[發(fā)明專利]一種量子電容測量系統(tǒng)及其測量方法

有效

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• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN112816790B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設計）人: 劉陽;趙利利
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種量子電容測量系統(tǒng)，其特征在于，所述量子電容測量系統(tǒng)包括：低溫電橋電路、室溫端接口電路和超外差鎖相測量系統(tǒng)；其中，低溫電橋電路集成在位于制冷機內的樣品臺上；室溫端接口電路和超外差鎖相測量系統(tǒng)位于制冷機外；低溫電橋電路的輸入輸出通過室溫端接口電路連接至超外差鎖相測量系統(tǒng)；

低溫電橋電路包括標準電阻、標準電容、待測電容、配平電阻、控制端限流電阻以及第三和第四限流電阻；其中，配平電阻采用電壓可控電阻，配平電阻的控制電壓端通過控制端限流電阻連接至控制電壓，通過控制電壓控制配平電阻的電阻大小；配平電阻與標準電阻串聯(lián)組成電橋的電阻臂；標準電容與待測電容串聯(lián)組成電橋的電容臂；配平電阻的第二端與標準電容的第一端相連后作為射頻輸入正端；標準電阻的第一端與待測電容的第二端相連后作為射頻輸入負端；標準電容的第二端與待測電容的第一端相連后作為低溫電橋的輸出正端通過同軸線的芯層連接至制冷機外；配平電阻的第一端與標準電阻的第二端相連后作為低溫電橋的輸出負端通過同軸線的屏蔽層連接至制冷機外通過室溫接口電路接測量地；低溫電橋的射頻輸入正端通過第三限流電阻連接至位于制冷機外的室溫接口電路的低頻電壓測量正端；低溫電橋的射頻輸入負端通過第四限流電阻連接至位于制冷機外的室溫接口電路的低頻電壓測量負端；

室溫接口電路包括：射頻激勵輸入端、激勵耦合變壓器、隔離電容、第一低頻電流輸入端、第二低頻電流輸入端、低頻電壓測量正端、低頻電壓測量負端、第一限流電阻和第二限流電阻；射頻激勵輸入端連接至激勵耦合變壓器的第一端口，激勵耦合變壓器的第二端口接地，激勵耦合變壓器的第三端口和第四端口分別連接至低溫電橋電路的射頻輸入正端和射頻輸入負端，隔離電容串聯(lián)在激勵耦合變壓器的第三端口與射頻輸入正端之間，或者串聯(lián)在激勵耦合變壓器的第四端口與射頻輸入負端之間；第一低頻電流輸入端通過第一限流電阻連接至射頻輸入正端；第二低頻電流輸入端通過第二限流電阻連接至射頻輸入負端；

超外差鎖相測量系統(tǒng)包括信號源、高頻低噪聲前級放大器、混頻器、低通濾波器以及低頻鎖相放大器；信號源用于生成電橋測量激勵信號、混頻器本地振蕩信號和低頻鎖相參考信號；低溫電橋電路的輸出正端接入高頻低噪聲前級放大器的輸入端，高頻低噪聲前級放大器的輸出端連接至混頻器的信號輸入端，信號源生成的本地振蕩信號連接至混頻器的本振信號輸入端，混頻器的輸出端連接至低通濾波器的輸入端，低通濾波器的輸出端連接至低頻鎖相放大器的信號輸入端；信號源生成的低頻鎖相參考信號接入低頻鎖相放大器的參考信號輸入端；

信號源生成的激勵信號輸入至室溫接口電路的輸入端，通過激勵耦合變壓器耦合至低溫電橋電路中；

在測量過程中，從室溫接口電路的第一和第二低頻電流輸入端分別輸入角頻率不同的低頻交流電流，電流分別經過低溫電橋電路的配平電阻和標準電阻后流入低溫電橋電路的輸出負端，在低頻電壓測量正端與低頻電壓測量負端之間產生差分電壓，利用低頻鎖相技術分別測量差分電壓，從而實現對標準電阻和配平電阻的實時測量；

從低溫電橋電路的輸出正端輸出的電壓信號連接至超外差鎖相測量系統(tǒng)中進行測量，經過高頻低噪聲前級放大器進行前級預放大后，與本地振蕩信號一同輸入到混頻器中進行混頻，混頻后的混頻信號包含輸出電壓信號和本地振蕩信號的和頻信號與差頻信號，混頻信號再通過低通濾波器進行濾波，從而濾除和頻信號，只留下低頻率的差頻信號；低頻鎖相放大器精準的讀取鎖相放大器測得差頻信號的幅度|V_df|，以及差頻信號V_df與信號源輸出的參考信號V_ref之間的相位差θ；

電橋測量分為兩種模式：平衡電橋測量和非平衡電橋測量，平衡電橋測量用于測量電容的絕對數值，非平衡電橋測量用于測量電容的變化量，通過標定得到獲得待測電容。

2.如權利要求1所述的量子電容測量系統(tǒng)，其特征在于，所述配平電阻采用超高遷移率晶體管的源漏電阻實現；配平電阻的第一端為超高遷移率晶體管的源極或漏極；配平電阻的第二端為超高遷移率晶體管的漏極或源極；超高遷移率晶體管的柵極為控制電壓端。

3.如權利要求1所述的量子電容測量系統(tǒng)，其特征在于，所述信號源采用時鐘同步的信號發(fā)生器、數字頻率合成器或者鎖相環(huán)來實現。