精密可编程标准石英电容器关键技术研究

A design scheme of precision programble fused silica capacitance standard was proposed,this temperature stabilized capacitance standard consists of 23 binary-weighted capacitor elements on a single fused silica disk.The variable capacitor can be programmed cover a range about six order of magnitude.A new calibration method of inductive voltage divider was proposed，and based this calibration method，an improved measurement method of capacitance voltage coefficient was proposed.A new four terminal pairs capacitance bridge was desinged for the research on frequency and losses characteristic of silica capacitance.The new programble fused silica capacitance standard will play an very important role in the fields of fine structure constant measurement，quantum capacitance standard research,capacitance value transfer and calibration of capacticance measurement instruments.

本课题提出了一种精密可编程的熔融石英标准电容器的设计方案，这种温控可编程电容器由23个二进制权重电容值的独立电容器组成，通过镀膜光刻工艺集成在一个单片超纯熔融石英盘上，可以输出六个数量级的范围内的任意电容值。提出了一种新的感应分压器校验方案，在此校验方法的基础上发展了高准确度的电容电压系数测量方法。提出了可实现四端对阻抗测量的电容电桥方案，并利用此电桥系统地研究熔融石英电容器的频率特性和介质损耗特性。本课题提出的精密可编程熔融石英标准电容器将在精细结构常数测量、电容单位量值传递、量子电容标准研究等计量学前沿研究领域和电容测量仪器校准等方面起到重要的支撑作用。

基于基本物理常数的新一代国际单位制（SI）重新定义是国际计量界的研究热点和重点。计算电容和单电子隧穿量子电容成为联系精细结构常数和闭合量子计量三角的重要组成部分，精密可编程熔融石英标准电容器将在精细结构常数测量、电容单位量值传递、量子电容标准研究等计量学前沿研究领域和电容测量仪器校准等方面起到重要的支撑作用。. 本项目研究目标是研制高精密和稳定的可编程熔融石英电容及系统。研究内容包括建立精密可编程熔融石英电容器系统；基于有限元静电场仿真对精密可编程电容的小电容单元进行了深入研究和分析，依据仿真结果指导实际的精密可编程小电容单元的设计与制造；探索熔融石英电容器的制作工艺，包括镀膜工艺，光刻工艺，通过优化电容制作工艺降低熔融石英的电压系数，提高电容的稳定性，降低电容的介质损耗和频率误差。发展能够实现10-9 量级准确度的感应分压器比例校验方法。研制高准确度的能够实现四端对阻抗测量的交流同轴电容电桥，为进一步研究内容包括精密测定熔融石英介质电容的电压系数、频率特性、介质损耗特性和温度特性，研制出可商用的高精密稳定的可编程熔融石英标准电容标准打下基础。. 本项目提出了一种精密可编程的熔融石英标准电容器的设计方案, 研制成功可编程石英电容单元。通过熔融石英盘的图形电镀及祛除应力热处理工艺，在控制其介电常数和介质损耗前提下，极大提高了可编程电容单元稳定性。设计了可编程同轴开关系统，完成了两套可编程标准石英电容原型系统的研制，实现了可编程电容控制及精确校验。初步建立四端对电容电桥装置，实现新感应分压器校验方法，实现了优于5×10-9量级的电容量值传递。