的。

作为优选，本发明的一种用于超低温光电输运测试的测试平台中，所述的第一圆柱体61、第二圆柱体62)、第三圆柱体71、第四圆柱体72均为聚酰亚胺材料制成的。

有益效果：

1、制作成本低。现有的低温光电输运测试选件价格在一万美元以上。而本发明所用的耐低温抗磁材料如石英光纤、聚酰亚胺、磷铜线和磷铜杆等，均可在市场购买到，而且价格便宜。如一米长、带SMA 905接口的石英光纤仅200元人民币左右，聚酰亚胺棒材也在400～500元人民币左右，其它材料不超过百元，因此本发明的制作成本非常低。

2、本发明的测试平台结构紧凑，完全适用于SQUID-MPM3系统。而现有的超低温光电输运测试选件测试台口径大，约15mm，无法在SQUID-MPM3系统上使用。

3、适用范围广泛。现有的低温光电输运测试选件需要通过专用的测试台与PPMS系统腔体内的器件连接，才能完成光电输运测试。而本发明将光、电接口外置，测试平台只需根据测试仪器的空间进行简单的调整，便可应用于其它带有相似腔体的低温设备。

附图说明

图1是范德堡4线法测试电阻的原理示意图。

图2是与本发明最接近的现有技术用于PPMS系统的光电输运选件照片。

图3是本发明的整体结构示意图。

图4是本发明所述的测试台上部分6的分解示意图。

图5是本发明所述的测试台下部分7的分解示意图。

图6是本发明所述的测试台上部分6和测试台下部分7的对接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行具体的说明。

实施例1本发明的整体结构

如图3所示，本发明一种用于超低温光电输运测试的测试平台，其结构有USB接口1、SMA 905接口2、黑色有机玻璃片3、空心圆杆4、导线组5、测试台上部分6、测试台下部分7、石英光纤8构成。所述的USB接口1和SMA 905接口2固定于黑色有机玻璃片3的顶端，所述的空心圆杆4顶端穿过黑色有机玻璃片3且在黑色有机玻璃片3的上表面与SMA 905接口2连接固定，底端固定于测试台上部分6中；所述的导线组5由4根相互绝缘的导线构成，4根导线按相同方向螺旋缠绕并固定在空心圆杆4上，且一端分别与USB接口1内部的4根引线相连，另一端与测试台上部分6中的4个母接线端子相连，USB接口1用于与外加仪表进行连接，在进行光电输运测试时，起到电气连接的作用；空心圆杆4中有石英光纤8，石英光纤8的一端与SMA 905接口2相连，另一端悬于测试台上部分6的窗口中，SMA 905接口2用于与外部光源进行连接，在进行光电输运测试时，起到导光作用；测试台上部分6与测试台下部分7通过公接线端插入母接线端子中进行连接固定。

实施例2顶部接口的安装

本发明所述的黑色有机玻璃片3直径为50mm，厚10mm，用于代替SQUID-MPM3系统封闭腔体的金属盖，USB接口1、SMA 905接口2固定于黑色有机玻璃片3顶端，与黑色有机玻璃片3连接处用亚克力胶完全密封，以保证测试过程中样品腔处于高真空状态。

SMA 905接口2用于连接发射光源，安装于黑色有机玻璃片3顶端。SMA 905接口的底端与内部装有石英光纤8、直径为3mm、长度为804mm的磷铜或碳纤维材质的空心圆杆4相连，连接处用环氧树脂填塞以达到完全封闭。

USB接口1用于连接外部仪表，导线组5由4根直径为0.2mm的两端去除外层绝缘漆的磷铜线组成，顶端分别与USB接口1内部的四个引线相连，从黑色有机玻璃片3的上端向下穿过后，接口用亚克力胶密封，4根磷铜线按同一方向螺旋缠绕在空心杆4的外侧并用低温胶带固定，底端与测试台上部分6内的四个母接线端子相连。

实施例3测试台上部分的制作

如图4所示，测试台上部分6由第一圆柱体61、第二圆柱体62和母接线端子组63构成，第一圆柱体61、第二圆柱体62，均为直径7.8mm的聚酰亚胺(工作温度2K～400K)。

第一圆柱体61高度为2mm，中间留有直径为3mm圆孔，石英光纤8、空心圆杆4及导线组5从这个圆孔穿过。空心圆杆4的末端用工具将其平均切分成四份(长度约的3mm)，之后向上掰至与轴心相垂直，做成十字型支架41，将第一圆柱体61落在十字型支架41上并用353ND环氧树脂固定，并在100～110℃烧结固定。

第二圆柱体62高度为5mm，中间留有直径2mm的通孔，将石英光纤8穿进此通孔，其末端的2mm留在第二圆柱体62的通孔内。

从第二圆柱体62的下表面打四个直径0.8mm、深2mm的圆孔，圆孔的轴心均与第二圆柱体62的轴心平行，这四个圆孔的底面圆心围成正方形，并且这四个圆心到第二圆柱体62外沿的最短距离均为0.9mm。四个圆孔用来安装母接线端子组63，母接线端子组63由四个直径为0.7mm、高度为2mm的母接线端子组成，每个母接线端子开口向下埋入第二圆柱体62上的4个圆孔内，开口均与第二圆柱体62的下表面在同一平面。四个母接线端子末端分别与导线组5中的4根导线连接。将第一圆柱体61的下表面与第二圆柱体62的上表面用353ND环氧树脂固定，并在100～110℃烧结固定。

实施例4测试台下部分的制作

如图5所示，所述的测试台下部分7由第三圆柱体71、第四圆柱体72、导热片73和公接线端子组74构成；第三圆柱体71、第四圆柱体72，均为直径7.8mm的聚酰亚胺(工作温度2K～400K)。

第三圆柱体71高度为2mm，中间开有4×4mm的正方形进样通孔。在第三圆柱体71上打有四个直径0.7mm通孔，贯穿第三圆柱体71的上下表面，其位置与第二圆柱体61的四个圆孔位置一一对应。

导热片73为3.9×3.9mm、厚0.5mm平整的黄铜片，测试时样品用双面胶或导热胶粘在导热片73上，一同放入第三圆柱体71的进样通孔内。双面胶或导热胶能够很好的绝缘，同时导热片73可将热量均匀传递给测试样品，确保测试结果准确。

第四圆柱体72高度为6mm，中间留直径为2mm的通孔，导热片73放在通孔上并覆盖通孔。测试时腔体温度可通过该通孔传递到导热片73，这样可减小测试样品温度与样品腔温度的误差。

从第四圆柱体72的上表面打四个直径0.7mm、深3mm的圆槽，四个圆孔与第二圆柱体62的四个圆孔一一相对。公接线端子组74为四个直径为0.6mm、高度为10mm的公接线端子构成，分别放置于第四圆柱体72的四个圆槽内，并从第三圆柱体71的四个通孔中穿出，将四个公接线端子的顶端调到同一平面内，底端用353ND环氧树脂填充并固定。

三圆柱体71下表面、第四圆柱体72的上表面涂353ND环氧树脂进行连接，并在100～110℃烧结固定。

使用时，测试台下部分7的公接线端子组74插入测试台上部分6的母接线端子组63中，实现测试信息的传输(如图6所示)。

本发明的测试平台结构紧凑，完全适用于SQUID-MPM3系统，且光、电接口外置，测试平台只需根据测试仪器的空间进行简单的调整，便可应用于其它带有相似腔体的低温设备。另外，本发明所用的耐低温抗磁材料如石英光纤、聚酰亚胺、磷铜线和磷铜杆等，均可在市场购买到，而且价格便宜，如一米长、带SMA 905接口的石英光纤仅200元人民币左右，聚酰亚胺棒材也在400～500元人民币左右，其它材料不超过百元，因此本发明的制作成本非常低。相比之下，与本发明最接近的现有技术的低温光电输运测试选件价格在一万美元以上，且只能固定用于PPMS系统。

Claims (3)

1.一种用于超低温光电输运测试的测试平台，其结构有USB接口(1)、SMA905接口(2)、黑色有机玻璃片(3)、空心圆杆(4)、导线组(5)、测试台上部分(6)、测试台下部分(7)、石英光纤(8)；

所述的USB接口(1)和SMA 905接口(2)固定于黑色有机玻璃片(3)的顶端，所述的黑色有机玻璃片(3)，直径为50mm，厚10mm；所述的空心圆杆(4)外径为3mm，长度为804mm，顶端穿过黑色有机玻璃片(3)且在黑色有机玻璃片(3)的上表面与SMA 905接口(2)连接固定；所述的导线组(5)由4根相互绝缘的导线构成，4根导线按相同方向螺旋缠绕并固定在空心圆杆(4)上，且一端分别与USB接口(1)内部的4根引线相连；

所述的测试台上部分(6)由第一圆柱体(61)、第二圆柱体(62)和母接线端子组(63)构成，第一圆柱体(61)高度为2mm，直径为7.8mm；第二圆柱体(62)高度为5mm，直径为7.8mm，中心有直径2mm的通孔，空心圆杆(4)的下端穿过第一圆柱体(61)，空心圆杆(4)的下端有与空心圆杆(4)一体结构的十字型支架(41)坐于第二圆柱体(62)的上表面，用于将空心圆杆(4)、第一圆柱体(61)、第二圆柱体(62)固定，空心圆杆(4)、第一圆柱体(61)、第二圆柱体(62)同轴，第一圆柱体(61)的下表面与第二圆柱体(62)的上表面连接并密封，空心圆杆(4)的内部有石英光纤(8)，石英光纤(8)的上端连接至SMA 905接口(2)中，下端悬于第二圆柱体(62)的通孔中；第二圆柱体(62)的下部镶嵌有母接线端子组(63)，所述的母接线端子组(63)由4个直径为0.7mm、高度为2mm的母接线端子构成，4个母接线端子均开口向下，且下端均与第二圆柱体(62)的下表面平齐，从第二圆柱体(62)的下表面看，4个母接线端子所围成形状为正方形，正方形的中心与第二圆柱体(62)的下表面圆环同心，正方形的每个顶点与第二圆柱体(62)的下表面外沿的最短距离均为0.9mm，4个母接线端子分别位于正方形的4个顶点；4个母接线端子分别与所述的导线组(5)的4根导线的另一端相连；

所述的测试台下部分(7)由第三圆柱体(71)、第四圆柱体(72)、导热片(73)和公接线端子组(74)构成；第三圆柱体(71)高度为2mm，直径为7.8mm，中心有4*4mm的正方形通孔；第四圆柱体(72)高度为6mm，直径为7.8mm，中心有直径2mm的圆形通孔；第三圆柱体(71)与第四圆柱体(72)同轴，且第三圆柱体(71)的下表面与第四圆柱体(72)的上表面密封粘连，在第三圆柱体(71)的正方形通孔内有3.9*3.9mm的正方形导热片(73)覆盖第四圆柱体(72)的中心圆形通孔；第四圆柱体(72)的上部镶嵌有公接线端子组(74)，所述的公接线端子组(74)由4个直径为0.6mm、高度为10mm的公接线端子构成，4个公接线端子均贯穿第三圆柱体(71)，且露出部分高5mm，从第三圆柱体(71)的上表面看，4个公接线端子所围成形状为正方形，正方形的中心与第三圆柱体(71)的上表面圆环同心，正方形的每个顶点与第三圆柱体(71)的上表面外沿的最短距离均为0.9mm，4个公接线端子分别位于正方形的4个顶点。

2.根据权利要求1所述的一种用于超低温光电输运测试的测试平台，其特征在于，所述的空心圆杆(4)是空心磷铜杆或空心碳纤维杆，所述的导线组(5)是由相互绝缘的4根磷铜线构成的。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于超低温光电输运测试的测试平台，其特征在于，所述的第一圆柱体(61)、第二圆柱体(62)、第三圆柱体(71)、第四圆柱体(72)均为聚酰亚胺材料制成的。