CN110764033A - 小型多功能三维磁电测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型多功能三维磁电测试系统，包括霍姆赫兹电磁线圈，其绕自身轴线旋转；铝合金样品台单元，其置于霍姆赫兹电磁线圈中两个电磁线圈之间，铝合金样品台单元包括自顶部至底部依次设置的样品台接头、接线和样品台，样品台接头通过磁电信号引线连接外部的电荷和/或电压检测单元，接线连接有中间镂空的PCB板，PCB板的镂空处放置薄膜状的磁电样品，PCB板设有多个电极，电极与接线相连，样品台设有绝缘的基底，PCB板的镂空正对至少部分基底，基底用于隔绝磁电样品与样品台接触；样品台支架，其可拆卸的置于霍姆赫兹电磁线圈之间；样品台与样品台支架可拆卸连接；套筒，其用于提供静电屏蔽功能，套筒套设于样品台接头的外部。

Description

小型多功能三维磁电测试系统
技术领域
本发明涉及磁电性能测试装置，尤其涉及一种小型多功能三维磁电测试系统。
背景技术
磁电性能测试包括测试电阻率、磁电阻系数、霍尔系数、介电常数、铁电效应等性质。以上物理性质中除了电阻率外，其它性质的精确测试对测试平台的硬件要求都比较高。特别是磁电阻系数和霍尔系数需要有外加磁场。三维磁场平台设计复杂且造价高，系统测试平台会相对复杂。目前还没有低成本、小型、具有多种测试功能的三维磁电测试平台。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种小型多功能三维磁电测试系统，该系统具有低成本和多种测试功能。
本发明的一种小型多功能且低成本的三维磁电测试系统，包括
霍姆赫兹电磁线圈，其绕自身轴线旋转，所述霍姆赫兹电磁线圈通过电磁线圈引线连接有第一电流源；
铝合金样品台单元，其置于所述霍姆赫兹电磁线圈中两个电磁线圈之间，所述铝合金样品台单元包括自顶部至底部依次设置的样品台接头、与所述样品台接头连接的多个接线和样品台，所述样品台接头通过磁电信号引线连接外部的电荷和/或电压检测单元，所述接线连接有中间镂空的PCB板，PCB板的镂空处放置薄膜状的磁电样品，所述PCB板设有多个电极，所述电极与所述接线相连，所述样品台设有绝缘的基底，所述PCB板的镂空正对至少部分所述基底，所述基底用于隔绝所述磁电样品与所述样品台接触；
样品台支架，其可拆卸的置于所述霍姆赫兹电磁线圈之间；所述样品台与所述样品台支架可拆卸连接；套筒，所述套筒用于提供静电屏蔽功能，所述套筒套设于所述样品台接头的外部。
进一步地，样品台包括相对设置的基座和顶端，所述基座和顶端通过连接部连接，所述样品台接头设于所述顶端，所述基座与所述样品台支架可拆卸连接，所述PCB板置于所述基座和顶端之间，所述接线与所述顶端连接且位于所述顶端靠近所述基座的一侧。
进一步地，基座和顶端均呈圆柱形，所述连接部大致呈半圆柱形。
进一步地，连接部靠近所述PCB板的一侧表面设有波浪形凹凸结构。
进一步地，所述基座远离所述顶端的一侧设有螺杆，所述样品台支架上设有与所述螺杆螺纹连接的螺孔，可方便安装拆卸。
进一步地，电磁线圈引线和磁电信号引线均为高频同轴电缆。高频同轴电缆可以屏蔽外部静电和电磁波对电路的干扰，从而可以实现高频情况下的磁电测试，比如介电和铁电性能测试。
进一步地，引线连接选用带屏蔽功能的Lemo接头和BNC接头。
进一步地，电荷和/或电压检测单元包括接线盒，所述接线盒连接有第二电流源和多个电压检测表。
进一步地，接线盒的外壳材质为铝合金。
进一步地，接线盒的接头为带屏蔽功能的BNC接头和/或Lemo接头。
进一步地，样品台接头为Lemo接头。样品台接头位于铝合金样品台单元的顶部，从而保证霍姆赫兹线圈在X-Y平面内旋转时不碰到外接线。同时，样品台支架的高度可根据需要设置，保证磁电信号引线不需要大的弯曲即可。
进一步地，接线与PCB板可拆卸连接。PCB板设有6对间隔分布的电极，PCB板呈环形，其中部设有镂空。电极和磁电样品通过导线连接。导线优选为高频同轴电缆。PCB板成本低、可拆卸替换。
铝合金样品台单元选用铝合金打造，铝合金的磁导率几乎为零，适合在磁场下使用，比较适合本平台设计。同时，铝合金的硬度高，易加工，可以加工成本平台需要的特殊形状。
进一步地，基底的材质优选为钢化玻璃，钢化玻璃的导电性差，耐高温。
本发明的三维磁电测试系统中，以可以旋转的霍姆赫兹线圈作为供应磁场的磁场源，实现在X-Y平面内的磁场旋转。同时铝合金样品台单元位于X-Z平面内，磁电样品可以在铝合金样品台单元中的X-Y-Z平面内任意放置，从而可以实现变磁场角度和强度的薄膜状磁电样品的三维磁电性能测试。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
该磁电测试系统可以与外接仪表灵活搭配，铝合金样品台单元的结构设设计可以实现在很小的空间内，旋转磁场的同时精确测试电学性能。在只有一个霍姆赫兹线圈的情况下，在很低的成本基础上实现磁电器件的三维方向霍尔效应、三维方向磁电阻率、介电常数、铁电效应等性质的高精度测试。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明小型多功能三维磁电测试系统的结构示意图；
图2是铝合金样品台单元的侧面结构示意图；
图3是铝合金样品台单元的正面结构示意图；
图4是套筒的结构示意图；
图5是PCB板的结构示意图；
图6是铝合金样品台单元与样品台支架的连接关系示意图；
图7是线圈磁场大小随励磁电流变化图；
图8是磁场转动情况下霍尔效应测试示意图和单晶硅样品实验数据图；
图9是磁场转动情况下磁阻效应测试示意图和NiFe薄膜样品实验数据图；
附图标记说明：
1-霍姆赫兹电磁线圈；2-第一电流源；3-铝合金样品台单元；4-磁电信号引线；5-测试霍尔电压UH的电压表；6-测试磁阻样品两端电压UR的电压表；7-第二电流源；8-电极；9-导线；10-磁电样品；11-基底；30-样品台接头；31-顶端；32-连接部；33-基座；34-螺杆；35-套筒；36-接线连接部；37-接线；38-样品台支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参加附图1-6，本发明的一种低成本、小型和多功能三维磁电测试系统，以可以旋转的霍姆赫兹线圈作为供应磁场的磁场源，实现在X-Y平面内的磁场旋转。同时铝合金样品台单元3位于X-Z平面内，磁电样品10可以在铝合金样品台单元3中的X-Y-Z平面内任意放置，从而可以实现变磁场角度和强度的薄膜状磁电样品10的三维磁电性能测试，具体结构设置如下：
三维磁电测试系统包括霍姆赫兹电磁线圈1、铝合金样品台单元3、样品台支架38和套筒35。
其中，霍姆赫兹电磁线圈1绕自身轴线旋转，霍姆赫兹电磁线圈1通过电磁线圈引线连接有第一电流源2，第一电流源2用于为霍姆赫兹电磁线圈1供电。
铝合金样品台单元3置于霍姆赫兹电磁线圈1中两个电磁线圈之间，铝合金样品台单元3包括自顶部至底部依次设置的样品台接头30、与样品台接头30连接的多个接线37和样品台，样品台接头30通过磁电信号引线4连接外部的电荷和/或电压检测单元，样品台接头30优选为Lemo接头。接线37可拆卸连接有PCB板，PCB板呈环形，其中部设有镂空。PCB板的镂空处放置薄膜状的磁电样品10，PCB板设有6对间隔分布的电极8，电极8与接线37相连，样品台设有绝缘的基底11，PCB板的镂空正对至少部分基底11，基底11用于隔绝磁电样品10与样品台接触，基底11的材质优选为钢化玻璃，电极8和磁电样品10通过导线9连接。导线9优选为高频同轴电缆。样品台包括相对设置的基座33和顶端31，基座33和顶端31通过连接部32连接，样品台接头30设于顶端31，PCB板置于基座33和顶端31之间且正对连接部32。顶端31靠近基座33的一侧设有接线连接部36，接线37通过接线连接部36与顶端31连接且位于顶端31靠近基座33的一侧。基座33和顶端31均呈圆柱形，连接部32大致呈半圆柱形。连接部32靠近PCB板的一侧表面设有波浪形凹凸结构。样品台支架38可拆卸的置于霍姆赫兹电磁线圈1中两个电磁线圈之间。样品台上的基座33与样品台支架38可拆卸连接。具体地，基座33远离顶端31的一侧设有螺杆34，样品台支架38上设有与螺杆34螺纹连接的螺孔，以实现基座33与样品台支架38的螺纹连接。样品台支架38的高度可根据需要设置，保证磁电信号引线4不需要大的弯曲即可。
电磁线圈引线和磁电信号引线4均为高频同轴电缆。引线连接选用带屏蔽功能的Lemo接头和BNC接头。
电荷和/或电压检测单元包括接线盒，接线盒连接有第二电流源7和多个电压检测表。第二电流源7优选为介电LCR表。电压检测表选择如测试霍尔电压UH的电压表5或测试磁阻样品两端电压UR的电压表6。接线盒的外壳材质为铝合金。接线盒的接头为带屏蔽功能的BNC接头和/或Lemo接头。
套筒35用于提供静电屏蔽功能，套筒35套设于样品台接头30的外部。套筒35的材质优选为铝合金。
使用本发明的三维磁电测试系统时，首先用高斯计或者特斯拉计标定出不同旋转方向和外加第一电流源2情况下的磁场强度。结果如图7所示。
将磁电样品10(如单晶硅样品)放置于PCB板的镂空处，并用导线9与电极8连接，将样品台接头30与接线盒上的Lemo接头相互连接，通入不同电流大小的第一电流源2，改变磁场旋转方向，如图8中的θ，利用霍尔电压表测试霍尔电压，结果如图8所示，当测试霍尔电压与磁场转动方向的关系时，霍尔电压和磁场角度关系式为:
U＝(RHIB⊥)/d＝((RHIB)/d)cos(90-θ)＝((RHIB)/d)sinθ，所以从图上看，磁场转动角度和霍尔电压的关系符合sin函数曲线，与理论基本符合。
将磁阻样品(如NiFe薄膜)水平放置，改变磁场旋转方向，如图9中的θ，在不同电流大小的第一电流源2下测试磁阻样品的磁阻效应，结果如图9所示，磁场转动角度和磁阻样品两端的电压关系呈cos曲线，测试电压近似满足U∝Hcosθ关系，与理论基本符合。根据磁阻率计算公式，可以根据测得的电压和磁场强度，计算出磁阻率。
以上测试结果证实了本发明的三维磁电测试系统确实可以应用于精确测试霍尔电压和三维磁电阻效应的测试。同时可以预见，变磁场的介电、磁介电和铁电性能测试也可以在本三维磁电测试系统进行。相对于市场上的三维磁电测试系统，本发明的上述三维磁电测试系统具有小型、低成本和多功能性，该系统简单、成本低和易于维护。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维磁电测试系统，其特征在于，包括
霍姆赫兹电磁线圈，其绕自身轴线旋转，所述霍姆赫兹电磁线圈通过电磁线圈引线连接有第一电流源；
铝合金样品台单元，其置于所述霍姆赫兹电磁线圈中两个电磁线圈之间，所述铝合金样品台单元包括自顶部至底部依次设置的样品台接头、与所述样品台接头连接的多个接线和样品台，所述样品台接头通过磁电信号引线连接外部的电荷和/或电压检测单元，所述接线连接有中间镂空的PCB板，所述PCB板的镂空处放置磁电样品，所述PCB板设有多个电极，所述电极与所述接线相连，所述样品台设有绝缘的基底，所述PCB板的镂空正对至少部分所述基底，所述基底用于隔绝所述磁电样品与所述样品台接触；
样品台支架，其可拆卸的置于所述霍姆赫兹电磁线圈之间；所述样品台与所述样品台支架可拆卸连接；
套筒，所述套筒用于提供静电屏蔽功能，所述套筒套设于所述样品台接头的外部。
2.根据权利要求1所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述样品台包括相对设置的基座和顶端，所述基座和顶端通过连接部连接，所述样品台接头设于所述顶端，所述基座与所述样品台支架可拆卸连接，所述PCB板置于所述基座和顶端之间，所述接线与所述顶端连接且位于所述顶端靠近所述基座的一侧。
3.根据权利要求2所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述基座和顶端均呈圆柱形，所述连接部大致呈半圆柱形。
4.根据权利要求2所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述连接部靠近所述PCB板的一侧表面设有波浪形凹凸结构。
5.根据权利要求1所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述基座远离所述顶端的一侧设有螺杆，所述样品台支架上设有与所述螺杆螺纹连接的螺孔。
6.根据权利要求1所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述电磁线圈引线和磁电信号引线均为高频同轴电缆。
7.根据权利要求1所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述电荷和/或电压检测单元包括接线盒，所述接线盒连接有第二电流源和多个电压检测表。
8.根据权利要求7所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述接线盒的外壳材质为铝合金。
9.根据权利要求7所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述接线盒的接头为BNC接头和/或Lemo接头。
10.根据权利要求1所述的三维磁电测试系统，其特征在于：所述样品台接头为Lemo接头。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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