[发明专利]超灵敏比率电容膨胀计以及相关方法

说明书

描述了一种超灵敏比率电容膨胀计以及相关的方法。膨胀计(100)基于比率电容，或者在两个或更多个膨胀计的平行板电容器(201；202)之间测得的电容比提供电容测量。就这一点而言，不需要绝对容量桥，并且甚至更有利地是，与传统膨胀计相比大大降低了吸附气体的影响。比率电容膨胀计提供对称的构造，其降低了温度梯度的影响。此外，某些实施例提供V型槽设计，其中膨胀计的第二平行板电容器与第一平行板电容器沿着膨胀计单元的关键中心线形成角度，其由于更简单的磨削、金属化和组装而提高了可制造性。

技术领域

本发明涉及被称为膨胀计的精密仪器，其被设计成测量由于样品的环境变化带来的样品的尺寸变化；并且更具体地，这种膨胀计被配置用于两个或更多个平行板电容器之间的比率测量，以及涉及相关的方法，这种仪器在本文中被称为“比率电容膨胀计”。

背景技术

热膨胀系数是所有材料的基本性质；然而在大多数实验室中不易得到测量热膨胀的能力，特别是在极低或几分之一度开尔文量级的低温温度下。

膨胀计是用于测量由于材料的环境的变化带来的材料的尺寸变化的超灵敏仪器。针对膨胀计的各种应用可以包括：定位材料中的相变；预测超导体中的压力影响；表征低温结构材料；磁致伸缩研究或提供互补于热容量数据的信息。

本领域中已经提出了一些膨胀计，包括：在高温应用中使用的炉和推杆膨胀计；在低温应用中使用的谐振频率膨胀计；已经显示可提供适度分辨率的压阻式膨胀计；以及这些仪器中最敏感但也是最难以成功实现的电容膨胀计。本发明的实施例将涉及改进的电容膨胀计

电容膨胀计被设计成得益于准确测量两个平行板之间的电容变化的能力。由于这一能力，这种膨胀计能够测量几分之一埃量级的长度变化。

有兴趣研究各种固体的热膨胀，并且特别是在非常低的温度和/或外加磁场下的这种固体。

因此，除了测量材料的热膨胀，收集与给定样本在非常低的温度下和在各种磁场或磁梯度内的尺寸变化相关的数据是有益的。因此，本文的各种实施例已经被设计用于与共同拥有的和市场上能够买到的量子设计公司的“物理性质测量系统”或“PPMS”一起使用，PPMS是能够提供具有0.05K和1000K之间的温度，以及具有达到16T的磁场的环境的通用的低温度的低温恒温器。PPMS进一步提供自动化的板载温度控制和测量能力。尽管PPMS是用于与本文的某些实施例一起使用的特殊平台，应该理解其他低温度的低温恒温器或类似的系统可以类似地实现并且本发明的范围不旨在限制于与上述PPMS一起实践。

在Schmiedeshoff et al.,“Versatile and compact capacitivedilatometers”,Review of Scientific Instruments 77,123907(2006)中描述了电容膨胀计的设计和实现的新进展。Schmiedeshoff描述了具有圆柱形几何结构并且由铜制造的电容膨胀计。据称铜被选择是因为它的高导热性、机械加工性、对强磁场的相对不敏感性以及公知的热膨胀的特征。然而，尽管公知，但铜合金具有高的热膨胀性，并且受在感应涡流上的磁转矩的影响，感应涡流导致对来自单元自身的原始膨胀数据的大的贡献。为了确定归因于材料样本的膨胀分量，数据的该热膨胀部分必须被减去。该修正被广泛地称为“空单元效应”，然而该修正考虑了归因于空单元的热膨胀的噪声量。

此外，微型的基于电容的膨胀计膨胀单元几乎普遍是由铜、铜铍合金或其他铜合金建造的。然而该结构受到以下事实的影响：需要绝缘材料以便使电容板与也导电的膨胀单元的主体电隔离。在实践中，这些铜合金膨胀单元将会由于传导材料和或铜及单元自身的绝缘结构复合体的大的热膨胀而典型地导致大的“空单元效应”或背景信号。