CN114200373A - 小型量子电阻标准器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型量子电阻标准器，包括固定背板、固定槽板、芯片托槽、磁体模块、量子霍尔电阻芯片及屏蔽罩，固定槽板固定于固定背板上，固定槽板上设置有凹槽，芯片托槽位于凹槽内；芯片托槽上设置有芯片容纳槽、电性连接点及导线孔，量子霍尔电阻芯片位于芯片容纳槽内，且量子霍尔电阻芯片与电性连接点电连接；磁体模块位于固定槽板及芯片托槽上；屏蔽罩罩设于磁体模块外围，且与固定背板相固定，固定背板和固定槽板同时作为导热机构。本发明可以实现量子电阻芯片的快速更替，可以实现内部固有磁场和外部施加磁场的多方调控，大大优化简化了量子电阻的环境要求，使产品集成化而无需复杂实验室条件，有利于量子电阻标准器的推广与应用。

Description

小型量子电阻标准器

技术领域

本发明涉及精密电学测量领域，特别是涉及一种小型量子电阻标准器。

背景技术

电磁计量标准是检验电磁测量仪器是否准确的重要标准，该标准最基本常用的是电压和电阻两种标准。其中，电阻标准尤为重要。“量子化霍尔电阻基准”是目前发现的先进科研成果，首次从理论上证明了量子化霍尔电阻数值只与材料本身相关的独特特性，且其量子化霍尔电阻基准的准确度比传统方式的标准电阻计量精度提高了三个数量级。

目前能够实现量子霍尔电阻的条件一般为极低温强磁场的严苛环境，国际上普遍采用超导磁体，探杆，芯片以及液氮液氦大规模制冷系统来提供此类环境。对于传统的量子电阻系统，其占用体积较大，价格高昂，操作难度高，操作时间长，同时对于环境稳定性的要求很高，并且难以快速更替，所以在量子电阻出现四十年以来，能够启用维护的使用方寥寥无几，并且传递至下游用户时，会损失部分精确度，限制了量子霍尔电阻的大规模推广使用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种小型量子电阻标准器，用于解决现有技术中的量子电阻系统占用体积较大，价格高昂，操作难度高，操作时间长，同时对于环境稳定性的要求很高，并且难以快速更替，且传递至下游用户时，会损失部分精确度，限制了量子霍尔电阻的大规模推广使用等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种小型量子电阻标准器，包括固定背板、固定槽板、芯片托槽、磁体模块、量子霍尔电阻芯片及屏蔽罩，所述固定槽板固定于所述固定背板上，所述固定槽板上设置有凹槽，所述芯片托槽位于所述固定槽板的凹槽内；所述芯片托槽上设置有芯片容纳槽、电性连接点及导线孔，所述量子霍尔电阻芯片位于所述芯片容纳槽内，且所述量子霍尔电阻芯片与所述电性连接点电连接；所述磁体模块位于所述固定槽板及芯片托槽上；所述屏蔽罩罩设于所述磁体模块外围，且与所述固定背板相固定，所述固定背板和固定槽板同时作为导热机构。

可选地，所述屏蔽罩包括金属屏蔽罩和磁体固定屏蔽罩，所述金属屏蔽罩罩设于所述磁体固定屏蔽罩的外围，且与所述固定背板相固定；所述磁体固定屏蔽罩罩设于所述磁体模块外围，且与所述固定槽板相固定。

可选地，所述磁体模块为永磁体，所述磁体固定屏蔽罩为铁罩。

可选地，所述磁体模块为钕铁硼永磁体，所述固定槽板和芯片托槽由无磁性材料制成。

可选地，所述金属屏蔽罩包括圆柱形罩体和与圆柱形罩体的底部周向相连接的外沿部，所述金属屏蔽罩的外沿部与固定背板相固定；所述磁体固定屏蔽罩包括矩柱形屏蔽罩体和与矩柱形屏蔽罩体的底部周向相连接的外沿部，所述磁体固定屏蔽罩的外沿部与固定槽板相固定。

可选地，所述金属屏蔽罩的体积大于所述磁体固定屏蔽罩的体积。

可选地，所述芯片托槽包括芯片承载部和导线引出部，所述芯片容纳槽设置于所述芯片承载部，所述导线引出部与所述芯片承载部的端面相连接，所述导线孔设置于所述导线引出部。

在一可选方案中，所述小型量子电阻标准器还包括液氮制冷单元，所述量子霍尔电阻芯片及磁体模块位于所述液氮制冷单元提供的液氮氛围中。

在另一可选方案中，所述小型量子电阻标准器还包括制冷机，所述制冷机位于所述固定背板背离所述磁体模块的一侧，且与所述固定背板相固定。

更可选地，所述制冷机与所述固定背板通过法兰相固定。

如上所述，本发明的小型量子电阻标准器，具有以下有益效果：本发明利用屏蔽罩和固定背板将整个装置包裹，形成机械保护与金属屏蔽；通过导热机构的设置，可将本申请的小型量子电阻标准器置于低温环境，利用导热机构与制冷机连接传导低温或直接浸泡在液氦内，使量子霍尔电阻芯片及磁体模块能够处于低温状态；通过芯片托槽的巧妙设计，可以实现量子电阻芯片的快速更替，可以实现内部固有磁场和外部施加磁场的多方调控，大大优化简化了量子电阻的环境要求。本申请使产品集成化而无需复杂实验室条件，整个装置体积小，使用方便，造价便宜，有利于量子电阻标准器的推广与应用。

附图说明

图1显示为本发明提供的小型量子电阻标准器的截面结构示意图。

图2显示为本发明提供的小型量子电阻标准器的爆炸图的右视图。

图3显示为本发明提供的小型量子电阻标准器的爆炸图的轴侧图。

图4显示为本发明提供的小型量子电阻标准器的局部放大图。

图5显示为本发明提供的小型量子电阻标准器进行量子霍尔电阻芯片更迭的示意图。

元件标号说明

1 金属屏蔽罩

11 圆柱形罩体

12 外沿部

2 磁体固定屏蔽罩

21 矩柱形罩体

22 外沿部

3 磁体模块

4 固定槽板

41 凹槽

5 固定背板

6 芯片托槽

61 芯片容纳槽

62 导线孔

63 芯片承载部

64 导线引出部

7 量子霍尔电阻芯片

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

请参阅图1至图5。

如图1至5所示，本发明提供一种小型量子电阻标准器，包括固定背板5、固定槽板4、芯片托槽6、磁体模块3、量子霍尔电阻芯片7及屏蔽罩，所述固定槽板4固定于所述固定背板5上，所述固定槽板4上设置有凹槽41，所述芯片托槽6位于所述固定槽板4的凹槽41内；所述芯片托槽6上设置有芯片容纳槽、电性连接点(未标示)及导线孔62，所述量子霍尔电阻芯片7位于所述芯片容纳槽内，通过所述导线孔62可以与外部电性模块电连接，且所述量子霍尔电阻芯片7与所述电性连接点电连接，即所述芯片托槽6和固定槽板4是相互独立的结构且为可拆卸连接，因而在需要时，比如在需要更换量子霍尔电阻芯片7时，可以将所述芯片托槽6移出所述固定槽板4的凹槽41；所述磁体模块3位于所述固定槽板4及芯片托槽6上，所述磁体模块3用于提供稳定磁场；所述屏蔽罩罩设于所述磁体模块3外围，且与所述固定背板5相固定，即所述屏蔽罩和所述固定背板5围成了一个封闭空间，而所述磁体模块3、芯片托槽6及量子霍尔电阻芯片7位于该封闭空间内，由此可以保护磁体模块3和量子霍尔电阻芯片7不被外界环境干扰，所述固定背板5和固定槽板4同时作为导热机构，可以将外部低温导入至所述磁体模块3及量子霍尔电阻芯片7。本发明利用屏蔽罩和固定背板将整个装置包裹，形成机械保护与金属屏蔽；通过导热机构的设置，可将本申请的小型量子电阻标准器置于低温环境，利用导热机构传导低温或直接浸泡在液氦内，使量子霍尔电阻芯片及磁体模块处于低温状态；通过芯片托槽的巧妙设计，可以实现量子电阻芯片的快速更替，可以实现内部固有磁场和外部施加磁场的多方调控，大大优化简化了量子电阻的环境要求。本申请使产品集成化而无需复杂实验室条件，有利于量子电阻标准器的推广与应用。

在一较佳的示例中，所述屏蔽罩包括金属屏蔽罩1和磁体固定屏蔽罩2，所述金属屏蔽罩1罩设于所述磁体固定屏蔽罩2的外围，且与所述固定背板5相固定；所述磁体固定屏蔽罩2罩设于所述磁体模块3外围，且与所述固定槽板4相固定；所述磁体固定屏蔽罩2将所述磁体模块3的侧面和顶部完全包裹，一方面可以对磁体模块3进行固定保护，其次可以屏蔽除与量子霍尔电阻芯片相邻面的其余面上的磁场，以增强与量子霍尔电阻芯片接触面(即附图中的底面)的磁场强度，有助于提高磁场稳定性。在较佳的示例中，所述磁体模块3为永磁体，且最佳地为钕铁硼永磁体。所述磁体模块3可根据具体需要定制形状，尺寸，只需要保证下面磁场强度可以达标即可。在一示例中，所述磁体模块3的磁场例如为1T以内，所述磁体固定屏蔽罩2较佳地为铁罩，有助于提高电磁屏蔽效果，所述金属屏蔽罩1例如为铜金属罩，但不仅限于此，即所述磁体固定屏蔽罩和金属屏蔽罩还可以为其他材质，对此不做一一展开，但发明人经试验证实，磁体固定屏蔽罩2采用铁罩的效果最佳。在其他示例中，所述小型量子电阻标准器还可以在所述磁体固定屏蔽罩2外围设置外部磁场，以将内部磁场增强至3T，可减少对温度的要求，同时可减小对量子霍尔电阻芯片器件的要求，增加设备适用性。在较佳的示例中，所述固定槽板4和芯片托槽6由无磁性材料制成，包括但不限于铜、锌，镁等导热性良好的金属或无磁合金材料，以避免磁性干扰。

在一示例中，所述金属屏蔽罩1包括圆柱形罩体11和与圆柱形罩体11的底部周向相连接的外沿部12，所述金属屏蔽罩1的外沿部12与固定背板5相固定，例如该外沿部12和固定背板5通过螺丝固定，因而外沿部12和固定背板5上设置有对应的螺丝孔(未示出)。这样的结构设计不仅有助于整个装置的快速组装拆卸，同时有助于确保金属屏蔽罩1内的密封性。

在一较佳示例中，所述磁体固定屏蔽罩2包括矩柱形屏蔽罩体21和与矩柱形屏蔽罩体21的底部周向相连接的外沿部22，所述磁体固定屏蔽罩2的外沿部22与固定槽板4相固定。这样的结构设计有助于整个装置的快速组装拆卸，同时有助于确保磁体固定屏蔽罩2内的密封性，进一步避免磁体模块受到外部干扰。

在一较佳的示例中，所述金属屏蔽罩1的体积大于所述磁体固定屏蔽罩2的体积，即所述金属屏蔽罩1的边缘(包括顶部和四周)和磁体固定屏蔽罩2具有间隙。这样的结构设计有助于进一步避免外界环境对磁体模块3和量子霍尔电阻芯片7的干扰。

在一示例中，所述芯片托槽6包括芯片承载部63和导线引出部64，所述芯片容纳槽设置于所述芯片承载部63，所述导线引出部64与所述芯片承载部63的端面相连接，且所述导线引出部64的高度可以略高于固定槽板4的凹槽41的深度或高度一致(参考图3和图5)，所述导线孔62设置于所述导线引出部64。所述固定槽板4的凹槽41对应所述芯片托槽6的导线引出部64的位置可以形成一个与所述导线引出部64相匹配的端面(该端面例如可以稍微内凹而使得凹槽41的端面处的尺寸大于其他凹槽41其他位置的尺寸)，以使芯片托槽6置于固定槽板4的凹槽41内时，导线引出部64的端面略突出于固定槽板4的端面，这样更方便在需要时抽拉所述芯片托槽。即所述芯片托槽6如同一个可抽拉的抽屉置于所述固定槽板4内，因而在需要进行量子霍尔电阻芯片7的更换时，通过抽出所述芯片托槽6进行更换即可。所述芯片承载部63的底面可以设置有固定孔，用于将所述芯片托槽6与所述固定槽板4相固定。

在一示例中，所述小型量子电阻标准器还包括制冷单元(未示出)。所述制冷单元例如可以为液氮制冷单元，所述量子霍尔电阻芯片及磁体模块位于所述液氮制冷单元提供的液氮氛围中，例如液氮制冷单元提供的液氮可以整个扩散至所述屏蔽罩的外围。在其他示例中，所述制冷单元也可以为制冷机，例如包括制冷泵的制冷设备，这种情况下，制冷机可以设置于固定背板背离所述磁体模块的一侧，且与固定背板相固定，例如与所述固定背板5通过法兰相固定，以使制冷机尽可能地靠近量子霍尔电阻芯片和磁体模块。当然，所述小型量子电阻标准器还可以采用其他结构的制冷装置，例如同时包括制冷机和液氮氛围的制冷装置。但相较而言，采用小型制冷机，有助于整个装置的简化和使用上的便利化，因而在本实施例中，制冷装置优选小型制冷机。由于有屏蔽罩提供的保护以及固定背板和固定槽板作为导热机构，使得本发明提供的量子电阻标准器可以适用于各种类型的制冷装置，有助于提高其适用性。

本实施例提供的小型量子电阻标准器的组装和拆卸非常方便。例如在组装时，可先将量子霍尔电阻芯片7放置于芯片托槽6内，然后将芯片托槽6置于固定槽板4的凹槽41内(固定槽板4可与固定背板5预先固定)，将芯片托槽6和固定槽板4相固定后，将磁体模块3置于其表面，然后再依次将磁体固定屏蔽罩2和金属屏蔽罩1依次罩设于磁体模块3外围，最后将金属屏蔽罩1和固定背板5相固定即可。

综上所述，本发明提供一种小型量子电阻标准器，包括固定背板、固定槽板、芯片托槽、磁体模块、量子霍尔电阻芯片及屏蔽罩，所述固定槽板固定于所述固定背板上，所述固定槽板上设置有凹槽，所述芯片托槽位于所述固定槽板的凹槽内；所述芯片托槽上设置有芯片容纳槽、电性连接点及导线孔，所述量子霍尔电阻芯片位于所述芯片容纳槽内，且所述量子霍尔电阻芯片与所述电性连接点电连接；所述磁体模块位于所述固定槽板及芯片托槽上；所述屏蔽罩罩设于所述磁体模块外围，且与所述固定背板相固定，所述固定背板和固定槽板同时作为导热机构。本发明利用屏蔽罩和固定背板将整个装置包裹，形成机械保护与金属屏蔽；通过导热机构的设置，可将本申请的小型量子电阻标准器置于低温环境，利用导热机构与制冷机连接传导低温或直接浸泡在液氦内，使量子霍尔电阻芯片及磁体模块能够处于低温状态；通过芯片托槽的巧妙设计，可以实现量子电阻芯片的快速更替，可以实现内部固有磁场和外部施加磁场的多方调控，大大优化简化了量子电阻的环境要求。本申请使产品集成化而无需复杂实验室条件，整个装置体积小，使用方便，造价便宜，有利于量子电阻标准器的推广与应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种小型量子电阻标准器，其特征在于，包括固定背板、固定槽板、芯片托槽、磁体模块、量子霍尔电阻芯片及屏蔽罩，所述固定槽板固定于所述固定背板上，所述固定槽板上设置有凹槽，所述芯片托槽位于所述固定槽板的凹槽内；所述芯片托槽上设置有芯片容纳槽、电性连接点及导线孔，所述量子霍尔电阻芯片位于所述芯片容纳槽内，且所述量子霍尔电阻芯片与所述电性连接点电连接；所述磁体模块位于所述固定槽板及芯片托槽上；所述屏蔽罩罩设于所述磁体模块外围，且与所述固定背板相固定，所述固定背板和固定槽板同时作为导热机构。

2.根据权利要求1所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述屏蔽罩包括金属屏蔽罩和磁体固定屏蔽罩，所述金属屏蔽罩罩设于所述磁体固定屏蔽罩的外围，且与所述固定背板相固定；所述磁体固定屏蔽罩罩设于所述磁体模块外围，且与所述固定槽板相固定。

3.根据权利要求2所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述磁体模块为永磁体，所述磁体固定屏蔽罩为铁罩。

4.根据权利要求3所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述磁体模块为钕铁硼永磁体，所述固定槽板和芯片托槽由无磁性材料制成。

5.根据权利要求2所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述金属屏蔽罩包括圆柱形罩体和与圆柱形罩体的底部周向相连接的外沿部，所述金属屏蔽罩的外沿部与固定背板相固定；所述磁体固定屏蔽罩包括矩柱形屏蔽罩体和与矩柱形屏蔽罩体的底部周向相连接的外沿部，所述磁体固定屏蔽罩的外沿部与固定槽板相固定。

6.根据权利要求2所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述金属屏蔽罩的体积大于所述磁体固定屏蔽罩的体积。

7.根据权利要求1所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述芯片托槽包括芯片承载部和导线引出部，所述芯片容纳槽设置于所述芯片承载部，所述导线引出部与所述芯片承载部的端面相连接，所述导线孔设置于所述导线引出部。

8.根据权利要求1所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述小型量子电阻标准器还包括制冷机，所述制冷机位于所述固定背板背离所述磁体模块的一侧，且与所述固定背板相固定。

9.根据权利要求8所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述制冷机与所述固定背板通过法兰相固定。

10.根据权利要求1所述的小型量子电阻标准器，其特征在于，所述小型量子电阻标准器还包括液氮制冷单元，所述量子霍尔电阻芯片及磁体模块位于所述液氮制冷单元提供的液氮氛围中。

Images