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Quantenbasierte Impedanzmessbrücken

Quantengenaue Darstellung elektrischer Einheiten im Wechselspannungsbereich

PTBnews 3.2020
25.09.2020
Besonders interessant für

Metrologieinstitute

Wechselstrom- und -spannungsmesstechnik

Kalibrierlaboratorien

Hersteller von Präzisionselektronik

Die PTB untersucht im Rahmen eines europäischen Metrologieforschungsprojekts die Nutzbarkeit neuartiger Quanten-Hall-Widerstandsnormale auf der Materialbasis von Graphen für die Impedanzmetrologie. Die Arbeiten dienen der Entwicklung quantenbasierter Impedanzmessbrücken für vereinfachte Kalibrierungen elektrischer Wechselspannungsgrößen für den praxisnahen, flexiblen und effizienten Einsatz, zum Beispiel in Kalibrierlaboratorien oder in der Industrie. Erste Messungen zeigten bereits eine sehr gute Reproduzierbarkeit und belegen das Potenzial der neuen Methodik.

Schematisches Schaltbild (stark vereinfacht) einer Josephson-Impedanzmessbrücke kombiniert mit einem Quanten-Hall-Referenzwiderstand (QHR). Der Messstrom wird von zwei Stromquellen (links und rechts) eingespeist, die Spannungsmessung erfolgt quantenbasiert über zwei pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale (U1 und U2). Nach Abgleich der Messbrücke durch Justierung der Spannungsverhältnisse und Phasenwinkel ist die durch den Detektor gemessene Spannung Null und damit das Verhältnis der Impedanzen des Prüflings (ZDUT) und des Quanten-Hall-Impedanznormals (ZQHR) gleich dem sehr genau bekannten Verhältnis der beiden Brückenspannungen U1 und U2.

Die Darstellung elektrischer Einheiten beziehungsweise die Kalibrierung elektrischer Größen im Wechselspannungsbereich (Impedanzen) werden heutzutage meist mittels berechenbarer konventioneller Artefakte durchgeführt, oder über Gleich-Wechselspannungstransfer ausgehend von Quanten-Widerstandsnormalen, die auf dem Quanten-Hall-Effekt basieren. Die dabei eingesetzten Messbrücken beruhen auf induktiven Spannungsteilern und erreichen hervorragende Messunsicherheiten von nur wenigen Teilen in einer Milliarde. Diese Messbrücken sind jedoch in ihrem Einsatz bezüglich realisierbarer Spannungsverhältnisse, Phasenwinkel und Messfrequenzen limitiert und zudem wegen ihrer Komplexität und der notwendigen manuellen Bedienung nur für den Expertenbetrieb geeignet.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, betreibt die PTB zusammen mit zehn anderen Partnerinstituten im Rahmen eines europäischen Metrologieforschungsprojekts („Graphene impedance quantum standard“, GIQS) die Entwicklung flexibler und automatisierbarer Impedanzmessbrücken. Dabei werden für die Erzeugung der Brückenspannungen anstelle von induktiven Spannungsteilern moderne Quanten-Spannungsquellen eingesetzt, die auf pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen beruhen. Diese sogenannten Josephson-Impedanzmessbrücken erlauben die flexible und exakte Darstellung von Wechselspannungen bei unterschiedlichen Frequenzen mit beliebigen Phasenlagen und mit hoher zeitlicher Stabilität. In Kombination mit einem Quanten-Hall-Referenzwiderstand lassen sich nahezu beliebige Impedanzen präzise kalibrieren.

Der in der PTB verfolgte Einsatz eines Quanten-Hall-Widerstands aus Graphen bietet weitere Vorzüge für den praxisnahen Einsatz von Josephson-Impedanzmessbrücken. Herkömmliche Quanten-Hall-Widerstände aus Halbleiter-Heterostrukturen müssen typischerweise bei hohen Magnetfeldern und bei tiefen Temperaturen betrieben werden, was den Einsatz teurer und aufwendiger Kryo-Magnetsysteme sowie die Versorgung mit Flüssighelium erfordert. Im Vergleich dazu ermöglichen die besonderen Eigenschaften von Graphen den Einsatz in kostengünstigeren und leicht bedienbaren Kleinkühler-Magnetsystemen.

Allerdings müssen die Graphen-Schaltungen für diese Einsatzzwecke noch optimiert werden. Die hohe Präzision der Josephson-Impedanzmessbrücken bietet ideale Voraussetzungen für diese Untersuchungen. Erste Messungen der PTB an einem 10-nF-Kondensator zeigten bereits eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Resultate im Bereich von wenigen Teilen in 108 und belegen damit das hohe Potenzial der neuen Messmethodik. An weiteren Optimierungen der Brückenmesstechnik und der Graphen-Widerstandsnormale wird gearbeitet.

Ansprechpartner

Stephan Bauer
Fachbereich 2.6 Elektrische Quantenmetrologie
Telefon: (0531) 592-2633
Opens window for sending emailstephan.bauer(at)ptb.de

h3>Wissenschaftliche Veröffentlichung

S. Bauer, Y. Pimsut, R. Behr, O. Kieler, M. Kruskopf, L. Palafox, J. Lee, J. Schurr: AC quantum Hall resistance combined with a four-terminal pair pulse-driven Josephson impedance bridge. Akzeptiert, IEEE Trans. Instrum. Meas. (2020)