專利名稱：一種太赫茲信號檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號檢測領(lǐng)域，特別是一種太赫茲信號檢測裝置。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz) (ITHz = IO12Hz)波通常指的是頻率在0.1THz IOTHz (波長在3mm 30 ii m)范圍內(nèi)的電磁福射。從頻率上看,該波段位于毫米波和紅外線之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段；從能量上看，太赫茲波介于在電子和光子之間。在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是太赫茲技術(shù)基本上還是一個“空白”，究其緣由是因為在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波理論來研究，從而也就形成了通常所說的“太赫茲空隙”。20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的太赫茲產(chǎn)生方法和檢測手段，科學(xué)家對于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限。近十幾年來，超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使太赫茲輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展。世界各地的科學(xué)家都爭先在此領(lǐng)域開發(fā)這一新的電磁資源。太赫茲具有瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等獨(dú)特性能，在寬帶通信、雷達(dá)、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測、安全檢查等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短，所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個主要關(guān)鍵技術(shù)。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢。另外，由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。太赫茲的應(yīng)用仍在不斷的開發(fā)研究當(dāng)中，其廣闊的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)。宇宙中一半輻射的能量都在太赫茲波段，自宇宙大爆炸以來，輻射出的光子有98%也在這一范圍。很多星際介質(zhì)的特征譜線也在這一范圍，如H2O, NH3, O2, CH+等等，獲取這些信息可以研究恒星和星云演化，生命形成等等。天文學(xué)家希望能夠比較使用太赫茲波和其他頻率電磁波對宇宙輻射觀測結(jié)果中在一些數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測深度、角坐標(biāo)分辨率以及視野等方面所表現(xiàn)的差異，所以他們需要太赫茲波檢測儀器來拓寬視野，這時候就需要開發(fā)用于天文觀測的太赫茲二維檢測陣列的成像系統(tǒng)。除此之外，這種高靈敏度太赫茲二維檢測陣列的成像研究在生物學(xué)、醫(yī)藥科學(xué)以及安全等領(lǐng)域也變得越來越重要。迄今為止，已經(jīng)有許多研究者在實(shí)現(xiàn)太赫茲二維檢測陣列方面作出了眾多努力，不僅有傳統(tǒng)光電導(dǎo)體和半導(dǎo)體輻射熱計，還包括了高靈敏度的超導(dǎo)體檢測器。不同于被廣泛應(yīng)用于此領(lǐng)域的輻射熱計，超導(dǎo)太赫茲直接檢測器是基于鈮超導(dǎo)隧道結(jié)(Superconductor Tunnel Junction,簡稱 STJ)即 Nb/Al/A10x/Al/Nb 而制備出來的，在這種由超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體薄膜組成的三明治結(jié)構(gòu)中，絕緣層的厚度和超導(dǎo)體的相干長度相當(dāng)，則兩超導(dǎo)體之間將會存在某種弱耦合。在微觀上表現(xiàn)為，此結(jié)構(gòu)不僅允許單電子通過，電子可以庫珀對(電子對)的形式通過隧道效應(yīng)在兩塊超導(dǎo)體之間轉(zhuǎn)移，但這種轉(zhuǎn)移幾率很小，從而在兩超導(dǎo)體之間造成了弱連接，它們的電子波函數(shù)的相位既不完全相同，又不彼此獨(dú)立，而是維持一定的關(guān)系。由這種弱耦合而導(dǎo)致的一系列現(xiàn)象即所謂約瑟夫森效應(yīng)。超導(dǎo)太赫茲直接檢測器就是基于這種約瑟夫森效應(yīng)的一種太赫茲波量子檢測器，它通過光子輔助隧穿過程來實(shí)現(xiàn)對太赫茲波信號的檢測。對比傳統(tǒng)的輻射熱計，它有以下的優(yōu)點(diǎn):易于制備成太赫茲二維檢測陣列、大的動態(tài)范圍和極短的響應(yīng)時間。噪聲等效功率(NEP)是對一個檢測器靈敏度的度量，定義為在輸出信噪比(SNR)為I的情況下，檢測器輸入端接收到的信號功率，單位為W/#,—般把NEP看作檢測器可以分辨的最小功率。如公式(I)所示，一般情況下NEP由背景的熱輻射和檢測器自身產(chǎn)生的噪聲兩部分組成，其中背景的熱輻射就是量子(Phononl)噪聲，即公式中的第一項；檢測器自身產(chǎn)生的噪聲包括電阻的熱噪聲(Johnson),檢測器自身聲子(Phonon2)噪聲,主要由前置放大器(Amplifier)決定的讀出電路產(chǎn)生的噪聲，光子量子噪聲，以及一些額外因素(Excess)引入的噪聲。
權(quán)利要求
1.種太赫茲信號檢測裝置，其特征在于，包括集成芯片，所述集成芯片上同時設(shè)置低溫半導(dǎo)體讀出電路和超導(dǎo)體檢測器；低溫半導(dǎo)體讀出電路和超導(dǎo)體檢測器相互連通，超導(dǎo)體檢測器用于檢測太赫茲信號。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太赫茲信號檢測裝置，其特征在于，所述低溫半導(dǎo)體讀出電路包括偏置電阻&、第一場效應(yīng)管JFETl和第二場效應(yīng)管JFET2、第一場效應(yīng)管JFETl的第一偏置電阻RsI和第二場效應(yīng)管JFET2的第二偏置電阻Rs2、電位器Vk、集成運(yùn)算放大器U3、集成運(yùn)算放大器U4、集成運(yùn)算放大器U5、集成運(yùn)算放大器U6，以及集成運(yùn)算放大器U7 ； 超導(dǎo)體檢測器Rsti兩端分別接到第一場效應(yīng)管JFETl和第二場效應(yīng)管JFET2各自的柵極，且超導(dǎo)體檢測器Rsu其中一端接地；第一場效應(yīng)管JFETl和第二場效應(yīng)管JFET2的漏極施加9V的直流偏壓，并分別經(jīng)由第一偏置電阻RsI和第二偏置電阻民2接地；所述偏置電阻Rl和超導(dǎo)體檢測器Rstj串聯(lián)后連接到集成運(yùn)算放大器U7的正輸入端，集成運(yùn)算放大器U7的負(fù)輸入端接地，集成運(yùn)算放大器U7輸出端的電壓值就是電流輸出值Itm ； 所述集成運(yùn)算放大器U3正輸入端連接第二場效應(yīng)管JFET2的源極，集成運(yùn)算放大器U4正輸入端連接第一場效應(yīng)管JFETl的源極，集成運(yùn)算放大器U3和集成運(yùn)算放大器U4各自采用負(fù)反饋連接方式，集成運(yùn)算放大器U3輸出端連接集成運(yùn)算放大器U5的負(fù)輸入端，集成運(yùn)算放大器U4輸出端連接集成運(yùn)算放大器U5的正輸入端； 所述集成運(yùn)算放大器U6正輸入端連接電位器Vk，集成運(yùn)算放大器U6通過開關(guān)1-bias采用負(fù)反饋連接方式和集成運(yùn)算放大器U7的正輸入端相連，集成運(yùn)算放大器U6同時通過開關(guān)V-bias和集成運(yùn)算放大器U5的輸出端相連； 所述集成運(yùn)算放大器U5輸出端分別連接一個電阻和接地電容。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲信號檢測裝置，其特征在于，低溫半導(dǎo)體讀出電路和超導(dǎo)體檢測器通過金屬薄膜引線連通。
4.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲信號檢測裝置，其特征在于，集成芯片為直徑12毫米的圓形集成芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太赫茲信號檢測裝置，包括集成芯片，所述集成芯片上同時設(shè)置低溫半導(dǎo)體讀出電路和超導(dǎo)體檢測器；低溫半導(dǎo)體讀出電路和超導(dǎo)體檢測器相互連通，超導(dǎo)體檢測器用于檢測太赫茲信號。本發(fā)明不僅能降低系統(tǒng)噪聲提高超導(dǎo)太赫茲直接檢測器的靈敏度、工作穩(wěn)定性和運(yùn)行速度，而且還便于設(shè)計和制作基于多通道讀出電路的太赫茲二維檢測陣列的成像系統(tǒng)。本發(fā)明將超導(dǎo)體元器件和半導(dǎo)體元器件集成在同一塊芯片上，通過微加工技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)金屬薄膜引線。因為集成度提高，也大幅度減少了焊盤從而實(shí)現(xiàn)了降低噪聲和提高系統(tǒng)運(yùn)行速度的目的。
文檔編號G01J5/02GK103090977SQ20131003121
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者許欽印, 日比康詞, 陳健, 康琳, 吳培亨 申請人:南京大學(xué)