專利名稱：使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下對(duì)材料電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)，具體指一 種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，它主要適用于半導(dǎo)體材料在深 低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下電學(xué)輸運(yùn)量子效應(yīng)的精確測(cè)量。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體材料與器件的物理研究過(guò)程中，磁輸運(yùn)測(cè)量一直是一種重要而又 直接的研究手段。在不同的溫度和磁場(chǎng)條件下，電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)經(jīng)歷經(jīng)典和量子 兩個(gè)過(guò)程。通過(guò)改變溫度、磁場(chǎng)等外界條件，不但可以獲得樣品中的載流子濃 度和遷移率等基本物理量，還可以研究在極端條件下(深低溫、強(qiáng)磁場(chǎng))涉及 載流子輸運(yùn)的一些量子物理現(xiàn)象，例如磁阻震蕩、量子霍爾效應(yīng)。通過(guò)對(duì)半導(dǎo) 體材料量子磁輸運(yùn)的研究，可以進(jìn)一步分析材料能級(jí)分布、電子自旋分裂、不 同子帶間電子相互作用、反弱局域效應(yīng)等等。
目前大部分磁輸運(yùn)測(cè)量都是基于直流電系統(tǒng)，這就要求測(cè)試時(shí)樣品上所加
的電流比較大(一般在"A量級(jí))，在溫度較高時(shí)(77K以上)，這對(duì)整個(gè)測(cè)試的 影響不大，但是隨著溫度的降低(4.2K以下)，大電流的加熱效應(yīng)越來(lái)越明顯， 給測(cè)量帶來(lái)了較大的誤差；同時(shí)由于直流測(cè)量的限制，如果測(cè)量電流太小，測(cè) 量的精度就無(wú)法保證，所以在深低溫下直流測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)高精度。另外，當(dāng)樣 品帶有柵電極時(shí)，經(jīng)常希望獲得柵壓和磁場(chǎng)連續(xù)變化時(shí)的電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果， 從而得到柵壓-磁場(chǎng)相圖。 一般的測(cè)量系統(tǒng)只能夠在自動(dòng)掃描柵壓或磁場(chǎng)的同
時(shí)記錄電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果，因此測(cè)量流程是手動(dòng)調(diào)整柵壓掃描磁場(chǎng)或者手動(dòng)調(diào) 整磁場(chǎng)掃描柵壓。當(dāng)所需要的柵壓、磁場(chǎng)點(diǎn)很多的時(shí)候，這種半自動(dòng)測(cè)量方式 就顯得很麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是解決直流磁輸運(yùn)測(cè)量在深低溫下精度不高和實(shí)現(xiàn)柵壓-磁場(chǎng)相圖的自動(dòng)測(cè)量。這里需要明確的是，本發(fā)明所指的柵壓-磁場(chǎng)相圖測(cè)量
是在某個(gè)溫度下，樣品柵壓Vg和磁場(chǎng)B分別在一定范圍[Vi,VJ和[Bi，Bn]內(nèi)變 化，在每個(gè)(Vg， B)點(diǎn)都測(cè)量霍爾板樣品的縱向電壓和橫向電壓，由此得到
在[Vi，VJ， [Bi,Bn]范圍內(nèi)柵壓-磁場(chǎng)相圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了深 低溫下的精確磁輸運(yùn)測(cè)量和柵壓-磁場(chǎng)相圖的自動(dòng)測(cè)量。鑒于直流測(cè)量精度的 限制，本發(fā)明采用鎖相放大技術(shù)，使用交流電流和鎖相放大器進(jìn)行磁輸運(yùn)測(cè)量， 測(cè)量電流很小(一般在10 10^A量級(jí))，在深低溫時(shí)(4.2K以下)的加熱效 應(yīng)很小，大大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
本發(fā)明技術(shù)方案如下
測(cè)量系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)霍爾板樣品101、接線盒102、低溫杜瓦103及溫控裝 置104、磁體105及磁控裝置106、兩臺(tái)鎖相發(fā)大器107和108、電流源109、 反向截止電路IIO、電壓源lll、 GPIB控制卡112、計(jì)算機(jī)113。
測(cè)試樣品101 —般應(yīng)制備成標(biāo)準(zhǔn)霍爾板形狀，如圖1蜂窩狀區(qū)域。A、 C、 D、 E、 F、 G為6個(gè)接觸電極，由引線分別與接線盒端口相連接，引線與電極 間應(yīng)形成歐姆接觸。A-E間通測(cè)量電流，C-D間或F-G間測(cè)量縱向電壓，C-G 間或F-D間測(cè)量橫向電壓。由縱向電壓和測(cè)量電流可以得到磁阻，橫向電壓就
是霍爾電壓。如果在樣品上覆蓋一層絕緣層，然后在通測(cè)量電流的溝道上方生 長(zhǎng)金屬層形成柵極(如圖1斜線區(qū)域)，則可以在測(cè)量時(shí)改變材料中的載流子
濃度，B、 H為柵極的接觸電極，由引線與接線盒端口相連接。接線盒102包 含8個(gè)端口，端口與樣品電極通過(guò)引線接通，測(cè)試電纜可以方便地通過(guò)接線盒 端口與樣品連接。
低溫杜瓦103內(nèi)有樣品室，保證測(cè)試樣品所需溫度。如果磁體對(duì)溫度有特 別要求，如超導(dǎo)磁體要求工作在液氦溫度，那么磁體也應(yīng)該放置在低溫杜瓦內(nèi) 以保證工作溫度。低溫杜瓦內(nèi)有制冷裝置或制冷液體，加熱裝置，配備溫度控 制裝置104，溫控裝置104能獨(dú)立調(diào)整或保持樣品室的溫度。
磁體105為電磁鐵，控制電磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁控裝置106 (勵(lì)磁電源)能 夠輸出指定電流并保持(如輸出1A電流并保持)，或在指定的范圍內(nèi)以指定勵(lì) 磁速率掃描(如以1A/min的速率從OA到10A掃描)。磁控裝置106應(yīng)該帶有 GPIB接口，使得能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)控制磁控裝置和獲得其輸出電流值。標(biāo)定磁 場(chǎng)后，可以得到磁控裝置輸出電流(勵(lì)磁電流)和磁場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算 機(jī)可自動(dòng)在勵(lì)磁電流值和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
兩臺(tái)鎖相放大器107和108分別測(cè)量縱向電壓(C-D間或F-G間)和橫向 電壓(C-G間或F-D間)。根據(jù)鎖相放大原理，測(cè)量需要參考信號(hào)，并且參考 信號(hào)與測(cè)量信號(hào)應(yīng)該同頻率且相位差恒定，所以鎖相放大器應(yīng)該帶有內(nèi)部振蕩 器，可以鎖定外部輸入的參考信號(hào)，或者內(nèi)部產(chǎn)生參考信號(hào)并輸出給其他測(cè)量 儀器。在本發(fā)明中， 一臺(tái)鎖相放大器內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生參考信號(hào)，并輸出給另一 臺(tái)鎖相放大器，同時(shí)輸出給反向截止電路(詳細(xì)介紹見后)，使得測(cè)量信號(hào)與 參考信號(hào)鎖定。另外，兩臺(tái)鎖相放大器107和108應(yīng)該帶有GPIB接口，使得
計(jì)算機(jī)能夠控制其進(jìn)行測(cè)量并獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。
電流源109提供測(cè)量電流，為直流源，帶有GPIB接口，使得計(jì)算機(jī)能夠 控制其進(jìn)行測(cè)量。反向截止電路110 (圖2)輸入電流源提供的穩(wěn)恒電流和鎖 相放大器提供的參考信號(hào)，輸出與參考信號(hào)同頻率且相位差恒定的交流電流， 交流電流波峰為輸入電流，波谷為零電流。反向截止電路IIO輸出端通過(guò)接線 盒102與樣品A-E電極相連接，提供鎖相測(cè)量需要的交流電流。由于鎖相發(fā)大 器所測(cè)得的電壓值一般為交流電壓的均方根值(RMS)，要直接用電壓除以電 流得到電阻，交流電流值也應(yīng)該為均方根值，所以需要為反向截止電路標(biāo)定輸 入電流所對(duì)應(yīng)的輸出電流均方根值。當(dāng)電流源輸入反向截止電路的穩(wěn)恒電流為 某個(gè)值時(shí)，使用鎖相放大器輸出參考信號(hào)給反向截止電路，同時(shí)測(cè)量輸出端電 流，可以得到此輸入電流所對(duì)應(yīng)的輸出電流的均方根值。
電壓源lll為直流電壓源，提供柵壓(B-E間或H-E間)，帶有GPIB接口， 使得計(jì)算機(jī)能夠控制其進(jìn)行測(cè)量。
GPIB卡112為計(jì)算機(jī)113提供GPIB總線，計(jì)算機(jī)與各個(gè)儀器的通信都是 通過(guò)GPIB總線完成的。
計(jì)算機(jī)113為測(cè)量的控制中樞，根據(jù)編制好的程序操控整個(gè)測(cè)量過(guò)程，儲(chǔ) 存和顯示測(cè)量結(jié)果。
測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)儀器之間的連接見圖3。霍爾板樣品101放置在低溫杜瓦103 中，溫控裝置104與低溫杜瓦103連接，控制樣品室溫度。如果磁體105對(duì)溫 度有特殊要求，那么將磁體105置于低溫杜瓦103中，否則磁體105置于杜瓦 103夕卜。不管磁體105在哪里，都要保證樣品101處于磁場(chǎng)區(qū)域。磁控裝置106 與磁體105相連，控制磁場(chǎng)。樣品101各個(gè)電極通過(guò)引線與接線盒102不同端
口相連。通過(guò)接線盒102端口，電壓源111與樣品101B-E電極或H-E電極連 接(提供柵壓)，反向截止電路110輸出端與A-E電極連接(提供測(cè)量電流)， 鎖相放大器107與C-D電極或F-G電極連接(測(cè)量縱向電壓)，鎖相放大器108 與C-G電極或F-D電極連接(測(cè)量橫向電壓)。鎖相放大器107內(nèi)部振蕩器產(chǎn) 生參考信號(hào)，其輸出端與鎖相放大器108的輸入端相連，同時(shí)也與反向截止電 路110參考信號(hào)輸入端相連。電流源109與反向截止電路110直流電流輸入端 相連。磁控裝置106、電壓源lll、電流源109、鎖相放大器107和鎖相放大器 108都通過(guò)GPIB卡112與計(jì)算機(jī)113相連。
計(jì)算機(jī)控制程序可自動(dòng)控制完成測(cè)量過(guò)程。對(duì)測(cè)量任務(wù)進(jìn)行分析后可以得 到測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流模型，如圖4。根據(jù)數(shù)據(jù)流模型，設(shè)計(jì)此程序的結(jié)構(gòu)如圖 5。程序分為柵壓磁場(chǎng)掃描模式和磁場(chǎng)柵壓掃描模式兩大模塊，每個(gè)模塊包含 測(cè)量參數(shù)輸入、測(cè)量控制、測(cè)量數(shù)據(jù)輸出3個(gè)子模塊，其中測(cè)量控制子模塊為 程序的核心。兩大模塊共用儀器操作相關(guān)的子模塊，其他子模塊結(jié)構(gòu)相似但具 體組成不同。各個(gè)子模塊間傳遞的控制信息和數(shù)據(jù)信息詳見


。兩大模 塊分別對(duì)應(yīng)柵壓-磁場(chǎng)相圖的兩種測(cè)量模式柵壓磁場(chǎng)掃描模式為分別設(shè)定柵 壓V『V^ V2， Vs…，Vn，在不同的柵壓時(shí)，在[Bi，BJ的范圍內(nèi)掃描磁場(chǎng)，同 時(shí)測(cè)量縱向和橫向電壓，最后完成[V,，Vn]，[B,，Bn]范圍內(nèi)柵壓-磁場(chǎng)相圖的測(cè)量； 磁場(chǎng)柵壓掃描模式為分別設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度B=B,， B2， B3"*， Bn，在不同的磁場(chǎng) 強(qiáng)度時(shí)，在[^,VJ的范圍內(nèi)掃描柵壓，同時(shí)測(cè)量縱向和橫向電壓，最后完成， [Vi,Vn]范圍內(nèi)柵壓-磁場(chǎng)相圖的測(cè)量。
按照程序結(jié)構(gòu)圖和測(cè)量控制方法，程序流程圖(圖6)主要是對(duì)程序結(jié)構(gòu) 圖中測(cè)量控制模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，清楚描述了測(cè)量的具體過(guò)程。用戶界面(輸入 面板、實(shí)時(shí)顯示)部分可根據(jù)所用的開發(fā)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；儀器驅(qū)動(dòng)根據(jù)選
用的儀器說(shuō)明書進(jìn)行編寫或直接使用儀器自帶驅(qū)動(dòng)；GPIB卡驅(qū)動(dòng)使用其自帶 驅(qū)動(dòng)；文件保存部分根據(jù)所需的文件格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

中詳細(xì)注釋了流 程圖中的重點(diǎn)步驟。以數(shù)據(jù)流圖、程序結(jié)構(gòu)圖、程序流程圖及其說(shuō)明為依據(jù)， 可使用高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言(如C+十、Labview、 Basic等)編制出計(jì)算機(jī)控制程序。
本發(fā)明的測(cè)試過(guò)程如下
1、 完成樣品101準(zhǔn)備，低溫杜瓦103準(zhǔn)備，標(biāo)定反向截止電路輸出電流均 方根值，標(biāo)定勵(lì)磁電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，按圖3連接各個(gè)測(cè)試儀器和放 置樣品。
2、 調(diào)整溫控裝置104，使得樣品101達(dá)到并保持所需的測(cè)試溫度。
3、 運(yùn)行計(jì)算機(jī)控制程序，選擇柵壓-磁場(chǎng)相圖測(cè)量模式，輸入電流源參數(shù)、 磁場(chǎng)掃描參數(shù)、柵壓掃描參數(shù)、鎖相放大器參數(shù)、文件保存位置。若樣品不需 要柵壓，則可選擇柵壓磁場(chǎng)掃描模式，但將柵壓點(diǎn)數(shù)設(shè)為1，起始值、終止值 都設(shè)為0，再設(shè)置磁場(chǎng)即可；若樣品也不需要磁場(chǎng)，則進(jìn)一步將磁場(chǎng)起始值、 終止值都設(shè)為0，掃描速率任意。若樣品不需要磁場(chǎng)，則可選擇磁場(chǎng)柵壓掃描 模式，但將磁場(chǎng)點(diǎn)數(shù)設(shè)為1，起始值、終止值都設(shè)為0，再設(shè)置柵壓即可。點(diǎn) 擊開始按鍵，程序自動(dòng)控制測(cè)量過(guò)程，測(cè)量完成后自動(dòng)保存測(cè)量結(jié)果。
4、 可以改變溫度，重新設(shè)定測(cè)量參數(shù)，進(jìn)行新的測(cè)量。
5、 測(cè)量結(jié)束后，取出樣品，拆除連線，歸位低溫杜瓦和各個(gè)測(cè)試儀器。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)能夠用微小電流(一般在10 10^A量級(jí))進(jìn)行的
磁輸運(yùn)測(cè)量，減小大電流帶來(lái)的不利影響，實(shí)現(xiàn)了在深低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下精確的電 學(xué)輸運(yùn)測(cè)量；自動(dòng)測(cè)量柵壓-磁場(chǎng)相圖并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)圖形， 測(cè)量過(guò)程直觀且自動(dòng)化程度高。

圖1:霍爾板樣品結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2:反向截止電路示意圖。
圖3:使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意101、標(biāo)準(zhǔn)霍爾板樣品；102、接線盒；103、低溫杜瓦；104、溫控裝置； 105、磁體；106、磁控裝置；107、鎖相放大器；108、鎖相放大器；109、電 流源；110、反向截止電路；111、電壓源；112、 GPIB控制卡；113、計(jì)算機(jī)。
圖4:計(jì)算機(jī)控制程序數(shù)據(jù)流(1) 數(shù)據(jù)流條目
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1=柵壓+勵(lì)磁電流+縱向電壓+橫向電壓(注數(shù)據(jù)單位為來(lái)自儀 器的默認(rèn)單位。)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2=電流+柵壓+磁場(chǎng)強(qiáng)度+縱向電壓+橫向電壓(注電流為反向
截止電路輸出電流的均方根值，數(shù)據(jù)單位為程序設(shè)定單位。)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3 =電流+ U柵壓l磁場(chǎng)強(qiáng)度〕+ ((磁場(chǎng)強(qiáng)度l柵壓)+縱向電壓+橫
向電壓}}
圖表=電流+柵壓+磁場(chǎng)強(qiáng)度+縱向電壓+橫向電壓(注數(shù)據(jù)為圖表的形 式。)
(2) 文件條目
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隊(duì)列{柵壓+勵(lì)磁電流+縱向電壓+橫向電壓}(注數(shù)據(jù)單位為來(lái) 自儀器的默認(rèn)單位，隊(duì)列為動(dòng)態(tài)隊(duì)列，獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)隊(duì)尾，處理的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)出隊(duì)首)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件電流+ U柵壓l磁場(chǎng)強(qiáng)度〕+ U磁場(chǎng)強(qiáng)度l柵壓)十縱向電壓 +橫向電壓}}(注電流為反向截止電路輸出電流的均方根值，數(shù)據(jù)單位為程 序設(shè)定單位。) (3)小說(shuō)明
獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制儀器測(cè)量，從儀器獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，寫入隊(duì)列。
處理隊(duì)列數(shù)據(jù)從隊(duì)列中取出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為需要的單位；勵(lì)磁電流轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度；從電流源得到輸出電流，將其轉(zhuǎn)換為反向截止電路輸出 電流的均方根值。
顯示數(shù)據(jù)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示為圖表形式，方便實(shí)驗(yàn)者監(jiān)測(cè)。 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適格式保存為數(shù)據(jù)文件。 圖5:計(jì)算機(jī)控制程序模塊結(jié)構(gòu)柵壓磁場(chǎng)掃描模式和磁場(chǎng)柵壓模式程序大體結(jié)構(gòu)相同，共用一些模塊，但 非共用的同名模塊雖然功能類似，但內(nèi)部構(gòu)造不同，是兩個(gè)不同的模塊。模塊 之間的傳遞信息，英文字母標(biāo)識(shí)的是控制信息，數(shù)字標(biāo)識(shí)的是數(shù)據(jù)信息。
(1)控制信息
A、 儀器參數(shù)，包括柵壓起始值、終止值，柵壓點(diǎn)數(shù)及其他電壓源必要 參數(shù)；磁場(chǎng)起始值、終止值，磁場(chǎng)掃描速率及其他磁控裝置必要參數(shù)；兩個(gè)鎖
相放大器各自的電壓量程，時(shí)間常數(shù)，參考信號(hào)頻率及其他鎖相放大器必要參
數(shù)；電流源輸出值及其他電流源必要參數(shù)；數(shù)據(jù)文件保存位置，名稱，文件說(shuō) 明等。
B、 檢査后正確的儀器參數(shù)，磁場(chǎng)起始值、終止值，磁場(chǎng)掃描速率轉(zhuǎn)換成 對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流起始值、終止值，勵(lì)磁速率。
c、初始化及儀器設(shè)置命令。
D、 E、 F、 G分別為控制電流源109、電壓源111、鎖相放大器107或鎖 相放大器108、磁控裝置106的命令。
H、 J、 K、 L分別為電流源驅(qū)動(dòng)、電壓源驅(qū)動(dòng)、鎖相放大器驅(qū)動(dòng)、磁控裝 置驅(qū)動(dòng)通過(guò)GPIB卡發(fā)送的命令。
M、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)程中對(duì)儀器的操作命令。
N、關(guān)閉儀器命令。
P、儀器參數(shù)，包括磁場(chǎng)起始值、終止值，磁場(chǎng)點(diǎn)數(shù)及其他磁控裝置必 要參數(shù)；柵壓起始值、終止值，柵壓點(diǎn)數(shù)及其他電壓源必要參數(shù)；兩個(gè)鎖相放 大器各自的電壓量程，時(shí)間常數(shù)，參考信號(hào)頻率及其他鎖相放大器必要參數(shù)； 電流源輸出值及其他電流源必要參數(shù)；數(shù)據(jù)文件保存位置，名稱，文件說(shuō)明等。
Q、檢査后正確的儀器參數(shù)，磁場(chǎng)起始值、終止值，磁場(chǎng)掃描速率轉(zhuǎn)換成 對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流起始值、終止值，勵(lì)磁速率。
R、初始化及儀器設(shè)置命令。
S、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)程中對(duì)儀器的操作命令。
(2)數(shù)據(jù)信息
I、 2、 3、 4分別為電流源109、電壓源lll、鎖相放大器107或鎖相放大 器108、磁控裝置106返回的測(cè)量數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。
5、 返回的一組測(cè)量數(shù)據(jù)電流源輸出值、電壓源輸出值、勵(lì)磁龜流、縱 向電壓、橫向電壓。
6、 單位為設(shè)定單位的測(cè)量數(shù)據(jù)電流(反向截止電路輸出電流的均方根 值)、柵壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度、縱向電壓、橫向電壓。
7、 一個(gè)柵壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一批測(cè)量數(shù)據(jù)電流+柵壓十{磁場(chǎng)強(qiáng)度+縱向電 壓+橫向電壓}。
8、 整理為所需文件格式的測(cè)量數(shù)據(jù)文件說(shuō)明+電流+ {柵壓+ (磁場(chǎng) 強(qiáng)度+縱向電壓+橫向電壓}}。
9、 返回的一組測(cè)量數(shù)據(jù)電流源輸出值、勵(lì)磁電流、電壓源輸出值、縱 向電壓、橫向電壓。
10、 單位為設(shè)定單位的測(cè)量數(shù)據(jù)電流(反向截止電路輸出電流的均方根 值)、磁場(chǎng)強(qiáng)度、柵壓、縱向電壓、橫向電壓。
11、 一個(gè)磁場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一批測(cè)量數(shù)據(jù)電流+磁場(chǎng)強(qiáng)度+ {柵壓+縱向電 壓+橫向電壓K
12、 整理為所需文件格式的測(cè)量數(shù)據(jù)文件說(shuō)明+電流+{磁場(chǎng)強(qiáng)度+(柵 壓+縱向電壓+橫向電壓}}。
圖6:計(jì)算機(jī)控制程序流程以下所提及的對(duì)儀器的操作(如發(fā)送命令、讀取數(shù)據(jù)等)，都是通過(guò)各個(gè) 儀器的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的，最底層則是通過(guò)GPIB卡驅(qū)動(dòng)和儀器實(shí)現(xiàn)通信。儀 器驅(qū)動(dòng)程序的編寫請(qǐng)參照所用儀器的說(shuō)明書或直接使用儀器自帶的驅(qū)動(dòng)程序， GPIB卡驅(qū)動(dòng)使用其自帶驅(qū)動(dòng)。
注釋
1、 輸入?yún)?shù)同圖5中的控制信息A。
2、 檢査儀器參數(shù)正確性，同時(shí)將磁場(chǎng)起始值、終止值，磁場(chǎng)掃描速率轉(zhuǎn) 換成對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流起始值、終止值，勵(lì)磁速率；計(jì)算柵壓點(diǎn)之間的柵壓間隔值。3、 發(fā)送初始化命令，初始化電流源109、電壓源lll、磁控裝置106、鎖 相放大器107和鎖相放大器108，根據(jù)注釋1中的參數(shù)設(shè)置各個(gè)儀器，使其處 于測(cè)試要求的工作狀態(tài)。
4、 向電流源109發(fā)送命令，輸出注釋1中指定的穩(wěn)恒電流。
5、 將設(shè)定值或測(cè)量值變換為所需單位，如果是電流源輸出電流值，則將 其變換為反向截止電路輸出電流均方根值；如果是勵(lì)磁電流，則將其變換為相 應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。變換后將數(shù)據(jù)存入暫存數(shù)組對(duì)應(yīng)位置。
6、 暫存數(shù)組1為內(nèi)存對(duì)象，暫時(shí)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)以加快程序運(yùn)行速度，其 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為電流+柵壓+ (磁場(chǎng)強(qiáng)度+縱向電壓+橫向電壓)。
7、 向電壓源lll發(fā)送命令，輸出指定的穩(wěn)恒電壓。
8、 向磁控裝置106發(fā)送命令，選擇掃描模式，設(shè)置勵(lì)磁電流起始值、終 止值，勵(lì)磁速率，再發(fā)送命令，開始掃描。
9、 讀數(shù)、處理循環(huán)為并行的兩個(gè)循環(huán)，它們構(gòu)成生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)。讀 數(shù)循環(huán)不斷地采集數(shù)據(jù)(即生產(chǎn)者)，處理循環(huán)不斷地處理數(shù)據(jù)(即消費(fèi)者)， 循環(huán)之間通過(guò)隊(duì)列來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。隊(duì)列是兩個(gè)循環(huán)之間的數(shù)據(jù)緩沖，這樣的結(jié)構(gòu) 使得數(shù)據(jù)處理不會(huì)拖慢數(shù)據(jù)采集。
10、 數(shù)據(jù)隊(duì)列l(wèi)為內(nèi)存對(duì)象，是動(dòng)態(tài)隊(duì)列。 一個(gè)單元進(jìn)入隊(duì)列時(shí)添加在隊(duì) 尾，當(dāng)從隊(duì)首讀取一個(gè)單元后，隊(duì)列中刪除此單元，下一個(gè)單元成為隊(duì)首。一 個(gè)單元的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為勵(lì)磁電流+縱向電壓+橫向電壓。
11、 可在讀數(shù)循環(huán)中添加延時(shí)以調(diào)整讀數(shù)速度。
12、 向磁控裝置106、鎖相放大器107、鎖相放大器108分別發(fā)送讀取勵(lì) 磁電流、縱向電壓、橫向電壓的命令，隨后又分別接收這三個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。
13、 將接收的勵(lì)磁電流、縱向電壓、橫向電壓，作為一個(gè)單元存入數(shù)據(jù)隊(duì)列l(wèi)。
14、 根據(jù)所使用的開發(fā)系統(tǒng)，選擇合適的方式實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，最好能 用圖表的形式。
15、 根據(jù)讀取的磁場(chǎng)強(qiáng)度是否等于磁場(chǎng)終點(diǎn)值判斷，如等于則循環(huán)終止同 時(shí)將停止符1改為停止，如不等則循環(huán)繼續(xù)。
16、 根據(jù)需要的文件格式，將暫存數(shù)組1和注釋1中的文件說(shuō)明按照注釋 1中的文件名和路徑添加入數(shù)據(jù)文件1,之后清空暫存數(shù)組1中除電流外的數(shù) 據(jù)。
17、 數(shù)據(jù)文件1中包含多個(gè)柵壓點(diǎn)下的測(cè)量數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為文件說(shuō) 明+電流+ {柵壓+ {磁場(chǎng)強(qiáng)度+縱向電壓+橫向電壓}}。
18、 根據(jù)循環(huán)數(shù)是否等于柵壓點(diǎn)數(shù)判斷，如等于則循環(huán)終止，如不等則循 環(huán)繼續(xù)，下一個(gè)柵壓值在當(dāng)前值的基礎(chǔ)上增加一個(gè)間隔值。
19、 向電流源109、電壓源lll、磁控裝置106、鎖相放大器107和鎖相放 大器108發(fā)送命令，使其退出工作狀態(tài)，待機(jī)。
20、 輸入?yún)?shù)同圖5中的控制信息P。
21、 檢査儀器參數(shù)正確性，同時(shí)將磁場(chǎng)起始值、終止值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁 電流起始值、終止值；計(jì)算磁場(chǎng)點(diǎn)之間的磁場(chǎng)間隔值；計(jì)算柵壓點(diǎn)之間的柵壓 間隔值。
22、 暫存數(shù)組2與暫存數(shù)組1類似，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為電流+磁場(chǎng)強(qiáng)度+ (柵 壓+縱向電壓+橫向電壓}。
23、 向磁控裝置106發(fā)送命令，選擇固定模式，設(shè)置為指定的勵(lì)磁電流并
保持。
24、 數(shù)據(jù)隊(duì)列2與數(shù)據(jù)隊(duì)列1類似， 一個(gè)單元的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為柵壓+縱向
電壓+橫向電壓。
25、 可在讀數(shù)循環(huán)中添加延時(shí)以調(diào)整讀數(shù)速度。
26、 向鎖相放大器107、鎖相放大器108分別發(fā)送讀取縱向電壓、橫向電 壓的命令，隨后又分別接收這兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。
27、 將柵壓設(shè)定值和接收的縱向電壓、橫向電壓，作為一個(gè)單元存入數(shù)據(jù) 隊(duì)列2。
28、 根據(jù)循環(huán)數(shù)是否等于柵壓點(diǎn)數(shù)判斷，如等于則循環(huán)終止同時(shí)將停止符 2改為停止，如不等則循環(huán)繼續(xù)，下一個(gè)柵壓值在當(dāng)前值的基礎(chǔ)上增加一個(gè)間 隔值。
29、 根據(jù)需要的文件格式，將暫存數(shù)組2和注釋20中的文件說(shuō)明按照注 釋20中的文件名和路徑添加入數(shù)據(jù)文件2，之后清空暫存數(shù)組2中除電流外的 數(shù)據(jù)。
30、 數(shù)據(jù)文件2中包含多個(gè)磁場(chǎng)點(diǎn)下的測(cè)量數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為文件說(shuō)
明+電流+ {磁場(chǎng)強(qiáng)度+ {柵壓+縱向電壓+橫向電壓}}。
31、 根據(jù)循環(huán)數(shù)是否等于磁場(chǎng)點(diǎn)數(shù)判斷，如等于則循環(huán)終止，如不等則循 環(huán)繼續(xù)，下一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度值在當(dāng)前值的基礎(chǔ)上增加一個(gè)間隔值。
圖7:柵壓磁場(chǎng)掃描模式的用戶界面。 圖8:磁場(chǎng)柵壓掃描模式的用戶界面。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)發(fā)明內(nèi)容和

給出本發(fā)明的一個(gè)較好的實(shí)例，結(jié)合實(shí)例進(jìn)
一步說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)細(xì)節(jié)、結(jié)構(gòu)特征和功能特點(diǎn)。但此實(shí)例并不限制本發(fā)明范 圍，合乎發(fā)明內(nèi)容和

中描述的實(shí)例均應(yīng)包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。
測(cè)量系統(tǒng)包含以下組成部分
測(cè)試樣品101按圖1制備為霍爾板，生長(zhǎng)柵極，各電極由引線與接線盒102
連接，接線盒102端口采用BNC接口。
低溫杜瓦103和磁體105采用Oxford超導(dǎo)磁體低溫測(cè)量系統(tǒng)。環(huán)形超導(dǎo)磁 體浸泡在液氦中，外有真空層和液氮層保護(hù)。超導(dǎo)磁體最高可以提供17T的磁 場(chǎng)強(qiáng)度，由磁控裝置106控制。磁控裝置106帶有GPIB接口，由計(jì)算機(jī)113 可以直接設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度，或設(shè)定磁場(chǎng)起點(diǎn)、終點(diǎn)、掃描速率后掃描磁場(chǎng)，也可 以直接得到目前的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，不需要再進(jìn)行標(biāo)定和轉(zhuǎn)換。樣品室在環(huán)形磁體 中央，溫控裝置104可控制主氦池向樣品室灌入液氦。樣品室與抽氣泵相連， 內(nèi)置一加熱電阻絲，溫度可在1.2 300K的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，4.2K以下靠樣品室中 液氦減壓得到，4.2K以上靠樣品室中電阻絲加熱得到，這些都可以由溫控裝置 104獨(dú)立控制。
鎖相放大器107和鎖相放大器108均采用Stanford Research Systems的 SR830型鎖相放大器。SR830可以測(cè)量交流電壓(2nV lV)和電流信號(hào)(2fA lwA)，內(nèi)部振蕩器能夠產(chǎn)生參考信號(hào)，也可以接收鎖定外部的參考信號(hào)。 SR830還帶有GPIB接口，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制測(cè)量。
兩臺(tái)Keithley 2400 Source Meter, —臺(tái)作為電流源109，一臺(tái)作為電壓源 111。 Ke池ley2400能夠輸出直流電壓(0 20V，最小間隔5uV)、電流(0 1A，最小間隔50pA)，帶有GPIB接口，計(jì)算機(jī)113可以控制其輸出、測(cè)量操 作。反向截止電路110根據(jù)圖2所示，購(gòu)買相應(yīng)的電子元器件和電路版，自行 焊接即可。元器件具體參數(shù)可以根據(jù)測(cè)量電流大小、參考信號(hào)振幅來(lái)確定。按 照發(fā)明內(nèi)容中的方法，標(biāo)定電流源輸出值和反向截止電路輸出電流均方根值的 對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系，計(jì)算機(jī)控制程序可自動(dòng)轉(zhuǎn)換這兩個(gè)值。
GPIB卡112為National Instruments的GPIB-USB-HS卡，其通過(guò)USB端口 與計(jì)算機(jī)113連接，為計(jì)算機(jī)113提供GPIB接口 。GPIB卡112自帶驅(qū)動(dòng)程序。
計(jì)算機(jī)113為普通PC，使用Labview8.2來(lái)編寫控制程序，程序結(jié)構(gòu)與流 程根據(jù)發(fā)明內(nèi)容中的描述(圖4、圖5、圖6)。這里需要指出的是，由于磁控 裝置106可以直接輸入輸出磁場(chǎng)強(qiáng)度，所以程序不需要磁場(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電流的 轉(zhuǎn)換。該程序界面友好，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行速度快，能夠很好的完成測(cè)量任 務(wù)。圖7和圖8分別是柵壓磁場(chǎng)掃描模式和磁場(chǎng)柵壓掃描模式的用戶界面，包 括輸入面板和數(shù)據(jù)顯示兩部分。
按照各個(gè)儀器操作規(guī)程準(zhǔn)備好儀器后，按照?qǐng)D3連接好系統(tǒng)，具體方法在 發(fā)明內(nèi)容中有詳細(xì)說(shuō)明，此處不再?gòu)?fù)述。
打開各個(gè)儀器，調(diào)整溫控裝置104，達(dá)到測(cè)量溫度并保持。打開計(jì)算機(jī)控 制程序，輸入相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)，點(diǎn)擊開始按鈕，程序自動(dòng)控制儀器進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量中實(shí)時(shí)用圖表形式顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量完成后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存為數(shù)據(jù)文 件。之后，重新調(diào)整溫控裝置104，輸入相應(yīng)測(cè)量參數(shù)，進(jìn)行新的測(cè)量。測(cè)量 完成后，取出樣品，關(guān)閉電源，歸位各個(gè)儀器。
權(quán)利要求
1.一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，它包括標(biāo)準(zhǔn)霍爾板樣品(101)、接線盒(102)、低溫杜瓦(103)及溫控裝置(104)、磁體(105)及磁控裝置(106)、鎖相發(fā)大器(107)、鎖相放大器(108)、電流源(109)、反向截止電路(110)、電壓源(111)、GPIB控制卡(112)、計(jì)算機(jī)(113)，其特征在于樣品(101)放置在低溫杜瓦(103)中，處于磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)；溫控裝置(104)與低溫杜瓦(103)連接；磁體(105)置于低溫杜瓦(103)中或者低溫杜瓦(103)外，磁控裝置(106)與磁體(105)相連；樣品(101)A～H電極通過(guò)引線與接線盒(102)各個(gè)端口相連；通過(guò)接線盒(102)端口，電壓源(111)與樣品(101)B-E電極或H-E電極連接，反向截止電路(110)輸出端與A-E電極連接，鎖相放大器(107)與C-D電極或F-G電極連接，鎖相放大器(108)與C-G電極或F-D電極連接；鎖相放大器(107)參考信號(hào)輸出端與鎖相放大器(108)的參考信號(hào)輸入端相連，同時(shí)也與反向截止電路(110)參考信號(hào)輸入端相連；電流源(109)與反向截止電路(110)直流電流輸入端相連；磁控裝置(106)、電壓源(111)、電流源(109)、鎖相放大器(107)和鎖相放大器(108)都通過(guò)GPIB卡(112)與計(jì)算機(jī)(113)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的低溫杜瓦(103)內(nèi)有樣品室，磁體放置處，制冷裝置或 制冷液體，加熱裝置；配備溫控裝置(104)獨(dú)立調(diào)整或保持樣品室的溫度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的磁體(105)為電磁鐵，由磁控裝置(106)控制，磁控裝 置(106)帶有GPIB接口。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的鎖相放大器(107)和鎖相放大器(108)能觀懂電壓，帶 有內(nèi)部振蕩器和GPIB接口。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的電流源(109)為直流源，帶有GPIB接口。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的反向截止電路(110)輸入直流電流和交流電壓信號(hào)，輸 出與交流電壓信號(hào)同頻率且相位差恒定的交流電流。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的電壓源(lll)為直流電壓源，帶有GPIB接口。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于計(jì)算機(jī)(113)為測(cè)量的控制中樞，GPIB卡(112)為計(jì)算機(jī)(113) 提供GPIB總線，計(jì)算機(jī)(113)與各個(gè)儀器通過(guò)GPIB總線通信。
9、 一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量方法，其特征在于它具有如下計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制測(cè)量過(guò)程a、柵壓磁場(chǎng)掃描模式打開程序，輸入測(cè)量參數(shù)，檢查參數(shù)正確性；初 始化儀器；控制電流源(109)輸出電流，電流值存入內(nèi)存； 一級(jí)循環(huán)開始；控制 電壓源(lll)輸出電壓，電壓值存入內(nèi)存；控制磁控裝置(106)掃描磁場(chǎng)，兩個(gè) 并行的二級(jí)循環(huán)開始； 一個(gè)二級(jí)循環(huán)從磁控裝置(106)，鎖相放大器(107)和鎖 相放大器(108)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)并存入隊(duì)列，另一個(gè)二級(jí)循環(huán)從隊(duì)列取出數(shù)據(jù)，實(shí) 時(shí)顯示和存入內(nèi)存；磁場(chǎng)掃描完成后，兩個(gè)二級(jí)循環(huán)結(jié)束；將內(nèi)存中保存的數(shù) 據(jù)寫入數(shù)據(jù)文件，清空內(nèi)存；如所有柵壓點(diǎn)測(cè)量完成則一級(jí)循環(huán)停止，否則重 新開始一級(jí)循環(huán)；控制儀器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；退出程序； b、磁場(chǎng)柵壓掃描模式打開程序，輸入測(cè)量參數(shù)，檢査參數(shù)正確性；初 始化儀器；控制電流源(109)輸出電流，電流值存入內(nèi)存； 一級(jí)循環(huán)開始；控制 磁控裝置(106)輸出固定磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度存入內(nèi)存；兩個(gè)并行的二級(jí)循環(huán)開始； 一個(gè)二級(jí)循環(huán)控制電壓源(lll)輸出電壓，從鎖相放大器(107)和鎖相放大器(108) 讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，電壓值和測(cè)量數(shù)據(jù)存入隊(duì)列，另一個(gè)二級(jí)循環(huán)從隊(duì)列取出數(shù)據(jù)， 實(shí)時(shí)顯示和存入內(nèi)存；所有柵壓點(diǎn)測(cè)量完成后，兩個(gè)二級(jí)循環(huán)結(jié)束；將內(nèi)存中 保存的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)文件，清空內(nèi)存；如所有磁場(chǎng)點(diǎn)測(cè)量完成則一級(jí)循環(huán)停止， 否則重新開始一級(jí)循環(huán)；控制儀器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；退出程序。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種使用鎖相放大技術(shù)的自動(dòng)化磁輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，可用于精確測(cè)量低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下材料的電學(xué)輸運(yùn)相關(guān)的性質(zhì)，如測(cè)量磁阻震蕩、霍爾效應(yīng)等。系統(tǒng)主要包括標(biāo)準(zhǔn)霍爾板樣品、低溫杜瓦及溫控裝置、磁體及磁控裝置、兩臺(tái)鎖相放大器、電流源、反向截止電路、電壓源、GPIB控制卡、計(jì)算機(jī)。測(cè)量材料制備成標(biāo)準(zhǔn)霍爾板樣品，計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB總線與各個(gè)儀器相連，使用程序控制各個(gè)儀器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，并保存測(cè)量結(jié)果為數(shù)據(jù)文件。本系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有1.相對(duì)與直流磁輸運(yùn)測(cè)量，能夠用微小測(cè)量電流進(jìn)行的磁輸運(yùn)測(cè)量，減小大電流帶來(lái)的不利影響，提高了測(cè)量精度；2.能夠自動(dòng)改變柵壓和磁場(chǎng)，一次測(cè)量就給出柵壓-磁場(chǎng)相圖。
文檔編號(hào)G01R33/12GK101369010SQ20081020021
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者俞國(guó)林, 周文政, 周遠(yuǎn)明, 商麗燕, 雷 孫, 鐵 林, 褚君浩, 高礦紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所