专利名称：一种太赫兹信号检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号检测领域，特别是一种太赫兹信号检测装置。
背景技术：
太赫兹(THz) (ITHz = IO12Hz)波通常指的是频率在0.1THz IOTHz (波长在3mm 30 ii m)范围内的电磁福射。从频率上看,该波段位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段；从能量上看，太赫兹波介于在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个“空白”，究其缘由是因为在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波理论来研究，从而也就形成了通常所说的“太赫兹空隙”。20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的太赫兹产生方法和检测手段，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来，超快激光技术的迅速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。世界各地的科学家都争先在此领域开发这一新的电磁资源。太赫兹具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性能，在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域产生了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍在不断的开发研究当中，其广阔的科学前景为世界所公认。宇宙中一半辐射的能量都在太赫兹波段，自宇宙大爆炸以来，辐射出的光子有98%也在这一范围。很多星际介质的特征谱线也在这一范围，如H2O, NH3, O2, CH+等等，获取这些信息可以研究恒星和星云演化，生命形成等等。天文学家希望能够比较使用太赫兹波和其他频率电磁波对宇宙辐射观测结果中在一些数据质量、观测深度、角坐标分辨率以及视野等方面所表现的差异，所以他们需要太赫兹波检测仪器来拓宽视野，这时候就需要开发用于天文观测的太赫兹二维检测阵列的成像系统。除此之外，这种高灵敏度太赫兹二维检测阵列的成像研究在生物学、医药科学以及安全等领域也变得越来越重要。迄今为止，已经有许多研究者在实现太赫兹二维检测阵列方面作出了众多努力，不仅有传统光电导体和半导体辐射热计，还包括了高灵敏度的超导体检测器。不同于被广泛应用于此领域的辐射热计，超导太赫兹直接检测器是基于铌超导隧道结(Superconductor Tunnel Junction,简称 STJ)即 Nb/Al/A10x/Al/Nb 而制备出来的，在这种由超导体-绝缘体-超导体薄膜组成的三明治结构中，绝缘层的厚度和超导体的相干长度相当，则两超导体之间将会存在某种弱耦合。在微观上表现为，此结构不仅允许单电子通过，电子可以库珀对(电子对)的形式通过隧道效应在两块超导体之间转移，但这种转移几率很小，从而在两超导体之间造成了弱连接，它们的电子波函数的相位既不完全相同，又不彼此独立，而是维持一定的关系。由这种弱耦合而导致的一系列现象即所谓约瑟夫森效应。超导太赫兹直接检测器就是基于这种约瑟夫森效应的一种太赫兹波量子检测器，它通过光子辅助隧穿过程来实现对太赫兹波信号的检测。对比传统的辐射热计，它有以下的优点:易于制备成太赫兹二维检测阵列、大的动态范围和极短的响应时间。噪声等效功率(NEP)是对一个检测器灵敏度的度量，定义为在输出信噪比(SNR)为I的情况下，检测器输入端接收到的信号功率，单位为W/#,—般把NEP看作检测器可以分辨的最小功率。如公式(I)所示，一般情况下NEP由背景的热辐射和检测器自身产生的噪声两部分组成，其中背景的热辐射就是量子(Phononl)噪声，即公式中的第一项；检测器自身产生的噪声包括电阻的热噪声(Johnson),检测器自身声子(Phonon2)噪声,主要由前置放大器(Amplifier)决定的读出电路产生的噪声，光子量子噪声，以及一些额外因素(Excess)引入的噪声。
权利要求
1.种太赫兹信号检测装置，其特征在于，包括集成芯片，所述集成芯片上同时设置低温半导体读出电路和超导体检测器；低温半导体读出电路和超导体检测器相互连通，超导体检测器用于检测太赫兹信号。
2.据权利要求1所述的一种太赫兹信号检测装置，其特征在于，所述低温半导体读出电路包括偏置电阻&、第一场效应管JFETl和第二场效应管JFET2、第一场效应管JFETl的第一偏置电阻RsI和第二场效应管JFET2的第二偏置电阻Rs2、电位器Vk、集成运算放大器U3、集成运算放大器U4、集成运算放大器U5、集成运算放大器U6，以及集成运算放大器U7 ； 超导体检测器Rsti两端分别接到第一场效应管JFETl和第二场效应管JFET2各自的栅极，且超导体检测器Rsu其中一端接地；第一场效应管JFETl和第二场效应管JFET2的漏极施加9V的直流偏压，并分别经由第一偏置电阻RsI和第二偏置电阻民2接地；所述偏置电阻Rl和超导体检测器Rstj串联后连接到集成运算放大器U7的正输入端，集成运算放大器U7的负输入端接地，集成运算放大器U7输出端的电压值就是电流输出值Itm ； 所述集成运算放大器U3正输入端连接第二场效应管JFET2的源极，集成运算放大器U4正输入端连接第一场效应管JFETl的源极，集成运算放大器U3和集成运算放大器U4各自采用负反馈连接方式，集成运算放大器U3输出端连接集成运算放大器U5的负输入端，集成运算放大器U4输出端连接集成运算放大器U5的正输入端； 所述集成运算放大器U6正输入端连接电位器Vk，集成运算放大器U6通过开关1-bias采用负反馈连接方式和集成运算放大器U7的正输入端相连，集成运算放大器U6同时通过开关V-bias和集成运算放大器U5的输出端相连； 所述集成运算放大器U5输出端分别连接一个电阻和接地电容。
3.据权利要求1或2所述的一种太赫兹信号检测装置，其特征在于，低温半导体读出电路和超导体检测器通过金属薄膜引线连通。
4.据权利要求1或2所述的一种太赫兹信号检测装置，其特征在于，集成芯片为直径12毫米的圆形集成芯片。
全文摘要
本发明公开了一种太赫兹信号检测装置，包括集成芯片，所述集成芯片上同时设置低温半导体读出电路和超导体检测器；低温半导体读出电路和超导体检测器相互连通，超导体检测器用于检测太赫兹信号。本发明不仅能降低系统噪声提高超导太赫兹直接检测器的灵敏度、工作稳定性和运行速度，而且还便于设计和制作基于多通道读出电路的太赫兹二维检测阵列的成像系统。本发明将超导体元器件和半导体元器件集成在同一块芯片上，通过微加工技术很容易实现金属薄膜引线。因为集成度提高，也大幅度减少了焊盘从而实现了降低噪声和提高系统运行速度的目的。
文档编号G01J5/02GK103090977SQ20131003121
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月28日 优先权日2012年11月30日
发明者许钦印, 日比康词, 陈健, 康琳, 吴培亨 申请人:南京大学