izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-8-9-16izmertech-1628Research ArticleГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫSTATE STANDARDSГосударственный первичный специальный эталон единицы электрической ёмкости в диапазоне частот от 1 до 300 МГц ГЭТ 107-2019The State primary special standard for the unit of electrical capacitance at the frequency range from 1 to 300 MHz GET 107-2019https://orcid.org/0000-0001-9274-3642ШиловА. М.ShilovA. M.

Александр Михайлович Шилов

Новосибирск

Alexander M. Shilov

Novosibirsk

amshilov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4360-6152ЗагайновС. Д.ZagaynovS. D.

Сергей Дмитриевич Загайнов

Новосибирск

Sergey D. Zagaynov

Novosibirsk

zagainov@sniim.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5017-6835МандруеваА. Е.MandruevaA. E.

Анастасия Евгеньевна Мандруева

Новосибирск

Anastasiya Ev. Mandrueva

Novosibirsk

otdel_3@sniim.ruРябчинскийД. В.RyabchinskiyD. V.

Дмитрий Владимирович Рябчинский

Новосибирск

Dmitriy V. Ryabchinskiy

Novosibirsk

otdel_3@sniim.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3245-638XУльяновЕ. Ю.UliyanovE. Y.

Евгений Юрьевич Ульянов

Новосибирск

Eugeniy Yu. Uliyanov

Novosibirsk

ulyanov@sniim.ruЗападно-Сибирский филиал ФГУП «ВНИИФТРИ»; Новосибирский национальный исследовательский государственный университетРоссияThe West-Siberian Branch of FSUE “VNIIFTRI”; Novosibirsk State UniversityRussian FederationЗападно-Сибирский филиал ФГУП «ВНИИФТРИ»РоссияThe West-Siberian Branch of FSUE “VNIIFTRI”Russian Federation20221805202308916Copyright © Шилов А.М., Загайнов С.Д., Мандруева А.Е., Рябчинский Д.В., Ульянов Е.Ю., 20232023Шилов А.М., Загайнов С.Д., Мандруева А.Е., Рябчинский Д.В., Ульянов Е.Ю.Shilov A.M., Zagaynov S.D., Mandrueva A.E., Ryabchinskiy D.V., Uliyanov E.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/1628

Описаны состав и характеристики Государственного первичного специального эталона единицы электрической ёмкости в диапазоне частот от 1 до 300 МГц ГЭТ 107-2019. Верхняя граница частотного диапазона воспроизведения электрической ёмкости ГЭТ 107-2019 составляет 300 МГц. Это достигнуто в результате разработки эталонной установки с рабочей частотой 300 МГц. Рассмотрены принцип действия установки и алгоритмы обработки измерений. Неисключённая относительная систематическая погрешность ГЭТ 107-2019 составляет 5·10–5–1·10–3 (в зависимости от рабочей частоты), относительное среднеквадратическое отклонение результата измерений при воспроизведении единицы – 3·10–6–3·10–4, что превосходит возможности национальных эталонов других стран. Разработана и утверждена Государственная поверочная схема для средств измерений электрической ёмкости в диапазоне частот 1–300 МГц. ГЭТ 107-2019, а также подчинённые эталоны и средства измерений широко используются в микро- и наноэлектронике, биомедицине,  радиоэлектронной промышленности, приборостроении, при разработке и производстве современных материалов и оборудования.

The composition and characteristics of the State primary special standard of electrical capacity units in the frequency range from 1 to 300 MHz GET 107-2019 are  described. The upper limit of the frequency range of electrical capacitance reproduction has been expanded to 300 MHz due to the development of a new reference installation with an operating frequency of 300 MHz. The principle of operation of the installation and algorithms for processing measurements are considered. The non-excluded relative systematic error of GET 107-2019 is from 5·10–5 to 1·10–3 (depending on the operating frequency), the relative standard deviation of the measurement result when reproducing the unit is from 3·10–6 to 3·10–4, which exceeds the capabilities of national standards of other countries. An updated State Verification Scheme for measuring electrical capacitance in the frequency range from 1 to 300 MHz has been developed and approved. GET 107-2019 and its subordinate standards and measuring instruments are widely used in micro- and nanoelectronics, radioelectronic industry, instrument engineering, in the development and production of modern materials and devices, in biomedicine.

первичный эталонэлектрическая ёмкостьэталонный конденсаторповерочная схемаprimary referenceelectrical capacitancereference capacitorcalibration circuitReferencesШилов А. М., Ульянов Е. Ю., Мандруева А. Е., Загайнов С. Д. Разработка и исследование универсального автоматизированного компаратора для передачи единицы электрической емкости от ГПСЭ единицы электрической емкости (ГЭТ 107-2019) в диапазоне частот от 1 до 300 МГц рабочим эталонам – мерам электрической ёмкости // Метрология в радиоэлектронике: Материалы XII Всероссийской научно-технической конференции, Менделеево, 21–23 сентября 2021. Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2021. С. 266–270.Shilov A. M., Ul’janov E. Ju., Mandrueva A. E., Zagajnov S. D., Razrabotka i issledovanie universal’nogo avtomatizirovannogo komparatora dlja peredachi edinicy jelektricheskoj emkosti ot GPSE edinicy jelektricheskoj emkosti (GET 107-2019) v diapazone chastot ot 1 do 300 MGc rabochim jetalonam – meram jelektricheskoj emkosti, Proc. the XII All-Russian Scientifi c and Technical Conference “Metrology in Radioelectronics”, Mendeleevo, September 21–23, 2021, Mendeleevo, FSUE “VNIIFTRI” Publ., 2021, pp. 266–270. (In Russ.)Ковчавцев А. П. Структуры металл–диэлектрик–полупроводник на основе арсенида индия: дисс. докт. физ.-мат. наук (ИФП СО РАН, Новосибирск, 2003).Kovchavcev A. P., Struktury metall–dijelektrik–poluprovodnik na osnove arsenida indija: Doctoral dissertation in Mathematics and Physics Sciences (IFP SO RAN, Novosibirsk, 2003). (In Russ.)Talanov V. V., Schwartz A. R., IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2009, vol. 57, no. 5, pp. 1224– 1229. https://doi.org/10.1109/TMTT.2009.2017352Talanov V. V., Schwartz A. R., IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2009, vol. 57, no. 5, pp. 1224– 1229. https://doi.org/10.1109/TMTT.2009.2017352Guenther K.-M., Witte H., Krost A., Kontermann S., Schade W., Appl. Phys. Lett., 2012, vol. 100, no. 4, 042101. https://doi.org/10.1063/1.3679380Guenther K.-M., Witte H., Krost A., Kontermann S., Schade W., Appl. Phys. Lett., 2012, vol. 100, no. 4, 042101. https://doi.org/10.1063/1.3679380Гольдман Е. И., Левашова А. И., Левашов С. А., Нарышкина В. Г., Чучуева Г. В. Измерения высокочастотного импеданса структур «металл – диэлектрик – полупроводник» со сверхтонким оксидом // Современные информационные и электронные технологии. 2014. Т. 2. № 15. С. 130–131.Goldman E. I., Levashova A. I., Levashov S. A., Naryshkina V. G., Chucheva G. V., Sovremennye informatsionnye i elektronnye tekhnologii, 2014, vol. 2, no. 15, pp. 130–131. (In Russ.)Черепин Н. В. Вакуумные свойства материалов для электронных приборов. М.: Советское радио, 1966. 350 с.Cherepin N. V., Vakuumnye svojstva materialov dlja jelektronnyh priborov [Vacuum properties of materials for electronic devices], Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1966, 350 p. (In Russ.)Демин С., Южалкин А., Пашков С. и др. Исследование высокочастотных кварцевых резонаторов среза SC // Компоненты и технологии. 2021. № 2(235). С. 44–47.Demin S., Juzhalkin A., Pashkov S. et. al, Issledovanie vysokochastotnyh kvarcevyh rezonatorov sreza SC, Komponents and Tehnologies, 2021, no. 2(235), pp. 44–47. (In Russ.)Reinecke N., Mewes D., Measurement Science and Technology, 1996, vol. 7, no. 3, pp. 233–246. https://doi.org/10.1088/0957-0233/7/3/004Reinecke N., Mewes D., Measurement Science and Technology, 1996, vol. 7, no. 3, pp. 233–246. https://doi.org/10.1088/0957-0233/7/3/004Kaatze U., Measurement Science and Technology, 2013, no. 24(1), 012005. https://doi.org/10.1088/0957-0233/24/1/012005Kaatze U., Measurement Science and Technology, 2013, no. 24(1), 012005. https://doi.org/10.1088/0957-0233/24/1/012005Wajman R., Fiderek P., Fidos H., Jaworski T., Nowakowski J., Sankowski D., Banasiak R., Measurement Science and Technology, 2013, no. 24(6), 065302. https://doi.org/10.1088/0957-0233/24/6/065302Wajman R., Fiderek P., Fidos H., Jaworski T., Nowakowski J., Sankowski D., Banasiak R., Measurement Science and Technology, 2013, no. 24(6), 065302. https://doi.org/10.1088/0957-0233/24/6/065302Сурду М. Н., Ламеко А. Л., Сурду Д. М., Курсин С. Н. Автоматическая прецизионная система для метрологического обеспечения измерений параметров импеданса. Ч. I. Принципы действия // Измерительная техника. 2012. № 7. С. 51–57.Surdu M. N., Lameko A. L., Surdu, D. M., Kursin S. N., Measurement Techniques, 2012, vol. 55, pp. 816–825. https://doi.org/10.1007/s11018-012-0045-5Лухверчик И. Н., Сосновская Т. Г. Сравнение импедансов разнородных величин при передаче размера единицы электрической емкости от единицы электрического сопротивления (активного) // Метрология и приборостроение. 2020. № 2(89). С. 20–23.Lukhverchik I. N., Sosnovskaya T. G., Comparison of impedances of heterogeneous quantities when disseminating electric capacitance unit from the (active) electric resistance unit, Metrologija i priborostroenie, 2020, no. 2(89), pp. 20–23. (In Russ.)Вихарева Н. А. Метрологическое обеспечение средств измерений добротности и индуктивности // Вестник СГУГиТ. 2020. Т. 25. № 4. С. 221–228. https://doi.org/10.33764/2411-1759-2020-25-4-221-228Vihareva N. A., Vestnik SSUGT, 2020, vol. 25, no 4, pp. 221– 228. (In Russ.) https://doi.org/10.33764/2411-1759-2020-25-4-221-228Морозов Н. Н., Мазаник А. И, Акимбаев Е. Ж. Экспрессметод измерения дозы за импульс излучения высокой интенсивности // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2021. № 2(49). С. 55–60.Morozov N. N., Mazanik A. I., Akimbaev E. Zh., The composition of the editorial board, 2021, no. 2(49). pp. 55–60. (In Russ.)Малогабаритный высокочувствительный датчик ускорений. Пат. RU 71773 U1 / Л. М. Игнатов, А. С. Кусков // Изобретения. Полезные модели. 2008. № 8.Ignatov L. M., Kuskov A. S., Patent RU 71773 U1, Byull. Izobret., no. 8 (2008).Kyaw P. A., Stein A. L. F., Sullivan C. R., IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2017, pp. 2519– 2526, https://doi.org/10.1109/APEC.2017.7931052Kyaw P. A., Stein A. L. F., Sullivan C. R., IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2017, pp. 2519–2526, https://doi.org/10.1109/APEC.2017.7931052Кларк Э. Р., Эберхард К. Н. Микроскопические методы исследования материалов: Пер. с англ. М.: РИЦ «Техносфера», 2007. 376 с.Clarke A., Eberhardt C., Microscopy Techniques for Materials Science, Woodhead Publishing, 2002.Wong Jee Keen Raymond, Chandan Kumar Chakrabarty, Goh Chin Hock, Ahmad Basri Ghani, Measurement, 2013, vol. 46, no. 10, pp. 3796–3801. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2013.06.039Wong Jee Keen Raymond, Chandan Kumar Chakrabarty, Goh Chin Hock, Ahmad Basri Ghani, Measurement, 2013, vol. 46, no. 10, pp. 3796–3801. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2013.06.039Heath J., Zabierowski P., Capacitance Spectroscopy of Thin-Film Solar Cells, In Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells (eds D. Abou-Ras, T. Kirchartz and U. Rau), 2011, pp. 81–105. https://doi.org/10.1002/9783527636280.ch4Heath J., Zabierowski P., Capacitance Spectroscopy of ThinFilm Solar Cells, In Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells (eds D. Abou-Ras, T. Kirchartz and U. Rau), 2011, pp. 81–105. https://doi.org/10.1002/9783527636280.ch4Ушаков П. А., Бабошкин Г. Д., Стойчев С. В., Гравшин В. Г. Двухполюсные элементы с фрактальным импедансом и их применение в радиотехнике и связи // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2020. Т. 23. № 1. С. 75–105.Ushakov P. A., Baboshkin G. D., Stojchev S. V., Gravshin V. G., Dvukhpolyusnye ehlementy s fraktal’nym impedansom i ikh primenenie v radiotekhnike i svyazi, Vestnik IzhGTU imeni M. T. Kalashnikova, 2020, vol. 23, no. 1, pp. 75–105 (In Russ.)Заключительный отчёт по теме COOMET.EM-S8 (469/RU-a/09). URL: https://www.bipm.org/utils/common/pdf/final_reports/EM/S8/COOMET.EM-S8.pdf (дата обращения: 02.07.2022).Final Report COOMET.EM-S8 (469/RU-a/09), available at: https://www.bipm.org/utils/common/pdf/fi nal_reports/EM/S8/ COOMET.EM-S8.pdf (accessed: 21.07.2022).Keller M. W., Eichenberger A.L., Martinis J. M., Zimmerman N. M., Science, 1999, no. 285(5434), pp. 1706–1709. https://doi.org/10.1126/science.285.5434.1706Keller M. W., Eichenberger A. L., Martinis J. M., Zimmerman N. M., Science, 1999, no. 285(5434), pp. 1706–1709. https://doi.org/10.1126/science.285.5434.1706Keller M. W., Zimmerman N. M., Eichenberger A. L., Metrologia, 2007, vol. 44(6), pp. 505–512. https://doi.org/10.1088/0026-1394/44/6/010Keller M. W., Zimmerman N. M., Eichenberger A. L., Metrologia, 2007, vol. 44(6), pp. 505–512. https://doi.org/10.1088/0026-1394/44/6/010Scherer H., Schurr J., Ahlers F. J., Metrologia, 2017, vol. 54(3), pp. 322–338. https://doi.org/10.1088/1681-7575/AA65F9Scherer H., Schurr J., Ahlers F. J., Metrologia, 2017, vol. 54(3), pp. 322–338. https://doi.org/10.1088/1681-7575/AA65F9Yamahata G., Giblin S. P., Kataoka M., Karasawa T., Fujiwara A., Applied Physics Letters, 2016, vol. 109(1), 013101. https://doi.org/10.1063/1.4953872Yamahata G., Giblin S. P., Kataoka M., Karasawa T., Fujiwara A., Applied Physics Letters, 2016, vol. 109(1), 013101. https://doi.org/10.1063/1.4953872Шерстобитов С. В., Карпова М. В., Тертычная М. А. Квантовые эффекты и фундаментальные константы в основе эталонов единиц электрических величин // Измерительная техника. 2020. № 2. С. 65–70. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-2-65-70Sherstobitov S. V., Karpova M. V., Tertychnaya M. A., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 2, pp. 145–150. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01764-6Kibble B. P., Metrologia, 1998, vol. 35(1), 17. https://doi.org/10.1088/0026-1394/35/1/3Kibble B. P., Metrologia, 1998, vol. 35(1), 17. https://doi.org/10.1088/0026-1394/35/1/3Callegaro L., Measurement Science and Technology, 2009, no. 20(2), 022002. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/2/022002Callegaro L., Measurement Science and Technology, 2009, no. 20(2), 022002. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/2/022002Awan S. A., Kibble B. P., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, April 2005, vol. 54, no. 2, pp. 516–520. https://doi.org/10.1109/TIM.2005.843582Awan S. A., Kibble B. P., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, April 2005, vol. 54, no. 2, pp. 516– 520. https://doi.org/10.1109/TIM.2005.843582Özkan T., Gulmez G., Turhan E., Gulmez Ya., Measurement Science and Technology, 2007, no. 18(11), pp. 3496–3500. https://doi.org/10.1088/0957-0233/18/11/033Özkan T., Gulmez G., Turhan E., Gulmez Ya., Measurement Science and Technology, 2007, no 18(11), pp. 3496–3500. https://doi.org/10.1088/0957-0233/18/11/033Вудс Д. Двойной Т-образный мост для точного измерения проводимости на частотах 3–300 МГц // Точные электрические измерения: Сборник докладов конференции: Пер. с англ. М.: ИИЛ, 1959. С. 55.Woods D., Proc. IEE – Part C: Monographs, September 1957, vol. 104, iss. 6, pp. 538–541. https://doi.org/10.1049/pi-c.1957.0062Грохольский А. Л. Образцовый конденсатор для частот 200–300 МГц // Измерительная техника. 1960. № 6. С. 43–47.Grokhol’skii A. L., Measurement Techniques, 1960, vol. 3, no. 6, pp. 518–523. https://doi.org/10.1007/BF00976494Циклаури Г. Н. Эффективные параметры коаксиальных конденсаторов в широком диапазоне частот // Доклады второй Республиканской научно-технической конференции по метрологии. 27–29 ноября 1972 г. Тбил. филиал Всесоюз. науч.-исслед. ин-та метрологии им. Д. И. Менделеева. Тбилиси, 1972.Ciklauri G. N., Ehff ektivnye parametry koaksial’nykh kondensatorov v shirokom diapazone chastot, Proceedings of the Second Republic Scientifi c-Technical Conference on Metrology, Tbilisi, November 27-29, 1972, Tbil. fi lial VNIIM im. D. I. Mendeleeva, 1972. (In Russ.)Weinschel B. O., Air-fi lled coaxial lines as absolute impedance standards, Microwave Journal, 1964, vol. 7, no. 4, pp. 47–50.Weinschel B. O., Air-fi lled coaxial lines as absolute impedance standards, Microwave Journal, vol. 7, no. 4, pp. 47–50, 1964.Абросимов Э. А. и др. Высокочастотный расчетный конденсатор постоянной емкости // Доклады Всесоюзной научно-технической конференции по радиотехническим измерениям. Новосибирск: Сиб. науч.-исслед. ин-т метрологии., 1970. Т. 1. С. 11.Abrosimov Je. A., etc., Vysokochastotnyj raschetnyj kondensator postoyannoj emkosti, Proc. All-Union Scientifi c-Technical Conference on Radiotechnical Measurements, Novosibirsk, Siberian Scientifi c Research Institute of Metrology, 1970, vol. 1, p. 11. (In Russ.)Циклаури Г. Н. Погрешность расчетных формул для определения параметров конденсаторов на высоких частотах // Современные методы и аппаратура для измерения параметров радиоцепей: Сборник докладов Всесоюзного симпозиума, Новосибирск, 18–22 сентября 1973 г. Сиб. науч.- исслед. ин-т метрологии. Новосибирск, 1974.Ciklauri G. N., Sovremennye metody i apparatura dlja izmerenija parametrov radiocepej, Сollection of reports of the All-Union Symposium, Novosibirsk, September 18–22, 1973, Novosibirsk, Siberian Scientifi c Research Institute of Metrology, 1974. (In Russ.)Рабинович Б. Е. Методика суммирования частных погрешностей в области радиотехнических измерений // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Радиоизмерительная техника. 1961. Вып. 4. С. 3–22.Rabinovich B. E., Metodika summirovaniya chastnykh pogreshnostej v oblasti radiotekhnicheskikh izmerenij, Voprosy radiojelektroniki. Serija Radioizmeritel’naja tehnika, 1961, vol. 4, pp. 3–22. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.