[发明专利]组合式量子霍尔电阻样品比例校验器

说明书

本发明涉及一种组合式量子霍尔电阻样品比例校验器，包括校验器本体、标称电阻器组、接线端子、共节点接线器、跳线及输出接头；接线端子为多个，固定安装于所述校验器本体上；所述标称电阻器组为多个，每个电阻器组为一个标称阻值的电阻器件，或由多个标称阻值相同的所述电阻器件并联组成，多个标称电阻器组通过多个所述跳线与所述接线端子之间的电路连接，可改变所述电阻器组之间的电路连接方式，进而形成不同的阻值，同时，通过所述跳线与所述接线端子的连接，形成标准四线法测量方式接入所述输出接头。该比例校验器可以解决组合式量子霍尔电阻样品的校验问题，校验误差相对不确定度达到5×10^‑8，还可以校准验证常温电流比较仪。

技术领域

本发明属于计量科学领域，尤其涉及一种组合式量子霍尔电阻样品比例校验器。

背景技术

(1)量子霍尔电阻

量子霍尔电阻(QHR)自然基准是电阻计量最高标准(国际公认)，在样品材料(砷化镓外延片)对应的2号填充平台的工作条件范围内(例如温度1.5K，磁场8T)给出霍尔电阻基准值12906.4035Ω，这是与自然常数直接相关的物理量值，用来做电阻计量标准值，国际通用。量子霍尔电阻的基本结构叫做hall bar，丰字形结构，如图1所示。工作时，1向2通电流I₁₂(大约50微安)，3-4两端电压V₃₄(5-6，7-8符号同上)。特定的材料，通过特定的制作工艺，制作出量子霍尔电阻样品。这种样品如果在理想工作状态下，三对电压电极电压相同，V₃₄＝V₅₆＝V₇₈，并且V3＝V5＝V7，V4＝V6＝V8，达到这种状态叫做完全量子化，这时霍尔电阻R＝V₃₄/I₁₂,是一个只与物理常数有关的量，即基准阻值12906.4035Ω。但实际上，与理想工作状态总有差距，因此实际系统的基准阻值有不确定度，不同国家不一样，例如德国的相对不确定度为±4E-9(4x10^-9)，XX国的相对不确定度为±100E-9。

因此，一个量子霍尔电阻自然基准系统，基准阻值的准确度需要进行相互比对，验证准确度。量子霍尔电阻每个样品需要占用一套低温系统，费用昂贵，操作复杂。

(2)组合式量子霍尔电阻

组合式量子霍尔电阻是在量子霍尔电阻基础上，由多个量子霍尔电阻通过并联的方式获得1/n基准阻值的样品。

国际上，有阵列型量子霍尔电阻样品，通过数十个基本型混联，达到十进制阻值。

组合式量子霍尔电阻的优点是，组合基准阻值低，是1/n量子霍尔电组基准阻值。组合式量子霍尔电阻每个样品仍需要占用一套低温系统，一般实验室只有一套系统，每次不同阻值的样品工作需要换样品。

(3)量子霍尔电阻的测量技术

量子霍尔电阻的计量准确度一般需要达到nE-8量级，通用测量仪表(高端数字表8508A等，准确度最高到nE-6量级)是不能达到这个精度(准确度)的，专业测量仪器是电流比较仪式电桥。

国际最高端的比较仪电桥是低温电流比较仪电桥(CCC)，但这类电桥不通用，一般只有国家计量院有一台。

大多数常规的(常温)电流比较仪电桥的测量比例范围是1：10(1：r也可以测量，r为有理数，1≤r≤10,)，其测量功能是，测量仪器外部两只标准电阻的阻值比例，一般常温电流比较仪电桥准确度可以达到nE-7。

标准电阻值一般是十进制阻值，如1Ω，100Ω，1kΩ，10kΩ，100kΩ等。其中100Ω，1kΩ是阻值适中，制作工艺相对成熟的阻值。一般选用这两个阻值的标准电阻与量子霍尔电阻进行比例测量。1000：12906.4035比例超过通常范围，需要特殊设计的常温电流比较仪电桥。

所以，组合式量子霍尔电阻的优势是基准阻值低，能够适应更多常规电桥使用。