[發(fā)明專利]一組十進制標(biāo)準(zhǔn)電阻及采用其制作的分壓器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310737115.4
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103743930A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鐘青
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量科學(xué)研究院
• 主分類號: G01R1/28
• 分類號: G01R1/28;G01R15/04
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11250
• 代理人: 寇海俠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一組十進制標(biāo)準(zhǔn)電阻及采用其制作的分壓器。具體地說涉及一組基于量子化霍爾效應(yīng)的十進制標(biāo)準(zhǔn)電阻及采用其制作的分壓器。

背景技術(shù)

20世紀(jì)上半葉以前，各國建立了經(jīng)典的計量基準(zhǔn)。這些計量基準(zhǔn)一般都是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理，用某種特別穩(wěn)定的實物來實現(xiàn)，故稱為實物基準(zhǔn)。電壓單位和電阻單位是電學(xué)計量中的基本單位，其中與電阻單位相應(yīng)的實物基準(zhǔn)是保存在巴黎國際計量局中的一組標(biāo)準(zhǔn)電阻線圈，用其電阻值的平均值保持電阻單位1Ω。每三年一次，各國把自己的標(biāo)準(zhǔn)電阻送到巴黎，與國際計量局電阻基準(zhǔn)進行比對，并根據(jù)比對所得的差值修正自己的國家標(biāo)準(zhǔn)量值。實物基準(zhǔn)其不足之處在于，一旦制成之后，總會有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使其特性發(fā)生微小的、緩慢的變化，因而它們所保存的量值也會有所改變。另一方面，最高等級的實物計量基準(zhǔn)全世界只有一個或一套，一旦由于自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭或其它原因意外損壞，就無法完全一模一樣的復(fù)制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會因之中斷。

美國物理學(xué)家霍爾在1879年研究導(dǎo)體在磁場中導(dǎo)電的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典的霍爾效應(yīng)。即霍爾電阻隨磁場改變而線性增加。如果三維固體中電子的運動在某一個方向(如z方向)上受到阻擋(限制),那么,電子就只能在另外兩個方向(x、y方向)上自由運動,這種具有兩個自由度的自由電子就稱為二維電子氣（Two-dimensional?electron?gas,2DEG）。一百年后的1980年，德國物理學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)深低溫和強磁場下的二維電子氣樣品的霍爾電阻并不隨磁場改變而線性增加，而是由一個平臺躍遷到另一個平臺，每個平臺處的霍爾電壓V_H與溝道電流I的比值，即霍爾電阻R_H，滿足下面的公式：V_H/I=R_H=R_K/i=h/ie²歐姆(其中h是普朗克常數(shù)，e為電子電荷，R_k被稱為克利青常數(shù)，i是與每個平臺對應(yīng)的正整數(shù)1，2，3，……。)，這個表達式表明一塊物理特性合格的二維電子氣樣品（量子化霍爾器件），不管它的大小和形狀如何，其量子化霍爾電阻都將準(zhǔn)確地由上述公式R_H=R_K/i=h/ie²得出，即量子化霍爾電阻數(shù)值與量子化霍爾器件的形狀無關(guān)，這就是量子化霍爾效應(yīng)。因此，以量子效應(yīng)的宏觀現(xiàn)象實現(xiàn)的計量基準(zhǔn)，從原理上消除了時間漂移、地點轉(zhuǎn)換對計量基準(zhǔn)的影響，提高了計量基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。因為量子霍爾電阻提供了具有普遍性和高測量精確性的復(fù)現(xiàn)電阻單位，從1990年1月1日起，國際計量委員會在世界范圍內(nèi)啟用量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)代替原來的實物標(biāo)準(zhǔn)，并給出了國際推薦值R_H=h/e²=25812.807Ω（針對量子化霍爾器件工作在第一量子化平臺的情況）。對于用砷化鎵-鋁砷化鎵異質(zhì)結(jié)材料制作的量子化霍爾器件，當(dāng)其工作在第二量子化平臺處時可得到最準(zhǔn)確的量子化霍爾電阻量值，此時上述量子化霍爾器件的量子化霍爾電阻R_H的阻值為h/2e²Ω，即12906.4035Ω。

通常用于傳遞的標(biāo)準(zhǔn)電阻為十進制的電阻，如100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ和1MΩ。若將量子化霍爾電阻這個非整數(shù)值，高精度地傳遞到整數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，通常有兩種方法：第一種是采用整數(shù)電阻串并聯(lián)得到非整數(shù)電阻量值比例的哈蒙量具法。在八十年代此法不確定度可以達到10^-8量級，但是電阻元件的不穩(wěn)定性限制了此法的進步，并且使用也很繁瑣，現(xiàn)在已很少使用；第二種方法是九十年代發(fā)展并成熟起來的低溫電流比較儀，其不確定度可以達到10^-9量級，精度很高，但是其制作過程中繞線、屏蔽和噪聲排除都相當(dāng)復(fù)雜，使用時除了霍爾器件和磁體的低溫系統(tǒng)外，還需要另外的一套液氦系統(tǒng)，也是相當(dāng)?shù)穆闊Ｒ虼耍峁┮唤M對環(huán)境要求低、易實現(xiàn)的能夠?qū)⒘孔踊魻栯娮韪呔鹊剞D(zhuǎn)化到整數(shù)值的十進制標(biāo)準(zhǔn)電阻是亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于現(xiàn)有技術(shù)中將量子化霍爾電阻高精度地傳遞到整數(shù)值的十進制標(biāo)準(zhǔn)電阻對環(huán)境要求高，使用繁瑣，從而提供一組對環(huán)境要求低、易實現(xiàn)的能夠?qū)⒘孔踊魻栯娮韪呔鹊剞D(zhuǎn)化到整數(shù)值的十進制標(biāo)準(zhǔn)電阻及采用其制作的分壓器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一組十進制標(biāo)準(zhǔn)電阻，包括100Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻、1kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻、10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻、100kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻以及1MΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻；