CN108982950B - 测试ybco膜超导环流电压信号的传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器及其制作方法，包括四探针电极和电感线圈，四探针电极通过压力抵接在YBCO超导膜上表面，四探针电极的四个探针通过引线与传感器外部电路连接；电感线圈通过结构件固定在超导膜一侧；制作方法为：采用具有绝缘性能的木头或环氧树脂材料制作结构件并刻蚀电路板；在结构件的上部压板上固定安装四探针电极，在结构件的下部安装板上固定电感线圈、热敏电阻以及YBCO超导膜；将结构件的上部压板扣合于下部安装板上，通过螺栓把紧；通过端子压接线连接各电气元件。本发明既能耐受400℃的焊接温度，又能在液氮温区保持结构稳定，能减少漏电短路的概率，降低人手触摸引发的脉冲电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料测试技术领域，具体为一种测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器及其制作方法。
背景技术
YBa2Cu3O7-x(YBCO)作为液氮温区之上的代表性超导材料，被人们发现已有30年，YBCO超导块材、带材以及膜材料，在相应领域越来越受到科研人员的重视。其中针对块材和带材，人们利用银包壳技术，能够较好的保护超导体(层)。超导电性的“四探针”检测技术已经比较成熟，但在对YBCO膜材料的超导电性检测，特别是对超导环流或临界超导电流的检测，还存在着相当大的改进之处。
临界超导电流是指超导体在外加直流电压的作用下所能承受的电流极限，外加电压来自焊接在超导体两端的直流电流输入端子，在两端子中间再取两点，作为电压信号的输出端子，当超导体处于超导态时，外加直流电流增大到极限值后，超导体上的电压信号的输出端子就会急剧增大，表现为失超，这就是“四探针”法的检测原理。超导环流与“四探针”法的区别在于，超导环流是指超导体进入超导态后，根据迈斯纳效应，超导体要排空体内磁通，即超导体通过自身产生的超导环流(电流)形成与外磁场大小相等方向相反的磁场，该磁场抵消了超导体内部的原有外磁场。
目前，人们在研究上述这两种超导电流时，主要有“四探针”法和“磁测”法两类。四探针法属于接触法，需要将四个电极连接在超导膜上，例如用导电银胶把四根引线粘贴到超导膜上，但是导电银胶含有环氧树脂等有机物，在加热固化过程中，这些有机物会破坏超导膜的连续性，甚至出现超导膜的破损断裂，导致无法进行后续测试。“磁测”法是一种非接触法，主要包括超导SQUID扫描和振动样品磁样计磁滞回线这两种测法，超导SQUID扫描能够针对样品上一个微观圆形区域内逐点扫描，测试设备价格昂贵，而且这些逐点扫描数据结果，与超导膜宏观承载超导电流的数据结果存在偏差；磁滞回线的检测设备成本比SQUID低一些(进口价格基本也在50万元以上)，人们通过磁滞回线结果，利用bean模型来回算超导电流，这种方法存在着两个误差来源，一方面是超导膜样品需要严格垂直于磁场中心，另一方面是bean模型要求对超导膜的长宽厚有精确地测量，这两方面在实际操作中非常困难。目前，对超导膜超导电流和超导环流测试方面，最有说服力的结果，还是来自于“四探针”法，该法适用于超导块材的测试，因为接触电极对块材的破坏作用不像对膜材料那么严重。
综上，需要有一种新的方案，它既保持了“磁测法”不破坏超导膜的优点，又能够保持“四探针”法测试结果的可靠性。而能够满足上述要求的测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器尚未见报道。
发明内容
针对现有技术中测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器采用“四探针”法时有机物会破坏超导膜的连续性、采用“磁测”(磁滞回线)法误差大等不足，本发明要解决的问题是提供一种既不破坏超导膜、又能够保持测试结果可靠性的测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器，包括四探针电极和电感线圈，其中四探针电极通过压力抵接在YBCO超导膜上表面，四探针电极的四个探针通过引线与传感器外部电路连接；电感线圈通过结构件固定在超导膜一侧。
结构件包括下部安装板和上部压板，上部压板扣合于下部安装板上，YBCO超导膜夹持于下部安装板和上部压板之间，其中下部安装板一端设有电感线圈安装孔，电感线圈嵌设于电感线圈安装孔内；下部安装板上部对应电感线圈安装孔的位置设有超导样品槽；下部安装板另一端设有多个线圈/温度传感器引出端子；下部安装板设有多个下部安装板连接孔；上部压板的上表面四电极与探针引出端子之间、下部安装板下表面电感线圈他和温度传感器与引出端子之间分别通过各自的铜板线连接。
下部安装板设有线圈/温度传感器引出端子的一端下凹成阶梯状。
上部压板为平板，其上设有多个探针引出端子、弹性电极插孔以及多个上部压板连接孔，探针引出端子与下部安装板的多个线圈/温度传感器引出端子上、下错位排列，多个上部压板连接孔与下部安装板的多个下部安装板连接孔上、下对应，弹性电极插孔为四个，对应于下部安装板的超导样品槽上方。
结构件为具有绝缘性能的木头或环氧树脂材料制作。
本发明还具有温度传感器，安装于电感线圈一侧。
四探针电极为弹性接触式。
本发明一种测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器的制作方法，包括以下步骤：
1)采用具有绝缘性能的木头或环氧树脂材料制作结构件并刻蚀电路板；
2)在结构件的上部压板上固定安装四探针电极，在结构件的下部安装板上固定电感线圈、温度传感器以及YBCO超导膜；
3)将结构件的上部压板扣合于下部安装板上，通过螺栓把紧；
4)通过端子压接线连接各电气元件。
步骤2)在结构件上固定安装四探针电极、电感线圈、温度传感器以及YBCO超导膜，具体为：
201)利用电感线圈外表面和下部安装板上预留的电感线圈安装孔孔壁之间的配合关系，将电感线圈在孔壁的摩擦力和正压力条件下，通过挤压，固定到位；
202)将四探针电极固定在上部压板上的电极插孔中，并与结构件上的电路板进行焊接；
203)在电感线圈安装孔外侧位置，固定安装温度传感器。
步骤4)通过端子压接线连接各电气元件为：根据电路原理图，从结构件上的温度传感器端子引出双线后并连成四根线，分别接恒流源和记录仪；四个电极由上部压板上的引线经安装于探针引出端子中的电感线圈端子与记录仪相应通道连接；电感线圈由下部安装板上的引线经安装于线圈/温度传感器引出端子中的电感线圈端子接信号发生器；温度传感器由下部安装板上的引线经安装于线圈/温度传感器引出端子中的温度传感器端子并接恒流源和电压记录仪。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用绝缘性能好的木头或环氧树脂做主体材质，既能够耐受400℃的焊接温度，又能够在液氮温区保持结构稳定，尤其是采用绝缘性的主体材质，比传统探头的金属主材更能降低外磁场的干扰，更能减少漏电短路的概率，更能降低人手触摸引发的脉冲电流。
2.本发明将空心线圈固定在厚板(10mm厚)构件上，线圈的引出线头具有封闭保护，避免了0.05mm线圈破损、断线，频繁更换线圈而产生的巨大工作量。
3.本发明采用弹性接触式的“四探针”电极，与超导膜有稳定的接触，避免虚连的同时不会压碎YBCO样片，可以完成超导环流、以及超导膜电阻的探测任务。
附图说明
图1为本发明测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器的电路原理图；
图2A为本发明中上部压板结构主视图；
图2B为图2A的俯视图；
图3A为本发明中下部安装板结构主视图；
图3B为图3A的俯视图；
图4为利用本发明传感器测试YBCO膜超导环流电压信号的R-T曲线；
图5为利用本发明传感器完成的超导环电流探测曲线。
其中，1为四探针电极，2为超导样片，3为电感线圈，4为温度传感器，5为电压端子，6为电感线圈端子，7为温度传感器端子，8为上部压板，9为下部安装板，10为弹性电极插孔，11为超导样品槽，12为电感线圈安装孔，13为上部压板连接孔，14为针引出端子，15为线圈/温度传感器引出端子，16为下部安装板连接孔。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器，包括四探针电极1和电感线圈3，其中四探针电极1通过压力抵接在YBCO超导膜上表面，四探针电极1的四个探针通过引线与传感器外部电路连接；电感线圈3通过结构件固定在超导膜一侧。
结构件包括下部安装板9(如图3A、3B所示)和上部压板8(如图2A、2B所示)，上部压板8扣合于下部安装板9上，YBCO超导膜即超导样片2夹持于下部安装板9和上部压板8之间。其中下部安装板9的下表面一端设有电感线圈安装孔12，电感线圈3嵌设于电感线圈安装孔12内；下部安装板9上端面对应电感线圈安装孔12的位置设有超导样品槽11；下部安装板9另一端设有多个线圈/温度传感器引出端子15；下部安装板12两端之间的部分设有多个下部安装板连接孔16；上部压板8的上表面四电极插孔10与探针引出端子14之间、下部安装板9下表面电感线圈安装孔12与线圈/温度传感器引出端子15之间分别通过各自的铜板线进行电连接。
下部安装板9设有线圈/温度传感器引出端子15的一端下凹成阶梯状。
上部压板8为平板，其上设有多个探针引出端子14、四电极插孔10以及多个上部压板连接孔13，探针引出端子14与下部安装板的多个线圈/温度传感器引出端子15上、下错位排列，多个上部压板连接孔13与下部安装板9的多个下部安装板连接孔16上、下对应，四电极插孔对应于下部安装板9的超导样品槽11上方。
本发明中，传感器采用一种弹性接触式的四探针电极，与YBCO超导膜靠压力即四探针电极内部的弹簧回复力实现充分连接，这四个电极通过铜板线延伸出来，与传感器外部电路连接。
为了激发YBCO膜产生超导环流，本发明设计了电感线圈3，从电感量、线径、外形尺寸、超导膜激励环流等众多参数中优化选出最适合超导膜的一只，采用结构件将该电感线圈3固定在超导膜一侧；为了能够一次测试完成多项数据采集，本发明在电感线圈3一侧安装了温度传感器4(采用热敏电阻Pt100)，可以实现在一次测量中同时监测温度、超导环流和超导膜电阻三种信号。
本发明测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器的工作原理如下：
通过四探针电极1和温度传感器来监测R-T曲线，如图4所示，当该曲线出现陡峭的下降段时，说明此时超导样片进入超导态；然后给电感线圈加交变信号，电感线圈从信号源获得一系列频率的正弦信号，超导样片进入超导态后以自身超导环电流来抵抗这种磁信号，超导样片因迈斯纳效应形成超导环电流，这个电流被四探针探头引出并被检测，以电压形式记录下来。
本发明一种测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器的制作方法，包括以下步骤：
1)采用具有绝缘性能的木头或环氧树脂材料制作结构件并刻蚀电路板；
2)在结构件的上部压板上固定安装四探针电极，在结构件的下部安装板上固定耦合线圈、温度传感器以及YBCO超导膜；
3)将结构件的上部压板扣合于下部安装板上，通过螺栓把紧；
4)通过端子压接线连接各电气元件。
步骤1)中，采用具有绝缘性能的木头或环氧树脂材料制作结构件并刻蚀电路板，是在A、B两块主材即上部压板8和下部安装板上9构件电路，其电路原理图如图1所示。电路加工使用加工精度更高的环氧树脂版图印刷刻蚀，也可以用单面导电的导电铜胶带裁剪粘贴；前者具有更高的加工精度，后者具有极其廉价的制作成本。
步骤2)中，在结构件上固定安装四探针电极、耦合线圈、温度传感器以及YBCO超导膜，具体为：
201)利用电感线圈外表面和下部安装板上预留的电感线圈安装孔孔壁之间的配合关系，将电感线圈在孔壁的摩擦力和正压力条件下，通过挤压，固定到位；
固定电感线圈3时，本实施例通过大量的实验测试，选择了一组线径为0.05mm、外径5mm、内径2mm、电感量1.5mH的空心线圈。线圈的外径和主材上预留的线圈孔位之间存在着配合关系，线圈要在孔槽的摩擦力和正压力条件下，通过挤压，固定到位，但由于线圈线径非常细，在推送过程中极易扯断外层漆包线，本发明提供一种方法，可以避免这种情况的发生。用(0.1～0.2)mm厚的玻璃纸，先裹住线圈，然后再推压到位，最后减掉多余的玻璃纸，这种方法对保护线圈外层，非常有效。
202)将四探针电极固定在上部压板上的电极插孔中，并与结构件上的电路板进行焊接；
203)在电感线圈安装孔外侧位置，固定安装温度传感器。
本实施例在线圈孔外侧位置，焊上热敏电阻Pt100。
步骤4)中，通过端子压接线连接各电气元件为：根据电路原理图，从结构件上的温度传感器端子引出双线后并连成四根线，分别接1mA恒流源和记录仪；四个电板由上部压板上的引线经安装于探针引出端子中的电感线圈端子与记录仪相应通道连接；电感线圈由下部安装板上的引线经安装于线圈/温度传感器引出端子中的电感线圈端子接信号发生器；温度传感器由下部安装板上的引线经安装于线圈/温度传感器引出端子中的温度传感器端子并接恒流源和电压记录仪。
本实施例中使用的A、B构件主材为环氧树脂，进行裁切和钻孔，外形如图1、2A、2B所示。
本实施例中使用的单面铜胶带，宽1cm，厚0.2mm的A、B构件铜板线；电感线圈为1.55mH，线径0.05mm，外径5mm，内径3m；紧固螺丝M2-20，垫片；铝酸镧单晶基片，采购自合肥科晶有限公司。
先在主体结构件上画出需要钻孔的位置，然后打孔和打磨平滑；在相应位置推入电感线圈，并完成焊接；最后将Pt100热敏电阻焊接到相应端子上。
本发明一共引出8条线路，温度传感器占据2路，需要用1mA供电和电压测量；空心线圈占据2路，接恒流源1mA～30mA；最后4路由超导膜“四探针”电极占据，测试超导转变温度时可选择1-2端子连接恒流源，3-4端子接数字电压记录仪；测量超导膜环电流时可任意选择“四探针”电极中的任意两两组合进行探测。
将该传感器连接好相应的恒流源、记录仪，进行了液氮温区的测试，得到R-T曲线，如图4所示。说明实例采用的YBCO超导片已进入超导态，可以进行超导环流的探测。
信号源输出端子给空心线圈正弦波信号，幅值12V，频率如表1所示；四枚弹性电极接触YBCO膜，超导态下，空心线圈的交变磁场引发了超导膜形成超导环电流，由于超导态的超导膜还有残余电阻，所以超导环流以电压信号形式被四探针传递出来，经记录仪完成了记录。将获得的“四探针”电极端子的超导环流电压与线圈的发射频率做记录，如表1所示，对应附图5。
表1
Claims (3)
1.一种测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器，其特征在于：包括四探针电极和电感线圈，其中四探针电极通过压力抵接在YBCO超导膜上表面，四探针电极的四个探针通过引线与传感器外部电路连接；电感线圈通过结构件固定在超导膜一侧；
结构件包括下部安装板和上部压板，上部压板扣合于下部安装板上，YBCO超导膜夹持于下部安装板和上部压板之间，其中下部安装板一端设有电感线圈安装孔，电感线圈嵌设于电感线圈安装孔内；下部安装板上部对应电感线圈安装孔的位置设有超导样品槽；下部安装板另一端设有多个线圈/温度传感器引出端子；下部安装板设有多个下部安装板连接孔；上部压板的上表面四探针电极与探针引出端子之间、下部安装板下表面电感线圈和温度传感器与多个线圈/温度传感器引出端子之间分别通过各自的铜板线连接；
下部安装板设有线圈/温度传感器引出端子的一端下凹成阶梯状；
上部压板为平板，其上设有多个探针引出端子、弹性电极插孔以及多个上部压板连接孔，探针引出端子与下部安装板的多个线圈/温度传感器引出端子上、下错位排列，多个上部压板连接孔与下部安装板的多个下部安装板连接孔上、下对应，弹性电极插孔为四个，对应于下部安装板的超导样品槽上方；
结构件为具有绝缘性能的木头或环氧树脂材料制作；还具有温度传感器，安装于电感线圈一侧；四探针电极为弹性接触式。
2.根据权利要求1所述的测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用具有绝缘性能的木头或环氧树脂材料制作结构件并刻蚀电路板；
2)在结构件的上部压板上固定安装四探针电极，在结构件的下部安装板上固定电感线圈、温度传感器以及YBCO超导膜；
3)将结构件的上部压板扣合于下部安装板上，通过螺栓把紧；
4)从结构件上的温度传感器端子引出双线后形成并联的四根线，两根接恒流源，两根接记录仪；四探针电极由上部压板上的引线经探针引出端子与记录仪相应通道连接；电感线圈由下部安装板上的引线经线圈/温度传感器引出端子中的电感线圈端子接信号发生器；温度传感器由下部安装板上的引线经线圈/温度传感器引出端子中的温度传感器端子并接恒流源和记录仪。
3.根据权利要求2所述的测试YBCO膜超导环流电压信号的传感器的制作方法，其特征在于步骤2)在结构件上固定安装四探针电极、电感线圈、温度传感器以及YBCO超导膜，具体为：
201)利用电感线圈外表面和下部安装板上预留的电感线圈安装孔孔壁之间的配合关系，将电感线圈在孔壁的摩擦力和正压力条件下，通过挤压，固定到位；
202)将四探针电极固定在上部压板上的电极插孔中，并与结构件上的电路板进行焊接；
203)在电感线圈安装孔外侧位置，固定安装温度传感器。
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