CN1329737C

CN1329737C - 测量超导薄膜表面电阻的方法及其装置

Info

Publication number: CN1329737C
Application number: CNB2004100192489A
Authority: CN
Inventors: 阎少林; 张旭; 冯洪辉
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: CN1580792A

Abstract

本发明涉及一种测量表面电阻的方法及其装置，用于检测金属材料、超导薄膜材料、尤其是用于检测高温超导薄膜材料的表面电阻的方法及测量装置，属于电子技术领域。它采用了一端短路而另一端处于开放状态的介质加载谐振器。通过分别对两个材料相同、长度一样、直径不等的介质圆柱组成的微波介质加载谐振腔的测量，可以确定除测试样品以外其它损耗所对应的系统品质因数值Q_r，进而对被测样品进行测量，可得到被测样品的表面电阻R_s。测量过程简单、快捷、测试结果精度高，解决了以往测量表面电阻的局限性，如测量样品被破坏，或测量中需要多片样品，或测量中需要依赖校准件。实现了非损伤性单片超导薄膜表面电阻的绝对测量。

Description

测量超导薄膜表面电阻的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种测量表面电阻的方法及其装置，用于检测金属材料、超导薄膜材料、尤其是用于检测高温超导薄膜材料的表面电阻的方法及测量装置，属于电子技术领域。

背景技术

超导薄膜材料的表面电阻是衡量材料的微波电性能优劣的重要指标之一。对于超导薄膜材料，主要是要测量材料在超导温度下的表面电阻，并且在测量过程中不损伤样品。

已有多种方法用来测量超导薄膜的微波表面电阻。谐振器方法测量微波表面电阻是一种被广泛采用的方法。谐振器方法又分为样品被破坏方法和样品不被破坏方法两类。

文献(Stripline resonator measurements of Z_s versus H_rf in YBa₂Cu₃O_7-X thinfilms，Daniel E.Oates，et al，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，39(1991)1522)1：采用带状线谐振腔方法测量超导薄膜表面电阻。测试前，要将超导薄膜刻蚀成微带谐振器，通过微波测量和计算，可以得到超导薄膜的微波表面电阻。

文献(A sapphire resonator for microwave characterization of superconductingthin films，IEEE Transactions on Applied Superconductivity 3(1993)1457，C.Wilker，Z-Y.Shen，V.X.Nguyen and M.S.Brenner)2：采用介质谐振器法。测试时，将一对样品放在蓝宝石介质柱的相对两个端面上，形成一个限制性介质谐振器。通过测量系统的品质因数Q和其他参数，可以计算出两片被测样品表面电阻的平均值。

文献(高温超导薄膜微波表面电阻测试装置及方法，中国发明专利，专利号93115387.5，发明人：卢剑，张其劭)3：采用蓝宝石介质谐振器法测量超导薄膜表面电阻。测试前，用标准件和校准件分别对系统的品质因数Q和其他参数进行测量，并计算出系统的结构常数。然后再用被测样品测试出系统的品质因数Q，根据系统的结构常数可以计算出样品的微波表面电阻R_s。

综上所述，超导薄膜表面电阻测量方法的现有技术是以下三种情况：

1、采用带状线谐振腔方法测量微波表面电阻是损伤性测量。测量前，首先需要将样品制作成微带谐振腔，测量后样品将不能再作为他用。

2、采用介质谐振器两端样品测量法，可以无损伤测量样品的表面电阻，但得到的是两片被测样品表面电阻的平均值。要想得到每一片样品的表面电阻值，需要测量三片以上的样品，才能计算出每一片样品的表面电阻值。

3、采用校准件确定结构常数的测量方法，需要事先知道校准件的表面电阻。往往会由于校准件表面电阻的误差或校准件表面电阻的改变导致测量误差。

发明内容

为了解决现有技术超导薄膜表面电阻测量方法的技术缺陷，如测量样品被破坏，或测量中需要多片样品，或测量中需要依赖校准件等，本发明公开了一种新的测量超导薄膜表面电阻的方法及其装置。

本发明的测量装置：这种超导薄膜表面电阻的测量装置，它包括金属腔体、密封盖、由螺钉连接锁紧、由密封圈密封、两根微波耦合线作为微波的输入和输出端分别接入金属腔体中、在金属腔体上端中央有一根排充气管；样品托架置于密封盖内，弹簧置于样品托架与密封盖之间，测试样品置于样品托架和金属腔体端面之间，测试样品的面积大于柱形金属腔体的端面积；弹簧通过样品托架来压紧测试样品和金属腔体，使之紧密接触；介质圆柱置于金属腔体内、支撑环的中心。

本发明的测量方法：这种测量超导薄膜表面电阻的方法，是使用同一种介质材料制作两个长度相同，直径不同的介质圆柱A和B，分别对同一超导薄膜进行测试，确定系统的Q_r值；进而测量计算出表面电阻R_s。

本发明的基本原理：

本发明谐振器内电磁场工作模式为TE_011+δ模。

设谐振器的无载Q值为Q₀，则

\frac{1}{Q_{0}} = \frac{1}{Q_{c}} + \frac{1}{Q_{r}} - - - (1)

其中Q_c是测试样品的Q值，Q_r是由谐振器的介质圆柱2、支撑环5、金属腔体1的内壁、微波耦合线3及其他损耗共同决定的Q值。设样品的表面电阻为R_s，则有公式

R_{s} = \frac{G}{Q_{c}} - - - (2)

其中G是谐振器的结构常数，可以通过电磁场分布计算出来。因此有

R_{s} = G (\frac{1}{Q_{0}} - \frac{1}{Q_{r}}) - - - (3)

其中谐振器的无载Q值为Q₀，可以通过网络分析仪对谐振器的测试得到。

为确定Q_r值，在同一个谐振腔内分别装入介质材料相同、长度相同、直径不同的两个介质圆柱A和介质圆柱B，分别对同一个金属样板进行测量，可以得到计算两个金属板表面电阻的公式

R_{sA} = G_{A} (\frac{1}{Q_{0 A}} - \frac{1}{Q_{rA}}) - - - (4 a)

R_{sB} = G_{B} (\frac{1}{Q_{0 B}} - \frac{1}{Q_{rB}}) - - - (4 b)

其中，G_A和G_B分别是使用介质圆柱A和介质圆柱B时的结构常数，可以通过场分布计算出来。Q_0A和Q_0B分别是使用介质圆柱A和介质圆柱B时谐振腔的无载Q值，可以从网络分析仪测试结果中得到。由于介质圆柱A和介质圆柱B长度形状一样，直径接近，可以认为

Q_rA＝Q_rB＝Q_r (5)

又因为金属的表面电阻与频率的开方成比例，有

\frac{R_{sA}}{R_{sB}} = \sqrt{\frac{f_{A}}{f_{B}}} - - - (6)

其中f_A和f_B分别是使用介质圆柱A和介质圆柱B时的谐振腔内电磁场TE_011+δ模式的谐振频率，可以从网络分析仪测试中获得。设

C = \frac{G_{B}}{G_{A}} \sqrt{\frac{f_{A}}{f_{B}}} - - - (7)

由此得到

Q_{r} = \frac{C - 1}{\frac{C}{Q_{0 B}} - \frac{1}{Q_{0 A}}} - - - (8)

由此式可以得到系统的Q_r值。

同样，也可以用超导薄膜样品取代金属样板，利用超导薄膜的表面电阻与频率的平方成比例的关系，也可以得到系统的Q_r值。

显然，测试前不需要知道金属样板或超导薄膜的表面电阻值，但要求金属样板或超导薄膜在柱形金属腔体的端面积内微波特性均匀。

当得到系统的Q_r值以后，测量样品的表面电阻R_s时，只用其中一个介质圆柱组成的谐振腔，装入待侧样品后，用网络分析仪测出系统的谐振频率和无载Q值，便可以由(3)式计算出R_s。

本发明的有益效果：

测量过程中样品不被破坏，实现了单片超导薄膜表面电阻的绝对测量，不需要校准件，精确度高，而且可以测量低温下金属材料和超导薄膜材料的表面电阻。在测量装置的金属腔内可以抽真空也可以充入气体，测量装置可以在空气中使用，也可以在液体中使用，并且可以分别测量样品的多个位置，也可以测量不同面积的样品。

附图说明：

图1.超导薄膜表面电阻的测量装置剖视图

图中：1、金属腔体2、介质圆柱3、微波耦合线4、密封盖5、支撑环6、测试样品7、样品托架8、弹簧9、密封圈10、排充气管11、螺钉

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明：

如图1所示，这种超导薄膜表面电阻的测量装置，它包括金属腔体1、密封盖4、由螺钉11连接锁紧、由密封圈9密封、两根微波耦合线3作为微波的输入和输出端分别接入金属腔体1中、在金属腔体1上端中央有一根排充气管10；样品托架7置于密封盖4内，弹簧8置于样品托架与密封盖之间，测试样品6置于样品托架和金属腔体端面之间，测试样品6的面积大于柱形金属腔体的端面积；弹簧8通过样品托架7来压紧测试样品6和金属腔体1，使之紧密接触；介质圆柱2置于金属腔体内、支撑环5的中心。

支撑环5是置于金属腔体1内用来固定介质圆柱、使介质圆柱2和金属腔体1保持同轴，并使介质圆柱和金属腔体的端面处于同一平面上，构成样品测试平面。

介质圆柱2采用蓝宝石制作、支撑环5采用聚四氟乙烯制作。

这种测量超导薄膜表面电阻的方法，是使用同一种介质材料制作两个长度相同，直径不同的介质圆柱A和B，分别对同一超导薄膜进行测试，确定系统的Q_r值；进而测量计算出表面电阻R_s。

确定系统Q_r值是通过以下操作步骤：

1)根据谐振腔和介质的尺寸以及TE_011+δ模式场分布，分别计算出使用介质圆柱A和介质圆柱B时的结构常数G_A和G_B；

2)将介质圆柱A装入金属腔1内，将样品放在样品托架7上使其与介质圆柱下端面紧密接触，用螺钉11锁紧金属腔体1和密封盖4；

3)通过排充气管10将腔体抽真空，而后充入氦气或其他气体；

4)将测试装置冷却，如放入液态氮中，保持温度均匀，如77K；

5)通过微波耦合线3分别与网络分析仪的输出和输入端口连接，并测量出谐振频率f_A和无载Q值Q_0A；

6)取出介质圆柱A，将介质圆柱B装入金属腔1内，重复步骤2)至5)，测量出谐振频率f_B和无载Q值Q_0B；

7)由(7)式和(8)式计算出Q_r。

8)如果使用超导薄膜样品，按照操作步骤1)至6)进行，然后使用公式

C = \frac{G_{B}}{G_{A}} \cdot \frac{f_{A}^{2}}{f_{B}^{2}}

和

Q_{r} = \frac{C - 1}{\frac{C}{Q_{0 B}} - \frac{1}{Q_{0 A}}}

计算出Q_r。

表面电阻R_s的测量和计算：

在Q_r值确定后，选择测定Q_r时两个介质圆柱中的一个介质圆柱，A或B，直接对测试样品进行测量，无需对每个测试样品进行Q_r值的重复测定，具体步骤如下：

1)将测试样品6放在样品托架7上，使其与介质圆柱2紧密接触，用螺钉11锁紧金属腔体1和密封盖4；

2)通过排充气管10将腔体抽真空，而后充入氦气或其它气体；

3)将测试装置冷却，如放在液态氮中，保持温度均匀，如77K；

4)通过微波耦合线3分别与网络分析仪的输出、输入端口连接，并测量出谐振频率f₀和无载Q值Q₀；

5)由公式(3)计算出样品的R_s值。

本装置内所采用的介质谐振器是一端短路而另一端处于开放状态介质加载谐振器。介质谐振器内的电磁场工作模式选择TE_011+δ模式。由于高纯单晶蓝宝石具有低损耗及高介电常数的特点，它将大部分电磁能量限制于蓝宝石内及其附近，远离蓝宝石表面电磁场强度将沿径向迅速衰减，因而它具有较高Q值，这就保证了测量装置具有较高的测量灵敏度。

本发明的所述方法是采用两个介质材料相同、长度相等、直径不同的介质圆柱A和B，分别与同一个金属腔体和同一个测试样品构成微波介质加载谐振腔，利用场分布计算出谐振腔的结构常数G_A和G_B，用网络分析仪测得谐振腔的谐振频率f_A和f_B、无载Q值Q_0A和Q_0B，计算出测试样品以外其他损耗对应的Q值为Q_r，使用其中一个介质圆柱进行测量本样品或其他样品的表面电阻R_s。本发明所述的测量表面电阻方法是一种测试样品无损伤测试，而且不需要已知表面电阻的标准件，是一种表面电阻的绝对测量，测量过程操作简单，测量精度高。本发明的所述的测量表面电阻的方法可以测量超导薄膜材料的表面电阻，也可以测量金属材料的表面电阻。

具体操作步骤：

(一)确定Q_r值：

本发明测量超导薄膜表面电阻之前，首先需要确定系统的Q_r值。具体操作步骤如下：

1、根据谐振腔和介质的尺寸以及TE_011+δ模式场分布，分别计算出使用介质柱A和介质柱B时的结构常数G_A和G_B。

2、将介质圆柱A装入金属腔1内，将样品放在样品托架7上使其与介质圆柱下端面紧密接触。用螺钉11锁紧金属腔体1和密封盖4。

3、通过排充气管10将腔体抽真空，而后充入氦气或其他气体。

4、将测试装置冷却，如放入液态氮中，保持温度均匀，如77K。

5、通过微波耦合线3分别与网络分析仪的输出、输入端口连接，并测量出谐振频率f_A和无载Q值Q_0A。

6、取出介质圆柱A，将介质圆柱B装入金属腔1内。重复步骤2至5，测量出谐振频率f_B和无载Q值Q_0B。

7、由(7)式和(8)式计算出Q_r。

(二)测定样品的表面电阻R_s：

Q_r值确定后，选择测定Q_r时两个介质圆柱中的一个介质圆柱(例如介质圆柱A)，可以直接对测试样品进行测量，无需对每个测试样品进行Q_r值的重复测定。具体步骤如下：

1、将测试样品放在样品托架7上，使其与介质圆柱紧密接触，用螺钉11锁紧金属腔体1和密封盖4。

2、通过排充气管10将腔体抽真空，而后充入氦气或其他气体。

3、将测试装置冷却，如放入液态氦中，保持温度均匀，如77K。

4、通过微波耦合线3分别与网络分析仪的输出、输入端口连接，并测量出谐振频率f_A和无载Q值Q₀。

5、由公式(3)计算出样品的R_s值。

实例1：金属腔体1用高纯无氧铜制成，内径19.0mm。介质圆柱A和介质圆柱B采用蓝宝石介质，圆柱直径分别为6.8mm和6.0mm，长度为4.0mm。微波耦合线采用半钢性同轴电缆耦合环耦合。支撑环5使用纯聚四氟乙稀。测试金属样板采用抛光的高纯无氧铜板，直径50.8mm。测试时将测试装置直接放入液态氮中，温度为77K。

根据谐振腔内的场分布，可计算出G_A＝292.56和G_B＝352.44。使用介质圆柱A和介质圆柱B分别测得Q_0A＝13233.6，Q_0B＝14850.0，谐振频率f_A＝15.429GHz和f_B＝16.431GHz.由此可以计算出Q_r＝54959.96。

高纯无氧铜板在液氮温度(77K)下的表面电阻，R_s(15.429GHz)＝16.784mΩ，R_s(16.413GHz)＝17.321mΩ。

实例2：测试样板采用Tl₂Ba₂CaCu₂O_X超导薄膜，直径50.8mm。测试时将测试装置直接放入液态氮中。

测试结果：在液氮温度(77K)下，Tl₂Ba₂CaCu₂O_X超导薄膜的表面电阻R_s(14.761GHz)＝0.688mΩ，R_s(15.428GHz)＝0.761mΩ。

Claims

1.一种测量超导薄膜表面电阻的方法，使用一个金属腔体(1)，介质圆柱(2)置于金属腔体内，支撑环(5)置于金属腔体(1)底部，保证同心，其特征在于：使用同一种介质材料制做两个长度相同，直径不同的介质圆柱A和B，分别对同一超导薄膜进行测试，确定系统的Q_r值；进而测量计算出表面电阻：

R_{s} = G (\frac{1}{Q_{0}} - \frac{1}{Q_{r}})

确定系统Q_r值是通过以下操作步骤：

2)将介质圆柱A装入金属腔(1)内，将样品放在样品托架上使其与介质圆柱(2)下端面紧密接触，用螺钉(11)锁紧金属腔体(1)和密封盖(4)；

3)通过排充气管(10)将腔体抽真空，而后充入氦气；

4)将测试装置冷却，保持温度均匀；

5)通过微波耦合线(3)分别与网络分析仪的输出和输入端口连接，并测量出谐振频率f_A和无载Q值Q_0A；

6)取出介质圆柱A，将介质圆柱B装入金属腔(1)内，重复步骤2)至5)，测量出谐振频率f_B和无载Q值Q_0B；

7)如果使用金属样品，用公式由

C = \frac{G_{B}}{G_{A}} \cdot \sqrt{\frac{f_{A}}{f_{B}}}

和

Q_{r} = \frac{C - 1}{\frac{C}{Q_{0 B}} - \frac{1}{Q_{0 A}}}

计算出Q_r；

8)如果使用超导薄膜样品，按照操作步骤1)至6)进行，然后使用公式：

C = \frac{G_{B}}{G_{A}} \cdot \frac{f_{A}^{2}}{f_{B}^{2}}

和

Q_{r} = \frac{C - 1}{\frac{C}{Q_{0 B}} - \frac{1}{Q_{0 A}}}

计算出Q_r；

表面电阻R_s的测量计算，在Q_r值确定后，选择测定Q_r时两个介质圆柱中的一个介质圆柱，A或B，直接对测试样品进行测量，无需对每个测试样品进行Q_r值的重复测定，具体步骤如下：

a)将测试样品(6)放在样品托架(7)上，使其与介质圆柱(2)紧密接触，用螺钉(11)锁紧金属腔体(1)和密封盖(4)；

b)通过排充气管(10)将腔体抽真空，而后充入氦气；

c)将测试装置冷却，保持温度均匀；

d)通过微波耦合线(3)分别与网络分析仪的输出、输入端口连接，并测量出谐振频率f₀和无载Q值Q₀；

e)由公式

R_{s} = G (\frac{1}{Q_{0}} - \frac{1}{Q_{r}})

计算出样品的R_s值。