极端条件下测量材料或电子器件交流阻抗特性的方法及系统

摘要

本发明涉及一种极端条件下测量材料或电子器件交流阻抗特性的方法及系统。本方法操作步骤为：1.在具有极端条件的综合物性测量系统中安置样品；2.通过循环设置LCR仪表测量参数实现扫描测量功能；3.利用LCR仪表测量样品交流阻抗；4.消除误差。本系统是一个综合物性测量系统和一个LCR仪表通过GPIB接口总线与一个微机终端相连。本发明能够在极低温和强磁场条件下测量样品或器件交流阻抗特性。

说明书

技术领域

本发明新型涉及一种物理性能测试方法及系统，尤其涉及一种极端条件下测量材料或电子器件交流阻抗特性的方法及系统。

背景技术

在众多材料机理、特种电子器件研究中，通常需要测量样品或器件在极低温、强磁场条件下的交流阻抗特性进而确定其材料性质或性能。一般的交流阻抗特性测量设备，因其提供的温度和磁场精度不够以及变化范围过窄，不能满足现代材料和器件的基础研究需求；而专业的测量设备价格昂贵且功能单一。

美国Quantum Design公司的综合物性测量系统(Physics Property Measurement System，PPMS)提供了一个完美控制低温和强磁场平台，集成全自动的电学、磁学、热学、光电、形貌等各种物性测量手段；目前，其已经成为实验数据可靠性的标志，被广泛应用于物理、化学及材料科学的众多研究领域，遍布几乎所有世界一流相关实验室。在“综合物性测量系统(PPMS)简易产品说明手册，美国Quantum Design公司”中报道，PPMS本身具有绝大多数常规物性测量功能，但是其拓展功能选件中不具备交流阻抗特性测量功能，如在不同交流频率下对样品的电感(L)、电容(C)、电阻(R)、阻抗(Z)、电抗(X)、导纳(Y)、电导(G)、电纳(B)、损耗(D)、品质因素(Q)、相位角(θ)等参数进行测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种极端条件下测量材料或电子器件交流阻抗特性的方法，能够在极低温和强磁场条件下测量样品或器件交流阻抗特性。

本发明的又一目的是针对现有技术的缺陷，提供一种极端条件下测量材料或电子器件交流阻抗特性的系统，能够在极低温和强磁场条件下测量样品或器件交流阻抗特性。

为实现本发明的目的，本发明采用下述技术方案：

一种极端条件下测量材料或电子器件交流阻抗特性的方法，其特征在于操作步骤为：

a.综合物性测量系统为测试提供所需的极低温和强磁场条件，以及调节样品或器件与磁场夹角方向；待测样品或器件用双面胶及夹具固定于样品托或旋转杆上，样品托或旋转杆置于液氦杜瓦样品腔内；

b.通过循环设置LCR仪表测量参数实现扫描测量功能。目前有些LCR仪表还不具备扫描测量功能，或扫描的点数有限；数据采集分析系统通过GPIB命令循环修改交流测量信号的频率、幅度和直流偏压参数，实现交流阻抗特性扫描测量功能；

c.在样品温度和磁场值达到预设值后，利用LCR仪表测量样品或器件的交流阻抗特性；

d.消除误差：在不加样品情况下，分别测量LCR表与样品托间电缆开路和短路时对应的各种交流频率阻抗；然后在加样品情况下，通过扣除掉这个背底阻抗来得到较精确的结果。

所述极端条件的极低温度温度范围为2-380K，强磁场范围为0-9T。

一种极端条件下测量材料或电子器件的交流阻抗特性的系统，包括一个综合物性测量系统(PPMS)、一个LCR表和一个微机终端，其特征在于：所述综合物性测量系统、LCR仪表通过GPIB接口总线与微机终端相连，该微机终端包含一个数据采集分析系统。

所述测量样品或器件交流阻抗特性的系统中，综合物性测量系统、LCR仪表通过GPIB接口总线与微机终端相连，微机终端包含一个数据采集分析系统。通过综合物性测量系统控制软件MultiVu对整个测量任务编写脚本程序。MultiVu通过GPIB总线将脚本程序写入综合物性测量系统控件模块M6000内存，M6000控制液氦杜瓦样品腔的温度和磁场和样品方位以及发送命令Advise Number控制交流阻抗特性测量。

数据采集分析系统包括一个软件程序，所述程序用以采集包括温度和磁场在内的样品测量环境参数，控制交流阻抗特性测量，并且能够实时显示各种数据和绘图，实现数据存盘功能。具体而言，所述软件程序名称为LCR with PPMS，所述程序通过综合物性测量系统SCPI(可编程仪器标准命令集)命令访问综合物性测量系统控制模块M6000获取样品腔内温度和磁场等数据，并接受M6000发送的命令Advise Number，控制LCR仪表测量交流阻抗特性。所述程序具备实时数据监视、绘图和存盘功能。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1.适用范围广，可以大范围变温和变磁场测量材料样品或电子器件交流阻抗特性，可调节样品或器件与磁场夹角测量样品或器件各向异性。

2.通过软件方法实现LCR表扫描测量功能，没有描扫点数限制，参数设置灵活。

3.使用操作方便，自动化程度高，可长时间运作。测量前设定好相应测量任务脚本程序，测量时仅需同时运行数据采集软件和综合物性测量系统控制软件MultiVu即可。

4.在成熟的平台上拓展新的功能，成本低，技术可靠。

附图说明

图1本发明系统结构框图。

图2测量电路连接图。

图3数据采集分析系统界面图。

图4LCR表测量流程图。

图5MultiVu测量脚本程序示例图。

具体实施方式

本发明优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：参见图1和图2，本极端条件下测量材料交流阻抗特性的方法，操作步骤为：

a.综合物性测量系统2为测试提供所需的极低温和强磁场条件，以及调节样品5与磁场夹角方向；待测样品5用双面胶及夹具固定于样品托6或旋转杆上，样品托6或旋转杆置于液氦杜瓦4样品腔内；

b.通过循环设置LCR仪表3测量参数实现扫描测量功能；

c.在样品5温度磁场值达到预设值后，利用LCR仪表3测量样品5交流阻抗；

d.消除误差：在不加载样品或器件情况下，分别测量LCR表3与样品托6间电缆7开路和短路时对应的各种交流频率阻抗；然后在加载样品5情况下，通过扣除掉这个背底阻抗来得到较精确的结果。

所述极端条件的极低温度温度范围为2-380K，强磁场范围为0-9T。

实施例二：如图1、图2和图4，本极端条件下测量材料交流阻抗特性的系统，包括一个综合物性测量系统2、一个LCR仪表3和一个微机终端1，其特征在于：所述综合物性测量系统2和LCR仪表3通过GPIB接口总线与微机终端1相连，该微机终端1包含一个数据采集分析系统。所述数据采集分析系统具有采集整个系统数据，包括样品5的温度和磁场值及LCR仪表3测量结果以及时显示各项数值，数据绘图，完成数据存盘功能。所述数据采集分析系统通过综合物性测量系统控制软件MultiVu设定测量脚本程序，接收综合物性测量系统2发送的消息代码控制LCR表3测量。所述数据采集分析系统通过循环设置LCR仪表3测量参数实现扫描测量功能。

实施例三：本实施例详述如下：

1.测量电路连接：待测量样品用双面胶固定于样品托中间区域表面上，保持较好热接触，在样品上利用银胶引出两根金属引线并分别焊接到样品托上的通道1的I-端和通道3的I-端，金属引线应尽量短而直减少整个电路分布参数，如附图2所示。样品托置于杜瓦样品托架上，杜瓦内部有导线连接样品托至专用插口，通过同轴电缆接至LCR表。

2.设定测量脚本程序：利用综合物性测量系统控制软件MultiVu编写测量脚本程序，如附图5所示，第1行为扫描温度命令，从300K开始以1.5K/分钟的速度降温，并且在300K至10K间的291个等温度间隔点上执行人Scan到End Scan间的命令，在这里即为发送命令Advise Number 21，执行LCR固定频率单点测量任务。第4行为发送命令Advise Number 22，LCR执行扫描(包括测量信号频率，幅度，直流偏压)测量功能。第5行为描扫磁场执行LCR固定频率单点测量任务。

3.编辑扫描参数：利用Window记事本程序编辑扫描参数，如：50，0.5，0；60，n，0；1000，n，n；……，第一个参数为测试交流频率，第二个为测试交流信号幅度，第三个为测试信号直流偏压，若为“n”则表示保持LCR表当前参数不作改变。

4.测量：打开LCR表电源，连接GPIB通信线，待仪器初始化预热完毕后，设置测量阻抗类型参数，运行数据采集分析系统软件LCR with PPMS，勾选上“Enable”，将第3步编辑好的参数复制到Scan Array框内，单击“Set”载入扫描参数，最后运行第2步设定的脚本程序。

5.数据处理：实时监示测量数据，绘图，保存数据，如附图3所示。