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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2004

Grundlagen der Metrologie

Analog-Digital-Umsetzer (ADU) sind in der Messtechnik seit über 30 Jahren im Einsatz. Der ständige technologische Fortschritt in der Halbleiterindustrie bringt immer neue und modernere ADUs zunehmender Auflösung auf den Markt. Somit werden neuartige, technisch interessante und ökonomisch attraktivere Möglichkeiten in der digitalen Signalverarbeitung eröffnet. Gleichzeitig wachsen die...

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Das Prinzip dieses Experiments besteht darin, eine Kapazität C (= 1 pF) mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen N (= 107) zu beladen und die am Kondensator entstehende Spannung U von etwa 1,6 V genau zu messen (Bild 1). Mit der Zahl N der Elektronen ist somit auch C genau bestimmt, und man erhält ein neuartiges Normal für die elektrische Kapazität, welches auf ihrer fundamentalen...

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Wesentliche Komponenten eines Josephson-Synthesizers zur Erzeugung hochgenauer Gleich- und Wechselspannungen sowie beliebiger Wellenformen sind optimierte Josephson-Schaltungen. Für den Einsatz in einem Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS), der z. Z. im Rahmen des EU-Forschungsvorhabens JAWS mit Partnern aus sechs europäischen Ländern entwickelt wird, sind kompakte Schaltungen, die kurz...

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In der PTB kommen seit etwa 12 Jahren Elektronenstrahl-Lithographiesysteme zum Einsatz, um Strukturen im sub-μm-Bereich zu erzeugen. Darüber hinaus werden die Systeme eingesetzt, um Fotomasken für die optische Lithographie herzustellen. Die Einsatzbereiche umfassen im wesentlichen Schaltungen für die Untersuchung des Einzelelektronentunneleffektes und des Josephson-Spannungsnormals. Im Rahmen...

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Mit akustischen Oberflächenwellen können bei tiefen Temperaturen einzelne Elektronen nacheinander und mit genau bekannter, hoher Frequenz durch einen eindimensionalen Halbleiterkanal geführt werden. Der Effekt erlaubt es, die Stromstärke-Einheit Ampere mit einer Naturkonstanten, der Elementarladung, zu verknüpfen. Gelingt es, die Fehlerquote beim “Abzählen” der Elektronen so gering zu halten, dass...

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Zur Detektion ultraschneller elektrischer Signale bieten sich optische Messverfahren an, da sie größere Bandbreiten erzielen als elektronische Verfahren. Die PTB hat daher eine neue optische Methode entwickelt, um ultraschnelle elektrische Felder in Halbleitern zu messen. Sie basiert auf dem sogenannten Franz-Keldysh-Effekt, beim dem ausgenutzt wird, dass ein elektrisches Feld Oszillationen im...

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Wechselstrom-Messungen des Quanten-Hall-Widerstandes an verschiedenen Staatsinstituten zeigten in früheren Jahren zahlreiche Diskrepanzen. Im Rahmen einer Zusammenarbeit der PTB mit dem NRC (Kanada) und dem METAS (Schweiz) wurden jedoch viele dieser Diskrepanzen aufgeklärt.

Die Charakterisierung von Quanten-Hall-Effekt-Proben (QHE-Proben) erfordert Messungen des sogenannten Längswiderstandes auf...

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In einer Kooperation mit dem National Physical Laboratory (NPL), Großbritannien, wird die Frage untersucht, ob sich binäre SINIS-Josephson-Reihenschaltungen für die Synthese von präzisen Wechselspannungen einsetzen lassen. Die Abkürzung SINIS steht hierbei für eine bestimmte Herstellungstechnologie der supraleitenden Schaltung. Die Josephson-Reihenschaltungen haben 8192 SINIS Kontakte (14 Bit) die...

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Eine der bestehenden wesentlichen Schwierigkeiten bei der Herstellung komplexerer Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen ergibt sich aus der zeitlich korrekten Bereitstellung der Taktimpulse an den einzelnen Gattern. Josephsonkontakte mit externen Shunts in SIS-Technologie (Supraleiter/Isolator/Supraleiter) bieten die Möglichkeit, durch Einstellung verschiedener Werte der Shuntwiderstände...

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Die sehr schnelle Datenübertragung von Flussquantenimpulsen der Supraleiter­elektronik zur Halbleiterelektronik im GHz-Frequenzbereich ist in komplexeren Schaltungen mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. An der Schnittstelle zur Halbleiterelektronik werden auf Seiten der Supraleiterelektronik üblicherweise SFQ/DC-Konverter eingesetzt, deren Funktion es ist, die den SFQ-Pulsen (SFQ: Single...

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Kleine supraleitende Tunnelkontakte ermöglichen die Manipulation von einzelnen Cooper-Paaren und können beispielsweise bei der Entwicklung von Quantennormalen für die elektrische Stromstärke und für die Konstruktion von Quantenbits eingesetzt werden. Üblicherweise werden solche Bauelemente in Schrägbedampfungstechnik aus Aluminium hergestellt. Die Verwendung von Niob (Nb) anstelle von Aluminium...

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Überdämpfte Josephsonkontakte sind die Schlüsselelemente in Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen. Durch extern geführte normalleitende Widerstandsshunts lassen sich in Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonelementen (SIS) hysteresefreie Strom-Spannungs-Charakteristiken einstellen, was die korrekte Funktion von RSFQ-Schaltungen gewährleistet. Heutzutage wird die RSFQ-Elektronik als...

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Metrologie für die Wirtschaft

Vielfach-Thermokonverter (Multijunction Thermal Converter, MJTC) in dreidimensionaler Bauart bilden in der PTB seit 20 Jahren die Grundlage für den Transfer von Wechsel- zu Gleichstromstärke. Die Transferdifferenz eines solchen MJTC (Heizerwiderstand 27 Ω) ist für Stromstärken von 20 bis 50 mA im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz kleiner als 1 μA/A mit einer berechenbaren Unsicherheit von 1...

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Zur Ermittlung der Fehlerterme vektorieller HF-Netzwerkanalysatoren (VNA) wird häufig das LRL- oder TRL-Kalibrierverfahren (Line-Reflect-Line  bzw. Through-Reflect-Line) angewandt. Als Kalibrierelemente werden für das LRL-Verfahren zwei im Idealfall reflexionsfreie Präzisions-Luftleitungs-Impedanznormale (Lines) unterschiedlicher Länge und zwei Kurzschlüsse (Reflects) mit im Idealfall gleichen...

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Zur Prüfung der elektrischen Eigenschaften ausgedehnter metallischer Flächen wurde eine Methode der Zeitbereichsspektroskopie entwickelt. Derartige Flächen treten z.B. als reflektierender Boden mit eingelassener Drehscheibe in Teilabsorberhallen auf, die für Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit elektronischer Geräte verwendet werden. Aber auch Freifeldmessplätze zur Kalibrierung von...

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Der seit Jahren zu beobachtende Trend in Richtung größerer und komplexerer integrierter Schaltkreise führt zu neuen Herausforderungen im Chipdesign, wobei insbesondere der Einfluss der Verbindungsstrukturen nicht vernachlässigt werden darf. Obwohl bereits seit längerem bekannt ist, dass Substrateffekte in leitfähigem Silizium zu frequenzabhängigen Leitungseigenschaften führen, ist die Auswirkung...

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Der Test integrierter Mikrowellenschaltungen und schneller digitaler Schaltkreise erfordert neue Prüfkonzepte wie z.B. hochohmige Prüfspitzen, die sich durch Breitbandigkeit und eine möglichst geringe Rückwirkung auf den zu testenden Schaltkreis auszeichnen. Wie bereits in früheren Untersuchungen auf koplanaren Wellenleitern festgestellt, ist die Annahme eines frequenzunabhängigen, konstanten...

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Der Kalibrierplatz für Hochspannungsimpulsmesssysteme, mit denen Betriebsmittel der elektrischen Energieübertragung geprüft und überwacht werden, wurde auf Grund von erheblichen Fortschritten in der Entwicklung schneller Digitalrecorder modernisiert. Ein veralteter 8-Bit-Recorder, der mit empfindlichen externen Abschwächern betrieben wurde, konnte durch einen kommerziellen, speziell für...

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Der Kalibrierplatz für Hochspannungsimpulsmesssysteme, mit denen Betriebsmittel der elektrischen Energieübertragung geprüft und überwacht werden, wurde auf Grund von erheblichen Fortschritten in der Entwicklung schneller Digitalrecorder modernisiert. Ein veralteter 8-Bit-Recorder, der mit empfindlichen externen Abschwächern betrieben wurde, konnte durch einen kommerziellen, speziell für...

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Für Messeinrichtungen zur Kalibrierung magnetischer Messinstrumente mit Vorgabefeldern, die in Spulen mittels Gleichströmen erregt werden, wurde eine Stromquelle mit auf Kernresonanz (NMR) basierender überlagerter Regelung entwickelt. Damit wird für Stromstärken im Bereich von 0,3 A bis 1 A eine nachweisbare Einstellungsauflösung von 0,3 μA und eine zeitliche Driftrate von etwa 0,3 μA/h erreicht....

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Die Entwicklungen im Bereich der magnetischen Datenspeichermedien zielen auf Datendichten der Größenordnung TBit/inch2. Parallel zur Entwicklung geeigneter Herstellungstechnologien muss auch die Messtechnik weiterentwickelt werden. In der PTB wird deshalb an der Entwicklung eines quantitativen Messverfahrens für die Analyse magnetischer Eigenschaften von Strukturen im Nanometerbereich gearbeitet....

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Metrologie für die Gesellschaft

Digitale Brücken ermitteln die Messabweichung und den Fehlwinkel von elektronischen Messwandlern mit Digitalausgang durch Vergleich mit Referenz- bzw. Normalwandlern mit Analogausgang. Zur Kalibrierung der Brücken werden die Ausgangsgrößen der digitalen und analogen Messwandler elektronisch generiert und an die Brücke angelegt. Durch Variation des analogen Signals bezüglich Amplitude und Phase...

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In der elektrischen Energiemesstechnik dienen Verlustfaktormessungen zur Beurteilung der Qualität (minimale Erwärmung durch Verluste, lange Lebensdauer, höchstmögliche Sicherheit) von Hochspannungsgeräten wie Kondensatoren, Transformatoren, Isolatoren und Kabeln. Dafür werden Verlustfaktor-Messgeräte sowie hochwertige Kondensatoren als Normale mit möglichst kleinen und bekannten Verlustfaktoren...

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Eine interessante Aufgabe stellt sich der zum 1. Juni 2004 neu eingerichteten Arbeitsgruppe 2.34 "Bauartzulassung/Konformitätsbewertung Elektrische Energiemesstechnik" in Gestalt eines standardisierten elektronischen Haushaltszählers mit dem Projektnamen "eHZ". Verschiedene Hersteller beantragen die innerstaatliche Bauartzulassung für ihre eHZ-Modelle, die auf dem Konzept des Lastenheftes des...

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Internationale Angelegenheiten

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