一种量子电容测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及量子电容测量技术，具体涉及一种量子电容测量系统以及测量方法。

背景技术

电容测量研究载流子在外加电场下的充放电过程，是一种极为实用的表征材料和器件的测量技术。在量子材料研究中，通过检测电容值的微小变化——即量子电容——可以反应载流子费米面的态密度变化。量子电容测量要比常规电容测量困难的多，这是由于：样品体积小，电容值一般小至fF量级；样品一般处于真空、低温或强磁场等测量装置中，与测量仪表距离远，测量的寄生电容远大于待测电容值；当样品处于极低温环境中(一般在～100mK或以下)，测量需要极低的激励。

量子电容测量的首要原则是测量信号不能影响器件本身的量子态。通过对常规量子材料进行估算，可以得知量子电容的一般测量条件。假设一块用于量子输运测量的GaAs二维电子气样品的面积为A＝(100μm)

该样品的几何电容值为

此外，由于待测样品处于低温设备中，依靠数米长的连接线与处于室温端的测量仪器连接，连接线有～200pF的寄生电容存在，远大于待测电容C

目前，对低温下的量子电容测量的主要方法是将前级放大器直接放在电容桥附近，减少线缆电容的影响，并达到耦合、输送输出电压的目的。但是由于前级放大器功耗过高，目前已知的工作温度最低为50mK。但一些量子态的出现往往需要更低的温度，例如5/2分数量子霍尔效应，所以这些测量方法对于更低温度才能出现的量子电容有较强的局限性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种量子电容测量方法以及相应的测量系统。该方法采用平衡电桥和超外差解调的信号测量方法实现对量子电容的测量。

为了尽可能减小寄生电容的影响，本发明将测量电桥集成在样品台上；为了降低测量发热和避免影响样品的量子状态，在保持电桥的激励信号很小的同时提高测量频率以获得足够的测量精度；为了实现对高频小信号的电桥输出信号的精确测量，本发明使用了超外差结构和锁相测量方法相结合，利用本振信号混频将电桥输出的高频信号转换为低频信号，再利用低频锁相测量技术测得低频信号的幅度和相位，从而实现对高频小信号幅度和相位的探测。

本发明的一个目的在于提出一种量子电容测量系统。

本发明的量子电容测量系统包括：低温电桥电路、室温端接口电路和超外差锁相测量系统；其中，低温电桥电路集成在位于制冷机内的样品台上；室温端接口电路和超外差锁相测量系统位于制冷机外；低温电桥电路的输入输出通过室温端接口电路连接至超外差锁相测量系统；

低温电桥电路包括标准电阻、标准电容、待测电容、配平电阻、控制端限流电阻以及第三和第四限流电阻；其中，配平电阻采用电压可控电阻，配平电阻的控制电压端通过控制端限流电阻连接至控制电压，通过控制电压控制配平电阻的电阻大小；配平电阻与标准电阻串联组成电桥的电阻臂；标准电容与待测电容串联组成电桥的电容臂：配平电阻的第二端与标准电容的第一端相连后作为射频输入正端；标准电阻的第一端与待测电容的第二端相连后作为射频输入负端；标准电容的第二端与待测电容的第一端相连后作为低温电桥的输出正端通过同轴线的芯层连接至制冷机外；配平电阻的第一端与标准电阻的第二端相连后作为低温电桥的输出负端通过同轴线的屏蔽层连接至制冷机外通过室温接口电路接测量地；低温电桥的射频输入正端通过第三限流电阻连接至位于制冷机外的室温接口电路的低频电压测量正端；低温电桥的射频输入负端通过第四限流电阻连接至位于制冷机外的室温接口电路的低频电压测量负端；

室温接口电路包括：射频激励输入端、激励耦合变压器、隔离电容、第一低频电流输入端、第二低频电流输入端、低频电压测量正端、低频电压测量负端、第一限流电阻和第二限流电阻；射频激励输入端连接至激励耦合变压器的第一端口，激励耦合变压器的第二端口接地，激励耦合变压器的第三端口和第四端口分别连接至低温电桥电路的射频输入正端和射频输入负端，隔离电容串联在激励耦合变压器的第三端口与射频输入正端之间，或者串联在激励耦合变压器的第四端口与射频输入负端之间；第一低频电流输入端通过第一限流电阻连接至射频输入正端；第二低频电流输入端通过第二限流电阻连接至射频输入负端；

超外差锁相测量系统包括信号源、高频低噪声前级放大器、混频器、低通滤波器以及低频锁相放大器；信号源用于生成电桥测量激励信号、混频器本地振荡信号和低频锁相参考信号；低温电桥电路的输出正端接入高频低噪声前级放大器的输入端，高频低噪声前级放大器的输出端连接至混频器的信号输入端，信号源生成的本地振荡信号连接至混频器的本振信号输入端，混频器的输出端连接至低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接至低频锁相放大器的信号输入端；信号源生成的低频锁相参考信号接入低频锁相放大器的参考信号输入端；

信号源生成的激励信号输入至室温接口电路的输入端，通过激励耦合变压器耦合至低温电桥电路中；

在测量过程中，从室温接口电路的第一和第二低频电流输入端分别输入角频率不同的低频交流电流，电流分别经过低温电桥电路的配平电阻和标准电阻后流入低温电桥电路的输出负端，在低频电压测量正端与低频电压测量负端之间产生差分电压，利用低频锁相技术分别测量差分电压，从而实现对标准电阻和配平电阻的实时测量；

从低温电桥电路的输出正端输出的电压信号连接至超外差锁相测量系统中进行测量，经过高频低噪声前级放大器进行前级预放大后，与本地振荡信号一同输入到混频器中进行混频，混频后的混频信号包含输出电压信号和本地振荡信号的和频信号与差频信号，混频信号再通过低通滤波器进行滤波，从而滤除和频信号，只留下低频率的差频信号；低频锁相放大器精准的读取锁相放大器测得差频信号的幅度|V

电桥测量分为两种模式：平衡电桥测量和非平衡电桥测量，平衡电桥测量用于测量电容的绝对数值，非平衡电桥测量用于测量电容的变化量，通过标定得到获得待测电容。

配平电阻是电压控制的可变电阻，为了在低温环境下工作采用超高迁移率晶体管的源漏电阻实现。配平电阻的第一端为超高迁移率晶体管的源极或漏极；配平电阻的第二端为超高迁移率晶体管的漏极或源极；超高迁移率晶体管的栅极为控制电压端。由于量子系统处于低温设备中，配平电阻需要是能在低温下工作的电控器件，超高迁移率晶体管(HEMT)的导电沟道是异质结中的二维电子气，能够在低温下正常工作。控制电压V

信号源用于生成电桥测量激励信号、混频器本地振荡信号和低频锁相参考信号；三路信号的频率分别为f

本发明中，制冷机中的测量电路没有功耗过高的器件，常规测量下，低温功耗低至10nW，能够在10mK甚至更低的温度下工作。

本发明的另一个目的在于提出一种量子电容测量方法。

本发明的量子电容测量方法，电桥测量分为两种模式：平衡电桥测量和非平衡电桥测量，前者适用于测量电容的绝对数值，后者适用于测量电容的变化量，从而得到待测电容：

一、平衡电桥测量：

1)信号源生成的激励信号输入至室温接口电路的输入端，通过激励耦合变压器耦合至低温电桥电路中；

2)控制端通过控制电压改变配平电阻的阻值，以改变电桥的平衡状态，产生相应的输出电压；

3)在测量过程中，从室温接口电路的第一和第二低频电流输入端分别输入角频率不同的交流电流，电流分别经过低温电桥电路的配平电阻和标准电阻后流入低温电桥电路的输出负端，在低频电压测量正端与低频电压测量负端之间产生差分电压，利用低频锁相技术分别测量差分电压，从而实现对标准电阻和配平电阻的实时测量；

4)从低温电桥电路的输出正端的输出电压信号通过室温接口电路传输至超外差降频电路，经过高频低噪声前级放大器进行前级预放大后，与本地振荡信号一同输入到混频器中进行混频，混频后的混频信号包含输出电压信号和本地振荡信号的和频信号与差频信号，混频信号再通过低通滤波器进行滤波，从而滤除和频信号，只留下低频率的差频信号；低频锁相放大器精准的读取锁相放大器测得差频信号的幅度|V

5)测量输出的差频信号的幅度|V

二、非平衡电桥测量：

1)信号源生成的激励信号输入至室温接口电路的输入端，通过激励耦合变压器耦合至低温电桥电路中；

2)控制端通过控制电压改变配平电阻的阻值，以改变电桥的平衡状态，产生相应的输出电压；

3)在测量过程中，从室温接口电路的第一和第二低频电流输入端分别输入角频率不同的交流电流，电流分别经过低温电桥电路的标准电阻和配平电阻后流入低温电桥电路的输出负端，在低频电压测量正端与低频电压测量负端之间产生差分电压，利用低频锁相技术分别测量差分电压，从而实现对标准电阻和配平电阻的实时测量；

4)从低温电桥电路的输出正端的输出电压信号通过室温接口电路传输至超外差降频电路，经过高频低噪声前级放大器进行前级预放大后，与本地振荡信号一同输入到混频器中进行混频，混频后的混频信号包含输出电压信号和本地振荡信号的和频信号与差频信号，混频信号再通过低通滤波器进行滤波，从而滤除和频信号，只留下低频率的差频信号；低频锁相放大器精准的读取锁相放大器测得差频信号的幅度|V

5)从差频信号的幅值|V

6)随配平电阻的变化而变化的信号分量V

7)控制端通过控制电压设置配平电阻的阻值，使低温电桥电路处于平衡状态，通过测量随配平电阻的变化而变化的信号分量V

其中，在步骤3)中，在第一和第二低频电流输入端分别输入电流i

本发明的优点：

本发明采用能在极低温环境中正常工作的电阻电容桥，并通过超外差降频电路对电阻电容桥产生的高频信号进行放大和降频处理，最终实现对量子电容的精确测量。

附图说明

图1为本发明的超外差解调电桥法量子电容测量系统的一个实施例的电路图，其中，(a)为电桥测量电路和室温端接线电路的电路图，(b)为超外差降频电路的电路图；

图2为根据本发明的超外差解调电桥法量子电容测量系统的一个实施例得到的压控可变电容的测量结果和该可变电容的参考值对比图；

图3为根据本发明的超外差解调电桥法量子电容测量系统的一个实施例得到的标定曲线图；

图4为根据本发明的超外差解调电桥法量子电容测量系统的一个实施例得到的电容实时变化测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的量子电容测量系统包括：低温电桥电路、室温端接口电路和超外差锁相测量系统；其中，低温电桥电路集成在位于制冷机内的样品台上；室温端接口电路和超外差锁相测量系统位于制冷机外；低温电桥电路的输入输出通过室温端接口电路连接至超外差锁相测量系统；

低温电桥电路包括标准电阻R

室温接口电路包括：射频激励输入端V

超外差锁相测量系统包括信号源、高频低噪声前级放大器、混频器、低通滤波器以及低频锁相放大器；信号源用于生成电桥测量激励信号、混频器本地振荡信号和低频锁相参考信号；低温电桥电路的输出正端接入高频低噪声前级放大器的输入端，高频低噪声前级放大器的输出端连接至混频器的信号输入端，信号源生成的本地振荡信号连接至混频器的本振信号输入端，混频器的输出端连接至低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接至低频锁相放大器的信号输入端Sig；信号源生成的低频锁相参考信号接入低频锁相放大器的参考信号输入端Ref。

信号源用于生成电桥测量激励信号、混频器本地振荡信号和低频锁相参考信号，其中信号源使用一个参考时钟信号CLK，使产生的三种信号的相位差不会随时间漂移；三路信号的频率分别为f

为了模拟量子电容的变化，本实施例中选择待测电容C

如图2中的插图所示，选定待测电容C

可以看出测量频率为27MHz的测量数据与10MHz、49MHz之间有细微的差距，原因是10MHz、49MHz均是整套测量系统的待测信号V

本实施例的量子电容测量系统方法，电桥测量分为两种模式：平衡电桥测量和非平衡电桥测量，前者适用于测量电容的绝对数值，后者适用于测量电容的变化量，从而得到获得待测电容：

一、平衡电桥测量：

1)信号源生成的激励信号输入至室温接口电路的输入端，通过激励耦合变压器耦合至低温电桥电路中；

2)控制端通过控制电压改变配平电阻的阻值，以改变电桥的平衡状态，产生相应的输出电压；

3)在测量过程中，从室温接口电路的第一和第二低频电流输入端分别输入角频率不同的交流电流，电流分别经过低温电桥电路的配平电阻和标准电阻后流入低温电桥电路的输出负端，在低频电压测量正端与低频电压测量负端之间产生差分电压，利用低频锁相技术分别测量差分电压，从而实现对标准电阻和配平电阻的实时测量；

4)从低温电桥电路的输出正端的输出电压信号通过室温接口电路传输至超外差降频电路，经过高频低噪声前级放大器进行前级预放大后，与本地振荡信号一同输入到混频器中进行混频，混频后的混频信号包含输出电压信号和本地振荡信号的和频信号与差频信号，混频信号再通过低通滤波器进行滤波，从而滤除和频信号，只留下低频率的差频信号；低频锁相放大器精准的读取锁相放大器测得差频信号的幅度|V

5)测量输出的差频信号的幅值|V

二、非平衡电桥测量：

1)信号源生成的激励信号输入至室温接口电路的输入端，通过激励耦合变压器耦合至低温电桥电路中；

2)控制端通过控制电压改变配平电阻的阻值，以改变电桥的平衡状态，产生相应的输出电压；

3)在测量过程中，从室温接口电路的第一和第二低频电流输入端分别输入角频率不同的交流电流，电流分别经过低温电桥电路的标准电阻和配平电阻后流入低温电桥电路的输出负端，在低频电压测量正端与低频电压测量负端之间产生差分电压，利用低频锁相技术分别测量差分电压，从而实现对标准电阻和配平电阻的实时测量；

4)从低温电桥电路的输出正端的输出电压信号通过室温接口电路传输至超外差降频电路，经过高频低噪声前级放大器进行前级预放大后，与本地振荡信号一同输入到混频器中进行混频，混频后的混频信号包含输出电压信号和本地振荡信号的和频信号与差频信号，混频信号再通过低通滤波器进行滤波，从而滤除和频信号，只留下低频率的差频信号；低频锁相放大器精准的读取锁相放大器测得差频信号的幅度|V

5)从差频信号的绝对值|V

6)随配平电阻的变化而变化的信号分量V

7)控制端通过控制电压设置配平电阻的阻值，使低温电桥电路处于平衡状态，通过测量随配平电阻的变化而变化的信号分量V

为了模拟量子电容的实时变化，选择待测电容C

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。