CN108362743A - 低温电阻率测量装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温电阻率测试装置，连接外部冷源，用于对低温状态下待测样品的电阻率测量，其特征在于，包括热沉、样品架、至少两根探针、绝缘架、定位压板、绝缘压环、固定螺栓和加固压板。本发明还公开了该低温电阻率测试装置的测试方法。本发明能够准确地定位电极，有效地保证电阻率测量的准确性，同时可靠地固定待测样品，保证其完整性，具有广泛的应用前景。

Description

低温电阻率测量装置及其安装方法

技术领域

本发明属于低温测量技术领域，具体涉及一种低温电阻率的测量装置及其安装方法。

背景技术

在超导研究以及金属及其化合物电迁移性质的研究方面，需要准确地知道这些材料在低温下的电阻率。中国专利申请CN101021502A公开了一种低温电阻温度系数测量装置，由恒温部分、温度测量与控制、电阻测量三部分组成。其恒温部分由冷源、加热器、密封件、恒温室、保温层等部分组成。其采用电阻结合数字仪表对温度进行测量和控制，采用双臂电桥发货电位计法对电阻进行测量。

上述申请尚未公开其对被测材料的夹持和定位的技术方案。需要说明的是，在低温电阻率测量过程中，要为材料的样品制作能够准确定位的电极，保证电阻率测量的准确性。如果样品还需做其它的分析测试，还必须保证样品的完整性。传统的低温电阻率测量设备在电极制作方面均采用的是银胶、金胶或焊接的方式，这样的电极方式在胶斑控制以及在样品完整性保存的能力上尚有不足之处，且这类低温电阻率测量装置造价昂贵、操作复杂。

发明内容

本发明针对现有的技术问题作出改进，即发明所要解决的技术问题是提供一种低温电阻率的测量装置，能够准确地定位电极，有效地保证电阻率测量的准确性，同时可靠地固定待测样品，保证其完整性。

本发明提供的技术方案为：一种低温电阻率测试装置，连接外部冷源，用于对低温状态下待测样品的电阻率测量，其特征在于，包括：热沉，与外部冷源连接并吸收其冷量；样品垫，位于所述样品和所述热沉之间，为绝热导热材质；至少两根探针，其底端指向所述待测样品；绝缘架，设有上下贯通的、用于容纳所述待测样品和所述样品垫的空腔，其底端置于所述热沉上，所述绝缘架顶端的高度低于所述待测样品的顶端高度；绝缘压环，位于所述样品上侧；定位压板，位于所述绝缘压环上侧，其上设有供所述探针穿过的定位孔；第一固定螺栓，从上至下依次穿过定位压板上开设的通孔、绝缘压环上开设的通孔、绝缘架上开设的通孔、热沉上开设的固定孔，将所述待测样品经所述样品垫固定于所述热层上，同时将所述绝缘架固定于所述热沉上；以及加固压板，固定于所述定位压板上，其上表面安装有与所述探针一一对应的弹簧片，每根弹簧片具有可上下弹压的活动端，该活动端通过弹压其对应探针的顶端，将该探针的底端压于所述待测样品加固的上表面，该弹簧片同时作为测量的电极连接外部的测量导线。

进一步，所述待测样品、所述样品垫置均呈圆盘形，所述绝缘架呈圆环形。

进一步，所述样品垫为蓝宝石材质。

进一步，所述外部冷源为G-M制冷机，所述热沉与G-M制冷机的冷头固定热连接。

进一步，上述低温电阻率测试装置还包括加热器、温度传感器以及温度控制器，所述加热器、温度传感器固定于所述热沉上，所述温度控制器根据温度传感器的测试数据控制所述加热器对所述热沉进行加热从而控制所述热沉的温度。

进一步，所述探针为四根且并排等间距设置。

进一步，上述低温电阻率测试装置还包括防辐射屏蔽罩，其呈上端带盖板、下端开口的圆筒状且固定于所述热沉上。

进一步，所述加固压板通过第二螺栓固定于所述定位压板上方，所述加固压板和所述定位压板之间设有间隙。

本发明还公开上述低温电阻率测试装置的安装方法，其技术方案为：一种低温电阻率测试装置的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将热沉固定在冷源上，样品垫置于热沉上，待测样品置于样品垫上；

步骤二，将绝缘架置于热沉上，同时使得样品垫及待测样品套于绝缘架内；

步骤三，将绝缘压环置于待测样品上侧，定位压板置于绝缘压环上侧；

步骤四，通过第一螺栓进行压紧操作，保证待测样品定位的同时将待测样品、样品垫与热沉紧密接触；

步骤五，将探针沿定位压板上的定位孔穿入，使得探针底端指向待测样品的上表面；

步骤六，将加固压板置于绝缘架上方，并将加固压板固定，将加固压板弹簧片的活动端压于探针顶端，并将弹簧片固定于加固压板上，将测量导线连接弹簧片。

基于上述低温电阻率测试装置及其安装方法具有如下技术效果：

本发明的低温电阻率测量的样品夹持方法，其特点在于：

1)采用蓝宝石基底进行绝缘传热，保证了待测样品在进行电绝缘的同时还能够降温；

2)对探针进行了热沉处理，避免了探针的温度传递到样品上，这样就保证了待测样品下端的温度计显示的温度为样品的真实温度。

3)可为四探针提供准确的定位，为电阻率换算提供了准确可靠的探针修正系数，同时独特的弹簧片设计为探针提供了热补偿，有效的防止了在变温实验时由于热膨胀效应而产生的探针移动，从而导致探针离开接触点的问题。

4)规避了传统的银胶、金胶或焊接等方式对待测样品的固定，通过从上向下压紧的方式，保证了样品的完整性。

5)待测样品的安装固定操作简易方便，便于更换待测样品进行多轮反复测试。

附图说明

图1是本发明实施例提供的低温电阻率测量装置的主视图。

图2是本发明实施例提供的低温电阻率测量装置的侧视图。

图3是本发明实施例提供的低温电阻率测量装置的三维视图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

下面结合图1-图3对本发明提供的低温电阻率测量装置进行详细说明。为了叙述方便，下文中所称的“上”“下”与附图本身的“上”“下”方向一致，但不对本发明的结构起到限定作用。例如，本装置可以横向地安装于制冷机的冷头上。

本实施例提供的低温电阻率测试装置包括热沉2、绝缘压环3、绝缘架4、探针5、蓝宝石6、定位压板8、加固压板9、加热器10、温度传感器11、防辐射屏蔽罩12、探针13、第一固定螺栓14。

热沉2固定于G-M制冷机的冷头1上并与冷头1热连接，使得热沉2能够充分地从G-M制冷机获得冷量。当然，也可选用其他公知的冷源给热沉2提供冷量，如输送低温液体直接进行制冷。蓝宝石6作为样品垫置于待测样品7和热沉之间。在待测样品7和热沉2之间设置样品垫的目的在于确保待测样品7与热沉2之间的良好绝缘，同时将来自热沉2的冷量高效地传输给待测样品7。在低温下，具有绝缘和良好导热特性的材料还有氮化铝、Si(表面氧化)等。但是氮化铝表面粗糙度没有蓝宝石好，且难做薄，这样会增加热阻；而Si(表面氧化)虽然导热性好，但是比较脆，很容易碎。因此本实施例优选蓝宝石材质。加热器10、温度传感器11固定于热沉2上。通过加热器10、温度传感器11结合其他公知的温度控制器可使得待测样品温度控制在4.2K-300K之间的任意温度。

绝缘架4呈圆环状，且平置于热沉2上。考虑到电绝缘和可加工等多种因素，这里绝缘架优选胶木材质或氮化铝材质。蓝宝石6与待测样品7为圆盘状，并平置于绝缘架4的圆柱内腔中。待测样品7的上侧从上至下依次设有定位压板8和绝缘压环3。蓝宝石6与待测样品叠加起来的高度高于绝缘架4的上下高度。定位压板8、绝缘压环3、绝缘架4的环形部沿其周向上均设有数个上下贯穿、供第一固定螺栓14穿过的通孔。通过该方式，第一固定螺栓14将定位压板8、绝缘压环3、绝缘架4、蓝宝石6与待测样品7固定于热沉2上。加固压板9呈圆盘状，通过第二螺栓(图中未示出)固定于定位压板8上方。

在电阻测量方面，传统的二探针法，从结构上更方便些，因为它只需要操作两个探针，但是处理二探针法得到的数据却很复杂。本实施例采用四探针法进行待测样品的电阻进行测量。四探针法是利用两个探针输入电流激励信号，用另外两个探针检测电压响应信号，并根据探针的位置关系与被测物体的形状，计算被测物体的电导率。定位压板8上各设有供穿过探针5且将探针5定位的4个通孔。每根探针5从上至下依次从加固压板9、定位压板8、绝缘压环3穿出顶于待测样品7的上表面。加固压板9上表面设有四根弹簧片，每根弹簧片对应弹压一根探针。具体为，弹簧片的中部或一端部固定于加固压板的上表面，弹簧片的另一端部为可上下弹压的活动端，该活动端压于探针的顶端。弹簧片同时作为测量的电极连接外部的测量导线15。

整个防辐射屏蔽罩12呈上端带盖板、下端开口的圆筒状，以任何公知的方式固定于热沉2上，并将绝缘压环3、绝缘架4、探针5、蓝宝石6、待测样品7、定位压板8、加固压板9、加热器10、温度传感器11、探针13、第一固定螺栓14罩于其空腔内，用于对其内部的热辐射进行屏蔽。防辐射屏蔽罩12呈上端带盖板上设有供电阻测量导线15穿过的通孔结构。

本实施例中，绝缘架4、加固压板9为高导热性的氮化铝材质，探针13采用高导热的紫铜制作。测试状态下，绝缘架4、加固压板9、探针13与待测样品7温度保持一致。

基于上述样品夹持装置的使用方法如下：

步骤一，将热沉固定在冷源上，样品垫置于热沉上，待测样品置于样品垫上；

步骤二，将绝缘架置于热沉上，同时使得样品垫及待测样品套于绝缘架内；

步骤三，将绝缘压环置于待测样品上侧，定位压板置于绝缘压环上侧；

步骤四，通过第一螺栓进行压紧操作，保证待测样品定位的同时将待测样品、样品垫与热沉紧密接触；

步骤五，将探针沿定位压板上的定位孔穿入，使得探针底端指向待测样品的上表面；

步骤六，将加固压板置于绝缘架上方，并将加固压板固定，将加固压板弹簧片的活动端压于探针顶端，并将弹簧片固定于加固压板上，将测量导线连接弹簧片。

本发明的低温电阻率测量的样品夹持方法，其特点在于：

1)采用蓝宝石基底进行绝缘传热，保证了待测样品在进行电绝缘的同时还能够降温；

2)对探针进行了热沉处理，避免了探针的温度传递到样品上，这样就保证了待测样品下端的温度计显示的温度为样品的真实温度。

3)可为四探针提供准确的定位，为电阻率换算提供了准确可靠的探针修正系数，同时独特的弹簧片设计为探针提供了热补偿，有效的防止了在变温实验时由于热膨胀效应而产生的探针移动，从而导致探针离开接触点的问题。

4)规避了传统的银胶、金胶或焊接等方式对待测样品的固定，通过从上向下压紧的方式，保证了样品的完整性。

5)待测样品的安装固定操作简易方便，便于更换待测样品进行多轮反复测试。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种低温电阻率测试装置，连接外部冷源，用于对低温状态下待测样品的电阻率测量，其特征在于，包括：

热沉，与外部冷源连接并吸收其冷量；

样品垫，位于所述样品和所述热沉之间，为绝热导热材质；

至少两根探针，其底端指向所述待测样品；

绝缘架，设有上下贯通的、用于容纳所述待测样品和所述样品垫的空腔，其底端置于所述热沉上，所述绝缘架顶端的高度低于所述待测样品的顶端高度；

绝缘压环，位于所述样品上侧；

定位压板，位于所述绝缘压环上侧，其上设有供所述探针穿过的定位孔；

第一固定螺栓，从上至下依次穿过定位压板上开设的通孔、绝缘压环上开设的通孔、绝缘架上开设的通孔、热沉上开设的固定孔，将所述待测样品经所述样品垫固定于所述热层上，同时将所述绝缘架固定于所述热沉上；以及

加固压板，固定于所述定位压板上，其上表面安装有与所述探针一一对应的弹簧片，每根弹簧片具有可上下弹压的活动端，该活动端通过弹压其对应探针的顶端，将该探针的底端压于所述待测样品加固的上表面，该弹簧片同时作为测量的电极连接外部的测量导线。

2.根据权利要求1所述的低温电阻率测试装置，其特征在于，所述待测样品、所述样品垫置均呈圆盘形，所述绝缘架呈圆环形。

3.根据权利要求2所述的低温电阻率测试装置，其特征在于，所述样品垫为蓝宝石材质。

4.根据权利要求1所述的低温电阻率测试装置，其特征在于，所述外部冷源为G-M制冷机，所述热沉与G-M制冷机的冷头固定热连接。

5.根据权利要求4所述的低温电阻率测试装置，其特征在于，还包括加热器、温度传感器以及温度控制器，所述加热器、温度传感器固定于所述热沉上，所述温度控制器根据温度传感器的测试数据控制所述加热器对所述热沉进行加热从而控制所述热沉的温度。

6.根据权利要求1所述的低温电阻率测试装置，其特征在于，所述探针为四根且并排等间距设置。

7.根据权利要求1所述的低温电阻率测试装置，其特征在于，还包括防辐射屏蔽罩，其呈上端带盖板、下端开口的圆筒状且固定于所述热沉上。

8.根据权利要求1所述的低温电阻率测试装置，其特征在于，所述加固压板通过第二螺栓固定于所述定位压板上方，所述加固压板和所述定位压板之间设有间隙。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述低温电阻率测试装置的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将热沉固定在冷源上，样品垫置于热沉上，待测样品置于样品垫上；

步骤二，将绝缘架置于热沉上，同时使得样品垫及待测样品套于绝缘架内；

步骤三，将绝缘压环置于待测样品上侧，定位压板置于绝缘压环上侧；

步骤四，通过第一螺栓进行压紧操作，保证待测样品定位的同时将待测样品、样品垫与热沉紧密接触；

步骤五，将探针沿定位压板上的定位孔穿入，使得探针底端指向待测样品的上表面；

步骤六，将加固压板置于绝缘架上方，并将加固压板固定，将加固压板弹簧片的活动端压于探针顶端，并将弹簧片固定于加固压板上，将测量导线连接弹簧片。