一種材料低頻噪聲信息採集用適配器的製作方法

2023-06-10 09:04:36 2

本實用新型屬於材料分析領域，具體涉及一種材料低頻噪聲信息採集用適配器，能夠作為材料低頻噪聲信息採集中均勻電場、溫度、壓力的施加裝置。

背景技術：

在20世紀60年代～90年代，噪聲僅是一個單位為分貝的表徵電子產品優劣的表徵參量，科學認為噪聲級別過高是產品質量欠佳的表現，但是對其深層次的科學意義並未深究，未能及時認識到噪聲功率譜密度-頻率曲線所蘊含的豐富的材料內部信息。隨著科學的發展，國外多個研究團隊利用穩壓電源和頻譜儀觀測到了導體材料、器件的噪聲，尤其是低頻噪聲信息隨頻率的變化規律，並推測該信息可反映導體材料、器件內在質量和可靠性的優劣。目前，材料和器件的低頻噪聲信息與其輻照效應、微觀氧化物電荷、界面態的感生變化及界面態的能量分布的對應關係成為研究熱點。但是，材料的噪聲信號非常微弱，其噪聲信息測量比常規器件更為困難，極大的阻礙了材料低頻噪聲信息相關研究的進程。

材料噪聲信號測試技術中存在的問題是，（1）現有的噪聲測試適配器無法滿足所有材料噪聲信息測試的需求。現有的噪聲信息採集用適配器電流、電壓接入方式為探針式，適用於導體和器件，但對於半導體和絕緣體材料，單點接入材料表面的電流無法在材料內部形成均勻電場，獲得的噪聲信息無法表徵材料的整體性能；（2）未將溫度和壓力的變化引入噪聲信息測試中。材料的性質（如相態、電阻率、電容、內部載流子遷移率等）都與溫度和壓力息息相關，但是現有的適配器都沒有將溫度和壓力組件集成在適配器中，無法獲得確定溫度和壓力下的材料的噪聲變化；（3）適配器作為噪聲採集系統前端組件，其噪聲為整個系統噪聲本底的主要來源，但是現有適配器的噪聲本底過高，無法滿足弱信號的測試。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種材料低頻噪聲信息採集用適配器。本實用新型配合電壓偏置器對材料上下表面施加均勻電壓，激發材料內部低頻噪聲，並將噪聲信息傳輸到材料噪聲信息提取電路中，同時具備加溫、加壓和溫度、壓力測試功能，可實時模擬高溫、加壓環境下材料的性能變化。

本實用新型的技術方案是這樣實現的：

本實用新型的材料低頻噪聲信息採集用適配器，其特點是，所述的適配器含有樣品上夾層制動組件、樣品上夾層、樣品下夾層、支架平臺、支架平臺支撐柱、溫控-測壓組件、溫控-測壓連接線、電壓接入-輸出埠、電壓接入-輸出埠固定旋柱和旋轉固定環，其中，所述的樣品上夾層制動組件包括彈簧定位杆Ⅰ、彈簧定位杆Ⅱ、彈簧、轉向杆、支架杆和雙向轉杆。其連接關係是，所述的支架平臺的四端設有螺紋孔，四個支架平臺支撐柱通過螺紋分別與支架平臺的螺紋孔相契合，用於調節支架平臺的高度。所述的支架杆固定設置在支架平臺上。所述的轉向杆頂端設置有方槽、中段設置有通孔，轉向杆通過通孔與支架杆相互嵌合。所述的彈簧定位杆Ⅰ固定於支架杆一側的支架平臺上，彈簧定位杆Ⅱ固定於轉向杆上，彈簧定位杆Ⅰ與彈簧定位杆Ⅱ上下對應設置，彈簧兩端分別與彈簧定位杆Ⅰ、彈簧定位杆Ⅱ連接。所述的雙向轉杆兩端開孔，雙向轉杆的一端開孔與轉向杆的方槽相互嵌合，雙向轉杆與轉向杆之間有一轉動角α。所述的電壓接入-輸出埠固定旋柱固定設置於支架杆另一側的支架平臺上，電壓接入-輸出埠固定旋柱為空心圓筒，上表面閉合，電壓接入-輸出埠固定旋柱上表面側方設置有一孔，電壓接入-輸出埠固定旋柱外筒面上下兩端均設置有螺紋結構。所述的樣品下夾層由金屬電極板和下端側方開孔圓筒構成，樣品下夾層的下端圓筒與電壓接入-輸出埠固定旋柱螺紋連接。所述的電壓接入-輸出埠固定旋柱與樣品下夾層之間設置有溫控-測壓組件。由溫控制項和平板式測壓計構成的溫控-測壓組件位於樣品下夾層的下端圓筒內。所述的溫控-測壓組件上表面與樣品下夾層的金屬電極板緊密貼合，下表面與電壓接入-輸出埠固定旋柱的上表面緊密貼合。所述的樣品下夾層上方對應設置有樣品上夾層。所述的樣品上夾層由電極板和上端開孔板構成，雙向轉杆的另一端開孔與樣品上夾層的上端開孔板相互嵌合。所述的電壓接入-輸出埠的負極與電壓接入-輸出埠固定旋柱下端連接。所述的溫控-測壓連接線依次貫穿樣品下夾層和支架平臺，溫控-測壓連接線一端與溫控-測壓組件連接，另一端與外部的溫度控制和讀出設備和壓力測試設備相連。所述的旋轉固定環設置在電壓接入-輸出埠固定旋柱的外環面，旋轉固定環的內螺紋與電壓接入-輸出埠固定旋柱的外螺紋相契合。所述的電壓接入-輸出埠的正極通過金屬導線與樣品上夾層相連接，金屬導線貫穿電壓接入-輸出埠固定旋柱的上表面側方開孔和支架平臺。樣品置於樣品上夾層與樣品下夾層之間。

所述的轉動角α的角度範圍為0°~ 190°。

所述的樣品上夾層電極板、樣品下夾層電極板的厚度≥5mm。

所述的溫控-測壓組件中的溫控制項和平板式測壓計均為市售產品。

所述的轉向杆、支架杆、雙向轉杆和支架平臺的材料採用聚四氟乙烯或絕緣陶瓷。

所述的樣品上夾層、樣品下夾層、電壓接入-輸出埠正極、電壓接入-輸出埠負極和電壓接入-輸出埠固定旋柱的材料採用銅、銅鍍金、金、銀中的一種。

本實用新型的電壓接入-輸出埠固定旋柱上下兩端設置螺紋，中段為光滑面，上下兩端的螺紋利於進行其他組件的連接，中段光滑面利於貫穿支架平臺。

本實用新型的樣品下夾層的下端側方開孔圓筒外表面為螺紋結構，利於與電壓接入-輸出埠固定旋柱螺紋相接。

本實用新型的樣品上夾層制動組件具備兩個功能：（1）提拉樣品上夾層，使其可以上下移動，給予樣品上夾層足夠的轉動空間，便於樣品的取放。本實用新型利用彈簧定位杆Ⅰ、彈簧定位杆Ⅱ、彈簧、轉向杆和支架杆完成樣品上夾層的提拉，利用支架杆、雙向轉杆和樣品上夾層的嵌合方式完成樣品上夾層的靈活轉動，使得樣品上夾層轉動角度最大可達到190°；（2）施予樣品上夾層一定的壓力，樣品放置於樣品下夾層後，樣品上夾層可以在樣品表面自動找平，使得樣品上夾層、樣品和樣品下夾層互相緊密接觸，便於在樣品區形成均勻電場。本實用新型中彈簧作為壓力源，通過支架杆、雙向轉杆和樣品上夾層對樣品施加壓力，通過更換不同彈性的彈簧，可實現對樣品表面壓力的改變。本實用新型中支架杆、雙向轉杆和樣品上夾層的嵌合通過螺栓形成轉動式連接，三者的結合部皆可自由轉動，該種結合形式在壓力的作用下在達到力的平衡時就可實現樣品上夾層在樣品表面的自動找平功能。

本實用新型在噪聲信息測試系統中的電路工作原理為：電壓偏置器通過電壓接入-輸出埠正極和電壓接入-輸出埠負極將電流接入樣品上夾層和樣品下夾層，在樣品上夾層和樣品下夾層之間形成均勻電場，電流流經樣品上夾層、樣品和樣品下夾層，激發樣品的低頻噪聲。同時，在樣品內部缺陷的作用下，初始電流轉變為包含樣品噪聲信號的電流。該電流通過電壓接入-輸出埠負極導入到噪聲信息提取裝置中，噪聲信息提取裝置對樣品的噪聲信息進行提取。

由於噪聲信息非常靈敏，適配器自身所引入的少量的電磁幹擾和漏電都會引入大量的幹擾信號，混淆真實噪聲信息，致使測試失敗，因此本實用新型的電流流通組件，包含樣品上夾層、樣品下夾層、電壓接入-輸出埠正極、電壓接入-輸出埠負極和電壓接入-輸出埠固定旋柱，必須為高純度的良導體。良導體會減小電流在適配器中電流流通組件中的損耗，導體的高純度會減小電流在適配器中電流流通組件中的電流密度漲落，降低適配器的噪聲本底。且在同一適配器中，樣品上夾層、樣品下夾層、電壓接入-輸出埠正極、電壓接入-輸出埠負極和電壓接入-輸出埠固定旋柱的材質必須一致，避免不同導體之間的接觸電勢差引入的信號幹擾。同時，本實用新型的非電流流通組件，包含支架平臺、支架平臺支撐柱和旋轉固定環，必須為高絕緣性材料，這樣將流經的適配器的電子限制於適配器的電流流通組件內，利於提高樣品內部的電流密度，減少漏電危害。

噪聲測試過程中，樣品處於均勻電場中才能確保樣品內部各點的電流密度相同，進而避免電流密度不同造成的噪聲漲落。當樣品上夾層電極板和樣品下夾層電極板的材料為銅、銅鍍金、金、銀等低阻導體中的一種時，依據平行電容內部電場計算公式，在樣品上下表面建立均勻電場，本實用新型的樣品上夾層電極板和樣品下夾層電極板的厚度必須等於或大於5mm。

本實用新型的溫控-測壓組件具備的功能：（1）通過溫控-測壓連接線與外部的溫度控制設備相連，對樣品提供熱源，溫度範圍為常溫～200℃；（2）通過溫控-測壓連接線與外部的溫度讀出設備相連，對樣品的實際溫度進行測試；（3）通過溫控-測壓連接線與外部的壓力測試設備相連，測試不同彈簧施加於樣品上的壓力。

本實用新型的材料低頻噪聲信息採集用適配器有益效果是，能夠對材料施加均勻電壓、溫度和壓力，激發材料內部低頻噪聲，並將噪聲信息傳輸到材料噪聲信息提取電路中，具備溫度、壓力測試功能，能夠用於高溫、加壓環境下的材料性能模擬評估測試中。本實用新型通過各組件材料的選配，降低了適配器本底噪聲，利於噪聲弱信號測試。就樣品導電性質而言，本實用新型適用於導體、半導體、絕緣體等材料的低頻噪聲信息測試。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為圖1中A-A剖面圖；

圖中，11. 彈簧定位杆Ⅰ 12. 彈簧 13. 彈簧定位杆Ⅱ 14. 轉向杆 15. 支架杆 16. 雙向轉杆 17. 樣品上夾層 18. 樣品 19. 樣品下夾層 20. 支架平臺支撐柱Ⅰ 21. 溫控-測壓組件 22. 電壓接入-輸出埠 23. 溫控-測壓連接線 24. 支架平臺 25. 電壓接入-輸出埠固定旋柱 26 . 旋轉固定環。

具體實施方式

為了更充分的解釋本實用新型的實施，提供下述實施例對本實用新型進行說明。這些實施例僅僅是解釋、而不限制本實用新型的範圍。

下面結合附圖對本實用新型進行詳細說明。

實施例1

圖1為本實用新型的三維示意圖，圖2為圖1中A-A局部剖面圖。

在圖1、圖2中，本實用新型的一種材料低頻噪聲信息採集用適配器含有樣品上夾層制動組件、樣品上夾層17、樣品下夾層19、支架平臺24、支架平臺支撐柱、溫控-測壓組件21、溫控-測壓連接線23、電壓接入-輸出埠22、電壓接入-輸出埠固定旋柱25和旋轉固定環26，其中，所述的樣品上夾層制動組件包括彈簧定位杆Ⅰ11、彈簧定位杆Ⅱ13、彈簧12、轉向杆14、支架杆15和雙向轉杆16；其連接關係是，所述的支架平臺24的四端設有螺紋孔，四個支架平臺支撐柱通過螺紋分別與支架平臺24的螺紋孔相契合，用於調節支架平臺24的高度，保持支架平臺24的平衡；所述的支架杆15固定設置在支架平臺24上；所述的轉向杆14頂端設置有方槽、中段設置有通孔，轉向杆14通過通孔與支架杆15相互嵌合，從而通過固定於支架平臺24的支架杆15獲得支撐力；所述的彈簧定位杆Ⅰ11固定於支架杆15一側的支架平臺24上，彈簧定位杆Ⅱ13固定於轉向杆14上，彈簧定位杆Ⅰ11與彈簧定位杆Ⅱ13上下對應設置，彈簧12兩端分別與彈簧定位杆Ⅰ11、彈簧定位杆Ⅱ13連接；所述的雙向轉杆16兩端開孔，雙向轉杆16的一端開孔與轉向杆14的方槽相互嵌合，雙向轉杆16與轉向杆14之間有一轉動角α；所述的電壓接入-輸出埠固定旋柱25固定設置於支架杆15另一側的支架平臺24上，電壓接入-輸出埠固定旋柱25為空心圓筒，上表面閉合，電壓接入-輸出埠固定旋柱25上表面側方設置有一孔，電壓接入-輸出埠固定旋柱25外筒面上下兩端均設置有螺紋結構；所述的樣品下夾層19由金屬電極板和下端側方開孔圓筒構成，樣品下夾層19的下端圓筒與電壓接入-輸出埠固定旋柱25螺紋連接；所述的電壓接入-輸出埠固定旋柱25與樣品下夾層19之間設置有溫控-測壓組件21；由溫控制項和平板式測壓計構成的溫控-測壓組件21位於樣品下夾層19的下端圓筒內；所述的溫控-測壓組件21上表面與樣品下夾層19的金屬電極板緊密貼合，下表面與電壓接入-輸出埠固定旋柱25的上表面緊密貼合；所述的樣品下夾層19上方對應設置有樣品上夾層17；所述的樣品上夾層17由電極板和上端開孔板構成，雙向轉杆16的另一端開孔與樣品上夾層17的上端開孔板相互嵌合；所述的電壓接入-輸出埠22的負極與電壓接入-輸出埠固定旋柱25下端連接；所述的溫控-測壓連接線23依次貫穿樣品下夾層19和支架平臺24，溫控-測壓連接線23一端與溫控-測壓組件21連接，另一端與外部的溫度控制和讀出設備和壓力測試設備相連；所述的旋轉固定環26設置在電壓接入-輸出埠固定旋柱25的外環面，旋轉固定環26的內螺紋與電壓接入-輸出埠固定旋柱25的外螺紋相契合；所述的電壓接入-輸出埠22的正極通過金屬導線與樣品上夾層17相連接，金屬導線貫穿電壓接入-輸出埠固定旋柱25的上表面側方開孔和支架平臺24；樣品18置於樣品上夾層17與樣品下夾層19之間。

所述的彈簧12為噪聲測試樣品18提供壓力。

本實施例中，本實用新型設置有四個支架平臺支撐柱，支架平臺支撐柱20是其中一個。

所述的轉向杆14、支架杆15、雙向轉杆16和支架平臺24材料採用聚四氟乙烯；所述的樣品上夾層17電極板、樣品下夾層19、電壓接入-輸出埠22正極材料、電壓接入-輸出埠22負極和電壓接入-輸出埠固定旋柱25材料採用銅；所述的樣品上夾層17電極板、樣品下夾層19電極板的厚度為5mm；所述的轉動角α的角度最大為190°，本實施例中顯示α為90°；所述的溫控-測壓組件21溫控範圍為常溫～200℃。

本實用新型的主要部件為支架平臺24、支架平臺支撐柱、樣品上夾層制動組件、樣品上夾層17、樣品下夾層19、溫控-測壓組件21和電壓接入-輸出埠22。其中，樣品上夾層制動組件調節控制樣品上夾層17的高度，並對樣品18施加壓力。溫控-測壓組件21可通過樣品下夾層19對樣品18加溫，並測試樣品18上所加溫度和壓力。電壓偏置器通過電壓接入-輸出埠22的正極將電流I1接入樣品上夾層17，電流I1流經樣品上夾層17、樣品18和樣品下夾層19，激發樣品18的低頻噪聲。同時，在樣品18內部缺陷的作用下，電流I1轉變為包含噪聲電流的電流I2，電流I2通過電壓接入-輸出埠22導入到噪聲信息提取裝置中，噪聲信息提取裝置對樣品18的噪聲信息進行提取。

實施例2

本實施例的結構與實施例1相同。不同之處是，所述的樣品上夾層17電極板厚度為9mm，樣品下夾層19電極板厚度為9mm；本實施例中轉動角α為190°；所述的轉向杆14、支架杆15、雙向轉杆16和支架平臺24材料採用絕緣陶瓷；所述的樣品上夾層17電極板、樣品下夾層19、電壓接入-輸出埠22正極材料、電壓接入-輸出埠22負極和電壓接入-輸出埠固定旋柱25材料採用鍍金銅。

實施例3

本實施例的結構與實施例1相同。不同之處是，所述的樣品上夾層17電極板厚度為6mm，樣品下夾層19電極板厚度為6mm；本實施例中轉動角α為120°；所述的樣品上夾層17電極板、樣品下夾層19、電壓接入-輸出埠22正極材料、電壓接入-輸出埠22負極和電壓接入-輸出埠固定旋柱25材料採用金。

實施例4

本實施例的結構與實施例1相同。不同之處是，所述的樣品上夾層17電極板厚度為6mm，樣品下夾層19電極板厚度為6mm；所述的轉向杆14、支架杆15、雙向轉杆16和支架平臺24材料採用絕緣陶瓷；所述的樣品上夾層17電極板、樣品下夾層19、電壓接入-輸出埠22正極材料、電壓接入-輸出埠22負極和電壓接入-輸出埠固定旋柱25材料採用銀。

本實用新型不局限於上述具體的實施方式，所屬技術領域的技術人員從上述構思出發，不經過創造性的勞動，所作出的種種變換，均落在本實用新型的保護範圍之內。